一種基于CAN總線的船舶防火監(jiān)控與報(bào)警系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)

李雪峰

摘 要：隨著船舶應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展，新的技術(shù)層出不窮。本文提出了一種基于分布式總線技術(shù)的船舶防火監(jiān)控與報(bào)警系統(tǒng)，對(duì)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，并分析了CAN協(xié)議，在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了CAN總線模塊，以提高我國(guó)船舶消防技術(shù)的綜合實(shí)力。

關(guān)鍵詞：CAN總線；防火監(jiān)控；報(bào)警系統(tǒng)

船舶火災(zāi)是船舶在航運(yùn)過(guò)程中時(shí)有發(fā)生且危險(xiǎn)性大的安全事故?；馂?zāi)發(fā)生時(shí)，難以得到外援，只能依靠船員和船上的滅火設(shè)備，撲滅難度遠(yuǎn)大于陸地火災(zāi)。因此，及早發(fā)現(xiàn)火警并及時(shí)采取撲救措施就顯得十分重要。船舶機(jī)艙監(jiān)控報(bào)警系統(tǒng)是電氣自動(dòng)化的一個(gè)重要組成部分，它能準(zhǔn)確可靠地監(jiān)測(cè)船舶機(jī)艙內(nèi)各種機(jī)械設(shè)備的狀態(tài)及參數(shù)，若有故障發(fā)生，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)發(fā)出聲光報(bào)警。近年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)等的不斷發(fā)展，機(jī)艙監(jiān)控報(bào)警系統(tǒng)在智能化、信息化、集成化方面的要求也越來(lái)越高。下面，提出一種基于CAN總線的船舶火災(zāi)監(jiān)控與報(bào)警系統(tǒng)。

1. CAN總線

1.1 CAN總線簡(jiǎn)介

CAN總線是一種非常常用的現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)，現(xiàn)場(chǎng)總線是一種能夠?qū)崿F(xiàn)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)多種設(shè)備之間的數(shù)據(jù)交換的技術(shù)，現(xiàn)場(chǎng)的設(shè)備我們稱之為節(jié)點(diǎn)，所有的節(jié)點(diǎn)均在現(xiàn)場(chǎng)總線上，最終形成一種互相聯(lián)通的結(jié)構(gòu)[1]。

CAN總線技術(shù)，全稱為“控制器局域網(wǎng)總線技術(shù)（Controller Area Network-BUS）。CAN總線以雙絞線將船舶各個(gè)位置的傳感器或者設(shè)備進(jìn)行連接，使用串行通信的方法進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送，數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣瓤梢赃_(dá)到1M/s。在CAN總線網(wǎng)絡(luò)中，每一個(gè)設(shè)備都具有獨(dú)立、唯一的標(biāo)識(shí)符，主機(jī)向某一個(gè)設(shè)備傳輸數(shù)據(jù)時(shí)是向總線網(wǎng)絡(luò)內(nèi)所有的設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)廣播，所有的設(shè)備都處于數(shù)據(jù)待接收狀態(tài)，報(bào)文發(fā)出后，所有的設(shè)備都接收到目標(biāo)數(shù)據(jù)，這些目標(biāo)數(shù)據(jù)包括了地址信息以及數(shù)據(jù)信息，因而設(shè)備會(huì)判斷這些數(shù)據(jù)是否是發(fā)送給自己的，只有地址符合才會(huì)讀取報(bào)文中的數(shù)據(jù)。CAN總線可以實(shí)現(xiàn)不同節(jié)點(diǎn)之間的自由通信，因而可以非常方便地構(gòu)建船舶分布式監(jiān)控系統(tǒng)，特別是對(duì)于大型船舶的防火監(jiān)控，由于大型船舶體積大、設(shè)備多，因而需要監(jiān)控的區(qū)域也非常多。使用分布式總線可以很好地解決這一問(wèn)題。同時(shí)，CAN總線還采用了總線仲裁技術(shù)，不同的監(jiān)控節(jié)點(diǎn)根據(jù)其重要性不同可以設(shè)置不同的優(yōu)先級(jí)，在多個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)發(fā)送信號(hào)時(shí)CAN總線會(huì)根據(jù)優(yōu)先級(jí)的不同對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行接收，優(yōu)先級(jí)高的數(shù)據(jù)會(huì)優(yōu)先傳送。

