基于CAN總線的樓字智能監(jiān)控報(bào)警系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì) 趙雨斌,苗滿

第28卷第3期2008年S月核電子學(xué)與探測(cè)技術(shù)NucleaurElectronics&DetectionTechnologyVoL28Nn3May.2008基于CAN總線的樓字智能監(jiān)控報(bào)警系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì)趙雨斌,苗滿香,陳宇(鄭州航空工業(yè)管理學(xué)院機(jī)電工程系,河南鄭州450015摘要:介紹了一種基于剛州總線的智能多路監(jiān)控報(bào)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法。在信息傳輸?shù)陌踩浴?zhǔn)確性、實(shí)時(shí)性方面達(dá)到了較高要求。本系統(tǒng)利用AT89C51單片機(jī)對(duì)多路監(jiān)測(cè)信號(hào)進(jìn)行采集和處理,并控制CAN總線控制器對(duì)A1000/收發(fā)器P(A82c250構(gòu)成的CAN總線通信系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸,通過串行接口MAx232將主控機(jī)與各控制節(jié)點(diǎn)相聯(lián),實(shí)時(shí)監(jiān)控各設(shè)備狀態(tài),并可實(shí)現(xiàn)監(jiān)控方案下載更新。文章介紹了系統(tǒng)工作流程及主要功能模塊設(shè)計(jì)原理。通過實(shí)驗(yàn),監(jiān)測(cè)報(bào)警率可達(dá)100%,有效地實(shí)現(xiàn)了樓宇智能監(jiān)控報(bào)警。系統(tǒng)提供了較好的硬件平臺(tái),方便移植智能算法,以滿足更多監(jiān)控需要,具有良好的應(yīng)用前景。文章詳細(xì)介紹了系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案,部分軟硬件設(shè)計(jì)方法。關(guān)鍵詞:智能建筑;AT89C51;CAN總線;監(jiān)控報(bào)警中圖分類號(hào):TP387文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):0258.0934(200803-0657-05隨著我國(guó)城市建設(shè)的發(fā)展,出現(xiàn)了大量的高層樓字建筑[1]。而這些建筑一旦出現(xiàn)事故沒有及時(shí)發(fā)現(xiàn),極易造成人員的傷害。因此,對(duì)其進(jìn)行有效的監(jiān)控報(bào)警是人們長(zhǎng)久以來研究的重點(diǎn)之一。本系統(tǒng)利用現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)傳遞相關(guān)的報(bào)警信息,構(gòu)成基于現(xiàn)場(chǎng)總線的安全系統(tǒng),具有可靠性高、價(jià)格適中、易于安裝等特點(diǎn)。CAN(Controller舡eaNetwork是一種應(yīng)用廣泛的現(xiàn)場(chǎng)總線,它有效支持分布式控制和實(shí)時(shí)控制的串行通信網(wǎng)絡(luò),它在可靠性、實(shí)時(shí)性和靈活性方面具有突出的優(yōu)點(diǎn):支持多主節(jié)點(diǎn),各節(jié)點(diǎn)通過總線仲裁獲得總線使用權(quán);可靠性高,總線協(xié)議具有完善的錯(cuò)誤處理機(jī)制;通信速率高,最快可達(dá)lMbps[矧。因此,基于CAN總線的樓宇智能監(jiān)控報(bào)警系統(tǒng)具有良好的性價(jià)比。收稿日期:2007-09-18作者簡(jiǎn)介:趙雨斌(1968一,男,漢族,河南鄭州人,碩士.鄭州航空工業(yè)管理學(xué)院機(jī)電工程系,高級(jí)工程師,主要研究方向:電子、通訊與自動(dòng)控制技術(shù)。1系統(tǒng)組成與工作原理分布式樓宇智能監(jiān)控報(bào)警系統(tǒng)由上位PC機(jī)、CAN總線接口通信適配卡和多個(gè)監(jiān)測(cè)控制節(jié)點(diǎn)組成。監(jiān)控節(jié)點(diǎn)的數(shù)量根據(jù)樓宇監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)而定。系統(tǒng)組成如圖1所示。終端電阻終端電阻監(jiān)控設(shè)備l8路傳感器組I執(zhí)行裝置l報(bào)警裝置1…I監(jiān)控沒各nCAN適配卡PC上位機(jī)監(jiān)控報(bào)警狀態(tài)顯示圖1系統(tǒng)組成框圖系統(tǒng)監(jiān)控包括:溫度監(jiān)測(cè),煙霧監(jiān)測(cè),一氧化碳監(jiān)測(cè),電子密碼鎖監(jiān)測(cè),紅外入侵監(jiān)測(cè)等功能。