【正文】 基于CAN總線的智能家居控制畢業(yè)論文目 錄引言 11 課題研究?jī)?nèi)容 2 課題背景 2 課題意義 22 系統(tǒng)設(shè)計(jì)概述 3 設(shè)計(jì)任務(wù) 3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理 3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案 3 系統(tǒng)可行性分析 43 CAN總線概述 6 CAN總線簡(jiǎn)介 6 CAN總線幀類型 6 數(shù)據(jù)幀 6 遠(yuǎn)程幀 7 錯(cuò)誤幀 8 過(guò)載幀 8 CAN報(bào)文過(guò)濾 8 CAN錯(cuò)誤處理 8 錯(cuò)誤檢測(cè) 8 錯(cuò)誤標(biāo)定 94 硬件電路設(shè)計(jì) 10 單片機(jī)最小系統(tǒng) 10 單片機(jī)STC89C52RC 10 最小系統(tǒng)電路 11 CAN總線模塊 12 CAN控制器SJA1000 12 CAN收發(fā)器TJA1050 17 CAN模塊電路 17 串口通信 18 電平轉(zhuǎn)換芯片MAX232 18 串口通信電路 19 溫濕度檢測(cè)模塊 19 溫度傳感器DS18B20 19 濕度傳感器DHT11 19 溫濕度檢測(cè)電路 20 煙霧檢測(cè)模塊 20 紅外人體感應(yīng)模塊 21 液晶顯示模塊 21 報(bào)警電路 22 按鍵電路 225 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 23 軟件整體設(shè)計(jì) 23 CAN通信程序設(shè)計(jì) 24 RS232通信程序設(shè)計(jì) 26 LCD1602液晶顯示程序設(shè)計(jì) 27 按鍵設(shè)定值程序設(shè)計(jì) 29 溫度采集程序設(shè)計(jì) 29 濕度采集程序設(shè)計(jì) 31 應(yīng)用軟件平臺(tái)簡(jiǎn)介 33 Keil C51 33 Visual Basic 346 系統(tǒng)調(diào)試 37 硬件電路調(diào)試 37 系統(tǒng)聯(lián)調(diào) 377 總結(jié)和展望 41謝 辭 42參考文獻(xiàn) 43附 錄 44 第 57 頁(yè) 共 57 頁(yè)引言科技的進(jìn)步，帶來(lái)經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展的同時(shí)，也給人們的生活帶來(lái)無(wú)限的驚奇。不斷更新的生活方式，使得越來(lái)越多的人追求對(duì)生活的舒適度和享受度。智能家居作為新生力量呼之欲出，自然地走進(jìn)我們的生活，隨之，引領(lǐng)新一代的數(shù)字家庭生活。通過(guò)分析現(xiàn)有的智能家居解決方案，智能家居包括四個(gè)基本的功能模塊：家庭對(duì)外通信模塊、家庭網(wǎng)關(guān)模塊、家庭安全防范模塊、家庭設(shè)備自動(dòng)控制模塊。本課題提取家庭安全防范模塊研究，設(shè)計(jì)基于CAN總線的智能家居控制系統(tǒng)。安全防范就是保障人們?cè)谏a(chǎn)、生活和一切社會(huì)活動(dòng)中人身生命、財(cái)產(chǎn)和生產(chǎn)、生活設(shè)施不受侵犯，防止侵害行為的總稱。智能家居在滿足人們舒適、方便生活的同時(shí)，也要求為家庭提供安全防范方面的保障。它包含的內(nèi)容有防止入侵、盜竊、破壞、爆炸等，它的原則是“以防為主，打防并舉”，安全防范工作貫徹“人防、技防、物防”相結(jié)合的方針政策。因此，智能家居將家庭安全防范模塊定義為其四個(gè)基本要素之一。課題將安全防范的內(nèi)容分為兩部分，分別是家庭內(nèi)部環(huán)境安全、家庭對(duì)外非法入侵預(yù)防，這兩方面都體現(xiàn)出現(xiàn)代技術(shù)在智能家居中的應(yīng)用。在本課題中，由于條件限制，并沒(méi)有對(duì)家庭安防模塊進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，對(duì)于家庭內(nèi)部環(huán)境安全，采用傳感器檢測(cè)室內(nèi)的溫濕度和煙霧濃度。對(duì)于家庭對(duì)外非法入侵預(yù)防，采用人體移動(dòng)紅外檢測(cè)。