住宅小区智能管理系统------基于CAN总线的安防报警器系统设计

住宅小区智能管理系统------基于CAN总线的安防报警器系统设计
刘超
摘要：随着现代化科技的高速发展，人们的生活方式日新月异，即使是与人们息息相关的生活空间也早已突破了传统上仅限于对住宅地理、空间、环境等方面的需求，社会大众已经开始对住宅的安全性和舒适性提出了更高的要求。本文将重点基于CAN总线来谈谈住宅小区中的安防报警系统的设计。
关键字：智能小区；CAN总线；安防系统；设计
一、智能小区安防系统概述
随着科学技术的发展，家用电器和燃气等工具大量进入日常生活，而不断增加的城市流动人口都对小区保安系统提出新的挑战。传统的只靠人工的方式或者依赖简单的电子产品进行工作的安防系统已很难满足当前的需要。这便推动了以计算机控制为主要手段的智能小区和智能安防系统的发展。
智能小区，是将智能化系统使用在小区物业管理服务中。充分利用通信技术、计算机技术、控制技术和多媒体技术实现服务、系统资源的共享，实现以人为本和可持续发展的最终目标。智能安防系统是利用闭路监控设备、电子巡更设备、可视对讲设备和周界防范设备实现小区安全的智能报警系统。它一方面能主动阻止非法入侵，实现对重点区域的保护功能；另一方面能在发生相关案件后作为破案的辅助工具和依据。
对住宅智能化和智能网络的研究可以追溯到1979年，当时美国斯坦福研究所提出对家用电器设备和电器控制线统一为控制总线的设想。并于1989年成功推出了由空调控制、电力供应和数据通信为整体的总线系统单元。这种智能住宅在欧美等发达国家得到广泛的认同。在国内，智能化技术发展较快，但由于起步较晚，市场开发较慢，智能化建设依然处在出具阶段。相当部分的小区依旧采485总线的控制方式，存在集成度不高、节点功能有限的弊端。
实现智能小区总线化控制，构建接口扩展性强、响应速度快的智能安防报警系统具有重要的市场价值和实践意义。本系统采用CAN总线的方式实现智能小区的网络化控制，主要包含以下部分：
1.CAN总线应用通信协议；2.中央控制处理器软件；3.网线网关模块；4.用户终端报警模块；5.系统扩展，与门禁系统等集成与扩展方式。
二、智能安防系统设计方案
1.系统总计架构
基于现场总线的网络化控制，在这个系统上一个智能节点对应一个用户。由监控中心的中央控制器作为整个智能网络的主控节点，采集分散在住户家中的安防报警主机终端是总线上的智能节点上各种不同类型的探头的信息进行监控。这样就实现了通过现场总线的方式将所有节点上相关的信息传递给中央控制器，使安保人员能在PC机上进行实时监控。
2.系统中央控制器设计
在这个安防系统中，中央控制器是最高层节点，功能是将CAN总线上接收的各种报文，并将数据通过以太网传输到监控端PC上，以便进行实时监控。设定为具有2路CAN总线接口，系统设定的总容量达到20000个。在设计过程中开率到作为系统的总控制节点的PC机的可能出现的不稳定因素，必须能在PC机发生故障时对所有获得的报文进行存储备份，以便安保人员可以通过简单控制来查看存储的内容，中央控制器还设置了一路串口可连接微型打印机。

