基于CAN总线的网络家电测控系统的研究

基于CAN总线的网络家电测控系统的研究1绪论1.1概述用户数量近年来每年都以超过100%的速度增长。我国上网用户已超过2250万户。北京、广州、上海、重庆等城市相继宣布已建立自己的宽带城域网，在深圳市已全面建成并在社区内开通使用，新建小区基本上做到了宽带入户。对种类繁多的信息家电产品进行远程控制已经成为现代智能家居的发展趋势，构造家电集中控制器并将控制信息传送到互联网上实现远程监控势在必行。根据国内外的实际经验，智能住宅和智能小区的功能需求可以概括为：在小区实现“快速便捷的通信条件、安全舒适的居住环境、高效科学的物业管理”，其智能化功能应该由两大技术平台作支撑：一个是对外的小区（住宅）信息平台，主要包括计算机通信、电话、电视等与外部世界的信息联系平台，如果一个小区现在以及未来与外部世界的联系不畅通，无法上网、不能接收数字化多媒体信息，不能享受信息化的增值服务，它决不能称之为智能小区，小区信息平台的最大特征是开放，目的是与外部世界信息资源共享；另一个是对内实现小区（住宅）封闭式智能化管理的控制平台，包括在小区（住宅）内部实现的全部公共安防、家居安防、智能化管理、智能化服务的全部内容，其最大的特征是封闭。如何建立这两个不同的技术平台是本课题所要讨论的核心问题。1.2国内外发展概况许多计算机、通信、家电行业的巨人都认识到智能信息家电的巨大市场潜力，纷纷进入这个领域，都已开始建立智能信息家电和智能家居公司。2003年全球建设网络化家庭所带来的市场总值高达4500亿美元。目前已出现在市场上的智能信息家电和智能家居类的产品主要有:1．NEYWELL公司的智能家庭产品：它可以通过设在家庭内的控制面板、电话或连网的计算机来监控智能家居的报警系统、照明系统、智能信息家用电器和智能调温设备。2．NI智能家居系统（HAI公司出品）：主要有三类产品，分别适用于普通家庭、办公室及高级住宅。可用于协调控制这些地方的照明、调温、保安等系统。所有产品都配有内置的串口，可用来与Internet连接。用户可以通过网络对控制器进行设置。3．ALdeluxe智能家居系统（HAL公司出品）：它在PC机上集成了家居系统的所有控制，包括电灯、设备、空调系统、电话、保安系统、家庭影院和互联网系统等。用户可以在任意地点通过声控实现对这些系统的控制。由于HAL是通过房间里现有的电源线从PC机上传送命令，用户不需要对房间进行重新布线。就目前国外的智能住宅建设情况而言，对于小区对外的信息平台和对内的封闭式智能化管理控制平台这两个不同的技术平台，一般采用如下结构：小区（住宅）信息化平台以计算机局域网为基础，而小区（住宅）管理控制平台大都采用控制总线技术。不主张将这两个平台建在同一个以太网基础上主要基于以下几点：1．成本问题：小区（住宅）的控制信号大部分是简单的开关量（比如：各类报警信号）控制。如果能够在较低的控制总线层面上就地解决，不仅实时性好，而且成本低可靠性高。2．安全问题：以太网是以普通PC机为主要对象，完成诸如办公自动化之类的工作为主要目标的最放之四海而皆准的计算机网络技术。如果以以太网为基础实现小区（住宅）的一切智能化管理控制，满足24小时不间断的工作。系统本身的安全性将面临极大挑战，而且还需考虑信息化平台的开放性特点，系统也将面临外部环境对安全性的挑战。3．系统成熟度问题：随着智能小区（住宅）对智能化要求的提高不断增加，大量的信息家电将走进智能小区和住宅。如果未来住宅内的全部信息家电控制仍采用以太网结构为基础，那么多的IP地址，将使以太网通信发生意想不到的问题。到目前为止，无论国外还是国内还没有一个小区上述两个平台均由以太网（全在宽带网3上跑）实现的成功范例。国内外的实践表明，智能小区的控制平台还是应该采用控制总线方式解决。比如采用LonWork总线进行智能住宅的控制。只可惜这是移植工业控制总线来作家庭控制之用，用在智能小区（住宅）控制上还是有些技术过剩。为此，美国、欧洲、和日本都发展了专门用于家庭控制的家庭控制总线。