基于CAN—GPRS的智能楼宇的通信系统设计

余国卫　王镜宇

摘要：要搭建基于CAN-GPRS的智能楼宇的通信系统需要考虑两个方面的问题，一个是系统拓扑，一个是系统接口。该文则详细地论证了这两个方面，并结合实验对设计思路进行了验证。

关键词： CAN；GPRS；智能楼宇

中图分类号：TP391.9 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2014）09-2140-02

智能楼宇是现代建筑的发展主流，一般使用CAN基于CAN总线技术。但是CAN总线的特点是一根总线，这对布局复杂的小区，要对所有楼群的信息进行采集，布线是极为不便的，一个楼体设置一个CAN总线，一个小区将产生多条CAN总线，这么多CAN总线要与一台上位机连接，实践中是很困难的。基于GPRS的无线网络虽然没有布线的麻烦，基站价格昂贵，高昂的成本是用户难以接受的。还有一些智能楼宇系统使用Zigbee来进行，但是由于Zigbee属于高频信号，沿地面传输距离较短，加之信号易受干扰，传输稳定性差，所以实用性较差。该文提出的基于CAN-GPRS的智能楼宇的通信系统则可以很好地平衡这两个问题。

1 通信协议

1.1 GPRS通信协议

GPRS（General Packet Radio Service，通用分组无线业务）是第二代移动通信技术GSM向第三代移动通信（3G）的过渡技术，该技术可提供高达115kb/s的传输速率（最高值为171.2kb/s），下一代GPRS业务的速度可以达到384Kb/s。与GSM CSD业务比较，速度有很大的提高，而且业务将以数据流量计费，用户只有在发送或接收数据期间才占用资源，这一计费方式更适应数据通信的特点，而GSM CSD业务则以时间计费。业务另一较大的优势是能够充分利用现有的GSM网，可以使运营商在全国范围内以最小的投入为用户提供数据业务。这意味着多个用户可高效率地共享同一无线信道，从而提高了资源的利用率，真正实现资费低廉。用户可能连接的时间长达数小时，却只需支付相对低廉的连接费用，可使用户的使用费用大大降低。基于GPRS无线数据传输系统，4GPRS技术提供更加低廉的成本、性能可靠的无线数据传输，已经被广泛应用诸多领域中。远程数据采集或控制模块通过无线终端登陆GPRS网络，从而与Internet上数据中心建立端对端连接，可实现远程数据采集控制模块与数据中心的无线数据传输。将GPRS技术应用到环境监测系统中可实现对多个监测点无线控制和数据传输，由于数据中心已接入Internet，更方便了环境监测系统的网络化发展。

1.2 CAN2.0总线协议

控制器局域网络（CAN）是一种串行通信协议能有效地支持具有很高安全等级的分布实时控制。其应用范围从高速网络的低成本多路接线域。在汽车电子，发动机控制单元，传感器，防滑系统，等。使用能与比特率高达1兆位/秒。同时它是成本有效的连接建立汽车车身电子，例如灯簇，电动门窗等代替线束另有要求。

控制器局域网（CAN）是一种串行通信协议，初期应用范围在汽车电子、发动机控制单元等，现已在航天、电力、石化、冶金、纺织、造纸、仓储等行业广泛采用。能有效地支持具有很高安全等级的分布实时控制，传输速度高达1兆位/秒。如今在火车、轮船、机器人、楼宇自控、医疗器械、数控机床、智能传感器、过程自动化仪表等自控设备中，都广泛采用CAN技术。

CAN的主要技术特点：

1）采用短帧结构，直接通信距离最远可达10km（速率5kbps以下）；通信速率最高可达1Mbps（此时通信距离最长为40m）。

2）用非破坏性总线仲裁技术，当多个节点同时向总线发送信息时，优先级较低的节点会主动地退出发送，而最高优先级的节点可不受影响地继续传输数据，从而节省了总线冲突的仲裁时间。