a.主控CPU
在单片机系统中，ARM核以其小体积、高性能、紧凑代码密度和低功耗的出色结合而著名。它采用的RISC结构性能优良，是现有的嵌入式系统处理器最佳体系结构。[2]
本系统采用由Philips公司生产32位基于ARM体系架构的CPULPC2292。该芯片采用ARM7TDMI-S内核，拥有包括256kB片内Flash和16kB片内静态RAM、内建2路CAN控制器、4路A/D转换器、2个工业标准的UART、多个32位定时器、高速I2C接口、2个SPI接口等丰富的片内资源。
内置的2路CAN控制器构造与访问方式提供先进的过滤验收功能并于与市面上常见的CAN控制器相兼容，可以很方便地构成CAN总线传输接口，降低了系统硬件设计的难度。
b.CAN总线接口
系统中，采用Microchip的MCP2551CAN驱动芯片作为CAN驱动器，与LPC2292内部的2路CAN控制器构成CAN总线接口。MCP2551最高支持1Mb/s的运行速率，可适用于12V/24V系统，是完全兼容ISO11898标准物理层的CAN驱动芯片，具有短路保护、自动检测TXD输入端接地错误、未上电或欠压不影响CAN总线、自动热关断保护等优点。
c.网络传输模块
网络传输采用DM9000，其内部集成MAC、PHY等功能模块。连接方式如下：LPC2292的CS3连接到DM9000的片选nCS，LPC2292的P0.7连接到中断INT，配置为外部中断EINT2，使LPC2292响应DM9000触发的中断信号。通过这样的设计可以完成在网络的触发中实现信息的网络传输。
d.用户界面与输出模块
用户界面采用按键键盘和字符型液晶。液晶显示器控制线和数据先连接在GPIO管脚，通过IO模拟的方式由CPU进行操作和控制。键盘用来控制浏览存储事件，通过外部中断的形式让系统接收键值来实现所要求的命令。
中央控制器还提供继电器输出和串口输出。继电器输出用来连接外部相关显示设备，用来指示中央处理器接收到的相关事件信号。串口输出有共有两路，一路为UART0,用来连接微型打印机或超级终端，在中央控制器接收到相关信号后依据设定的信号ID来打印或显示事件信息；另一路是UART1，是操作系统μCLinux的shell，作为调试接口，为产品维护和升级提供便捷的接口。
e.电源模块
中央控制器采用良好总供电方式：直流电池和交流。正常工
时由交流供电，此时直流电池处于充电状态，若发生紧急状况，流电源被切断，系统则自动切换为由直流电池供电。
采用安培桥式整流器KBPC610和开关电源调节器LM2596共同成供电电路，其可以产生5V的直流电压，将其利用2片LM1117产CPU与IO所需的1.8V和3.3V直流电压。
同时，在交流输入和直流输入的电路上各取一个监测点，连到LPC2292的AD输入管脚利用AD转换的方式实时监控系统的供电情况。

3.软件架构
本系统中采用的μClinux操作系统，是针对不具有内存管理单元（MMU：MemoryManagementUnit）的微处理芯片。μClinux修改和裁减了大量内核代码，采用romfs文件系统，采用静态链接形式执行用户程序等，节省了大量内存空间，小型化了Linux操作系统又保留了Linux系统的优秀特性。[3]
a.Bootloader编写
Bootloader是系统的引导软件，这部分主要完成安排中断向量、设置系统运行环境和内存拷贝跳转。
b.驱动程序的编写与移植
μClinux采用实存储器管理策略，对内存的访问是直接送到地址线上输出，在程序中访问实际的物理地址。处于用户态的用户进程可以直接操作设备的物理寄存器以实现驱动程序的功能。[4]
中央控制器模块需要对字符型LCD、CAN接口、键盘、串口、DM9000网络芯片做驱动开发，其中DM9000为网络设备驱动，其余为字符型设备驱动。
c.应用层软件设计
在μLinux的基础上，主要有以下功能：CAN收发进程：实现设备上读取数据，并将其写入到连接UDP网络进程的命名管道中；根据接收到的信号向CAN驱动发送数据帧。继电器控制进程：控制继电器输出。
轮询控制进程：每隔一定的时间向CAN收发进程和UDP网络进程发送信号，启动轮询。
界面进程：每隔一定的时间对系统的输入电压进行检测，如发现交流电断电，后备电池电压低等情况，更新字符型LCD的显示界面。
d.软件流程
报警主机的主控CPU采用AT89C51CC01CA，主体架构是基于主循环的单任务机制，系统完成初始化工作后进入该循环，在其中依次完成输出IO轮询、防区轮询处理、用户按键处理、CAN总线事件发送等各项子任务。
三、系统测试与总结

在该项目中构造了基本硬件系统，设计了CAN应用层通信协议，承担了CAN网关、LCD报警主机和中央控制器各个模块的软件编码工作，其中涉及到嵌入式系统、现场总线、Linux操作系统、ARM平台等多方面的技术。
本系统在嵌入式操作系统的基础上完成了一套基于CAN总线的智能小区安防报警系统。该系统利用先进的CAN总线技术作为技术手段，具有可靠性高、扩展性强、响应速度快的优点。
该套基于CAN总线的智能小区安防报警系统的已经成功推向市场，在多个新建成的智能小区得到应用，充分体现了本系统的市场意义和实践意义。
参考文献：
[1]张振昭，许锦标.楼宇智能化技术.机械工业出版社.2003.6.
[2]马忠梅，李善平，康慨等编著.ARM&Linux嵌入式系统教程.北京航空航天大学出版社.2004.9.
[3]饶运涛，邹继军，郑勇芸.现场总线CAN原理与应用技术.北京航空航天大学出版社.2003.6.

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