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【摘 要】CAN总线技术由于在控制网络中的优越表现，已经被应用到智能建筑集散控制系统中，本文从笔者参与智能酒店集散控制项目出发，以CAN总线技术为基础搭建了总体的控制结构图， 之后对CAN中继器硬件电路和CAN控制器的结构进行深入的分析，完成了主体程序的设计，通过运行来验证本系统方案的可行性。
【关键词】CAN总线 现场总线 智能楼宇
一、引言
随着中国智能建筑及经济的发展，酒店行业作为智能建筑的一个分支，其发展也十分迅速，同时行业的竞争也十分激烈，个性化及人性化的服务是取胜的重要法宝。并且随着酒店服务从楼层服务到客房中心服务的转变，智能客房中心管理系统更加显其重要性。本文以智能建筑中宾馆酒店的通讯控制系统作为选题，针对传统集散式分布控制系统采用通信专用网络的局限，采用了基于公开化、标准化的现场总线技术，克服了封闭系统结构复杂、可靠性低的缺点，简化了系统结构，节省了硬件成本，降低了安装、调试和维护费用，并且提高了系统的可靠性。
二、系统体系结构
智能酒店不仅要监控客房中的所有房间的电灯、空调、门锁等各种设备，还要检测楼宇内的其他电器设备，使之协调工作，实现资源的合理配置和高效利用。而且，它与上一级的管理层网络相连，为智能建筑的管理信息系统提供控制层网络状态和设备工况信息，接收管理层的控制指令，是智能建筑实现最优化管理控制、高效运转的基础。由于酒店内的房间分布相对集中，而且房间数目较多，（以笔者参与的某个智能大厦为例，大厦共有22 个楼层，每个楼层有20～23 个房间），因而本系统涉及到的问题就是需要控制节点繁多、线路复杂、各节点间及节点与控制器之间相互分离、节点与控制器之间有随机数据需实时传输。由于酒店客房内节点繁多、线路复杂，普通的集中控制系统虽然也不难实现用一台控制器去控制几十个甚至上百个回路，但这样会导致危险相对集中。这样必然会降低系统的安全运行性能。如果将危险进行分散、控制分散，而将操作和管理集中在一起，势必将提高系统整体的可靠性，本着这个思想，本系统决定采用分层、分级的集散型控制结构。由于现场设备本身已可完成自动控制的基本功能，因而不仅简化了系统结构，提高了系统的可靠性，而且人机联系便利，能够完成各种数据处理及复杂的控制。
三、CAN中继器的结构
CAN中继器的硬件电路结构如图2所示。主要包括主控制器、时钟电路、复位与看门狗电路、供电电路、 CAN总线接口电路等。主控制器作为中继器的核心，它完成所以的控制功能，是必不可少的。数据链路层和物理层是保证通信质量至关重要的部分，也是通讯网络中最复杂的部分。CAN控制器就扮演了这个角色，它是以一块可编程芯片上的逻辑电路的组合来实现这些功能，对外它提供了与微处理器的物理线路的接口。通过对它的编程，CPU可以设置它的工作方式，控制它的工作状态，进行数据的发送和接收，把应用层建立在它的基础之上。
图2 CAN中继器硬件电路结构框图
（一）CAN控制器
CAN智能通讯控制器在整个系统的网络中起着承上启下的作用，负责下层控制网络与上层管理网络之间的衔接。从功能上看，CAN智能通讯控制器与CAN中继器有一定的相似性，都要实现两个不同网络的连接，都具有报文转发的功能，但CAN智能通讯控制器的功能无疑更为强大。中继器实现的网络连接只是网络简单的物理上的扩展，而智能通讯控制则是整个通讯协议的转换。中继器对信息传输透明，智能通讯控制器则对信息加工过滤，对整个控制网络信息具有一定的管理职能。在管理级PC出现故障时，智能通讯控制器能够维持网络正常运行，对信息记录更新，进行简单管理操作，在管理级PC恢复时，将信息上传，由管理级PC做进一步处理。
（二）CAN控制器的结构
