基于CAN總線的智能聯防報警系統研究

王出航

(長春師范學院網絡中心,吉林長春 130032)

基于CAN總線的智能聯防報警系統研究

王出航

(長春師范學院網絡中心,吉林長春 130032)

在分析CAN總線協議和技術特點及其通信原理的基礎上,本文提出一種利用CAN總線構建智能聯防報警系統的方法,設計相關硬件電路、應用層協議和軟件架構,建立系統子機、分機和主機之間通訊的網絡模型。實地安裝測試表明,該智能聯防報警系統滿足“鄰里互助,警民聯動”的智能控制要求,取得了良好的效果。

聯防報警;CAN總線;智能控制

0 引言

控制器局部網CAN(controller Area Network)是Bosch公司為現代汽車應用領先推出的一種多主機局部網,由于其卓越性能現已廣泛應用于汽車工業、自動化控制、航空工業、環境控制及安全防護等眾多領域[1]。CAN總線規范已經被ISO國際標準組織制定為國際標準ISO11898(高速應用)和ISO11519(低速應用)[2],得到了國際上知名半導體公司如PHILIPS、INTEL和ATMEL等的支持,現已推出了不同功能和特點的CAN控制器芯片,使得CAN的應用越來越廣泛。

我國村鎮尤其是邊境的村鎮,居民住宅比較分散,離派出所距離比較遠,當有突發事件時民警不能很快到達現場。為了解決這一問題,本文采用CAN總線構建了智能聯防報警系統,使相鄰的住戶組成“聯防報警組”,一方面形成鄰里互助,另一方面具有“110”接、處警能力,及時幫助群眾解決突發事件。

1 系統整體結構

1.1 CAN網絡節點控制

在單個CAN網絡里,如果每個節點分配一個唯一的識別符 (ID),理論上總線容量可以達到2032個設備[3]。但在實際應用中,不同的收發器芯片所支持的節點數不同,PHILIPS公司的PCA82C250僅支持110個節點。

依據CAN210標準規范,CAN包含數據鏈路層和物理層。其中鏈路層完成幀結構控制、仲裁執行、錯誤檢測、出錯標定、故障界定等功能,而物理層實現不同節點之間根據電氣屬性進行位信息的傳輸功能[4]。

為了實現聯防報警系統中各個節點的控制,首先由發送器節點觸發發送事件,并執行發送命令TraCMD,CAN鏈路層和物理層負責將發送數據封裝成CAN協議報文并完成數據發送。網絡中的其他接收器節點接收到報文后,解析協議,執行RevCMD命令讀取數據,并依據接收的ID判斷該數據幀為廣播幀還是特定目標幀,然后對所接收的數據采取相應的操作。

1.2 系統組網模型

智能聯防報警系統由報警子機、報警分機和主機組成,主機安裝在派出所,報警分機安裝在聯防組長家,報警子機安裝在聯防村民家。分機和子機之間通過CAN總線進行連接,分機和主機之間通過公共交換電話網PSTN(Public Switched Telephone Network)進行通訊。因此,CAN通信節點之間信息傳輸的可靠是保證報警系統正常工作的前提。

CAN總線具有工作方式靈活、穩定性和容錯性好等特點,且傳輸距離遠,當通信距離達3300米時,其傳輸能力還能達到20Kbit/s[5]。系統采用PHILIPS公司的CAN協議控制器SJA1000和CAN收發器PCA82C250來實現數據的傳輸。

CAN收發器完成邏輯電平TT L與CAN物理層 (CANH、CANL)電平之間的轉換,而CAN協議控制器主要實現CAN鏈路層的功能,主要是接收和發送報文,并與主控制器STC89C58RD+進行通信。主控制器根據外部報警按鍵或接收報文觸發報警或接警操作流程。系統組網模型如圖1所示。

圖1 系統組網模型

1.3 系統功能特點

大容量和靈活組網是系統的主要特點之一,每個報警分機可與多達109個報警子機組成一個聯防組,且報警點之間只需用一根兩芯雙絞線連接,布線簡單。主機最多可覆蓋255個報警組,包含上萬個報警點。

數據和語音傳輸是系統的另一主要特點,系統除了傳輸報警信息外,還能實現壓縮語音數據傳輸,實現對報警現場的語音監聽。

智能報警接警和故障檢測是系統的又一主要特點,當有警情或特殊情況發生時,按下報警子機或分機的“告警”按鈕,組內的其它子機或分機均可收到該報警點的“號碼 (即ID)”,發出告警音后自動進入監聽狀態。在系統空閑狀態下,分機能定時地向網絡內其他子機發送巡檢命令,以檢查各個子機的狀態。

