基于 CAN总线的火灾监控系统研究与应用

●瞿 凯,孙 悦

(1.盘锦市消防支队,辽宁盘锦 124000;2.秦皇岛市消防支队,河北秦皇岛 066000)

0 引言

目前国内生产的火灾自动报警系统大多数为总线型火灾自动报警系统,虽然此类产品具有较先进的报警和控制功能,但形成的控制系统仍然是基于 DCS(Distributed Control System)的概念,其控制站仍然是集中式的,而且现场信号的检测、传输和控制还是采用 4～20m A的模拟信号。然而从当今社会的需求来讲,发展智能型火灾自动报警系统已成为历史的必然趋势。本文研究的目标是构建基于 CAN(Controller Area Network)总线的分布式火灾监控系统,完成对火灾监控系统的集成并实现系统的分布式处理,从而使本系统成为具有信息处理能力的智能火灾监控系统。

1 CAN总线火灾探测控制系统设计

由于采用了许多新技术及独特的设计,CAN总线与一般的通讯总线相比,它的数据通讯具有突出的可靠性、实时性和灵活性。因此用 CAN总线来构建火灾监控系统可以较好完成有效的火灾探测,同时在火灾时驱动现场联动设备,完成对火灾扑救过程的控制。

1.1 系统硬件总体设计

由于本系统设计的初衷是要实现分布式的火灾探测与控制,因此,结合 CAN总线自身的特点我们将系统总体上分为：主控器节点、通用智能节点、计算机 -CAN适配器节点、智能火灾探测器、PC机以及联动设备。并为各部分分配相应的任务。其中,主控器结点主要负责为上位机提供服务,通用智能节点主要负责现场数据的采集以及各种命令的执行,计算机-CAN适配器节点主要负责 RS232协议和 CAN协议的转换,PC机作为上位机则主要负责各种数据的采集、显示以及各种命令的下达等,联动设备则负责响应各种命令来控制现场。根据以上各部分功能的定义,系统硬件总体结构如图 1所示。

图1 监控系统硬件总体结构图

1.1.1 主控器节点设计

为实现以上定义的主控节点的各种功能,其硬件结构实现如图 2所示,总的来说主控节点由 CAN通讯模块、中央处理单元、数据存储单元、键盘输入模块、液晶显示模块以及声光报警等执行驱动模块 6个部分组成。

1.1.2 通用智能节点设计

通用智能节点在系统中位于网络拓扑的底层,通常分布于监控现场,可以说它们是整个系统的眼睛和手。通用智能节点的设计目标是：通过在通用节点上挂接不同的外部设备来完成不同的单一任务或者多种任务,从而实现这些节点的通用性。这里所设计的通用智能节点其硬件结构如图 3所示。从图 3可以看出,总的来说通用节点主要分为编解码模块、信号输入模块、功率放大驱动外设模块 3个部分,该节点上既有信号输入接口,又有功率放大驱动模块,因此这类节点既可以作为探测节点来采集现场的各种数据,又可以作为执行节点来驱动外围各种可执行设备,也就是说网络上节点的功能完全取决于挂接在该节点上的设备,这也体现了该类节点的通用性和适用性,它能够将已有的非网络设备方便的改造为可远程访问的网络设备。为了有效识别各网络设备的类型,还专门在节点上对相应的I/O端口进行了分配,通过在节点内部为不同类型的设备指定相应的端口来实现对设备类型的有效区分。

图2 主控器节点硬件结构图

图3 通用节点硬件结构

1.1.3 计算机 -CAN适配器节点设计

计算机 -CAN适配器节点在系统中的任务是衔接计算机和 CAN总线,从而将计算机纳入监控网络。适配器节点的硬件结构如图 4所示,其主要分为微处理器(MCU)、外部扩展 SRAM、CAN通讯接口以及 RS232通讯四大部分。在这里MCU主要负责完成在CAN协议和RS232串口协议之间进行数据转换,并且适配器与计算机之间的数据交换采用异步通讯方式;外部扩展SRAM存储器主要用作报文接收缓冲器,暂时存放从 CAN总线上接收到的数据直到数据传送到 PC。

图4 适配器硬件结构图

1.1.4 复合火灾探测器设计

本文主要设计以离子感烟探测器为例来实现系统的应用。离子感烟探测器的基本原理是对传感器输出的电压信号进行放大、比较、重整等处理后作为探测器信号输出。为实现探测器的智能化,将探测器作了一些改进,智能火灾探测器结构如图 5所示,在探测器中加入了分析模块(MCU),通过MCU可以实现对电桥的自动调平和对报警阀值的自动设置,另外通过编制合理的算法还可以有效的避免因人员走动、反射等所造成的误报,从而实现探测器的智能化。该探测器也给出了开关量和模拟量的双路输出,从而为探测器的调节和系统测试提供方便。