CAN总线通信控制器的结构如图3所示。主要包括主控制器、时钟电路、复位与看门狗电路、供电电路等，时钟保持电路、非易失性EEPROM存储器、CAN总线接口电路和RS232接口电路。同时，控制器还配置了4个LED指示灯，分别用于系统上电、CAN通信、RS232通信和系统通信故障的指示，以方便系统的调试和对控制器运行状况的监测。RS232接口电路主要用于主控制器单片机与管理层中央服务器PC的双向数据传送。时钟保持电路其内部含有实时时钟和日历，用于对各个节点的时钟进行调整。EEPROM用于记录各个节点的最新信息，便于系统进行管理。
图3 CAN通信控制器硬件电路结构框图
四、程序主流程
系统主流程如图4所示，程序在初始化以后进入主循环，首先查询CAN的接收标志位和串口的接收标志位（这两个标志位在程序初始化时已经在单片机RAM中定义，当单片机中断接收到CAN 总线数据或者串口数据时，会对这些标志位置位），若CAN的接收标志位置位，则将接收到的数据写入外存储器的数据库中，并判断是否需要将数据上传给上层的PC，如果需要则调用串口发送子程序；若串口接收标志位置位，说明收到管理级PC的控制指令，根据控制指令的要求散转到各个控制子程序段，如数据库操作、网络校时等，控制指令需要下传到具体节点的要将信息帧转化成CAN的帧格式下传。
图4 CAN智能通讯控制器主流程图
在酒店客房管理系统中，定义的PC下传控制指令有三条：
（一）据库初始化指令；智能通讯控制器接收到该指令后，将外存储器数据库中的房态数据依次上传，对管理层PC的数据库进行初始化。
（二）指定房间状态上传指令；该指令要求智能通讯控制器上传指定房间状态信息。
（三）网络校时指令；该指令对智能通讯控制器中的时钟芯片校时，智能通讯控制器将校正后的时间信息以广播帧的形式传送到CAN总线上，对总线上各节点校时。
在判断完CAN的接收标志位和串口的接收标志位以后，程序对定时标志位进行判断，若其置位表示定时时间到，智能通讯控制器向CAN总线上发送远程帧，各个客房节点接收到远程帧后发送相应的房态信息，实现智能通讯控制器内房态数据库的更新，同时也完成了客房节点与智能通讯控制器的定时联络。 CAN智能节点、CAN中继器和CAN智能通讯控制器，再加上网络的布线，就能够实现一个完整的CAN监控网络。如果把网络系统扩展到管理层的以太网，则系统的设计还应包括管理层PC的软件开发，设计的具体内容包括：系统初始化、通讯管理、数据处理、状态显示、文件传送等模块。
五、应用实例
笔者参与的某智能大厦共有十个楼层安装了本系统，每个楼层有20～23个房间，共约230个节点，每个楼层安装一个中继器进行信号的转接，从各个楼层的中继器出来的信号最后都送入通讯控制器的输入端，从控制器出来的信号与服务器的串口相连（通讯控制器与中继器的原理图见附表1与附表2），服务器通过Internet网络与总台、经理室、维修部等各个PC终端相连。在各PC终端，不同人员通过不同权限的密码对系统进行控制与监测。其系统结构如图5所示。
在实际使用过程中现场也出现过一些问题，如系统接线不可靠，节点与系统总线连线过长等故障，但由于系统长时间地投入使用，现场出现的问题逐步得到修改，系统设计本事也逐渐趋于完善。事实证明，由于采用了基于CAN总线的集散控制技术，不仅系统结构简单、适应性和可扩展性强，而且CAN总线以其分时多主、非破坏性总线仲裁和自动检错重发的技术特点有效地提高了通信的可靠性，从而使现场调试维护更加方便、同时缩短了开发周期。
由于CAN采用非破坏总线仲裁技术。当多个节点同时向总线发送信息出现冲突时，优先级低的节点会主动退出发送，而最高优先级的节点可不受影响地继续传播数据，从而大大节省了总线冲突仲裁时间，尤其是在网络负载很重的情况下，也不会出现网络瘫痪情况（以太网可能）。当其中一个CAN节点在错误严重的情况下自动关闭输出功能后，总线上其他节点的操作不会受到影响。
