智能家居和小区监控系统中CAN总线的设计应用

1、智能家居和小区监控系统中CAN总线的设计应用0、引言随着人类社会的进步和科学技术的迅猛发展，特别是3C技术（Computer，Communication和 Control）的发展，人类开始迈入数字化和网络化为平台的智能化社会。信息化社会在改变我们生活方式与工作习惯的同时，也向传统的住宅提出了挑战。进入21世纪，人们的“衣食住行”水平日益提高，在衣食无忧的今天，居住环境的优劣成为了衡量生活水平的又一重要标准。智能小区经过多年的实际应用，已经有了长足的发展，仅仅提供安全保障的智能小区系统已经很难满足人们对于安全、方便、智能化等方面的需要。因此，智能家居必将成为一个新的市场热点。智能家居网

2、络系统以3C技术为基础，采用先进、成熟的设备和产品以及先进的管理软件，对整个家居的信息通信、安全防范、报警求助集中于统一的平台上进行管理。它不仅已经成为一个国家经济实力和科学技术的综合标志之一，而且也是人类社会住宅发展的必然趋势。1、智能家居的理念及范畴1.1智能家居的理念智能家居就是通过综合采用先进的计算机、通信和控制技术(3C)，建立一个由家庭安全防护系统、网络服务系统和家庭自动化系统组成的家庭综合服务与管理集成系统，从而实现全面的安全防护、便利的通讯网络以及舒适的居住环境的家庭住宅。智能家居是IT技术（特别是计算机技术），网络技术、控制技术向传统家电产业渗透发展的必然结果。也就是说，首先

3、，它们都要在一个家居中建立一个通讯网络，为家庭信息提供必要的通路，在家庭网络的操作系统的控制下，通过相应的硬件和执行机构，实现对所有家庭网络上的家电和设备的控制和监测。其次，它们都要通过一定的媒介平台，构成与外界的通讯通道，以实现与家庭以外的世界沟信息，满足远程控制监测和交换信息的需求。最后，它们的最终目的都是为满足人们对安全、舒适、方便和符合绿色环境保护的需求。特别要指出的是，智能家居不是一个单独的产品，也不是传统意义上的“智能小区”概念，而是基于小区的多层次家居智能化解决方案。1.2智能家居的范畴智能家居是一个多功能的技术系统，包括可视对讲、家庭内部的安全防范、家居综合布线系统、照明控制、

4、家电控制、远程的视频监控、声音监听、家庭的影音系统等。家居智能化包含的内容比较多，而且国内目前的产品主要基于总线制、电力线载波、无线等方式，在网络连接方面基本上用总线制联网、电话联网或者通过以太网方式来实现。2、智能家居系统架构与功能2.1系统架构*家居综合布线系统 家居布线系统就是把电话、有线电视、电脑网络、影音系统、家庭自动化控制系统的布线统一规划、布局、集中管理，为实现家居智能化提供网络平台，通过家居综合布线既可以实现智能化控制，又可以做到资源共享，而且采用综合布线，使家庭内部布线系统具有良好的扩展性，并可随时升级，满足用户未来的需要。*家居安防系统 家居安防系统可以有效的利用技防手段来

5、实现居家安全防范。家居安防系统包括防盗、防燃气泄漏、防火等功能，并具备远程监控，住户可以通过网络或电话随时了解家内情况，同时可远程监听或监视家庭内部情况。*家庭自动化系统 智能家居的主体在于家庭自动化，未来家庭自动化的主体是家电、照明等电气设备的控制。自动化系统采用集中或者分布式控制，住户可以通过网络或者电话远程控制家庭内部设备，家居自动化系统是智能家居的主要发展方向。*场景环境预置 随着人们对生活体验的个性化要求越来越高，家庭内部影音系统、家庭内部环境、网络虚拟环境等需求也越来越高，人们用在这方面的消费支出也将越来越高，未来的智能化家居也会更多的满足人们这些方面的需求。2.2系统功能 智能家

