基于CAN總線的智能聯(lián)防報(bào)警系統(tǒng)研究

王出航

(長(zhǎng)春師范學(xué)院網(wǎng)絡(luò)中心,吉林長(zhǎng)春 130032)

基于CAN總線的智能聯(lián)防報(bào)警系統(tǒng)研究

王出航

(長(zhǎng)春師范學(xué)院網(wǎng)絡(luò)中心,吉林長(zhǎng)春 130032)

在分析CAN總線協(xié)議和技術(shù)特點(diǎn)及其通信原理的基礎(chǔ)上,本文提出一種利用CAN總線構(gòu)建智能聯(lián)防報(bào)警系統(tǒng)的方法,設(shè)計(jì)相關(guān)硬件電路、應(yīng)用層協(xié)議和軟件架構(gòu),建立系統(tǒng)子機(jī)、分機(jī)和主機(jī)之間通訊的網(wǎng)絡(luò)模型。實(shí)地安裝測(cè)試表明,該智能聯(lián)防報(bào)警系統(tǒng)滿足“鄰里互助,警民聯(lián)動(dòng)”的智能控制要求,取得了良好的效果。

聯(lián)防報(bào)警;CAN總線;智能控制

0 引言

控制器局部網(wǎng)CAN(controller Area Network)是Bosch公司為現(xiàn)代汽車應(yīng)用領(lǐng)先推出的一種多主機(jī)局部網(wǎng),由于其卓越性能現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于汽車工業(yè)、自動(dòng)化控制、航空工業(yè)、環(huán)境控制及安全防護(hù)等眾多領(lǐng)域[1]。CAN總線規(guī)范已經(jīng)被ISO國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)組織制定為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO11898(高速應(yīng)用)和ISO11519(低速應(yīng)用)[2],得到了國(guó)際上知名半導(dǎo)體公司如PHILIPS、INTEL和ATMEL等的支持,現(xiàn)已推出了不同功能和特點(diǎn)的CAN控制器芯片,使得CAN的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。

我國(guó)村鎮(zhèn)尤其是邊境的村鎮(zhèn),居民住宅比較分散,離派出所距離比較遠(yuǎn),當(dāng)有突發(fā)事件時(shí)民警不能很快到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)。為了解決這一問(wèn)題,本文采用CAN總線構(gòu)建了智能聯(lián)防報(bào)警系統(tǒng),使相鄰的住戶組成“聯(lián)防報(bào)警組”,一方面形成鄰里互助,另一方面具有“110”接、處警能力,及時(shí)幫助群眾解決突發(fā)事件。

1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

1.1 CAN網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)控制

在單個(gè)CAN網(wǎng)絡(luò)里,如果每個(gè)節(jié)點(diǎn)分配一個(gè)唯一的識(shí)別符 (ID),理論上總線容量可以達(dá)到2032個(gè)設(shè)備[3]。但在實(shí)際應(yīng)用中,不同的收發(fā)器芯片所支持的節(jié)點(diǎn)數(shù)不同,PHILIPS公司的PCA82C250僅支持110個(gè)節(jié)點(diǎn)。

依據(jù)CAN210標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范,CAN包含數(shù)據(jù)鏈路層和物理層。其中鏈路層完成幀結(jié)構(gòu)控制、仲裁執(zhí)行、錯(cuò)誤檢測(cè)、出錯(cuò)標(biāo)定、故障界定等功能,而物理層實(shí)現(xiàn)不同節(jié)點(diǎn)之間根據(jù)電氣屬性進(jìn)行位信息的傳輸功能[4]。

為了實(shí)現(xiàn)聯(lián)防報(bào)警系統(tǒng)中各個(gè)節(jié)點(diǎn)的控制,首先由發(fā)送器節(jié)點(diǎn)觸發(fā)發(fā)送事件,并執(zhí)行發(fā)送命令TraCMD,CAN鏈路層和物理層負(fù)責(zé)將發(fā)送數(shù)據(jù)封裝成CAN協(xié)議報(bào)文并完成數(shù)據(jù)發(fā)送。網(wǎng)絡(luò)中的其他接收器節(jié)點(diǎn)接收到報(bào)文后,解析協(xié)議,執(zhí)行RevCMD命令讀取數(shù)據(jù),并依據(jù)接收的ID判斷該數(shù)據(jù)幀為廣播幀還是特定目標(biāo)幀,然后對(duì)所接收的數(shù)據(jù)采取相應(yīng)的操作。