在通讯故障诊断方面，由于CAN总线具有故障自动检测功能，总线在数据传输的同时，也对总线进行监视，当检测到错误时，就会发送错误标志，一般错误计数器值大于96表明总线被严重干扰，这样就可以预先采取措施，在软件设计的过程中，系统如果检测到相邻的多个节点出现通讯错误，这样总线就可以判定相连总线或中继器出现故障，从而可将故障进行定位，提醒工程人员进行检修。如果系统中所有的节点都不能通讯，那么系统可以将故障定位于控制器或与服务器相连接的线路。
现场总线系统的接线十分简单，由于一对双绞线或一条电缆上通常可挂接多个设备，因而电缆、端子、槽盒、桥架的用量大大减少，连线设计与接头校对的工作量也大大减少。当需要增加现场控制设备时，无需增设新的电缆，可就近连接在原有的电缆上，既节省了投资，也减少了设计、安装的工作量。据有关典型试验工程的测算资料，可节约安装费用60%以上。
六、结束语
整个客房控制系统采用了CAN总线进行通信的分级分布式控制系统，发挥了“分散控制，集中管理”的优点；由于现场控制设备具有自诊断与简单故障处理的能力，并通过数字通讯将相关的诊断维护信息送往控制室，用户可以查询所有设备的运行，诊断维护信息，以便早期分析故障原因并快速排除。缩短了维护停工时间，同时由于系统结构简化，连线简单而减少了维护工作量。而且由于采用了CAN总线技术，用户可以自由选择不同厂商所提供的设备来集成系统。避免因选择了某一品牌的产品被“框死”了设备的选择范围，不会为系统集成中不兼容的协议、接口而一筹莫展，使系统集成过程中的主动权完全掌握在用户手中，而且CAN总线设备的智能化、数字化，与模拟信号相比，它从根本上提高了测量与控制的准确度，减少了传送误差。同时，由于系统的结构简化，设备与连线减少，现场仪表内部功能加强：减少了信号的往返传输，提高了系统的工作可靠性。此外，由于它的设备标准化和功能模块化，因而还具有设计简单，易于重构等优点。
参考文献：
[1] 张瑞武. 智能建筑的系统集成及其工程实施[M]. 北京：清华大学出版社，2000；
[2] 王波. 智能建筑基础教程[M]， 北京：机械工业出版社2002
[3] 王娜，王俭，段晨东. 智能建筑概论[M]. 北京：人民交通出版社， 2002.
[4] 吴立新. 论智能大厦的集散型楼宇自控系统[J]. 工业控制计算机，2003（7）：50-51.
【关键词】CAN总线 现场总线 智能楼宇
一、引言
随着中国智能建筑及经济的发展，酒店行业作为智能建筑的一个分支，其发展也十分迅速，同时行业的竞争也十分激烈，个性化及人性化的服务是取胜的重要法宝。并且随着酒店服务从楼层服务到客房中心服务的转变，智能客房中心管理系统更加显其重要性。本文以智能建筑中宾馆酒店的通讯控制系统作为选题，针对传统集散式分布控制系统采用通信专用网络的局限，采用了基于公开化、标准化的现场总线技术，克服了封闭系统结构复杂、可靠性低的缺点，简化了系统结构，节省了硬件成本，降低了安装、调试和维护费用，并且提高了系统的可靠性。
二、系统体系结构
智能酒店不仅要监控客房中的所有房间的电灯、空调、门锁等各种设备，还要检测楼宇内的其他电器设备，使之协调工作，实现资源的合理配置和高效利用。而且，它与上一级的管理层网络相连，为智能建筑的管理信息系统提供控制层网络状态和设备工况信息，接收管理层的控制指令，是智能建筑实现最优化管理控制、高效运转的基础。由于酒店内的房间分布相对集中，而且房间数目较多，（以笔者参与的某个智能大厦为例，大厦共有22 个楼层，每个楼层有20～23 个房间），因而本系统涉及到的问题就是需要控制节点繁多、线路复杂、各节点间及节点与控制器之间相互分离、节点与控制器之间有随机数据需实时传输。由于酒店客房内节点繁多、线路复杂，普通的集中控制系统虽然也不难实现用一台控制器去控制几十个甚至上百个回路，但这样会导致危险相对集中。这样必然会降低系统的安全运行性能。如果将危险进行分散、控制分散，而将操作和管理集中在一起，势必将提高系统整体的可靠性，本着这个思想，本系统决定采用分层、分级的集散型控制结构。由于现场设备本身已可完成自动控制的基本功能，因而不仅简化了系统结构，提高了系统的可靠性，而且人机联系便利，能够完成各种数据处理及复杂的控制。
