基于CAN總線技術(shù)的供暖計量系統(tǒng)設(shè)計
1 引言
CAN總線技術(shù)誕生于汽車控制領(lǐng)域，隨著其技術(shù)的不斷完善，應(yīng)用領(lǐng)域也不斷擴(kuò)展。 CAN總線技術(shù)進(jìn)入我國以來，在經(jīng)歷了引進(jìn)、使用階段后，自2000年以來，國內(nèi)許多相關(guān)廠商對該總線技術(shù)進(jìn)行了不懈的研究與開發(fā)，取得了一定的成果，目前，國內(nèi)CAN總線技術(shù)已經(jīng)在汽車控制、數(shù)控機(jī)床、醫(yī)療器械和樓宇自動化等眾多領(lǐng)域得到了應(yīng)用，是受到廣泛關(guān)注的總線技術(shù)之一[1]。
CAN總線具有現(xiàn)場總線的特點，適合于分布式系統(tǒng)的應(yīng)用。目前，國內(nèi)已具有一定的 CAN總線產(chǎn)品的開發(fā)能力，其應(yīng)用成本也隨之降低，所以，在傳統(tǒng)控制系統(tǒng)的改造中 CAN總線技術(shù)得到了比較廣泛的應(yīng)用。隨著熱能商品化和供暖計費制度的改革，國內(nèi)居民住宅供暖體制也將發(fā)生變化，其中最為重要的也是最為困難的是對供暖計量系統(tǒng)的改造。在新建居民住宅小區(qū)中可以根據(jù)目前國家供暖制度的要求采用不同的供暖方式，并根據(jù)具體的供暖方式進(jìn)行住宅小區(qū)供暖系統(tǒng)的設(shè)計，但是，如何對存量很大的老舊住宅供暖計量系統(tǒng)進(jìn)行改造是一個難點，因為這可能要涉及到現(xiàn)有供暖管線的改造，而供暖管線改造的工程量比較大，工期較長，特別是管線改造對住戶的影響很大，實施中可能會遇到比較大的阻力 [2、3]。所以，根據(jù)老舊住宅供暖系統(tǒng)改造的要求，設(shè)計一種簡單、實用的住宅供暖計量系統(tǒng)是必要的。本文完成了一種基于 CAN總線技術(shù)的供暖計量系統(tǒng)的設(shè)計。 2 CAN總線技術(shù)簡介
2.1 CAN總線結(jié)構(gòu)
CAN（Controller Area Network）總線是德國 Bosch公司 1990年推出的一種現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)。它具有實時性強(qiáng)、可靠性高，且開發(fā)工具廉價的特點。 Motorola、Intel、Philips等公司
都為其提供硬件支持。
CAN總線系統(tǒng)是由許多 CAN節(jié)點組成，CAN總線將各個節(jié)點連接起來，其總線總長度最大為 10千米。CAN總線可以通過鏈接設(shè)備（Linking Device）與上層網(wǎng)絡(luò)相連，上層網(wǎng)絡(luò)可以是信息網(wǎng)或其它標(biāo)準(zhǔn)的總線。
CAN總線協(xié)議遵從 OSI模型，其數(shù)據(jù)鏈路層和物理層由 CAN2.0協(xié)議規(guī)范描述。 CAN2.0協(xié)議規(guī)范沒有描述 CAN總線協(xié)議的應(yīng)用層，所以，其應(yīng)用層需要另行構(gòu)建[4]。
2.2 CAN總線節(jié)點
CAN總線節(jié)點由微處理器系統(tǒng)、CAN控制器、CAN總線收發(fā)器三部分組成。CAN總線節(jié)點組成及連接示意圖如圖 1所示。
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節(jié)點中微處理器系統(tǒng)由微處理器和本地應(yīng)用電路構(gòu)成，微處理器是整個節(jié)點的控制中心，本地應(yīng)用電路與現(xiàn)場設(shè)備相連，節(jié)點中 CAN收發(fā)器與 CAN總線相連，CAN總線節(jié)點是連接現(xiàn)場設(shè)備和總線的關(guān)鍵。
