2022年CAN总线网络家电测控系统研究报告.docx

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1、精品学习资源基于 CAN总线的网络家电测控系统的争辩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把握已经成为现代智能家居的进展趋势，构造家电集中把握器并将把握信息传送到互联网上实现远程监控势在必行；依据国内外的实际体会，智能住宅和智能小区的功能需求可以概括为：在小区实现“快速便利的通信条件、安全舒适的居住环境、高效科学的物业治理”，其智能化功能应当由两大技术平台作支撑：一个是对外

2、的小区 住宅）信息平台，主要包括运算机通信、电话、电视等与外部世界的信息联系平台，假如一个小区现在以及将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点是开放，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）封闭式智能化治理的把握平台，包括在小区住宅）内部实现的全部公共安防、家居安防、智能化治理、智能化服务的全部内容，其最大的特点是封闭；如何建立这两个不同的技术平台是本课题所要争辩的核心问题；1.2 国内外进展简况许多运算机、通信、家电行业的巨人都熟识到智能信息家电的庞大市场潜力， 纷纷进入这个领域，

3、都已开头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；目前已显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把握面板、电话或连网的运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，分别适用于一般家庭、办公室及高级住宅；可用于和谐把握这些地方的照明、调温、保安等系统； 全部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把握器进行设置；3. ALdeluxe智能家居系统

4、HAL 公司出品）：它在 PC 机上集成了家居系统的全部把握，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把握；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形而言，对于小区对外的信息平台和对内的封闭式智能化治理把握平台这两个不同的技术平台，一般接受如下结构：小区住宅） 信息化平台以运算机局域网为基础，而小区住宅）治理把握平台大都接受把握 总线技术；不主见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）的把握信号大部分是简洁的开关量

5、比如：各类报警信号）把握；假如能够在较低的把握总线层面上就地解决，不仅实时性好， 而且成本低牢靠性高；2. 安全问题：以太网是以一般 PC机为主要对象，完成诸如办公自动化之类欢迎下载精品学习资源的工作为主要目标的最放之四海而皆准的运算机网络技术；假如以以太网为基础实现小区 住宅）的一切智能化治理把握，中意24 小时不间断的工作；系统本身的安全性将面临极大挑战，而且仍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；假如将来住宅内的全部信息家电把握 仍接受以太网结构为基础，

6、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，无论国外仍是国内仍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；国内外的实践说明，智能小区的把握平台仍是应当接受把握总线方式解决；比如接受LonWork 总线进行智能住宅的把握；只惋惜这是移植工业把握总线来作家庭把握之用，用在智能小区住宅） 把握上仍是有些技术过剩；为此，美国、欧洲、和日本都进展了特地用于家庭把握的家庭把握总线；在网络家电的开发上抢占了先机；因此我们应当尽快发展和制定适合中国自己特点的智能小区把握和治理的家庭把握总线；1.3 本课题的主要任务基于以上对网络家电系统进出现状的考察，受美的

7、公司的托付，本课题将完成以下工作：1. 争辩几种主流总线 把握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把握和通信功能，部分节点不会影响系统稳固；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对对象， 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；而网络家电仍处于起步阶 段，普及程度远不及一般家电，其优势仍不能完全表现出来；在这样的形势下， 要想让网络家电尽快占据市场，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

8、用的需要，但是几乎全部 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担；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，由于 LonWorks 的价格门槛，它在楼宇方面的应用到底仍很少；选择在智能家电中安装 LonWorks 节点仍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，仍有售后服务即在购买者家中安装 LonWo

9、rks 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 以全国各大欢迎下载精品学习资源高校的金龙卡连网系统为例）； LonTalk协议本身也仍不曾像 CAN协议一样完全面对大众公开，为开发者熟识，如如直接购买协议，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，难度较大体会不足；构建 LonWorks 网络体系，没有现成的开发和测试平台支持，开发基于面对对象编程模式的网络服务系统实现监管和把握网络也成为遥不行及的目标；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；

10、而开发基于 CAN 总线的网络产品，开发周期短、开发工具简洁廉价这是LonWorks 不能比拟的优势；而且以一般网络家电产品；因此，当多个站同时请求总线存取时，总线将终止全部站的请求，这时将不会有任何一个站获得总线支配；CAN 接受位仲裁实现总线支配，这种方法可保证当不同的站申请总线存取时，明确地进行总线支配；这种位仲裁的方法可以解决当两个站同时发送数据时产生的碰撞问题；不同于Ethernet 网络的消息仲裁， CAN 的非破坏性解决总线存取冲突的方法，确保在不传送有用消息时总线不被占用；甚至当总线在重负载情形下，以消息内容为优先的总线存取也被证明是一种有效的系统；虽然总线的传输才能不足，全部

