陕西理工学院毕业设计
Figure 7. Experimental setup of the proposed system
Because the protocol is message based, any node can send a message to any other node. This gives tremendous flexibility to the system designer. The small size of the CAN transceiver IC and the microcontroller with integrated CAN solution reduces the size and cost of the node considerably. With the use of high speed CAN transceiver the data is transmitted and received in faster rates with high level of integrity. The processing time associated is also small.
REFERENCES
[1] O. Postolache, M. Pereira and P. Girao, “Smart Sensor Network for Air Quality Monitoring Applications”, Proc. of Instrumentation and Measurement Technology Conference, pp. 537- 542, May 2005.
[2] Mazran Esro1, Amat Amir Basari , Siva Kumar S, A. Sadhiqin M I and Zulkifli Syariff, “Controller Area Network (CAN) Application in Security System”, World Academy of Science, Engineering and Technology,pp. 299- 302, 2009. [3] M. Farsi, K. Ratcliff and Manual Barbosa, “An overview of Controller Area Network”, Computing and Control Engineering Journal, pp. 113-120, June 1999.
[4] Hanxing Chen and Jun Tian, “Research on the Controller Area Network”, International conference on Networking and Digital Society, pp. 251-254, 2009.
[5] Kyung Chang Lee and Hong-Hee Lee, “Network-based fire-Detection System via Controller Area Network for Smart Home Automation”, IEEE Trans. Consum. Electron, 1094 vol. 50, no. 4, pp. 1093-1100,July 2004.
[6] Mario Alves, Miguel Pereira, Helena Geirinhas Ramos, “CAN protocol: A laboratory prototype for Field Bus Applications”, XIX IMEKO World Congress, Fundamental and Applied Metrology, pp. 454-457, September 2009. [7] Figaro “Gas Sensor Catalog”, Figaro Inc., www.figarosensor.com.
[8] Robert Bosch GmbH, Stuttgart,“CAN Specification Version 2.0”, 1991,CANLiteraturehttp://www.can.bosch.com/content/Literature.html [9] Marco Di Natale, “Understanding and using the Controller Area Network”, October 2008.
[10] Martin Torngren, “A perspective to the Design of Distributed Real– time Control Applications based on CAN”, Proc. of the 2th International CAN Conference ICC 1995, pp. 9-2 to 9-11. 第31页共47页
陕西理工学院毕业设计
附录B 英文文献译文
基于智能传感器网络的室内空气质量监测
