基于CAN总线的住宅安防系统

1、2012届毕业设计（论文）资料（论文）资料教 学 部： 机电信息工程教学部 专 业： 电气工程及其自动化 学 生 姓 名：助教职称的填写在第二行；如只有一位指导教师则去掉第二行，如有三位教师，则再添加一行。 赵胜 班 级： 电气1202 学号 1212180106 指导教师姓名： 黄刚 职称 教师 于惠钧 职称 副教授 最终评定成绩： 湖南工业大学科技学院教务部 制湖 南 工 业 大 学 科 技 学 院2012届毕业设计（论文）资料第二部分 设计说明书2012届毕业设计（论文）基于CAN总线的住宅小区安防系统教 学 部： 机电信息工程教学部 专 业： 电气工程及其自动化 学 生 姓 名： 赵胜

2、 班 级：电气1202 学号 1212180106 指导教师姓名： 黄刚 职称 教师 于惠钧 职称 副教授 最终评定成绩 2016 年 5 月 湖南工业大学科技学院毕业设计（论文）基于CAN总线智能小区安防系统设计（小1号黑体居中）教 学 部：机电信息工程教学部专 业：电气工程及其自动化学 号：1212180106学生姓名：赵胜 指导教师：黄刚 教师于惠钧 副教授2016 年 5月湖南工业大学科技学院毕业论文（设计）诚信声明 本人郑重声明：所呈交的毕业论文（设计），题目基于CAN总线智能小区安防系统设计是本人在指导教师的指导下，进行研究工作所取得的成果。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均

3、已在文章以明确方式注明。除此之外，本论文（设计）不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。本人完全意识到本声明应承担的责任。 作者签名： 日期： 年 月 日摘 要随着社会经济的发展，原有的安防产品的通讯方式、通讯速率以及授盖范围己经成为制约小区标准的瓶颈。设计通讯更为稳定，功能更为强大，安全标准更高，覆盖范围更广的小区安防系统是必要的。基于CAN总线的智能小区安防系统提供了多种报警设备以及总线网络设备，能够适应各种类型小区的需要。基于CAN以及以太网的报警传输机制能够高效地传输报鳌数据。系统的报警设备设计的远程升级功能，可以方便地从监控软件更新报警设备的应用程序版本，很大程度地减轻了

4、施工人员与技术支持人员的工作负荷。系统中央控制器则通过以太网与监控软件连接，使得用户更可以通过以太网监控CAN网络设备。 首先分析了目前安防系统存在的问题，诸如数据传输慢，覆盖范围小，升级维护困难等，明确了基于CAN总线的智能小区安防系统的需求。在此基础上，分析系统架构设计、终端设备设计和编址以及如何利用CAN总线和以太网技术构建整个小区安防系统，讨论了终端设备的基本程序逻辑、中央控制器嵌入式操作系统选型以及监控软件子系统设计，其中针对多进程程序的I/0设计与进程间通讯、远程升级与管理功能的通讯协议、数据加密等内容进行了重点分析。关键词：CAN总线；TCP/IP；安防系统；嵌入式操作系统；异步

5、IO 2（书写格式应与中文摘要对应，题目一律用大写字母，段前0.5行，段后0.5行，单倍行距）（书写格式应与中文摘要对应，题目一律用大写字母，段前0.5行，段后0.5行，单倍行距）ABSTRACTWith the development of economic and technology, the previous security productcan no longer fit the requirement of modern residential area, due to its defect in communication style, communication speed

6、and the coverage range. It is necessary to develop a more stable, more powerful, more secure and wider range of securitysystem for modern residential area. Security system based on CAN BUS, whichprovides various alarm devices and net devices, can fit the needs of any kind ofresidential area. The tra

7、nsmission principle of CAN BUS and Ethernet improves theefficiency of data transmission. The function of remote upgrading, which means thefirmware can be conveniently upgraded by monitor PC software remotely, reduces alot of work of constructors and technical supporters. Further more, the central st

8、ationwhich is connected with Monitor PC software through Ethernet make it possible forusers to remote-operate CAN devices only at PC end. Firstly, the problems of existing security system such as slow transition of data,limited coverage range, and upgrading maintenance difficulty were discussed andi

9、ndicate the requirement of Security System Based on CAN for residential area. Basedon this requirement, an analysis on the system construction design, alarm devicedesign and programming, and the way to build a whole complex security system byusing CAN and Ethernet was performed. Then the basic progr

10、am logic of alarmdevice, EOS selection and monitor software subsystem design were disscussed.Besides, more emphasis was put on mufti-process's IO design, inner-processcommunication, protocol of remote upgrading, and management and data encryptionalgorithm.Keywords: CAN;TCP/IP; Security System; E

