基于CAN+RS485控制網(wǎng)絡(luò)的智能小區(qū)監(jiān)控系統(tǒng)的研究和實(shí)現(xiàn)

苗曉鋒，王勝

基于CAN+RS485控制網(wǎng)絡(luò)的智能小區(qū)監(jiān)控系統(tǒng)的研究和實(shí)現(xiàn)

苗曉鋒，王勝

為了構(gòu)建合理、可靠的智能小區(qū)監(jiān)控系統(tǒng)，對(duì)CAN網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和RS-485控制網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了研究。分析了RS-485主從式多機(jī)通信和對(duì)等式多機(jī)通信網(wǎng)絡(luò)控制的優(yōu)缺點(diǎn)，發(fā)現(xiàn)對(duì)等式多機(jī)通信中動(dòng)態(tài)延時(shí)方式比固定延時(shí)多機(jī)通信更高效，更能滿(mǎn)足智能小區(qū)監(jiān)控系統(tǒng)中控制網(wǎng)絡(luò)的需求。設(shè)計(jì)并改進(jìn)了CAN+RS485底層網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)了小區(qū)安全報(bào)警與遠(yuǎn)程傳輸?shù)目刂葡到y(tǒng)網(wǎng)絡(luò)模型。在此基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)了智能小區(qū)監(jiān)控系統(tǒng)軟硬件的設(shè)計(jì)，經(jīng)驗(yàn)證，本系統(tǒng)達(dá)到了智能小區(qū)監(jiān)控系統(tǒng)的基本要求。

CAN；RS-485；智能小區(qū)；多機(jī)通信；監(jiān)控系統(tǒng)

0 引言

隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，智能小區(qū)監(jiān)控系統(tǒng)系統(tǒng)集成度越來(lái)越高，監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、信息化、智能化是重點(diǎn)的發(fā)展方向，對(duì)系統(tǒng)底層網(wǎng)絡(luò)的研究和實(shí)現(xiàn)，是進(jìn)一步提高小區(qū)智能化系統(tǒng)各項(xiàng)性能的重要環(huán)節(jié)，而基于底層網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)合理/可靠的智能小區(qū)監(jiān)控系統(tǒng)是本領(lǐng)域的重點(diǎn)研究方向。

1 智能小區(qū)監(jiān)控系統(tǒng)控制網(wǎng)絡(luò)總線(xiàn)結(jié)構(gòu)

對(duì)于智能小區(qū)監(jiān)控系統(tǒng)，由于其節(jié)點(diǎn)相對(duì)分散而數(shù)量巨大，在設(shè)計(jì)過(guò)程中，既要達(dá)到節(jié)點(diǎn)數(shù)和節(jié)點(diǎn)的靈活性方面的要求，又要避免底層網(wǎng)絡(luò)的層次關(guān)系過(guò)于復(fù)雜，所以選擇合適的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)對(duì)于智能小區(qū)監(jiān)控系統(tǒng)而言是關(guān)鍵的技術(shù)之一[1]。

RS-485總線(xiàn)，采用平衡發(fā)送和差分接收，因此具有很強(qiáng)的抗共模干擾能力，加上總線(xiàn)收發(fā)器具有高的靈敏度，能檢測(cè)到低至200MV的電壓，故傳輸信號(hào)能在千米以外得到恢復(fù)。RS-485采用半雙工工作方式，任何時(shí)候只能有一點(diǎn)處于發(fā)送狀態(tài)，因此，發(fā)送電路須由使能信號(hào)加以控制，允許一對(duì)雙絞線(xiàn)上一個(gè)發(fā)送器驅(qū)動(dòng)多個(gè)負(fù)載設(shè)備[2]。RS-485總線(xiàn)沒(méi)有硬件通訊協(xié)議，其通訊協(xié)議完全依賴(lài)軟件支持，其數(shù)據(jù)的丟失率正比于總線(xiàn)數(shù)據(jù)的流量，其網(wǎng)絡(luò)不適合長(zhǎng)期處于連續(xù)或長(zhǎng)字串的收發(fā)狀態(tài)。但由于其在長(zhǎng)線(xiàn)傳輸?shù)目垢蓴_能力以及傳輸速率方面的優(yōu)勢(shì)，RS-485總線(xiàn)符合在單幢多層住宅構(gòu)建的智能網(wǎng)絡(luò)單元內(nèi)數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊蟆?/p>

