基于CAN總線的樓宇自動化照明網絡設計

王 麗，郭利進

（天津工業大學 電氣工程與自動化學院，天津300000）

樓宇自動化是智能建筑的重要組成部分，而燈光照明系統則是樓宇自動化系統中不可忽略的一個重要部分。如今，照明系統的設計目標已經不僅僅是在視覺鎖定的特定區域提供足夠的光線，還要更多地考慮到低諧波失真、高功率因數、光線強度調節、定向維護以及降低能耗等功能。同時，燈光的遠程可控性也是現代照明系統要考慮的一個重要問題。這就需要燈光節點能夠通過某種通信協議來發送相關信息，以實現照明系統的遠程控制[1]。

當前市場所售的嵌入式系統已經可以實現上述功能。一些控制系統采用1 V～10 V的直流模擬量信號來實現光照強度的控制。另一些則采用數字控制，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，同時也能夠滿足更加復雜的智能系統的控制要求，如照明調光專用的數字電源控制器，或基于通信協議的照明網絡遠程控制。在這些應用中，數字化可尋址調光接口 （DALI）得到了廣泛的使用。DALI定義了電子鎮流器與設備控制器之間的通信方式，是一種數據傳輸的協議。根據這種協議，熒光燈節點或LED節點可以通過高頻可調光電子式熒光燈鎮流器實現設備的開關及調光操作，并且可以反饋燈光的照明狀態及故障信息。但是，每個DALI照明控制系統的控制范圍為300 m，意味著每個DALI照明控制接口僅可用于一個中等規模的建筑物內。因此，對于大型建筑物管理系統，需要通過網關或傳送器實現控制中心與被控單元的雙向通信[2-3]。

1 CAN總線照明網絡系統

CAN總線(Controller Area Network)的最遠通信距離可達10 km，采用載波監聽多路訪問（CSMA/CD）的方式，其節點擴展接線簡單，具有良好的可靠性和實時性。一個標準的CAN通信節點由微控制器、CAN控制器及CAN收發器組成。總線各節點之間可以直接通信，無需通過中央控制器[4]。

本文介紹的樓宇自動化照明系統是一種基于CAN總線的照明網絡系統，其系統框圖如圖1所示。PC機通過CAN-PCI接口卡連接到CAN總線，作為CAN總線網絡中的一個節點。通信協議采用CAN2.0A標準，該標準的標識符長度為11 bit，因此可以設定2 048個可用標識符或邏輯地址，其中每一個都可以設定為一個有特定功能的節點，這些節點的主要功能包括單個或一組燈具的開關及調光，環境傳感器的監測，以及故障診斷。在本設計中，網絡中的節點包括照明設備、環境傳感器、上位機節點及照明網絡與其他網絡標準的網關(如CAN轉ZigBee無線通信用以與系統內的其他無線單元通信，或CAN轉以太網遠程通信以實現系統的遠程客戶端控制)。

圖1 CAN總線照明系統網絡框圖

2 節點硬件設計

本設計的上位機節點采用周立功單片機公司的PCI5121智能CAN接口卡，該接口卡可直接通過PCI總線將PC方便地連接到CAN總線上。

各燈光節點及傳感器節點采用集成有CAN控制器的PIC18F258為節點主控制器，PCA82C250作為CAN收發器。為了增強CAN節點的抗干擾能力，電路中增加了光電耦合隔離模塊，具體采用6N137高速光電耦合器來實現。為了使CAN收發器免受過流沖擊，其CANH與CANL引腳分別通過一個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恒流驅動器來控制燈光亮滅及亮度，使用外部中斷引腳進行錯誤監測。

LED燈管的發光輝度由其驅動電流決定，因此需要專門的電源管理驅動電路。以其中一個燈光節點為例。如針對需要調光的LED床頭燈燈光節點，該節點使用一顆大功率LED燈珠，其額定功率為3 W。使用PT4115高調光比LED恒流驅動器，通過該驅動器的DIM引腳，可以使用主控制器的PWM輸出來進行LED燈管的亮度調節。通過PWM占空比的調節，LED的輸出電流可以達到0%～100%的變化。這種方法的優勢是可以在不改變LED色度的前提下進行燈光亮度的調節。當DIM引腳接入0.3 V以下電壓時，可以實現系統的關斷。