11、mbedded OS; Asynchronous31目录摘 要Abstract第1章 概论1.1选题来源与意义1.2 智能车辆国内外研究现状1.2.1 国外智能小区安防系统研究现状1.2.2 国内智能小区安防系统研究现状1.3 论文研究的主要内容错误！未定义书签。1.4 本文的篇章结构错误！未定义书签。第2章 系统总体方案设计错误！未定义书签。2.1 智能小车的运动学模型错误！未定义书签。2.2 系统总体结构错误！未定义书签。2.2.1 系统底盘选型错误！未定义书签。2.2.2 智能小车的硬件设计错误！未定义书签。2.2.3 智能小车的操作系统错误！未定义书签。2.3 智能小车的材料错误！未定

12、义书签。2.4 本章小结错误！未定义书签。第3章 智能小车硬件系统设计错误！未定义书签。3.1 稳压电路设计错误！未定义书签。3.2 控制系统硬件设计错误！未定义书签。 3.2.1 SC36410处理器 3.2.2 串口通信电路 3.2.3 USB通信电路 3.2.4 储存器电路 3.2.5 JIAG电路 3.3 传感器电路设计错误！未定义书签。3.3.1 测距避障传感器电路错误！未定义书签。3.3.2 温度测量传感器电路错误！未定义书签。3.3.3 视频采集传感器电路错误！未定义书签。3.4 蓝牙通信模块 错误！未定义书签。3.5 本章小结错误！未定义书签。第4章 智能小车软件系统设计错误！

13、未定义书签。4.1 单片机主程序的设计错误！未定义书签。4.2 手机端程序的设计错误！未定义书签。4.2.1 安卓系统简介错误！未定义书签。4.2.2 与上位机通讯协议错误！未定义书签。4.2.3 安卓开发环境的搭建错误！未定义书签。4.2.4 安卓资源文件的作用错误！未定义书签。4.2.5 手机APP程序界面设计错误！未定义书签。4.2.6 JAVA语言的调试错误！未定义书签。第5章 系统整体调试错误！未定义书签。5.1 电路板测试错误！未定义书签。5.2 蓝牙模块测试错误！未定义书签。5.3 驱动测试错误！未定义书签。5.4 功能测试错误！未定义书签。5.5 本章小结错误！未定义书签。总

14、结错误！未定义书签。参考文献错误！未定义书签。致 谢错误！未定义书签。第1章 （三号黑体居中，段前0.5行，段后0.5行，单倍行距）概 论1.1 课题来源与意义 在西方发达国家，住宅与住宅网络为其主要研究方向。对其的研究可以追溯到1979年，由美国斯坦福研究所就提出了在建筑物内将家用电器、电气设备的控制线统一为家庭总线的概念。之后，美国成立了现代住宅研究会，专门从事这一领域的研究。在1989年，美国推出了将电力供应、空调控制和数据通讯和成为整体的布线系统示范单元。在这期问，智能住宅的概念在欧美发达国家得到了广泛的认同。目前，欧美、日本、新加坡等国家在该领域处于世界领先水平。 在我国国内，智能小

15、区的发展起步较晚但发展很快，但是由于受到市场价格、传统思想等诸多因素的影响，当前住宅小区的智能化建设仍处于初级阶段，智能小区的计算机控制系统也还处于传统控制方式与现场总线控制并存的方式。受其影响，当前的一些智能小区安防报警系统往往采用485总线与现场总线混合的网络化方案，虽然性能可以满足一般的需要，但在小区规模大，住户节点多的情况下性能不佳，与可视对讲，门禁系统等其它小区安防了系统可集成度不高，住户节点所提供的功能有限。因此实现智能小区的真正总线化控制，在此基础上构建一套响应速度快， 接口扩展性强的安防报警系统具有很重要的实践意义。1.2 智能小区安防系统国内外现状1.2.1 国外智能小区安防

16、系统现状 在西方发达国家，由于其住宅产业的特点，智能住宅与智能住宅网络为其主要研究方向。80年代初，随着大量采用电子技术的家用电器面市，开始出现称之为住宅电子化(Home Electronics，HE)的概念；80年代中期，将家用电器、通讯设备与安保防灾设备各自独立的功能综合为一体后，形成了住宅自动化(Home Automation，HA)的概念。 80年代末，由于通讯与信息技术的发展，出现了对住宅中各种通讯、家电、安保设备通过总线技术进行监视、控制与管理的商用系统，产生了住宅网络化(HN Home Network)概念。这在美国称之为智慧屋(wise House，WH)在欧洲称为时髦屋(Sm

