【正文】 基于CAN總線的智能家居控制畢業(yè)論文目 錄引言 11 課題研究內(nèi)容 2 課題背景 2 課題意義 22 系統(tǒng)設(shè)計概述 3 設(shè)計任務 3 系統(tǒng)設(shè)計原理 3 系統(tǒng)設(shè)計方案 3 系統(tǒng)可行性分析 43 CAN總線概述 6 CAN總線簡介 6 CAN總線幀類型 6 數(shù)據(jù)幀 6 遠程幀 7 錯誤幀 8 過載幀 8 CAN報文過濾 8 CAN錯誤處理 8 錯誤檢測 8 錯誤標定 94 硬件電路設(shè)計 10 單片機最小系統(tǒng) 10 單片機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 溫濕度檢測模塊 19 溫度傳感器DS18B20 19 濕度傳感器DHT11 19 溫濕度檢測電路 20 煙霧檢測模塊 20 紅外人體感應模塊 21 液晶顯示模塊 21 報警電路 22 按鍵電路 225 系統(tǒng)軟件設(shè)計 23 軟件整體設(shè)計 23 CAN通信程序設(shè)計 24 RS232通信程序設(shè)計 26 LCD1602液晶顯示程序設(shè)計 27 按鍵設(shè)定值程序設(shè)計 29 溫度采集程序設(shè)計 29 濕度采集程序設(shè)計 31 應用軟件平臺簡介 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 43附 錄 44 第 57 頁 共 57 頁引言科技的進步，帶來經(jīng)濟飛速發(fā)展的同時，也給人們的生活帶來無限的驚奇。不斷更新的生活方式，使得越來越多的人追求對生活的舒適度和享受度。智能家居作為新生力量呼之欲出，自然地走進我們的生活，隨之，引領(lǐng)新一代的數(shù)字家庭生活。通過分析現(xiàn)有的智能家居解決方案，智能家居包括四個基本的功能模塊：家庭對外通信模塊、家庭網(wǎng)關(guān)模塊、家庭安全防范模塊、家庭設(shè)備自動控制模塊。本課題提取家庭安全防范模塊研究，設(shè)計基于CAN總線的智能家居控制系統(tǒng)。安全防范就是保障人們在生產(chǎn)、生活和一切社會活動中人身生命、財產(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，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、家庭對外非法入侵預防，這兩方面都體現(xiàn)出現(xiàn)代技術(shù)在智能家居中的應用。在本課題中，由于條件限制，并沒有對家庭安防模塊進行實驗，對于家庭內(nèi)部環(huán)境安全，采用傳感器檢測室內(nèi)的溫濕度和煙霧濃度。對于家庭對外非法入侵預防，采用人體移動紅外檢測。本課題采用CAN總線設(shè)計智能家居組網(wǎng)系統(tǒng)，可以設(shè)計多路CAN智能節(jié)點，構(gòu)成分布式控制系統(tǒng)，實現(xiàn)同時對多個居室的環(huán)境狀況進行監(jiān)控。CAN總線的數(shù)據(jù)通信具有突出的可靠性、實時性和靈活性，通信介質(zhì)可以是雙絞線、同軸電纜或光導纖維。因此，CAN總線在智能家居系統(tǒng)中得到廣泛應用。1 課題研究內(nèi)容 課題背景二十一世紀是信息技術(shù)高速發(fā)展的時代，社會的信息化喚起了人們對住宅智能化及家居智能化的要求，智能住宅己成為中國房地產(chǎn)市場的主流。計算機行業(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，使信息時代的未來家居生活逐步成為現(xiàn)實。建設(shè)部要求根據(jù)不同消費者的需要，推動家居數(shù)字化、建筑智能化，可見中國智能家居市場潛力巨大。智能家居安防系統(tǒng)是集信息技術(shù)、網(wǎng)絡技術(shù)、傳感技術(shù)、無線電技術(shù)、模糊控制技術(shù)等多種技術(shù)為一體的綜合應用。智能家居安防系統(tǒng)具有使用方便、安裝簡單、準確及時的特點，非常適合居家安全防范措施的實施，它可以檢測居室內(nèi)的煤氣的泄漏情況、是否有火災發(fā)生、是否發(fā)生水管爆裂、是否有小偷入室盜竊等危險的情況，并自動采取一定措施盡量把損失降到最小值，還以一定的無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越多，這系統(tǒng)也會越來越受到青睬，加上目前智能安防系統(tǒng)的設(shè)計領(lǐng)域還很不完善，可以借以開發(fā)的無線網(wǎng)絡條件也越來越成熟，把這方面的設(shè)計產(chǎn)品化，將會有很廣闊的市場。 課題意義 目前國內(nèi)越來越多智能化的商品已經(jīng)進入到人們的生活，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)生了的危險情況的損失降到最低的程度。