基于 CAN總線的火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)研究與應(yīng)用

●瞿 凱,孫 悅

(1.盤(pán)錦市消防支隊(duì),遼寧盤(pán)錦 124000;2.秦皇島市消防支隊(duì),河北秦皇島 066000)

0 引言

目前國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)大多數(shù)為總線型火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng),雖然此類產(chǎn)品具有較先進(jìn)的報(bào)警和控制功能,但形成的控制系統(tǒng)仍然是基于 DCS(Distributed Control System)的概念,其控制站仍然是集中式的,而且現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)的檢測(cè)、傳輸和控制還是采用 4～20m A的模擬信號(hào)。然而從當(dāng)今社會(huì)的需求來(lái)講,發(fā)展智能型火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)已成為歷史的必然趨勢(shì)。本文研究的目標(biāo)是構(gòu)建基于 CAN(Controller Area Network)總線的分布式火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng),完成對(duì)火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)的集成并實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的分布式處理,從而使本系統(tǒng)成為具有信息處理能力的智能火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)。

1 CAN總線火災(zāi)探測(cè)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

由于采用了許多新技術(shù)及獨(dú)特的設(shè)計(jì),CAN總線與一般的通訊總線相比,它的數(shù)據(jù)通訊具有突出的可靠性、實(shí)時(shí)性和靈活性。因此用 CAN總線來(lái)構(gòu)建火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)可以較好完成有效的火災(zāi)探測(cè),同時(shí)在火災(zāi)時(shí)驅(qū)動(dòng)現(xiàn)場(chǎng)聯(lián)動(dòng)設(shè)備,完成對(duì)火災(zāi)撲救過(guò)程的控制。

1.1 系統(tǒng)硬件總體設(shè)計(jì)

由于本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的初衷是要實(shí)現(xiàn)分布式的火災(zāi)探測(cè)與控制,因此,結(jié)合 CAN總線自身的特點(diǎn)我們將系統(tǒng)總體上分為：主控器節(jié)點(diǎn)、通用智能節(jié)點(diǎn)、計(jì)算機(jī) -CAN適配器節(jié)點(diǎn)、智能火災(zāi)探測(cè)器、PC機(jī)以及聯(lián)動(dòng)設(shè)備。并為各部分分配相應(yīng)的任務(wù)。其中,主控器結(jié)點(diǎn)主要負(fù)責(zé)為上位機(jī)提供服務(wù),通用智能節(jié)點(diǎn)主要負(fù)責(zé)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的采集以及各種命令的執(zhí)行,計(jì)算機(jī)-CAN適配器節(jié)點(diǎn)主要負(fù)責(zé) RS232協(xié)議和 CAN協(xié)議的轉(zhuǎn)換,PC機(jī)作為上位機(jī)則主要負(fù)責(zé)各種數(shù)據(jù)的采集、顯示以及各種命令的下達(dá)等,聯(lián)動(dòng)設(shè)備則負(fù)責(zé)響應(yīng)各種命令來(lái)控制現(xiàn)場(chǎng)。根據(jù)以上各部分功能的定義,系統(tǒng)硬件總體結(jié)構(gòu)如圖 1所示。

圖1 監(jiān)控系統(tǒng)硬件總體結(jié)構(gòu)圖

1.1.1 主控器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)以上定義的主控節(jié)點(diǎn)的各種功能,其硬件結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)如圖 2所示,總的來(lái)說(shuō)主控節(jié)點(diǎn)由 CAN通訊模塊、中央處理單元、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元、鍵盤(pán)輸入模塊、液晶顯示模塊以及聲光報(bào)警等執(zhí)行驅(qū)動(dòng)模塊 6個(gè)部分組成。

