公交車發(fā)動(dòng)機(jī)艙室內(nèi)自燃火災(zāi)檢測預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

董紅召，張 飛，季行健

（浙江工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，浙江杭州310014）

0 引言

隨著城市公交車保有量和城市高溫天氣增多以及公交車電氣、電路的復(fù)雜化［1］、集成化不斷加強(qiáng)，公交車在運(yùn)行時(shí)發(fā)生自燃的數(shù)量和機(jī)率也不斷攀升。例如：成都、北京、杭州等地多次發(fā)生公交車自燃事件。公交車自燃嚴(yán)重威脅了城市公共交通安全，造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡［2］。為了解決這一難題，研發(fā)公交車自燃火災(zāi)檢測預(yù)警系統(tǒng)，及早發(fā)現(xiàn)自燃火災(zāi)隱患是有效預(yù)防公交車自燃火災(zāi)、降低乘客生命財(cái)產(chǎn)損失的有效途徑。

傳統(tǒng)的公交車防火避災(zāi)措施主要有以下3 種：①配備安全錘，滅火器；②在發(fā)動(dòng)機(jī)艙室內(nèi)安裝滅火彈；③檢測冷卻液溫度。目前，該3 種方法在客車上基本上得到了普及，在一定程度上解決了公交車自燃火災(zāi)的問題，降低了公交車自燃帶來的威脅和損失。但是，它們各自也有很多不足之處：安全錘、滅火器［3］屬于被動(dòng)安全防范設(shè)施，在自燃火災(zāi)初期不能主動(dòng)發(fā)現(xiàn)危險(xiǎn)；通過在發(fā)動(dòng)機(jī)艙室內(nèi)安裝滅火彈雖能對(duì)初期的火災(zāi)信號(hào)做出反映，起到阻燃滅火的作用，但是該方式只對(duì)高溫導(dǎo)致的自燃起作用，不能對(duì)低燃點(diǎn)可燃?xì)怏w和閃點(diǎn)引起的爆燃以及遠(yuǎn)離滅火彈引爆索的自燃及時(shí)做出反應(yīng)，檢測冷卻液溫度［4］，只能避免發(fā)動(dòng)機(jī)高溫工作，排除一部分自燃危險(xiǎn)。

本研究在以上3種公交車防火避災(zāi)的基礎(chǔ)上結(jié)合現(xiàn)有的公交車自燃火災(zāi)技術(shù)和CAN 總線信息通訊技術(shù)，設(shè)計(jì)基于CAN總線通訊的兩級(jí)公交車車載自燃檢測預(yù)警系統(tǒng)，以彌補(bǔ)傳統(tǒng)方式的不足，提升防火避災(zāi)措施的時(shí)效性。

1 基于車載傳感網(wǎng)絡(luò)的檢測預(yù)警系統(tǒng)

該自燃火災(zāi)檢測預(yù)警系統(tǒng)主要應(yīng)用于公交車發(fā)動(dòng)機(jī)艙室內(nèi)及車上主要電路故障引發(fā)的公交車自燃火災(zāi)危險(xiǎn)檢測和預(yù)警。該系統(tǒng)采用基于事件觸發(fā)通信模式的主從式CAN總線通訊結(jié)構(gòu)［5］。首先，從節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)接收傳感器采集的信號(hào)并對(duì)其進(jìn)行一級(jí)閾值比較運(yùn)算。然后，從節(jié)點(diǎn)把采集到的數(shù)據(jù)和運(yùn)算結(jié)果以CAN 總線的協(xié)議格式實(shí)時(shí)地上傳給車載自燃火災(zāi)診斷傳感網(wǎng)絡(luò)的主節(jié)點(diǎn)。主節(jié)點(diǎn)對(duì)所有數(shù)據(jù)進(jìn)行二級(jí)融合計(jì)算，并把傳感數(shù)據(jù)和兩級(jí)運(yùn)算的結(jié)果通過CAN/無線兩種方式傳輸給上位機(jī)。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 傳感器的選擇及檢測區(qū)域

