1、智能家居和小區監控系統中CAN總線的設計應用0、引言隨著人類社會的進步和科學技術的迅猛發展，特別是3C技術（Computer，Communication和 Control）的發展，人類開始邁入數字化和網絡化為平臺的智能化社會。信息化社會在改變我們生活方式與工作習慣的同時，也向傳統的住宅提出了挑戰。進入21世紀，人們的“衣食住行”水平日益提高，在衣食無憂的今天，居住環境的優劣成為了衡量生活水平的又一重要標準。智能小區經過多年的實際應用，已經有了長足的發展，僅僅提供安全保障的智能小區系統已經很難滿足人們對于安全、方便、智能化等方面的需要。因此，智能家居必將成為一個新的市場熱點。智能家居網

2、絡系統以3C技術為基礎，采用先進、成熟的設備和產品以及先進的管理軟件，對整個家居的信息通信、安全防范、報警求助集中于統一的平臺上進行管理。它不僅已經成為一個國家經濟實力和科學技術的綜合標志之一，而且也是人類社會住宅發展的必然趨勢。1、智能家居的理念及范疇1.1智能家居的理念智能家居就是通過綜合采用先進的計算機、通信和控制技術(3C)，建立一個由家庭安全防護系統、網絡服務系統和家庭自動化系統組成的家庭綜合服務與管理集成系統，從而實現全面的安全防護、便利的通訊網絡以及舒適的居住環境的家庭住宅。智能家居是IT技術（特別是計算機技術），網絡技術、控制技術向傳統家電產業滲透發展的必然結果。也就是說，首先

3、，它們都要在一個家居中建立一個通訊網絡，為家庭信息提供必要的通路，在家庭網絡的操作系統的控制下，通過相應的硬件和執行機構，實現對所有家庭網絡上的家電和設備的控制和監測。其次，它們都要通過一定的媒介平臺，構成與外界的通訊通道，以實現與家庭以外的世界溝信息，滿足遠程控制監測和交換信息的需求。最后，它們的最終目的都是為滿足人們對安全、舒適、方便和符合綠色環境保護的需求。特別要指出的是，智能家居不是一個單獨的產品，也不是傳統意義上的“智能小區”概念，而是基于小區的多層次家居智能化解決方案。1.2智能家居的范疇智能家居是一個多功能的技術系統，包括可視對講、家庭內部的安全防范、家居綜合布線系統、照明控制、

4、家電控制、遠程的視頻監控、聲音監聽、家庭的影音系統等。家居智能化包含的內容比較多，而且國內目前的產品主要基于總線制、電力線載波、無線等方式，在網絡連接方面基本上用總線制聯網、電話聯網或者通過以太網方式來實現。2、智能家居系統架構與功能2.1系統架構*家居綜合布線系統 家居布線系統就是把電話、有線電視、電腦網絡、影音系統、家庭自動化控制系統的布線統一規劃、布局、集中管理，為實現家居智能化提供網絡平臺，通過家居綜合布線既可以實現智能化控制，又可以做到資源共享，而且采用綜合布線，使家庭內部布線系統具有良好的擴展性，并可隨時升級，滿足用戶未來的需要。*家居安防系統 家居安防系統可以有效的利用技防手段來

5、實現居家安全防范。家居安防系統包括防盜、防燃氣泄漏、防火等功能，并具備遠程監控，住戶可以通過網絡或電話隨時了解家內情況，同時可遠程監聽或監視家庭內部情況。*家庭自動化系統 智能家居的主體在于家庭自動化，未來家庭自動化的主體是家電、照明等電氣設備的控制。自動化系統采用集中或者分布式控制，住戶可以通過網絡或者電話遠程控制家庭內部設備，家居自動化系統是智能家居的主要發展方向。*場景環境預置 隨著人們對生活體驗的個性化要求越來越高，家庭內部影音系統、家庭內部環境、網絡虛擬環境等需求也越來越高，人們用在這方面的消費支出也將越來越高，未來的智能化家居也會更多的滿足人們這些方面的需求。2.2系統功能 智能家