本課題采用CAN總線設(shè)計(jì)智能家居組網(wǎng)系統(tǒng)，可以設(shè)計(jì)多路CAN智能節(jié)點(diǎn)，構(gòu)成分布式控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)同時(shí)對(duì)多個(gè)居室的環(huán)境狀況進(jìn)行監(jiān)控。CAN總線的數(shù)據(jù)通信具有突出的可靠性、實(shí)時(shí)性和靈活性，通信介質(zhì)可以是雙絞線、同軸電纜或光導(dǎo)纖維。因此，CAN總線在智能家居系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。1 課題研究?jī)?nèi)容 課題背景二十一世紀(jì)是信息技術(shù)高速發(fā)展的時(shí)代，社會(huì)的信息化喚起了人們對(duì)住宅智能化及家居智能化的要求，智能住宅己成為中國(guó)房地產(chǎn)市場(chǎng)的主流。計(jì)算機(jī)行業(yè)和家電行業(yè)、電信行業(yè)、安防監(jiān)控行業(yè)的互相滲透、互相融合，使信息時(shí)代的未來(lái)家居生活逐步成為現(xiàn)實(shí)。建設(shè)部要求根據(jù)不同消費(fèi)者的需要，推動(dòng)家居數(shù)字化、建筑智能化，可見(jiàn)中國(guó)智能家居市場(chǎng)潛力巨大。智能家居安防系統(tǒng)是集信息技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、傳感技術(shù)、無(wú)線電技術(shù)、模糊控制技術(shù)等多種技術(shù)為一體的綜合應(yīng)用。智能家居安防系統(tǒng)具有使用方便、安裝簡(jiǎn)單、準(zhǔn)確及時(shí)的特點(diǎn)，非常適合居家安全防范措施的實(shí)施，它可以檢測(cè)居室內(nèi)的煤氣的泄漏情況、是否有火災(zāi)發(fā)生、是否發(fā)生水管爆裂、是否有小偷入室盜竊等危險(xiǎn)的情況，并自動(dòng)采取一定措施盡量把損失降到最小值，還以一定的無(wú)線方式去通知居室主人，讓主人可以采取一定的措施去處理這種不好事件，這樣就可以自動(dòng)地與人為地去采取措施，去做到最好的安防。因此，隨著人們生活水平的不斷提高，白天離家去上班的人越來(lái)越多，這系統(tǒng)也會(huì)越來(lái)越受到青睬，加上目前智能安防系統(tǒng)的設(shè)計(jì)領(lǐng)域還很不完善，可以借以開(kāi)發(fā)的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)條件也越來(lái)越成熟，把這方面的設(shè)計(jì)產(chǎn)品化，將會(huì)有很廣闊的市場(chǎng)。 課題意義 目前國(guó)內(nèi)越來(lái)越多智能化的商品已經(jīng)進(jìn)入到人們的生活，特別是在商品房小區(qū)里，人們都知道“安全第一”，所以家居安防的第一要義就是要保證家居的安全，給家居主人一些已經(jīng)發(fā)生了的危險(xiǎn)情況的損失降到最低的程度。據(jù)預(yù)測(cè)，今后幾年智能家居市場(chǎng)會(huì)進(jìn)入一個(gè)行業(yè)整合階段，最終可能會(huì)出現(xiàn)一些規(guī)模較大、品牌影響較好的智能家居生產(chǎn)廠家。從產(chǎn)品角度來(lái)講，以后的智能家居產(chǎn)品會(huì)朝著實(shí)用化、傻瓜化（操作簡(jiǎn)單）、模塊化的方向發(fā)展，所謂模塊化就是產(chǎn)品開(kāi)發(fā)商把智能家居產(chǎn)品做成模塊化的，可以根據(jù)用戶的實(shí)際需求任意搭配。這樣不僅可滿足不同層次用戶的需要，也可以省去不必要的端口模塊的費(fèi)用浪費(fèi)。目前國(guó)內(nèi)已在經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)如北京、深圳、廣州、上海等地建立了一批智能住宅小區(qū)，而且正快速地向其他地區(qū)輻射，建設(shè)部已將智能化住宅小區(qū)列為國(guó)家重點(diǎn)發(fā)展方向。預(yù)計(jì)未來(lái)5到10年可以形成相當(dāng)規(guī)模的市場(chǎng)容量。屆時(shí)，智能住宅的發(fā)展還將帶動(dòng)信息家電、物業(yè)管理等相關(guān)行業(yè)的發(fā)展。所以，智能家居的發(fā)展前景非常地好，且技術(shù)的研究還有很大的空間。