基于CAN总线分布式控制的远程电气火灾监控系统

刘 亮 / 张学文/ 袁佑新 /陈 尧 /王 圆

1 武汉理工大学自动化学院 2 武汉华天世纪科技发展有限公司

1 引言

目前国内所应用的电气火灾监控系统基本上以区域电气火灾监控系统、集中电气火灾监控系统为主，其安装形式主要为集散控制方式。这种系统一般都自成体系，自我封闭，不能实现系统间的资源和服务共享，而在很多发达国家（如德国、澳大利亚）和地区（如香港）等，已建立了城市火灾自动报警网络，建立城市消防远程监控中心。因此实现电气火灾的远程监控是未来电气火灾监控系统的发展趋势。本文设计的基于CAN总线分布式控制的远程电气火灾监控系统，通过CAN总线连接监控系统节点，利用以太网远程在线监视，并及时对各种信息进行分析与决策，在电气火灾发生前消除其隐患。

2 系统总体方案设计

系统总体方案结构图如图1所示。漏电流传感器和温度传感器分别检测漏电流和温度信号，通过电气火灾监控器进行数据采集与处理，一个电气火灾监控器可以同时连接多个漏电流传感器和温度传感器，电气火灾监控器和电气火灾监控主机之间采用CAN总线连接，既可实现远距离参数检测又便于安装布线以及满足抗干扰的要求。电气火灾监控主机集中采集所有监控器的数据，并完成CAN总线和以太网之间的通信、完成工作站与电气火灾监控器之间的远程通讯、监测工作站连接企业网，在企业网能通过Web方式浏览每个监测点。电气火灾主机的设计是实现电气火灾的远程监控的核心,所以本文以介绍电气火灾监控主机的硬件和软件设计为主。

图1 系统总体方案结构图

3 电气火灾监控主机硬件设计

要实现电气火灾的远程监控，首先，电气火灾监控主机必须通过CAN总线采集现场数据。然后，将采集到的数据通过ARM微处理器进行处理。最后，将处理好的数据通过以太网传送到上位机，最终实现电气火灾的远程监控。

电气火灾监控主机的硬件结构图如图2所示，其硬件主要由CAN控制器协议转换模块和以太网控制器协议转换模块组成。

图2 电气火灾监控主机硬件结构图

CAN控制器协议转换模块主要由ARM微处理器和CAN总线收发器组成。其中ARM微控制器作为CPU核心，主要负责数据的接收、发送、故障处理等；CAN总线收发器则提供对总线的差动发送能力和对CAN控制器的差动接收能力。

以太网控制器协议转换模块主要由ARM微处理器、以太网控制器、网络变压器组成。RTL8019AS是一种高集成度的全双工10Mbps以太网控制芯片，实现了基于Ethernet协议的MAC层的全部功能，内置16KB的SRAM、双DMA通 道 和FIFO完 成 数 据 包的接收和发送；网络变压器HR90117OA是为了提高网络通信的抗干扰能力。

4 电气火灾监控主机软件设计

电气火灾监控主机软件的设计主要包括CAN总线模块数据收发程序设计、数据管理程序设计和以太网模块数据收发程序设计。

4.1 CAN总线模块数据收发程序设计

CAN总线数据发送流程如图3所示。

图3中，信息从CAN控制器发送到CAN总线是由CAN控制器自动完成的。发送程序只需把发送的信息帧送到CAN的发送缓冲区，启动发送命令即可，需要注意的是，发送中断不是由于发送完成而产生，而是由于发送缓冲区再次可用而产生的。

CAN总线数据接收流程如图4所示，信息从CAN总线到CAN接收缓冲区是由CAN控制器自动完成的。接收程序只需从接收缓冲区读取要接收的信息即可。需要注意的是读接收缓冲器内容后，CPU必须通过置接收缓存位为高来释放缓存器，使得另一个报文立即变得有效。

4.2 数据管理程序设计

图3 CAN数据发送流程图

图4 CAN数据接收流程图

数据管理程序设计流程如图5所示，当系统上电后，首先对微控制器进行初始化，然后采集从CAN总线和以太网传送过来的数据。如果有数据从CAN总线接口过来，将接收到的CAN数据存入到另一个数据区，除去地址和个数信息，将其余数据按照TCP/IP协议进行封装。如果数据从以太网接口过来，则对从以太网中接收到的数据进行分层，取出真实的数据。各监测点的实时数据通过LCD触摸屏显示出来，当有监测点报警时，监控主机自动保存该监测点的报警信息，同时通过声光报警提醒现场工作人员，工作人员可以通过触摸屏查询历史报警记录。

图5 数据管理软件设计流程图

4.3 以太网模块程序设计

以太网模块数据发送程序设计流程如图6所示。

图6中，当有数据要从监控主机发往以太网时，将要发送的数据从RAM取出进行封装并装入RTL8019AS的发送缓冲区，然后通过配置ARM微处理器的寄存器，将发送缓冲区的数据发往以太网。

以太网数据接收程序设计流程如图7所示。当监控主机要从以太网接收数据时，如果采用中断方式，则RTL8019AS将自动通知ARM微处理器，然后可采用包发送将缓冲环中的数据取出，并对数据进行分层，得到真正可用的数据。

图6 以太网数据发送流程图

图7 以太网数据接收流程图

5 结语

该系统符合国标GB14287.1(电气火灾监控设备)的设计要求，是对传统的独立式电气火灾监控系统的一个大的改进。但在多个监控主机与上位机通讯的远程监控系统中,如何实现对各个监控主机的高效管理与调度,以及如何将电气火灾报警信息与其他火灾的报警信息相融合,配合相关部门及时准确地消除火灾隐患,还有待我们做进一步的研究。

[1]费杰，朱琦. 基于CAN总线的电气火灾设计[J]. 现场总线与网络技术，2007（2）.

[2]丁永忠，彭万权. 基于嵌入式的智能火灾监控系统设计[J].武汉理工大学学报，2008（4）.

[3] 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局, 中国国家标准化管理委员会.GB14287.1-2005电气火灾监控系统第一部分：电气火灾监控设备[S] 北京：中国标准出版社，2005.