6、居的平臺系統通過其核心設備-智能終端來實現家庭智能化的功能。家庭智能終端用來實現家庭智能化的各項功能。因此，家庭智能終端是智能家居的心臟，通過它才能實現系統信息的采集、信息輸入、邏輯處理、信息輸出、聯動控制等功能。其系統功能實際上是說明智能家居其“智能”在何處的說明。智能家居所要實現的主要的系統功能有：*家電控制 通過系統靈活多樣的控制方式(如按鍵開關、遙控器、電話、Internet等)，您隨時可開啟家中空調、電動窗簾、電飯煲等電器設備，功能實用方便。系統設置的“全關模式”，可以在您出門或就寢時，非常方便的關閉室內燈光、電器設備的電源，方便、安全又省電。*溝通黑色家電和其他視頻設備之間以及與外

7、部世界之間的信息通道，其中包括：臺式手持計算機、電視、錄攝像機、VCDDVD和數碼照相機等；同時還可以實現對它們的控制和監測。*安防、防盜報警 智能家居系統兼容目前大多數的防盜產品（紅外探測器、煤氣探頭、門磁開關、聲光報警裝置等），且具有邏輯判斷，多防區設置，電話報警功能。系統設有“在家”、“離家”兩種布防模式，并可通過電話遠程布、撤防，并帶有語音提示及系統自檢功能。一旦檢測到報警信號，系統立即將警情報至小區保安中心，引發燈光閃爍、警號鳴響等動作，并啟動電話遠程告警功能。*電話遠程遙控與無線遙控通過對外的接口，實現遠程控制和信息交換，如：電活線、有線電視電纜、市電電源線、雙絞線和無線通訊方式等

8、。電話遠程控制功能靈活實用，無論何時何地，您都可方便的通過電話或手機按鍵遠程控制家中的各種燈光、電器設備。無線遙控通過遙控器，您可以方便地控制家中所有的燈光、電器設備。當您在客廳看電視時，您可通過遙控方便地關掉廚房、走廊、陽臺和房間里不必要的燈光電器，而不用因起身而錯過劇情。3、關于智能家居系統主要核心技術：3.1計算機軟件技術與計算機網絡技術在數字家庭網絡中涉及的計算機軟件，除一般的用戶程序外，最突出的有二個方面：首先是網絡操作系統，這個操作系統應該具有占存儲器小、使用方便、配置靈活、容錯性能好等特點；其次是數據結構，這是由于一般的家庭控制網絡中，不可能使用各種體積龐大的數據庫，而實際使用時

9、又需要處理大量的數據，因此需要設計者設計一個適合于家庭網絡使用的數據庫。這里比較突出的是家庭網關。家庭網關是智能家庭網絡上的一個重要部分，它是將單個家庭網絡與外部世界（如局域網、Internet網或智能小區的子網絡）溝通起來的關鍵部件。例如與Internet或Ethernet的接入、路由的選擇、瀏覽器的設計網頁的制作，此外還有編碼壓縮技術和網絡接口技術等。3.2信息網絡系統技術當今各地的有線電視主干網已大規模采用光纖。利用有線電視網作為信息傳輸平臺，基于有線電視HFC網建設智能小區已成為許多城市的成功案例。 HFC接入技術是一新成熟技術，能綜合傳輸圖像、數據和語言等多媒體業務。高速數據傳輸采用

10、QAMQPSK調制，低速數據采用FSKASK調制。圖1為信息網絡系統技術應用舉例-HFC接入技術與應用原理示意圖。圖1 HFC接入技術與應用原理示意圖。用戶終端機頂盒擁有Internet接入能力并能夠將家庭設備包括報警探頭、水電氣表、家電等接入互聯網，不僅滿足了用戶交互或快速上網等的要求，而且為住戶提供了能適應將來科技發展的人性化接口，其實施的保證是由有線電視中心完成的。最為關鍵的是基于HFC網能夠節省大量的利用光纖及五(六)類線組網的費用，并免去了網絡運行維護的費用。3.3圖像處理技術圖像處理技術是屬于信息技術中一個層次比較高的技術，目前它也已經走人了數字家庭之中。其中最典型的例子是智能型防

