摘要：本文提出了一種基于CAN總線的分布式停車場(chǎng)燈光智能控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，介紹了該智能控制系統(tǒng)的軟件、硬件設(shè)計(jì)方法。該系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、高可靠性、高性能價(jià)格比等特點(diǎn)，具有廣闊的應(yīng)用前景。
關(guān)鍵詞：CAN總線 停車場(chǎng)照明智能控制 組態(tài)技術(shù)
CAN（Controller Area Network——控制器局域網(wǎng)）是一種有效支持分布式控制和實(shí)時(shí)控制的串行通信網(wǎng)絡(luò)，具有可靠性高、成本低、配置靈活、數(shù)據(jù)傳輸距離遠(yuǎn)、數(shù)據(jù)傳輸速率快等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)成為國(guó)際上應(yīng)用最廣泛的現(xiàn)場(chǎng)總線之一。
目前大部分的地下停車場(chǎng)都需要大量的照明設(shè)備進(jìn)行長(zhǎng)期照明，采用傳統(tǒng)的連續(xù)照明方式或聲控照明方式很難實(shí)現(xiàn)照明的自動(dòng)控制，且會(huì)造成巨大的能源浪費(fèi)和設(shè)備損耗。國(guó)外雖然有類似的燈光智能控制系統(tǒng)，但價(jià)格很高，限制了它的廣泛應(yīng)用。本文提出了一種基于CAN總線技術(shù)開發(fā)的分布式停車場(chǎng)燈光智能控制系統(tǒng)，能夠解決停車場(chǎng)內(nèi)照明智能控制問題，降低停車場(chǎng)內(nèi)的布線復(fù)雜度，減少安裝費(fèi)用并大大延長(zhǎng)停車場(chǎng)內(nèi)照明設(shè)備的使用壽命，具有良好的應(yīng)用前景。
1 分布式停車場(chǎng)燈光智能控制系統(tǒng)的基本原理
該智能控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。系統(tǒng)主要由上位機(jī)、CAN適配器、控制節(jié)點(diǎn)（包括出入口控制節(jié)點(diǎn)和現(xiàn)場(chǎng)控制節(jié)點(diǎn)）等部分構(gòu)成，各節(jié)點(diǎn)間通過CAN總線進(jìn)行通信。
當(dāng)有車輛進(jìn)入停車場(chǎng)時(shí)，可以根據(jù)車牌號(hào)決定該車入庫(kù)時(shí)的行車路線及車位，根據(jù)預(yù)定的行車路線，選擇相應(yīng)的照明控制方案。
各現(xiàn)場(chǎng)控制節(jié)點(diǎn)檢測(cè)各通道入口是否有車輛經(jīng)過，當(dāng)檢測(cè)到過往車輛時(shí)，控制器打開車輛附近相關(guān)的照明回路，同時(shí)通過CAN總線向網(wǎng)絡(luò)上的其他節(jié)點(diǎn)發(fā)布消息；其他節(jié)點(diǎn)根據(jù)接收到的消息以及事先預(yù)定的控制方案打開有關(guān)的照明回路。
在出入口的控制節(jié)點(diǎn)可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并顯示各個(gè)照明回路的開關(guān)狀態(tài)。同時(shí)出入口節(jié)點(diǎn)也可根據(jù)需要進(jìn)行手工控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)停車場(chǎng)內(nèi)每一個(gè)回路的開關(guān)控制，以應(yīng)付一些緊急事件。
為了讓系統(tǒng)能夠適應(yīng)不同的使用環(huán)境，同時(shí)能夠根據(jù)用戶的需要隨時(shí)改變照明方案，該系統(tǒng)采用現(xiàn)場(chǎng)可編程技術(shù)，可由上位機(jī)通過CAN總線，將各個(gè)節(jié)點(diǎn)的控制方案下載到各控制節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)照明方案的現(xiàn)場(chǎng)編輯、現(xiàn)場(chǎng)修改及現(xiàn)場(chǎng)下載。
