基于CAN總線的樓宇自動(dòng)化照明網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

王 麗，郭利進(jìn)

（天津工業(yè)大學(xué) 電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院，天津300000）

樓宇自動(dòng)化是智能建筑的重要組成部分，而燈光照明系統(tǒng)則是樓宇自動(dòng)化系統(tǒng)中不可忽略的一個(gè)重要部分。如今，照明系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)已經(jīng)不僅僅是在視覺(jué)鎖定的特定區(qū)域提供足夠的光線，還要更多地考慮到低諧波失真、高功率因數(shù)、光線強(qiáng)度調(diào)節(jié)、定向維護(hù)以及降低能耗等功能。同時(shí)，燈光的遠(yuǎn)程可控性也是現(xiàn)代照明系統(tǒng)要考慮的一個(gè)重要問(wèn)題。這就需要燈光節(jié)點(diǎn)能夠通過(guò)某種通信協(xié)議來(lái)發(fā)送相關(guān)信息，以實(shí)現(xiàn)照明系統(tǒng)的遠(yuǎn)程控制[1]。

當(dāng)前市場(chǎng)所售的嵌入式系統(tǒng)已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)上述功能。一些控制系統(tǒng)采用1 V～10 V的直流模擬量信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)光照強(qiáng)度的控制。另一些則采用數(shù)字控制，相較于模擬量的控制，這種方法更加可靠和靈活，并且能夠更有效地抑制噪聲干擾，同時(shí)也能夠滿足更加復(fù)雜的智能系統(tǒng)的控制要求，如照明調(diào)光專(zhuān)用的數(shù)字電源控制器，或基于通信協(xié)議的照明網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程控制。在這些應(yīng)用中，數(shù)字化可尋址調(diào)光接口 （DALI）得到了廣泛的使用。DALI定義了電子鎮(zhèn)流器與設(shè)備控制器之間的通信方式，是一種數(shù)據(jù)傳輸?shù)膮f(xié)議。根據(jù)這種協(xié)議，熒光燈節(jié)點(diǎn)或LED節(jié)點(diǎn)可以通過(guò)高頻可調(diào)光電子式熒光燈鎮(zhèn)流器實(shí)現(xiàn)設(shè)備的開(kāi)關(guān)及調(diào)光操作，并且可以反饋燈光的照明狀態(tài)及故障信息。但是，每個(gè)DALI照明控制系統(tǒng)的控制范圍為300 m，意味著每個(gè)DALI照明控制接口僅可用于一個(gè)中等規(guī)模的建筑物內(nèi)。因此，對(duì)于大型建筑物管理系統(tǒng)，需要通過(guò)網(wǎng)關(guān)或傳送器實(shí)現(xiàn)控制中心與被控單元的雙向通信[2-3]。

1 CAN總線照明網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)

CAN總線(Controller Area Network)的最遠(yuǎn)通信距離可達(dá)10 km，采用載波監(jiān)聽(tīng)多路訪問(wèn)（CSMA/CD）的方式，其節(jié)點(diǎn)擴(kuò)展接線簡(jiǎn)單，具有良好的可靠性和實(shí)時(shí)性。一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的CAN通信節(jié)點(diǎn)由微控制器、CAN控制器及CAN收發(fā)器組成。總線各節(jié)點(diǎn)之間可以直接通信，無(wú)需通過(guò)中央控制器[4]。

