基于GPRS和CAN的樓宇照明監控系統

吳紅生，秦會斌，毛祥根，丁 亮

（杭州電子科技大學電子信息學院，浙江杭州310018）

0 引言

隨著科技的發展和物質生活水平的提高，人們對生活品質的要求也隨之提高。小區樓宇的智能化以及設備的網絡化也逐步成為人們選擇住宅時考慮的重要因素。此外，像學校、大型商場以及公司等組織，隨著配套照明設施的增多，也迫切需要一種網絡化的樓宇照明系統，以便于科學、便捷地實現對照明設施的管理與控制。

目前，樓宇照明監控系統中的數據傳輸可以采用有線和無線兩種方式。有線方式一般采用現場總線的方式，而無線傳輸方式有紅外、藍牙、WIFI、GPRS以及ZigBee 等。其中，紅外、藍牙以及WIFI 的傳輸距離都比較近，不適用于遠距離無線通信。ZigBee通訊距離一般為幾百米，可以擴展，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通信。相比較而言，GPRS 通信距離遠、數據傳輸穩定，而且它內置TCP/IP 協議，可以很方便地用于長距離通信或控制。它在遠程監控領域的應用情況證明其完全可以滿足該監控系統的需求［1-4］。

從經濟性與可行性出發，本研究提出一種樓宇照明監控系統設計方案，該方案采用GPRS 與CAN 總線結合的方式。

1 系統的體系結構

1.1 整體結構

樓宇照明監控系統是一個分布式、集散型、網絡化的監控系統，有著分散控制、集中操作、配置靈活等特點。它主要包括監控軟件和底層硬件控制模塊兩部分。監控軟件采用C/S 模型，客戶端提供良好的人機界面，服務器完成客戶端與GPRS 的信息交互以及數據庫的信息存取。底層硬件控制模塊主要分為GPRS 無線通信模塊、CAN 總線通信模塊、調光、數據采集等其他功能電路。

系統總體結構圖如圖1所示。

圖1 系統總體結構圖

操作客戶端與監控中心通過Internet 網絡進行通信，而監控中心與底層控制節點通過兩層網絡結構進行通信。初級網絡為CAN總線組成的單線局域網，它完成了底層各個節點之間信息交互。每個單線局域網中，有一個通信節點，它利用GPRS無線通信的方式將底層控制節點采集到的信息發送給監控中心軟件，同時也將監控中心軟件發送過來的命令轉發給相應的控制節點。這樣，也就完成了上位機軟件與底層控制節點的信息交互，從而實現照明設備遠程的管理與監控。

1.2 底層終端的設計與實現

底層終端節點主要分為通信節點和控制節點。通信節點配有GPRS通信模塊和CAN通信接口，通過有線與無線結合的方式，完成底層與上位機的數據通信。控制節點帶有PWM調光模塊、電參數檢測模塊、開關燈模塊以及CAN接口，主要完成照明控制與信息檢測。

1.2.1 通信節點的設計

通信節點的原理框圖如圖2所示［5-7］。

圖2 通信節點原理框圖

主控制模塊采用基于ARMCortex-M3 內核的STM32F103 處理器，它具有512 KB 的Flash，12 位ADC，DMA 控制器以及支持CAN 協議2.0A 和2.0B。它片內含有多個串行接口，便于通過RS232 與GPRS進行串口通信以及測試。

GPRS模塊采用西門子的MC52i，它屬于工業級別的GPRS模塊，內置TCP/IP協議，可以根據配置進行多達5種網絡通信協議的數據傳輸，如TCP、FTP、HTTP、SMTP 以及POP3 等。CAN 收發器采用TJA1050，通過光耦6N137與單片機進行隔離，在實現穩定通信的同時，達到了較高的性價比。

通信節點開機工作時，會完成GPRS 模塊的初始化，包括服務模式的選擇、網絡連接模式的配置以及服務屬性的配置。監控中心的IP地址以及端口號，在完成配置后會保存在通信節點，便于開機初始化后自動重連。每個通信節點都存有一個固定的ID號，該號碼與監控中心數據庫的ID 相對應。GPRS 連接時，會發送它的ID號，完成信息的匹配。這樣，當GPRS斷開時，監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的網絡通信流程要求研究者選擇服務模式，服務模式有URC模式和Polling模式，這里選擇默認的URC模式。URC模式能夠通知數據的發送情況、服務的關閉情況以及錯誤是否已經發生，這些在Polling 模式中是沒有的。本研究通過AT^SICS選擇網絡連接模式，它有CSD 和GPRS 模式，選擇GPRS 模式。然后就是通過AT^SISS 配置服務屬性，在連接和服務都配置好之后，就可以通過AT^SISO命令打開網絡。

