基于CAN 總線與無線結(jié)合的冷藏倉庫環(huán)境檢測系統(tǒng)

1、基于CAN 總線與無線結(jié)合的冷藏倉庫環(huán)境檢測系統(tǒng)    摘 要：由于當(dāng)今社會人們生活水平的提高，人們開始追求更高的生活品質(zhì)，其中包括食品的保鮮度等方面。為了滿足人們的這一現(xiàn)實需求，這就對冷藏倉庫的存放環(huán)境提出了挑戰(zhàn)。本設(shè)計提出一種基于CAN總線的環(huán)境檢測系統(tǒng)，并與無線數(shù)據(jù)采集方式相結(jié)合，不僅可以做到溫度、濕度等參數(shù)的實時傳輸，還能減少布線的復(fù)雜，以及避免搬運貨物使得有線線路的中斷，造成系統(tǒng)癱瘓等。關(guān)鍵詞：CAN總線;無線；環(huán)境監(jiān)測中圖分類號：TP3911.引言在貨物儲藏過程中，需要對倉內(nèi)不同層面、不同方位所存貨物的溫度，倉內(nèi)空氣濕度等進(jìn)行實時檢測。目前，

2、冷藏倉庫環(huán)境檢測的方式主要有機(jī)械式儀表，人工定時測量，這種方式測量的精度差且實時性沒有保障，還有些地方使用電子檢測設(shè)備，由于大型倉庫需要檢測的點多，數(shù)據(jù)種類多，這種方式不能覆蓋全部地方，且與主機(jī)頻繁通信將導(dǎo)致系統(tǒng)的復(fù)雜度、穩(wěn)定性和實時性下降1。而CAN 總線利用雙絞線可以將所有節(jié)點串在一起，不僅避免了單個設(shè)備都與主機(jī)相連的瓶頸，而且網(wǎng)絡(luò)任意節(jié)點均可在任意時刻主動的向其他節(jié)點通信，系統(tǒng)實現(xiàn)大大簡化，因此我們考慮使用CAN總線作為該檢測系統(tǒng)的主干網(wǎng)。為了克服有線方式固有的缺點，我們通過使用NRF24L01 組成的星型子網(wǎng)來改善該系統(tǒng)安裝的靈活性。2. CAN 總線性能特點CAN 屬于總線式串行通信

3、網(wǎng)絡(luò)，由于采用了許多新技術(shù)及獨特的設(shè)計，與一般的通信總線相比，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。其特點可概括如下：CAN 作為多主方式工作，網(wǎng)絡(luò)上任意節(jié)點任意時刻均可主動地向網(wǎng)絡(luò)上其他節(jié)點發(fā)送信息，通信方式靈活。CAN 網(wǎng)絡(luò)上節(jié)點信息分成不同的優(yōu)先級，可滿足不同實時要求。CAN 采用非破壞總線仲裁技術(shù)，可大大節(jié)省總線沖突仲裁時間。CAN 只需通過報文濾波即可實現(xiàn)點對點、點對多點及全局廣播等方式的數(shù)據(jù)傳輸，無須專門的“調(diào)度”。采用短幀結(jié)構(gòu)，傳輸時間短，收干擾概率低，具有極好的檢錯效果等2。3 監(jiān)測系統(tǒng)總體方案設(shè)計該系統(tǒng)主要由PC、網(wǎng)關(guān)、CAN 匯聚節(jié)點及數(shù)據(jù)采集節(jié)點組成。其

4、框圖如圖1 所示。從圖中可以看出本系統(tǒng)由三個層次組成：一是由PC機(jī)加網(wǎng)關(guān)構(gòu)成的上位機(jī)，其可以利用上位機(jī)軟件通過串口向網(wǎng)關(guān)發(fā)送指令，網(wǎng)關(guān)正確解析指令后進(jìn)行協(xié)議轉(zhuǎn)換即RS232-CAN，利用CAN 總線與下位機(jī)CAN 匯聚節(jié)點通信。二是由CAN匯聚節(jié)點組成的分布式網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)接收執(zhí)行上位機(jī)指令，匯聚由數(shù)據(jù)采集節(jié)點返回的溫濕度等參數(shù)。三是由NRF24L01 構(gòu)成的星型數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡(luò)，對倉庫的溫度濕度等參數(shù)進(jìn)行采集和上傳。監(jiān)控系統(tǒng)以PIC18F458 單片機(jī)為核心，利用溫濕度傳感器采集環(huán)境參數(shù)，并通過無線方式匯聚到CAN 匯聚節(jié)點處，由CAN 總線上傳至監(jiān)測PC 機(jī)中進(jìn)行判斷及發(fā)布指令。得益于CAN 總線

