基于GPRS和CAN的樓宇照明監(jiān)控系統(tǒng)

吳紅生，秦會(huì)斌，毛祥根，丁 亮

（杭州電子科技大學(xué)電子信息學(xué)院，浙江杭州310018）

0 引言

隨著科技的發(fā)展和物質(zhì)生活水平的提高，人們對(duì)生活品質(zhì)的要求也隨之提高。小區(qū)樓宇的智能化以及設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)化也逐步成為人們選擇住宅時(shí)考慮的重要因素。此外，像學(xué)校、大型商場(chǎng)以及公司等組織，隨著配套照明設(shè)施的增多，也迫切需要一種網(wǎng)絡(luò)化的樓宇照明系統(tǒng)，以便于科學(xué)、便捷地實(shí)現(xiàn)對(duì)照明設(shè)施的管理與控制。

目前，樓宇照明監(jiān)控系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)傳輸可以采用有線和無(wú)線兩種方式。有線方式一般采用現(xiàn)場(chǎng)總線的方式，而無(wú)線傳輸方式有紅外、藍(lán)牙、WIFI、GPRS以及ZigBee 等。其中，紅外、藍(lán)牙以及WIFI 的傳輸距離都比較近，不適用于遠(yuǎn)距離無(wú)線通信。ZigBee通訊距離一般為幾百米，可以擴(kuò)展，但是目前在穿墻能力方面并不理想，所以也不適合用于樓宇內(nèi)通信。相比較而言，GPRS 通信距離遠(yuǎn)、數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定，而且它內(nèi)置TCP/IP 協(xié)議，可以很方便地用于長(zhǎng)距離通信或控制。它在遠(yuǎn)程監(jiān)控領(lǐng)域的應(yīng)用情況證明其完全可以滿(mǎn)足該監(jiān)控系統(tǒng)的需求［1-4］。

從經(jīng)濟(jì)性與可行性出發(fā)，本研究提出一種樓宇照明監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，該方案采用GPRS 與CAN 總線結(jié)合的方式。

1 系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)

1.1 整體結(jié)構(gòu)

樓宇照明監(jiān)控系統(tǒng)是一個(gè)分布式、集散型、網(wǎng)絡(luò)化的監(jiān)控系統(tǒng)，有著分散控制、集中操作、配置靈活等特點(diǎn)。它主要包括監(jiān)控軟件和底層硬件控制模塊兩部分。監(jiān)控軟件采用C/S 模型，客戶(hù)端提供良好的人機(jī)界面，服務(wù)器完成客戶(hù)端與GPRS 的信息交互以及數(shù)據(jù)庫(kù)的信息存取。底層硬件控制模塊主要分為GPRS 無(wú)線通信模塊、CAN 總線通信模塊、調(diào)光、數(shù)據(jù)采集等其他功能電路。

系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

操作客戶(hù)端與監(jiān)控中心通過(guò)Internet 網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信，而監(jiān)控中心與底層控制節(jié)點(diǎn)通過(guò)兩層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)進(jìn)行通信。初級(jí)網(wǎng)絡(luò)為CAN總線組成的單線局域網(wǎng)，它完成了底層各個(gè)節(jié)點(diǎn)之間信息交互。每個(gè)單線局域網(wǎng)中，有一個(gè)通信節(jié)點(diǎn)，它利用GPRS無(wú)線通信的方式將底層控制節(jié)點(diǎn)采集到的信息發(fā)送給監(jiān)控中心軟件，同時(shí)也將監(jiān)控中心軟件發(fā)送過(guò)來(lái)的命令轉(zhuǎn)發(fā)給相應(yīng)的控制節(jié)點(diǎn)。這樣，也就完成了上位機(jī)軟件與底層控制節(jié)點(diǎn)的信息交互，從而實(shí)現(xiàn)照明設(shè)備遠(yuǎn)程的管理與監(jiān)控。

1.2 底層終端的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

底層終端節(jié)點(diǎn)主要分為通信節(jié)點(diǎn)和控制節(jié)點(diǎn)。通信節(jié)點(diǎn)配有GPRS通信模塊和CAN通信接口，通過(guò)有線與無(wú)線結(jié)合的方式，完成底層與上位機(jī)的數(shù)據(jù)通信。控制節(jié)點(diǎn)帶有PWM調(diào)光模塊、電參數(shù)檢測(cè)模塊、開(kāi)關(guān)燈模塊以及CAN接口，主要完成照明控制與信息檢測(cè)。

1.2.1 通信節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)