11、盜門，這種防盜門是不需要用普通鑰匙的，它的“鑰匙”是該家庭每個人員自己身上的某個器官特征：比如，手指的指紋，或人臉的特寫，或眼睛中的虹膜等。這些人體的自身的特征，首先需要通過一些專用的裝置將它們采集到，然后對這些采集到的圖像信息作必要的處理，并提取相應需要的特征，最后根據這些特征來識別出“是否是本家居中的成員”。3.4 傳感器技術在一個數字家庭中，為保證完善的控制，需要測量的物理量是多種多樣的（例如流量、電量、溫度、濕度、微量氣體含量等），這都需要傳感器技術。一般說來，家庭中的物理量的測量精度要求不高，測量設備的體積和重量也沒有苛刻的要求，因此還需要研究和開發適應家庭網絡控制用的價格低、穩定、

12、可靠和多功能集成的測量技術和傳感器技術以及相應的產品。4、總線式的控制系統的智能家居系統解決方案智能家居是一個綜合性的系統工程，要從其功能、性能、成本、擴充能力及與現代相關技術的應用等多方面來考慮。不僅要考慮到系統初期建設的投資成本，更要考慮到系統在未來運行的實用性、可操作性，以及系統的運行與維護的成本。所以，在各項系統的設計選型時要全面考慮各個方面的因素，選用技術成熟、可靠性高并且有較好性價比的產品是至關重要的。總線是一種靈活方便、可靠性好、通信速率高和價格低廉的控制方式，它適用于生產過程控制，智能家居等。采用總線式的控制系統的智能家居系統，不需要像傳統方式那樣重新連線，它又區別于集中控制模

13、式，可以通過修改軟件改變按鍵與燈光等設備的對應關系，有著它無可比擬的擴展靈活性。基于這樣的需求，采用CAN技術所設計的家庭智能管理控制系統比較適合用于多表遠傳、防盜、防火、防可燃氣體泄漏、環境監測、緊急救援、家電控制等方面。4.1系統特點CAN總線是一種多主總線系統，網絡上任一節點可在任一時刻主動地向網上其它節點發送信息。不分主從，便于構建分布式控制系統；通信介質可以是雙絞線、同軸電纜或光纖；通信速率可達1Mbps；通訊距離遠，可達10km。CAN總線控制器中集成了CAN協議的物理層和數據鏈路層功能，可完成對通信數據的成幀處理，特別是循環冗余檢驗和優先級判別等功能，保證了數據通信的可靠性，可滿

14、足不同的實時要求；CAN協議的最大特點是網絡內的節點數在理論上不受限制，可任意掛接或拆除節點，增強了系統的靈活性和擴展性；CAN總線采用了統一的標準和規范，使各設備間具有較好的互操作性和互換性，系統的通用性好。CAN以其在可擴展性強，能進行優先級判別等方面的優越性，可靠性高及設計獨特的特性，在國際和國內都得到越來越廣泛的應用，成為最有前途的現場總線之一。這種網絡以其對等式的通訊網絡，各節點地位均等，無主節點，實時性好，可靠性高等優勢為樓宇自動化、智能家居等應用提供了良好的控制網絡。CAN現場總線是一種應用范圍較廣的現場總線，具有靈活方便、可靠性高、通信速率高和價格低廉等特點，在生產過程控制和交

15、通工具儀器儀表互連中有較廣泛應用。在一些數據流量不是很大，要求系統靈活可靠的情況下，CAN總線會得到滿意的效果。在智能家居系統中，整個控制系統除了要求靈活可靠外，還要求系統具有較好的可擴展性，首先使添置的家居設備很方便地接入到系統之中，其次是在小區擴建時能夠使新增加的智能節點很方便地并入網絡。CAN總線的優先級判別功能在智能家居系統中更是至關重要的。CAN總線采用的是非破壞性總線仲裁，在該系統中若將火災報警設為最高優先級別，當載有火災信息的數據塊與其它信息的數據塊在總線上發生沖突時，能使火災信息的數據塊安全通過，這樣就可很好地滿足火災報警的高度實時性要求。且其低成本更容易被人們所采用。4.2系

