取暖智能節(jié)能系統(tǒng)中CAN總線協(xié)議轉(zhuǎn)換的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

王 鵬

（赤峰學(xué)院 計(jì)算機(jī)科學(xué)與信息工程學(xué)院，內(nèi)蒙古 赤峰 024000）

取暖智能節(jié)能系統(tǒng)中CAN總線協(xié)議轉(zhuǎn)換的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

王 鵬

（赤峰學(xué)院 計(jì)算機(jī)科學(xué)與信息工程學(xué)院，內(nèi)蒙古 赤峰 024000）

根據(jù)熱用戶性質(zhì)的不同，提供不同的負(fù)荷控制策略，采用CAN總線技術(shù)，利用每一路通道信號(hào)控制一個(gè)房間所有暖氣片的開關(guān)閥門，實(shí)現(xiàn)分時(shí)、分溫、分室、按需供熱，滿足不同房間的個(gè)性化需求，避免不考慮房間用途而統(tǒng)一供熱造成的浪費(fèi).引入更加成熟的以太網(wǎng)技術(shù)：CAN總線構(gòu)建底層終端設(shè)備網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)對(duì)終端房間的信息采集與熱流量控制；以太網(wǎng)構(gòu)建信息局域網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)樓宇之間的信息傳遞；協(xié)議網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)CAN與TCP/IP的協(xié)議轉(zhuǎn)換，CAN與以太網(wǎng)網(wǎng)關(guān)進(jìn)行有機(jī)連接.

CAN總線；多協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)；協(xié)議轉(zhuǎn)換；uIP

CAN(Controller Area Network),全稱“控制器局域網(wǎng)”，是工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線的一種，能有效支持分布式控制或?qū)崟r(shí)控制的串行通信網(wǎng)絡(luò).最初是為解決汽車中控制與測(cè)試儀器之間的數(shù)據(jù)交換而開發(fā)的一種串行數(shù)據(jù)通信協(xié)議.通信介質(zhì)可以是雙絞線、同軸電纜、光纖，通信速率可達(dá)1Mbps.CAN協(xié)議的物理層，數(shù)據(jù)鏈路層功能都集成在總線通信接口中，可以實(shí)現(xiàn)通信數(shù)據(jù)的成幀處理，包括數(shù)據(jù)塊編碼，位填充等工作.隨著應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)大，產(chǎn)品的性能不斷提高，價(jià)格也不斷下降.CAN總線的性能和價(jià)格優(yōu)勢(shì)，與建筑物內(nèi)各個(gè)辦公房間分布點(diǎn)多、面廣、占用的空間體積大等相匹配，非常適合于建筑節(jié)能控制中應(yīng)用.

其特點(diǎn)有：

(1)傳輸距離比較遠(yuǎn).主控點(diǎn)與節(jié)點(diǎn)的分布距離，在10km內(nèi)都有效，通過雙絞線把分布在樓內(nèi)各房間的節(jié)點(diǎn)連接起來，當(dāng)樓房的建筑面積大、樓層高時(shí)，滿足布線需求.

(2)價(jià)格低廉.CAN總線使用銅芯雙絞線或?yàn)榱藴p少外界干擾使用屏蔽銅芯雙絞線作為數(shù)據(jù)傳輸通道，減少工程應(yīng)用的成本.

(3)超強(qiáng)的糾錯(cuò)和檢錯(cuò)能力.在介質(zhì)訪問控制子層上，負(fù)責(zé)報(bào)文分幀，仲裁，應(yīng)答，錯(cuò)誤檢測(cè)和標(biāo)定.并采用非破壞仲裁技術(shù)及短幀傳送數(shù)據(jù)，能滿足工業(yè)控制的實(shí)時(shí)性和確定性的要求，在網(wǎng)絡(luò)負(fù)載很重的情況下不會(huì)出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)癱瘓的情況;在邏輯鏈路控制子層上,滿足報(bào)文濾波、過載通知及恢復(fù)管理的功能.另外，節(jié)點(diǎn)與總線的連接是并聯(lián)結(jié)構(gòu)，若其中的某一個(gè)節(jié)點(diǎn)損壞，不影響其他節(jié)點(diǎn)的工作.

使用CAN總線技術(shù)，一臺(tái)上位主機(jī)利用每一路通道信號(hào)控制一個(gè)房間所有暖氣片閥門的開與關(guān)，通過對(duì)房間內(nèi)每組暖氣片的熱水流量的調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)節(jié)能的目的.

但是，CAN總線技術(shù)在建筑節(jié)能控制中也存在一些問題：

（1）控制節(jié)點(diǎn)不夠用

一棟樓的房間個(gè)數(shù)可能會(huì)很多，而一個(gè)單位或企業(yè)的建筑物又不止一棟，造成CAN總線的單一主控機(jī)無法控制所有終端的現(xiàn)象.

（2）限于速度的要求，有效距離不夠遠(yuǎn)

雖然CAN總線的有效傳輸距離可以達(dá)到10千米，但傳輸速率是隨著傳輸距離而遞減的.為追求快速，則長(zhǎng)距離的樓宇之間可能無法連接；為保證傳輸距離，則速度不能滿足要求.