6、居的平台系统通过其核心设备-智能终端来实现家庭智能化的功能。家庭智能终端用来实现家庭智能化的各项功能。因此，家庭智能终端是智能家居的心脏，通过它才能实现系统信息的采集、信息输入、逻辑处理、信息输出、联动控制等功能。其系统功能实际上是说明智能家居其“智能”在何处的说明。智能家居所要实现的主要的系统功能有：*家电控制 通过系统灵活多样的控制方式(如按键开关、遥控器、电话、Internet等)，您随时可开启家中空调、电动窗帘、电饭煲等电器设备，功能实用方便。系统设置的“全关模式”，可以在您出门或就寝时，非常方便的关闭室内灯光、电器设备的电源，方便、安全又省电。*沟通黑色家电和其他视频设备之间以及与外

7、部世界之间的信息通道，其中包括：台式手持计算机、电视、录摄像机、VCDDVD和数码照相机等；同时还可以实现对它们的控制和监测。*安防、防盗报警 智能家居系统兼容目前大多数的防盗产品（红外探测器、煤气探头、门磁开关、声光报警装置等），且具有逻辑判断，多防区设置，电话报警功能。系统设有“在家”、“离家”两种布防模式，并可通过电话远程布、撤防，并带有语音提示及系统自检功能。一旦检测到报警信号，系统立即将警情报至小区保安中心，引发灯光闪烁、警号鸣响等动作，并启动电话远程告警功能。*电话远程遥控与无线遥控通过对外的接口，实现远程控制和信息交换，如：电活线、有线电视电缆、市电电源线、双绞线和无线通讯方式等

8、。电话远程控制功能灵活实用，无论何时何地，您都可方便的通过电话或手机按键远程控制家中的各种灯光、电器设备。无线遥控通过遥控器，您可以方便地控制家中所有的灯光、电器设备。当您在客厅看电视时，您可通过遥控方便地关掉厨房、走廊、阳台和房间里不必要的灯光电器，而不用因起身而错过剧情。3、关于智能家居系统主要核心技术：3.1计算机软件技术与计算机网络技术在数字家庭网络中涉及的计算机软件，除一般的用户程序外，最突出的有二个方面：首先是网络操作系统，这个操作系统应该具有占存储器小、使用方便、配置灵活、容错性能好等特点；其次是数据结构，这是由于一般的家庭控制网络中，不可能使用各种体积庞大的数据库，而实际使用时

9、又需要处理大量的数据，因此需要设计者设计一个适合于家庭网络使用的数据库。这里比较突出的是家庭网关。家庭网关是智能家庭网络上的一个重要部分，它是将单个家庭网络与外部世界（如局域网、Internet网或智能小区的子网络）沟通起来的关键部件。例如与Internet或Ethernet的接入、路由的选择、浏览器的设计网页的制作，此外还有编码压缩技术和网络接口技术等。3.2信息网络系统技术当今各地的有线电视主干网已大规模采用光纤。利用有线电视网作为信息传输平台，基于有线电视HFC网建设智能小区已成为许多城市的成功案例。 HFC接入技术是一新成熟技术，能综合传输图像、数据和语言等多媒体业务。高速数据传输采用

10、QAMQPSK调制，低速数据采用FSKASK调制。图1为信息网络系统技术应用举例-HFC接入技术与应用原理示意图。图1 HFC接入技术与应用原理示意图。用户终端机顶盒拥有Internet接入能力并能够将家庭设备包括报警探头、水电气表、家电等接入互联网，不仅满足了用户交互或快速上网等的要求，而且为住户提供了能适应将来科技发展的人性化接口，其实施的保证是由有线电视中心完成的。最为关键的是基于HFC网能够节省大量的利用光纤及五(六)类线组网的费用，并免去了网络运行维护的费用。3.3图像处理技术图像处理技术是属于信息技术中一个层次比较高的技术，目前它也已经走人了数字家庭之中。其中最典型的例子是智能型防