1.2.2 控制節點的設計

控制節點的主要完成數據的采集與控制，其總體框圖如圖3所示。

圖3 控制節點整體框圖

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調光以及開關燈的控制。

為了提高電流、電壓數據的檢測精度，這里引入了一種簡易的數字濾波算法—去極值平均濾波算法。針對單一通道，該系統采集的數據量達到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 個求均值，這樣可以避免脈沖干擾造成的數值偏差。當系統進行多通道數據采集時，DMA需要配置通道的數據傳輸量、設置通道的優先級以及工作模式等；當采集的數據達到設定的數據大小時進入DMA中斷，修改指定的標志位；然后外部程序會根據標志位對指定緩沖區的數據進行處理，針對提取出的數據同樣采用濾波算法，剔除掉其中的不良數據。

當控制設備出現故障時，例如電流、電壓過高或者出現斷路等，控制節點會立即將報警信息發送給通信節點。通信節點通過GSM/GPRS短消息將消息發送給管理員并向監控中心轉發報警信息。這樣不僅改善了信息反饋的通道，也提高了故障報警的效率。

2 通信方式與協議的制定

2.1 通信方式介紹

照明監控系統在通信的過程中融合了Socket網絡通信、GPRS無線通信以及CAN通信。這3種通信方式在通信的數據量以及通信方式上都有較大的差別。研究者在通信協議的制定上也必須兼顧其中的任何一種。

監控軟件的通信方式均為Socket 網絡通信，采用TCP 協議。TCP 作為一個可靠的面向連接的協議，它允許源于一個機器的字節流被無錯誤地傳輸到Inter?net 上的任何其他機器［8］。而且在傳輸數據量上相對其他兩種通信方式，也無太多限制。

GPRS無線通信模塊通過串口與單片機完成數據交互，并以無線的方式將消息發送給監控中心。串口通信的數據封裝了AT指令集，單片機會通過封包、解包的方式完成對串口通信數據的封裝與解析。傳輸的數據量沒有固定的限制，但是從穩定性以及可靠性方面考慮，一次性傳輸的數據量不宜太多。

CAN 總線上傳輸的幀格式有數據幀、遠程幀、錯誤幀以及過載幀。數據傳輸采用CAN標準報文格式，在傳輸執行信息以及返回數據信息的過程中，均采用數據幀格式。

數據幀的結構如圖4所示，它由7 個不同的位場組成：幀起始、仲裁場、控制場、數據場、CRC 校驗碼場、應答場、幀結尾［9］。

圖4 數據幀結構

幀起始位標志著數據幀或者遠程幀的開始，僅有一個顯性位構成。仲裁場由11 位標識符和RTR位組成，在數據幀里，RTR 必須為1。數據域的長度為0～8位，這里數據域的長度設為8個字節。

為了便于過濾在總線傳輸的不相關的數據，每個節點都有其對應的ID。在數據發送的時候，數據幀的標準標識符設為接收節點的ID，而接收節點的過濾器也只過濾出標準標識符為其ID號的標準數據幀，這樣接收節點只能收到發給它的數據，數據的發送和接收也就有了一定的針對性。

2.2 協議的制定

在3種通信方式中，只有CAN總線通信在傳輸數據上有較多的限制。一次傳輸的數據量最多也只有8個字節［10］。所以上位機與底層節點的通信信息，其長度均設為8 字節。在通信協議中，為了便于區分節點的信息，協議中用2個字節表示節點的ID號。

通信的協議格式如表1所示。協議中，除了數據位占3個字節以外，其余類型各占1個字節。其中，第3 字節表示GPRS 的ID 號，第4 字節為節點在CAN 總線中的ID號。

表1 通信協議格式

在同一CAN網絡中，每個節點對應的GPRS 的ID號均相同，通信節點對應的CAN 總線上的ID 號設為0，控制節點依次遞增。

3 系統軟件的設計

樓宇照明監控系統的軟件部分分為上位機軟件和底層驅動軟件，其主要體現了系統的集中管理、遠程監控和即時響應。上位機軟件主要完成操作界面的設計，網絡通信的實現以及數據庫的存取。底層驅動軟件主要用于系統功能的具體實現，包括GPRS無線通信的實現、照明控制、參數采集以及CAN通信的實現等。

底層驅動軟件設計包括通信節點和控制節點的軟件設計，軟件流程圖如圖5所示。

通信節點通過有線與無線結合的方式，完成了數據的中轉功能。控制節點實現了照明控制、信息檢測以及實時報警等功能。這樣不僅使系統達到了遠程控制的功能，而且在設備出現故障時能夠讓管理人員快速得知具體信息，從而縮短了設備維修的周期。

4 結束語

本研究介紹了CAN網絡和GPRS網絡結合的樓宇照明系統的設計方案。該系統結合樓宇中的實際情況，在通信網絡上采用分層設計思想，很好地解決了遠程通信過程中數據通信鏈路的建立、通信協議的實現、數據的集中管理以及信息的實時反饋，實現了穩定、便捷、高效的數據傳輸。

該系統有效地減少了樓宇照明設備管理上的人力資源消耗，并提高了設備的維護效率，并在一定程度上減少了資源建設成本，也為照明設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）：

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