基于CANCAN总线的智能楼宇分布式控制系统

刘志英　郭晓澎　杨　莹

（1.山西省交通科学研究院，山西　太原　03300000066； 2.山西省交通科学研究院，山西　太原　03300000066；33..山西省交通科学研究院，山西　太原　03300000066）

基于CANCAN总线的智能楼宇分布式控制系统

刘志英1郭晓澎2杨莹3

（1.山西省交通科学研究院，山西太原03300000066； 2.山西省交通科学研究院，山西太原03300000066；33..山西省交通科学研究院，山西太原03300000066）

智能楼宇系统能够给人们提供轻松、有序、高效的现代生活方式，未来它将是每一个楼宇必备的设备。本文所设计的智能楼宇系统分为三个子系统：灯光调节系统、基于射频识别的门禁系统以及集成以太网通讯功能的主控制器系统。本文将着力介绍基于CAN总线的智能楼宇分布式控制系统的网络节点设计，给出以STM32F107为主控制器的节点设计方案，对CAN总线通信模块、以太网通讯模块、灯光调节模块、射频识别模块的电路设计和软件实现给出详细的说明。

智能楼宇；CAN总线；以太网；射频识别；灯光调节

1　背景介绍

图1　总体结构框图

随着大量电子设备的推广使用，建筑电子化的趋势逐步显现，人们开始将电器、通讯设备与安防系统设备这些具有独立功能的事物综合在一起，形成了建筑自动化的概念。随着通信与信息技术的发展，出现了通过总线技术对建筑中各种设备进行统一监控管理的系统，也就是现在智能建筑的原型［1］。目前通常把智能建筑定义为利用IT技术和综合布线技术，通过信息管理平台将大楼中各种子系统有机结合成一个系统。现阶段数字化技术取得了更加迅猛的发展并日益渗透到各个领域，随着Internet网的不断扩展，建筑信息化、智能化将是一个不可避免的趋势。

2　总体设计方案

图1所示是本文设计的一种新的基于CAN总线的智能建筑分布式控制系统，它包含三个模块：主控制系统、门禁系统以及灯光调节系统，三者之间采用CAN总线进行通讯，并将各模块的工作运行状态通过以太网传至上位机软件，由此构成一个简单的分布式智能建筑控制网络。

本文设计的分布式控制系统通讯采用CAN总线，主要是考虑到CAN总线作为一种有效支持分布式控制和实时控制的现场总线技术，具有开发维护成本低、总线利用率高、传输距离远（最远可达10km）、传输速率高（最高可达1Mbps）、抗干扰性强、多节点传输等优势。

与上位机间的通讯采用以太网，由主控制器来完成。而且万兆以太网的出现大大提高了以太网通讯的速度，将冲突出现的可能大大降低，提高了以太网的性能［2-4］。

不论是CAN总线还是以太网，都有一个共同的优点就是方便系统的扩展，我们可以随意地向以太网网络和CAN总线网络中增加或删除节点。这也正是本文设计的分布式控制系统采用这两种通讯模式的原因。

3　硬件电路设计

3.1RFID门禁系统

门禁系统采用RFID技术，利用读卡器芯片MFRC530及射频卡Mifare S50构成射频识别系统。

Mifare S50卡是一款近耦合式射频卡，集成了ISO14443A协议，支持8位并行通讯方式，同时也可以选用SPI串行通讯方式。这里选用这款芯片的最大原因在于其模拟以及射频信号收发部分采用5V供电，但其支持数字接口部分的3.3V独立供电，这样可以省去STM32F107到MFRC530之间的电平转换电路［5］。

图2　板载天线电路

这里分别将STM32F107和MFRC530配置为SPI主、从器件，通过SPI总线实现主芯片与读卡器芯片的通讯。另外再利用电路腐蚀在PCB上形成一个板上天线，图2所示就是一个天线的滤波，调理电路。

另外板子上还设计了一个EEPROM器件X25043，该器件集成了看门狗功能，本设计使用该芯片来防止程序跑偏后的死机，同时其具备的电压检测功能可使主芯片电压不足时进入复位模式。更重要的是用其来存储建筑内各个房间及办公室的门禁信息，以便与射频卡中读出的信息进行对比。

