王 鵬

（赤峰學(xué)院 計算機科學(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)計與實現(xiàn)

王 鵬

（赤峰學(xué)院 計算機科學(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，提供不同的負荷控制策略，采用CAN總線技術(shù)，利用每一路通道信號控制一個房間所有暖氣片的開關(guān)閥門，實現(xiàn)分時、分溫、分室、按需供熱，滿足不同房間的個性化需求，避免不考慮房間用途而統(tǒng)一供熱造成的浪費.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)，實現(xiàn)對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)，實現(xiàn)樓宇之間的信息傳遞；協(xié)議網(wǎng)關(guān)實現(xiàn)CAN與TCP/IP的協(xié)議轉(zhuǎn)換，CAN與以太網(wǎng)網(wǎng)關(guān)進行有機連接.

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)場總線的一種，能有效支持分布式控制或?qū)崟r控制的串行通信網(wǎng)絡(luò).最初是為解決汽車中控制與測試儀器之間的數(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)域的不斷擴大，產(chǎn)品的性能不斷提高，價格也不斷下降.CAN總線的性能和價格優(yōu)勢，與建筑物內(nèi)各個辦公房間分布點多、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.

其特點有：

(1)傳輸距離比較遠.主控點與節(jié)點的分布距離，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)點連接起來，當(dāng)樓房的建筑面積大、樓層高時，滿足布線需求.

(2)價格低廉.CAN總線使用銅芯雙絞線或為了減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)超強的糾錯和檢錯能力.在介質(zhì)訪問控制子層上，負責(zé)報文分幀，仲裁，應(yīng)答，錯誤檢測和標(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)控制的實時性和確定性的要求，在網(wǎng)絡(luò)負載很重的情況下不會出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)癱瘓的情況;在邏輯鏈路控制子層上,滿足報文濾波、過載通知及恢復(fù)管理的功能.另外，節(jié)點與總線的連接是并聯(lián)結(jié)構(gòu)，若其中的某一個節(jié)點損壞，不影響其他節(jié)點的工作.

使用CAN總線技術(shù)，一臺上位主機利用每一路通道信號控制一個房間所有暖氣片閥門的開與關(guān)，通過對房間內(nèi)每組暖氣片的熱水流量的調(diào)節(jié)實現(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)點不夠用

一棟樓的房間個數(shù)可能會很多，而一個單位或企業(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

雖然CAN總線的有效傳輸距離可以達到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

采用多個主控主機，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，揚長避短，各發(fā)揮優(yōu)勢.

本項目采用的是多協(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)，實現(xiàn)對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)，實現(xiàn)樓宇之間的信息傳遞；協(xié)議網(wǎng)關(guān)實現(xiàn)CAN與TCP/IP的協(xié)議轉(zhuǎn)換，CAN與以太網(wǎng)網(wǎng)關(guān)進行有機連接，實現(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)場智能節(jié)點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)議對拆包后的數(shù)據(jù)重新打包，然后把數(shù)據(jù)傳給現(xiàn)場的目的智能節(jié)點.這樣就可以實現(xiàn)以太網(wǎng)主控端對智能終端的控制.而各個智能節(jié)點的狀態(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)送達給主控端主機，用于主控端的診斷和決策.

實現(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，簡化通訊流程，保留通信必須使用的協(xié)議，重點放在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，還具有如下優(yōu)越功能：

C語言編寫，完全開放，通用性強

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行

對數(shù)據(jù)的處理采用輪循機制，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，最終實現(xiàn)了價格低廉的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)，實現(xiàn)樓宇之間的信息傳遞；進而實現(xiàn)了對同屬于一個單位的不同建筑物進行集中管理，協(xié)調(diào)控制每個房間按需供熱，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)場總線運動控制系統(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

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1673-260X（2017）11-0018-02

2017-08-16

內(nèi)蒙古教育廳基金項目資助（NJZC16257）