11、盗门，这种防盗门是不需要用普通钥匙的，它的“钥匙”是该家庭每个人员自己身上的某个器官特征：比如，手指的指纹，或人脸的特写，或眼睛中的虹膜等。这些人体的自身的特征，首先需要通过一些专用的装置将它们采集到，然后对这些采集到的图像信息作必要的处理，并提取相应需要的特征，最后根据这些特征来识别出“是否是本家居中的成员”。3.4 传感器技术在一个数字家庭中，为保证完善的控制，需要测量的物理量是多种多样的（例如流量、电量、温度、湿度、微量气体含量等），这都需要传感器技术。一般说来，家庭中的物理量的测量精度要求不高，测量设备的体积和重量也没有苛刻的要求，因此还需要研究和开发适应家庭网络控制用的价格低、稳定、

12、可靠和多功能集成的测量技术和传感器技术以及相应的产品。4、总线式的控制系统的智能家居系统解决方案智能家居是一个综合性的系统工程，要从其功能、性能、成本、扩充能力及与现代相关技术的应用等多方面来考虑。不仅要考虑到系统初期建设的投资成本，更要考虑到系统在未来运行的实用性、可操作性，以及系统的运行与维护的成本。所以，在各项系统的设计选型时要全面考虑各个方面的因素，选用技术成熟、可靠性高并且有较好性价比的产品是至关重要的。总线是一种灵活方便、可靠性好、通信速率高和价格低廉的控制方式，它适用于生产过程控制，智能家居等。采用总线式的控制系统的智能家居系统，不需要像传统方式那样重新连线，它又区别于集中控制模

13、式，可以通过修改软件改变按键与灯光等设备的对应关系，有着它无可比拟的扩展灵活性。基于这样的需求，采用CAN技术所设计的家庭智能管理控制系统比较适合用于多表远传、防盗、防火、防可燃气体泄漏、环境监测、紧急救援、家电控制等方面。4.1系统特点CAN总线是一种多主总线系统，网络上任一节点可在任一时刻主动地向网上其它节点发送信息。不分主从，便于构建分布式控制系统；通信介质可以是双绞线、同轴电缆或光纤；通信速率可达1Mbps；通讯距离远，可达10km。CAN总线控制器中集成了CAN协议的物理层和数据链路层功能，可完成对通信数据的成帧处理，特别是循环冗余检验和优先级判别等功能，保证了数据通信的可靠性，可满

14、足不同的实时要求；CAN协议的最大特点是网络内的节点数在理论上不受限制，可任意挂接或拆除节点，增强了系统的灵活性和扩展性；CAN总线采用了统一的标准和规范，使各设备间具有较好的互操作性和互换性，系统的通用性好。CAN以其在可扩展性强，能进行优先级判别等方面的优越性，可靠性高及设计独特的特性，在国际和国内都得到越来越广泛的应用，成为最有前途的现场总线之一。这种网络以其对等式的通讯网络，各节点地位均等，无主节点，实时性好，可靠性高等优势为楼宇自动化、智能家居等应用提供了良好的控制网络。CAN现场总线是一种应用范围较广的现场总线，具有灵活方便、可靠性高、通信速率高和价格低廉等特点，在生产过程控制和交

15、通工具仪器仪表互连中有较广泛应用。在一些数据流量不是很大，要求系统灵活可靠的情况下，CAN总线会得到满意的效果。在智能家居系统中，整个控制系统除了要求灵活可靠外，还要求系统具有较好的可扩展性，首先使添置的家居设备很方便地接入到系统之中，其次是在小区扩建时能够使新增加的智能节点很方便地并入网络。CAN总线的优先级判别功能在智能家居系统中更是至关重要的。CAN总线采用的是非破坏性总线仲裁，在该系统中若将火灾报警设为最高优先级别，当载有火灾信息的数据块与其它信息的数据块在总线上发生冲突时，能使火灾信息的数据块安全通过，这样就可很好地满足火灾报警的高度实时性要求。且其低成本更容易被人们所采用。4.2系