1.1.2 通用智能節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

通用智能節(jié)點(diǎn)在系統(tǒng)中位于網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞牡讓?通常分布于監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng),可以說(shuō)它們是整個(gè)系統(tǒng)的眼睛和手。通用智能節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)目標(biāo)是：通過(guò)在通用節(jié)點(diǎn)上掛接不同的外部設(shè)備來(lái)完成不同的單一任務(wù)或者多種任務(wù),從而實(shí)現(xiàn)這些節(jié)點(diǎn)的通用性。這里所設(shè)計(jì)的通用智能節(jié)點(diǎn)其硬件結(jié)構(gòu)如圖 3所示。從圖 3可以看出,總的來(lái)說(shuō)通用節(jié)點(diǎn)主要分為編解碼模塊、信號(hào)輸入模塊、功率放大驅(qū)動(dòng)外設(shè)模塊 3個(gè)部分,該節(jié)點(diǎn)上既有信號(hào)輸入接口,又有功率放大驅(qū)動(dòng)模塊,因此這類節(jié)點(diǎn)既可以作為探測(cè)節(jié)點(diǎn)來(lái)采集現(xiàn)場(chǎng)的各種數(shù)據(jù),又可以作為執(zhí)行節(jié)點(diǎn)來(lái)驅(qū)動(dòng)外圍各種可執(zhí)行設(shè)備,也就是說(shuō)網(wǎng)絡(luò)上節(jié)點(diǎn)的功能完全取決于掛接在該節(jié)點(diǎn)上的設(shè)備,這也體現(xiàn)了該類節(jié)點(diǎn)的通用性和適用性,它能夠?qū)⒁延械姆蔷W(wǎng)絡(luò)設(shè)備方便的改造為可遠(yuǎn)程訪問(wèn)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。為了有效識(shí)別各網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的類型,還專門(mén)在節(jié)點(diǎn)上對(duì)相應(yīng)的I/O端口進(jìn)行了分配,通過(guò)在節(jié)點(diǎn)內(nèi)部為不同類型的設(shè)備指定相應(yīng)的端口來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備類型的有效區(qū)分。

圖2 主控器節(jié)點(diǎn)硬件結(jié)構(gòu)圖

圖3 通用節(jié)點(diǎn)硬件結(jié)構(gòu)

1.1.3 計(jì)算機(jī) -CAN適配器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

計(jì)算機(jī) -CAN適配器節(jié)點(diǎn)在系統(tǒng)中的任務(wù)是銜接計(jì)算機(jī)和 CAN總線,從而將計(jì)算機(jī)納入監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)。適配器節(jié)點(diǎn)的硬件結(jié)構(gòu)如圖 4所示,其主要分為微處理器(MCU)、外部擴(kuò)展 SRAM、CAN通訊接口以及 RS232通訊四大部分。在這里MCU主要負(fù)責(zé)完成在CAN協(xié)議和RS232串口協(xié)議之間進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換,并且適配器與計(jì)算機(jī)之間的數(shù)據(jù)交換采用異步通訊方式;外部擴(kuò)展SRAM存儲(chǔ)器主要用作報(bào)文接收緩沖器,暫時(shí)存放從 CAN總線上接收到的數(shù)據(jù)直到數(shù)據(jù)傳送到 PC。

圖4 適配器硬件結(jié)構(gòu)圖

1.1.4 復(fù)合火災(zāi)探測(cè)器設(shè)計(jì)

本文主要設(shè)計(jì)以離子感煙探測(cè)器為例來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的應(yīng)用。離子感煙探測(cè)器的基本原理是對(duì)傳感器輸出的電壓信號(hào)進(jìn)行放大、比較、重整等處理后作為探測(cè)器信號(hào)輸出。為實(shí)現(xiàn)探測(cè)器的智能化,將探測(cè)器作了一些改進(jìn),智能火災(zāi)探測(cè)器結(jié)構(gòu)如圖 5所示,在探測(cè)器中加入了分析模塊(MCU),通過(guò)MCU可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電橋的自動(dòng)調(diào)平和對(duì)報(bào)警閥值的自動(dòng)設(shè)置,另外通過(guò)編制合理的算法還可以有效的避免因人員走動(dòng)、反射等所造成的誤報(bào),從而實(shí)現(xiàn)探測(cè)器的智能化。該探測(cè)器也給出了開(kāi)關(guān)量和模擬量的雙路輸出,從而為探測(cè)器的調(diào)節(jié)和系統(tǒng)測(cè)試提供方便。

