基于CAN 总线与无线结合的冷藏仓库环境检测系统

1、基于CAN 总线与无线结合的冷藏仓库环境检测系统    摘 要：由于当今社会人们生活水平的提高，人们开始追求更高的生活品质，其中包括食品的保鲜度等方面。为了满足人们的这一现实需求，这就对冷藏仓库的存放环境提出了挑战。本设计提出一种基于CAN总线的环境检测系统，并与无线数据采集方式相结合，不仅可以做到温度、湿度等参数的实时传输，还能减少布线的复杂，以及避免搬运货物使得有线线路的中断，造成系统瘫痪等。关键词：CAN总线;无线；环境监测中图分类号：TP3911.引言在货物储藏过程中，需要对仓内不同层面、不同方位所存货物的温度，仓内空气湿度等进行实时检测。目前，

2、冷藏仓库环境检测的方式主要有机械式仪表，人工定时测量，这种方式测量的精度差且实时性没有保障，还有些地方使用电子检测设备，由于大型仓库需要检测的点多，数据种类多，这种方式不能覆盖全部地方，且与主机频繁通信将导致系统的复杂度、稳定性和实时性下降1。而CAN 总线利用双绞线可以将所有节点串在一起，不仅避免了单个设备都与主机相连的瓶颈，而且网络任意节点均可在任意时刻主动的向其他节点通信，系统实现大大简化，因此我们考虑使用CAN总线作为该检测系统的主干网。为了克服有线方式固有的缺点，我们通过使用NRF24L01 组成的星型子网来改善该系统安装的灵活性。2. CAN 总线性能特点CAN 属于总线式串行通信

3、网络，由于采用了许多新技术及独特的设计，与一般的通信总线相比，CAN 总线的数据通信具有突出的可靠性、实时性和灵活性。其特点可概括如下：CAN 作为多主方式工作，网络上任意节点任意时刻均可主动地向网络上其他节点发送信息，通信方式灵活。CAN 网络上节点信息分成不同的优先级，可满足不同实时要求。CAN 采用非破坏总线仲裁技术，可大大节省总线冲突仲裁时间。CAN 只需通过报文滤波即可实现点对点、点对多点及全局广播等方式的数据传输，无须专门的“调度”。采用短帧结构，传输时间短，收干扰概率低，具有极好的检错效果等2。3 监测系统总体方案设计该系统主要由PC、网关、CAN 汇聚节点及数据采集节点组成。其

4、框图如图1 所示。从图中可以看出本系统由三个层次组成：一是由PC机加网关构成的上位机，其可以利用上位机软件通过串口向网关发送指令，网关正确解析指令后进行协议转换即RS232-CAN，利用CAN 总线与下位机CAN 汇聚节点通信。二是由CAN汇聚节点组成的分布式网络，实现接收执行上位机指令，汇聚由数据采集节点返回的温湿度等参数。三是由NRF24L01 构成的星型数据采集网络，对仓库的温度湿度等参数进行采集和上传。监控系统以PIC18F458 单片机为核心，利用温湿度传感器采集环境参数，并通过无线方式汇聚到CAN 汇聚节点处，由CAN 总线上传至监测PC 机中进行判断及发布指令。得益于CAN 总线

5、和无线模块具有突出优点该系统的可靠性、实时性和灵活性方面都能达到较高的要求。 120120CANHCANL图1 监测系统总体方案原理框图4.系统硬件设计4.1 网关设计网关是该系统的重要组成部分，其性能的好坏影响着整个系统的效率。该部分主要负责RS232 串口协议与CAN 总线协议之间的转换和判断检测温湿度是否超出阈值，进行声光报警。核心芯片采用MICROCHIP公司的内部带有CAN 的微控制器PIC18F458，CAN 收发芯片采用的是CTM8251，它是一款带隔离的通用CAN 收发器芯片，该芯片内部集成了所有必需的CAN 隔离及CAN 收、发器件。网关结构框图如图2 所示。PIC

6、18F458 TXRXCANTXCANRXCANHCANLPCTX RX声光报警图2 网关结构框图 4.2 CAN汇聚节点设计CAN 汇聚节点主要是接收并判断由网关解析传送的指令，汇聚六路数据采集节点的数据，组装成满足CAN 协议的帧格式并上传至上位机软件中实时显示。其除了有PIC18F458和CTM8251 外，还有一款工作在2.42.5GHz 世界通用ISM 频段的单片无线收发器芯片NRF24L01。NRF24L01 有两种数据包处理方式即 ShockBurstTM 和增强型ShockBurstTM模式，这里采用增强型ShockBurstTM 模式。其结构框图如图3所示。CTM8