溫度、煙霧、一氧化碳監(jiān)測(cè)用于檢測(cè)室內(nèi)環(huán)境狀態(tài),當(dāng)其值超過設(shè)定值時(shí)啟動(dòng)報(bào)警裝置;電子密碼鎖正確輸入密碼后,門鎖自動(dòng)打開同時(shí)657鬯廄●●自動(dòng)關(guān)閉紅外入侵探測(cè)報(bào)警功能,若密碼連續(xù)輸錯(cuò)三次,啟動(dòng)現(xiàn)場(chǎng)報(bào)警裝置。若小偷人侵住宅在房間內(nèi)走動(dòng),紅外探測(cè)器產(chǎn)生電信號(hào)啟動(dòng)現(xiàn)場(chǎng)報(bào)警裝置報(bào)警。同時(shí),通過CAN總線向控制室發(fā)送信息,啟動(dòng)控制室報(bào)警器并顯示報(bào)警位置。PC機(jī)通過串口與節(jié)點(diǎn)上的單片機(jī)控制器通信,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息在C心總線上的發(fā)送與接收。PC機(jī)負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)上所有監(jiān)控報(bào)警裝置的集中管理功能;同時(shí)向各控制器裝置下傳工作模式控制信息。多路報(bào)警控制節(jié)點(diǎn)及外圍電路原理框圖如圖2所示。RAMPc卜MAX232驅(qū)動(dòng)Il▲看門狗卜.器-報(bào)警L^繼電》器多路薯佃行T報(bào)警-薯并監(jiān)測(cè)c|接口電路__報(bào)警裝置●一I副川oooHsM,,H陀舭:曬。削l∽圖2監(jiān)控系統(tǒng)組成框圖某一功能傳感器報(bào)警后,智能節(jié)點(diǎn)的控制器會(huì)對(duì)報(bào)警信號(hào)進(jìn)行處理,判斷是哪類傳感器報(bào)警,然后置相應(yīng)的報(bào)警輸出,系統(tǒng)輸出由報(bào)警繼電器驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。系統(tǒng)中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)由單片機(jī)和CAN總線接口電路組成。單片機(jī)主要進(jìn)行信息計(jì)算以及處理等功能;CAN控制器主要用于系統(tǒng)的通信,CAN收發(fā)器主要用于增強(qiáng)系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)能力。系統(tǒng)的發(fā)送過程是:單片機(jī)將外圍設(shè)備或其它節(jié)點(diǎn)傳送來的信息處理后,按cAN規(guī)范規(guī)定的格式將其寫入CAN控制器的發(fā)送緩沖區(qū),并啟動(dòng)發(fā)送命令,把數(shù)據(jù)發(fā)送到CAN總線上。接收過程是:Q塒總線上自動(dòng)接收數(shù)據(jù),并經(jīng)過濾后存入CAN接收緩沖區(qū),向單片機(jī)發(fā)出中斷請(qǐng)求,此時(shí)單片機(jī)可從CAN接收緩沖區(qū)讀取要接收的數(shù)據(jù)。另外,各監(jiān)測(cè)控制節(jié)點(diǎn)可相互向?qū)Ψ桨l(fā)出報(bào)警信號(hào),每個(gè)節(jié)點(diǎn)可接收另一節(jié)點(diǎn)發(fā)來的報(bào)警信號(hào);系統(tǒng)能隨時(shí)檢測(cè)CAN通信的正確性,出錯(cuò)時(shí)報(bào)警,每個(gè)節(jié)點(diǎn)能夠與上位機(jī)進(jìn)行通信;同樣,上位機(jī)也能夠與每個(gè)節(jié)點(diǎn)通信。6582系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)控制單元以單片機(jī)A1、89C51為核心,[4]主要負(fù)責(zé)現(xiàn)場(chǎng)信息參數(shù)的檢測(cè)和數(shù)據(jù)采集,對(duì)采集來的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,并對(duì)CAN總線通信控制器進(jìn)行操作與控制,系統(tǒng)硬件主要由多路監(jiān)控報(bào)警電路以及Q塒總線通訊電路組成。2.1監(jiān)控報(bào)警電路環(huán)境監(jiān)測(cè)電路負(fù)責(zé)探測(cè)溫度等環(huán)境參數(shù),通過so~S7實(shí)現(xiàn)8路輸入。