5、和無線模塊具有突出優(yōu)點該系統(tǒng)的可靠性、實時性和靈活性方面都能達(dá)到較高的要求。 120120CANHCANL圖1 監(jiān)測系統(tǒng)總體方案原理框圖4.系統(tǒng)硬件設(shè)計4.1 網(wǎng)關(guān)設(shè)計網(wǎng)關(guān)是該系統(tǒng)的重要組成部分，其性能的好壞影響著整個系統(tǒng)的效率。該部分主要負(fù)責(zé)RS232 串口協(xié)議與CAN 總線協(xié)議之間的轉(zhuǎn)換和判斷檢測溫濕度是否超出閾值，進(jìn)行聲光報警。核心芯片采用MICROCHIP公司的內(nèi)部帶有CAN 的微控制器PIC18F458，CAN 收發(fā)芯片采用的是CTM8251，它是一款帶隔離的通用CAN 收發(fā)器芯片，該芯片內(nèi)部集成了所有必需的CAN 隔離及CAN 收、發(fā)器件。網(wǎng)關(guān)結(jié)構(gòu)框圖如圖2 所示。PIC

6、18F458 TXRXCANTXCANRXCANHCANLPCTX RX聲光報警圖2 網(wǎng)關(guān)結(jié)構(gòu)框圖 4.2 CAN匯聚節(jié)點設(shè)計CAN 匯聚節(jié)點主要是接收并判斷由網(wǎng)關(guān)解析傳送的指令，匯聚六路數(shù)據(jù)采集節(jié)點的數(shù)據(jù)，組裝成滿足CAN 協(xié)議的幀格式并上傳至上位機(jī)軟件中實時顯示。其除了有PIC18F458和CTM8251 外，還有一款工作在2.42.5GHz 世界通用ISM 頻段的單片無線收發(fā)器芯片NRF24L01。NRF24L01 有兩種數(shù)據(jù)包處理方式即 ShockBurstTM 和增強(qiáng)型ShockBurstTM模式，這里采用增強(qiáng)型ShockBurstTM 模式。其結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。CTM8

7、251NRF24L01CANHCANL圖3 CAN匯聚節(jié)點結(jié)構(gòu)框圖4.3 數(shù)據(jù)采集節(jié)點設(shè)計數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡(luò)是由NRF24L01 組成的星型網(wǎng)絡(luò)，NRF24L01 提供了SPI 接口，可以與成本較低的低速MCU 相連，數(shù)據(jù)率取決于單片機(jī)SPI 或模擬SPI 接口速度。在接收模式下NRF24L01 可以同時接收6 路不同通道的數(shù)據(jù)，每一個數(shù)據(jù)通道使用不同的地址但是共用相同的頻道。為了降低誤碼率，nRF24L01 可以實現(xiàn)自動應(yīng)答和重發(fā)，內(nèi)置CRC 編解碼模塊，可以在不增加編程難度的條件下有效的減小誤碼率?；?.4GHz 頻段的通信設(shè)備越來越多，NRF24L01引入跳頻機(jī)制，采用頻點躲避方式來降低同頻

8、干擾的影響。由此可確保系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集傳輸?shù)目煽啃?。數(shù)據(jù)采集端主要由AT89C51、NRF24L01、DS18B20 單線測溫網(wǎng)絡(luò)和濕度傳感器HS1101組成，其中溫濕度數(shù)據(jù)采集由單線測溫網(wǎng)絡(luò)和濕度傳感器完成。DS18B20 溫度測量范圍-55125，在-1085范圍內(nèi)測量精度為±0.5。與傳統(tǒng)的熱敏電阻溫度傳感器不同，它能夠直接讀出被測溫度，并且可根據(jù)實際要求通過簡單的編程實現(xiàn)912 位的數(shù)字值讀數(shù)方式，可以分別在93.75ms 和750ms 內(nèi)將溫度值轉(zhuǎn)化為9 位和12 位的數(shù)字量。該芯片在檢測點已把被測信號數(shù)字化，因此在單總線上傳送的是數(shù)字信號7。而HS1101 輸出的是模擬信號

9、，需要外加必要的調(diào)理電路和ADC 以轉(zhuǎn)換成單片機(jī)識別的數(shù)字信號，該濕度傳感器工作電壓為5V，靈敏度為0.34 pF/%RH。結(jié)構(gòu)框圖如圖4 所示。NRF24L01DS18B20HS1101DS18B20DS18B20DS18B20A/D調(diào)理電路圖4 數(shù)據(jù)采集節(jié)點原理框圖 5 系統(tǒng)軟件設(shè)計由于該系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)量大，為協(xié)調(diào)各倉庫之間數(shù)據(jù)的返回，避免造成CAN 總線上的數(shù)據(jù)堵塞，可采用輪詢的方式查詢返回各個CAN 匯聚節(jié)點的數(shù)據(jù)，以加強(qiáng)個倉庫環(huán)境參數(shù)返回的公平性，當(dāng)匯聚節(jié)點發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)異常將不等待查詢，立即主動返回數(shù)據(jù)以增強(qiáng)對異常情況處理的實時性。5.1 網(wǎng)關(guān)程序設(shè)計網(wǎng)關(guān)上電后，首先對PIC