17、art Home SH)。在此同时，美国电子工业协会于，988年编制了第一个适用于家庭住宅的电气设计标准，即家庭自动化系统与通讯标准，也有人称之为家庭总线系统标准(Home Bus System HB)。而日本建设省在推进智能建筑概念时，以住宅的总线技术为契机，提出了家庭总线系统概念。邮政省与通产省也于1986年组织日本电子机械工业协会与电子技术协会共同组建HBS标准委员会，并在1988年9且制定了HBS标准。1989年初又在通产省、邮政省和建设省三个部的支持下，成立了日本住宅信息化推进协会，并提出对所有住宅的信息管理采用超级家庭总线技术(Super-Home BusSystem，S-HBS)

18、。1.2.1 国内智能小区安防系统现状 在我国，智能住宅与智能住宅小区虽然起步比较晚，但发展速度却很快。同时将智能小区和小区智能化网络作为主要的研究方向。80年代以前，我国基本居住条件非常困难，电力极为紧张，住宅根本谈不上智能化的问题。80年代初所建成的住宅，其电气设计内容仅局限在普通楼房的户内外照明，高层住宅增加高层供水的生活水泵控制系统及消防泵控制系统。对于弱电系统，也是从80年代开始才陆续设置电话配线和公用电视天线系统。随着时间的推移，到了80年代末和90年代初，我国家庭基本实现了电气化，住宅内的弱电系统也有所增加，如对讲系统等等。90年代末，电脑、有线电视、机顶盒、移动通讯等数字化通讯

19、产品开始走入我国的许多家庭，人们对住宅的功能、安全、舒适、方便等性能提出了新的要求。为适应新的住宅需求，国家在2000年小康型城乡住宅科技产业工程项目实施方案中，将建设智能化小康示范小区列入国家重点发展方向，并于1997年初开始制定小康住宅电气设计(标准)导则(讨论稿)。该导则规定了小康住宅电气设计总体的五方面要求，即高度的安全性，舒适的生活环境，便利的通讯方式，综合的信息服务和家庭智能化系统。1999年年底开始，国家建设部开始组织专家研讨我国智能住宅小区发展问题，并着手起草我国第一部关于智能小区建设的具体技术和标准全国住宅小区智能化系统示范工程建设要点与技术导则(试行稿)，经过多次专家商榷，

20、于2000一年7月底正式出台，并于2001年4月更名为国家康居示范工程智能化系统示范小区建设要点与技术导则(以下简称技术导则)，以便与国家相关康居工程其它相关文件和标准协调一致。该技术导则明确规定了我国智能小区的分类方法和具体功能要求以及智能小区建设的总体目标和实施原则，同时对小康住宅与小区建设在安全防范、家庭设备自动化和通讯与网络配置等方面提出了三级设计标准，即:第一级为“理想目标”，第二级为“普及目标”，第三级为“最低目标”。 安防系统经过20多年的发展，原来的照搬欧美安防产品的模式己经不能满足中国家居安防市场的需要。由于中国的居住模式与发达国家的居住模式有很大差别，中国人口众多，城市住宅

21、建设也多选择密集型的住宅小区方式，而欧美由于独体别墅的居住模式流行，因此住宅多散布城镇周边，没有一个很集中的规模，类似国内的“住宅小区”这样规模的居住区较少，因此，国外的住宅多与市政系统直接相通川。 根据调查统计，目前智能系统的投资约为建筑总投资的5%8%(有的可达10%)。住宅小区智能化系统投资平均为6元/m左右。“十五”期间全国城乡住宅累计竣工面积约达57m2亿，如按城镇住宅竣工计划的半数实现智能化来计算，“十五”期间用于智能化系统的投资就达810亿元。由此可见，住宅小区智能化仍然存在着良好的发展前景。1.3 论文研究的主要内容 本文首先分析了现有小区安防系统所存在的问题以及发展趋势，在此

22、基础确定了基于CAN总线的智能小区安防系统的定位，即大容量、高速率、利用以太网的优势扩展系统的使用范围。根据系统定位，分析了系统设计到的相关技术，如CAN总线的原理以及相关协议，以太网协议以及Win32 WTL开发框架基本逻辑。 基于CAN总线的智能小区安防系统结合了实际的使用需求。分析了CAN网络以及TCP网络的特点，对整个系统的结构进行了逻辑分层。根据CAN网络的传输模型以及节点容量，确定了2路CAN挂接一层网桥的拓扑结构满足了系统的设备容量需求;结合系统数据量的需求以及设备处理能力，确定了中央报警控制器的硬件结构采用ARM7作为C户U，并根据嵌入式操作系统的特点以及特性，分析比较了常见定