三、CAN中继器的结构
CAN中继器的硬件电路结构如图2所示。主要包括主控制器、时钟电路、复位与看门狗电路、供电电路、 CAN总线接口电路等。主控制器作为中继器的核心，它完成所以的控制功能，是必不可少的。数据链路层和物理层是保证通信质量至关重要的部分，也是通讯网络中最复杂的部分。CAN控制器就扮演了这个角色，它是以一块可编程芯片上的逻辑电路的组合来实现这些功能，对外它提供了与微处理器的物理线路的接口。通过对它的编程，CPU可以设置它的工作方式，控制它的工作状态，进行数据的发送和接收，把应用层建立在它的基础之上。
图2 CAN中继器硬件电路结构框图
（一）CAN控制器
CAN智能通讯控制器在整个系统的网络中起着承上启下的作用，负责下层控制网络与上层管理网络之间的衔接。从功能上看，CAN智能通讯控制器与CAN中继器有一定的相似性，都要实现两个不同网络的连接，都具有报文转发的功能，但CAN智能通讯控制器的功能无疑更为强大。中继器实现的网络连接只是网络简单的物理上的扩展，而智能通讯控制则是整个通讯协议的转换。中继器对信息传输透明，智能通讯控制器则对信息加工过滤，对整个控制网络信息具有一定的管理职能。在管理级PC出现故障时，智能通讯控制器能够维持网络正常运行，对信息记录更新，进行简单管理操作，在管理级PC恢复时，将信息上传，由管理级PC做进一步处理。
（二）CAN控制器的结构
CAN总线通信控制器的结构如图3所示。主要包括主控制器、时钟电路、复位与看门狗电路、供电电路等，时钟保持电路、非易失性EEPROM存储器、CAN总线接口电路和RS232接口电路。同时，控制器还配置了4个LED指示灯，分别用于系统上电、CAN通信、RS232通信和系统通信故障的指示，以方便系统的调试和对控制器运行状况的监测。RS232接口电路主要用于主控制器单片机与管理层中央服务器PC的双向数据传送。时钟保持电路其内部含有实时时钟和日历，用于对各个节点的时钟进行调整。EEPROM用于记录各个节点的最新信息，便于系统进行管理。
图3 CAN通信控制器硬件电路结构框图
四、程序主流程
系统主流程如图4所示，程序在初始化以后进入主循环，首先查询CAN的接收标志位和串口的接收标志位（这两个标志位在程序初始化时已经在单片机RAM中定义，当单片机中断接收到CAN 总线数据或者串口数据时，会对这些标志位置位），若CAN的接收标志位置位，则将接收到的数据写入外存储器的数据库中，并判断是否需要将数据上传给上层的PC，如果需要则调用串口发送子程序；若串口接收标志位置位，说明收到管理级PC的控制指令，根据控制指令的要求散转到各个控制子程序段，如数据库操作、网络校时等，控制指令需要下传到具体节点的要将信息帧转化成CAN的帧格式下传。
图4 CAN智能通讯控制器主流程图
在酒店客房管理系统中，定义的PC下传控制指令有三条：
（一）据库初始化指令；智能通讯控制器接收到该指令后，将外存储器数据库中的房态数据依次上传，对管理层PC的数据库进行初始化。
（二）指定房间状态上传指令；该指令要求智能通讯控制器上传指定房间状态信息。
（三）网络校时指令；该指令对智能通讯控制器中的时钟芯片校时，智能通讯控制器将校正后的时间信息以广播帧的形式传送到CAN总线上，对总线上各节点校时。
在判断完CAN的接收标志位和串口的接收标志位以后，程序对定时标志位进行判断，若其置位表示定时时间到，智能通讯控制器向CAN总线上发送远程帧，各个客房节点接收到远程帧后发送相应的房态信息，实现智能通讯控制器内房态数据库的更新，同时也完成了客房节点与智能通讯控制器的定时联络。 CAN智能节点、CAN中继器和CAN智能通讯控制器，再加上网络的布线，就能够实现一个完整的CAN监控网络。如果把网络系统扩展到管理层的以太网，则系统的设计还应包括管理层PC的软件开发，设计的具体内容包括：系统初始化、通讯管理、数据处理、状态显示、文件传送等模块。