16、统功能智能家居系统产品取代传统的灯光及家电控制模式，为您提供安全保障的同时，让您轻松享受生活。*灵活的控制模式：互联网网上控制、电话远程控制、预置时间控制、遥控器控制、主控键盘控制、手动直接控制。*简易的用户编程：用户可自行编程，预设多种灯光场景及家电的控制功能。*随心的控制效果：既可远程查询和控制，又可以一键式场景预置和操控。4.21室内照明控制室内照明主要由日光灯、吊灯、壁灯、射灯和落地台灯等组成，除日光灯外，所有其它灯均可作亮度调节，以满足不同的需要。客厅和起居室具有多种灯光组合，使环境光线更为舒适，同时刃；可作较多的变化，以适应不同的情况，例如在客人探访、聚会畅谈时可能需要较明亮的灯光

17、，而在欣赏古典音乐或轻音乐时，柔和的灯光会显得较为写意；而要把客厅变为家庭影院观看精彩影片时，灯光便需要调得更为暗淡。所有的灯光都由高科技的轻触式电子开关控制，只需要轻触一个按钮便可产生一种预先设定的照明效果，用起来不但非常方便，同时亦为您的家居生活提高档次，以及增添更多姿彩。4.22交流供电控制目前大部分的家庭电器都通过电源插座获得交流电能的供应。然而普通的插座并未能提供一个有效的供给控制，即使每个插座都附有一个开关，但要在出门前将所有的电器关掉亦实属不易，结果就有洗衣机、风扇、音响电器漏电而造成火灾的弊病。本系统可为所有的灯光电器提供一个有效的控制手段，例如您可以在出门前(或睡前)按一个按

18、钮关掉所有灯光电器，而在回家人门（或早晨起床）后按另一个按钮便可恢复之前的供电，非常简单。事实上，通过这供电控制系统，您可以在任何地方，任何时候控制您的灯光电器、及电饭煲煎、煮。4.23无线遥控控制无线遥控可以为家居生活带来方便。4.24电话遥控系统借助电话控制系统，您几乎可以在任何地方，任何时候监控您的家居状况：如果您匆匆忙忙赶上班或出去而忘记厂关热水炉或空调等设备，那么您只要打一个电话就可以把它关掉而不需要特意赶回家里处理。如果您在大热天的中午回家吃饭午休而时间又特别紧的话，您可以在回家前用电话接通电饭锅、电子瓦锅和客厅冷气机的电源，这样当您回到家的时候，不但可以实时享受到舒适的冷气，而且

19、还马上有饭吃、有汤喝，给您带来前所未有的方便。电话遥控还有其它方面的用途，例如当您全家外出度假或旅游时，您可以通过电话在适当的时候开启灯光照明甚至电视音响，以造成有人在家的假像，防止不法之徒乘虚而入。5、智能小区和家居管理系统在总结分析了CAN总线的特点及智能家居现在的状况及未来的发展方向后，我们提出了以CAN总线为基础的智能家居控制系统的方案，并利用CAN总线来实现家居安保、三表远传管理系统。整个系统具有可靠性高、可扩展性强、造价低和功能强等特点。基于CAN技术研发的家庭智能控制系统可以在大规模区域实现远程抄表、家庭安防及与其它楼宇自动化系统联网，其强大的扩展能力同一般的抄表安防系统相比，具

20、有无可比拟的优越性。从用户使用的角度出发，小区智能化系统可以归结为三大平台：家居智能平台、社区智能平台、网络集成平台。而小区智能化的核心是家庭智能化-家居智能。小区的智能化涉及小区的周边、小区内及住户家庭智能化。而家庭智能化部分是小区智能化的核心。智能家居不仅是住宅内部控制和管理的核心，还应具备与外界信息交流、寻求帮助、控制管理的能力，实现与小区管理中心安防提醒、物业信息传递、三表抄收、家电控制、留言留信的功能，同时实现联接社区服务中心，继而实现与公用网的联接。家居智能平台构成：家庭安全防范，包括防盗报警、火灾报警、煤气泄漏报警、紧急求助报警；家电设备自动化，即家用电器设备的遥控（如空调、照明