本文介紹的樓宇自動(dòng)化照明系統(tǒng)是一種基于CAN總線的照明網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，其系統(tǒng)框圖如圖1所示。PC機(jī)通過(guò)CAN-PCI接口卡連接到CAN總線，作為CAN總線網(wǎng)絡(luò)中的一個(gè)節(jié)點(diǎn)。通信協(xié)議采用CAN2.0A標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)的標(biāo)識(shí)符長(zhǎng)度為11 bit，因此可以設(shè)定2 048個(gè)可用標(biāo)識(shí)符或邏輯地址，其中每一個(gè)都可以設(shè)定為一個(gè)有特定功能的節(jié)點(diǎn)，這些節(jié)點(diǎn)的主要功能包括單個(gè)或一組燈具的開(kāi)關(guān)及調(diào)光，環(huán)境傳感器的監(jiān)測(cè)，以及故障診斷。在本設(shè)計(jì)中，網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)包括照明設(shè)備、環(huán)境傳感器、上位機(jī)節(jié)點(diǎn)及照明網(wǎng)絡(luò)與其他網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)關(guān)(如CAN轉(zhuǎn)ZigBee無(wú)線通信用以與系統(tǒng)內(nèi)的其他無(wú)線單元通信，或CAN轉(zhuǎn)以太網(wǎng)遠(yuǎn)程通信以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的遠(yuǎn)程客戶端控制)。

圖1 CAN總線照明系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)框圖

2 節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)的上位機(jī)節(jié)點(diǎn)采用周立功單片機(jī)公司的PCI5121智能CAN接口卡，該接口卡可直接通過(guò)PCI總線將PC方便地連接到CAN總線上。

各燈光節(jié)點(diǎn)及傳感器節(jié)點(diǎn)采用集成有CAN控制器的PIC18F258為節(jié)點(diǎn)主控制器，PCA82C250作為CAN收發(fā)器。為了增強(qiáng)CAN節(jié)點(diǎn)的抗干擾能力，電路中增加了光電耦合隔離模塊，具體采用6N137高速光電耦合器來(lái)實(shí)現(xiàn)。為了使CAN收發(fā)器免受過(guò)流沖擊，其CANH與CANL引腳分別通過(guò)一個(gè)5Ω的電阻連接到CAN總線上[5]。電路使用主控制器的CCP引腳，外接LED恒流驅(qū)動(dòng)器來(lái)控制燈光亮滅及亮度，使用外部中斷引腳進(jìn)行錯(cuò)誤監(jiān)測(cè)。

LED燈管的發(fā)光輝度由其驅(qū)動(dòng)電流決定，因此需要專(zhuān)門(mén)的電源管理驅(qū)動(dòng)電路。以其中一個(gè)燈光節(jié)點(diǎn)為例。如針對(duì)需要調(diào)光的LED床頭燈燈光節(jié)點(diǎn)，該節(jié)點(diǎn)使用一顆大功率LED燈珠，其額定功率為3 W。使用PT4115高調(diào)光比LED恒流驅(qū)動(dòng)器，通過(guò)該驅(qū)動(dòng)器的DIM引腳，可以使用主控制器的PWM輸出來(lái)進(jìn)行LED燈管的亮度調(diào)節(jié)。通過(guò)PWM占空比的調(diào)節(jié)，LED的輸出電流可以達(dá)到0%～100%的變化。這種方法的優(yōu)勢(shì)是可以在不改變LED色度的前提下進(jìn)行燈光亮度的調(diào)節(jié)。當(dāng)DIM引腳接入0.3 V以下電壓時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的關(guān)斷。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 上位機(jī)節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

上位機(jī)節(jié)點(diǎn)采用的PCI5121智能CAN接口卡為本系統(tǒng)提供了便利的上位機(jī)監(jiān)測(cè)條件，并且為用戶提供了API接口，使用戶可以通過(guò)在Visual Basic直接調(diào)用該接口進(jìn)行用戶操作界面的編寫(xiě)，即可處理CAN節(jié)點(diǎn)接收到的數(shù)據(jù)，并且通過(guò)便捷直觀的操作對(duì)系統(tǒng)中的各個(gè)燈光節(jié)點(diǎn)進(jìn)行相應(yīng)的控制。

上位機(jī)操作為使用Visual Basic設(shè)計(jì)的操作界面。用戶可以自行添加新的傳感器節(jié)點(diǎn)或照明節(jié)點(diǎn)，方便用戶維護(hù)和更新設(shè)備。在傳感器配置部分，需要自行設(shè)定傳感器采樣時(shí)間等相關(guān)信息。界面設(shè)定了定時(shí)功能，用戶可以根據(jù)需要自行設(shè)定在指定的時(shí)間打開(kāi)指定的照明燈組。照明調(diào)光等級(jí)使用滑動(dòng)按鈕。除了手動(dòng)開(kāi)關(guān)外，用戶還可以設(shè)置為全自動(dòng)模式，系統(tǒng)可以根據(jù)光線明暗自行決定打開(kāi)某些燈光，在人離開(kāi)紅外傳感器感應(yīng)區(qū)域后，則自行關(guān)閉燈光。