分別包括:2路溫度監(jiān)測(cè)、2路煙霧監(jiān)測(cè)、2路一氧化碳監(jiān)測(cè)以及1路電子密碼鎖驗(yàn)證監(jiān)測(cè)和1路紅外入侵監(jiān)測(cè)。8路報(bào)警信號(hào)均為開關(guān)量信號(hào),采集到的信號(hào)首先經(jīng)過光電隔離后進(jìn)入三態(tài)總線收發(fā)器74IS245,對(duì)輸入的信號(hào)進(jìn)行整形,單片機(jī)AT89C51的P2.6口用來控制報(bào)警信號(hào)從單片機(jī)PO口的輸入。電路如圖3所示。圖3監(jiān)控報(bào)警電路2.2CAN總線通信電路CAN總線通信接口采用PHII。IPS公司的CAN控制器SJAJ000[引,C刪總線收發(fā)器PCA82C250[w1和轉(zhuǎn)換器MAx232[8】組成。SJAlooo是適用于自動(dòng)化和通用工業(yè)環(huán)境的cAN控制器,具有CAN通信協(xié)議要求的全部特性,經(jīng)過簡(jiǎn)單的總線連接就可完成CAN協(xié)議物理層和數(shù)據(jù)鏈路層的所有功能。PCA82C25l是CAN協(xié)議控制器和物理連接線路間的接口,可用高達(dá)1Mbit/s的位速率在兩條有差動(dòng)電壓的總線電纜上傳輸數(shù)據(jù),很方便地連接并實(shí)現(xiàn)信號(hào)的差動(dòng)發(fā)送和接收,有較強(qiáng)的總線驅(qū)動(dòng)能力。SJAlooO和PCA82C251之間加高速光電耦合器6N137,很好地實(shí)現(xiàn)了CAN總線上各節(jié)點(diǎn)間的電氣隔離。電路如圖4所示。sJAlooo作為AT89c51的外部擴(kuò)展器件,通過并行擴(kuò)展與AT89C51連接。這樣,只需一般的單片機(jī)仿真器就可以進(jìn)行硬件調(diào)圖4CAN總線通訊電路試[9|。PCA82C250和SJAlooO可完成物理層和數(shù)據(jù)鏈路層的工作,應(yīng)用層由AT89C51運(yùn)行應(yīng)用程序來實(shí)現(xiàn)。其中,P2.o口控制單片機(jī)判斷和處理過的報(bào)警信號(hào)從單片機(jī)的Po口輸出到CAN總線通信接口SJAlooo。sJAlooO的INT接AT89C5l的INTO,使AT89C51可通過中斷方式訪問SJAlooo,也可通過編寫程序?qū)JAlooo進(jìn)行查詢方式的訪問。sJAlooo的TXo和1lIⅨo通過高速光電耦合器6N137與PCA82C250相連。PCA82C250的Rs腳上接有一個(gè)斜率電阻,大小可根據(jù)總線通信速度適當(dāng)調(diào)整,一般在16k~140k之間。本電路中接人的是一個(gè)47k的電阻,AT89C5l與SJAl000可以采用兩個(gè)時(shí)鐘晶振,又可以采用sJ趾ooo給AT89c5l提供時(shí)鐘信號(hào)。采用同一時(shí)鐘有利于cAN總線與AT89C51之間通信時(shí)序的同步,為使AT89C51在SJ舢000掉電時(shí)仍然可以正常工作,避免因此引起的系統(tǒng)癱瘓,保證系統(tǒng)在最壞情況下的穩(wěn)定工作能力,采用了兩個(gè)時(shí)鐘晶振源,AT89C5l為12MHz,每個(gè)指令周期l弘s,SJAlooO為16MHz。另外,Pe能2c250與CAN總線接口部分也采用了一定的安全和抗干擾措施。PCA82c250的a塒H和aⅢL引腳各自通過一個(gè)5Q電阻與CAN總線相連,電阻可起到一定的限流作用,保護(hù)PCA82C250免受過流的沖擊。Q塒H、CAM與地之間并聯(lián)了兩個(gè)30pF的小電容,可以起到濾除總線上的高頻干擾和一定的防電磁輻射的能力。另外cAN總線接人端與地之間分別反接了保護(hù)二極管,當(dāng)CAN總線有較高的負(fù)電壓時(shí),通過二極管的短路可起到一定的過壓保護(hù)作用。終端電阻可根據(jù)實(shí)際總線長(zhǎng)度和電纜傳輸阻抗在100~300Q之間調(diào)整,本系統(tǒng)采用120Q[川。2.3看門狗電路為防止程序運(yùn)行死循環(huán),保證系統(tǒng)不受惡劣環(huán)境干擾。本系統(tǒng)選用美國(guó)ⅪCOR公司生產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)化8引腳集成芯片比5045設(shè)計(jì)復(fù)位電路模塊。芯片x25045具有上電復(fù)位、看門狗定時(shí)、減壓管理、串行塊保護(hù)功能EEPROM功能[1¨,有助于簡(jiǎn)化應(yīng)用系統(tǒng),減少印制板面積,降低成本和系統(tǒng)功耗,可靠性高。該芯片采用SPI總線結(jié)構(gòu),SI(串行數(shù)據(jù)輸入、S0(串行數(shù)據(jù)輸出、CLK(串行脈沖可與其它信號(hào)混用。電路原理如圖5所示。