基於現場總線技術的智能控制網絡的製作方法

2023-10-27 10:16:07

專利名稱：基於現場總線技術的智能控制網絡的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及智能控制網絡，尤其涉及基於現場總線技術的智能控制網絡。
背景技術：
CAN是ISO標準化的串行通信協議，CAN現場總線技術以其通信速率高、抗幹擾能力強、通信距離長(可達千米以上)、通信穩定、成本較低等諸多技術優勢廣泛應用於汽車電子控制系統、工業船舶自動化、醫療和工業設備等方面。隨著技術的完善，愈發廣泛的應用在工業控制現場。CAN總線是一種多主從總線系統，網絡上任意節點可在任一時刻主動向網上其他節點發送信息，不分主從，便於構建分布式控制系統。通信介質可以是雙絞線、同軸電纜或光纖，通信速率可達1Mbps。目前已經出現了多種智能控制系統，如智能家居電源控制、CAN總線控制的電源開關、住宅智能化控制裝置等，廣泛應用了 CAN總線。CN201020219542. 5公開了一種智能家居電源控制器，其涉及一種通過本地控制模塊和遠程控制控技術，使用通用控制器實現遠程家電、設備無線控制。紅外遙控裝置接口控制家庭電源以及家用電器的工作狀態的控制器，嵌入式微處理器接本地控制模塊、遠程控制接口、電源管理單元和執行器裝置。本地控制模塊為紅外收發器組成。遠程控制接口有 Zigbee無線接口和CAN總線接口。執行裝置的數字功率開關的受控制的輸出引腳與交流電源的火線相連，輸出端接家庭電源、電器的電源插座。該實用新型通過本地控制模塊和遠程控制接口控制家庭電源以及家用電器的工作狀態，滿足用戶在任意時間、任意地點、任意狀態下控制家中電源與電器工作狀態的需求。然而需要注意到，該申請公開的系統只能控制有限個數字功率開關，僅能實現控制器控制強電開關，進而實現設備的啟停功能；只能由主控制器集中讀取狀態和發送控制指令；粗略提供CAN接口與Zigbee無線通信接口，不涉及控制器之間通信網絡協議的設計和實現；不涉及上位機通信控制原則；紅外控制接口功能單一，不能適應各個種類，多種型號設備，並且該申請公開的技術開關使用數字功率開關，發熱量大，成本高，而且關斷不可靠，有漏電流。同時需要注意到該技術所能實現的控制網絡構建固定，無法實現實時掛載。CN200720139203. 4公開了一種CAN總線控制的電源開關，包括有固態繼電器、CAN 節點、CAN節點電源模塊及輔助電路組成。基於Can總線技術，上位機可以通過雙絞線控制電源開關，實現電源的開通和關斷控制，並且本身電源的開關狀態可以通過CAN總線反饋給上位機。該電源開關所有組件均固化在一個結構緊湊的一體化模塊內，構成獨立完整的帶CAN總線控制接口的電源開關。然而，該申請所公開的技術使用固態繼電器，會產生漏電流，壓降大，溫升高，產品可靠性低；所使用的MCU、CAN控制器、收發器等均為獨立部件，會增加成本，降低可靠性，增大產品體積和功耗。所使用的獨立完整的電源開關意味著擴展性差，功能單一，應用範圍小。[0010]完全封裝對於長時間使用的電源開關來說散熱等問題較大，故障率升高。總體來說該技術集中於單個節點的開關控制應用，功能簡單，適用面窄。CN01246833. 9公開了一種住宅智能化控制裝置，是一種用於住宅安保和智能監控的智能裝置。該裝置主要解決住宅的監控報警，「三表」遠端抄報，遙控住宅電氣的綜合智能化控制問題。整個裝置包括住宅控制主機，門禁控制器，手持式遙控器，家用電器開關控制器，家用電器遙控控制器，無線門磁傳感器，無線探頭適配器等七個部分。主機對外分別連接電話線和小區管理數據總線，對內分別連接室內各種控制器和傳感器，進行監視報警，儀表抄報，電器遙控。主機設有電話線、CAN總線、內部RS232、探頭和無線電多個接口。既有有線連接通道，又有無線連接通道，既有電話線接口用於大區制聯網，又有現場總線接口用於小區聯網。