3.2 燈光節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)CAN通信采用CAN2.0A協(xié)議，該協(xié)議采用11 bit標(biāo)識(shí)符。設(shè)計(jì)中為每個(gè)節(jié)點(diǎn)分配2個(gè)幀ID，一個(gè)用來(lái)接收本僅本節(jié)點(diǎn)接收的數(shù)據(jù)，另外一個(gè)用來(lái)接收全局?jǐn)?shù)據(jù)。

各節(jié)點(diǎn)分兩個(gè)步驟來(lái)接收PC機(jī)的命令。首先PC發(fā)送一個(gè)4 B的功能碼，這個(gè)功能碼指明了指定節(jié)點(diǎn)要執(zhí)行的任務(wù)類(lèi)型。各節(jié)點(diǎn)根據(jù)該功能碼的幀ID，確定是否接收該命令，并向PC回復(fù)一個(gè)確認(rèn)幀。然后PC再發(fā)送一個(gè)數(shù)據(jù)幀，給出任務(wù)的具體參數(shù)。同樣地，各嵌入式節(jié)點(diǎn)向PC發(fā)送信息也分為兩個(gè)步驟，首先發(fā)送有特定幀ID的功能碼，收到回復(fù)信息后發(fā)送具體信息內(nèi)容。

燈光節(jié)點(diǎn)的軟件流程圖如圖2所示。首先應(yīng)該對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行初始化配置，除了對(duì)單片機(jī)的I/O口、中斷等配置外，還應(yīng)進(jìn)行CAN控制器模塊的配置，其中包括CAN波特率設(shè)置、驗(yàn)收濾波模式設(shè)置、CAN接收屏蔽寄存器及驗(yàn)收濾波寄存器設(shè)置、中斷優(yōu)先級(jí)設(shè)置等。

圖2 燈光節(jié)點(diǎn)軟件流程圖

各節(jié)點(diǎn)除了與PC通信外，CAN總線的多主工作方式使各節(jié)點(diǎn)之間也可以直接通信，這對(duì)于智能照明系統(tǒng)有著便利的優(yōu)勢(shì)。例如，環(huán)境傳感器節(jié)點(diǎn)可以根據(jù)傳感器監(jiān)測(cè)到的信息（如日光光照強(qiáng)度）來(lái)控制照明燈組；或者，如果有一個(gè)照明燈出現(xiàn)故障，可以觸發(fā)臨近的照明燈調(diào)節(jié)光照強(qiáng)度來(lái)補(bǔ)償該故障造成的光照強(qiáng)度的降低[6，7]。

智能照明控制系統(tǒng)作為樓宇自動(dòng)化的一個(gè)必不可缺的重要組成部分，是將來(lái)樓宇自動(dòng)化發(fā)展的一個(gè)重要領(lǐng)域。近年來(lái)，CAN總線越來(lái)越多地應(yīng)用于除了汽車(chē)電子之外的各個(gè)領(lǐng)域，具有穩(wěn)定性好、價(jià)格低廉及便于擴(kuò)展等優(yōu)點(diǎn)。本設(shè)計(jì)將CAN總線應(yīng)用于樓宇自動(dòng)化的照明系統(tǒng)，采用了集成有CAN控制器的PIC18F258芯片，具有集成度高、穩(wěn)定性強(qiáng)、抗干擾等優(yōu)點(diǎn)。設(shè)計(jì)中對(duì)燈光節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了軟硬件的設(shè)計(jì)，經(jīng)試驗(yàn)，系統(tǒng)通信穩(wěn)定，達(dá)到了預(yù)期設(shè)計(jì)要求。

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