CAN總線節(jié)點具有兩個重要功能，即：總線通信功能和本地控制功能。總線通信功能完成與總線上其它節(jié)點的數(shù)據(jù)傳輸；本地控制功能完成對與本節(jié)點相連的現(xiàn)場設(shè)備的控制。節(jié)點加上現(xiàn)場設(shè)備構(gòu)成了一個控制系統(tǒng)，而且是具有通信功能的控制系統(tǒng)，CAN總線是將眾多這樣的控制系統(tǒng)連接在一起的信息通道，采用 CAN總線技術(shù)構(gòu)建的系統(tǒng)是分布式系統(tǒng)，這體現(xiàn)了現(xiàn)場總線技術(shù)的本質(zhì)[5、6]。 3 總體方案設(shè)計
3.1需求及技術(shù)分析
我國集中供暖方式主要用于樓房住宅建筑中，目前，老舊住宅中供暖方式雖然各有不同，但是，其供暖管線的基本結(jié)構(gòu)是所謂 “串連分趟”式。按照住宅內(nèi)供暖區(qū)域的不同，每一趟供暖管線分布于住宅內(nèi)的不同位置，上下各層的每一趟管線上串行連接有散熱器，單層單趟供暖管線結(jié)構(gòu)示意圖如圖 2所示。
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住宅的設(shè)備層設(shè)有橫向的回水管線，例如一個兩室兩廳一衛(wèi)一廚的單元中至少有 6趟供暖管線通過，在不改變現(xiàn)有供暖管線的條件下，必須對每一住戶的每一趟管線所消耗的熱量分別進(jìn)行計量，即圖 2中 A點到 B點所消耗的熱量值，累加后得出該住戶所消費的總熱量。由于空間上的分布性，要求供暖計量系統(tǒng)必須采用全分布式系統(tǒng)，CAN總線技術(shù)符合這一要求，而且 CAN總線產(chǎn)品與其它現(xiàn)場總線產(chǎn)品相比其成本低，適合于現(xiàn)有系統(tǒng)的改造，所以設(shè)計中采用了 CAN總線技術(shù)。在民用住宅中要計量熱量的消耗量，一般要求系統(tǒng)應(yīng)對相應(yīng)熱傳導(dǎo)介質(zhì)的流量和溫度進(jìn)行計量，所以，每一住戶的單趟供暖線路的兩端，即圖 2中 A、 B點處應(yīng)設(shè)有流量和溫度的測量點，根據(jù)該兩處的流量差值和溫度差值可以計算出該住戶這一散熱器所消耗的熱量。為簡化現(xiàn)場設(shè)備，熱量值的計算在主機(jī)中完成。單元住宅具有層層相疊的特點，在這樣的住宅中每一住戶的單趟供暖線路上設(shè)置一個測量點即可滿足計量的要求，如層高為 21層的住宅樓，每一單趟供暖線路上的測量點個數(shù)是 22個，若每層按 10戶計算，每戶 6趟供暖管線，則該棟住宅樓共有 1320個測量點。
3.2總體方案設(shè)計
系統(tǒng)設(shè)計中采用主/從結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖 3所示。其中主機(jī)通過 CAN總線適配器與 CAN總線相連，節(jié)點采用統(tǒng)一供電方式，端接器是 CAN總線所要求的它安裝在總線的兩端。節(jié)點 1至節(jié)點 n是 CAN總線節(jié)點，主要完成流量值和溫度值的采集以及與主機(jī)的通信，系統(tǒng)具有自動數(shù)據(jù)采集的功能，避免了人工查表的過程。
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主機(jī)采用巡檢的方式訪問節(jié)點。流量的累加在節(jié)點中完成，溫度值由節(jié)點采集后供主機(jī)讀取。總線的最大長度可以達(dá)到 10千米，這一長度完全可以滿足目前高層住宅的要求。