系統(tǒng)中CAN適配器的作用是將CAN總線上的命令通過串口或USB口傳給上位機(jī)，也可以將上位機(jī)的命令轉(zhuǎn)換成CAN命令發(fā)送給系統(tǒng)中的其它節(jié)點(diǎn)。
2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
控制節(jié)點(diǎn)按功能可以劃分為不同的類型，但是其基本的結(jié)構(gòu)相同。控制節(jié)點(diǎn)的電路結(jié)構(gòu)如圖2所示。主要由微控制器、CAN總線驅(qū)動(dòng)器、外部存儲(chǔ)器、串行接口、電源部分等組成。
微控制器采用PHILIPS公司的P87C591，P87C591 是一個(gè)單片8 位高性能微控制器，具有片內(nèi)CAN 控制器，它采用了 80C51 指令集并成功的包括了Philips 半導(dǎo)體SJA1000 CAN 控制器的Pelican 功能（該模式支持具有很多新特性的 CAN2.0B協(xié)議），同時(shí)該微控制器具有內(nèi)置看門狗，內(nèi)部程序存儲(chǔ)器為16K字節(jié)。采用該控制器可以大大簡(jiǎn)化電路設(shè)計(jì)并節(jié)省應(yīng)用空間。
外部存儲(chǔ)器的作用是存儲(chǔ)從上位機(jī)下載下來的控制方案。外部存儲(chǔ)器采用RAMTRON公司的FM25640。該芯片采用鐵電存儲(chǔ)技術(shù)，具有高速非易失的特性，采用SPI接口連接，容量是64K位。該芯片用于存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)間的控制方案，同時(shí)也可以當(dāng)作系統(tǒng)的緩沖區(qū)。
繼電器接口用于連接控制節(jié)點(diǎn)與照明回路，通過該接口控制節(jié)點(diǎn)可以控制照明設(shè)備的開關(guān)。
串行接口電路采用標(biāo)準(zhǔn)RS-232接口芯片——MAX202，使用該接口可以使節(jié)點(diǎn)在無(wú)需連接網(wǎng)絡(luò)的情況下也可以進(jìn)行節(jié)點(diǎn)間互連關(guān)系的上傳和下載，同時(shí)也可以當(dāng)作調(diào)試的接口。8位撥碼開關(guān)用于設(shè)定節(jié)點(diǎn)的邏輯地址，各個(gè)節(jié)點(diǎn)根據(jù)這個(gè)邏輯地址進(jìn)行相互識(shí)別。
3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
3.1 上位機(jī)管理軟件設(shè)計(jì)
上位機(jī)管理軟件實(shí)現(xiàn)的主要功能如下：
1） 系統(tǒng)控制方案的新建、修改、保存：用戶可以通過管理軟件建立并修改控制方案，或者將控制方案以文件形式保存，以備以后使用。
2） 系統(tǒng)控制方案的上傳、下載：管理軟件可以將網(wǎng)絡(luò)中各個(gè)節(jié)點(diǎn)的所存儲(chǔ)的控制方案上傳到上位機(jī)，也可以將控制方案通過CAN總線下載到各個(gè)節(jié)點(diǎn)中去。
3） 實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)各個(gè)回路的狀態(tài)：系統(tǒng)通過CAN接口卡可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)CAN總線上傳送的各種命令，并可以在上位機(jī)上顯示出各個(gè)回路的開關(guān)狀態(tài)。
4） 控制系統(tǒng)各回路的開關(guān)狀態(tài)：用戶可以通過管理軟件向系統(tǒng)中其它節(jié)點(diǎn)發(fā)送控制命令，控制系統(tǒng)中任意回路的開關(guān)。
上位機(jī)管理軟件采用組態(tài)技術(shù)和圖形化編輯界面，用戶可以通過組態(tài)方式或者通過表格方式建立、修改控制方案。管理軟件也通過圖形方式實(shí)時(shí)顯示系統(tǒng)中各個(gè)回路的狀態(tài)的。
3.2 控制節(jié)點(diǎn)的軟件設(shè)計(jì)
3.2.1 控制節(jié)點(diǎn)軟件實(shí)現(xiàn)功能
控制節(jié)點(diǎn)軟件實(shí)現(xiàn)的主要功能如下：
1） 系統(tǒng)的初始化：包括串口的初始化、CAN控制器的初始化、定時(shí)器的初始化以及系統(tǒng)主要變量的初始化。