CAN總線由于采用了串行通信的方法，和外部連接的線只有2根，CAN_High線和CAN_Low線，在物理連接上非常簡(jiǎn)單，內(nèi)部還具備錯(cuò)誤處理機(jī)制，因而非常穩(wěn)定。圖1所示為CAN_High線和CAN_Low線在正常狀態(tài)下和信號(hào)傳輸狀態(tài)下的電壓值，淺色線為CAN_High，深色線為CAN_Low，可以發(fā)現(xiàn)，正常狀態(tài)下兩者之間均為2.5V，但是在信號(hào)傳輸時(shí)CAN_High變?yōu)?.5V，CAN_Low變?yōu)?.5V。1.2CAN協(xié)議目前CAN協(xié)議的報(bào)文有2種，在監(jiān)控節(jié)點(diǎn)將報(bào)文打包后可以選擇一種報(bào)文進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送。2種報(bào)文分別為擴(kuò)展幀和標(biāo)準(zhǔn)幀，分別包含29位數(shù)據(jù)和11位數(shù)據(jù)。如圖2所示分別為擴(kuò)展幀和標(biāo)準(zhǔn)幀的報(bào)文結(jié)構(gòu)。

2.船舶防火與監(jiān)控系統(tǒng)

2.1系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

船舶防火監(jiān)控與報(bào)警系統(tǒng)是船舶自動(dòng)化系統(tǒng)的重要組成部分，是保障船舶航行安全的必要條件。系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)如下功能[2]：

（1）實(shí)現(xiàn)對(duì)船舶重要區(qū)域的防火監(jiān)控；

（2）在發(fā)現(xiàn)火災(zāi)后發(fā)出聲光報(bào)警。

系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖3所示。系統(tǒng)以工業(yè)計(jì)算機(jī)為中心，主機(jī)安裝在駕駛室，集控室、駕駛臺(tái)和餐廳等重要位置會(huì)安裝有分顯器，另外在船舶多個(gè)位置設(shè)置聲光報(bào)警，使之在發(fā)生火災(zāi)后能夠及時(shí)通知船員。煙霧傳感器、溫度傳感器等將信號(hào)傳輸?shù)紺AN總線模塊，CAN總線模塊包括CAN驅(qū)動(dòng)、嵌入式CPU以及CAN收發(fā)器，采集的傳感器信號(hào)不能直接傳輸?shù)今{駛室及報(bào)警分顯裝置的顯示屏，CAN總線模塊將這些數(shù)據(jù)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換后，將其打包成標(biāo)準(zhǔn)幀通過(guò)CAN總線傳輸出去。

2.2 CAN總線通信模塊設(shè)計(jì)

本文的CAN總線通信模塊使用STM32單片機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)，模塊具備多路A/D轉(zhuǎn)換接口，可以同時(shí)對(duì)4個(gè)傳感器的A/D信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換。同時(shí)為了調(diào)試方便，設(shè)計(jì)USB轉(zhuǎn)CAN總線接口，可以直接從電腦上發(fā)送數(shù)據(jù)傳輸?shù)紺AN總線。

由于單個(gè)CAN總線模塊一般只能監(jiān)控10個(gè)左右的傳感器，因而在實(shí)際使用中需要根據(jù)船舶的大小布置數(shù)量不等的CAN總線模塊，既可以實(shí)現(xiàn)對(duì)全船的火災(zāi)監(jiān)控，又可以實(shí)現(xiàn)報(bào)警功能。圖4所示為CAN總線模塊核心板實(shí)物圖。

