基于CAN總線分布式控制的遠程電氣火災監(jiān)控系統(tǒng)

劉 亮 / 張學文/ 袁佑新 /陳 堯 /王 圓

1 武漢理工大學自動化學院 2 武漢華天世紀科技發(fā)展有限公司

1 引言

目前國內(nèi)所應用的電氣火災監(jiān)控系統(tǒng)基本上以區(qū)域電氣火災監(jiān)控系統(tǒng)、集中電氣火災監(jiān)控系統(tǒng)為主，其安裝形式主要為集散控制方式。這種系統(tǒng)一般都自成體系，自我封閉，不能實現(xiàn)系統(tǒng)間的資源和服務共享，而在很多發(fā)達國家（如德國、澳大利亞）和地區(qū)（如香港）等，已建立了城市火災自動報警網(wǎng)絡，建立城市消防遠程監(jiān)控中心。因此實現(xiàn)電氣火災的遠程監(jiān)控是未來電氣火災監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展趨勢。本文設計的基于CAN總線分布式控制的遠程電氣火災監(jiān)控系統(tǒng)，通過CAN總線連接監(jiān)控系統(tǒng)節(jié)點，利用以太網(wǎng)遠程在線監(jiān)視，并及時對各種信息進行分析與決策，在電氣火災發(fā)生前消除其隱患。

2 系統(tǒng)總體方案設計

系統(tǒng)總體方案結構圖如圖1所示。漏電流傳感器和溫度傳感器分別檢測漏電流和溫度信號，通過電氣火災監(jiān)控器進行數(shù)據(jù)采集與處理，一個電氣火災監(jiān)控器可以同時連接多個漏電流傳感器和溫度傳感器，電氣火災監(jiān)控器和電氣火災監(jiān)控主機之間采用CAN總線連接，既可實現(xiàn)遠距離參數(shù)檢測又便于安裝布線以及滿足抗干擾的要求。電氣火災監(jiān)控主機集中采集所有監(jiān)控器的數(shù)據(jù)，并完成CAN總線和以太網(wǎng)之間的通信、完成工作站與電氣火災監(jiān)控器之間的遠程通訊、監(jiān)測工作站連接企業(yè)網(wǎng)，在企業(yè)網(wǎng)能通過Web方式瀏覽每個監(jiān)測點。電氣火災主機的設計是實現(xiàn)電氣火災的遠程監(jiān)控的核心,所以本文以介紹電氣火災監(jiān)控主機的硬件和軟件設計為主。

圖1 系統(tǒng)總體方案結構圖

3 電氣火災監(jiān)控主機硬件設計

要實現(xiàn)電氣火災的遠程監(jiān)控，首先，電氣火災監(jiān)控主機必須通過CAN總線采集現(xiàn)場數(shù)據(jù)。然后，將采集到的數(shù)據(jù)通過ARM微處理器進行處理。最后，將處理好的數(shù)據(jù)通過以太網(wǎng)傳送到上位機，最終實現(xiàn)電氣火災的遠程監(jiān)控。

電氣火災監(jiān)控主機的硬件結構圖如圖2所示，其硬件主要由CAN控制器協(xié)議轉換模塊和以太網(wǎng)控制器協(xié)議轉換模塊組成。

圖2 電氣火災監(jiān)控主機硬件結構圖

CAN控制器協(xié)議轉換模塊主要由ARM微處理器和CAN總線收發(fā)器組成。其中ARM微控制器作為CPU核心，主要負責數(shù)據(jù)的接收、發(fā)送、故障處理等；CAN總線收發(fā)器則提供對總線的差動發(fā)送能力和對CAN控制器的差動接收能力。

以太網(wǎng)控制器協(xié)議轉換模塊主要由ARM微處理器、以太網(wǎng)控制器、網(wǎng)絡變壓器組成。RTL8019AS是一種高集成度的全雙工10Mbps以太網(wǎng)控制芯片，實現(xiàn)了基于Ethernet協(xié)議的MAC層的全部功能，內(nèi)置16KB的SRAM、雙DMA通 道 和FIFO完 成 數(shù) 據(jù) 包的接收和發(fā)送；網(wǎng)絡變壓器HR90117OA是為了提高網(wǎng)絡通信的抗干擾能力。

4 電氣火災監(jiān)控主機軟件設計

電氣火災監(jiān)控主機軟件的設計主要包括CAN總線模塊數(shù)據(jù)收發(fā)程序設計、數(shù)據(jù)管理程序設計和以太網(wǎng)模塊數(shù)據(jù)收發(fā)程序設計。