CAN總線(xiàn)，又稱(chēng)控制器局域網(wǎng)，是Bosch公司推出的一種多主機(jī)局部網(wǎng)。CAN總線(xiàn)通信接口中集成了CAN協(xié)議的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層功能，可完成對(duì)通信數(shù)據(jù)的成幀處理，包括位填充、數(shù)據(jù)塊編碼、循環(huán)冗余檢驗(yàn)、優(yōu)先級(jí)判別等項(xiàng)工作。CAN總線(xiàn)采用了多主競(jìng)爭(zhēng)式總線(xiàn)結(jié)構(gòu)，具有多主站運(yùn)行和分散仲裁的串行總線(xiàn)以及廣播通信的特點(diǎn)[3]。CAN總線(xiàn)上任意節(jié)點(diǎn)可在任意時(shí)刻主動(dòng)地向網(wǎng)絡(luò)上其它節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息而不分主次，因此，可在各節(jié)點(diǎn)之間實(shí)現(xiàn)自由通信，并且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，只有2根線(xiàn)與外部相連，內(nèi)部集成了錯(cuò)誤探測(cè)和管理模塊。由于其極高的可靠性，獨(dú)特靈活的設(shè)計(jì)和低廉的價(jià)格，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)控制、智能大廈、小區(qū)安防、環(huán)境監(jiān)控等眾多領(lǐng)域[4-5]。

本文設(shè)計(jì)的智能小區(qū)監(jiān)控系統(tǒng)底層網(wǎng)絡(luò)，采用了“CAN＋RS485”總線(xiàn)的分層結(jié)構(gòu)。由于智能小區(qū)節(jié)點(diǎn)相對(duì)分散而數(shù)量巨大，而單層CAN總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)容限有限，為了不使底層網(wǎng)絡(luò)過(guò)于復(fù)雜，將底層網(wǎng)絡(luò)分成上下兩層（上層為RS-485，底層采用CAN）。這樣彌補(bǔ)了單獨(dú)的CAN底層網(wǎng)絡(luò)和RS-485網(wǎng)絡(luò)各自的缺點(diǎn)，充分發(fā)揮了兩者自身的性能優(yōu)勢(shì)。

2 智能小區(qū)監(jiān)控系統(tǒng)控制網(wǎng)絡(luò)總線(xiàn)結(jié)構(gòu)總體設(shè)計(jì)

由于CAN總線(xiàn)有硬件通信協(xié)議，其通信性能和效率基本已經(jīng)穩(wěn)定，而RS-485的通信協(xié)議與軟件支持有關(guān)，因此“CAN＋RS485”控制網(wǎng)絡(luò)的整體性能與RS-485網(wǎng)絡(luò)性密切相關(guān)。對(duì)于RS-485多機(jī)通信模式，一般采用的是主從式多機(jī)通信。但主從式多機(jī)通信模式存在的問(wèn)題是網(wǎng)絡(luò)中有一個(gè)主機(jī)作為主控機(jī)，各從機(jī)間不能直接通信，必須間接通過(guò)主機(jī)實(shí)現(xiàn)從機(jī)間的通信。并且RS-485主機(jī)還擔(dān)負(fù)著CAN與485網(wǎng)絡(luò)接口的功能，所以，由于負(fù)擔(dān)過(guò)重必會(huì)產(chǎn)生瓶頸效應(yīng)，影響整個(gè)485網(wǎng)絡(luò)性能[6-8]。

本文采用對(duì)等式多機(jī)通信，在此通信方式下，所有RS-485總線(xiàn)上的單機(jī)都可能成為主機(jī)，只要有某一個(gè)成為主機(jī)，則其它單機(jī)就成為此總線(xiàn)上的從機(jī)。當(dāng)單機(jī)需要作為主機(jī)時(shí)若此時(shí)總線(xiàn)上沒(méi)有主機(jī)，則可以成為主機(jī)；若此時(shí)總線(xiàn)上有主機(jī)則需要等待當(dāng)前主機(jī)完成工作后，才可能成為主機(jī)。當(dāng)前主機(jī)完成工作后，自動(dòng)退出主機(jī)模式，作為普通單機(jī)。這樣避免多個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)爭(zhēng)奪主機(jī)資格而導(dǎo)致的混亂和無(wú)序。