2） 外部存儲(chǔ)器資源的分配、管理：包括對(duì)FM25640讀寫的基本操作，以及建立在這些操作上的對(duì)節(jié)點(diǎn)控制方案的管理。
3） CAN命令的發(fā)送、接收及解釋：包括對(duì)其它節(jié)點(diǎn)發(fā)送的CAN命令的接收、識(shí)別、解釋，以及相應(yīng)的應(yīng)答命令的發(fā)送。
4） 串口命令的發(fā)送、接收及解釋：包括串口命令的接收、識(shí)別、解釋，以及相應(yīng)的應(yīng)答命令的發(fā)送。
5） 傳感器信號(hào)的檢測(cè)：包括傳感器組的連續(xù)檢測(cè)，以及檢測(cè)到信號(hào)時(shí)所進(jìn)行的相應(yīng)處理。
6） 照明回路的控制。
7） 定時(shí)器的管理。
3.2.2 控制節(jié)點(diǎn)軟件工作流程
控制節(jié)點(diǎn)的程序采用C51設(shè)計(jì)，這樣可以大大簡(jiǎn)化程序設(shè)計(jì)的復(fù)雜度。控制節(jié)點(diǎn)的主程序框圖如圖3所示。
在系統(tǒng)初始化后，程序循環(huán)查詢傳感器接口、串口和CAN接口。當(dāng)檢測(cè)到傳感器有信號(hào)輸出時(shí)，程序在打開附近的照明回路的同時(shí)也通過CAN總線向其他節(jié)點(diǎn)發(fā)送該傳感器的信息。其余的控制節(jié)點(diǎn)一旦接收到該信息，便會(huì)查詢存儲(chǔ)在外部存儲(chǔ)器中的控制方案信息，然后打開與該傳感器相關(guān)聯(lián)的照明回路，從而實(shí)現(xiàn)控制方案指定的照明方式。
控制節(jié)點(diǎn)的CAN中斷程序的框圖如圖4所示。當(dāng)節(jié)點(diǎn)接收到一條CAN幀，中斷處理程序讀出該命令，并置CAN命令接收標(biāo)志，等待命令處理子程序的處理。
為了方便控制節(jié)點(diǎn)的安裝與調(diào)試，在主程序中特別加入了串口處理程序。使用者可以通過發(fā)送串口命令測(cè)試控制節(jié)點(diǎn)的各項(xiàng)功能，也可以通過串口上傳、下載控制方案。
3.2.3 現(xiàn)場(chǎng)可編程功能的實(shí)現(xiàn)
為了實(shí)現(xiàn)該系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)可編程功能，每一個(gè)控制節(jié)點(diǎn)都應(yīng)該存儲(chǔ)本節(jié)點(diǎn)的照明回路與網(wǎng)絡(luò)中其他節(jié)點(diǎn)的傳感器的邏輯關(guān)系表。邏輯關(guān)系表的結(jié)構(gòu)如下：
上表表示節(jié)點(diǎn)的各個(gè)照明回路與系統(tǒng)中某一節(jié)點(diǎn)的的傳感器（包括本節(jié)點(diǎn)）的互連關(guān)系。如果表項(xiàng)中對(duì)應(yīng)值為1，則表示對(duì)應(yīng)的照明回路與傳感器相關(guān)聯(lián)，一旦傳感器有信號(hào)，相關(guān)的照明回路就會(huì)被打開。關(guān)系表中的各項(xiàng)的值可以隨時(shí)改變，并通過上位機(jī)或串口重新下載到存儲(chǔ)器中。
假設(shè)網(wǎng)絡(luò)中有N個(gè)控制節(jié)點(diǎn)，每一個(gè)節(jié)點(diǎn)中將會(huì)存儲(chǔ)N-1張關(guān)系表，對(duì)應(yīng)于網(wǎng)絡(luò)中的其余N-1個(gè)節(jié)點(diǎn)。一旦某一節(jié)點(diǎn)在CAN上發(fā)送傳感器消息，其余的節(jié)點(diǎn)接收到該消息后就會(huì)從對(duì)應(yīng)于發(fā)出消息的節(jié)點(diǎn)的關(guān)系表中查找與該傳感器關(guān)聯(lián)的照明回路并打開這些回路。這樣一旦有車輛進(jìn)入停車場(chǎng)，該控制系統(tǒng)就會(huì)打開控制方案規(guī)定的所有的照明回路，實(shí)現(xiàn)照明的智能化。
4 結(jié)束語(yǔ)
通過對(duì)系統(tǒng)軟件、硬件的反復(fù)調(diào)試，該分布式燈光智能控制系統(tǒng)顯示出了傳統(tǒng)的停車場(chǎng)燈光控制系統(tǒng)無(wú)法比擬的優(yōu)越性，可以有效減少小區(qū)地下停車場(chǎng)照明系統(tǒng)的安裝和維護(hù)費(fèi)用，具有良好的應(yīng)用前景和推廣價(jià)值。