獲取公交車運(yùn)行車況實(shí)時(shí)信息是研究公交車自燃火災(zāi)判別模型的基礎(chǔ)工作。根據(jù)公交車運(yùn)行機(jī)理，本研究把公交車正常運(yùn)行的工作系統(tǒng)分為4類：冷卻液循環(huán)系統(tǒng)、供油系統(tǒng)、進(jìn)氣系統(tǒng)、排氣系統(tǒng)，結(jié)合公交車自燃火災(zāi)的歷史事故數(shù)據(jù)確定了傳感器的類型和安裝位置，具體說明如表1所示。

表1中的傳感器均集成了電路調(diào)理模塊和數(shù)字處理模塊，可直接與CAN總線從節(jié)點(diǎn)I/O口連接。

表1 傳感器的選擇和安裝位置說明

2.2 從節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)

CAN總線作為一種可靠的汽車計(jì)算器網(wǎng)絡(luò)總線，在汽車上得到了廣泛的應(yīng)用，從而使得汽車計(jì)算機(jī)控制單元能夠通過CAN總線共享所有的信息資源［6］。從節(jié)點(diǎn)主要負(fù)責(zé)接收傳感器采集的信息，并以CAN總線協(xié)議格式發(fā)送到主節(jié)點(diǎn)，其結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 從節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)框圖

CAN 總線從節(jié)點(diǎn)是智能節(jié)點(diǎn)［7］，本研究采用STC89C52RC 作為微控制器，SJA1000 和82C250 分別作為CAN通訊的控制器和驅(qū)動(dòng)器，其芯片管腳連線圖如圖2所示。

圖2 中，SJA1000 的AD0-AD7 接口與微控制器的P00-P07 相連，SJA1000 作為微控制器片外存儲(chǔ)器映射的I/O口控制器。因此，微控制器可以把SJA1000作為擴(kuò)展片外寄存器訪問，并把其寄存器中的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成CAN 總線協(xié)議傳給82C250。SJA1000 的9 管腳（INT1）輸出的信號(hào)作為微控制器外部中斷0 的中斷源，促使微控制器通過中斷的方式響應(yīng)CAN 通訊事件。SJA1000 的TX0 腳和RX0 腳分別與82C250 的TXD腳和RXD腳相連，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)在SJA1000與物理總線之間的交互。

2.3 主節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)

主節(jié)點(diǎn)是該系統(tǒng)的核心處理器［8-9］，主要負(fù)責(zé)接收從節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)，并對(duì)其進(jìn)行二級(jí)運(yùn)算，同時(shí)還具有把運(yùn)算的結(jié)果通過NRF24L01或CAN實(shí)時(shí)傳送給路邊基或上位機(jī)等功能，其結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

圖2 CAN節(jié)點(diǎn)芯片管腳連接圖

圖3 主節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)框圖

因此，主節(jié)點(diǎn)在從節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上增加了NPF24L01 無線射頻模塊［10］和LCD1602 液晶顯示模塊。其無線模塊與STC89C52RC 的接線原理圖如圖4所示。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)主要包括：CAN總線主從節(jié)點(diǎn)的通信程序，從節(jié)點(diǎn)的信息采集、自燃火災(zāi)判別、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)程序，主節(jié)點(diǎn)的自燃判別計(jì)算、預(yù)警顯示和無線通訊程序。其主、從節(jié)點(diǎn)程序流程圖如圖5所示。

在主、從節(jié)點(diǎn)的CAN協(xié)議通訊中，SJA1000集成了CAN 通信的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議［11］，其中SJA1000 的工作模式均采用PeliCAN 模式。因此，程序在初始化中對(duì)SJA1000 的時(shí)鐘分頻寄存器、中斷使能寄存器、驗(yàn)收代碼寄存器、接收屏蔽寄存器、總線定時(shí)器、輸出控制寄存器等進(jìn)行配置。

