CN102298380A - 基于现场总线技术的智能控制网络 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于现场总线技术的智能控制网络，包括CAN控制器和CAN终端节点，其特征在于所述CAN总线控制器与CAN终端节点之间采用CAN总线协议进行通讯，所述CAN终端节点之间采用CAN总线协议进行通讯。本发明的基于现场总线技术的智能控制网络，通过简单统一的CAN总线方式，实现了长距离，高实时性，低故障率，可扩展性强，稳定可靠，适用面广的控制***。

Description

基于现场总线技术的智能控制网络

技术领域

本发明涉及一种智能控制网络，尤其涉及基于现场总线技术的智能控制网络。

背景技术

CAN是ISO标准化的串行通信协议，CAN现场总线技术以其通信速率高、抗干扰能力强、通信距离长(可达千米以上)、通信稳定、成本较低等诸多技术优势广泛应用于汽车电子控制***、工业船舶自动化、医疗和工业设备等方面。随着技术的完善，愈发广泛的应用在工业控制现场。

CAN总线是一种多主从总线***，网络上任意节点可在任一时刻主动向网上其他节点发送信息，不分主从，便于构建分布式控制***。通信介质可以是双绞线、同轴电缆或光纤，通信速率可达1Mbps。

目前已经出现了多种智能控制***，如智能家居电源控制、CAN总线控制的电源开关、住宅智能化控制装置等，广泛应用了CAN总线。

CN201020219542.5公开了一种智能家居电源控制器，如附图1所示的结构，其涉及一种通过本地控制模块和远程控制控技术，使用通用控制器实现远程家电、设备无线控制。红外遥控装置接口控制家庭电源以及家用电器的工作状态的控制器，嵌入式微处理器接本地控制模块、远程控制接口、电源管理单元和执行器装置。本地控制模块为红外收发器组成。远程控制接口有Zigbee无线接口和CAN总线接口。执行装置的数字功率开关的受控制的输出引脚与交流电源的火线相连，输出端接家庭电源、电器的电源插座。该实用新型通过本地控制模块和远程控制接口控制家庭电源以及家用电器的工作状态，满足用户在任意时间、任意地点、任意状态下控制家中电源与电器工作状态的需求。

然而需要注意到，该申请公开的***只能控制有限个数字功率开关，仅能实现控制器控制强电开关，进而实现设备的启停功能；只能由主控制器集中读取状态和发送控制指令；粗略提供CAN接口与Zigbee无线通信接口，不涉及控制器之间通信网络协议的设计和实现；不涉及上位机通信控制原则；红外控制接口功能单一，不能适应各个种类，多种型号设备，并且该申请公开的技术开关使用数字功率开关，发热量大，成本高，而且关断不可靠，有漏电流。同时需要注意到该技术所能实现的控制网络构建固定，无法实现实时挂载。

CN200720139203.4公开了一种CAN总线控制的电源开关，如附图2所示，包括有固态继电器、CAN节点、CAN节点电源模块及辅助电路组成。基于Can总线技术，上位机可以通过双绞线控制电源开关，实现电源的开通和关断控制，并且本身电源的开关状态可以通过CAN总线反馈给上位机。该电源开关所有组件均固化在一个结构紧凑的一体化模块内，构成独立完整的带CAN总线控制接口的电源开关。

然而，该申请所公开的技术使用固态继电器，会产生漏电流，压降大，温升高，产品可靠性低；所使用的MCU、CAN控制器、收发器等均为独立部件，会增加成本，降低可靠性，增大产品体积和功耗。

所使用的独立完整的电源开关意味着扩展性差，功能单一，应用范围小。

完全封装对于长时间使用的电源开关来说散热等问题较大，故障率升高。

总体来说该技术集中于单个节点的开关控制应用，功能简单，适用面窄。

CN01246833.9公开了一种住宅智能化控制装置，如图3所示，是一种用于住宅安保和智能监控的智能装置。该装置主要解决住宅的监控报警，“三表”远端抄报，遥控住宅电气的综合智能化控制问题。整个装置包括住宅控制主机，门禁控制器，手持式遥控器，家用电器开关控制器，家用电器遥控控制器，无线门磁传感器，无线探头适配器等七个部分。主机对外分别连接电话线和小区管理数据总线，对内分别连接室内各种控制器和传感器，进行监视报警，仪表抄报，电器遥控。主机设有电话线、CAN总线、内部RS232、探头和无线电多个接口。既有有线连接通道，又有无线连接通道，既有电话线接口用于大区制联网，又有现场总线接口用于小区联网。