據(jù)預測，今后幾年智能家居市場會進入一個行業(yè)整合階段，最終可能會出現(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)品角度來講，以后的智能家居產(chǎn)品會朝著實用化、傻瓜化（操作簡單）、模塊化的方向發(fā)展，所謂模塊化就是產(chǎn)品開發(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用浪費。目前國內(nèi)已在經(jīng)濟發(fā)達地區(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)列為國家重點發(fā)展方向。預計未來5到10年可以形成相當規(guī)模的市場容量。屆時，智能住宅的發(fā)展還將帶動信息家電、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)計概述 設(shè)計任務設(shè)計多路CAN總線節(jié)點檢測室內(nèi)溫度濕度，火情盜情等參數(shù)，發(fā)至PC機記錄和監(jiān)控，并有報警功能，PC 機可查詢當前記錄和歷史記錄。系統(tǒng)主要由三部分組成：上位監(jiān)控計算機、CANRS232總線協(xié)議轉(zhuǎn)換器和CAN總線智能節(jié)點。設(shè)計的具體內(nèi)容：（1）設(shè)計CANRS232總線協(xié)議轉(zhuǎn)換器，把CAN報文儲存并通過串口轉(zhuǎn)發(fā)給上位監(jiān)控計算機。（2）設(shè)計CAN總線智能節(jié)點，包括四個部分：單片機及其外圍電路、CAN總線模塊、數(shù)據(jù)傳輸模塊和傳感器檢測模塊（負責對環(huán)境參數(shù)的檢測）。（3）系統(tǒng)軟件設(shè)計，包括上位機監(jiān)控軟件設(shè)計、CANRS232協(xié)議轉(zhuǎn)換程序設(shè)計、CAN總線通信程序設(shè)計、數(shù)據(jù)采集程序設(shè)計以及其它控制程序。 系統(tǒng)設(shè)計原理首先，整個網(wǎng)絡系統(tǒng)通過CAN總線連接起來。CAN智能節(jié)點通過各傳感器模塊主動巡回檢測家居的當前環(huán)境狀況，把采集到的數(shù)據(jù)通過CAN總線發(fā)至CANRS232協(xié)議轉(zhuǎn)換器，再通過串口把數(shù)據(jù)發(fā)送到上位機，上位機負責對采集到的數(shù)據(jù)進行保存、顯示和管理。當檢測到的環(huán)境信息意味著居家有危險時，下位機和上位機同時發(fā)出報警信號?？紤]到季節(jié)的變化，溫濕度的報警上下限可以在CANRS232協(xié)議轉(zhuǎn)換器節(jié)點通過按鍵和LCD1602設(shè)定，然后發(fā)送至各個CAN智能節(jié)點。 系統(tǒng)設(shè)計方案上位監(jiān)控計算機CANRS232總線協(xié)議轉(zhuǎn)換器CAN智能節(jié)點1CAN智能節(jié)點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)控計算機、CANRS232總線協(xié)議轉(zhuǎn)換器和CAN智能節(jié)點等三部分構(gòu)成?？偩€兩端各有加一個120歐的電阻，對匹配總線阻抗起著相當重要的作用，將大大提高數(shù)據(jù)通信的抗干擾能力。上位監(jiān)控計算機及監(jiān)控軟件組成該系統(tǒng)的監(jiān)控層，主要負責對系統(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)實時顯示。單片機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模塊的運行情況，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CAN總線發(fā)送到各個智能節(jié)點。單片機溫濕度檢測模塊紅外檢測模塊煙霧檢測模塊CAN總線模塊報警電路CAN總線 CAN智能節(jié)點結(jié)構(gòu)圖單片機通過各傳感器采集環(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)，并啟動發(fā)送命令，把數(shù)據(jù)發(fā)送到CAN總線上。對于接收過程，CAN總線上自動接收數(shù)據(jù)，并經(jīng)過濾后存人CAN接收緩沖區(qū)，向單片機發(fā)出中斷請求，此時單片機可從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)鍵問題，考慮到整個系統(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)過測試，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、準確性高、實用性強為出發(fā)點去考慮，采用以下傳感器：DS18BDHT1紅外人體感應模塊、煙霧傳感器MQ2。