摘  要： 為了實現(xiàn)樓宇自動化中的燈光照明系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)計，采用CAN總線協(xié)議實現(xiàn)各燈光節(jié)點的通信。硬件設(shè)計中，上位機節(jié)點使用PCI-CAN接口卡，各燈光節(jié)點主控制芯片使用PIC18F258，CAN收發(fā)器使用PCA82C250，并加入光耦隔離電路。同時對上位機節(jié)點及燈光節(jié)點進行軟硬件設(shè)計，使各燈光節(jié)點能夠?qū)崿F(xiàn)相互之間的靈活通信，同時可實現(xiàn)調(diào)光、降低能耗等功能。經(jīng)試驗，該系統(tǒng)通信穩(wěn)定，滿足了基本的設(shè)計要求。
關(guān)鍵詞： 控制器局域網(wǎng)；樓宇自動化；照明網(wǎng)絡(luò)

    樓宇自動化是智能建筑的重要組成部分，而燈光照明系統(tǒng)則是樓宇自動化系統(tǒng)中不可忽略的一個重要部分。如今，照明系統(tǒng)的設(shè)計目標(biāo)已經(jīng)不僅僅是在視覺鎖定的特定區(qū)域提供足夠的光線，還要更多地考慮到低諧波失真、高功率因數(shù)、光線強度調(diào)節(jié)、定向維護以及降低能耗等功能。同時，燈光的遠(yuǎn)程可控性也是現(xiàn)代照明系統(tǒng)要考慮的一個重要問題。這就需要燈光節(jié)點能夠通過某種通信協(xié)議來發(fā)送相關(guān)信息，以實現(xiàn)照明系統(tǒng)的遠(yuǎn)程控制[1]。
    當(dāng)前市場所售的嵌入式系統(tǒng)已經(jīng)可以實現(xiàn)上述功能。一些控制系統(tǒng)采用1 V~10 V的直流模擬量信號來實現(xiàn)光照強度的控制。另一些則采用數(shù)字控制，相較于模擬量的控制，這種方法更加可靠和靈活，并且能夠更有效地抑制噪聲干擾，同時也能夠滿足更加復(fù)雜的智能系統(tǒng)的控制要求，如照明調(diào)光專用的數(shù)字電源控制器，或基于通信協(xié)議的照明網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程控制。在這些應(yīng)用中，數(shù)字化可尋址調(diào)光接口（DALI）得到了廣泛的使用。DALI定義了電子鎮(zhèn)流器與設(shè)備控制器之間的通信方式，是一種數(shù)據(jù)傳輸?shù)膮f(xié)議。根據(jù)這種協(xié)議，熒光燈節(jié)點或LED節(jié)點可以通過高頻可調(diào)光電子式熒光燈鎮(zhèn)流器實現(xiàn)設(shè)備的開關(guān)及調(diào)光操作，并且可以反饋燈光的照明狀態(tài)及故障信息。但是，每個DALI照明控制系統(tǒng)的控制范圍為300 m，意味著每個DALI照明控制接口僅可用于一個中等規(guī)模的建筑物內(nèi)。因此，對于大型建筑物管理系統(tǒng)，需要通過網(wǎng)關(guān)或傳送器實現(xiàn)控制中心與被控單元的雙向通信[2-3]。
1 CAN總線照明網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)
    CAN總線(Controller Area Network)的最遠(yuǎn)通信距離可達(dá)10 km，采用載波監(jiān)聽多路訪問（CSMA/CD）的方式，其節(jié)點擴展接線簡單，具有良好的可靠性和實時性。一個標(biāo)準(zhǔn)的CAN通信節(jié)點由微控制器、CAN控制器及CAN收發(fā)器組成?？偩€各節(jié)點之間可以直接通信，無需通過中央控制器[4]。
    本文介紹的樓宇自動化照明系統(tǒng)是一種基于CAN總線的照明網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，其系統(tǒng)框圖如圖1所示。PC機通過CAN-PCI接口卡連接到CAN總線，作為CAN總線網(wǎng)絡(luò)中的一個節(jié)點。通信協(xié)議采用CAN2.0A標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)的標(biāo)識符長度為11 bit，因此可以設(shè)定2 048個可用標(biāo)識符或邏輯地址，其中每一個都可以設(shè)定為一個有特定功能的節(jié)點，這些節(jié)點的主要功能包括單個或一組燈具的開關(guān)及調(diào)光，環(huán)境傳感器的監(jiān)測，以及故障診斷。在本設(shè)計中，網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點包括照明設(shè)備、環(huán)境傳感器、上位機節(jié)點及照明網(wǎng)絡(luò)與其他網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)關(guān)(如CAN轉(zhuǎn)ZigBee無線通信用以與系統(tǒng)內(nèi)的其他無線單元通信，或CAN轉(zhuǎn)以太網(wǎng)遠(yuǎn)程通信以實現(xiàn)系統(tǒng)的遠(yuǎn)程客戶端控制)。