系統(tǒng)的一級(jí)自燃火災(zāi)判別主要選擇了階躍性火災(zāi)信號(hào)進(jìn)行識(shí)別計(jì)算（如煙霧、火焰、溫度、電流大小等）。本研究分別對(duì)每個(gè)傳感器信號(hào)的閾值進(jìn)行設(shè)定，一旦傳感器檢測到的信號(hào)超出了閾值，系統(tǒng)就會(huì)發(fā)出警告。

圖4 NPF24L01模塊設(shè)計(jì)原理圖

該系統(tǒng)的主節(jié)點(diǎn)周期地接收到從節(jié)點(diǎn)發(fā)來的數(shù)據(jù)，根據(jù)從節(jié)點(diǎn)ID 號(hào)判別節(jié)點(diǎn)是否故障，同時(shí)對(duì)從節(jié)點(diǎn)的判別結(jié)果進(jìn)行識(shí)別和對(duì)其上傳的數(shù)據(jù)進(jìn)行二級(jí)融合計(jì)算，判斷是否有火災(zāi)發(fā)生。主節(jié)點(diǎn)的二級(jí)自燃判別是指把艙室溫度、氧氣濃度、煙霧濃度、通風(fēng)條件、CO2濃度、NO濃度、HCL濃度作為艙室系統(tǒng)的穩(wěn)定性判別的輸入變量。最終，系統(tǒng)通過主節(jié)點(diǎn)的無線功能模塊把公交車發(fā)動(dòng)機(jī)艙室內(nèi)一個(gè)周期的工作狀態(tài)參數(shù)發(fā)送給路邊基，再由路邊基傳給上位機(jī)。

圖5 主從節(jié)點(diǎn)程序流程圖

4 實(shí)驗(yàn)調(diào)試

為了使傳感器采集的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)存儲(chǔ)和模擬公交車運(yùn)行時(shí)與控制中心實(shí)時(shí)信息交互，實(shí)驗(yàn)中搭建了基于閾值比較法和尖點(diǎn)突變模型法的兩級(jí)車載式公交車發(fā)動(dòng)機(jī)艙室自燃火災(zāi)判別系統(tǒng)和無線信息傳輸系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了從節(jié)點(diǎn)對(duì)傳感數(shù)據(jù)作閾值判別處理并將信息發(fā)送到主節(jié)點(diǎn)的功能，同時(shí)也實(shí)現(xiàn)了主節(jié)點(diǎn)對(duì)數(shù)據(jù)的二級(jí)融合處理、危險(xiǎn)等級(jí)顯示和采用CAN/NRF24L01通信方式上傳數(shù)據(jù)的功能。

系統(tǒng)物理實(shí)驗(yàn)平臺(tái)如圖6所示。

圖6 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的物理平臺(tái)

圖6 中所示的整個(gè)系統(tǒng)分為3 個(gè)模塊：其中①、②、③共同組成了基于CAN總線通訊的車載式自燃火災(zāi)判別模塊，從節(jié)點(diǎn)①、②負(fù)責(zé)采集傳感器信息并對(duì)其一級(jí)判別處理，主節(jié)點(diǎn)③負(fù)責(zé)接收從節(jié)點(diǎn)發(fā)送的信息，并對(duì)信息進(jìn)行二級(jí)判別處理。路邊基④負(fù)責(zé)接收主節(jié)點(diǎn)信息和上傳信息至上位機(jī)。網(wǎng)橋模塊⑤負(fù)責(zé)將路邊基發(fā)送的CAN 格式信息轉(zhuǎn)化成USB 協(xié)議實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)通訊。