10、和CAN進(jìn)行初始化，之后打開中斷，等待接收中斷的發(fā)生并根據(jù)接收源不同進(jìn)行相應(yīng)操作，當(dāng)接收到上傳數(shù)據(jù)時需要檢測其是否超出所定參數(shù)閾值，如果超出則觸發(fā)聲光報警，該報警可通過外部按鍵清除。其程序流程圖見圖5。開始關(guān)中斷PIC、CAN初始化開中斷等待中斷中斷入口關(guān)中斷串口接收中斷CAN接收中斷讀取數(shù)據(jù)接收幀完整？判斷命令超時CAN發(fā)送命令超出閾值聲光報警串口發(fā)送開中斷NYYNNNYYY中斷返回(a)網(wǎng)關(guān)主程序 (b)網(wǎng)關(guān)中斷子程序圖5 網(wǎng)關(guān)程序流程圖5.2 CAN匯聚節(jié)點軟件設(shè)計CAN 匯聚節(jié)點可以接收來自6 個數(shù)據(jù)采集節(jié)點的數(shù)據(jù)，其中包括溫濕度數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)源ID 號，以便上位機(jī)得到這些數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和定

11、位。CAN 匯聚節(jié)點可以設(shè)置兩個驗收屏蔽寄存器與六個驗收濾波寄存器，實現(xiàn)同一倉庫匯聚節(jié)點構(gòu)成一個分組，以便上位機(jī)軟件統(tǒng)一管理，并可通過發(fā)送組查詢命令，檢測一個倉庫的各點環(huán)境參數(shù)。此時同一分組的匯聚節(jié)點采用組播ID 標(biāo)識符上傳數(shù)據(jù)，同一分組其他匯聚節(jié)點接收檢測ID，通過排隊的方式上傳各點環(huán)境參數(shù)。其程序流程圖如圖6 所示。 開始關(guān)中斷PIC、CAN、NRF24L01初始化開中斷接收完畢？CAN發(fā)送清查詢標(biāo)志查詢標(biāo)志為1？超出閾值？YNYNYN中斷入口關(guān)中斷CAN接收中斷射頻IRQ中斷超時NY讀取數(shù)據(jù)判斷命令置相應(yīng)標(biāo)志位為1讀取數(shù)據(jù)開中斷中斷返回置接收完畢標(biāo)志位NNYY(a) CAN匯聚

12、節(jié)點主程序 (b) CAN匯聚節(jié)點中斷子程序圖6 CAN匯聚節(jié)點程序流程圖5.3 數(shù)據(jù)采集節(jié)點軟件設(shè)計數(shù)據(jù)采集節(jié)點通過溫濕度傳感器采集到數(shù)據(jù)，處理成幀，利用射頻模塊將包含數(shù)據(jù)源ID 及相關(guān)參數(shù)的幀發(fā)送至CAN 匯聚節(jié)點。并通過增加延時來控制采樣的時間間隔。其程序流程圖如圖7 所示。圖7 數(shù)據(jù)采集節(jié)點主程序流程圖 6 總結(jié)該系統(tǒng)利用CAN 總線數(shù)據(jù)通信具有的突出可靠性、實時性和無線方式具有的靈活性相結(jié)合，可以促成優(yōu)勢互補(bǔ)?；诖嗽撓到y(tǒng)在遠(yuǎn)程監(jiān)控多點檢測領(lǐng)域具有很好的應(yīng)用價值和推廣前景。參考文獻(xiàn)1 張暉, 周偉科, 喬志剛. 基于CAN 總線的環(huán)境測控系統(tǒng)設(shè)計J. 計算技術(shù)與自動化. 2005：54-562 丁恩杰, 馬方清. 監(jiān)控系統(tǒng)與現(xiàn)場總線M. 徐州：中國礦業(yè)大學(xué)出版社20033 莢慶, 王代華, 張志杰. 基于nRF24L01的無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)J. 現(xiàn)代電子技術(shù), 2008(7)：68-70.4 王艷芳, 李智強(qiáng). 基于CAN 總線的智能溫室分布式監(jiān)控系統(tǒng)J. 農(nóng)機(jī)化研究 2009：110-1135 湯綺婷 基于射頻模塊