23、位嵌入式操作系统，最终决定采用uClinux作为操作系统，采用多进程模式进行中央控制器框架模型，根据uClinux特点，确定采用管道方式作为进程间通讯的方式;根据用户对监控软件的使用需求，确定采用WTL作为监控软件的用户界面开发框架，利用其提供的针对Windows窗口以及界面元素的封装，能够快速高效的实现系统需求。 根据对各个模块的开发模型的选定，设计了CAN网络以及以太网的应用层通讯协议。并结合系统实际情况，分析了系统数据库的设计以及Web服务器的设计概要。1.4 本文的篇章结构本文共分为五章，首先介绍了小区安防系统的现状以及存在的问题，在此基础上详细分析了基于CAN总线的智能小区安防系统的

24、需求，并对系统的设计实现进行了详细的分析。最后分析了系统的不足以及展望，提出了改进方案。论文具体安排如下: 第一章介绍了安防系统现状，结合国内具体情况，进行了比较分析；决定了基于CAN总线的智能小区安防系统的开发重点，突出了本文的现实意义； 第二章介绍了基于CAN总线的智能小区安防系统所需的主要技术以及方法，这部分内容是整个系统的构建基础； 第三章在前面两章的基础上，先对基于CAN总线的智能小区安防系统定位进行了分析，继而分析了系统的核心功能以及主要应用流程。继而对系统所要实现的要点诸如用户界面，缓存以及设备容量，设备回控进行了分析； 第四章是论文的主要部分。首先对系统进行了整体结构设计，然后

25、针对各个模块进行了具体的分析，给出了子系统的实现方法，针对系统的中央控制器子系统以及监控软件子系统进行了重点分析； 第五章对整个系统做了总结，对不足之处给出了改进的方案，并对系统的进一步发展提出了展望。第2章 智能小区安防系统核心技术 智能小区安防系统采用CAN作为底层设备的传输协议，而采用以太网技术作为报警主机到接警主机的传输协议。传输过程中采用应用层进行二次封装加密，保证数据传输过程中安全可靠。系统中心报警主机(简称中央控制器)采用嵌入式Linux系统，满足了大数据量的处理以及储存能力，终端设备采用C51单片机节约实施成本，接警中心采用基于PC的软件系统，提供了电子地图，多种显示方式以及多

26、项可配置的功能模块。2.1 CAN总线CAN是控制局域网络(Control Area Network)的简称，最初是为解决汽车中各部件之间相互通信而设计的。它采用非破坏总线仲裁、短帧结构等技术，具有通信速率高、传输距离远、抗干扰能力强等特点，且在严重出错时具有自动关闭总线功能，主要被应用在对抗干扰能力和实时通信能力要求较高，但单次通信量较小、通信距离在3-5km以内的一些场合。由于性能卓越，其应用范围己不再局限于汽车工业，而向过程控制、远程数据采集、机器人、智能化家居等领域发展。 CAN为串行通讯协议，能高效地支持具有很高安全等级的分布实时控制。CAN具有如下特性：报文具有优先权、保证延迟时间

27、、设置灵活、时间同步的多点接收、系统内数据一致性、多对等主机、错误检测和错误标定、报文重新传输、暂时性错误以及永久性错误检测并自动关闭错误节点。2.1.1 CAN总线分层结构 根据ISO/OSI参考模型，CAN被分为物理层和数据链路层，其中数据链路层又被分为介质访问子层(MAC)和逻辑链路控制子层(LLC)两个子层，如图21所示。图21 CAN的分层结构CAN协议中并未对应用层进行规定，应用层数据直接取自链路层或直接向链路层写入数据。2.1.2 CAN总线的位数值表示以及通讯距离CAN总线上用显性(Dominant)和隐性(Recessive)两个互补的逻辑值表示0和1。当在总线上出现同时发送

28、显性位和隐性位时，总线上数值将出现显性。如图22所示，VCANH和VCANL为CAN总线收发器与总线之间的两接口引脚，信号是以两线之间的“差分”电压形式出现。在隐性状态，VCANH和VCANL被固定在平均电压附近，VDiff近似于0。在总线空闲或隐性位期间，发送隐性位。显性位以大于最小闽值的差分电压表示。图22 总线位的数值表示CAN总线上任意两个单元之间的最大传输距离与位速率有关，表2.1列出了距离与位速率的相关数据圈冈。这里的最大距离是指不接中继器的两个单元之间的距离。表2.1 CAN总线系统任意两节点之间的最大距离位速率/kbps10005002501251005020100最大距离/m

29、40130270530620130033006700100002.1.3 报文传输和帧结构在CAN协议中，数据是以帧为单位进行传输的，只有当一帧的所有数据都正确传送，数据才算正确传送，否则必须重新传。 CAN的报文传输分为两种不同的帧格式，不同之处在于帧标识符的长度不同:含有11位标识符的帧称之为标准帧，而含有29位标识符的帧称为扩展帧。而在报文传输中根据性质的不同又可分为4个类型不同的帧：数据帧（DF）:将数据从发送器传输到接收器；远程帧（RF）:总线单元发出远程帧，请求发送具有同一标识符的数据帧；错误帧（EF）:任何单元检测到总线错误就发出错误帧；过载帧（OF）:用来在相邻数据帧或者远程帧