圖5看門狗電路在系統(tǒng)由于外界干擾或軟件的錯(cuò)誤執(zhí)行,引起程序“跑飛”時(shí),在可選的超時(shí)周期后,X25045看門狗將以RESET信號(hào)作出響應(yīng),重新熱啟動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。并且,其內(nèi)部EEPROM可用來存儲(chǔ)保護(hù)整定值及其他參數(shù)。2.4分布式監(jiān)控系統(tǒng)由于CAN總線傳輸距離遠(yuǎn),傳輸速率快,有較強(qiáng)的抗電磁干擾能力,已成為國(guó)際應(yīng)用最廣泛的現(xiàn)場(chǎng)總線之一,成為一種國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)(IS011898[10]。本設(shè)計(jì)將若干監(jiān)測(cè)控制器、上位節(jié)點(diǎn)接口和PC機(jī)組成CAN總線通信系統(tǒng),方便實(shí)現(xiàn)分布式樓宇多路實(shí)時(shí)監(jiān)控、高速數(shù)據(jù)采集等。在控制系統(tǒng)領(lǐng)域具有非常廣闊的應(yīng)用前景,分布式智能監(jiān)控系統(tǒng)原理框圖如圖6所示。圖6分布式監(jiān)控系統(tǒng)框圖該系統(tǒng)采用串行通訊方式,單片機(jī)AT89C5l的TXD和RXD通過MA(:232與上位PC機(jī)相連。AT89c51通過MAX232與PC機(jī)實(shí)現(xiàn)串行通信,設(shè)置sJAlooO工作在Intel659模式[9],由PC機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)寫入AT89C5l,再通過控制信號(hào)由AT89C5l將數(shù)據(jù)寫入CAN總線控制器sJAlooo,并通過C州收發(fā)器P(A82C250發(fā)送。接收數(shù)據(jù)通過中斷進(jìn)行,CAN總線數(shù)據(jù)經(jīng)PCA82C250接收并寫入SJAlooo。然后通過中斷提請(qǐng)AT89C51讀取數(shù)據(jù)上傳PC機(jī)。這種方式成本低,抗干擾能力強(qiáng)。3系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)為了便于移植和資源共享,軟件系統(tǒng)采用結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)方案,使其具有較好的模塊性和可移植性,對(duì)于不同的系統(tǒng)功能或不同的應(yīng)用環(huán)境,可以方便地進(jìn)行編程重組。系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)部分主要由以下幾大模塊組成:數(shù)據(jù)輸入模塊、報(bào)警處理模塊、CAN總線通信模塊等。系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是CAN總線通信模塊的設(shè)計(jì),通信模塊由3部分組成:初始化程序、發(fā)送程序及接收程序。由于系統(tǒng)中任意一個(gè)節(jié)點(diǎn)在任意時(shí)刻均可主動(dòng)與其它節(jié)點(diǎn)通信。因此,各控制節(jié)點(diǎn)的通信程序相同。主程序流程如圖7所示。660上電復(fù)位單片機(jī)復(fù)位掣ooo測(cè)試要吵\/等仞始化sJAl000l讀Po值芽彳tY報(bào)警處理I啟動(dòng)SJAlOoo發(fā)送結(jié)束圖7主程序流程框圖Q必總線通信模塊是指在AT89C51的控制下,將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送到cAN總線的上位機(jī)或其它節(jié)點(diǎn)使用,以及接收aⅢ總線上發(fā)送給各控制節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)并將其存人到緩沖區(qū)的程序。AT89西1向sJ趟000發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)采用查詢方式,當(dāng)SJAlooo里有新的報(bào)文時(shí),AT89C51接收數(shù)據(jù)采用中斷方式。3.1初始化程序AT89C51負(fù)責(zé)SJAlooo和X25045的初始化,通過控制sJAlooO實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送等通信任務(wù)。單片機(jī)對(duì)S7A1000進(jìn)行正確的初始化后,通過訪問其內(nèi)部寄存器實(shí)現(xiàn)對(duì)CAN的操作。初始化程序主要是在程序運(yùn)行前通過對(duì)SJAl000的控制寄存器寫入控制字,從而確定C州控制器的工作方式等,使其能夠按照用戶要求的工作方式進(jìn)行CAN通信工作。