然而该申请公开的技术方案存在下述缺陷：

1、接口数量多，不利信号统一传递，软硬件成本都有大幅提升；

2、整个属于主从结构，信号的读取，处理，以及命令的发送都是由中心控制器完成，出错概率大，***瘫痪可能性高，并且对于实时性请求无法及时处理。

3、电源模块处理简单，不利于稳定供电，故障率高。

4、***庞大复杂，不利于维护和扩展。

5、未涉及上层协议的设计和使用。

综合上述可以看到，已有的控制***，对于CAN总线技术应用于工业现场与家居自动化控制，现有技术主要集中于单个开关节点的实现，未涉及各个节点间的逻辑控制协议以及与上位机交互的实现方式。对于智能家居应用来说，仅控制电源的开关显然不是未来生活方式的理想状态，对于舒适可靠的操作方式，多样而且兼容性好的终端操作的实现急需通过技术攻关方能实现。而对于工业现场，智能楼宇控制网络等，安全可靠的通信和控制，稳定多样的操作方式则是最需要关注的问题。

本发明公开的技术方案，通过简单统一的总线方式，实现长距离，高实时性，低故障率，可扩展性强，稳定可靠，适用面广的控制***。

发明内容

本发明公开了基于现场总线技术的智能控制网络，针对现有基于总线结构的智能控制***所存在的问题，提供了一种全面的，扩展性强的解决方案，满足用户随时随地对***进行操作与监控，并且拥有出色的操作感受。

本发明公开的基于现场总线技术的智能控制网络，包括CAN控制器和CAN终端节点，其特征在于所述所述CAN终端节点之间采用CAN总线协议进行通讯，CAN控制器与CAN终端节点之间采用CAN总线协议进行通讯。

本发明中，使用了CAN总线协议实现CAN节点之间的通信，在此基础上，本发明还进一步的通过上层协议规范节点间的识别和优先级，实现节点间信息通信，并通过与总机协商的方式实现***节点的实时挂载，完成***波特率的制定。所述上层协议对数据按照规则进行打包，传递，并从CAN的每一原始帧(CAN的基本通信单元)中提取出传递的信息，并判断传递过程中是否因为受到干扰而出错，并最终得到完整的，可用的数据，从而实现数据通信。从而实现了更准确的信息识别和定义，用以在CAN网络中，以及CAN网络与上位机进行通信，在大数据量，多节点网络中实现节点间的识别和优先级的确认，实现节点间信息通信，并通过与总机协商的方式实现***节点的实时挂载，并完成***波特率的制定。通过采用上层协议进行通信，进一步的保证了智能控制***的数据能在总线上进行准确无误，可靠，及时的传递并被理解。

对于本领域技术人员而言，也可以采用其它一些现场总线协议实现节点之间的通讯，例如RS485、Profibus、X-10、CEBus、EIB、ApBus、I2C、SPI、LonWork、HART、FF、Zigbee等，上述现场总线协议是广为周知的，其所代表的技术内容均可从已公开的技术标准中获悉，诸如此类的技术概念、技术内容、实现方法是本领域技术人员可以获知和实现的。采用此类总线协议替代本发明所述的CAN总线协议实现终端节点间的通信是本领域技术人员容易想到的等同替换，依旧属于本发明的保护范围。然而对于本发明而言，采用CAN总线协议是最优的。

在本发明中，所述CAN控制器集成于MCU内部，CAN控制器通过CAN收发器芯片实现CAN终端节点与总线的通信。本发明中的CAN总线通信可以通过多种单片机实现，包括STC系列产品，PIC系列产品、AVR系列产品、ATM系列产品等均为本领域广泛使用的，其中有集成CAN总线控制器的芯片，也有通过SJA1000等CAN总线控制器连接82C250等CAN总线收发器实现通信，然而这种实现方式可靠性较低，电路复杂，功耗高，芯片面积大，因此本发明中所用的MCU优选为STM8和STM32系列单片机，其内部集成CAN控制器，通过CAN收发器芯片82C250实现CAN节点与总线的通信。

在本发明中，CAN终端节点连接有A/D转换模块和数字控制模块，实现多种终端的信号接收，并解析处理成相应的数据，通过CAN总线协议通讯给其它CAN终端节点实现对终端设备的控制。

所述多种终端包括传感器、开关、控制器。所述传感器包括红外传感器、压力传感器、湿度传感器、温度传感器中的一种或多种；所述开关包括机械开关、触摸按键、触摸滑条、触摸滚轮中的一种或多种；所述控制器包括温控、声控、光控、红外遥控中的一种或多种。

上述的触摸按键尤其可以是RC电容触摸按键，实现无触点，高舒适度的现场操作感受。

尽管申请人上述列举了常见终端的类型，但是申请人不可能穷举所有的传感器、开关、控制器，对于本领域技术人员，只要是符合本发明精神所述的终端类型，都被本发明所涵盖。

通过CAN总线将终端信号传输给用于控制的CAN终端节点后，其输出控制信号，包括通过PWM或其它信号控制MOSFET管、可控硅、IGBT等实现电机调速，灯光明暗调节中的一种或多种；或通过对开关信号的控制实现电磁阀门开关、报警器启停、电磁继电器开关、信号接收器启停中的一种或多种。