21、、加热器、摄像机、娱乐器材等）；家庭通信和网络的应用（音频、视频、数据）。社区智能平台构成：住宅小区的安全防范，如设有闭路电视监控、电子巡更系统、周界防范系统、火灾报警及其消防联动系统、停车库管理系统、紧急求助报警系统；住宅小区公共建筑的建筑物自动控制，对机电设施自动控制和集中监视，在小区物业管理中心可以对如变配电设备、给水排水设备、电梯、供暖设备、小区照明等设备进行监控，提供住户能耗计量和自动收款；住宅小区电子广告牌及电子查询系统，提供背景音乐；住宅小区信息通信服务与管理，设立综合通信网络，设立信息服务平台，进行小区信息综合管理，提供小区电子商务系统。网络集成平台以家庭智能化为核心，采用系统

22、集成方法，建立一个沟通小区内部之间，住户与小区综合服务中心之间，住户与外部社会的综合信息交互系统。5.1 智能家居系统构成家居智能主要包括家庭安全防范如防盗报警、火灾报警、煤气泄漏报警、紧急求助报警；家电设备自动化即家用电器设备的遥控；三表的自动抄送。要完成以上功能需要由家庭智能控制单元对以上家居设备进行控制，并且完成智能家居和小区管理系统之间信息的传输。a.家庭控制器。采用以单片机AT89C51为核心的控制，各探测器将探测到的信号送入家庭控制器中，家庭控制器通过对信号的分析做出判断袁如果需要报警的话袁就由单片机输出报警信号使报警电路发出声光报警。如果需要启动其它装置，也由单片机输出信号使其它

23、装置运行，这样就实现了系统间的联动。b.“看门狗”电路单元。是为了防止CPU运行时出现死机、程序跑飞或进入死循环等情况而设置的。所谓的“看门狗”电路是计算机技术中监视定时器的俗称。其主要功效有：运行监控。电网中及空间存在着丰富的谐波，对微机系统随时会造成电磁干扰，可能使CPU的运行出现死机、程序跑飞或进入死循环等。这时“看门狗”会让CPU复位，从而使CPU的运行重新回到正常的工作程序中。电压监控。比如在系统上电初始阶段和在欠压情况下，系统各部件可能出现不确定状态，造成意外操作，这时“看门狗”能使CPU处于复位状态而停止运行，直至电源电压正常稳定才恢复运行。c.三表抄收系统。定时读取三表数据，并

24、将数据传送给家庭控制器，通过家庭控制器将数据定时发送到CAN总线上的自动抄表系统。用户可使用CAN适配器与PC机相联，查看这些数据，了解其使用情况。d.家电控制单元。主要用来控制电器设备的开关和工作状态，如照明、空调等通过CAN总线很方便地控制它们运行。每种电器都保持其原来的手动和遥控控制功能。e.火警、煤气泄漏、紧急情况报警单元。该报警单元能够监测到火警、煤气泄漏等紧急情况发生，进行声光报警，并向小区管理中心发出警报；若住户遇紧急情况，可按下紧急求助按钮向小区管理中心求援。f.防盗单元。在防盗单元中门窗采用门磁开关、电控锁、玻璃破碎探测、红外探测等探测器检测，在门窗被非法操作时进行声光报警，

25、通过家庭控制器将数据发送到CAN总线向小区管理中心发出警报。g.电源单元。采用自制的小型UPS电源，主要是为保证家庭内各种监控设备的供电可靠性。5.2 小区CAN总线管理系统CAN总线是小区管理系统的一部分，负责将家庭中的一些数据和信号收集起来，并送到小区管理中心处理，CAN 总线上的节点是每户的家庭控制器、小区的三表抄收系统和报警监测系统，每户的家庭控制系统可通过总线发送报警信号，定期向自动抄表系统发送三表数据，并接收小区管理系统的通告信息，如欠费通知、火警警报等。小区的自动抄表系统除定时抄录每户的三表数据外，还可以将数据汇总起来，通过网络系统发送到各主管部门，由管理人员进行处理。当用户出现