圖5 智能火災(zāi)探測(cè)器結(jié)構(gòu)

1.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)中所有的客戶節(jié)點(diǎn)受所在子網(wǎng)主控器節(jié)點(diǎn)的管理,而系統(tǒng)中的所有主控制器節(jié)點(diǎn)都只負(fù)責(zé)自己所在子網(wǎng)的節(jié)點(diǎn),這里是通過(guò)維護(hù)自己所在子網(wǎng)的節(jié)點(diǎn)信息列表完成的;中心計(jì)算機(jī)則維護(hù)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)的信息。網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為：上位機(jī)→CAN適配器→主控節(jié)點(diǎn)→網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。為了將以上各模塊有機(jī)的結(jié)合起來(lái),我們對(duì)系統(tǒng)軟件的結(jié)構(gòu)作了總體規(guī)劃,如圖6所示。在以上總體框架的指導(dǎo)下,系統(tǒng)的總體數(shù)據(jù)流程如圖 7所示。

圖6 監(jiān)控系統(tǒng)軟件總體結(jié)構(gòu)

2 CAN總線火災(zāi)探測(cè)控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)研究

2.1 探測(cè)器有效性實(shí)驗(yàn)

圖7 監(jiān)控系統(tǒng)總體數(shù)據(jù)流程圖

現(xiàn)階段已設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的探測(cè)器有紅外感光探測(cè)器和離子感煙探測(cè)器兩類。由于現(xiàn)階段對(duì)煙氣濃度的測(cè)量不太方便,因此這里介紹的實(shí)驗(yàn)主要是對(duì)紅外感光探測(cè)器以及對(duì)兩探測(cè)器復(fù)合情況下的測(cè)試。對(duì)紅外探測(cè)器做蠟燭火和煤油火的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖 8、圖 9所示。從兩圖可以看出紅外探測(cè)器表現(xiàn)出較好的輸入輸出關(guān)系,當(dāng)火源較遠(yuǎn)時(shí)傳感器電壓輸出較小;當(dāng)火焰較近時(shí),輸出電壓較大。增大傳感器增益可以增大探測(cè)器的探測(cè)距離。然而,隨著增益的增大,探測(cè)器受環(huán)境光的干擾就越大,就越容易發(fā)生誤報(bào)。為解決這一矛盾,目前采取的辦法是設(shè)計(jì)了離子感煙探測(cè)器,并將感煙探測(cè)器與紅外探測(cè)器復(fù)合組成為一個(gè)復(fù)合探測(cè)器。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)該辦法的確很有效的解決了誤報(bào)的問(wèn)題、提高了探測(cè)器的穩(wěn)定性,然而這樣又相應(yīng)的降低了探測(cè)器的靈敏度,在某些情況下還有可能會(huì)發(fā)生漏報(bào),這是不允許的。為解決這一矛盾,目前的辦法是通過(guò)調(diào)節(jié)兩類探測(cè)器各自的增益達(dá)到一個(gè)平衡點(diǎn),從而緩和誤報(bào)和漏報(bào)間的矛盾。要想從根本上解決這一矛盾可能還要依賴于智能探測(cè)算法,該工作有待于以后的工作中實(shí)現(xiàn)。

圖8 增益 -距離 -電壓關(guān)系(蠟燭火)

圖9 距離-電壓關(guān)系(煤油火)