2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)概述 設(shè)計(jì)任務(wù)設(shè)計(jì)多路CAN總線節(jié)點(diǎn)檢測(cè)室內(nèi)溫度濕度，火情盜情等參數(shù)，發(fā)至PC機(jī)記錄和監(jiān)控，并有報(bào)警功能，PC 機(jī)可查詢當(dāng)前記錄和歷史記錄。系統(tǒng)主要由三部分組成：上位監(jiān)控計(jì)算機(jī)、CANRS232總線協(xié)議轉(zhuǎn)換器和CAN總線智能節(jié)點(diǎn)。設(shè)計(jì)的具體內(nèi)容：（1）設(shè)計(jì)CANRS232總線協(xié)議轉(zhuǎn)換器，把CAN報(bào)文儲(chǔ)存并通過(guò)串口轉(zhuǎn)發(fā)給上位監(jiān)控計(jì)算機(jī)。（2）設(shè)計(jì)CAN總線智能節(jié)點(diǎn)，包括四個(gè)部分：?jiǎn)纹瑱C(jī)及其外圍電路、CAN總線模塊、數(shù)據(jù)傳輸模塊和傳感器檢測(cè)模塊（負(fù)責(zé)對(duì)環(huán)境參數(shù)的檢測(cè)）。（3）系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)，包括上位機(jī)監(jiān)控軟件設(shè)計(jì)、CANRS232協(xié)議轉(zhuǎn)換程序設(shè)計(jì)、CAN總線通信程序設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)采集程序設(shè)計(jì)以及其它控制程序。 系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理首先，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)通過(guò)CAN總線連接起來(lái)。CAN智能節(jié)點(diǎn)通過(guò)各傳感器模塊主動(dòng)巡回檢測(cè)家居的當(dāng)前環(huán)境狀況，把采集到的數(shù)據(jù)通過(guò)CAN總線發(fā)至CANRS232協(xié)議轉(zhuǎn)換器，再通過(guò)串口把數(shù)據(jù)發(fā)送到上位機(jī)，上位機(jī)負(fù)責(zé)對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行保存、顯示和管理。當(dāng)檢測(cè)到的環(huán)境信息意味著居家有危險(xiǎn)時(shí)，下位機(jī)和上位機(jī)同時(shí)發(fā)出報(bào)警信號(hào)。考慮到季節(jié)的變化，溫濕度的報(bào)警上下限可以在CANRS232協(xié)議轉(zhuǎn)換器節(jié)點(diǎn)通過(guò)按鍵和LCD1602設(shè)定，然后發(fā)送至各個(gè)CAN智能節(jié)點(diǎn)。 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案上位監(jiān)控計(jì)算機(jī)CANRS232總線協(xié)議轉(zhuǎn)換器CAN智能節(jié)點(diǎn)1CAN智能節(jié)點(diǎn)2RS232CAN總線 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)由上位監(jiān)控計(jì)算機(jī)、CANRS232總線協(xié)議轉(zhuǎn)換器和CAN智能節(jié)點(diǎn)等三部分構(gòu)成?？偩€兩端各有加一個(gè)120歐的電阻，對(duì)匹配總線阻抗起著相當(dāng)重要的作用，將大大提高數(shù)據(jù)通信的抗干擾能力。上位監(jiān)控計(jì)算機(jī)及監(jiān)控軟件組成該系統(tǒng)的監(jiān)控層，主要負(fù)責(zé)對(duì)系統(tǒng)數(shù)據(jù)的接收與管理、控制命令的發(fā)送以及各單元環(huán)境參數(shù)實(shí)時(shí)顯示。單片機(jī)LED指示LCD1602按鍵電路CAN控制器SJA1000CAN收發(fā)器TJA1050電平轉(zhuǎn)換MAX232RS232CAN總線 C ANRS232協(xié)議轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)圖LED指示模塊用于指示這個(gè)模塊的運(yùn)行情況，便于管理和調(diào)試。