4.1 CAN總線模塊數(shù)據(jù)收發(fā)程序設計

CAN總線數(shù)據(jù)發(fā)送流程如圖3所示。

圖3中，信息從CAN控制器發(fā)送到CAN總線是由CAN控制器自動完成的。發(fā)送程序只需把發(fā)送的信息幀送到CAN的發(fā)送緩沖區(qū)，啟動發(fā)送命令即可，需要注意的是，發(fā)送中斷不是由于發(fā)送完成而產(chǎn)生，而是由于發(fā)送緩沖區(qū)再次可用而產(chǎn)生的。

CAN總線數(shù)據(jù)接收流程如圖4所示，信息從CAN總線到CAN接收緩沖區(qū)是由CAN控制器自動完成的。接收程序只需從接收緩沖區(qū)讀取要接收的信息即可。需要注意的是讀接收緩沖器內(nèi)容后，CPU必須通過置接收緩存位為高來釋放緩存器，使得另一個報文立即變得有效。

4.2 數(shù)據(jù)管理程序設計

圖3 CAN數(shù)據(jù)發(fā)送流程圖

圖4 CAN數(shù)據(jù)接收流程圖

數(shù)據(jù)管理程序設計流程如圖5所示，當系統(tǒng)上電后，首先對微控制器進行初始化，然后采集從CAN總線和以太網(wǎng)傳送過來的數(shù)據(jù)。如果有數(shù)據(jù)從CAN總線接口過來，將接收到的CAN數(shù)據(jù)存入到另一個數(shù)據(jù)區(qū)，除去地址和個數(shù)信息，將其余數(shù)據(jù)按照TCP/IP協(xié)議進行封裝。如果數(shù)據(jù)從以太網(wǎng)接口過來，則對從以太網(wǎng)中接收到的數(shù)據(jù)進行分層，取出真實的數(shù)據(jù)。各監(jiān)測點的實時數(shù)據(jù)通過LCD觸摸屏顯示出來，當有監(jiān)測點報警時，監(jiān)控主機自動保存該監(jiān)測點的報警信息，同時通過聲光報警提醒現(xiàn)場工作人員，工作人員可以通過觸摸屏查詢歷史報警記錄。

圖5 數(shù)據(jù)管理軟件設計流程圖

4.3 以太網(wǎng)模塊程序設計

以太網(wǎng)模塊數(shù)據(jù)發(fā)送程序設計流程如圖6所示。

圖6中，當有數(shù)據(jù)要從監(jiān)控主機發(fā)往以太網(wǎng)時，將要發(fā)送的數(shù)據(jù)從RAM取出進行封裝并裝入RTL8019AS的發(fā)送緩沖區(qū)，然后通過配置ARM微處理器的寄存器，將發(fā)送緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)發(fā)往以太網(wǎng)。

以太網(wǎng)數(shù)據(jù)接收程序設計流程如圖7所示。當監(jiān)控主機要從以太網(wǎng)接收數(shù)據(jù)時，如果采用中斷方式，則RTL8019AS將自動通知ARM微處理器，然后可采用包發(fā)送將緩沖環(huán)中的數(shù)據(jù)取出，并對數(shù)據(jù)進行分層，得到真正可用的數(shù)據(jù)。

圖6 以太網(wǎng)數(shù)據(jù)發(fā)送流程圖

圖7 以太網(wǎng)數(shù)據(jù)接收流程圖

5 結語

該系統(tǒng)符合國標GB14287.1(電氣火災監(jiān)控設備)的設計要求，是對傳統(tǒng)的獨立式電氣火災監(jiān)控系統(tǒng)的一個大的改進。但在多個監(jiān)控主機與上位機通訊的遠程監(jiān)控系統(tǒng)中,如何實現(xiàn)對各個監(jiān)控主機的高效管理與調(diào)度,以及如何將電氣火災報警信息與其他火災的報警信息相融合,配合相關部門及時準確地消除火災隱患,還有待我們做進一步的研究。

[1]費杰，朱琦. 基于CAN總線的電氣火災設計[J]. 現(xiàn)場總線與網(wǎng)絡技術，2007（2）.

[2]丁永忠，彭萬權. 基于嵌入式的智能火災監(jiān)控系統(tǒng)設計[J].武漢理工大學學報，2008（4）.

[3] 中華人民共和國國家質量監(jiān)督檢驗檢疫總局, 中國國家標準化管理委員會.GB14287.1-2005電氣火災監(jiān)控系統(tǒng)第一部分：電氣火災監(jiān)控設備[S] 北京：中國標準出版社，2005.