30、之间提供附加的延时。 数据帧和远程帧可以使用标准帧和扩展帧2种格式，他们之间采用一个帧间间隔与前面的帧分开。数据帧和远程帧的标识符是标定数据目的地方式，接收器通过对标识符进行滤波，来判断数据是否发给自己，这也是保证数据单播、组播的必要条件。2.2 TCP/IP以太网协议TCP/IP协议是传输控制协议/网际协议，是网络中使用的基本的通信协议。通常说TCP/IP是Internet协议族，而不单是下CP和IP，它包括上百个各种功能的协议，如:ARP、 IP、UDP、TCP、HTTP等。TCP/I P协议分层见图23。数据在传输时每通过一层就要在数据上加个包头，而在接收端，每经过一层要把用过的包头去掉

31、，以保证传输数据的格式完全一致。图23 TCP/IP协议层TCP协议和IP协议是TCP/IP中两个最基本的协议。TCP协议即传输控制协议，提供端到端的连接，用于解决多用户或多任务操作系统中不同应用程序之间的通信。TCP协议通过端口号标识不同的应用程序或进程。传输协议主要有两个：传输控制协议TCP和用户数据报协议UDP。TCP提供可靠的有连接传输，通过确认和超时重传机制保证数据的完整和正确，通过滑动窗口机制实现拥塞控制。一般FTP、HTTP等协议采用 TCP进行传输。而UDP实现的是不可靠、无连接的数据报服务，它通过检验和提供数据的完整性。由于UDP比TCP户简单，它不使用繁琐的流量控制或错误恢

32、复机制，只充当数据报的发送者和接收者，因此开销小、效率高，适合于低延迟的局域网。IP协议提供在同一物理网络中无连接但简单有效的数据的点到点通信。如果传输过程中出现数据丢失或出错等情况，TCP协议会自动要求数据重新传输，并重新组包。为标识网络中不同的点，需给该点分配一个地址即IP编址。每个IP地址标识了网络中的一个连接，连接到多个物理网络的路由器和多宿主机必须有多个IP地址。在目前的IPV4中，每个IP地址采用32位方式进行编码。在TCP以及UDP中，另外通过端口号来进行不同应用的区分，端口采用16位方式进行编址，TCP和UDP采用独立的端口号，可以满足主机上运行多个网络应用的需要。目前基于TC

33、P/I P的网络开发程序库主要采用基于伯克利的插口(Socket)方式实现。此种方式目前广泛流行于Windows操作系统以及Linux操作系统上。通过Socket进行网络通讯的基本过程为:初始化网络通讯库；创建socket；绑定socket到IP地址和端口；建立连接；数据收发。2.3 本章小结第3章 智能小区安防系统需求分析目前市场上具有的安防产品较多，但是大多数都不是完全构成一个体系，例如有的产品仅提供报警模块，有的产品仅提供接警主机，有的产品仅提供监控软件，造成各个产品间的接驳比较困难，给用户的安装和弱电施工造成了一定的困难。基于CAN总线的智能小区安防系统定位于提供统一的报警平台，当发生

34、非法入侵、盗窃、破坏和抢劫时，家庭报警装置发出实时和经报警逻辑判断的准确报警信息，报警信息可通过电话及网络传送到建筑及住宅社区综合安防监控管理中心和住户设定的电话或手机上。3.1 系统定位功能当前市面上存在的报警产品较多，但大多数产品仅仅提供整个系统中的一部分，诸如霍尼韦尔提供的23系列、Vista系列报模块以及FE100接警机，提供的DSC系列报警模块，北京迈特安、深圳崇文科技提供的监控系列软件。这些产品彼此配合，可以满足当前部分小区的需要。如图31所示：图31 传统安防系统结构图以23系列报警模块和FE100接警机的使用为例，每个报警机下面可以挂接多个用户键盘(238或者2316)，每个用

35、户一个键盘。当报警仪器检测到发生警情时通过公共交换电话网拨号到接警机，通过一定的脉冲信号上传警情数据，接警机再通过串口RS232将数据上传。以上系统虽然可以满足一般小区的需要，但对于规模稍大的小区，用户较多，报警主机数量也较多的情况下，就会有如下弊端：多个报警机同时检测到警情发生时，会因满足不了需求而导致警情延误；监控软件与接警机的距离受限；费用高；效率慢；报警机回控比较困难。针对目前行业内系统的缺点，基于CAN总线的智能小区安防系统将整个系统分为三层:监控管理层，安防设备层以及传感器层，其定位于提供现有系统的传输速率，降低费用以及提供全功能的回控支持。 基于CAN总线的智能小区的安防系统主要