通信節(jié)點(diǎn)的原理框圖如圖2所示［5-7］。

圖2 通信節(jié)點(diǎn)原理框圖

主控制模塊采用基于ARMCortex-M3 內(nèi)核的STM32F103 處理器，它具有512 KB 的Flash，12 位ADC，DMA 控制器以及支持CAN 協(xié)議2.0A 和2.0B。它片內(nèi)含有多個(gè)串行接口，便于通過(guò)RS232 與GPRS進(jìn)行串口通信以及測(cè)試。

GPRS模塊采用西門(mén)子的MC52i，它屬于工業(yè)級(jí)別的GPRS模塊，內(nèi)置TCP/IP協(xié)議，可以根據(jù)配置進(jìn)行多達(dá)5種網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議的數(shù)據(jù)傳輸，如TCP、FTP、HTTP、SMTP 以及POP3 等。CAN 收發(fā)器采用TJA1050，通過(guò)光耦6N137與單片機(jī)進(jìn)行隔離，在實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定通信的同時(shí)，達(dá)到了較高的性?xún)r(jià)比。

通信節(jié)點(diǎn)開(kāi)機(jī)工作時(shí)，會(huì)完成GPRS 模塊的初始化，包括服務(wù)模式的選擇、網(wǎng)絡(luò)連接模式的配置以及服務(wù)屬性的配置。監(jiān)控中心的IP地址以及端口號(hào)，在完成配置后會(huì)保存在通信節(jié)點(diǎn)，便于開(kāi)機(jī)初始化后自動(dòng)重連。每個(gè)通信節(jié)點(diǎn)都存有一個(gè)固定的ID號(hào)，該號(hào)碼與監(jiān)控中心數(shù)據(jù)庫(kù)的ID 相對(duì)應(yīng)。GPRS 連接時(shí)，會(huì)發(fā)送它的ID號(hào)，完成信息的匹配。這樣，當(dāng)GPRS斷開(kāi)時(shí)，監(jiān)控中心也可以很快地找到其匹配信息，并把信息反饋給管理員。

GPRS的網(wǎng)絡(luò)通信流程要求研究者選擇服務(wù)模式，服務(wù)模式有URC模式和Polling模式，這里選擇默認(rèn)的URC模式。URC模式能夠通知數(shù)據(jù)的發(fā)送情況、服務(wù)的關(guān)閉情況以及錯(cuò)誤是否已經(jīng)發(fā)生，這些在Polling 模式中是沒(méi)有的。本研究通過(guò)AT^SICS選擇網(wǎng)絡(luò)連接模式，它有CSD 和GPRS 模式，選擇GPRS 模式。然后就是通過(guò)AT^SISS 配置服務(wù)屬性，在連接和服務(wù)都配置好之后，就可以通過(guò)AT^SISO命令打開(kāi)網(wǎng)絡(luò)。

1.2.2 控制節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)

控制節(jié)點(diǎn)的主要完成數(shù)據(jù)的采集與控制，其總體框圖如圖3所示。

圖3 控制節(jié)點(diǎn)整體框圖

在功能模塊上，除了CAN通信，其主要涉及到DMA多路電流/電壓的采集、PWM調(diào)光以及開(kāi)關(guān)燈的控制。

為了提高電流、電壓數(shù)據(jù)的檢測(cè)精度，這里引入了一種簡(jiǎn)易的數(shù)字濾波算法—去極值平均濾波算法。針對(duì)單一通道，該系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)量達(dá)到10 次，然后篩選出最大值、次大值、最小值以及次小值，并將剩下6 個(gè)求均值，這樣可以避免脈沖干擾造成的數(shù)值偏差。當(dāng)系統(tǒng)進(jìn)行多通道數(shù)據(jù)采集時(shí)，DMA需要配置通道的數(shù)據(jù)傳輸量、設(shè)置通道的優(yōu)先級(jí)以及工作模式等；當(dāng)采集的數(shù)據(jù)達(dá)到設(shè)定的數(shù)據(jù)大小時(shí)進(jìn)入DMA中斷，修改指定的標(biāo)志位；然后外部程序會(huì)根據(jù)標(biāo)志位對(duì)指定緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，針對(duì)提取出的數(shù)據(jù)同樣采用濾波算法，剔除掉其中的不良數(shù)據(jù)。

當(dāng)控制設(shè)備出現(xiàn)故障時(shí)，例如電流、電壓過(guò)高或者出現(xiàn)斷路等，控制節(jié)點(diǎn)會(huì)立即將報(bào)警信息發(fā)送給通信節(jié)點(diǎn)。通信節(jié)點(diǎn)通過(guò)GSM/GPRS短消息將消息發(fā)送給管理員并向監(jiān)控中心轉(zhuǎn)發(fā)報(bào)警信息。這樣不僅改善了信息反饋的通道，也提高了故障報(bào)警的效率。