在對(duì)等式多機(jī)通信方式下，等待時(shí)間的控制尤為關(guān)鍵。等待延時(shí)控制方式一般分為固定時(shí)間延時(shí)和動(dòng)態(tài)延時(shí)。固定時(shí)間延時(shí)是指當(dāng)檢測(cè)到當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)有節(jié)點(diǎn)間的通信時(shí)，其它節(jié)點(diǎn)都固定延時(shí)相同時(shí)間，延時(shí)時(shí)間到后各個(gè)節(jié)點(diǎn)再爭(zhēng)取通信權(quán)。固定時(shí)間延時(shí)對(duì)于延時(shí)時(shí)間的控制不能做到準(zhǔn)確，使系統(tǒng)資源浪費(fèi)和網(wǎng)絡(luò)效率降低。而動(dòng)態(tài)延時(shí)是指當(dāng)某個(gè)節(jié)點(diǎn)取得通信權(quán)時(shí)，發(fā)送一個(gè)網(wǎng)絡(luò)廣播，通知其它節(jié)點(diǎn)進(jìn)入等待狀態(tài)，當(dāng)通信完畢時(shí)再發(fā)送一個(gè)網(wǎng)絡(luò)廣播，通知網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)通信結(jié)束，其它節(jié)點(diǎn)可以爭(zhēng)取通信權(quán)，所以網(wǎng)絡(luò)利用率高，但在網(wǎng)絡(luò)控制方面比固定延時(shí)要復(fù)雜一些。綜合考慮，本文將采用動(dòng)態(tài)延時(shí)控制方式。

智能小區(qū)監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示：

圖1 智能小區(qū)監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

從網(wǎng)絡(luò)總線(xiàn)上來(lái)說(shuō)，CAN網(wǎng)絡(luò)連接大門(mén)口機(jī)、樓門(mén)口機(jī)和CAN節(jié)點(diǎn)，485網(wǎng)絡(luò)上有住戶(hù)機(jī)和門(mén)口機(jī)，以太網(wǎng)連接上位機(jī)、數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器、TCP/IP接口。在此網(wǎng)絡(luò)底層結(jié)構(gòu)上，由中央管理單元、大門(mén)單元、樓門(mén)單元、住戶(hù)單元等構(gòu)成智能小區(qū)監(jiān)控系統(tǒng)，對(duì)應(yīng)有中央單元控制、大門(mén)單元控制、樓門(mén)單元控制、住戶(hù)單元控制。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的功能包括門(mén)口可視對(duì)講、視頻監(jiān)控、安全防衛(wèi)、呼叫管理員、信息發(fā)布、內(nèi)部呼叫、來(lái)客訪(fǎng)問(wèn)、緊急呼叫等。

3 智能小區(qū)監(jiān)控系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

智能小區(qū)監(jiān)控系統(tǒng)一般由住戶(hù)單元、樓門(mén)單元、大門(mén)單元、區(qū)域單元、管理控制單元組成。根據(jù)小區(qū)容量大小的不同可以做適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，在容量不大時(shí)，可以不采用區(qū)域單元，直接將樓門(mén)單元接到管理單元。

中央管理單元總控各個(gè)控制區(qū)域中的大門(mén)控制單元、樓門(mén)控制單元、住戶(hù)控制單元以及室內(nèi)機(jī)的音視頻通道選擇、視頻監(jiān)視等，同時(shí)和上位機(jī)交互整個(gè)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)的信息和數(shù)據(jù)。它與PC機(jī)以RS232聯(lián)接，與監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)以CAN總線(xiàn)連接。系統(tǒng)管理控制單元相關(guān)連接，如圖2所示：

圖2 系統(tǒng)管理控制單元

樓門(mén)控制單元可以監(jiān)管樓門(mén)門(mén)口機(jī)，有與住戶(hù)通信通道和管理員通信通道。它主要負(fù)責(zé)下屬的RS-485網(wǎng)絡(luò)住戶(hù)節(jié)點(diǎn)與CAN網(wǎng)絡(luò)及上位機(jī)的信息交換，樓門(mén)口機(jī)與上位機(jī)之間的音視頻通道切換和實(shí)現(xiàn)上位機(jī)對(duì)樓門(mén)口機(jī)的控制。作為樓門(mén)控制單元的核心，樓門(mén)控制器最主要的任務(wù)之一是作對(duì)講及影像的模擬量通道控制管理，其中包括樓門(mén)口機(jī)與住戶(hù)通道、樓門(mén)口機(jī)和控制中心通道、大門(mén)口機(jī)和住戶(hù)通道、控制中心到住戶(hù)通道以及控制中心發(fā)送廣播的專(zhuān)用通道。它的第二個(gè)主要任務(wù)是對(duì)CAN信息報(bào)文和RS-485信息報(bào)文進(jìn)行轉(zhuǎn)換和傳輸控制，實(shí)現(xiàn)CAN和RS-485信息包的存儲(chǔ)和解包、CAN和RS-485信息包的相互轉(zhuǎn)換、發(fā)送和接收。樓門(mén)控制器的原理框圖，如圖3所示：