3.2可控硅调光模块

灯光调节部分采用PWM调制技术，通过STM32F107控制器自带的高级时钟功能来产生PWM波形，灯则采用LED照明灯，随着国家对于白炽灯的逐步禁止，LED灯以其低功耗和高亮度的特点已经成为照明市场上的一个新趋势，考虑到照明用的灯为220V供电，由于STM32F107GPIO的耐压最大值为5V，所以直接用STM32F107控制器的GPIO口来控制灯的开断是不可能，也不安全。所以这里采用三端可控硅元件BTA06来控制灯的亮灭，并且采用一个光耦MOC3021对控制电路和强电照明电路实现隔离。如图3所示。

图3　调光电路

这里控制器的GPIO口连接图上的OUT1端，高低电平的变化来控制光耦的通断，而LED1端接E27灯座，此时将220V的强电接在E27灯座的另一端以及N3口上。由此我们就可以通过调节GPIO口输出的PWM波形的占空比来调节可控硅的导通角，从而调节光的亮度。

3.3CAN总线通讯模块

传统的CAN总线组网方案是由主控制器、CAN总线控制器（如PCA82C250）、CAN总线收发器（如SJA1000）以及CAN总线控制器与收发器间隔离电路四部分组成，其中CAN总线隔离电路一般采用DC/DC隔离电源、高速光耦（如6N137）、匹配电阻以及滤波电容组成。这种方案在CAN总线产生早期经常使用，至今仍是一种使用较为普遍的方案。但是这种电路方案PCB布板面积大，器件众多，使用起来较为复杂。本文设计的CAN总线模块采用全新的设计方案，由集成CAN总线控制器的主控芯片以及带隔离功能的CAN总线收发器（如CTM1051A）组成［6］。这种方案可以降低器件成本，最主要的是可以减少PCB的面积，方便将产品小型化、模块化。其电路连接方式如图4。

这里采用CTM1051A作为CAN总线收发器，它将传统的由隔离电源和光耦以及相匹配的电容电阻组成的隔离电路，完全集成到了一个器件中。考虑到CAN总线网络的两个终端上需要添加匹配电阻，所以在电路设计上采用了如图4所示的方式，当电路板作为CAN总线的终端时，只需要将P6的跳帽跳上即可，而当电路板作为CAN总线的中间节点时，将跳帽拔下即可，非常方便。

图4　CAN总线电路

图5　

3.4以太网模块

以太网部分由集成了以太网控制器的STM32F107作为主控制器，外接以太网物理层收发器DM9161A，并连接内部集成了网络隔离变压器的RJ45接口HR911105A。

STM32F107与DM9161A的连接方式有两种，一种是MII接法，MII是将不同类型的PHY器件与相同网络控制器相连接的通用总线。这种接法数据接口需要16个信号线，而管理接口则需要两个信号线，总共18根线，这将大量占用主控制器的GPIO端口，为节省资源，这里采用第二种接法RMII，即简化的MII接口。使用这种接法我们只需9根信号线，另外，由于DM9161A需要50MHz的频率输入，可以对其外接晶振，也可以从外部输入时钟信号，这里使用STM32F107的MCO端口输出的50MHz时钟源作为DM9161A的信号输入。

4　以太网软硬件调试

主控制器与PC机的通讯过程主要是采用以太网，这种通讯方式便于组网，新增子节点只要设置合适的网关和IP地址就可以方便地加入到整个通讯网络中，利于后续的扩展开发［7-8］。本节将主要介绍以太网模块的程序编写以及软硬件调试流程。

通讯过程中，主控制器需要将传输的数据封装成一个以太网帧，格式如表1。

主控制器上的MAC地址，可以通过对STM32F107以太网MAC地址寄存器的写操作自己设定。而计算机网卡的MAC地址则可以通过以下步骤查询：开始—运行—输入cmd—输入ipconfig/all，效果如图6。

表1　基于IEEE802.3标准的以太网帧

图6　计算机网卡MAC地址

这里需要对PC机和主控制器设定IP地址，主控制器的IP地址通过设定STM32F107寄存器来完成。计算机IP地址的设定方法是：打开网络连接—本地连接—属性—Internet协议—使用下面的IP地址—设定一个32位的IP地址即可，需要注意同步设置网关，两者必须在同一个网段内。以上设定都完成后，就可以进行以太网数据的收发了，这里有两种方式。