2 通信方式與協(xié)議的制定

2.1 通信方式介紹

照明監(jiān)控系統(tǒng)在通信的過(guò)程中融合了Socket網(wǎng)絡(luò)通信、GPRS無(wú)線通信以及CAN通信。這3種通信方式在通信的數(shù)據(jù)量以及通信方式上都有較大的差別。研究者在通信協(xié)議的制定上也必須兼顧其中的任何一種。

監(jiān)控軟件的通信方式均為Socket 網(wǎng)絡(luò)通信，采用TCP 協(xié)議。TCP 作為一個(gè)可靠的面向連接的協(xié)議，它允許源于一個(gè)機(jī)器的字節(jié)流被無(wú)錯(cuò)誤地傳輸?shù)絀nter?net 上的任何其他機(jī)器［8］。而且在傳輸數(shù)據(jù)量上相對(duì)其他兩種通信方式，也無(wú)太多限制。

GPRS無(wú)線通信模塊通過(guò)串口與單片機(jī)完成數(shù)據(jù)交互，并以無(wú)線的方式將消息發(fā)送給監(jiān)控中心。串口通信的數(shù)據(jù)封裝了AT指令集，單片機(jī)會(huì)通過(guò)封包、解包的方式完成對(duì)串口通信數(shù)據(jù)的封裝與解析。傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量沒(méi)有固定的限制，但是從穩(wěn)定性以及可靠性方面考慮，一次性傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量不宜太多。

CAN 總線上傳輸?shù)膸袷接袛?shù)據(jù)幀、遠(yuǎn)程幀、錯(cuò)誤幀以及過(guò)載幀。數(shù)據(jù)傳輸采用CAN標(biāo)準(zhǔn)報(bào)文格式，在傳輸執(zhí)行信息以及返回?cái)?shù)據(jù)信息的過(guò)程中，均采用數(shù)據(jù)幀格式。

數(shù)據(jù)幀的結(jié)構(gòu)如圖4所示，它由7 個(gè)不同的位場(chǎng)組成：幀起始、仲裁場(chǎng)、控制場(chǎng)、數(shù)據(jù)場(chǎng)、CRC 校驗(yàn)碼場(chǎng)、應(yīng)答場(chǎng)、幀結(jié)尾［9］。

圖4 數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)

幀起始位標(biāo)志著數(shù)據(jù)幀或者遠(yuǎn)程幀的開(kāi)始，僅有一個(gè)顯性位構(gòu)成。仲裁場(chǎng)由11 位標(biāo)識(shí)符和RTR位組成，在數(shù)據(jù)幀里，RTR 必須為1。數(shù)據(jù)域的長(zhǎng)度為0～8位，這里數(shù)據(jù)域的長(zhǎng)度設(shè)為8個(gè)字節(jié)。

為了便于過(guò)濾在總線傳輸?shù)牟幌嚓P(guān)的數(shù)據(jù)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都有其對(duì)應(yīng)的ID。在數(shù)據(jù)發(fā)送的時(shí)候，數(shù)據(jù)幀的標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)識(shí)符設(shè)為接收節(jié)點(diǎn)的ID，而接收節(jié)點(diǎn)的過(guò)濾器也只過(guò)濾出標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)識(shí)符為其ID號(hào)的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)幀，這樣接收節(jié)點(diǎn)只能收到發(fā)給它的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收也就有了一定的針對(duì)性。

2.2 協(xié)議的制定

在3種通信方式中，只有CAN總線通信在傳輸數(shù)據(jù)上有較多的限制。一次傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量最多也只有8個(gè)字節(jié)［10］。所以上位機(jī)與底層節(jié)點(diǎn)的通信信息，其長(zhǎng)度均設(shè)為8 字節(jié)。在通信協(xié)議中，為了便于區(qū)分節(jié)點(diǎn)的信息，協(xié)議中用2個(gè)字節(jié)表示節(jié)點(diǎn)的ID號(hào)。

通信的協(xié)議格式如表1所示。協(xié)議中，除了數(shù)據(jù)位占3個(gè)字節(jié)以外，其余類(lèi)型各占1個(gè)字節(jié)。其中，第3 字節(jié)表示GPRS 的ID 號(hào)，第4 字節(jié)為節(jié)點(diǎn)在CAN 總線中的ID號(hào)。

