住宅小區(qū)智能管理系統(tǒng)------基于CAN總線的安防報(bào)警器系統(tǒng)設(shè)計(jì)
劉超 
摘要：隨著現(xiàn)代化科技的高速發(fā)展，人們的生活方式日新月異，即使是與人們息息相關(guān)的生活空間也早已突破了傳統(tǒng)上僅限于對(duì)住宅地理、空間、環(huán)境等方面的需求，社會(huì)大眾已經(jīng)開始對(duì)住宅的安全性和舒適性提出了更高的要求。本文將重點(diǎn)基于CAN總線來談?wù)勛≌�小區(qū)中的安防報(bào)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。
關(guān)鍵字：智能小區(qū)；CAN總線；安防系統(tǒng)；設(shè)計(jì)
一、智能小區(qū)安防系統(tǒng)概述
隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，家用電器和燃?xì)獾裙ぞ叽罅窟M(jìn)入日常生活，而不斷增加的城市流動(dòng)人口都對(duì)小區(qū)保安系統(tǒng)提出新的挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)的只靠人工的方式或者依賴簡(jiǎn)單的電子產(chǎn)品進(jìn)行工作的安防系統(tǒng)已很難滿足當(dāng)前的需要。這便推動(dòng)了以計(jì)算機(jī)控制為主要手段的智能小區(qū)和智能安防系統(tǒng)的發(fā)展。
智能小區(qū)，是將智能化系統(tǒng)使用在小區(qū)物業(yè)管理服務(wù)中。充分利用通信技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、控制技術(shù)和多媒體技術(shù)實(shí)現(xiàn)服務(wù)、系統(tǒng)資源的共享，實(shí)現(xiàn)以人為本和可持續(xù)發(fā)展的最終目標(biāo)。智能安防系統(tǒng)是利用閉路監(jiān)控設(shè)備、電子巡更設(shè)備、可視對(duì)講設(shè)備和周界防范設(shè)備實(shí)現(xiàn)小區(qū)安全的智能報(bào)警系統(tǒng)。它一方面能主動(dòng)阻止非法入侵，實(shí)現(xiàn)對(duì)重點(diǎn)區(qū)域的保護(hù)功能；另一方面能在發(fā)生相關(guān)案件后作為破案的輔助工具和依據(jù)。
對(duì)住宅智能化和智能網(wǎng)絡(luò)的研究可以追溯到1979年，當(dāng)時(shí)美國(guó)斯坦福研究所提出對(duì)家用電器設(shè)備和電器控制線統(tǒng)一為控制總線的設(shè)想。并于1989年成功推出了由空調(diào)控制、電力供應(yīng)和數(shù)據(jù)通信為整體的總線系統(tǒng)單元。這種智能住宅在歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家得到廣泛的認(rèn)同。在國(guó)內(nèi)，智能化技術(shù)發(fā)展較快，但由于起步較晚，市場(chǎng)開發(fā)較慢，智能化建設(shè)依然處在出具階段。相當(dāng)部分的小區(qū)依舊采485總線的控制方式，存在集成度不高、節(jié)點(diǎn)功能有限的弊端。
實(shí)現(xiàn)智能小區(qū)總線化控制，構(gòu)建接口擴(kuò)展性強(qiáng)、響應(yīng)速度快的智能安防報(bào)警系統(tǒng)具有重要的市場(chǎng)價(jià)值和實(shí)踐意義。本系統(tǒng)采用CAN總線的方式實(shí)現(xiàn)智能小區(qū)的網(wǎng)絡(luò)化控制，主要包含以下部分：
1.CAN總線應(yīng)用通信協(xié)議；2.中央控制處理器軟件；3.網(wǎng)線網(wǎng)關(guān)模塊；4.用戶終端報(bào)警模塊；5.系統(tǒng)擴(kuò)展，與門禁系統(tǒng)等集成與擴(kuò)展方式。
二、智能安防系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案
1.系統(tǒng)總計(jì)架構(gòu)
基于現(xiàn)場(chǎng)總線的網(wǎng)絡(luò)化控制，在這個(gè)系統(tǒng)上一個(gè)智能節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)一個(gè)用戶。由監(jiān)控中心的中央控制器作為整個(gè)智能網(wǎng)絡(luò)的主控節(jié)點(diǎn)，采集分散在住戶家中的安防報(bào)警主機(jī)終端是總線上的智能節(jié)點(diǎn)上各種不同類型的探頭的信息進(jìn)行監(jiān)控。這樣就實(shí)現(xiàn)了通過現(xiàn)場(chǎng)總線的方式將所有節(jié)點(diǎn)上相關(guān)的信息傳遞給中央控制器，使安保人員能在PC機(jī)上進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。
2.系統(tǒng)中央控制器設(shè)計(jì)
在這個(gè)安防系統(tǒng)中，中央控制器是最高層節(jié)點(diǎn)，功能是將CAN總線上接收的各種報(bào)文，并將數(shù)據(jù)通過以太網(wǎng)傳輸?shù)奖O(jiān)控端PC上，以便進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。設(shè)定為具有2路CAN總線接口，系統(tǒng)設(shè)定的總?cè)萘窟_(dá)到20000個(gè)。在設(shè)計(jì)過程中開率到作為系統(tǒng)的總控制節(jié)點(diǎn)的PC機(jī)的可能出現(xiàn)的不穩(wěn)定因素，必須能在PC機(jī)發(fā)生故障時(shí)對(duì)所有獲得的報(bào)文進(jìn)行存儲(chǔ)備份，以便安保人員可以通過簡(jiǎn)單控制來查看存儲(chǔ)的內(nèi)容，中央控制器還設(shè)置了一路串口可連接微型打印機(jī)。
 