調(diào)試系統(tǒng)將CAN 通訊部分的兩個(gè)從節(jié)點(diǎn)地址標(biāo)識(shí)符分別設(shè)定為0x01 和0x02。主節(jié)點(diǎn)地址標(biāo)識(shí)符設(shè)定為0x00，驗(yàn)收屏蔽位AMR全部賦值0xFF，接收所有節(jié)點(diǎn)信息。數(shù)據(jù)類型采用數(shù)據(jù)幀類型擴(kuò)展幀格式，每幀13 個(gè)字節(jié)。其中，首字節(jié)是幀信息，定義了幀類型和格式及數(shù)據(jù)長度；1～4字節(jié)是標(biāo)識(shí)符；5～13字節(jié)是數(shù)據(jù)區(qū)，其中數(shù)據(jù)區(qū)從高到低分別是溫度，CO2濃度占用兩個(gè)字節(jié)，煙霧濃度，HCL濃度，NO濃度，O2百分比含量，火焰及從節(jié)點(diǎn)判別結(jié)果標(biāo)識(shí)位。主節(jié)點(diǎn)與路邊基的無線通訊地址TX_ADDRESS和RX_ADDRESS寬度設(shè)定義為5 個(gè)字節(jié)。數(shù)據(jù)長度與CAN 總線通訊字節(jié)數(shù)匹配均為13 個(gè)字節(jié)。另外，NRF24L01 有6 個(gè)收發(fā)頻道，每個(gè)路邊基可以同時(shí)接收6 個(gè)主節(jié)點(diǎn)的信息。該試驗(yàn)采用RX_ADDR_P0頻道，并采用自應(yīng)答模式。

該實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的通訊，上位機(jī)接收數(shù)據(jù)截圖如圖7所示。

圖7 上位機(jī)系統(tǒng)接收的數(shù)據(jù)截圖

本研究在系統(tǒng)調(diào)試中還分別對(duì)各參量進(jìn)行閾值設(shè)定和二級(jí)融合計(jì)算，把自燃火災(zāi)判別的安全狀態(tài)等級(jí)分為3個(gè)等級(jí)：*Normal表示沒有任何參量達(dá)到或者越過閾值；*Abnormal 表示有一個(gè)或者多個(gè)參量超過設(shè)定閾值，但是二級(jí)判別計(jì)算為無火災(zāi)狀態(tài)；*Danger?ous表示一級(jí)和二級(jí)都判定艙室有自燃火災(zāi)發(fā)生。

系統(tǒng)火災(zāi)判別結(jié)果預(yù)警狀態(tài)顯示如圖8所示。

圖8 系統(tǒng)火災(zāi)判別結(jié)果預(yù)警狀態(tài)顯示

在實(shí)驗(yàn)室的實(shí)驗(yàn)測試過程中，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，各節(jié)點(diǎn)的軟硬件設(shè)計(jì)均達(dá)到了要求，采集的數(shù)據(jù)可靠。其中，主節(jié)點(diǎn)與路邊基之間的無線通訊距離可達(dá)到50 m，基本滿足設(shè)計(jì)要求，并可通過外置天線再提高通訊距離至100 m以上。

5 結(jié)束語

針對(duì)公交車發(fā)動(dòng)機(jī)艙室內(nèi)自燃火災(zāi)的預(yù)警存在的問題，本研究提出了基于CAN總線通訊的公交車發(fā)動(dòng)機(jī)艙室內(nèi)自燃火災(zāi)兩級(jí)檢測預(yù)警系統(tǒng)方案，并在火災(zāi)檢測判別方法的基礎(chǔ)上建立了系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。

該預(yù)警系統(tǒng)調(diào)試實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了基于CAN 總線的主、從節(jié)點(diǎn)通訊、主節(jié)點(diǎn)與上位機(jī)通訊以及自燃判別系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性，為車聯(lián)網(wǎng)支持下的公交車危險(xiǎn)檢測預(yù)警技術(shù)的發(fā)展奠定了良好的研究基礎(chǔ)。

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