第一种方式：按照图6步骤查询出PC机的MAC地址，即主控制器要发送的以太网帧的目的地址，这种方法有一定的缺陷，那就是和不同PC机进行通讯时，每次都需要查询该PC机MAC地址，并在程序中重新设定。

第二种方式：采用ARP协议即地址转换协议来发现网络上其他基于IP地址协议的计算机的以太网地址。这样对不同的PC机，只需要设定IP地址即可，不必再去查询其MAC地址。

这里采用第二种方式，其过程如下：

（1）设定计算机IP地址为192.0.2.1。设定主控制器IP地址为192.0.2.2。

（2）主控制器发送ARP包，用于询问IP地址为192.0.2.1的结点，请它将自己的以太网接口48位MAC地址发送给主控制器，接收ARP包的各个网络结点分析接收到的数据，IP地址与ARP包中不同者，不会响应。而IP地址与ARP包中相同者，则会响应ARP包，自动将MAC地址回传。

（3）接收到目标MAC地址的主控制器，随即将该地址作为目的地址与要发送的数据还有自身地址一起封装成一个标准的以太网帧并发送。

（4）PC接收该帧，存在相应的存储器中。完成一次收发过程。

对于以太网传输的正确性验证，使用软件“网络调试助手”，如图7，它可以监控相应IP地址节点接收到的数据。

5　结语

本文介绍了智能建筑的概念及发展现状和未来趋势。重点对可控硅照明调光模块、RFID门禁模块、CAN通讯模块、以太网通讯模块的软硬件实现及调试进行了介绍。另外采用现场总线的分布式智能建筑控制系统增强了现场级信息集成能力，方便对门禁、灯光等设备运行信息进行采集与汇总。系统可靠性高，并且具备了开放式、可扩展性等特点，实际系统运行良好，各模块功能均可正常实现。

图7　网络调试助手

［1］许宏科，王维敏.现场总线技术在隧道监控系统中的应用［J］.山西交通科技，2003（5）：52-54.

［2］张杰.智能建筑的物联感知系统设计［J］.数字技术与应用，2015（12）：147-148.

［3］邬宽明.总线原理和应用系统设计［M］.北京：北京航空航天大学出版社，2008.

［4］高亮.智能建筑综合布线系统及其项目管理研究［J］.信息通信，2015（12）：292-293.

［5］李志涛.总线自动化测试设备的设计与研究［J］.汽车电器，2015（12）：48-53.

［6］谢宁.一种具有CAN总线通信的称重设备设计［J］.中国计量，2015（12）：70-71.

［7］秦磊.大型商务楼智能化系统关键技术的研究［J］.数字技术与应用，2015（12）：102-103.

［8］汪伟.基于DeviceNet现场总线的公路隧道照明工程控制系统研究［J］.山西交通科技，2007（5）：60-62.

Distributed Control System for Intelligent buildings based On CAN Bus

Liu Zhiying1Guo Xiaopeng2YangYing3
（1.Shanxi Transportation Research Institute，Taiyuan Shanxi 030006，2.Shanxi Transportation Research Institute，Taiyuan Shanxi 030006，3. Shanxi Transportation Research Institute，Taiyuan Shanxi 030006）

The system of intelligent building can offer people aeasy，ordered，and highly efficient life style，in the future，it will become a required device for all the buildings..In this paper，the designed intelligent building system is divided into three subsystems：the system of light regulation，the system of entrance guard based on radio frequency identification and the system of main controller integrated with Ethernet communication function.This paper will focus on the network node design of distributed control system for intelligent building based on CAN bus，and give a node design scheme with STM32F107 as main controller.It gives a detailed description on the electrical line design and software implementation of the CAN bus communication module，Ethernet communications module，lighting adjustment module and RFID module.

intelligent Hbuilding；CAN bus；Ethernet；radio frequency identification；light regulation

TM923

A

1003-5168（2015）10-0022-4

2015-9-15

刘志英（1988-），女，硕士研究生，助理工程师，研究方向：嵌入式软件开发和基于javascript的网页开发。