11、未解决的传输请求都按重要性次序来处理；在CSMA/CD 这样的网络中，如 Ethernet，系统往往由于过载而崩溃，而这种情形在 CAN中不会发生；2. CAN与 RS-485总线的比较RS485 总线不支持竞争，通信接受的是“一主多从”的方式，运行效率低高峰期易堵塞，而 CAN 总线具有非破坏性的总线仲裁，支持竞争，通信接受“多主对等”的方式； RS-485 总线通信及组网的灵敏性不强，通信速度也比较低CAN总线组网方式特殊灵敏，通信速度最大可达1Mbps；RS-485 总线标准只是一个电气标准，并没有自己的通信协议，无故障定位和错误处理功能，所以由RS-485 总线构成的网络爱护比较困难，

12、往往一个节点显现故障却要每个节点进行排查；而 CAN在这方面就具有较强的功能；综上对目前流行的家庭组网方式的争辩，接受现场总线进行家庭局域网的组建无论从可行性、经济性、技术难度上考虑都是正确的选择；在此基础上， 我们确立 CAN现场总线作为组建家庭网络的通信方案；2.2.3 估量达成目标依据合作公司提出的性能要求，综合考虑现行现场总线的进展情形，选择CAN 总线作为争辩的对象进行争辩和改造工作，我们的工作应当中意以下的技术要求：1. 通过对基于 CAN 总线的网络家电测控系统的争辩，建立起具有价格竞争力的、有用的、基于以太网的智能家电/ 以太网综合信息传输平台，并能通过互联网对美的公司的各种空

13、调实现实时的远程监控；2. 其中总线传输技术指标：低速传输速率9600bit ，高速传输速率 1Mbit ，通信距离 2000m，节点数 100，节点通信故障不能导致总线通信失败，总线具有自动排除故障节点的才能；自动地址支配功能，即插即用功能；3. 对 CAN 总线在现有的基础上进行改造，实现布线过程中节点连接的无极性特性；为了实现上述目标，我们将进行从户内的各种信息家电产品到住户欢迎下载精品学习资源智能家居的网络出口，再从该出口到达宽带以太网的综合信息传输平台的争辩开发；2.3 系统总体设计方案基于 CAN总线的网络家电测控系统的工作就是组建基于CAN 总线的家庭综合信息传送网络，并将该网络

14、与Internet实现互连，实现家庭信息的网络化；争辩的重点放在家庭总线网络的建立及其到宽带以太网的转换设备上，我们称这种设备为总线式家庭信息传输网络嵌入式以太网网关；2.3.1 系统总体结构设计基于 CAN 总线的网络家电测控系统包括家庭总线网络和Internet 接入设备两部分；其中的家庭网络主要由CAN 网络节点、嵌入式以太网网关两部分组成；其中嵌入式以太网网关就是作为家庭CAN 网络到 Internet 的连接设备，同时作为一个以太网的瘦服务器，向以太网的远程终端供应网络家电远程控降服务；由于一个住户只有一个以太网的出口，当有家用运算机时就存在IP 地址的共享问题；对于家庭而言不仅要实

15、现家电的网络化，同时必需保证家用PC机的正常网 10 络连接；因此，网络家电测控系统仍需要包含一个集线器HUB，让家庭 CAN 线网络通过以太网网关和家用 PC机同时接入 Internet ，使在进行远程网络家电把握的同时，不影响家用运算机正常接入互联网；由于多媒体信息的数据量远远大于总线网络的承担才能，家庭内部需要向Internet传送多媒体信息的设备是不行能通过家庭总线网络接入以太网的；让网络家电测控系统具备 HUB 功能的另一个优点就在于为以后家庭的其它多媒体信息例如：监视用摄像头的图像信息等 接入以太网预留了接口；测控系统的连接结构框图如图 2-1 所示：欢迎下载精品学习资源家庭总线网

16、络的组建是家电网络化的重要基础；嵌入式以太网网关在网络中是作为总线服务器设备，具有对网络的治理和把握的权限；而带有CAN 节点的各种家用电器是总线的节点设备也就是受控设备，只能对网络主设备的把握命令进行响应，具有总线上的通信才能；嵌入式网关同时预留RS-485、电力载波通信以及蓝牙的通信接口，为以后家庭网络的兼容和扩展留下了空间；嵌入式以太网网关在作为家庭总线网络服务器的同时也是一个嵌入式的以太网 Web 服务器，供应 Web 站点服务，完成家庭总线网络内部信息和以太网的数据交互；远程终端可以通过对 Web 服务器网页的浏览和通信猎取网络家电的信息，并对其中的可控部分进行远程把握，真正实现家电