2 節(jié)點硬件設(shè)計
    本設(shè)計的上位機節(jié)點采用周立功單片機公司的PCI5121智能CAN接口卡，該接口卡可直接通過PCI總線將PC方便地連接到CAN總線上。
    各燈光節(jié)點及傳感器節(jié)點采用集成有CAN控制器的PIC18F258為節(jié)點主控制器，PCA82C250作為CAN收發(fā)器。為了增強CAN節(jié)點的抗干擾能力，電路中增加了光電耦合隔離模塊，具體采用6N137高速光電耦合器來實現(xiàn)。為了使CAN收發(fā)器免受過流沖擊，其CANH與CANL引腳分別通過一個5 Ω的電阻連接到CAN總線上[5]。電路使用主控制器的CCP引腳，外接LED恒流驅(qū)動器來控制燈光亮滅及亮度，使用外部中斷引腳進行錯誤監(jiān)測。
    LED燈管的發(fā)光輝度由其驅(qū)動電流決定，因此需要專門的電源管理驅(qū)動電路。以其中一個燈光節(jié)點為例。如針對需要調(diào)光的LED床頭燈燈光節(jié)點，該節(jié)點使用一顆大功率LED燈珠，其額定功率為3 W。使用PT4115高調(diào)光比LED恒流驅(qū)動器，通過該驅(qū)動器的DIM引腳，可以使用主控制器的PWM輸出來進行LED燈管的亮度調(diào)節(jié)。通過PWM占空比的調(diào)節(jié)，LED的輸出電流可以達(dá)到0%~100%的變化。這種方法的優(yōu)勢是可以在不改變LED色度的前提下進行燈光亮度的調(diào)節(jié)。當(dāng)DIM引腳接入0.3 V以下電壓時，可以實現(xiàn)系統(tǒng)的關(guān)斷。
3 系統(tǒng)軟件設(shè)計
3.1 上位機節(jié)點軟件設(shè)計
    上位機節(jié)點采用的PCI5121智能CAN接口卡為本系統(tǒng)提供了便利的上位機監(jiān)測條件，并且為用戶提供了API接口，使用戶可以通過在Visual Basic直接調(diào)用該接口進行用戶操作界面的編寫，即可處理CAN節(jié)點接收到的數(shù)據(jù)，并且通過便捷直觀的操作對系統(tǒng)中的各個燈光節(jié)點進行相應(yīng)的控制。
    上位機操作為使用Visual Basic設(shè)計的操作界面。用戶可以自行添加新的傳感器節(jié)點或照明節(jié)點，方便用戶維護和更新設(shè)備。在傳感器配置部分，需要自行設(shè)定傳感器采樣時間等相關(guān)信息。界面設(shè)定了定時功能，用戶可以根據(jù)需要自行設(shè)定在指定的時間打開指定的照明燈組。照明調(diào)光等級使用滑動按鈕。除了手動開關(guān)外，用戶還可以設(shè)置為全自動模式，系統(tǒng)可以根據(jù)光線明暗自行決定打開某些燈光，在人離開紅外傳感器感應(yīng)區(qū)域后，則自行關(guān)閉燈光。
3.2 燈光節(jié)點軟件設(shè)計
    本設(shè)計CAN通信采用CAN2.0A協(xié)議，該協(xié)議采用11 bit標(biāo)識符。設(shè)計中為每個節(jié)點分配2個幀ID，一個用來接收本僅本節(jié)點接收的數(shù)據(jù)，另外一個用來接收全局?jǐn)?shù)據(jù)。
    各節(jié)點分兩個步驟來接收PC機的命令。首先PC發(fā)送一個4 B的功能碼，這個功能碼指明了指定節(jié)點要執(zhí)行的任務(wù)類型。各節(jié)點根據(jù)該功能碼的幀ID，確定是否接收該命令，并向PC回復(fù)一個確認(rèn)幀。然后PC再發(fā)送一個數(shù)據(jù)幀，給出任務(wù)的具體參數(shù)。同樣地，各嵌入式節(jié)點向PC發(fā)送信息也分為兩個步驟，首先發(fā)送有特定幀ID的功能碼，收到回復(fù)信息后發(fā)送具體信息內(nèi)容。
    燈光節(jié)點的軟件流程圖如圖2所示。首先應(yīng)該對系統(tǒng)進行初始化配置，除了對單片機的I/O口、中斷等配置外，還應(yīng)進行CAN控制器模塊的配置，其中包括CAN波特率設(shè)置、驗收濾波模式設(shè)置、CAN接收屏蔽寄存器及驗收濾波寄存器設(shè)置、中斷優(yōu)先級設(shè)置等。

    各節(jié)點除了與PC通信外，CAN總線的多主工作方式使各節(jié)點之間也可以直接通信，這對于智能照明系統(tǒng)有著便利的優(yōu)勢。例如，環(huán)境傳感器節(jié)點可以根據(jù)傳感器監(jiān)測到的信息（如日光光照強度）來控制照明燈組；或者，如果有一個照明燈出現(xiàn)故障，可以觸發(fā)臨近的照明燈調(diào)節(jié)光照強度來補償該故障造成的光照強度的降低[6，7]。
    智能照明控制系統(tǒng)作為樓宇自動化的一個必不可缺的重要組成部分，是將來樓宇自動化發(fā)展的一個重要領(lǐng)域。近年來，CAN總線越來越多地應(yīng)用于除了汽車電子之外的各個領(lǐng)域，具有穩(wěn)定性好、價格低廉及便于擴展等優(yōu)點。本設(shè)計將CAN總線應(yīng)用于樓宇自動化的照明系統(tǒng)，采用了集成有CAN控制器的PIC18F258芯片，具有集成度高、穩(wěn)定性強、抗干擾等優(yōu)點。設(shè)計中對燈光節(jié)點進行了軟硬件的設(shè)計，經(jīng)試驗，系統(tǒng)通信穩(wěn)定，達(dá)到了預(yù)期設(shè)計要求。
參考文獻(xiàn)
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