1.2 系統(tǒng)組網(wǎng)模型

智能聯(lián)防報(bào)警系統(tǒng)由報(bào)警子機(jī)、報(bào)警分機(jī)和主機(jī)組成,主機(jī)安裝在派出所,報(bào)警分機(jī)安裝在聯(lián)防組長(zhǎng)家,報(bào)警子機(jī)安裝在聯(lián)防村民家。分機(jī)和子機(jī)之間通過(guò)CAN總線進(jìn)行連接,分機(jī)和主機(jī)之間通過(guò)公共交換電話網(wǎng)PSTN(Public Switched Telephone Network)進(jìn)行通訊。因此,CAN通信節(jié)點(diǎn)之間信息傳輸?shù)目煽渴潜ＷC報(bào)警系統(tǒng)正常工作的前提。

CAN總線具有工作方式靈活、穩(wěn)定性和容錯(cuò)性好等特點(diǎn),且傳輸距離遠(yuǎn),當(dāng)通信距離達(dá)3300米時(shí),其傳輸能力還能達(dá)到20Kbit/s[5]。系統(tǒng)采用PHILIPS公司的CAN協(xié)議控制器SJA1000和CAN收發(fā)器PCA82C250來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸。

CAN收發(fā)器完成邏輯電平TT L與CAN物理層 (CANH、CANL)電平之間的轉(zhuǎn)換,而CAN協(xié)議控制器主要實(shí)現(xiàn)CAN鏈路層的功能,主要是接收和發(fā)送報(bào)文,并與主控制器STC89C58RD+進(jìn)行通信。主控制器根據(jù)外部報(bào)警按鍵或接收?qǐng)?bào)文觸發(fā)報(bào)警或接警操作流程。系統(tǒng)組網(wǎng)模型如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)組網(wǎng)模型

1.3 系統(tǒng)功能特點(diǎn)

大容量和靈活組網(wǎng)是系統(tǒng)的主要特點(diǎn)之一,每個(gè)報(bào)警分機(jī)可與多達(dá)109個(gè)報(bào)警子機(jī)組成一個(gè)聯(lián)防組,且報(bào)警點(diǎn)之間只需用一根兩芯雙絞線連接,布線簡(jiǎn)單。主機(jī)最多可覆蓋255個(gè)報(bào)警組,包含上萬(wàn)個(gè)報(bào)警點(diǎn)。

數(shù)據(jù)和語(yǔ)音傳輸是系統(tǒng)的另一主要特點(diǎn),系統(tǒng)除了傳輸報(bào)警信息外,還能實(shí)現(xiàn)壓縮語(yǔ)音數(shù)據(jù)傳輸,實(shí)現(xiàn)對(duì)報(bào)警現(xiàn)場(chǎng)的語(yǔ)音監(jiān)聽(tīng)。

智能報(bào)警接警和故障檢測(cè)是系統(tǒng)的又一主要特點(diǎn),當(dāng)有警情或特殊情況發(fā)生時(shí),按下報(bào)警子機(jī)或分機(jī)的“告警”按鈕,組內(nèi)的其它子機(jī)或分機(jī)均可收到該報(bào)警點(diǎn)的“號(hào)碼 (即ID)”,發(fā)出告警音后自動(dòng)進(jìn)入監(jiān)聽(tīng)狀態(tài)。在系統(tǒng)空閑狀態(tài)下,分機(jī)能定時(shí)地向網(wǎng)絡(luò)內(nèi)其他子機(jī)發(fā)送巡檢命令,以檢查各個(gè)子機(jī)的狀態(tài)。

2 系統(tǒng)硬件組件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的硬件部分包括子機(jī)硬件電路、分機(jī)硬件電路及主機(jī)PCI接入控制板電路,分機(jī)電路除了比子機(jī)電路多電話接口外,其他電路相同。主機(jī)PCI接入控制板電路主要包括多路電話接口 (可配置)及PCI接口電路,插入PC機(jī)擴(kuò)展槽與系統(tǒng)軟件平臺(tái)實(shí)現(xiàn)通信。