3）网络上的节点信息具有不同的优先级，节点在错误严重的情况下，具有自动关闭总线的功能。

4）CAN上的节点数主要决定于总线驱动电路，目前可达110个；当两个节点同时向网络上传送数据时，优先级低的节点主动停止数据发送。

5）网络上的节点不分主从，任一节点均可在任意时刻主动地向网络上其他节点发送信息，通信方式灵活，利用这一特点可方便地构成多机备份系统。

6）只需通过报文滤波即可实现点对点、一点对多点及全局广播等几种方式传送接收数据，无需专门的"调度"。

2 通信系统总体方案设计

2.1 总体拓扑

一个小区一般包括多个楼体，一个楼体包括多个单元，一个单元包括多个楼层，一个楼层包括多个监控对象。但是智能有一个

监控中心和一个智能智能楼宇管理系统，要把这些东西都集成起来，通信系统起着至关重要的作用。

2.2 CAN子系统方案

一个楼体中需要监控的有效距离很长，但使用CAN总线布线长度可以达到10KM，因而不存在问题。但是一个CAN总线最多只能挂接110个设备，当监控对象数量十分巨大时，一条CAN总线就无法胜任了，因此需要结合单片机进行多路数据采集，来克服总线可接站点容量不足的问题。

2.3 GPRS子系统方案

基于GPRS的无线通信网络，已经存在覆盖全国的服务体系，因而可以实现大范围的环境状况监测，通过有关接口还能够将数据输入到有线Internet网络，传输成本大大降低，可以在更大范围内进行数据资源的分析和共享。

本系统使用51单片机对CAN网进行控制，然后使用GPRS终端模块将CAN监控系统和GPRS网络进行连接。模块体积小、重量轻、功耗低，MC35的工作电压为3.3～4.8V，典型电压为4.2V。工作在EGSM900和GSM1800两个频段，其中工作于EGSM900时功耗为2W，工作于GSM1800时功耗为1W，常适宜于国内市场。网络终端模块选择西门子公司的MC35i，支持语音通讯，具有GPRS、USSD和CSD三种数据传输方式以及SMS和FAX功能。

3 系统有关接口设计

系统外围电路，各种接口电路是决定能否正常完成规定功能的基础，本系统中最重要的接口电路是CAN-232转换接口。

3.1 接口硬件设计

CAN总线需要连接监控设备，还需要连接GPRS模块，因此需要设计有关的接口。考虑到监控终端设备和GPRS模块MC35i都提供了232接口，因此只需要设计CAN-232接口模块就可以满足要求。

3.1.1 工作原理

RS232与CAN协议控制器之间电平并不匹配，因此需要设计电平转换电路。同时CAN总线绵延数公里，难免受干扰，为了保证工作站点稳定工作，需要使用防止干扰的光电隔技术。

3.1.2 电路设计

使用SJA1000芯片，支持CAN2.0标准协议，提供SPI总线接口，设计施工十分方便。

3.2 软件工作流程设计

要完成数据的统一稳定可靠传输，除了硬件基础外，软件性能起到至关重要的作用。该文针对智能楼宇根据监控对象是千差万别的，要求各不相同，设计了如下的软件工作流程。CAN总线站点为多主发送，因此信号采用定时发送。该文设计的系统使用CAN标准帧，每帧只有8个字节，使用两个字节来标示监控对象的信息，包括信息种类，设备种类，设备状况。只有6个字节用于有效数据的传送，对于一些信息数据单元，可能无法完全表达，因此，需要对该信息进行分组，才可以进行传输。同时，为了节约通信资源，尽量使用位信息进行监控信息的表达，同时还可以利用一些软件算法，对所有数据进行压缩。接口要求使用双向透明传输，所以整个流程需要对成处理，压缩后要解压，分组后要重组。

4 结论

本文对有关模块进行了功能性验证，效果良好，充分说明了本文提出的通信方案不仅可行，而且效率较高，完全可以在实际工程中推广使用。该文提出的方案的优势包括：

1）将实现更大区域的覆盖；2）将适应更加复杂信息的传输；3）可以监控数量具大，种类繁多的对象；4）可以实时传输数据，无需上位机系统进行查询。

参考文献：

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[4] 邹吉平.基于CAN总线的分布式智能照明控制系统的设计与实现[D].武汉理工大学，2006.

[5] 邹吉平.基于ZigBee技术的智能楼宇自动化系统设计[J].计算机测量与控制，2007（12）.