按鍵和LCD1602用于設(shè)定溫濕度的上下限并顯示，設(shè)定之后通過(guò)CAN總線發(fā)送到各個(gè)智能節(jié)點(diǎn)。單片機(jī)溫濕度檢測(cè)模塊紅外檢測(cè)模塊煙霧檢測(cè)模塊CAN總線模塊報(bào)警電路CAN總線 CAN智能節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)圖單片機(jī)通過(guò)各傳感器采集環(huán)境信息，按CAN規(guī)范規(guī)定的格式將其寫入CAN控制器的發(fā)送緩沖區(qū)，并啟動(dòng)發(fā)送命令，把數(shù)據(jù)發(fā)送到CAN總線上。對(duì)于接收過(guò)程，CAN總線上自動(dòng)接收數(shù)據(jù)，并經(jīng)過(guò)濾后存人CAN接收緩沖區(qū)，向單片機(jī)發(fā)出中斷請(qǐng)求，此時(shí)單片機(jī)可從CAN接收緩沖區(qū)讀取要接收的數(shù)據(jù)。 系統(tǒng)可行性分析CAN總線通信是本系統(tǒng)需要解決的關(guān)鍵問(wèn)題，考慮到整個(gè)系統(tǒng)的可靠性，并結(jié)合考慮成本，決定采用CAN總線模塊，此模塊主要包括CAN總線控制器SJA1000和CAN總線收發(fā)器TJA1050。經(jīng)過(guò)測(cè)試，CAN模塊工作穩(wěn)定可靠。在傳感器的選擇上以方便使用、功率低、準(zhǔn)確性高、實(shí)用性強(qiáng)為出發(fā)點(diǎn)去考慮，采用以下傳感器：DS18BDHT1紅外人體感應(yīng)模塊、煙霧傳感器MQ2。其他的器件均采用經(jīng)濟(jì)常用的LCD160蜂鳴器等。3 CAN總線概述 CAN總線簡(jiǎn)介控制器局域網(wǎng) CAN 為串行通訊協(xié)議，能有效地支持具有很高安全等級(jí)的分布實(shí)時(shí)控制。CAN 的應(yīng)用范圍很廣，從高速的網(wǎng)絡(luò)到低價(jià)位的多路接線都可以使用 CAN。在汽車電子行業(yè)里，使用 CAN 連接發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元、傳感器、防剎車系統(tǒng)、等等，其傳輸速度可達(dá)1 Mbit/s。同時(shí)，可以將CAN安裝在卡車本體的電子控制系統(tǒng)里，諸如車燈組、電氣車窗等等，用以代替接線配線裝置。根據(jù) ISO/OSI 參考模型，CAN總線由數(shù)據(jù)鏈路層和物理層組成，功能由CAN控制器來(lái)實(shí)現(xiàn)。數(shù)據(jù)鏈路層包括邏輯鏈路控制LLC子層和介質(zhì)訪問(wèn)控制MAC子層，邏輯鏈路控制子層 (LLC)的作用范圍如下：為遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)請(qǐng)求以及數(shù)據(jù)傳輸提供服務(wù)；確定由實(shí)際要使用的LLC 子層接收哪一個(gè)報(bào)文；為恢復(fù)管理和過(guò)載通知提供手段。MAC子層的作用主要是傳送規(guī)則，包括控制幀結(jié)構(gòu)、執(zhí)行仲裁、錯(cuò)誤檢測(cè)、出錯(cuò)標(biāo)定、故障界定?？偩€上什么時(shí)候開(kāi)始發(fā)送新報(bào)文，什么時(shí)候開(kāi)始接收?qǐng)?bào)文，均在MAC子層里確定。位定時(shí)的一些普通功能也可以看作是 MAC子層的一部分。理所當(dāng)然，MAC子層的修改是受到限制的。物理層的作用是在不同節(jié)點(diǎn)之間根據(jù)所有的電氣屬性進(jìn)行位的實(shí)際傳輸。同一網(wǎng)絡(luò)的物理層對(duì)于所有的節(jié)點(diǎn)當(dāng)然是相同的。盡管如此，在選擇物理層方面還是很自由的，物理通信介質(zhì)可以是雙絞線、同軸電纜或光導(dǎo)纖維?？偩€可以有兩個(gè)互補(bǔ)的邏輯值之一：“顯性”或“隱性”。在“顯性”和“隱性”位同時(shí)傳送期間，總線值將是“顯性”。例如，在實(shí)現(xiàn)線與時(shí)，“顯性”代表一個(gè)邏輯“0”，“隱性”代表邏輯“1”。 CAN總線幀類型CAN總線有兩種不同的幀格式，不同之處為識(shí)別符的長(zhǎng)度不同：具有11位識(shí)別符的幀稱之為標(biāo)準(zhǔn)幀，含有29位識(shí)別符的幀為擴(kuò)展幀。