在復(fù)位期間,初始化的寄存器包括模式寄存器、時(shí)分寄存器、接收代碼寄存器、屏蔽寄存器、總線定時(shí)寄存器及輸出控制寄存器等。3.2發(fā)送程序?qū)J舢ooo進(jìn)行初始化并建立CAN總線通信后,各節(jié)點(diǎn)可通過CAN總線發(fā)送和接收CAN數(shù)據(jù)包。數(shù)據(jù)包的發(fā)送是由sJAlooo根據(jù)CAN總線協(xié)議自動(dòng)完成的。發(fā)送程序中AT89C51把要發(fā)送的數(shù)據(jù)幀送到sJAlooo的發(fā)送緩沖區(qū),在命令寄存器中設(shè)置發(fā)送請(qǐng)求標(biāo)識(shí)位。當(dāng)有報(bào)警信號(hào)存在時(shí),就向CAN總線上的其它節(jié)點(diǎn)以及上位PC機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)。當(dāng)sJAlooo發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí),發(fā)送緩沖器禁止寫操作,于是主控制器要檢測(cè)狀態(tài)寄存器中發(fā)送緩沖器的標(biāo)識(shí)符,看發(fā)送緩沖器是否可以進(jìn)行數(shù)據(jù)接收。3.3接收程序數(shù)據(jù)從cAN總線到CAN接收緩沖區(qū)是由C刪控制器自動(dòng)完成的。接收程序負(fù)責(zé)各節(jié)點(diǎn)報(bào)文的接收以及其它情況的處理,從接收緩沖區(qū)讀取要接收的數(shù)據(jù),在處理接收數(shù)據(jù)報(bào)文的過程中,同時(shí)要對(duì)CAN總線脫離、錯(cuò)誤報(bào)警、接收溢出等異常情況進(jìn)行處理。系統(tǒng)設(shè)計(jì)中采用中斷方式接收數(shù)據(jù)。4實(shí)驗(yàn)及總結(jié)為了驗(yàn)證系統(tǒng)監(jiān)測(cè)及通信的可靠性,對(duì)CAN總線上位PC機(jī)與各節(jié)點(diǎn)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試。通信介質(zhì)采用屏蔽電纜,根據(jù)實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備數(shù)量,采用多種傳送數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu),選用總線速率為10kbps,傳送數(shù)據(jù)域長(zhǎng)度為8字節(jié)的數(shù)據(jù)幀。分別進(jìn)行PC與單節(jié)點(diǎn)的單幀通信,以及同時(shí)對(duì)多節(jié)點(diǎn)多幀通信。對(duì)CAN總線上各監(jiān)控節(jié)點(diǎn)連續(xù)工作72小時(shí),測(cè)試期間,反復(fù)進(jìn)行不同類型報(bào)警測(cè)試。實(shí)驗(yàn)表明:實(shí)時(shí)報(bào)警準(zhǔn)確率可達(dá)100%,報(bào)警信號(hào)分類、關(guān)聯(lián)正確;有效地實(shí)現(xiàn)了樓宇多路監(jiān)控報(bào)警。從主控狀態(tài)顯示情況來看,無數(shù)據(jù)傳送錯(cuò)誤和數(shù)據(jù)丟失,性能穩(wěn)定,驗(yàn)證監(jiān)控裝置及通信系統(tǒng)均具有較強(qiáng)的可靠性。實(shí)驗(yàn)測(cè)試情況如表1所示。表1實(shí)驗(yàn)測(cè)試由于系統(tǒng)采用CAN現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù),在信息傳輸?shù)陌踩浴?zhǔn)確性、實(shí)時(shí)性方面都達(dá)到了較高的要求。另外,該系統(tǒng)提供了較好的硬件平臺(tái),可以方便移植監(jiān)測(cè)算法,有效地實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)分布式多路監(jiān)測(cè)報(bào)警,滿足現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控需要,具有良好的應(yīng)用前景。參考文獻(xiàn):[1]李權(quán)威,秦俊.基于C州總線的分布式智能火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].消防設(shè)備研究.2006,1:70.[2]郭繼峰,劉晶.基于cAN總線的樓字照明控制系統(tǒng)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