在上述基础上，本发明的基于现场总线技术的智能控制网络，CAN控制器连接有上位机，控制器与上位机通过USB接口或其它接口连接实现智能控制网络与上位机的信号传递，从而实现上位机通过可视化软件窗口实现实时对智能控制网络各个节点的操作。

进一步的，本发明的基于现场总线技术的智能控制网络通过上位机可以实现与外部网络的交互，通过上位机与外部网络之间的通信，进而达到远程操控***各个节点和实时查看监控***信息及通过脚本编程的方法实现自动控制的目的。与外部网络的连接方式可以是通过互联网的方式进行连接，还可以是通过移动通信网络的方式进行连接。对于本领域技术人员而言，具体的互联网类型和移动通信网络类型是不受到限制的，所述的互联网可以是基于铜线传输的有线网络，还可以是通过光纤传输的有线网络，还可以是通过电力线或者电视信号线传输的有线网络；所述移动通信网络包括GSM网络、CDMA网络及GSM网络、CDMA网络的3G、4G演进版本。

为了实现CAN节点间短距离无线通信，增强了整个***的适用范围，本发明的基于现场总线技术的智能控制网络还可以进一步的通过设置连接Zigbee无线网络，所述Zigbee无线网络包括连接于CAN总线上的Zigbee网络接口和与Zigbee网络藉口连接的Zigbee终端。

为了实现通用型设备远程操控，本发明的基于现场总线技术的智能控制网络还可以进一步连接学习型红外遥控，从而使得本发明适用面大，使用方便可靠。

进一步的，依据上述基于现场总线技术的智能控制网络，本发明还公开了一种工业现场与家居自动化智能控制方法，包括下述步骤：

(1)CAN终端节点接收多种终端的信号，所述多种终端包括传感器、开关、控制器；

(2)CAN控制器通过CAN收发器实现步骤(1)的CAN终端节点与总线的通信，将所接收的信号通过CAN总线协议通讯给其它CAN终端节点；

(3)步骤(2)CAN终端节点通过输出PWM或其它信号控制MOSFET管、可控硅、IGBT等实现电机调速，灯光明暗调节中的一种或多种；或通过对开关信号的控制实现电磁阀门开关、报警器启停、电磁继电器开关、信号接收器启停中的一种或多种或开关信号。

与现有技术相比，本发明具有下述的显著技术优势：

(1)通过构建CAN总线通信和上层协议实现各个节点以及主控制器之间的信号传输与控制，达到稳定可靠，抗干扰能力强的目的；

(2)通过使用集成CAN控制器的MCU，达到降低成本，降低功耗，提高可靠性，减少单个节点体积的目的；

(3)上位机与外部网络通过使用移动通信网络与主控PC机进行交互实现远程自动化操作；

(4)终端节点通过实现PWM或其它信号控制MOSFET管、可控硅、IGBT等输出进行电机转速调节达到无极调速，安全操作的目的；

(5)通过使用电磁继电器，实现开关可靠关断，发热量低的效果；

(6)通过节点与总线协商机制实现了实时挂载识别功能。

附图说明

附图1为CN201020219542.5的结构示意图；

附图2为CN200720139203.4的结构示意图；

附图3为CN01246833.9的结构示意图；

附图4为本发明的基于现场总线技术的智能控制网络结构示意图；

附图5为本发明的基于现场总线技术的智能控制网络结构示意图；

附图6本发明的基于现场总线技术的智能控制网络结构示意图，连接有Zigbee无线网络；

附图7为本发明的基于现场总线技术的智能控制网络结构示意图，连接有学习型红外遥控；

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行进一步的解释：

如附图4、附图5所示，本发明公开的基于现场总线技术的智能控制网络，包括CAN控制器和CAN终端节点，CAN终端节点之间采用CAN总线协议进行通讯。CAN控制器与CAN终端节点之间采用CAN总线协议进行通讯。CAN终端节点从其它终端接收信号，并解析处理成相应的数据通过CAN总线协议通讯给其它CAN终端节点实现对终端设备的控制。进一步的，本发明的基于现场总线技术的智能控制网络在CAN总线协议的基础上通过上层协议规范节点间的识别和优先级，实现节点间信息通信，并通过与总机协商的方式实现***节点的实时挂载，完成***波特率的制定。

通过CAN总线将终端信号传输给用于控制的CAN终端节点后，其输出控制信号，包括通过PWM或其它信号控制MOSFET管、可控硅、IGBT实现电机调速，灯光明暗调节中的一种或多种；或通过对开关信号的控制实现电磁阀门开关、报警器启停、电磁继电器开关、信号接收器启停中的一种或多种。