解決以上問題的方法也有多種：

多主控機(jī)

采用多個(gè)主控主機(jī)，分別控制一組CAN總線結(jié)構(gòu).這種分散管理的方式不能集中控制，節(jié)能效果不好，成本較高.

多接口模式

采用多種接口并用，實(shí)現(xiàn)多路控制.但穩(wěn)定性較差，成本高.

多協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)

采用多種協(xié)議組合使用，揚(yáng)長(zhǎng)避短，各發(fā)揮優(yōu)勢(shì).

本項(xiàng)目采用的是多協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)方式，引入更加成熟的以太網(wǎng)技術(shù)：CAN總線構(gòu)建底層終端設(shè)備網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)對(duì)終端房間的信息采集與熱流量控制；以太網(wǎng)構(gòu)建信息局域網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)樓宇之間的信息傳遞；協(xié)議網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)CAN與TCP/IP的協(xié)議轉(zhuǎn)換，CAN與以太網(wǎng)網(wǎng)關(guān)進(jìn)行有機(jī)連接，實(shí)現(xiàn)信息傳遞.如下圖所示：

圖1 多協(xié)議系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

多協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)的核心問題在協(xié)議網(wǎng)關(guān)的協(xié)議轉(zhuǎn)換上，要實(shí)現(xiàn)嵌入式以太網(wǎng)接口與CAN總線接口的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換功能.網(wǎng)關(guān)結(jié)構(gòu)以及功能如下圖：

圖2 協(xié)議網(wǎng)關(guān)結(jié)構(gòu)及功能

本系統(tǒng)的工作原理是擁有權(quán)限的主控端發(fā)給現(xiàn)場(chǎng)智能節(jié)點(diǎn)的控制指令在以太網(wǎng)內(nèi)被打包成TCP/IP包，通過以太網(wǎng)傳遞給網(wǎng)關(guān).網(wǎng)關(guān)接到數(shù)據(jù)包后，根據(jù)CAN協(xié)議對(duì)拆包后的數(shù)據(jù)重新打包，然后把數(shù)據(jù)傳給現(xiàn)場(chǎng)的目的智能節(jié)點(diǎn).這樣就可以實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)主控端對(duì)智能終端的控制.而各個(gè)智能節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)數(shù)據(jù)通過CAN總線提交給網(wǎng)關(guān)，網(wǎng)關(guān)將CAN數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為以太網(wǎng)數(shù)據(jù)，再通過以太網(wǎng)送達(dá)給主控端主機(jī)，用于主控端的診斷和決策.

實(shí)現(xiàn)這一轉(zhuǎn)換過程要使用uIP協(xié)議.

uIP協(xié)議棧去掉了TCP/IP中不常用的功能，簡(jiǎn)化通訊流程，保留通信必須使用的協(xié)議，重點(diǎn)放在IP/TCP/ICMP/UDP/ARP的網(wǎng)絡(luò)層和傳輸層協(xié)議上，保證了其代碼的通用性和結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性.uIP協(xié)議棧為嵌入式系統(tǒng)而設(shè)計(jì)，還具有如下優(yōu)越功能：

C語言編寫，完全開放，通用性強(qiáng)

代碼占用空間小，易于移植

適合8位，16位的嵌入式微處理器運(yùn)行

對(duì)數(shù)據(jù)的處理采用輪循機(jī)制，不需要操作系統(tǒng)的支持.

uIP提供的是策略，由上往下逐步封裝用戶的數(shù)據(jù)，如：應(yīng)用數(shù)據(jù)-TCP封裝頭部-IP封裝頭部-mac封裝+尾部-發(fā)送.在UIP協(xié)議里面通過uip_init（）來初始化.

主要工作是：

（1）將uip_state結(jié)構(gòu)體全部清零.

（2）初始化用于TCP鏈接的uip_conn結(jié)構(gòu)體，將連接狀態(tài)置為close.

（3）設(shè)置用于TCP鏈接的端口lastport=4096.

部分代碼如下：

引入以太網(wǎng)技術(shù)，采用多協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)組合，協(xié)議網(wǎng)關(guān)完成不同協(xié)議的轉(zhuǎn)換，最終實(shí)現(xiàn)了價(jià)格低廉的CAN總線構(gòu)成終端設(shè)備網(wǎng)絡(luò)；技術(shù)成熟、性能穩(wěn)定的以太網(wǎng)技術(shù)構(gòu)建信息局域網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)樓宇之間的信息傳遞；進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了對(duì)同屬于一個(gè)單位的不同建筑物進(jìn)行集中管理，協(xié)調(diào)控制每個(gè)房間按需供熱，提高了節(jié)能效果.

〔1〕林成浴.TCP/IP協(xié)議及其應(yīng)用[M].人民郵電出版社，2013.7.

〔2〕舒志兵.現(xiàn)場(chǎng)總線運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)[M].電子工業(yè)出版社,2007.1.

〔3〕曾珞亞.應(yīng)用于智能建筑的幾種總線技術(shù)淺析[J].低壓電器，2009（1）.

TP273

A

1673-260X（2017）11-0018-02

2017-08-16

內(nèi)蒙古教育廳基金項(xiàng)目資助（NJZC16257）