Minu A Pillai, Sridevi Veerasingam, Yaswanth Sai D
仪表和控制系
蒂鲁吉拉伯利国立技术学院
印度
minuapillai@yahoo.com,sridevi@nitt.edu, yaswanthsai@gmail.com 摘要：良好的室内空气质量（IAQ）有助于人民的安全，健康和舒适。室内空气污染源取决于多项参数，如通风量，室内环境的几何特征，室内去除机制和空气污染物的释放的浓度，智能传感器网络的实施是一种很有前途的解决方案，以确保良好的室内空气质量。本文重点介绍CAN（控制器局域网络）形成智能传感器网络应用。串行总线通信网络可以提供一个稳定的手段在使物理分布的节点在网络中互连。本文提出了一种监测和室内空气质量控制基于爱特梅尔传感器节点和电机控制节点。系统的输出是一个室内空气质量监测和控制系统，通过硬件测试评估。 关键词：室内空气质量，网络系统，局域网控制器 一. 介绍
室内空气质量指的是在家庭室内环境，建筑物内的空气或一个机构或商业设施里空气的物理，化学，生物特性。在许多国家，能源效率的提高，有时使建筑物相对密闭，减少污浊的空气排出，并与外界空气交换。它会导致室内空气质量差，这可能导致对居住者的健康和构造的耐久性问题。该释放气体或颗粒进入空气室内污染源是在家庭，工业和在空调的舱室内空气质量问题的主要原因。
一个典型的智能传感器网络是由具有不同功能的节点。一些节点仅传输数据时，有些人会接收数据，有些可能具有多种功能。一个典型的智能传感节点是由数字和模拟部件，它允许将传感器数
[1]
据被捕获，转化的，分析的，并在系统传送到其他节点。与分布式传感器节点，显示节点和一个
[10]
马达控制节点室内空气质量可连续监视和控制的联网系统。运用CAN协议到智能传感网络是从现有的传感器网络的一个自然的过程。CAN总线提供用于互连节点的理想平台，并允许每个节点与任何其他节点进行通信。
这就需要快速和可靠的通信并且其中数据应保持高完整性的联网系统，控制器区域网络协议
[3]
（CAN）可用于节点之间的通信，如CAN协议被用于需要传送系统进行了优化和可靠地接收相对少
[6][2]
量的信息对任何或所有其他节点在网络上的。CAN协议是健壮和使用复杂的错误检查和处理，它允许在不关闭整个系统下降，这是在电动机控制节点有用的发生的错误和故障。错误遏制还允许传感器节点被添加到或当网络处于操作从系统中除去。
本文的目的是设计一个CAN基于网络的室内空气质量监测系统具有两个传感器节点和与显示的马达控制节点。全文分为六部分，包括本节介绍。第二节说明该系统还提供了CAN协议2.0规范。第三节给出的CAN节点硬件设计的详细描述。第四节介绍了CAN节点的软件设计。实时结果显示在第五节，最后的结论在第六节介绍。 二. 设计的系统
A.基于智能传感器网络的局域网控制室内空气质量监测
设计的系统原理图图如图1所示具有两个传感器节点和与显示的马达控制节点。传感器节点将连续拍摄其示出的挥发性有机化合物和其它气态空气污染物的特定时间的存在的读数和数据发送总线上。作为最大的传感器输出电压小于用于缩放电路的微控制器内置的ADC的参考电压。定标电路是一个简单的反相放大器的增益被调整，以使缩放的传感器输出，随后在与增益反相模式另一个放大器。
第32页共47页
陕西理工学院毕业设计
图 1 本系统的原理图
内置的CAN控制器符合CAN协议规定的通信功能。CAN收发器连接的CAN控制器到CAN总线。
[5]
总线收发器从CAN控制器的标准逻辑信号转换为物理CAN总线上所使用的物理水平。同时它还采用信号电平从总线到CAN控制器的支持水平。
通过CAN总线接口的传感器数据被传输到那里的气体的空气污染物的浓度可以很容易地进行监视和控制的第三节点。如果该气体的浓度增加，传感器输出将增加，并且在同一数据在那里的数据限制设置电动机控制节点被接收。如果接收到的数据超出了预设的限制，报警器会打开，电机启动，这将使与电机连续运行相关的排气扇。作为风扇排出的被污染的空气从机舱的传感器输出将降低。当传感器输出小于预定义的极限的风扇将停止。接收的传感器数据也被连续地在该节点显示。CAN总线是其在两端终止120电阻，以尽量减少不匹配的阻抗发生反射波的差分双线接口。 CAN总线的两条线是线CAN_H和CAN_L线。 B. CAN 2.0协议规范
CAN是一种串行总线协议，特别适合于系统或subsystem.CAN（控制器区域网络）内联网的智能
[2]
设备以及传感器和执行器在1980年初的汽车应用所开发出来。它是高效率地支持分布式实时控制具有非常高的安全级别的异步串行通信协议。 CAN 2.0是一个广播数字总线设计成在从20Kb/s到
[2]，[8]
的1Mb/s的速度进行操作。CAN2.0是一个有吸引力的解决方案的嵌入式控制系统，简单协议管
[4]
理，用于误差检测和重传的内置功能的解决方案。
CAN是一种串行总线系统，多主控的能力，也就是所有的CAN节点都能够传送数据和几个CAN节点可以同时请求总线。它涵盖了ISO/ OSI参考模型，其中包括所述数据链路和物理层的最低两层。
[5]
数据链路层识别和理解的消息的格式。 CAN协议定义消息作为帧。嵌入在数据帧是仲裁字段，控制字段，数据字段，循环冗余校验和（CRC）字段，一个2比特确认字段，应答场和帧结束。仲裁域