其他的器件均采用經(jīng)濟常用的LCD160蜂鳴器等。3 CAN總線概述 CAN總線簡介控制器局域網(wǎng) CAN 為串行通訊協(xié)議，能有效地支持具有很高安全等級的分布實時控制。CAN 的應用范圍很廣，從高速的網(wǎng)絡到低價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)動機控制單元、傳感器、防剎車系統(tǒng)、等等，其傳輸速度可達1 Mbit/s。同時，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控制器來實現(xiàn)。數(shù)據(jù)鏈路層包括邏輯鏈路控制LLC子層和介質(zhì)訪問控制MAC子層，邏輯鏈路控制子層 (LLC)的作用范圍如下：為遠程數(shù)據(jù)請求以及數(shù)據(jù)傳輸提供服務；確定由實際要使用的LLC 子層接收哪一個報文；為恢復管理和過載通知提供手段。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、錯誤檢測、出錯標定、故障界定?？偩€上什么時候開始發(fā)送新報文，什么時候開始接收報文，均在MAC子層里確定。位定時的一些普通功能也可以看作是 MAC子層的一部分。理所當然，MAC子層的修改是受到限制的。物理層的作用是在不同節(jié)點之間根據(jù)所有的電氣屬性進行位的實際傳輸。同一網(wǎng)絡的物理層對于所有的節(jié)點當然是相同的。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、同軸電纜或光導纖維?？偩€可以有兩個互補的邏輯值之一：“顯性”或“隱性”。在“顯性”和“隱性”位同時傳送期間，總線值將是“顯性”。例如，在實現(xiàn)線與時，“顯性”代表一個邏輯“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，不同之處為識別符的長度不同：具有11位識別符的幀稱之為標準幀，含有29位識別符的幀為擴展幀。本課題使用擴展幀進行通信，因此，只對擴展幀進行介紹。CAN報文傳輸由以下4個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?遠程幀：總線單元發(fā)出遠程幀，請求發(fā)送具有同一識別符的數(shù)據(jù)幀。 錯誤幀：任何單元檢測到總線錯誤就發(fā)出錯誤幀。 過載幀：過載幀用以在先行的和后續(xù)的數(shù)據(jù)幀（或遠程幀）之間提供一附加的延時。 數(shù)據(jù)幀數(shù)據(jù)幀由7個不同的位場組成：幀起始、仲裁場、控制場、數(shù)據(jù)場、CRC場、應答場、幀結(jié)尾。數(shù)據(jù)場的長度可以為0 。幀起始：幀起始（SOF）標志數(shù)據(jù)幀和遠程幀的起始，僅由一個“顯性”位組成。只在總線空閑時才允許任何節(jié)點開始發(fā)送（信號）。仲裁場：擴展格式里，仲裁場包括 29位識別符、SRR位、IDE 位、RTR位。其識別符由 ID28... ID0，包含兩個部分：11位基本ID、18位擴展ID。基本ID按 ID28 到ID18 的順序發(fā)送。它相當于標準識別符的格式。基本 ID定義擴展幀的基本優(yōu)先權(quán)。擴展ID包括18位。它按 ID17 到ID0 順序發(fā)送。 CAN數(shù)據(jù)幀仲裁場結(jié)構(gòu)圖 RTR的全稱為“遠程發(fā)送請求位（Remote Transmission Request BIT）”。RTR位在數(shù)據(jù)幀里必須為“顯性”，在遠程幀里必須為“隱性SRR的全稱是“替代遠程請求位（Substitute Remote Request BIT）”。SRR是一隱性位。它在擴展格式的標準幀RTR位位置，因此代替標準幀的RTR位。 因此，標準幀與擴展幀的沖突是通過標準幀優(yōu)先于擴展幀這一途徑得以解決的。IDE 的全稱是“識別符擴展位（Identifier Extension Bit ）”，標準格式里的IDE 位為“顯性”，而擴展格式里的IDE 位為“隱性”?？刂茍觯簲?shù)據(jù)長度代碼指示數(shù)據(jù)場里的字節(jié)數(shù)量。數(shù)據(jù)長度代碼為4 個位，所以數(shù)據(jù)場的字節(jié)數(shù)可以是0～8個字節(jié)。數(shù)據(jù)場：數(shù)據(jù)場由數(shù)據(jù)幀里的發(fā)送數(shù)據(jù)組成。它可以為0 ～8 個字節(jié)，每字節(jié)包含8個位，首先發(fā)送 MSB。CRC場：CRC場包括CRC序列（CRC SEQUENCE），其后是CRC界定符（CRC DELIMITER ）。應答場：應答場長度為2 個位，包含應答間隙（ACK SLOT ）和應答界定符（ACK DELIMITER）。在ACK場（應答場）里，發(fā)送站發(fā)送兩個“隱性”位。當接收器正確地接收到有效的報文，接收器就會在應答間隙（ACK SLOT ）期間（發(fā)送 ACK信號）向發(fā)送器發(fā)送一“顯性”位以示應答。