在正常供暖狀態(tài)下，如果沒有泄漏，單趟供暖線路上的流量應(yīng)該是相等的，由于橫向回水管線在設(shè)備層中，所以，流量傳感器只安裝在設(shè)備層，這些點的流量值與住戶室內(nèi)的流量值是相等的，這樣可以減少改造的工程量，其缺點是不能檢測到住戶供暖設(shè)施的泄漏故障。溫度傳感器安裝在每個測量點處。以層高為 21層的住宅樓為例其設(shè)備層在頂層和中間的一層中，所以在頂層、底層和中間的設(shè)備層安裝節(jié)點。
溫度傳感器安裝在每個測量點處，溫度傳感器電纜和 CAN總線（采用非屏蔽雙絞線）必須沿供暖管線穿過住戶的上下層樓板，如果采用無線系統(tǒng)可以避免布線從而可以降低對住戶的影響，但從系統(tǒng)的可靠性及穩(wěn)定性方面考慮最終選擇了有線系統(tǒng)。 4 節(jié)點軟硬件設(shè)計
4.1節(jié)點硬件設(shè)計
在 CAN節(jié)點硬件設(shè)計中采用 89C51單片機(jī)為處理器，CAN控制器和 CAN收發(fā)器選擇目前應(yīng)用比較廣泛的 Philips公司的 SJA1000和 82C250。節(jié)點硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖 4所示。節(jié)點具有流量值累加、溫度采集、電源顯示和掉電保護(hù)、光報警及總線通信的功能。
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溫度傳感器采用美國DALLAS公司生產(chǎn)的數(shù)字式溫度傳感器DS18B20。該傳感器測溫范圍為-55～+125℃，測溫分辨率可達(dá)0.0625℃，其中在-10℃～+85℃的范圍內(nèi)的測量精度為 ±0.5℃，由于每個 DS18B20有唯一的一個連續(xù) 64位產(chǎn)品號，這樣，在微處理器的控制下允許在一根電纜上接多個傳感器，其最長電纜長度可達(dá)150米，能夠滿足系統(tǒng)設(shè)計的要求 [7]。
4.2節(jié)點軟件設(shè)計
節(jié)點軟件由節(jié)點通信程序、溫度采集程序和流量采集程序三個部分組成。這里主要對流量采集程序作簡單介紹。在我國北方地區(qū)，一個供暖季大約是 150天，流量的累加值如果采用 8位十進(jìn)制數(shù)，最多可以達(dá)到 9999999.9噸的流量計數(shù)，能夠滿足絕大多數(shù)應(yīng)用場合的要求。設(shè)計中節(jié)點流量的累加計數(shù)采用非壓縮 BCD碼形式，一共占用 8個單元，使用 89C51單片機(jī)片內(nèi) 60H-67H開始的單元作為軟件計數(shù)的累加單元，其中 60H作為最低位 8位。流量采集需要記錄流量的累加值，所以，其工作的連續(xù)性是十分重要的，但是當(dāng)節(jié)點本身出現(xiàn)故障時，當(dāng)前流量的累加值就會丟失，這時在整個系統(tǒng)中只有主機(jī)中有上次采集到的該節(jié)點發(fā)出的流量累加值，所以，流量采集節(jié)點的軟件設(shè)計中應(yīng)考慮節(jié)點故障修復(fù)后再次投入使用時如何恢復(fù)流量累加值的問題，軟件設(shè)計中采用了現(xiàn)場流量采集只計量流量的增量值，主機(jī)讀取后進(jìn)行累加的方式。節(jié)點流量采集程序流程圖如圖 5所示。
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5 結(jié)論
本文所設(shè)計的基于 CAN總線技術(shù)的供暖計量系統(tǒng)適合于目前我國老舊居民住宅供暖系統(tǒng)的改造，其試驗系統(tǒng)已經(jīng)在一棟高五層，建筑面積約為 6千平方米的辦公樓內(nèi)運行了一個供暖季，系統(tǒng)的可靠性和計量精度達(dá)到了設(shè)計要求。老舊住宅供暖計量系統(tǒng)的改造是我國供暖體制改革的重點和難點，希望本文的工作能夠為目前民用住宅供暖系統(tǒng)的改造提供點滴經(jīng)驗。
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