在网络家电的开发上抢占了先机。因此我们应该尽快发展和制定适合中国自己特点的智能小区控制和管理的家庭控制总线。1.3本课题的主要任务基于以上对网络家电系统发展现状的考察，受美的公司的委托，本课题将完成以下工作：1．研究几种主流总线（以太网、CAN、Lonwork等）的物理层、数据链路层的技术特性，分析比较各自的技术特点，在此基础上选择一种面向白色家电控制信息传输的无极性总线技术并予以实现。使传输速率、通信距离、负载能力、可靠性等技术指标达到最优。2．通过现场测试提交该总线实现的全部软硬件模块、通信的全面技术指标及与其它主流总线技术指标的优化结果。实现并提交一套该总线技术的评估软硬件系统，提交与家庭局域网关的接口标准。2.系统的总体方案设计本部分首先根据家电网络化的特点给出了网络家电测控系统的设计原则。通过讨论当前流行的几种总线网络的组网方案，确定将CAN总线作为研究对象，设计了基于CAN总线的家庭网络的基本构架。最后结合课题的任务提出了家庭网络建立及改造过程中需要解决的关键性技术。2.1系统设计原则家电界把传统的家电分为三类：黑色家电、白色家电、小家电。黑色家电主要包括电视机、录像机、音响、VCD、DVD等，黑色家电载有大量的多媒体信息；白色家电则以空调、电冰箱、洗衣机为代表，它们以机械运动为主，电信号主要用于操作控制；小家电指的是电磁炉、电热水壶、风扇等家电产品，小家电具有的信息量非常小、控制操作也非常简单。随着全球信息化时代的到来，家电已不再满足于高质量的电器设备，而是逐步融入到信息社会中来。网络家电是家电信息化未来发展的方向，网络家电将家庭内部所有的设备和应用系统通过家庭总线网络连成一体，用以实现安全、经济、舒适、方便等指标综合平衡的网络家电系统。它是计算机、通信及控制等相关技术与传统家电相结合的产物。在网络家电系统的设计中，必须充分考虑如下的特点：1．经济性：家电行业激烈的竞争规律决定了网络家电的推广必须具有很好的经济特性。2．开放性：目前家电行业厂家众多，处于同一智能家居之中的网络家电，信息家电和智能控制设备种类繁多，性能差异极大。在这种情况下，选择一种开放型的系统方案具有不可比拟的优势。3．扩展性：在原有的系统不作改动的情况下，能够自动的扩展网络结构和系统功能。4．实用性：包括安全、舒适、方便等家居要求。5目前，包括瑞朗、海尔在内的各大厂商对于家电网络化研究的重点都放在通过网络实现对家电的远程控制上。所有的网络家电在远程网络中传送的都是家电的状态信息，接收的是对家电的控制命令。从控制的层面上讲传统意义上对白色家电、黑色家电以及小家电的分类已经不存在了。因此，我们这里对网络家电进行的信息传输以及远程控制方案的讨论，针对的都是家电的控制信息，不再有白色家电、黑色家电以及小家电之分。系统中我们将所有接入家庭网络的家电都作为网络的通信节点，同样对待。2.2家庭网络组网的方案选择2.2.1当前流行家庭组网方案家庭局域网组网是家电网络化的关键技术之一。处于同一智能家居之中的网络家电，信息家电和智能控制设备种类繁多，性能差异极大。从避免重复布线、便于系统维护、利于今后系统扩展的角度出发，主要可以采用现场总线技术，无线组网技术和电力线载波通讯等几种技术。1．采用LonWorks技术组建Lon网现场总线技术是家庭局域网组网的主要解决方案。现阶段国内的家庭智能化建设主要集中于开发远程抄表系统、安防报警系统和家电控制系统，与国外相比，智能化程度不高。其中采用LonWorks技术组建Lon网实现底层的控制和通信功能是一种具有代表性的成熟技术。系统具有以下特点：(1)控制系统做到了多网合一，大大简化系统布线；(2)网络中每个节点都能完成控制和通信功能，部分节点不会影响系统稳定；(3)LonWorks在网络结构上的自由拓扑特性和软件设计上的完全面向对象，使其易扩充、易组态。但是，在家电生产领域，随着现代工业技术水平的提高，一般家用电器的生产成本越来越低，市场上的家电价格也是逐年下降。