16、統功能智能家居系統產品取代傳統的燈光及家電控制模式，為您提供安全保障的同時，讓您輕松享受生活。*靈活的控制模式：互聯網網上控制、電話遠程控制、預置時間控制、遙控器控制、主控鍵盤控制、手動直接控制。*簡易的用戶編程：用戶可自行編程，預設多種燈光場景及家電的控制功能。*隨心的控制效果：既可遠程查詢和控制，又可以一鍵式場景預置和操控。4.21室內照明控制室內照明主要由日光燈、吊燈、壁燈、射燈和落地臺燈等組成，除日光燈外，所有其它燈均可作亮度調節，以滿足不同的需要。客廳和起居室具有多種燈光組合，使環境光線更為舒適，同時刃；可作較多的變化，以適應不同的情況，例如在客人探訪、聚會暢談時可能需要較明亮的燈光

17、，而在欣賞古典音樂或輕音樂時，柔和的燈光會顯得較為寫意；而要把客廳變為家庭影院觀看精彩影片時，燈光便需要調得更為暗淡。所有的燈光都由高科技的輕觸式電子開關控制，只需要輕觸一個按鈕便可產生一種預先設定的照明效果，用起來不但非常方便，同時亦為您的家居生活提高檔次，以及增添更多姿彩。4.22交流供電控制目前大部分的家庭電器都通過電源插座獲得交流電能的供應。然而普通的插座并未能提供一個有效的供給控制，即使每個插座都附有一個開關，但要在出門前將所有的電器關掉亦實屬不易，結果就有洗衣機、風扇、音響電器漏電而造成火災的弊病。本系統可為所有的燈光電器提供一個有效的控制手段，例如您可以在出門前(或睡前)按一個按

18、鈕關掉所有燈光電器，而在回家人門（或早晨起床）后按另一個按鈕便可恢復之前的供電，非常簡單。事實上，通過這供電控制系統，您可以在任何地方，任何時候控制您的燈光電器、及電飯煲煎、煮。4.23無線遙控控制無線遙控可以為家居生活帶來方便。4.24電話遙控系統借助電話控制系統，您幾乎可以在任何地方，任何時候監控您的家居狀況：如果您匆匆忙忙趕上班或出去而忘記廠關熱水爐或空調等設備，那么您只要打一個電話就可以把它關掉而不需要特意趕回家里處理。如果您在大熱天的中午回家吃飯午休而時間又特別緊的話，您可以在回家前用電話接通電飯鍋、電子瓦鍋和客廳冷氣機的電源，這樣當您回到家的時候，不但可以實時享受到舒適的冷氣，而且

19、還馬上有飯吃、有湯喝，給您帶來前所未有的方便。電話遙控還有其它方面的用途，例如當您全家外出度假或旅游時，您可以通過電話在適當的時候開啟燈光照明甚至電視音響，以造成有人在家的假像，防止不法之徒乘虛而入。5、智能小區和家居管理系統在總結分析了CAN總線的特點及智能家居現在的狀況及未來的發展方向后，我們提出了以CAN總線為基礎的智能家居控制系統的方案，并利用CAN總線來實現家居安保、三表遠傳管理系統。整個系統具有可靠性高、可擴展性強、造價低和功能強等特點。基于CAN技術研發的家庭智能控制系統可以在大規模區域實現遠程抄表、家庭安防及與其它樓宇自動化系統聯網，其強大的擴展能力同一般的抄表安防系統相比，具

20、有無可比擬的優越性。從用戶使用的角度出發，小區智能化系統可以歸結為三大平臺：家居智能平臺、社區智能平臺、網絡集成平臺。而小區智能化的核心是家庭智能化-家居智能。小區的智能化涉及小區的周邊、小區內及住戶家庭智能化。而家庭智能化部分是小區智能化的核心。智能家居不僅是住宅內部控制和管理的核心，還應具備與外界信息交流、尋求幫助、控制管理的能力，實現與小區管理中心安防提醒、物業信息傳遞、三表抄收、家電控制、留言留信的功能，同時實現聯接社區服務中心，繼而實現與公用網的聯接。家居智能平臺構成：家庭安全防范，包括防盜報警、火災報警、煤氣泄漏報警、緊急求助報警；家電設備自動化，即家用電器設備的遙控（如空調、照明