7、251NRF24L01CANHCANL图3 CAN汇聚节点结构框图4.3 数据采集节点设计数据采集网络是由NRF24L01 组成的星型网络，NRF24L01 提供了SPI 接口，可以与成本较低的低速MCU 相连，数据率取决于单片机SPI 或模拟SPI 接口速度。在接收模式下NRF24L01 可以同时接收6 路不同通道的数据，每一个数据通道使用不同的地址但是共用相同的频道。为了降低误码率，nRF24L01 可以实现自动应答和重发，内置CRC 编解码模块，可以在不增加编程难度的条件下有效的减小误码率。基于2.4GHz 频段的通信设备越来越多，NRF24L01引入跳频机制，采用频点躲避方式来降低同频

8、干扰的影响。由此可确保系统数据采集传输的可靠性6。数据采集端主要由AT89C51、NRF24L01、DS18B20 单线测温网络和湿度传感器HS1101组成，其中温湿度数据采集由单线测温网络和湿度传感器完成。DS18B20 温度测量范围-55125，在-1085范围内测量精度为±0.5。与传统的热敏电阻温度传感器不同，它能够直接读出被测温度，并且可根据实际要求通过简单的编程实现912 位的数字值读数方式，可以分别在93.75ms 和750ms 内将温度值转化为9 位和12 位的数字量。该芯片在检测点已把被测信号数字化，因此在单总线上传送的是数字信号7。而HS1101 输出的是模拟信号

9、，需要外加必要的调理电路和ADC 以转换成单片机识别的数字信号，该湿度传感器工作电压为5V，灵敏度为0.34 pF/%RH。结构框图如图4 所示。NRF24L01DS18B20HS1101DS18B20DS18B20DS18B20A/D调理电路图4 数据采集节点原理框图 5 系统软件设计由于该系统采集的数据量大，为协调各仓库之间数据的返回，避免造成CAN 总线上的数据堵塞，可采用轮询的方式查询返回各个CAN 汇聚节点的数据，以加强个仓库环境参数返回的公平性，当汇聚节点发现数据异常将不等待查询，立即主动返回数据以增强对异常情况处理的实时性。5.1 网关程序设计网关上电后，首先对PIC

10、和CAN进行初始化，之后打开中断，等待接收中断的发生并根据接收源不同进行相应操作，当接收到上传数据时需要检测其是否超出所定参数阈值，如果超出则触发声光报警，该报警可通过外部按键清除。其程序流程图见图5。开始关中断PIC、CAN初始化开中断等待中断中断入口关中断串口接收中断CAN接收中断读取数据接收帧完整？判断命令超时CAN发送命令超出阈值声光报警串口发送开中断NYYNNNYYY中断返回(a)网关主程序 (b)网关中断子程序图5 网关程序流程图5.2 CAN汇聚节点软件设计CAN 汇聚节点可以接收来自6 个数据采集节点的数据，其中包括温湿度数据和数据源ID 号，以便上位机得到这些数据进行分析和定

11、位。CAN 汇聚节点可以设置两个验收屏蔽寄存器与六个验收滤波寄存器，实现同一仓库汇聚节点构成一个分组，以便上位机软件统一管理，并可通过发送组查询命令，检测一个仓库的各点环境参数。此时同一分组的汇聚节点采用组播ID 标识符上传数据，同一分组其他汇聚节点接收检测ID，通过排队的方式上传各点环境参数。其程序流程图如图6 所示。 开始关中断PIC、CAN、NRF24L01初始化开中断接收完毕？CAN发送清查询标志查询标志为1？超出阈值？YNYNYN中断入口关中断CAN接收中断射频IRQ中断超时NY读取数据判断命令置相应标志位为1读取数据开中断中断返回置接收完毕标志位NNYY(a) CAN汇聚

12、节点主程序 (b) CAN汇聚节点中断子程序图6 CAN汇聚节点程序流程图5.3 数据采集节点软件设计数据采集节点通过温湿度传感器采集到数据，处理成帧，利用射频模块将包含数据源ID 及相关参数的帧发送至CAN 汇聚节点。并通过增加延时来控制采样的时间间隔。其程序流程图如图7 所示。图7 数据采集节点主程序流程图 6 总结该系统利用CAN 总线数据通信具有的突出可靠性、实时性和无线方式具有的灵活性相结合，可以促成优势互补。基于此该系统在远程监控多点检测领域具有很好的应用价值和推广前景。参考文献1 张晖, 周伟科, 乔志刚. 基于CAN 总线的环境测控系统设计J. 计算技术与自动化. 2005：54-562 丁恩杰, 马方清. 监控系统与现场总线M. 徐州：中国矿业大学出版社20033 荚庆, 王代华, 张志杰. 基于nRF24L01的无线数据传输系统J. 现代电子技术, 2008(7)：68-70.4 王艳芳, 李智强. 基于CAN 总线的智能温室分布式监控系统J. 农机化研究 2009：110-1135 汤绮婷 基于射频模块