圖3 樓門(mén)控制器原理框圖

樓門(mén)口機(jī)模塊負(fù)責(zé)對(duì)樓門(mén)的控制和監(jiān)管。實(shí)現(xiàn)住戶(hù)機(jī)對(duì)樓門(mén)的監(jiān)控、以及上位機(jī)對(duì)樓門(mén)口機(jī)的監(jiān)管，報(bào)告樓門(mén)的狀態(tài)，發(fā)布信息等。樓門(mén)口機(jī)的原理框圖如圖4所示：

圖4 樓門(mén)口機(jī)原理框圖

其中音頻收發(fā)進(jìn)行音頻信號(hào)的接收與發(fā)送；鍵盤(pán)提供住戶(hù)號(hào)碼鍵入，由控制器處理與傳送；控制器由單片機(jī)、CAN總線(xiàn)控制器及相關(guān)外圍電路組成，進(jìn)行控制信號(hào)的發(fā)送與接收，完成相關(guān)控制功能；顯示屏顯示時(shí)間、溫度、天氣、問(wèn)候、呼叫號(hào)碼等；攝像機(jī)產(chǎn)生現(xiàn)場(chǎng)視頻模擬量信號(hào)，由控制器控制其模擬量通道開(kāi)啟。

另外，大門(mén)控制單元可以在樓門(mén)控制單元的基礎(chǔ)上刪減部分功能實(shí)現(xiàn)，住戶(hù)單元可以連接目前市場(chǎng)上的智能家居系統(tǒng)，安保室內(nèi)機(jī)負(fù)責(zé)對(duì)住戶(hù)門(mén)窗、火警、求救、信息服務(wù)、來(lái)客訪(fǎng)問(wèn)、住戶(hù)間語(yǔ)音對(duì)話(huà)、樓門(mén)監(jiān)看以及聲光自動(dòng)報(bào)警等服務(wù)，還有與管理員通話(huà)、與上位機(jī)PC信息交互等服務(wù)。部分硬件電路--樓門(mén)控制單元PC電路板圖如圖5所示：

圖5 門(mén)口控制器PC電路板圖

4 智能小區(qū)監(jiān)控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

智能小區(qū)監(jiān)控系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性有著非常重要的作用。對(duì)于CAN總線(xiàn)，在軟件編程中我們采用CAN2.OB協(xié)議，充分發(fā)揮了CAN總線(xiàn)的特點(diǎn)。在軟件編程中，實(shí)行仲裁機(jī)制和信息校驗(yàn)來(lái)保證系統(tǒng)的可靠性，設(shè)置任務(wù)的優(yōu)先級(jí)，將實(shí)時(shí)性任務(wù)設(shè)為最高優(yōu)先級(jí)提高系統(tǒng)實(shí)時(shí)性，軟件設(shè)計(jì)盡量模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化，便于將來(lái)的維護(hù)和功能的增強(qiáng)。

軟件開(kāi)發(fā)中針對(duì)winbond公司的W78E052C40微處理器，在windows環(huán)境下，采用單片機(jī)C語(yǔ)言進(jìn)行開(kāi)發(fā)，軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)是uVision2集成開(kāi)發(fā)環(huán)境（KEIL公司8051開(kāi)發(fā)工具中的PK51專(zhuān)業(yè)開(kāi)發(fā)套件）。

為了提高系統(tǒng)資源利用率，將信息流劃分為長(zhǎng)信息和短信息，不同的信息類(lèi)型采用不同處理機(jī)制，軟件控制中充分發(fā)揮中斷和定時(shí)的功能，使系統(tǒng)保持快捷的反應(yīng)能力。軟件設(shè)計(jì)包括樓門(mén)控制單元軟件設(shè)計(jì)、樓門(mén)口機(jī)單元軟件設(shè)計(jì)和安保室內(nèi)機(jī)單元軟件設(shè)計(jì)等。