26、欠费等情况时，它还可以向用户发送通告信息，提醒用户交费。报警监测系统主要是监测用户的报警信息，采取相应的措施，并将报警信息传送给相关的保安管理部门。6、系统方案6.1系统总体设计本系统在CAN网络的基础上添加智能控制器与Internet的网络接口，从而实现智能家居的远程监控。智能家居远程监控系统如图2所示。图2 智能家电远程监控系统由图2可知系统由三部分组成：CAN网络，智能控制器和Internet。CAN网络就是通过CAN总线把家庭安防、远程抄表、环境调节、娱乐功能和家电控制等节点模块组成家庭局域网，以实现数据和控制信息的快速传输，各个节点模块是由8位MCU+CAN控制器+CAN收

27、发器+相应的传感器/控制器组成，我们把各个节点模块称之为智能节点；智能控制器选用的是Philips公司的内部集成CAN控制器的32位微处理器LPC2294，只需连接CAN收发器即可成为CAN网络的一个节点，这样再通过扩展网络接口就实现了CAN网络与Internet的信息交换，达到远程监控的目的；Internet的发展极大的加快了信息的传递，任何接入互联网的电脑都可以用来监控我们的系统，当然安全性也是我们必须考虑的。6.2  智能控制器的硬件设计系统选用功能强大的带有CAN接口的32 位微处理器LPC2294，运行基于特定应用的嵌入式实时操作系统，实现合理的任务调度

28、，满足控制系统对实时性和可靠性的要求。LPC2294是一款功能强大、超低功耗的具有ARM7TDMI-S 内核的32 bit微处理器。具有2个32bit定时器、4路CAN通道、2个UART、高速I2C接口以及9个外部中断,内部嵌入256KB 高速Flash存储器和16 KB静态RAM, 112个通用I/O口。其内部集成的4路CAN控制器, 符合CAN 规范CAN2. 0B, ISO 1189821标准。6.2.1外扩ROM和RAM）Flash ROM：虽然LPC2294内部嵌入256KB

29、 高速Flash存储器和16 KB静态RAM，可以满足一般的控制要求。但是我们需要外扩一个容量相对大的FlashROM来保存监测到的历史数据，以便查看和打印。为了满足操作系统及其文件系统的存储要求，系统选用了2M Flash ROM器件SST39V160作为存储介质。2）EEPROM：LPC2294内部没有集成EEPROM,要将家电设备编号保存下来, 故外扩了容量为1024 Byte的显存。3）SDRAM：嵌入式操作系统的运行需要动态RAM，而芯片LPC2294内部提供的16K静态RAM主要用来为7种工作模式分配堆栈和临时变量分配空间

30、，需要在外部总线上扩充SDRAM(HY57v641620H)芯片，解压缩后的操作系统将驻留在其内。6.2.2键盘和液晶显示为便于控制新挂接在CAN总线上的家电设备，实时显示家电设备的运行情况,设计了键盘输入与LCD显示。按键使用了数字键( 09) ，用于输入和修改数字，可连击实现快速输入和修改数字；移位键在修改模式下，用于选择要修改的位；加1键在修改模式下将当前要修改的位进行加1操作(在09之间循环) ；模式键实现进入/退出修改模式,不允许连击；确认键在修改模式下将修改好的数据写入EEPROM中。6.2.3网络接口RTL8019AS与以太网的连接由PM341006

31、M滤波器芯片和RJ45完成。其连接如图2所示。这里采用PM34-1006M是为了提高网络通信能力。图中TPIN+、TPIN-、TPOUT+和TPOUT-是RTL8019AS芯片输入/输出信号的4个引脚，滤波器右边是以太网RJ45接口，通过标准带RJ45插头的双绞线接入以太网。图3 RTL8019AS与网络介质之间的连接6.3 智能控制器的软件设计为了便于系统的扩展和升级，同时更好地协调控制系统的稳定性及实时性，系统采用了嵌入式操作系统uClinux进行设计开发。6.3.1 嵌入式操作系统uClinuxuClinux是Linux2.0的一个分支，它被设计用于没有MMU的微控制器领域。uClinux的最大特征就是没有MMU（内存管理单元模块），它很适合那些