2 系統硬件組件設計

系統的硬件部分包括子機硬件電路、分機硬件電路及主機PCI接入控制板電路,分機電路除了比子機電路多電話接口外,其他電路相同。主機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機擴展槽與系統軟件平臺實現通信。

子機硬件電路主要包括語音壓縮/解壓縮模塊、CAN接口模塊和主控制器模塊等,CAN接口由獨立的CAN協議控制器SJA1000和CAN收發器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接口電路設計

系統的CAN接口電路原理如圖2所示。主控制器STC89C58RD+為SJA1000提供片選、讀寫等控制信號,SJA1000的CAN端輸出和輸入引腳TX0和RX0通過光電隔離電路與收發器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規范的幀類型,而且還提供一些增強功能,使SJA1000能應用于更廣的領域。它具有以下特點:靈活的微處理器接口;可編程的CAN輸出驅動器;高達1Mbit/sCAN位頻率;自身測試功能。

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

2.2 CAN應用層協議設計

CAN協議只規范了物理層和鏈路層,采用逐位仲裁的方式進行報文傳輸。本文采用CAN標準幀格式進行數據傳輸,其幀格式主要包括幀起始位 (SOF)、仲裁場 (Arbitration Field)、控制場 (Control Field)、數據場 (Data Field)以及CRC校驗場。仲裁場由11位識別符和1位遠程發送請求位 (RTR)組成,RTR在數據幀里為“顯性”,在遠程幀里為“隱性”。控制場由1位識別符擴展位 (IDE)和1位保留位 (r0)及4位數據長度代碼 (DLC)組成,IDE在標準幀里為“顯性”,在擴展幀里為“隱性”,保留位默認為“顯性”,數據長度代碼指示數據場的字節數量,范圍為0到8。為了實現CAN網絡各個節點正確處理不同的報文,本文對標準幀格式的仲裁場 (主要是ID)和控制場進行了詳細的規劃,設計了切實可行的應用層協議。其協議規范如表1所示。其中ID11 ID10 ID9定義為報文優先級,“000”具有最高優先級。ID8 ID7定義為報文類型,“11”為報警信息報文,其后的ID6 ID5 ID4 ID3 ID2 ID1為報警子機的源地址,數據長度代碼為0;“10”為語音信息報文,ID6 ID5 ID4 ID3 ID2 ID1為報警子機的源地址,數據代碼長度為0-8;“01”為巡檢信息報文,由分機主動發起,ID6 ID5 ID4 ID3 ID2 ID1為目標子機地址,目標子機收到該報文時,發送同樣優先級的確認報文,報文目的地址為分機地址 (默認為0),以通知分機該子機在線,否則為故障,巡檢報文的數據代碼長度為0。

表1 應用層協議規范

3 系統軟件平臺設計

主機管理軟件平臺采用VC++開發工具開發,數據庫采用SQL Server2000,實現報警信息在電子地圖上的動態顯示及現場錄音等功能。管理平臺軟件架構如圖3所示。

系統接警后立即接入報警處理程序,自動控制彈出多級電子地圖,顯示報警的位置,并啟動遠程監聽和錄音,同時記錄警情發生的時間、警種、處警時間、方式等;通過信息錄入模塊可完成電子地圖、用戶信息的錄入;通過窗口操作模塊完成對地圖的放大、縮小、測量距離等功能;通過圖層管理模塊實現圖層打開、編輯和修改等功能;通過信息查詢和錄/放音模塊完成報警信息與處理結果查詢及錄放音等功能;通過PCI通信模塊接收實時報警信息。

圖3 系統軟件平臺架構

4 結論

采用CAN總線進行智能聯防報警系統的研究與設計,能夠提高報警信息傳輸的安全性、可靠性和實時性,是解決廣大邊防鄉鎮地區治安問題的有效方式。系統設計的CAN應用層協議為以后系統升級提供了基礎和靈活的接口。該系統已實際應用于吉林省延邊地區的邊防鄉鎮地區,取得了良好的經濟和社會效益。

[1]鄔寬明.CAN總線原理和應用系統設計[M].北京:北京航空航天大學出版社,2001.

[2]鄭凱,趙宏偉,陳鵬.基于MPC565的CAN總線智能節點的研究[J].微計算機信息,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

吉林省科技廳創新基金項目 (SC0701022)。

王出航 (1976-),女,吉林長春人,長春師范學院網絡中心講師,從事嵌入式系統與智能網絡控制研究。