子機(jī)硬件電路主要包括語(yǔ)音壓縮/解壓縮模塊、CAN接口模塊和主控制器模塊等,CAN接口由獨(dú)立的CAN協(xié)議控制器SJA1000和CAN收發(fā)器PCA82C250及光電隔離電路組成,主控制器采用宏晶公司可在線編程微控制器STC89C58RD+。

2.1 CAN接口電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的CAN接口電路原理如圖2所示。主控制器STC89C58RD+為SJA1000提供片選、讀寫(xiě)等控制信號(hào),SJA1000的CAN端輸出和輸入引腳TX0和RX0通過(guò)光電隔離電路與收發(fā)器PCA82C250相連,PCA82C250的CANH和CANL引腳接至CAN物理總線上。

圖2 CAN接口原理圖

SJA1000能夠處理所有CAN210B規(guī)范的幀類型,而且還提供一些增強(qiáng)功能,使SJA1000能應(yīng)用于更廣的領(lǐng)域。它具有以下特點(diǎn):靈活的微處理器接口;可編程的CAN輸出驅(qū)動(dòng)器;高達(dá)1Mbit/sCAN位頻率;自身測(cè)試功能。

STC89C58RD+完成SJA1000的初始化以及CAN報(bào)文的發(fā)送和接收,初始化包括初始化工作模式、位速率、驗(yàn)收濾波器、收發(fā)報(bào)文緩存地址以及輸出控制寄存器等。

2.2 CAN應(yīng)用層協(xié)議設(shè)計(jì)

CAN協(xié)議只規(guī)范了物理層和鏈路層,采用逐位仲裁的方式進(jìn)行報(bào)文傳輸。本文采用CAN標(biāo)準(zhǔn)幀格式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸,其幀格式主要包括幀起始位 (SOF)、仲裁場(chǎng) (Arbitration Field)、控制場(chǎng) (Control Field)、數(shù)據(jù)場(chǎng) (Data Field)以及CRC校驗(yàn)場(chǎng)。仲裁場(chǎng)由11位識(shí)別符和1位遠(yuǎn)程發(fā)送請(qǐng)求位 (RTR)組成,RTR在數(shù)據(jù)幀里為“顯性”,在遠(yuǎn)程幀里為“隱性”。控制場(chǎng)由1位識(shí)別符擴(kuò)展位 (IDE)和1位保留位 (r0)及4位數(shù)據(jù)長(zhǎng)度代碼 (DLC)組成,IDE在標(biāo)準(zhǔn)幀里為“顯性”,在擴(kuò)展幀里為“隱性”,保留位默認(rèn)為“顯性”,數(shù)據(jù)長(zhǎng)度代碼指示數(shù)據(jù)場(chǎng)的字節(jié)數(shù)量,范圍為0到8。為了實(shí)現(xiàn)CAN網(wǎng)絡(luò)各個(gè)節(jié)點(diǎn)正確處理不同的報(bào)文,本文對(duì)標(biāo)準(zhǔn)幀格式的仲裁場(chǎng) (主要是ID)和控制場(chǎng)進(jìn)行了詳細(xì)的規(guī)劃,設(shè)計(jì)了切實(shí)可行的應(yīng)用層協(xié)議。其協(xié)議規(guī)范如表1所示。其中ID11 ID10 ID9定義為報(bào)文優(yōu)先級(jí),“000”具有最高優(yōu)先級(jí)。ID8 ID7定義為報(bào)文類型,“11”為報(bào)警信息報(bào)文,其后的ID6 ID5 ID4 ID3 ID2 ID1為報(bào)警子機(jī)的源地址,數(shù)據(jù)長(zhǎng)度代碼為0;“10”為語(yǔ)音信息報(bào)文,ID6 ID5 ID4 ID3 ID2 ID1為報(bào)警子機(jī)的源地址,數(shù)據(jù)代碼長(zhǎng)度為0-8;“01”為巡檢信息報(bào)文,由分機(jī)主動(dòng)發(fā)起,ID6 ID5 ID4 ID3 ID2 ID1為目標(biāo)子機(jī)地址,目標(biāo)子機(jī)收到該報(bào)文時(shí),發(fā)送同樣優(yōu)先級(jí)的確認(rèn)報(bào)文,報(bào)文目的地址為分機(jī)地址 (默認(rèn)為0),以通知分機(jī)該子機(jī)在線,否則為故障,巡檢報(bào)文的數(shù)據(jù)代碼長(zhǎng)度為0。