然而該申請公開的技術方案存在下述缺陷1、接口數量多，不利信號統一傳遞，軟硬體成本都有大幅提升；2、整個屬於主從結構，信號的讀取，處理，以及命令的發送都是由中心控制器完成，出錯概率大，系統癱瘓可能性高，並且對於實時性請求無法及時處理。3、電源模塊處理簡單，不利於穩定供電，故障率高。4、系統龐大複雜，不利於維護和擴展。5、未涉及上層協議的設計和使用。綜合上述可以看到，已有的控制系統，對於CAN總線技術應用於工業現場與家居自動化控制，現有技術主要集中於單個開關節點的實現，未涉及各個節點間的邏輯控制協議以及與上位機交互的實現方式。對於智能家居應用來說，僅控制電源的開關顯然不是未來生活方式的理想狀態，對於舒適可靠的操作方式，多樣而且兼容性好的終端操作的實現急需通過技術攻關方能實現。而對於工業現場，智能樓宇控制網絡等，安全可靠的通信和控制，穩定多樣的操作方式則是最需要關注的問題。本實用新型的技術方案，通過簡單統一的總線方式，實現長距離，高實時性，低故障率，可擴展性強，穩定可靠，適用面廣的控制系統。
發明內容本實用新型公開了基於現場總線技術的智能控制網絡，針對現有基於總線結構的智能控制系統所存在的問題，提供了一種全面的，擴展性強的解決方案，滿足用戶隨時隨地對系統進行操作與監控，並且擁有出色的操作感受。本實用新型公開的基於現場總線技術的智能控制網絡，包括CAN控制器和CAN終端節點，其特徵在於所述CAN終端節點之間採用CAN總線協議通訊連接，CAN控制器與CAN 終端節點之間採用CAN總線協議通訊連接.進一步的，本實用新型的基於現場總線技術的智能控制網絡設計上層協議以實現不同接口設備之間統一、高效、快速的通信。通過上層協議規範節點間的識別和優先級，實現節點間信息通信，並通過與總機協商的方式實現系統節點的實時掛載，並完成系統波特率的制定。所述上層協議對數據要按照規則進行打包，傳遞，並從CAN的每一原始幀(CAN 的基本通信單元)中提取出傳遞的信息，並判斷傳遞過程中是否因為受到幹擾而出錯，並最終得到完整的，可用的數據，從而實現數據通信。從而實現了更準確的信息識別和定義，用以在CAN網絡中，以及CAN網絡與上位機進行通信，在大數據量，多節點網絡中實現節點間的識別和優先級的確認，實現節點間信息通信，並通過與總機協商的方式實現系統節點的實時掛載，並完成系統波特率的制定。通過採用上層協議進行通信，進一步的保證了智能控制系統的數據能在總線上進行準確無誤，可靠，及時的傳遞並被理解。對於本領域技術人員而言，也可以採用其它一些現場總線協議實現節點之間的通訊，例如 RS485、Profibus, X-10、CEBus, EIB、ApBus, I2C、SPI、Lonffork, HART、FF、Zigbee 等，上述現場總線協議是廣為周知的，其所代表的技術內容均可從已公開的技術標準中獲悉，諸如此類的技術概念、技術內容、實現方法是本領域技術人員可以獲知和實現的。採用此類總線協議替代本發明所述的CAN總線協議實現終端節點間的通信是本領域技術人員容易想到的等同替換，依舊屬於本實用新型的保護範圍。然而對於本實用新型而言，採用 CAN總線協議是最優的。在本實用新型中，所述CAN控制器集成於MCU內部，CAN控制器通過CAN收發器晶片實現CAN終端節點與總線的通信。本實用新型中的CAN總線通信可以通過多種單片機實現，包括STC系列產品，PIC系列產品、AVR系列產品、ATM系列產品等均為本領域廣泛使用的，其中有集成CAN總線控制器的晶片，也有通過SJA1000等CAN總線控制器連接82C250等 CAN總線收發器實現通信，然而這種實現方式可靠性較低，電路複雜，功耗高，晶片面積大， 因此本實用新型中所用的MCU優選為STM8和STM32系列單片機，其內部集成CAN控制器， 通過CAN收發器晶片82C250實現CAN節點與總線的通信。在本實用新型中，CAN終端節點從多種終端接收信號，通過CAN總線協議通訊給其它CAN終端節點實現對終端設備的控制。所述多種終端包括傳感器、開關、控制器。