21、、加熱器、攝像機、娛樂器材等）；家庭通信和網絡的應用（音頻、視頻、數據）。社區智能平臺構成：住宅小區的安全防范，如設有閉路電視監控、電子巡更系統、周界防范系統、火災報警及其消防聯動系統、停車庫管理系統、緊急求助報警系統；住宅小區公共建筑的建筑物自動控制，對機電設施自動控制和集中監視，在小區物業管理中心可以對如變配電設備、給水排水設備、電梯、供暖設備、小區照明等設備進行監控，提供住戶能耗計量和自動收款；住宅小區電子廣告牌及電子查詢系統，提供背景音樂；住宅小區信息通信服務與管理，設立綜合通信網絡，設立信息服務平臺，進行小區信息綜合管理，提供小區電子商務系統。網絡集成平臺以家庭智能化為核心，采用系統

22、集成方法，建立一個溝通小區內部之間，住戶與小區綜合服務中心之間，住戶與外部社會的綜合信息交互系統。5.1 智能家居系統構成家居智能主要包括家庭安全防范如防盜報警、火災報警、煤氣泄漏報警、緊急求助報警；家電設備自動化即家用電器設備的遙控；三表的自動抄送。要完成以上功能需要由家庭智能控制單元對以上家居設備進行控制，并且完成智能家居和小區管理系統之間信息的傳輸。a.家庭控制器。采用以單片機AT89C51為核心的控制，各探測器將探測到的信號送入家庭控制器中，家庭控制器通過對信號的分析做出判斷袁如果需要報警的話袁就由單片機輸出報警信號使報警電路發出聲光報警。如果需要啟動其它裝置，也由單片機輸出信號使其它

23、裝置運行，這樣就實現了系統間的聯動。b.“看門狗”電路單元。是為了防止CPU運行時出現死機、程序跑飛或進入死循環等情況而設置的。所謂的“看門狗”電路是計算機技術中監視定時器的俗稱。其主要功效有：運行監控。電網中及空間存在著豐富的諧波，對微機系統隨時會造成電磁干擾，可能使CPU的運行出現死機、程序跑飛或進入死循環等。這時“看門狗”會讓CPU復位，從而使CPU的運行重新回到正常的工作程序中。電壓監控。比如在系統上電初始階段和在欠壓情況下，系統各部件可能出現不確定狀態，造成意外操作，這時“看門狗”能使CPU處于復位狀態而停止運行，直至電源電壓正常穩定才恢復運行。c.三表抄收系統。定時讀取三表數據，并

24、將數據傳送給家庭控制器，通過家庭控制器將數據定時發送到CAN總線上的自動抄表系統。用戶可使用CAN適配器與PC機相聯，查看這些數據，了解其使用情況。d.家電控制單元。主要用來控制電器設備的開關和工作狀態，如照明、空調等通過CAN總線很方便地控制它們運行。每種電器都保持其原來的手動和遙控控制功能。e.火警、煤氣泄漏、緊急情況報警單元。該報警單元能夠監測到火警、煤氣泄漏等緊急情況發生，進行聲光報警，并向小區管理中心發出警報；若住戶遇緊急情況，可按下緊急求助按鈕向小區管理中心求援。f.防盜單元。在防盜單元中門窗采用門磁開關、電控鎖、玻璃破碎探測、紅外探測等探測器檢測，在門窗被非法操作時進行聲光報警，

25、通過家庭控制器將數據發送到CAN總線向小區管理中心發出警報。g.電源單元。采用自制的小型UPS電源，主要是為保證家庭內各種監控設備的供電可靠性。5.2 小區CAN總線管理系統CAN總線是小區管理系統的一部分，負責將家庭中的一些數據和信號收集起來，并送到小區管理中心處理，CAN 總線上的節點是每戶的家庭控制器、小區的三表抄收系統和報警監測系統，每戶的家庭控制系統可通過總線發送報警信號，定期向自動抄表系統發送三表數據，并接收小區管理系統的通告信息，如欠費通知、火警警報等。小區的自動抄表系統除定時抄錄每戶的三表數據外，還可以將數據匯總起來，通過網絡系統發送到各主管部門，由管理人員進行處理。當用戶出現