表1 應(yīng)用層協(xié)議規(guī)范

3 系統(tǒng)軟件平臺(tái)設(shè)計(jì)

主機(jī)管理軟件平臺(tái)采用VC++開(kāi)發(fā)工具開(kāi)發(fā),數(shù)據(jù)庫(kù)采用SQL Server2000,實(shí)現(xiàn)報(bào)警信息在電子地圖上的動(dòng)態(tài)顯示及現(xiàn)場(chǎng)錄音等功能。管理平臺(tái)軟件架構(gòu)如圖3所示。

系統(tǒng)接警后立即接入報(bào)警處理程序,自動(dòng)控制彈出多級(jí)電子地圖,顯示報(bào)警的位置,并啟動(dòng)遠(yuǎn)程監(jiān)聽(tīng)和錄音,同時(shí)記錄警情發(fā)生的時(shí)間、警種、處警時(shí)間、方式等;通過(guò)信息錄入模塊可完成電子地圖、用戶信息的錄入;通過(guò)窗口操作模塊完成對(duì)地圖的放大、縮小、測(cè)量距離等功能;通過(guò)圖層管理模塊實(shí)現(xiàn)圖層打開(kāi)、編輯和修改等功能;通過(guò)信息查詢和錄/放音模塊完成報(bào)警信息與處理結(jié)果查詢及錄放音等功能;通過(guò)PCI通信模塊接收實(shí)時(shí)報(bào)警信息。

圖3 系統(tǒng)軟件平臺(tái)架構(gòu)

4 結(jié)論

采用CAN總線進(jìn)行智能聯(lián)防報(bào)警系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì),能夠提高報(bào)警信息傳輸?shù)陌踩浴⒖煽啃院蛯?shí)時(shí)性,是解決廣大邊防鄉(xiāng)鎮(zhèn)地區(qū)治安問(wèn)題的有效方式。系統(tǒng)設(shè)計(jì)的CAN應(yīng)用層協(xié)議為以后系統(tǒng)升級(jí)提供了基礎(chǔ)和靈活的接口。該系統(tǒng)已實(shí)際應(yīng)用于吉林省延邊地區(qū)的邊防鄉(xiāng)鎮(zhèn)地區(qū),取得了良好的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。

[1]鄔寬明.CAN總線原理和應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2001.

[2]鄭凱,趙宏偉,陳鵬.基于MPC565的CAN總線智能節(jié)點(diǎn)的研究[J].微計(jì)算機(jī)信息,2009(1-2):59-61.

[3]Krishnamoorthy,Ratna.Controller Area Network as a serial communication protocol[C].Proceedings of Modelling and Simulation,MS’2004.

[4]BOSCH Company.CAN Specification Version 2.0[M].Germany:BOSCH Company,1991.

[5]Ping Ran,Baoqiang Wang,Wei Wang.The Design of Communication Converter based on CAN Bus;Proceedingsof the IEEE International Conference on Industrial Technology,2008:1-5.

Research on the Intelligent Joint-defense Alarm System Based on CAN Bus

WANG Chu-hang
(Network Center of Changchun Normal University,Changchun 130032,China)

Through analyzing CAN(Controller Area Network)bus protocol and its technology features and communication principle,a method of using CAN bus to design an intelligent joint-defense alarm system was presented,and the hardware circuits,application layer protocol and software framework of the system were proposed.Besides,the network model of the system was built.The results byfield tests showed that the system met the requirementsof intelligent control and gained good effects.

joint-defense alarm;CAN bus;intelligent control

TP277

A

1008-178X(2011)01-0030-04

2010-11-29

吉林省科技廳創(chuàng)新基金項(xiàng)目 (SC0701022)。

王出航 (1976-),女,吉林長(zhǎng)春人,長(zhǎng)春師范學(xué)院網(wǎng)絡(luò)中心講師,從事嵌入式系統(tǒng)與智能網(wǎng)絡(luò)控制研究。