36、需求如下：支持大设备数量；内置拨号模块；高速率的警情传输；多种报警中断设备；中央控制用太网输出；设备间通讯；系统提高安防整体方案。3.2 系统核心功能分析作为新一代的智能小区安防系统，系统的核心功能为:监控软件显示方案以及布局自由配置，能够根据不同的事件显示不同的颜色，不同的声音；报警事件可以进行地图定位；提供大容量的设备数目以及大数据量处理以及缓存能力两路CAN管道的大设备容量；监控系统可以远程配置、升级、设备回控。下面就这些核心功能进行分析。3.2.1 监控软件用户界面根据最终使用者以及地域的不同，监控软件能够提供不同的显示方式诸如颜色，风格布局等，按照最终操作员的习惯将整个系统的信息呈现

37、在使用者面前。 根据系统的需求，系统用户界面采用Windows模板库进行开发，其提供丰富的窗口类诸如Dock Splitter等供开发者使用。系统各个子模块提供自动停靠、自动隐藏等功能。并且提供对不同警情的文字、前景颜色、背景颜色以及声音的全自动配置。也就是说使用者完全可以根据自身小区的情况，配置不同的显示文字以及颜色。 监控软件在图片显示方便提供对常用图片格式如GIF、JPEG、BMP、PNG等的支持，系统在图片显示方面采用GDI Plus技术，通过抽象工厂方法来实现图像显示格式接口的统一性。 图片显示功能主要是为系统提供的电子地图显示服务的。一般采用成熟的GIS产品作为地理信息显示是比较常

38、见的方法。但考虑到GIS系统都需要专业的地图信息，而本系统主要应用于小区。用户很难提供专业的地图数据，故而采用图片的方式进行显示。通过地图设置功能，允许用户自行设置各级地图。通过设立虚拟的用户组以及防区组概念。允许用户对小区进行虚拟分区，甚至对住户的房间区域进行虚拟分区。而每个层级均可以指定层级地图。可以模拟实现GIS系统的矢量伸缩功能。3.2.2 警情缓存以及设备容量 因为安防系统不同于普通的嵌入式设备，必须能够保证警情不丢失，为此作为系统警情到监控软件的出口，中央控制器对警情的缓存以及处理能力要求很高。 中央控制器采用大容量Flash作为未发送警情的缓存，当中央控制器与监控软件连接断开时，

39、把收到的警情写入Flash中进行保存。待系统重新联机后再转发给监控软件。由于Flash的写入次数有一定的限制，故而为了保证设备的使用寿命，需要保证整片Flash的平均写入，故而系统采用循环写入的方式，对整片Flash进行循环擦写，以避免局部写入频繁导致设备损坏。 根据系统需求，需要满足大的小区的设备容量需要，一般采用的方式是设立多级网桥，这样的缺点是事件上报路由过多，造成延误。对此，中央控制器采用双路CAN管道的方式解决这个问题，通过在处理能力强，直接位于系统上游的中央控制器上增加管道，一下子就可以将系统容量扩大一倍而对消息传递的路由节点却不增加，很好的解决了这个需求。3.2.3 设备回控早期

40、安防产品由于通过公共交换电话网进行数据传输，设备回控比较困难。基于CAN总线的智能小区安防系统采用了以太网以及CAN总线进行数据传输，为设备回控功能提供必要的条件。 在监控软件上进行一些配置操作，可以直接通过中央控制器寻址发送到具体设备，对设备发送命令。这样对整个系统的实用性是一个大的提高，一是维护人员可以不到住户家中即可对设备进行检测，配置，减少维护成本;二是回控功能的实现，整个系统由单工变为双工，通过架设Web服务器，即可满足用户通过因特网监视家中设备的运行情况，更可以设定家中其他联网设备的开启，关闭，例如通过将终端设备连接空调控制器，用户在下班前即可通过互联网将家中空调开启。还可以通过互

41、联网对家中特定防区进行布防。只要实现互联网，用户即可实时监测家中情况。3.2.4 设备升级设备回控功能的实现，使远端对终端设备进行固件升级成为了可能。在系统中特定类型的设备需要进行固件升级时，只要系统维护人员具有系统固件的Hex文件，即可通过设备升级功能将固件下载到远端设备。监控软件通过设定指定类型设备的Hex文件后，将Hex文件转换为二进制文件，通过远程回控，将设备切入升级模式，然后按照顺序将二进制文件逐步写入，待写入成功并校验通过后，重新切回应用模式即可。 Hex文件根据不同厂商的不同，有多种不同的格式，一般以英特尔格式较为常见。英特尔格式的Hex文件格式如下： Intel hex由一条或