所述傳感器包括紅外傳感器、壓力傳感器、溼度傳感器、溫度傳感器中的一種或多種；所述開關包括機械開關、觸摸按鍵、觸摸滑條、觸摸滾輪中的一種或多種；所述控制器包括溫控、聲控、光控、紅外遙控中的一種或多種。上述的觸摸按鍵尤其可以是RC電容觸摸按鍵，實現無觸點，高舒適度的現場操作感受。儘管申請人上述列舉了常見終端的類型，但是申請人不可能窮舉所有的傳感器、 開關、控制器，對於本領域技術人員，只要是符合本實用新型發明精神所述的終端類型，都被本實用新型所涵蓋。通過CAN總線將終端信號傳輸給用於控制的CAN終端節點後，其輸出控制信號，包括通過PWM或其它信號控制MOSFET管、可控矽、IGBT等實現電機調速，燈光明暗調節中的一種或多種；或通過對開關信號的控制實現電磁閥門開關、報警器啟停、電磁繼電器開關、 信號接收器啟停中的一種或多種。在上述基礎上，本實用新型的基於現場總線技術的智能控制網絡，CAN控制器連接有上位機，所述CAN控制器與上位機通過USB接口或其它接口連接。進一步的，本發明的基於現場總線技術的智能控制網絡通過上位機連接外部網絡，實現與外部網絡的交互，通過上位機與外部網絡之間的通信，達到遠程操控系統各個節點和實時查看監控系統信息及通過腳本編程的方法實現自動控制的目的。在本實用新型中，上位機與外部網絡的連接方式可以是通過網際網路的方式進行連接，還可以是通過移動通信網絡的方式進行連接。對於本領域技術人員而言，具體的網際網路類型和移動通信網絡類型是不受到限制的，所述的網際網路可以是基於銅線傳輸的有線網絡，還可以是通過光纖傳輸的有線網絡，還可以是通過電力線或者電視信號線傳輸的有線網絡；所述移動通信網絡包括GSM網絡、CDMA網絡及GSM網絡、CDMA網絡的演進版本，例如 WCDMA TDSCDMA EVDO 等。為了實現CAN節點間短距離無線通信，增強了整個系統的適用範圍，本實用新型的基於現場總線技術的智能控制網絡還連接有Zigbee無線網絡，所述Zigbee無線網絡包括連接於CAN總線上的Zigbee網絡接口和與Zigbee網絡藉口連接的Zigbee終端。為了實現通用型設備遠程操控，增大適用面，本實用新型的的基於現場總線技術的智能控制網絡還可以進一步連接學習型紅外遙控以實現多種設備的紅外遙控。與現有技術相比，本實用新型具有下述的顯著技術優勢(1)各個節點以及主控制器之間通過CAN總線協議通訊和進一步的上層協議連接，達到穩定可靠，抗幹擾能力強的目的；(2)通過使用集成CAN控制器的MCU，達到降低成本，降低功耗，提高可靠性，減少單個節點體積的目的；(3)上位機與外部網絡通過使用移動通信網絡與主控PC機進行交互實現遠程自動化操作；(4)終端節點通過實現PWM或其它信號控制MOSFET管、可控矽、IGBT等輸出進行電機轉速調節達到無極調速，安全操作的目的；(5)通過使用電磁繼電器，實現開關可靠關斷，發熱量低的效果；(6)通過節點與總線協商機制實現了實時掛載識別功能。

附圖1為本實用新型的基於現場總線技術的智能控制網絡結構示意圖；附圖2本實用新型的基於現場總線技術的智能控制網絡結構示意圖，連接有 Zigbee無線網絡；附圖3為本實用新型的基於現場總線技術的智能控制網絡結構示意圖，連接有學習型紅外遙控。
具體實施方式
以下結合附圖對本發明進行進一步的解釋如附圖1所示，本實用新型公開的基於現場總線技術的智能控制網絡，包括CAN控制器和CAN終端節點，CAN終端節點之間採用CAN總線協議通訊連接，CAN控制器與CAN終端節點之間採用CAN總線協議通訊連接。CAN終端節點從其它終端接收信號，並通訊給其它 CAN終端節點實現對終端設備的控制。通過CAN總線將終端信號傳輸給用於控制的CAN終端節點後，其輸出控制信號，包括通過PWM或其它信號控制MOSFET管、可控矽、IGBT等實現電機調速，燈光明暗調節中的一種或多種；或通過對開關信號的控制實現電磁閥門開關、報警器啟停、電磁繼電器開關、 信號接收器啟停中的一種或多種。[0049]在上述基礎上，本實用新型的基於現場總線技術的智能控制網絡，CAN控制器連接有上位機，CAN控制器與上位機通過USB接口或其它接口連接。