 

a.主控CPU
在單片機(jī)系統(tǒng)中，ARM核以其小體積、高性能、緊湊代碼密度和低功耗的出色結(jié)合而著名。它采用的RISC結(jié)構(gòu)性能優(yōu)良，是現(xiàn)有的嵌入式系統(tǒng)處理器最佳體系結(jié)構(gòu)。[2]
本系統(tǒng)采用由Philips公司生產(chǎn)32位基于ARM體系架構(gòu)的CPULPC2292。該芯片采用ARM7TDMI-S內(nèi)核，擁有包括256kB片內(nèi)Flash和16kB片內(nèi)靜態(tài)RAM、內(nèi)建2路CAN控制器、4路A/D轉(zhuǎn)換器、2個(gè)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的UART、多個(gè)32位定時(shí)器、高速I2C接口、2個(gè)SPI接口等豐富的片內(nèi)資源。
內(nèi)置的2路CAN控制器構(gòu)造與訪問方式提供先進(jìn)的過濾驗(yàn)收功能并于與市面上常見的CAN控制器相兼容，可以很方便地構(gòu)成CAN總線傳輸接口，降低了系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)的難度。
b.CAN總線接口
系統(tǒng)中，采用Microchip的MCP2551CAN驅(qū)動(dòng)芯片作為CAN驅(qū)動(dòng)器，與LPC2292內(nèi)部的2路CAN控制器構(gòu)成CAN總線接口。MCP2551最高支持1Mb/s的運(yùn)行速率，可適用于12V/24V系統(tǒng)，是完全兼容ISO11898標(biāo)準(zhǔn)物理層的CAN驅(qū)動(dòng)芯片，具有短路保護(hù)、自動(dòng)檢測(cè)TXD輸入端接地錯(cuò)誤、未上電或欠壓不影響CAN總線、自動(dòng)熱關(guān)斷保護(hù)等優(yōu)點(diǎn)。
c.網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊
網(wǎng)絡(luò)傳輸采用DM9000，其內(nèi)部集成MAC、PHY等功能模塊。連接方式如下：LPC2292的CS3連接到DM9000的片選nCS，LPC2292的P0.7連接到中斷INT，配置為外部中斷EINT2，使LPC2292響應(yīng)DM9000觸發(fā)的中斷信號(hào)。通過這樣的設(shè)計(jì)可以完成在網(wǎng)絡(luò)的觸發(fā)中實(shí)現(xiàn)信息的網(wǎng)絡(luò)傳輸。
d.用戶界面與輸出模塊
用戶界面采用按鍵鍵盤和字符型液晶。液晶顯示器控制線和數(shù)據(jù)先連接在GPIO管腳，通過IO模擬的方式由CPU進(jìn)行操作和控制。鍵盤用來控制瀏覽存儲(chǔ)事件，通過外部中斷的形式讓系統(tǒng)接收鍵值來實(shí)現(xiàn)所要求的命令。
中央控制器還提供繼電器輸出和串口輸出。繼電器輸出用來連接外部相關(guān)顯示設(shè)備，用來指示中央處理器接收到的相關(guān)事件信號(hào)。串口輸出有共有兩路，一路為UART0,用來連接微型打印機(jī)或超級(jí)終端，在中央控制器接收到相關(guān)信號(hào)后依據(jù)設(shè)定的信號(hào)ID來打印或顯示事件信息；另一路是UART1，是操作系統(tǒng)μCLinux的shell，作為調(diào)試接口，為產(chǎn)品維護(hù)和升級(jí)提供便捷的接口。
e.電源模塊
中央控制器采用良好總供電方式：直流電池和交流。正常工
時(shí)由交流供電，此時(shí)直流電池處于充電狀態(tài)，若發(fā)生緊急狀況，流電源被切斷，系統(tǒng)則自動(dòng)切換為由直流電池供電。
采用安培橋式整流器KBPC610和開關(guān)電源調(diào)節(jié)器LM2596共同成供電電路，其可以產(chǎn)生5V的直流電壓，將其利用2片LM1117產(chǎn)CPU與IO所需的1.8V和3.3V直流電壓。
同時(shí)，在交流輸入和直流輸入的電路上各取一個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，連到LPC2292的AD輸入管腳利用AD轉(zhuǎn)換的方式實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)的供電情況。
 