2.2 監(jiān)控系統(tǒng)有效性實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)空間如圖 10所示,圖中 1為增壓泵,2為管道閥,3為貯水箱,4為補(bǔ)水浮球,5為變頻控制柜,6為壓力傳感器,7為控制臺(tái),8為水過(guò)濾器,9為渦輪流量計(jì),10為水幕噴頭,11為細(xì)水霧噴頭,12為水壓表。

圖10 實(shí)驗(yàn)環(huán)境布局示意圖

2.2.1 實(shí)驗(yàn)條件

中央控制計(jì)算機(jī)和適配器位于控制室,其他設(shè)備均位于實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng);實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)空間為 4m×6m×12m;兩個(gè)復(fù)合探測(cè)器分別位于空間上方兩側(cè),其中紅外探測(cè)器探頭參數(shù)為：敏感波段 500～1 050nm,峰值響應(yīng) 880nm,探測(cè)器增益 120;氣罐輸出壓力 0.6MPa;火源為柴油火,油盤(pán)大小為 20cm×20cm;網(wǎng)線為雙絞線,節(jié)點(diǎn)供電電源為直流 +5V、+12V、-12V。

2.2.2 實(shí)驗(yàn)步驟

用網(wǎng)線將所有節(jié)點(diǎn)按要求連接起來(lái);將計(jì)算機(jī)通過(guò)串行通訊電纜接入網(wǎng)絡(luò);打開(kāi)數(shù)據(jù)采集軟件;打開(kāi)主控器供電電源開(kāi)關(guān),并執(zhí)行初始化程序;探測(cè)節(jié)點(diǎn)完成網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)后進(jìn)入監(jiān)控狀態(tài);點(diǎn)燃火源觀察現(xiàn)象并記錄滅火數(shù)據(jù)。

2.2.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

系統(tǒng)進(jìn)入監(jiān)控狀態(tài)后,點(diǎn)燃火源,探測(cè)器立即探測(cè)到火源,隨即系統(tǒng)啟動(dòng)報(bào)警器,報(bào)警延遲 10s后系統(tǒng)啟動(dòng)電磁閥,打開(kāi)細(xì)水霧系統(tǒng),確認(rèn)火源被撲滅后關(guān)閉報(bào)警器,停止火情報(bào)警,最后細(xì)水霧繼續(xù)施加 5s后自動(dòng)關(guān)閉。圖 11是實(shí)驗(yàn)過(guò)程中上位機(jī)采集數(shù)據(jù)的界面,實(shí)驗(yàn)中系統(tǒng)滅火照片如圖 12所示。

圖11 滅火過(guò)程上位機(jī)采集數(shù)據(jù)界面

通過(guò)實(shí)體實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)該探測(cè)控制系統(tǒng)很好的驗(yàn)證了上述監(jiān)控、滅火過(guò)程,從而驗(yàn)證了系統(tǒng)的有效性。復(fù)合探測(cè)器能有效的探測(cè)到火源,同時(shí)系統(tǒng)各模塊采集、分析、處理及執(zhí)行命令過(guò)程中動(dòng)作清晰無(wú)誤,可以表明該探測(cè)控制系統(tǒng)工作正常,基本上達(dá)到了最初的設(shè)計(jì)目標(biāo)。

圖12 系統(tǒng)滅火實(shí)況圖

3 結(jié)束語(yǔ)

由于系統(tǒng)引進(jìn)了先進(jìn)的 CAN總線技術(shù),因此該系統(tǒng)從整體上來(lái)講是具有一定先進(jìn)性的新型火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)。系統(tǒng)的主要優(yōu)點(diǎn)是：有良好的實(shí)時(shí)性和安全性、良好的擴(kuò)展性、監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)和試驗(yàn)設(shè)計(jì)符合大型遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)際需要并且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,利于安裝和維修、便于實(shí)現(xiàn)復(fù)合探測(cè),能夠滿足火災(zāi)監(jiān)控需要,具有良好的應(yīng)用前景。

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