图5 智能火灾探测器结构

1.2 系统软件设计

本系统中所有的客户节点受所在子网主控器节点的管理,而系统中的所有主控制器节点都只负责自己所在子网的节点,这里是通过维护自己所在子网的节点信息列表完成的;中心计算机则维护整个网络中所有节点的信息。网络的拓扑结构为：上位机→CAN适配器→主控节点→网络设备。为了将以上各模块有机的结合起来,我们对系统软件的结构作了总体规划,如图6所示。在以上总体框架的指导下,系统的总体数据流程如图 7所示。

图6 监控系统软件总体结构

2 CAN总线火灾探测控制系统实验研究

2.1 探测器有效性实验

图7 监控系统总体数据流程图

现阶段已设计实现的探测器有红外感光探测器和离子感烟探测器两类。由于现阶段对烟气浓度的测量不太方便,因此这里介绍的实验主要是对红外感光探测器以及对两探测器复合情况下的测试。对红外探测器做蜡烛火和煤油火的实验结果如图 8、图 9所示。从两图可以看出红外探测器表现出较好的输入输出关系,当火源较远时传感器电压输出较小;当火焰较近时,输出电压较大。增大传感器增益可以增大探测器的探测距离。然而,随着增益的增大,探测器受环境光的干扰就越大,就越容易发生误报。为解决这一矛盾,目前采取的办法是设计了离子感烟探测器,并将感烟探测器与红外探测器复合组成为一个复合探测器。经过实验发现该办法的确很有效的解决了误报的问题、提高了探测器的稳定性,然而这样又相应的降低了探测器的灵敏度,在某些情况下还有可能会发生漏报,这是不允许的。为解决这一矛盾,目前的办法是通过调节两类探测器各自的增益达到一个平衡点,从而缓和误报和漏报间的矛盾。要想从根本上解决这一矛盾可能还要依赖于智能探测算法,该工作有待于以后的工作中实现。

图8 增益 -距离 -电压关系(蜡烛火)

图9 距离-电压关系(煤油火)

2.2 监控系统有效性实验

实验空间如图 10所示,图中 1为增压泵,2为管道阀,3为贮水箱,4为补水浮球,5为变频控制柜,6为压力传感器,7为控制台,8为水过滤器,9为涡轮流量计,10为水幕喷头,11为细水雾喷头,12为水压表。

图10 实验环境布局示意图

2.2.1 实验条件

中央控制计算机和适配器位于控制室,其他设备均位于实验现场;实验现场空间为 4m×6m×12m;两个复合探测器分别位于空间上方两侧,其中红外探测器探头参数为：敏感波段 500～1 050nm,峰值响应 880nm,探测器增益 120;气罐输出压力 0.6MPa;火源为柴油火,油盘大小为 20cm×20cm;网线为双绞线,节点供电电源为直流 +5V、+12V、-12V。

2.2.2 实验步骤

用网线将所有节点按要求连接起来;将计算机通过串行通讯电缆接入网络;打开数据采集软件;打开主控器供电电源开关,并执行初始化程序;探测节点完成网络学习后进入监控状态;点燃火源观察现象并记录灭火数据。

2.2.3 实验结果

系统进入监控状态后,点燃火源,探测器立即探测到火源,随即系统启动报警器,报警延迟 10s后系统启动电磁阀,打开细水雾系统,确认火源被扑灭后关闭报警器,停止火情报警,最后细水雾继续施加 5s后自动关闭。图 11是实验过程中上位机采集数据的界面,实验中系统灭火照片如图 12所示。

图11 灭火过程上位机采集数据界面

通过实体实验发现该探测控制系统很好的验证了上述监控、灭火过程,从而验证了系统的有效性。复合探测器能有效的探测到火源,同时系统各模块采集、分析、处理及执行命令过程中动作清晰无误,可以表明该探测控制系统工作正常,基本上达到了最初的设计目标。

图12 系统灭火实况图

3 结束语

由于系统引进了先进的 CAN总线技术,因此该系统从整体上来讲是具有一定先进性的新型火灾监控系统。系统的主要优点是：有良好的实时性和安全性、良好的扩展性、监控网络和试验设计符合大型远程监控系统实际需要并且结构简单,利于安装和维修、便于实现复合探测,能够满足火灾监控需要,具有良好的应用前景。

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