 

3.軟件架構(gòu)
本系統(tǒng)中采用的μClinux操作系統(tǒng)，是針對(duì)不具有內(nèi)存管理單元（MMU：MemoryManagementUnit）的微處理芯片。μClinux修改和裁減了大量?jī)?nèi)核代碼，采用romfs文件系統(tǒng)，采用靜態(tài)鏈接形式執(zhí)行用戶程序等，節(jié)省了大量?jī)?nèi)存空間，小型化了Linux操作系統(tǒng)又保留了Linux系統(tǒng)的優(yōu)秀特性。[3]
a.Bootloader編寫
Bootloader是系統(tǒng)的引導(dǎo)軟件，這部分主要完成安排中斷向量、設(shè)置系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)境和內(nèi)存拷貝跳轉(zhuǎn)。
b.驅(qū)動(dòng)程序的編寫與移植
μClinux采用實(shí)存儲(chǔ)器管理策略，對(duì)內(nèi)存的訪問是直接送到地址線上輸出，在程序中訪問實(shí)際的物理地址。處于用戶態(tài)的用戶進(jìn)程可以直接操作設(shè)備的物理寄存器以實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)程序的功能。[4]
中央控制器模塊需要對(duì)字符型LCD、CAN接口、鍵盤、串口、DM9000網(wǎng)絡(luò)芯片做驅(qū)動(dòng)開發(fā)，其中DM9000為網(wǎng)絡(luò)設(shè)備驅(qū)動(dòng)，其余為字符型設(shè)備驅(qū)動(dòng)。
c.應(yīng)用層軟件設(shè)計(jì)
在μLinux的基礎(chǔ)上，主要有以下功能：CAN收發(fā)進(jìn)程：實(shí)現(xiàn)設(shè)備上讀取數(shù)據(jù)，并將其寫入到連接UDP網(wǎng)絡(luò)進(jìn)程的命名管道中；根據(jù)接收到的信號(hào)向CAN驅(qū)動(dòng)發(fā)送數(shù)據(jù)幀。繼電器控制進(jìn)程：控制繼電器輸出。
輪詢控制進(jìn)程：每隔一定的時(shí)間向CAN收發(fā)進(jìn)程和UDP網(wǎng)絡(luò)進(jìn)程發(fā)送信號(hào)，啟動(dòng)輪詢。
界面進(jìn)程：每隔一定的時(shí)間對(duì)系統(tǒng)的輸入電壓進(jìn)行檢測(cè)，如發(fā)現(xiàn)交流電斷電，后備電池電壓低等情況，更新字符型LCD的顯示界面。
d.軟件流程
報(bào)警主機(jī)的主控CPU采用AT89C51CC01CA，主體架構(gòu)是基于主循環(huán)的單任務(wù)機(jī)制，系統(tǒng)完成初始化工作后進(jìn)入該循環(huán)，在其中依次完成輸出IO輪詢、防區(qū)輪詢處理、用戶按鍵處理、CAN總線事件發(fā)送等各項(xiàng)子任務(wù)。
三、系統(tǒng)測(cè)試與總結(jié)
 

 

在該項(xiàng)目中構(gòu)造了基本硬件系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了CAN應(yīng)用層通信協(xié)議，承擔(dān)了CAN網(wǎng)關(guān)、LCD報(bào)警主機(jī)和中央控制器各個(gè)模塊的軟件編碼工作，其中涉及到嵌入式系統(tǒng)、現(xiàn)場(chǎng)總線、Linux操作系統(tǒng)、ARM平臺(tái)等多方面的技術(shù)。
本系統(tǒng)在嵌入式操作系統(tǒng)的基礎(chǔ)上完成了一套基于CAN總線的智能小區(qū)安防報(bào)警系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用先進(jìn)的CAN總線技術(shù)作為技術(shù)手段，具有可靠性高、擴(kuò)展性強(qiáng)、響應(yīng)速度快的優(yōu)點(diǎn)。
該套基于CAN總線的智能小區(qū)安防報(bào)警系統(tǒng)的已經(jīng)成功推向市場(chǎng)，在多個(gè)新建成的智能小區(qū)得到應(yīng)用，充分體現(xiàn)了本系統(tǒng)的市場(chǎng)意義和實(shí)踐意義。
參考文獻(xiàn)：
[1]張振昭，許錦標(biāo).樓宇智能化技術(shù).機(jī)械工業(yè)出版社.2003.6.
[2]馬忠梅，李善平，康慨等編著.ARM&Linux嵌入式系統(tǒng)教程.北京航空航天大學(xué)出版社.2004.9.
[3]饒運(yùn)濤，鄒繼軍，鄭勇蕓.現(xiàn)場(chǎng)總線CAN原理與應(yīng)用技術(shù).北京航空航天大學(xué)出版社.2003.6.
 

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