42、多条记录组成，每条记录都由一个冒号“：”打头，其格式如下：CC AAAA TT dd ZZ，其中CC代表本条记录中的数据字节数，AAAA代表本条记录中的数据在存储区中的起始地址，n代表记录类型，其中记录类型如下:00数据记录(data record) 、01结束记录(end record) 、02段记录(paragraph record) 、03转移地址记录(transfer address record)、dd代表数据域，根据长度的不同，数据域的长度也不同。ZZ代表数据校验和。Intel hex文件记录中的数字都是16进制格式，两个16进制数字代表一个字节。CC域是数据域中的实际字节数、地址

43、、记录类型和校验和计算在内。校验和的计算方法是:取记录中从数据字节计数域(CC)到数据域(dd.)最后一个字节的所有字节总和的补码。3.3 系统主要流程分析基于CAN总线的智能小区安防系统中的主要流程为：CAN网络中的数据发送和接收流程以及跨网络的数据传送流程。3.3.1 CAN数据发送与接收数据的发送由CAN模块按照CAN规范自动完成，当MCU需要发送数据时，必须先将数据按CAN协议格式进行封装，再将CAN报文存入空闲发送缓冲区，并清除相应缓冲区空标志。CAN模块根据MCU的清标志操作知道待发数据己经准备好，可以将发送缓冲区中的数据发往CAN总线。报文的发送既可以采用查询方式也可以采用中断方

44、式。报文在被成功发送出去之前MCU可以通过发送“中止发送”请求以中止当前报文的发送，利用这一机制可以实现一个紧急报文的优先发送。发送一个报文的流程见图32所示：当CAN总线上有报文在传输时，总线上除发送结点以外的所有节点都将成为接收节点；接收节点将报文暂时存放在本地的后台(Background)接收缓冲区RXBG中并进行滤波比较，即将该报文的标识符与本地节点标识符进行比较:若该报文通过本地滤波，CAN模块则将此报文复制到前台(Foreground)接收缓冲区RXFG中，并置接收缓冲区满标志位(RXF)通知MCU去读取RXFG中的数据。MCU只能访问RXFG而不能访问RXFG而不能访问RXBG。

45、MCU在查询到RXF标志为1(查询接收方式)或收到CAN模块产生的接收中断后，便到接收缓冲区中读取数据进行分析，并作相应处理。报文接收中断处理流程如图33所示：3.3.2 跨网数据传输本系统属于定位于提供安全可靠的报警服务，所以主要的流程就是警情的传递过程以及设备的回控以及配置过程。下面就对警情从产生到传递到监控软件的顺序以及设备回控顺序进行分析。 传感器检测到对应的信号后，连同自身电路;报警模块检测到对应防区的电压变化后，生成包含对应的数据包，发送给其上层的CAN桥；CAN桥将数据上报给中央报警处理器；中央处理器根据收到的CAN包生成对应的数据包上报给监控软件。图 34给出了一个带情处理的整

46、个过程，图35给出了一个设备回控顺序图。图34 报警信息上报顺序图图35 设备回控顺序图从图32以及图33可以看出，系统在CAN网络的应用层统一采用ACK机制，通过层层应答机制，可以确保数据传输的正确性，一旦发送的数据包没有得到目的的应答，设备将缓存数据进行重试。监控软件采用模块化的方法，降低各个功能区域的祸合度，使各个模块可以自由配接，通过将数据收发与数据解析、数据显示等分为不同模块，使各个模块可以独立设计，提高开发效率，降低开发风险。第4章 智能小区安防系统设计根据对整个系统的需求分析，基于CAN的智能小区安防系统涉及到的主要技术主要为：Win32 WTL及网络应用程序设计技术、嵌入式Li

47、nux程序设计、基于CAN的应用层协议以及C51单片机开发技术。本章将结合具体设计，分层次讨论整个系统的设计。4.1 智能小区安防系统总体设计基于CAN总线的智能小区系统整体设计为四层架构，也即PC软件、中央控制器、CAN桥以及CAN终端设备。系统结构体系如图41所示。 如图41所示系统通讯分为两个部分:即以太网以及CAN网。以太网负责监控软件与中央控制器的连接以及通讯，CAN网负责整个报警网络设备之间的连接以及通讯。而从图41中可以看到，在报警软件和PC之间有一RS232连接，这一连接是为了方便于系统安装时配置中央控制器的IP地址、子网掩码以及监控软件的地址等所设计的。从中央控制器中，引出两