本課題使用擴(kuò)展幀進(jìn)行通信，因此，只對(duì)擴(kuò)展幀進(jìn)行介紹。CAN報(bào)文傳輸由以下4個(gè)不同的幀類型所表示和控制： 數(shù)據(jù)幀：數(shù)據(jù)幀將數(shù)據(jù)從發(fā)送器傳輸?shù)浇邮掌鳌?遠(yuǎn)程幀：總線單元發(fā)出遠(yuǎn)程幀，請(qǐng)求發(fā)送具有同一識(shí)別符的數(shù)據(jù)幀。 錯(cuò)誤幀：任何單元檢測(cè)到總線錯(cuò)誤就發(fā)出錯(cuò)誤幀。 過(guò)載幀：過(guò)載幀用以在先行的和后續(xù)的數(shù)據(jù)幀（或遠(yuǎn)程幀）之間提供一附加的延時(shí)。 數(shù)據(jù)幀數(shù)據(jù)幀由7個(gè)不同的位場(chǎng)組成：幀起始、仲裁場(chǎng)、控制場(chǎng)、數(shù)據(jù)場(chǎng)、CRC場(chǎng)、應(yīng)答場(chǎng)、幀結(jié)尾。數(shù)據(jù)場(chǎng)的長(zhǎng)度可以為0 。幀起始：幀起始（SOF）標(biāo)志數(shù)據(jù)幀和遠(yuǎn)程幀的起始，僅由一個(gè)“顯性”位組成。只在總線空閑時(shí)才允許任何節(jié)點(diǎn)開(kāi)始發(fā)送（信號(hào)）。仲裁場(chǎng)：擴(kuò)展格式里，仲裁場(chǎng)包括 29位識(shí)別符、SRR位、IDE 位、RTR位。其識(shí)別符由 ID28... ID0，包含兩個(gè)部分：11位基本ID、18位擴(kuò)展ID?；綢D按 ID28 到ID18 的順序發(fā)送。它相當(dāng)于標(biāo)準(zhǔn)識(shí)別符的格式。基本 ID定義擴(kuò)展幀的基本優(yōu)先權(quán)。擴(kuò)展ID包括18位。它按 ID17 到ID0 順序發(fā)送。 CAN數(shù)據(jù)幀仲裁場(chǎng)結(jié)構(gòu)圖 RTR的全稱為“遠(yuǎn)程發(fā)送請(qǐng)求位（Remote Transmission Request BIT）”。RTR位在數(shù)據(jù)幀里必須為“顯性”，在遠(yuǎn)程幀里必須為“隱性SRR的全稱是“替代遠(yuǎn)程請(qǐng)求位（Substitute Remote Request BIT）”。SRR是一隱性位。它在擴(kuò)展格式的標(biāo)準(zhǔn)幀RTR位位置，因此代替標(biāo)準(zhǔn)幀的RTR位。 因此，標(biāo)準(zhǔn)幀與擴(kuò)展幀的沖突是通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)幀優(yōu)先于擴(kuò)展幀這一途徑得以解決的。IDE 的全稱是“識(shí)別符擴(kuò)展位（Identifier Extension Bit ）”，標(biāo)準(zhǔn)格式里的IDE 位為“顯性”，而擴(kuò)展格式里的IDE 位為“隱性”?？刂茍?chǎng)：數(shù)據(jù)長(zhǎng)度代碼指示數(shù)據(jù)場(chǎng)里的字節(jié)數(shù)量。數(shù)據(jù)長(zhǎng)度代碼為4 個(gè)位，所以數(shù)據(jù)場(chǎng)的字節(jié)數(shù)可以是0～8個(gè)字節(jié)。數(shù)據(jù)場(chǎng)：數(shù)據(jù)場(chǎng)由數(shù)據(jù)幀里的發(fā)送數(shù)據(jù)組成。它可以為0 ～8 個(gè)字節(jié)，每字節(jié)包含8個(gè)位，首先發(fā)送 MSB。CRC場(chǎng)：CRC場(chǎng)包括CRC序列（CRC SEQUENCE），其后是CRC界定符（CRC DELIMITER ）。應(yīng)答場(chǎng)：應(yīng)答場(chǎng)長(zhǎng)度為2 個(gè)位，包含應(yīng)答間隙（ACK SLOT ）和應(yīng)答界定符（ACK DELIMITER）。在ACK場(chǎng)（應(yīng)答場(chǎng)）里，發(fā)送站發(fā)送兩個(gè)“隱性”位。當(dāng)接收器正確地接收到有效的報(bào)文，接收器就會(huì)在應(yīng)答間隙（ACK SLOT ）期間（發(fā)送 ACK信號(hào)）向發(fā)送器發(fā)送一“顯性”位以示應(yīng)答。