五、应用实例
笔者参与的某智能大厦共有十个楼层安装了本系统，每个楼层有20～23个房间，共约230个节点，每个楼层安装一个中继器进行信号的转接，从各个楼层的中继器出来的信号最后都送入通讯控制器的输入端，从控制器出来的信号与服务器的串口相连（通讯控制器与中继器的原理图见附表1与附表2），服务器通过Internet网络与总台、经理室、维修部等各个PC终端相连。在各PC终端，不同人员通过不同权限的密码对系统进行控制与监测。其系统结构如图5所示。
在实际使用过程中现场也出现过一些问题，如系统接线不可靠，节点与系统总线连线过长等故障，但由于系统长时间地投入使用，现场出现的问题逐步得到修改，系统设计本事也逐渐趋于完善。事实证明，由于采用了基于CAN总线的集散控制技术，不仅系统结构简单、适应性和可扩展性强，而且CAN总线以其分时多主、非破坏性总线仲裁和自动检错重发的技术特点有效地提高了通信的可靠性，从而使现场调试维护更加方便、同时缩短了开发周期。
由于CAN采用非破坏总线仲裁技术。当多个节点同时向总线发送信息出现冲突时，优先级低的节点会主动退出发送，而最高优先级的节点可不受影响地继续传播数据，从而大大节省了总线冲突仲裁时间，尤其是在网络负载很重的情况下，也不会出现网络瘫痪情况（以太网可能）。当其中一个CAN节点在错误严重的情况下自动关闭输出功能后，总线上其他节点的操作不会受到影响。
在通讯故障诊断方面，由于CAN总线具有故障自动检测功能，总线在数据传输的同时，也对总线进行监视，当检测到错误时，就会发送错误标志，一般错误计数器值大于96表明总线被严重干扰，这样就可以预先采取措施，在软件设计的过程中，系统如果检测到相邻的多个节点出现通讯错误，这样总线就可以判定相连总线或中继器出现故障，从而可将故障进行定位，提醒工程人员进行检修。如果系统中所有的节点都不能通讯，那么系统可以将故障定位于控制器或与服务器相连接的线路。
现场总线系统的接线十分简单，由于一对双绞线或一条电缆上通常可挂接多个设备，因而电缆、端子、槽盒、桥架的用量大大减少，连线设计与接头校对的工作量也大大减少。当需要增加现场控制设备时，无需增设新的电缆，可就近连接在原有的电缆上，既节省了投资，也减少了设计、安装的工作量。据有关典型试验工程的测算资料，可节约安装费用60%以上。
六、结束语
整个客房控制系统采用了CAN总线进行通信的分级分布式控制系统，发挥了“分散控制，集中管理”的优点；由于现场控制设备具有自诊断与简单故障处理的能力，并通过数字通讯将相关的诊断维护信息送往控制室，用户可以查询所有设备的运行，诊断维护信息，以便早期分析故障原因并快速排除。缩短了维护停工时间，同时由于系统结构简化，连线简单而减少了维护工作量。而且由于采用了CAN总线技术，用户可以自由选择不同厂商所提供的设备来集成系统。避免因选择了某一品牌的产品被“框死”了设备的选择范围，不会为系统集成中不兼容的协议、接口而一筹莫展，使系统集成过程中的主动权完全掌握在用户手中，而且CAN总线设备的智能化、数字化，与模拟信号相比，它从根本上提高了测量与控制的准确度，减少了传送误差。同时，由于系统的结构简化，设备与连线减少，现场仪表内部功能加强：减少了信号的往返传输，提高了系统的工作可靠性。此外，由于它的设备标准化和功能模块化，因而还具有设计简单，易于重构等优点。
参考文献：
[1] 张瑞武. 智能建筑的系统集成及其工程实施[M]. 北京：清华大学出版社，2000；
[2] 王波. 智能建筑基础教程[M]， 北京：机械工业出版社2002
[3] 王娜，王俭，段晨东. 智能建筑概论[M]. 北京：人民交通出版社， 2002.
[4] 吴立新. 论智能大厦的集散型楼宇自控系统[J]. 工业控制计算机，2003（7）：50-51.