48、路CAN管道，是基于CAN总线的智能小区安防系统的独特设计，是为了增加系统容量所设置，两路CAN管道分别可以连接100个CAN桥，每个CAN桥下面最大可以挂接100个报警模块，而每个报警模块上设置了多个防区引脚，最大为16防区，最小的为2防区，满足了不同场合的需要。这样的设计增加了系统的容量，满足了系统的需求。图41 系统架构图4.2 应用层协议设计 基于系统整体结构的设计，针对两层不同的通讯总线，基于CAN总线的智能小区安防系统分别设计了不同的应用层协议。4.2.1 警情的定义根据对小区报警系统的业内标准的比较，为了兼容接入已有的接警主机，基于CAN总线的智能小区报警系统采Contact1D

49、来对警情进行编码。Contact旧编码方式分为三部分，一个Primary ID，一个Sub ID，一个开关量标识警情的触发与恢复，其中Primary ID最大值为64，Sub ID最大值为16，可以最多提供1024种警情定义。4.2.2 CAN网应用协议设计根据CAN总线的特点以及基于CAN总线的智能小区的系统需求分析，每个在CAN网络传输中的数据帧要携带如下数据：源地址；目的地址；Contac1D；防区信息；其他信息。以上分析了报警终端上报信息所需要的数据，考虑到数据跨越路由层传输需要携带各层路由信息，以及监控软件需要对报警终端的属性进行诸如防区属性等配置，一个数据帧携带的数据还要更多。 根

50、据以上分析，采用标准帧方式来编码数据帧必将占用大部分数据场字段，这样势必会影响系统的扩展性。而如果采用扩展帧方式来进行编码，则可以将上文提及的大部分字段编入帧ID中，从而将数据段场保留下来给其他必要字段使用，减少系统传输过程的帧数目，提供系统传输速率。所以采用扩展帧方式来编码数据帧具有明显的优势。 结构体的设计正好对应于CAN数据扩展帧的仲裁场结构(参见图23 )其中诸如防区信息等放到数据帧的额外信息因为长度不定，将其放入数据段场。以减少系统冗余数据的传输。数据段场详细的设计，将在报警终端子系统进行描述。代码如下所示：typedef struct can_id_tuint32 DADDR：8；

51、 /目的地址uint32 SADDR：8； /源地址uint32 RSV2：2； /保留，以匹配CAN场结构uint32 SUBCANID：4； /Sub IDuint32 PRICANID：6； /PRIMIDuint32 FLAG：1； /开关位uint32 RSV3：3； /保留，以匹配CAN场结构can_id_t：下面讨论系统中系统数据帧的传输过程，因为系统中CAN网络分为四层，即中央控制器、CAN管道、CAN网桥以及报警模块(参见图41)，数据到达中央控制器后，中央控制器将数据进行分装，转成以太网数据上传至监控软件。 考虑到数据跨层传输后，需要保存各层的信息，其中CAN管道是一个虚拟

52、的层级，其地址只需要中央控制器知道即可。因为中央控制器从哪个管道读取数据和向那个管道写入数据对下层设备是透明的。所以我们将数据帧的数据场第一byte也即DataO保留为报警模块的地址，将表4-1中设计的源地址设计为网桥的地址，这样数据从中央控制器到达网桥后，网桥解析出第一个数据场的值即可将数据转发到报警模块;而报警模块产生报警数据后，将自身地址填入数据场第一byte，将目的地址设为网桥地址即可传送出去，网桥接收数据后将自身地址填入源地址后将目的地址改为中央控制器的地址即可将警情上报。4.2.3 以太网应用协议设计以太网层协议采用UDP协议作为监控软件与中央控制器的传输层协议。之所以选择UDP的

53、原因如下: 1, UDP协议在发送端和接收端都保持数据报的完整性，相对于流式协议不需要严格考虑包的结构，减少了中央控制器解析上的资源消耗; 2, UDP协议不需要保证数据传输的有序性，在报警系统中，这点尤为重要，如果采用TCP协议，必须要保证前面的数据全部接收完成，才会处理到后续的数据，而在报警系统中，保证单次数据能够及时到达监控软件显得更为重要。 由于UDP协议不能保证数据安全准确的到达系统在应用层做了二次的ACK机制作为保证。为了保证数据传输的完整性，在UDP数据包中需要增加序号字段和校验字段，通讯双方可以根据序列号是否连续判断是否丢失了数据包。 按照前一章讨论的系统需求，监控软件与中央控制器的通讯按照类型大致可以分为如下4类：系统初始化与保活；警情；设备配置；设备升级。 此类消息由监控软件构造，与设备配置类消息类似，通过中央控制器和CAN中继器最终达到报警终端设备。 根据以上分析，首先数据包中需要包含序列号和校验字段，为了保证系统长时间运行的需要，采用32位字段作为序列号，采用md5校验字段，采用md5作为校验方式的原因参见4.3节；其次数据包中应该包含必要的消息类型，消息长度;再次需要包含上节讨论的CAN数据帧内容，因为系统中设备量较大，而且采用的多层结构，所以有必要对整个C