17、的网络化；目前，美的公司的网络家电仍处于起步阶段，短时间内很难让大量的家庭拥有它的产品；在这种情形下，为每一个家庭配置一台嵌入式以太网网关无论从经济上仍是从有用性上都显得技术过剩；为此我们有一个过渡性的方案：本方案以小区作为总线通信范畴，在小区的服务中心配置以太网服务器将小区内部的网络家电接入 Internet ；小区内部的通信距离远远大于家庭内部的通信距离， 这就需要为 CAN 总线网络添加中继器，以扩大网络半径；过渡性网络的结构框图如图 2-2 所示：2.3.2 系统硬件设计方案1CAN网络节点欢迎下载精品学习资源CAN 网络节点接受 51 单片机作为处理器； 51 单片机以 SJA100

18、0独立 CAN把握器作为 CAN通信把握器， PCA82C250作为 CAN总线驱动器，组成 CAN网络节点的基本通信单元，进行 CAN总线上的数据通信；同时， 51 单片机直接与网络家电的把握板相连接，传送从CAN 总线网络获得的家电把握命令，由网络家电的把握板对网络家电进行把握；2. 嵌入式以太网网关嵌入式以太网网关物理结构示意图如图2-4 所示：嵌入式以太网网关接受 Rabbit2000 微处理器作为把握器；为了实现CAN 总线通信和一般的 CAN 总线节点一样带有 SJA1000独立 CAN 把握器作为 CA 通信把握器， PCA82C250作为 CAN 总线驱动器，组成 CAN 网络

19、部分的基本通信单元； 同时，为了实现以太网通信需要添加RTL8019AS以太网把握器作为以太网通信 把握器， 20F001N 作为双绞线驱动器，组成以太网部分的基本通信单元；并且结合一个一般的集线器，供应直接接入以太网的途径；2.3.3 系统软件设计方案系统相关软件程序的设计是系统的一个关键部分；本系统的软件设计需要完成以下几个方面的工作：1. CAN总线上节点之间通信程序的设计2. 嵌入式以太网网关网络把握程序的编写3. 嵌入式以太网服务器 Web 服务网站的设计以及 Web 服务程序的编4. 家用 PC机中配置的 CAN把握卡驱动以及 CAN通信程序的编写这里，通信程序主要接受C 语言进行

20、通信和节点把握程序的编写；接受欢迎下载精品学习资源DynamicC语言进行网络把握程序的编写；接受HTML 语言进行 Web 服务器嵌入式网页的设计；2.4 系统的关键技术 1家庭局域网的组建家庭局域网组网是网络家电技术的重要基础；处于同一智能家居之中的网络家电，信息家电和智能把握设备种类繁多，性能差异极大；通过家庭局域网的构建可以将它们有机地连接起来，实现信息共享；现场总线是今后自动把握领域主要的进展方向之一；然而，现阶段作为国际标准的现场总线已经有13 个类型之多；现场总线没有统一的标准，各种现场总线各有其技术特点，都有传统的应用领域，不存在能够适合全部过程把握的现场总线；争辩如何在一个智

21、能家居范畴之内在一条传输介质总线上实现智能家居把握治理信息的传输，使得网络家电技术在物理层上标准化，削减重复布线是本工程的目标；如何对从众多的现场总线中选择的合适的总线进行确定的设计或者改造以实现无极性家庭局域网的构建是本课题所要解决的第一个关键技术；2嵌入式以太网网关的设计如前所述，嵌入式以太网网关具有双重的功能：既能在家庭总线网络内部通信实现网络家电把握命令的传输，也具有以太网通信的才能，并作为Web 服务器供应基于以太网的远程通信，以网页服务的形式将家庭总线网络中家电的参数信息或者把握命令传递给远程用户；所以嵌入式以太网关的设计应当包括以上两个方面；在充分利用嵌入式系统优点的同时，嵌入式

22、系统的资源有限是系统设计中必定遇到的问题；目前的以太网通信广泛接受庞大的TCP/IP 协议栈， 所以如何利用嵌入式系统有限的资源实现包括以太网协议在内的TCP/IP 协议栈的移植以及嵌入式 Web 服务器的实现是本系统实现中的又一个关键的技术；3. 系统设计总结目前，我们设计实现的基于 CAN总线的家庭网络做到了如下： 1通过多种家庭网络组网方案的比较，确定接受CAN 总线组网，并对CAN总线的特点、主要技术指标及牢靠性进行了全面的论述，给出了完整的CAN总线家庭网络的组网方案；2. 设计并实现了 CAN 总线的通信节点，为基于 CAN 总线的通信奠定了基础；3. 通过对当前无极性网络的争辩、