26、欠費等情況時，它還可以向用戶發送通告信息，提醒用戶交費。報警監測系統主要是監測用戶的報警信息，采取相應的措施，并將報警信息傳送給相關的保安管理部門。6、系統方案6.1系統總體設計本系統在CAN網絡的基礎上添加智能控制器與Internet的網絡接口，從而實現智能家居的遠程監控。智能家居遠程監控系統如圖2所示。圖2 智能家電遠程監控系統由圖2可知系統由三部分組成：CAN網絡，智能控制器和Internet。CAN網絡就是通過CAN總線把家庭安防、遠程抄表、環境調節、娛樂功能和家電控制等節點模塊組成家庭局域網，以實現數據和控制信息的快速傳輸，各個節點模塊是由8位MCU+CAN控制器+CAN收

27、發器+相應的傳感器/控制器組成，我們把各個節點模塊稱之為智能節點；智能控制器選用的是Philips公司的內部集成CAN控制器的32位微處理器LPC2294，只需連接CAN收發器即可成為CAN網絡的一個節點，這樣再通過擴展網絡接口就實現了CAN網絡與Internet的信息交換，達到遠程監控的目的；Internet的發展極大的加快了信息的傳遞，任何接入互聯網的電腦都可以用來監控我們的系統，當然安全性也是我們必須考慮的。6.2  智能控制器的硬件設計系統選用功能強大的帶有CAN接口的32 位微處理器LPC2294，運行基于特定應用的嵌入式實時操作系統，實現合理的任務調度

28、，滿足控制系統對實時性和可靠性的要求。LPC2294是一款功能強大、超低功耗的具有ARM7TDMI-S 內核的32 bit微處理器。具有2個32bit定時器、4路CAN通道、2個UART、高速I2C接口以及9個外部中斷,內部嵌入256KB 高速Flash存儲器和16 KB靜態RAM, 112個通用I/O口。其內部集成的4路CAN控制器, 符合CAN 規范CAN2. 0B, ISO 1189821標準。6.2.1外擴ROM和RAM）Flash ROM：雖然LPC2294內部嵌入256KB

29、 高速Flash存儲器和16 KB靜態RAM，可以滿足一般的控制要求。但是我們需要外擴一個容量相對大的FlashROM來保存監測到的歷史數據，以便查看和打印。為了滿足操作系統及其文件系統的存儲要求，系統選用了2M Flash ROM器件SST39V160作為存儲介質。2）EEPROM：LPC2294內部沒有集成EEPROM,要將家電設備編號保存下來, 故外擴了容量為1024 Byte的顯存。3）SDRAM：嵌入式操作系統的運行需要動態RAM，而芯片LPC2294內部提供的16K靜態RAM主要用來為7種工作模式分配堆棧和臨時變量分配空間

30、，需要在外部總線上擴充SDRAM(HY57v641620H)芯片，解壓縮后的操作系統將駐留在其內。6.2.2鍵盤和液晶顯示為便于控制新掛接在CAN總線上的家電設備，實時顯示家電設備的運行情況,設計了鍵盤輸入與LCD顯示。按鍵使用了數字鍵( 09) ，用于輸入和修改數字，可連擊實現快速輸入和修改數字；移位鍵在修改模式下，用于選擇要修改的位；加1鍵在修改模式下將當前要修改的位進行加1操作(在09之間循環) ；模式鍵實現進入/退出修改模式,不允許連擊；確認鍵在修改模式下將修改好的數據寫入EEPROM中。6.2.3網絡接口RTL8019AS與以太網的連接由PM341006

31、M濾波器芯片和RJ45完成。其連接如圖2所示。這里采用PM34-1006M是為了提高網絡通信能力。圖中TPIN+、TPIN-、TPOUT+和TPOUT-是RTL8019AS芯片輸入/輸出信號的4個引腳，濾波器右邊是以太網RJ45接口，通過標準帶RJ45插頭的雙絞線接入以太網。圖3 RTL8019AS與網絡介質之間的連接6.3 智能控制器的軟件設計為了便于系統的擴展和升級，同時更好地協調控制系統的穩定性及實時性，系統采用了嵌入式操作系統uClinux進行設計開發。6.3.1 嵌入式操作系統uClinuxuClinux是Linux2.0的一個分支，它被設計用于沒有MMU的微控制器領域。uClinux的最大特征就是沒有MMU（內存管理單元模塊），它很適合那些