3 系統軟件設計

3.1 上位機節點軟件設計

上位機節點采用的PCI5121智能CAN接口卡為本系統提供了便利的上位機監測條件，并且為用戶提供了API接口，使用戶可以通過在Visual Basic直接調用該接口進行用戶操作界面的編寫，即可處理CAN節點接收到的數據，并且通過便捷直觀的操作對系統中的各個燈光節點進行相應的控制。

上位機操作為使用Visual Basic設計的操作界面。用戶可以自行添加新的傳感器節點或照明節點，方便用戶維護和更新設備。在傳感器配置部分，需要自行設定傳感器采樣時間等相關信息。界面設定了定時功能，用戶可以根據需要自行設定在指定的時間打開指定的照明燈組。照明調光等級使用滑動按鈕。除了手動開關外，用戶還可以設置為全自動模式，系統可以根據光線明暗自行決定打開某些燈光，在人離開紅外傳感器感應區域后，則自行關閉燈光。

3.2 燈光節點軟件設計

本設計CAN通信采用CAN2.0A協議，該協議采用11 bit標識符。設計中為每個節點分配2個幀ID，一個用來接收本僅本節點接收的數據，另外一個用來接收全局數據。

各節點分兩個步驟來接收PC機的命令。首先PC發送一個4 B的功能碼，這個功能碼指明了指定節點要執行的任務類型。各節點根據該功能碼的幀ID，確定是否接收該命令，并向PC回復一個確認幀。然后PC再發送一個數據幀，給出任務的具體參數。同樣地，各嵌入式節點向PC發送信息也分為兩個步驟，首先發送有特定幀ID的功能碼，收到回復信息后發送具體信息內容。

燈光節點的軟件流程圖如圖2所示。首先應該對系統進行初始化配置，除了對單片機的I/O口、中斷等配置外，還應進行CAN控制器模塊的配置，其中包括CAN波特率設置、驗收濾波模式設置、CAN接收屏蔽寄存器及驗收濾波寄存器設置、中斷優先級設置等。

圖2 燈光節點軟件流程圖

各節點除了與PC通信外，CAN總線的多主工作方式使各節點之間也可以直接通信，這對于智能照明系統有著便利的優勢。例如，環境傳感器節點可以根據傳感器監測到的信息（如日光光照強度）來控制照明燈組；或者，如果有一個照明燈出現故障，可以觸發臨近的照明燈調節光照強度來補償該故障造成的光照強度的降低[6，7]。

智能照明控制系統作為樓宇自動化的一個必不可缺的重要組成部分，是將來樓宇自動化發展的一個重要領域。近年來，CAN總線越來越多地應用于除了汽車電子之外的各個領域，具有穩定性好、價格低廉及便于擴展等優點。本設計將CAN總線應用于樓宇自動化的照明系統，采用了集成有CAN控制器的PIC18F258芯片，具有集成度高、穩定性強、抗干擾等優點。設計中對燈光節點進行了軟硬件的設計，經試驗，系統通信穩定，達到了預期設計要求。

[1]彭琴.智能家居照明控制系統研究[D].重慶：重慶大學，2011.

[2]張光明.多協議樓宇自動化通信平臺的研究與實現[D].沈陽：東北大學，2010.

[3]路秋生.常用電子鎮流器電路及應用[M].北京：人民郵電出版社，2006：211-230.

[4]王黎明，夏立，邵英，等.CAN現場總線系統的設計與應用[M].北京：電子工業出版社，2008.

[5]王義.CAN總線單片機PIC18F258在汽車電子控制單元中的應用[J].貴州師范大學學報(自然科學版)，2010，28(1)：117-120.

[6]張玲，郝翠霞.LED隧道照明控制系統的研究與開發[J].照明工程學報，2011，22(4)：36-40.

[7]王聲學，吳廣寧，蔣偉，等.LED原理及其照明應用[J].燈與照明，2006，30(4)：32-35.