5 總結(jié)

本文在研究CAN總線(xiàn)和RS-485總線(xiàn)的基礎(chǔ)上，結(jié)合智能小區(qū)監(jiān)控系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)的功能，設(shè)計(jì)并改進(jìn)了“CAN+RS485”底層網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)了智能小區(qū)監(jiān)控系統(tǒng)的控制網(wǎng)絡(luò)。改進(jìn)包括RS-485采用對(duì)等式多機(jī)通信網(wǎng)絡(luò)控制，而不用主從式多機(jī)通信，對(duì)等式多機(jī)通信中采用動(dòng)態(tài)延時(shí)方式。在此基礎(chǔ)上對(duì)智能小區(qū)監(jiān)控系統(tǒng)軟硬件進(jìn)行了研究和實(shí)現(xiàn)，硬件包括住戶(hù)單元、樓門(mén)單元、大門(mén)單元、管理控制等單元，軟件包括樓門(mén)控制單元、樓門(mén)口機(jī)單元及安保室內(nèi)機(jī)等單元的軟件設(shè)計(jì)，該系統(tǒng)滿(mǎn)足構(gòu)建合理、可靠的智能小區(qū)監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)小區(qū)安全防范、信息采集的要求。

[1]童曉渝,房秉毅,張?jiān)朴?物聯(lián)網(wǎng)智能家居發(fā)展分析[J].移動(dòng)通信,2010,34(9):16-20.

[2]田衛(wèi).RS-485總線(xiàn)分支線(xiàn)短路故障檢測(cè)技術(shù)[J].微電子學(xué)與計(jì)算機(jī),2011,28(4):176-179.

[3]朱恒軍,于泓博,王發(fā)智.基于CAN總線(xiàn)的大棚溫度測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].微電子學(xué)與計(jì)算機(jī),2012,29(5),183-187.

[4]楊小東,王毅,潘筱.遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)串口通信抗干擾算法研究[J].微電子學(xué)與計(jì)算機(jī),2012,29(2):78-85.

[5]Yun M,Yu Xin B.Research on the architecture and key technology of Internet ofThings(IoT)applied on smart grid[C].Advances in Energy Engineering(ICAEE),2010 International Conference on.IEEE,2010:69-72.

[6]高志國(guó).基于RS-485總線(xiàn)信號(hào)的可靠性研究[J].信息技術(shù),2011,47(2):42-44.

[7]杜華程,許同樂(lè),黃湘俊.楊艷輝基于CAN總線(xiàn)的智能傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)與應(yīng)用[J].傳感器與微系統(tǒng),2015,34(2):82-84.

[8]宋躍,楊雷,雷瑞庭,王健偉.基于ARM9與LINUX的RS485總線(xiàn)的通信接口設(shè)計(jì)[J].儀表 技術(shù)與傳感器，2014,5:35-37.

Research and Implementation of Intelligent Community Monitoring System Based on CAN+RS485 Control Network

Miao Xiaofeng1,Wang Sheng2
(1.Shaanxi Radio and TV University,Xi’an 710068,China; 2.Shaanxi Business College,Xi’an 710119,China)

In order to construct a reasonable and reliable intelligent community monitoring system,network technology of CAN and RS-485 control network are studied.This paper analyzes the advantages and disadvantages of RS-485 master-slave multi machine communication and the equation multi machine communication,finds the dynamic delay more efficient than fixed delay in equation multi machine communication,and it can meet the demand of control network of intelligent community monitoring system.This paper designs and improves the network of CAN+RS485,realizes the control system network of the community security alarm and long distance transmission.On this basis,hardware and software of intelligent community monitoring system are designed.The system meets demand of intelligent community by the verification.

CAN;RS-485;Intelligent Community;Multi Machine Communication;Monitoring System

TP311

A

1007-757X(2015)06-0029-03

2015.03.09）

苗曉鋒（1972-），男，漢，陜西省岐山縣人，陜西廣播電視大學(xué)，陜西工商職業(yè)學(xué)院，副教授，研究方向：計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)，西安，710119

王 勝（1974-），男，西安市人，陜西廣播電視大學(xué)，陜西工商職業(yè)學(xué)院，副教授，博士，研究方向：計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)，西安，710068