進一步的，本實用新型的基於現場總線技術的智能控制網絡，上位機連接有外部網絡，通過上位機與外部網絡之間的通信，進而達到遠程操控系統各個節點和實時查看監控系統信息的目的。與外部網絡的連接方式可以是通過網際網路的方式進行連接，還可以是通過移動通信網絡的方式進行連接。對於本領域技術人員而言，具體的網際網路類型和移動通信網絡類型是不受到限制的，所述的網際網路可以是基於銅線傳輸的有線網絡，還可以是通過光纖傳輸的有線網絡，還可以是通過電力線或者電視信號線傳輸的有線網絡；所述移動通信網絡包括GSM網絡、CDMA網絡及GSM網絡、CDMA網絡的3G、4G演進版本。附圖2所示的結構，在附圖1的基礎上，進一步的連接有連接Zigbee無線網絡，所述Zigbee無線網絡包括連接於CAN總線上的Zigbee網絡接口和與Zigbee網絡接口連接的Zigbee終端。附圖3所示的結構，在附圖1的基礎上，進一步連接有學習型紅外遙控。
權利要求1.基於現場總線技術的智能控制網絡，包括CAN控制器、CAN終端節點，其特徵在於所述CAN終端節點之間通過CAN總線協議通訊連接，所述CAN控制器與CAN終端節點之間通過CAN總線協議通訊連接。
2.根據權利要求1所述的基於現場總線技術的智能控制網絡，其特徵在於所述CAN控制器集成於MCU內部，所述CAN控制器通過CAN收發器晶片實現CAN終端節點與總線的通
3.根據權利要求1所述的基於現場總線技術的智能控制網絡，其特徵在於所述的CAN 終端節點接收多種終端的信號，通過CAN總線傳輸給其它CAN終端節點，所述多種終端包括傳感器、開關、控制器。
4.根據權利要求3所述的基於現場總線技術的智能控制網絡，其特徵在於所述傳感器包括紅外傳感器、壓力傳感器、溼度傳感器、溫度傳感器中的有一種或多種；所述開關包括機械開關、觸摸按鍵、觸摸滑條、觸摸滾輪中的一種或多種；所述控制器包括溫控、聲控、光控、紅外、遙控中的一種或多種。
5.根據權利要求1所述的基於現場總線技術的智能控制網絡，其特徵在於所述的CAN 終端節點輸出控制信號，通過PWM或其它信號控制MOSFET管、可控矽、IGBT實現電機調速， 燈光明暗調節中的一種或多種。
6.根據權利要求1所述的基於現場總線技術的智能控制網絡，其特徵在於所述的CAN 終端節點輸出控制信號，通過對開關信號的控制實現電磁閥門開關、報警器啟停、繼電器開關、信號接收器啟停中的一種或多種。
7.根據權利要求1所述的基於現場總線技術的智能控制網絡，所述CAN控制器連接有上位機，其特徵在於所述CAN控制器通過USB接口或串口連接上位機。
8.根據權利要求7所述的基於現場總線技術的智能控制網絡，上位機連接有外部網絡，其特徵在於所述智能控制網絡通過上位機與外部網絡通過網際網路或移動通信網絡的方式進行連接，所述移動通信網絡包括GSM網絡、CDMA網絡及GSM網絡、CDMA網絡的演進版本。
9.根據權利要求1所述的基於現場總線技術的智能控制網絡，還連接Zigbee無線網絡，其特徵在於所述Zigbee無線網絡包括連接於CAN總線上的Zigbee網絡接口和與 Zigbee網絡藉口連接的Zigbee終端。
10.根據權利要求1所述的基於現場總線技術的智能控制網絡，其特徵在於還連接有學習型紅外遙控以實現多種設備的紅外遙控。
專利摘要本實用新型公開了基於現場總線技術的智能控制網絡，包括CAN控制器和CAN終端節點，其特徵在於所述CAN控制器與CAN終端節點之間採用CAN總線協議通訊連接，所述CAN終端節點之間採用CAN總線協議通訊連接。本實用新型的基於現場總線技術的智能控制網絡，通過簡單統一的CAN總線方式，實現了長距離，高實時性，低故障率，可擴展性強，穩定可靠，適用面廣的控制系統。
文檔編號G05B19/418GK202331122SQ201120307000
公開日2012年7月11日 申請日期2011年8月23日 優先權日2011年8月23日
發明者張亞光, 田川 申請人:張亞光