對(duì)設(shè)計(jì)完成的CAN總線通信模塊進(jìn)行測(cè)試，可以將其作為一個(gè)黑盒子進(jìn)行測(cè)試工作。使用NI6250板卡，在上位機(jī)中使用Labview編寫好相應(yīng)程序，在下位機(jī)中編寫程序，實(shí)現(xiàn)將接收的數(shù)據(jù)發(fā)送到上位機(jī)，然后進(jìn)行反復(fù)測(cè)試[4]。

測(cè)試的步驟為：在Labview中發(fā)送一串?dāng)?shù)據(jù)，CAN總線模塊在接收到數(shù)據(jù)后不進(jìn)行處理直接發(fā)回到上位機(jī)，Labview將發(fā)送的數(shù)據(jù)和接收到的數(shù)據(jù)同時(shí)進(jìn)行顯示，并將2組數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比。另外，對(duì)模塊工作的穩(wěn)定性進(jìn)行測(cè)試，反復(fù)發(fā)送同一串?dāng)?shù)據(jù)，觀察返回的數(shù)據(jù)值是否穩(wěn)定。

經(jīng)過(guò)測(cè)試發(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)的主要功能是火災(zāi)報(bào)警控制器與消防中心的通信?；馂?zāi)報(bào)警控制器將火災(zāi)信號(hào)通過(guò)CANBUS傳送到消防中心，消防中心接收到信號(hào)后啟動(dòng)相應(yīng)的聯(lián)動(dòng)設(shè)備和顯示設(shè)備。CAN接收和發(fā)送數(shù)據(jù)一般都是在CAN中斷程序中實(shí)現(xiàn)的，每一幀的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度為≤8個(gè)字節(jié)。如果發(fā)送或接收錯(cuò)誤，CANBUS具有錯(cuò)誤檢測(cè)能力，在所有節(jié)點(diǎn)發(fā)生的錯(cuò)誤可100%被檢測(cè)到。本文設(shè)計(jì)的CAN總線通信模塊可以完成既定功能，同時(shí)具有良好的穩(wěn)定性。使用火災(zāi)傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)試發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)亦可以穩(wěn)定工作。因而，CAN總線通信模塊可以實(shí)現(xiàn)在船舶上對(duì)火災(zāi)傳感器信號(hào)的采集和傳輸。

3.結(jié)語(yǔ)

總之，鑒于船舶火災(zāi)的復(fù)雜性及特殊性，有關(guān)船舶火災(zāi)的早期預(yù)警、報(bào)警等一直是國(guó)內(nèi)外船舶制造業(yè)、科研院所重點(diǎn)關(guān)注的熱點(diǎn)課題。測(cè)試結(jié)果表明，使用先進(jìn)的分布式總線技術(shù)，結(jié)合煙霧傳感器、溫度傳感器等現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)，并使用攝像頭對(duì)易于發(fā)生火災(zāi)的船舶重點(diǎn)區(qū)域進(jìn)行監(jiān)控，具有良好的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性，可靠性高、實(shí)時(shí)性強(qiáng)，功能全面，能夠滿足實(shí)際工程的應(yīng)用要求。因此，本研究結(jié)果可以為其他研究人員提供一些借鑒。

參考文獻(xiàn)：

[1]韓小東. 基于CAN總線的船舶機(jī)艙監(jiān)控報(bào)警系統(tǒng)的研究[D]. 大連海事大學(xué)， 2016.

[2]劉榮進(jìn). 船舶防火監(jiān)控系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)[D]. 江蘇大學(xué)， 2016.

[3]王德龍. 基于嵌入式的船舶電站網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D]. 大連海事大學(xué)， 2016.

[4]樹(shù)芳芳. 基于CAN總線的船舶監(jiān)測(cè)報(bào)警系統(tǒng)[J]. 中國(guó)水運(yùn)（下半月）， 2015， 15（6）：38-39.