基于以太網(wǎng)和CAN總線的樓宇自動化系統(tǒng)設計

摘要：提出了一種使用以太網(wǎng)技術和CAN技術實現(xiàn)樓宇自動化的方案，并給出了軟硬件的具體實現(xiàn)辦法。該方案由主控計算機、以太網(wǎng)通訊節(jié)點以及現(xiàn)場CAN節(jié)點構成一個分層網(wǎng)絡控制系統(tǒng)，其中以太網(wǎng)節(jié)點由路由器和嵌入了TCP／IP協(xié)議棧的嵌入式系統(tǒng)構成，現(xiàn)場CAN節(jié)點由單片機、AD／DA轉換模塊、CAN模塊、傳感器及執(zhí)行機構組成。系統(tǒng)具有容錯性好、實時性高，管理方便等優(yōu)勢，可實現(xiàn)智能遙控，故障發(fā)現(xiàn)，集中管理等功能。
關鍵詞：以太網(wǎng)；CAN總線；樓宇自動化；控制系統(tǒng)

隨著現(xiàn)代化城市建設的發(fā)展，出現(xiàn)了越來越多的高層建筑，如何統(tǒng)一管理和監(jiān)控建筑內公用的機電設備，成為當今樓宇自動化研究的熱點方向之一。以“分散控制，集中管理”為基本思想，設計了一種基于以太網(wǎng)和CAN總線的樓宇自動化控制系統(tǒng)。采用分層管理和控制，與傳統(tǒng)控制結構相比，每個現(xiàn)場設備節(jié)點都具有通信和控制能力，各自可以獨立控制而不依賴于主控計算機，同時也具有簡單的故障自動修復功能，因而只要控制規(guī)律確定以后，平時主控機只需要監(jiān)視設備節(jié)點既可，這樣就提高了整個系統(tǒng)的自動化水平。所選的以太網(wǎng)和CAN總線的組合，相比其他總線，軟硬件技術成熟、安全可靠、傳輸速度快且成本低廉、易于擴展和維護。

1 網(wǎng)絡結構設計
系統(tǒng)結構如圖1所示。系統(tǒng)設計兩層網(wǎng)絡，第1層是以太網(wǎng)，由路由器和交換機組成，負責連接主控機和各個區(qū)域的上位機，各上位機內嵌簡單的TCP／IP協(xié)議棧，通過以太網(wǎng)將其下的設備節(jié)點的狀態(tài)實時的反饋到主控機中，也可以接受主控機發(fā)送出的控制指令。以太網(wǎng)提供了冗余網(wǎng)絡結構，主控機的位置可以隨時移動，通過新的路由器接入網(wǎng)絡即可。第2層是CAN網(wǎng)絡，由CAN控制器和收發(fā)器組成，負責連接設備節(jié)點，將采集到的數(shù)據(jù)傳送至上位機，并接收上位機的命令消息。由于上位機實際上起到了一個網(wǎng)關的作用，因此兩層網(wǎng)絡結構擴大了通信的帶寬，減輕了總線的負擔。再加上CAN特有的非破壞性總線仲裁技術，即使在網(wǎng)絡負重很大的情況下，也不會出現(xiàn)網(wǎng)絡癱瘓情況。

2 硬件方案
上位機以NXP LPC2478為主芯片，由電源穩(wěn)壓模塊、以太網(wǎng)收發(fā)器，隔離變壓器、CAN收發(fā)器等組成。LPC2478以ARM7為內核，它包括1個10／100以太網(wǎng)媒體訪問控制器(MAC)、1個帶4 kB終端RAM的USB全速設備／主機／OTG控制器、4個UART、兩路CAN通道、1個SPI接口、2個同步串行端口、3個I2C接口和1個I2S接口。同時還帶有1個4 MHz的片內振蕩器、98 kB RAM、以及一個外部存儲器控制器來支持上述的各種串行通信接口。電源穩(wěn)壓模塊將輸入電源電壓濾波并穩(wěn)定在3．3 V左右，可以防止電壓瞬時的下降導致的程序跑飛。CAN收發(fā)器采用PCA82C250，以太網(wǎng)接口用常見的的RJ45型網(wǎng)線接口。
設備節(jié)點使用STC89C52單片機作為微控制器，外擴SJA1000為CAN控制器，為便于調試，擴展電平轉換芯片MAX232作為備用調試通道。根據(jù)不同需要，還要連接不同的傳感器和其他執(zhí)行機構，比如中央空調系統(tǒng)，可連接DS18B20溫度傳感器將溫度采集并以數(shù)字量直接傳送給STC 89C52，STC89C52則按預先設置好的方案，控制壓縮機工作。必要時可以由主控機發(fā)送控制命令，修改預先設置的方案參數(shù)。
將上位機的網(wǎng)口連接至交換機網(wǎng)口，路由器的LAN口也和交換器連接，路由器的WAN口連接進入樓宇局域網(wǎng)。