而网络家电还处于起步阶段，普及程度远不及一般家电，其优势还不能完全表现出来。在这样的形势下，要想让网络家电尽快占领市场，成本成为了网络家电要过的第一道坎。虽然LonWorks技术开发工具齐全，模块种类繁多，适应各种应用的需要，但是几乎所有LonWorks产品都被仅有的几家芯片生产商垄断，LonWorks节点和功能模块的总体价格偏高，开发工具的价格更是难以承受。一个完整的LonWorks网络的建立，从节点的安装到整个网络的配置，处处都离不开各种开发工具，这势必抬高基于LonWorks的网络家电产品本身的成本。另外，虽然LonWorks在楼宇智能化方面的优势明显，但是在国内，因为LonWorks的价格门槛，它在楼宇方面的应用毕竟还很少。选择在智能家电中安装LonWorks节点还要考虑到在购买者家中和其他家电厂家生产的网络产品的总线匹配问题，还有售后服务即在购买者家中安装LonWorks网络和配置LonWorks节点的问题。现阶段，LonWorks总线的实际应用远没有CAN总线系统普及（以全国各大高校的金龙卡连网系统为例）。LonTalk协议本身也还不曾像CAN协议一样完全面向大众公开，为开发者熟悉，如若直接购买协议，抛开神经元芯片选用其他微处理器自行开发内嵌LonTalk协议的LonWorks节点，难度较大经验不足；构建LonWorks网络体系，没有现成的开发和测试平台支持，开发基于面向对象编程模式的网络服务系统实现监管和控制网络也成为遥不可及的目标。如此大投入的进行自行开的话，可能比使用神经元芯片和开发工具成本更高。而开发基于CAN总线的网络产品，开发周期短、开发工具简单廉价这是LonWorks不能比拟的优势。而且以一般网络家电产品（以网络空调为例）在网络中传递的信号量来说，CAN总线应付已绰绰有余。所以，现今选用CAN总线替代LonWorks实现网络家电，特别是网络空调是非常经济实用的选择。2．电力载波通讯方案电力载波是利用普通输电线路来实现通讯功能的方案。这种方案的着眼点是节省单独布线所带来的费用和省去另外布线所带来的工程难度。然而，电力网是设计专门用于电能输送的网络，而且我国电力设备的电磁兼容性没有欧美控制的严格，住宅电力载波通信环境比较恶劣，强电的磁场效应、尖峰效应等均对数据信号构成较大的干扰，高速、高质量的信号传输较难保证。这一技术仅在小范围内有用，且仅能构造一个共享信道的通讯系统。目前最先进的技术可实现信道带宽1Mb/s。所7以电力载波目前只能作为一种辅助技术用于低速率家电的组网。3．无线组网技术无线组网技术是家庭组网的又一个发展方向。目前的无线组网比较典型的是红外技术和蓝牙技术。蓝牙技术是一种极其先进的大容量近距离无线数字通信的技术标准，工作在2.4GHz频段，提供稳定、大容量的语音和数据网络。蓝牙在发射功率为0dBm时的指定范围是10m，加入额外的功率放大器以后，在发射功率为20dBm时可以将距离扩展至100m。采用1Mb/s符号传输速率以达到最大限制带宽，可以使用快速跳频避免干扰。蓝牙技术适用于数据和语音，替代电线和电缆的短距离无线连接，包含硬件、软件和互操作需求的一种无固定中心站的网络，也可以通过蓝牙技术进行各种家用设备的遥控或组成家用电器网络，随着蓝牙技术的不断发展，其在家庭中的应用前景是乐观的。然而，蓝牙技术目前还处于实验室应用研发阶段，组网的费用还相当高。只有其芯片的成本降到和布线的成本大至相当时才具有争力。2.2.2CAN与其它通信方案的比较CAN总线与其它通信网的不同之处有两点：一是报文传送中不包含目标地址，它是以全网广播为基础，各接收站根据报文中反映数据性质的标识符过滤报文，该收的收下，不该收的弃而不用。其好处是可在线上网下网、即插即用和多站接收；二是特别强化了对数据安全性的关注，满足控制系统及其它较高数据要求的系统需求。CAN总线具有下列主要特性：①多主站依据优先权进行总线访问；②非破坏性的基于优先权的总线仲裁；③借助接收滤波的多地址帧传送；④远程