表1 通信協(xié)議格式

在同一CAN網(wǎng)絡(luò)中，每個(gè)節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的GPRS 的ID號(hào)均相同，通信節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的CAN 總線上的ID 號(hào)設(shè)為0，控制節(jié)點(diǎn)依次遞增。

3 系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)

樓宇照明監(jiān)控系統(tǒng)的軟件部分分為上位機(jī)軟件和底層驅(qū)動(dòng)軟件，其主要體現(xiàn)了系統(tǒng)的集中管理、遠(yuǎn)程監(jiān)控和即時(shí)響應(yīng)。上位機(jī)軟件主要完成操作界面的設(shè)計(jì)，網(wǎng)絡(luò)通信的實(shí)現(xiàn)以及數(shù)據(jù)庫(kù)的存取。底層驅(qū)動(dòng)軟件主要用于系統(tǒng)功能的具體實(shí)現(xiàn)，包括GPRS無(wú)線通信的實(shí)現(xiàn)、照明控制、參數(shù)采集以及CAN通信的實(shí)現(xiàn)等。

底層驅(qū)動(dòng)軟件設(shè)計(jì)包括通信節(jié)點(diǎn)和控制節(jié)點(diǎn)的軟件設(shè)計(jì)，軟件流程圖如圖5所示。

通信節(jié)點(diǎn)通過(guò)有線與無(wú)線結(jié)合的方式，完成了數(shù)據(jù)的中轉(zhuǎn)功能。控制節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)了照明控制、信息檢測(cè)以及實(shí)時(shí)報(bào)警等功能。這樣不僅使系統(tǒng)達(dá)到了遠(yuǎn)程控制的功能，而且在設(shè)備出現(xiàn)故障時(shí)能夠讓管理人員快速得知具體信息，從而縮短了設(shè)備維修的周期。

4 結(jié)束語(yǔ)

本研究介紹了CAN網(wǎng)絡(luò)和GPRS網(wǎng)絡(luò)結(jié)合的樓宇照明系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。該系統(tǒng)結(jié)合樓宇中的實(shí)際情況，在通信網(wǎng)絡(luò)上采用分層設(shè)計(jì)思想，很好地解決了遠(yuǎn)程通信過(guò)程中數(shù)據(jù)通信鏈路的建立、通信協(xié)議的實(shí)現(xiàn)、數(shù)據(jù)的集中管理以及信息的實(shí)時(shí)反饋，實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定、便捷、高效的數(shù)據(jù)傳輸。

該系統(tǒng)有效地減少了樓宇照明設(shè)備管理上的人力資源消耗，并提高了設(shè)備的維護(hù)效率，并在一定程度上減少了資源建設(shè)成本，也為照明設(shè)備的使用與管理人員的工作提供了便利。

圖5 底層軟件流程圖

（References）：

［1］劉 洋，任工昌，苗新強(qiáng)，等.GPRS遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2011（3）：248-249.

［2］李旭亮，鄧國(guó)強(qiáng).基于ZigBee+GPRS智能控制的LED路燈綠色照明低碳經(jīng)濟(jì)新技術(shù)［J］.照明工程學(xué)報(bào)，2010，21（z1）：79-81.

［3］趙劉強(qiáng).基于嵌入式系統(tǒng)和GPRS的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)研究及實(shí)現(xiàn)［D］.保定：華北電力大學(xué)自動(dòng)化系，2009.

［4］易鈴芳，呂 濤，周燕媚.基于GPRS的電力遠(yuǎn)程監(jiān)管系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.儀器儀表學(xué)報(bào)，2006，27（z3）：2554-2557.

［5］農(nóng) 毅.基于CAN總線和GPRS的無(wú)線車(chē)載數(shù)據(jù)傳輸［J］.計(jì)算機(jī)工程，2008，34（18）：239-241.

［6］韓曉冰，韓 冰，孫 弋.基于嵌入式系統(tǒng)的GPRS數(shù)據(jù)終端設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.儀器儀表學(xué)報(bào)，2006，27（z1）：675-677.

［7］李大力.基于CAN 總線通信中多協(xié)議轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)［J］.計(jì)算機(jī)技術(shù)與發(fā)展，2011，21（9）：124-126.

［8］王艷平，張 越.Windows網(wǎng)絡(luò)與通信程序設(shè)計(jì)［M］.2版.北京：人民郵電出版社，2009.

［9］陽(yáng)憲惠.現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)及其應(yīng)用［M］.2 版.北京：清華大學(xué)出版社，2008.

［10］胡麗霞，趙光宙.基于分層結(jié)構(gòu)的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)通信協(xié)議的設(shè)計(jì)［J］.機(jī)電工程，2007，24（1）：28-30.