在上述基础上，本发明的基于现场总线技术的智能控制网络，其控制器连接有上位机，控制器与上位机通过USB接口或其它接口连接实现智能控制网络与上位机的信号传递，从而实现上位机通过可视化软件窗口实现实时对智能控制网络各个节点的操作。

进一步的，本发明的基于现场总线技术的智能控制网络通过上位机可以实现与外部网络的交互，通过上位机与外部网络之间的通信，进而达到远程操控***各个节点和实时查看监控***信息的目的。与外部网络的连接方式可以是通过互联网的方式进行连接，还可以是通过移动通信网络的方式进行连接。对于本领域技术人员而言，具体的互联网类型和移动通信网络类型是不受到限制的，所述的互联网可以是基于铜线传输的有线网络，还可以是通过光纤传输的有线网络，还可以是通过电力线或者电视信号线传输的有线网络；所述移动通信网络包括GSM网络、CDMA网络及GSM网络、CDMA网络的3G、4G演进版本。

附图6所示的结构，在附图5的基础上，进一步的连接有连接Zigbee无线网络，所述Zigbee无线网络包括连接于CAN总线上的Zigbee网络接口和与Zigbee网络接口连接的Zigbee终端。

附图7所示的结构，在附图5的基础上，进一步连接有学习型红外遥控。

Claims (10)

1.基于现场总线技术的智能控制网络，包括CAN控制器和CAN终端节点，其特征在于所述CAN终端节点之间采用CAN总线协议进行通讯，所述CAN控制器与CAN终端节点之间采用CAN总线协议进行通讯。

2.根据权利要求1所述的基于现场总线技术的智能控制网络，其特征在于所述CAN控制器集成于MCU内部，所述CAN控制器通过CAN收发器芯片实现CAN终端节点与总线的通信。

3.根据权利要求1所述的基于现场总线技术的智能控制网络，其特征在于所述的CAN终端节点连接有A/D转换模块和数字控制模块，实现多种终端的信号接收和控制，并解析处理成相应的数据通过CAN总线协议通讯给其它CAN终端节点；所述多种终端包括传感器、开关、控制器。

4.根据权利要求3所述的基于现场总线技术的智能控制网络，其特征在于所述传感器包括红外传感器、压力传感器、湿度传感器、温度传感器中的有一种或多种；所述开关包括机械开关、触摸按键、触摸滑条、触摸滚轮中的一种或多种；所述控制器包括调速、调压、调频、温控、声控、光控、红外遥控中的一种或多种。

5.根据权利要求1所述的基于现场总线技术的智能控制网络，其特征在于所述的CAN终端节点输出控制信号，包括通过PWM或其它信号控制MOSFET管、可控硅、IGBT实现电机调速，灯光明暗调节中的一种或多种；或通过对开关信号的控制实现电磁阀门开关、报警器启停、电磁继电器开关、信号接收器启停中的一种或多种。

6.根据权利要求1所述的基于现场总线技术的智能控制网络，CAN控制器连接有上位机，其特征在于所述CAN控制器通过USB接口或串口连接上位机，实现智能控制网络与上位机的信号传递，上位机通过软件实现实时对智能控制网络各个节点的操作。

7.根据权利要求6所述的基于现场总线技术的智能控制网络，还连接有外部网络，用于远程查看所述智能控制网络的实时监控信息和控制所述智能控制网络的操作，其特征在于所述智能控制网络与外部网络通过互联网或移动通信网络的方式进行连接，所述移动通信网络包括GSM网络、CDMA网络及GSM网络、CDMA网络的3G、4G演进版本。

8.根据权利要求1所述的基于现场总线技术的智能控制网络，还包括通过Zigbee无线网络通讯实现CAN节点间无线通信，增强智能控制网络的适用范围；所述Zigbee无线网络包括连接于CAN总线上的Zigbee网络接口和与Zigbee网络接口连接的Zigbee终端。

9.根据权利要求1所述的基于现场总线技术的智能控制网络，还包括连接有学习型红外遥控。

10.工业现场与家居自动化智能控制方法，包括下述步骤：

(1)CAN终端节点接收多种终端的信号，所述多种终端包括传感器、开关、控制器；

(2)CAN控制器通过CAN收发器实现步骤(1)的CAN终端节点与总线的通信，将所接收的信号通过CAN总线协议通讯给其它CAN终端节点；

(3)步骤(2)CAN终端节点通过输出PWM或其它信号控制MOSFET管、可控硅、IGBT实现电机调速，灯光明暗调节中的一种或多种；或通过对开关信号或其它配置信息对实现电磁阀门、报警器、电磁继电器、信号接收器中的一种或多种设备进行控制。

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