[8][9]
优先传送的消息。对于标准数据帧，仲裁场由11位标识符和扩展的数据帧29位标识符。
物理层规定了总线的物理和电气特性。最能系统通过使用某种类型的收发其中CAN_H和CAN_L引脚与ISO11898-20-3 V的差分信号连接到CAN总线实现协议的物理层是CAN最常用的物理层标准网络，其中数据速率定义高达1Mbit/s与1Mbit/s为40微米的理论上可能的总线长度。高速标准指
[9]
定具有最大30个节点的一个两线的差分总线。总线电平由CAN_H和CAN_L导线之间的电势差来确
第33页共47页
陕西理工学院毕业设计
定。CAN总线线路可以有两个逻辑状态中的一种：隐性和显性。通常情况下，相应的电压电平，以隐性（逻辑1）为2.5 V，对应于主导（逻辑0）的水平是3.5V为CAN_H和1.5伏为CAN_L。 CAN总线上的电压电平是隐性当总线空闲。
CAN协议处理根据调用仲裁的消息优先载波侦听多路访问概念总线访问。如果两个或多个总线节点在找到一个总线空闲之后开始的同时它们的传输，消息的碰撞由位仲裁避免。每个节点都发送报文标识符位，并监视总线电平。当根据线与原则显性位被发送，由此产生的总线状态也占优势。
[8]，[9]
否则，如果正在发送的隐性位，将所得总线状态取决于其他节点都在同一时间发送。隐性总线状态意味着没有碰撞，占主导地位的状态是指至少一个节点发送显性位。当节点发送一个隐性之一期间接收一个显性位，它失去仲裁并从发送退出。这意味着具有较低ID消息值更高的优先级。那些仲裁失败节点就会自动尝试重复一旦总线返回到空闲状态的传输。 三. 硬件模块 A. 传感模块
在该系统的传感节点设计，并使用低成本的气体传感器来实现。所用的气体传器是由费加罗提
[7]
供烧结的SnO2半导体加热传感器。的TGS2620是挥发性有机化合物传感器和TGS2600是空气污染物传感器。
TGS2620具有有机溶剂的蒸气的高灵敏度以及其它挥发性蒸气。它也有各种可燃气体，如一氧化碳，使其成为一个良好的通用传感器的灵敏度。TGS2600具有气态空气污染物如氢和一氧化碳的高灵敏度。可检测气体的存在下，传感器的导电率的增加依赖于在空气中的气体浓度。一个简单的电路可以在导电性的变化转换为对应于气体浓度的输出信号。 B. 信号调理模块
传感器的输出是在0-5V的范围内。但最大的模拟输入内置的ADC可以输出3V。所以使用运算放大器LM741定标电路用作信号调节电路。运算放大器和输入的增益确定了电路的输出。 C. 微控制器模块
AT89C51CC03是一个8位微控制器内置10位分辨率ADC，可从爱特梅尔公司控制器。所提出的系统采用非常薄四方扁平封装IC。使用适配器作为IC不能直接编程。经调节的传感器输出被提供给ADC的模拟输入通道，将其转换成相应的数字输出中的一个。数字输出被提供给内置CAN控制器的CAN消息的信道。传感器数据通过基于CAN协议版本2.0A CAN控制器处理。 D. CAN收发器模块
该ATA6660是一种高速可从爱特梅尔公司的收发器。它是专为高速CAN控制器CAN控制器和物理总线差分线之间的差模数据传输。它支持的1Mb/s的最大传输速度。图2示出了微控制器与CAN收发器电路连接。
第34页共47页
陕西理工学院毕业设计
图2 微控制器和CAN收发器连接
E. 电机控制和报警模块
此模块包括通过+5V无刷直流电动机和一个电机驱动器ULN2803控制一个连接到微控制器的排气扇。如果所接收的传感器数据大于预定极限更高电机开始和排气风扇开始连续旋转。与此同时警报也将开启。作为来自微控制器的电压不足以运行马达，马达驱动器ULN2803被用作给电动机运行提供足够的电压。
报警单元主要由一个蜂鸣器。警报单元的触发直接由微控制器控制。随着风扇的旋转它驱逐出了受污染的空气出和新鲜空气将予以更换。作为气体的浓度降低了传感器的输出减小，并且当它变成低于极限风扇停止。 F. 显示模块
LED显示屏用来显示十六进制接收到的数据值。LCD显示所接收的数据也可以使用，这将显示出所接收数据的相应的ASCII值。该显示节点也可含有连续监视从传感器节点传来的数据的计算机。 四. 软件实现
Keil μVision 2 IDE用来开发应用软件。通过传感器节点和示意图图3显示出了发送CAN信号到CAN总线的流程图。图4显示接收与显示电机控制节点可以从CAN总线信号的流程图。该程序是用Keil的C语言和模拟采用Keil的μVisionIDE生成hex文件。然后，这个十六进制文件下载到微控制器为它充当编程。由于涉及到CAM的功能在Keil μvision IDE编译还有之后的发展过程很容易。 五. 评价
传感器数据被发送和接收或正在使用基于CAN标准或扩展格式。这里的数据作为可与11位标识符的标准格式传送。图5示出的CAN信号的数字信号示波器（DSO）的输出为传感器节点1和图6示出的CAN信号的DSO输出为传感器节点2。这是用来验证CAN数据，并估计在CAN定时。 CAN的传输速度被设定为1Mb/s。传感器1节点的标识符集是123,传感器节点2标识符集是214。CAN仲裁是基于有线与机构的传感器1个节点将首先传输数据，因为它已经得到了最高优先级最低的标识号上。
第35页共47页