23、比较、分析，提出了CAN 总线网络无极性化的设计方案，对 CAN总线节点进行了改造，设计出无极性的CAN 通信节点，并在 CAN网络的组网中成功应用；简化了家庭CAN 总线组网施工，为基于CAN 总线的家庭网络走向有用化迈进了一个台阶，很大程度上提高了系统的实用性；4. 提出了网络家电都通过主把握板的串口和标准的 CAN 通信节点连接的总线连接方案，这就统一了各种不同的网络家电在 CAN 总线中的通信，为实现从远程 PC机的 Web 浏览器到受控网络家电之间透亮通信制造了条件；5. 通过参考美的空调通信把握规约，并结合 CAN 总线数据帧的特点，设计了基本的 CAN网络通信协议，并在此基础上，

24、进行了 CAN 总线通信的测试；较好的实现了各个不同优先级别的总线仲裁，为进一步争辩基于 CAN 总线的家庭网络供应了框架；欢迎下载精品学习资源6. 适应家庭网络的需要，本文提出了接受可以常年运转的嵌入式以太网网关作为家庭把握中心的思路，并给出了完整的嵌入式以太网网关的设计方案； 通过分析选用 Rabbit2000 高档单片机作为嵌入式以太网网关的微处理器，设计并实现了嵌入式以太网网关；网关同时实现了CAN 网络内部的总线通信和基本的以太网通信，完成了两个网络之间的协议转换；这是家电网络化至关重要的一步；7. 嵌入式网关被成功地配置成嵌入式Web 服务器，实现了基于 CGI 的客户端与服务器之

25、间的交互；建立起了远程把握网络家电的模型，为进一步争辩网络家电的远程通信供应了参考；8. 利用学校良好的网络资源和网络环境作了大量模拟试验，建立了基于CAN 总线的网络家电测控系统的基本框架，为家电网络化的进程打下了坚实的基础；3.2 系统展望本系统处于总线式家庭网络争辩的初级阶段，仍有许多地方有待进一步的争辩：1. 嵌入式以太网网关性能的改进目前我们选用的 Rabbit2000 处理器具有 8 位单片机的正确性能，在实现以太网通信的同时，具备了简洁的Web 服务器功能；但是对于网络家居来讲这种简洁的 Web 服务是远远不够的，家庭服务器需要供应更丰富的网络家电把握才能，和更稳固、快速的网络通

26、信；这就需要我们的家庭服务器接受更优秀的处理器，更大容量的储备器，和更先进的Web 服务方式 例如 JAVA 技术；对此， 我们将进行 ARM 内核加载 CLinux嵌入式操作系统构建家庭服务器的争辩工作， 以期家庭服务器的各项性能指标能有大的提升；2. 家庭网络组网方案的进一步优化1 动态组网技术总线式家庭网络的一个最大特点就是不断有家电加入网络或者从网络中删除；对于新加入的节点，如何为其动态地支配唯独的地址；当这个节点长期断电撤销后，如何实现该节点地址的回收；这是需要争辩的家庭网络组网优化的动态组网技术；2 网络节点的热插拔功能由于网络家电在使用时的随机性：不使用时长期处于断电状态，使用时

27、加 入网络，以及在任何时刻 如：通讯过程中）都可能退出网络，因此总线式家庭局域网必需支持热插拔功能，这是总线式网络组网优化的又一个方向；3. 接受低压电力线作为通讯介质构建一种帮忙的总线式家庭局域网对于低速率家电的组网，我们认为利用无处不在的电力线最为合适；这种将供电和通讯合二为一的方法省去了重复布线的麻烦，插入信息家电的电源， 就在网络中增加了一个节点；以往限制电力载波通讯进展的主要问题是：速率低，距离近和牢靠性差；但由于近年来电力载波宽带扩频通讯技术得到了长足的进展，特殊是在小区集抄领域的大量实践，使其通讯距离 在无中继的情形下可达 1 2 公里）和牢靠性有了很大的改进，通快速率达到 10Kbps；组网的硬件成本也大为降低，国内已显现了具有自主学问产权的载波通讯芯片；由于我们的网络家电只在一个居室内互连，其距离最多不超过 250 M，信任这样的网络可以是健壮的；因此我们将对接受这种通讯介质的组网进行争辩，并和CAN 总线网络组合欢迎下载精品学习资源进一步提高家庭总线网络的有用性；100210108 姜彦平欢迎下载