1、2010年9月第3期河北工程技術高等專科學校學報JOU RNAL OF HEBEI ENGINE ERING AND TEC HNIC AL COLL EGE Sep.2010No.3文章編號:1008-3782(201003-0046-04基于CAN 現場總線技術的火災報警系統智能節點的設計張鐵壁,李光(河北工程技術高等專科學校,河北滄州061001摘要:將CAN 現場總線應用到火災報警系統中,介紹了CA N 現場總線的節點硬件電路組成、實驗模擬情況,以及通信軟件的設計方法。并通過選取不同距離范圍的數據進行傳輸驗證,現場與上位機之間傳輸的數據以及報警信息具有較高的實時性、準確性。關鍵詞:CA

2、 N 總線;智能節點;火災報警;數據融合中圖分類號:T P 277文獻標識碼:A火災是危害人類生命財產災害中最常見的一種。因此早期預報火情、及時報警、防火于未燃是火災探測系統完成的任務。目前火災探測器中采用的大多是閾值比較法,它也是傳統的火災檢測數據處理方式,特點是簡單明了而且易于實現,但環境適應性和抗干擾能力較差1;一些大型的火災報警系統復雜、成本高,不適合中小場合的使用。因此,本課題設計了一種在現場采用CAN 總線技術和上位機之間進行數據通信傳輸,并利用神經網絡和模糊推理技術,對多傳感器數據進行融合的火災報警系統。本文重點介紹了CAN 現場總線智能節點的設計思路。CAN 是控制局域網(Co

3、 ntrol Area Netw ork的簡稱,最早是由德國BOSCH 公司推出,用于汽車內部測量與執行部件之間的數據通信。由于得到了M otorola,Intel,Philip,Siemence,NEC 等公司的支持,它廣泛應用在離散控制領域,支持分布式控制系統和適時控制的串行通信網絡。由于CAN 總線具有通信速率高,開放性好、報文短、糾錯能力強以及控制簡單、擴展能力強、系統成本低等特點,越來越受到人們的關注2。1系統硬件組成 圖1系統整體結構圖系統構成有兩個部分,一個是總控制室的上位機系統,另一個是可以和總控制室上位機通信的CAN 現場總線來構成系統的底層通信網絡,亦即分布在現場的報警系統

4、。該系統整體網絡拓撲結構如圖1所示。上位機系統和底層網絡通信主要依靠相應的CAN 接口卡來完成,它承擔著上位機和底層CAN 智能節點之間的數據轉發任務,即收集各個CAN 智能節點上的數據轉發給上位機,同時把上位機的命令和數據轉發到各個智能節點。網絡拓撲結構為總線型,通信介質為屏蔽雙絞線。上位機負責與下位機的通信,主要完成根據現場多傳感器數據融合的結果進行控制室報警,并動態顯示各現場傳感器的工作狀態和重要的現場參數以及報警信息,并對各現場節點的控制參數、運行參數進行整定和修改。現場報警單元節點對現場多傳感器數據進行采集并進行數據融合,根據融合結果判斷是否發生火災,如果有火災發生,現場和總控制室同

5、時報警。現場采用收稿日期:2010-06-01作者簡介:張鐵壁(1968-男,河北海興人,河北工程技術高等專科學校副教授。宏晶系列單片機STC89C55RD 為核心的單片微處理器系統,它與8051系列單片機完全兼容。其功能主要來完成CAN 總線的初始化和通信、數據融合處理、現場參數、報警信息設定、顯示等工作。下面介紹有關CAN 現場總線智能節點在該系統中的實現,文中只對一個現場報警智能節點進行說明,其余節點類似。2CA N 智能節點的硬件設計2.1CAN 智能節點的硬件電路框圖圖2所示為現場總線報警智能節點電路原理框圖。它由四路傳感器、傳感器接口處理、單片機系統、CAN 控制器等部分組成。傳感

6、器選擇了藍天公司的藍天系列產品,分別是JT Y -LZ -3100型離子感煙火災探測器、JT Y-GD-3100型光電感煙探測器、JTW-ZD-3100型模擬量感溫探測器以及HQ 型的氣敏傳感器四種,該系列產品的最大特點是,火災報警信號的判別,不再簡單地依靠火災探測器內部電路設置的閾值來確定是否發出火災報警信息,而是由探測器把監視場所的火災特征參數實時地傳輸給現場單片機系統,然后對這四種傳感器的信號進行數據融合,最后根據融合結果判斷是否有火災發生。在報警現場還可以完成火災報警,參數設定, 查詢記錄等。圖2智能節點電路原理框圖2.2模擬火災實驗結果在實驗室進行了火災模擬,制作了一個1m 3的立體

7、鐵箱,作為燃燒室并選取了一些日常生活中常見的一些可燃物作為燃燒源3,來模擬實際的火災燃燒過程。具體模擬結果見表1。從表中可以看出,火災報警的準確率達到94%以上。表1模擬火災統計表類型材料實驗次數報警次數(陰燃火報警次數(明火正確率/%陰燃火明火木條5048096碎布5047094棉繩5048096報紙5004896刨花5004998煤油500501002.3CAN 智能節點的硬件介紹總線控制器部分由CAN 控制器芯片SJA1000和CAN 收發器82C250組成。SJA1000是一個獨立的CAN 47第3期張鐵壁等:基于CA N 現場總線技術的火災報警系統智能節點的設計控制器,與PCA 82

8、C250的硬件和軟件都兼容,具有一系列先進的性能,特別在系統優化、診斷和維護方面。SJA 1000支持直接連接到兩個著名的微控制器系列8051和68XX 。開發CAN 總線模塊綜合了基于模擬量的輸入/輸出、I/O 端口設計、數據接收/發送等。在本課題中選取了宏晶單片機STC89C55,SJA 1000的初始化由微處理器完成,并且在正常工作模式下,由微控制器SJA1000的收發操作來完成與總線的通信。硬件電路如圖3 所示。圖3實現CA N 總線系統的硬件電路作為核心部分的單片機系統除維持總線接口的正常工作外,還要完成總線控制器與I/O 接口之間的數據傳輸以及與模塊地址和通信波特率設定之間的數據連

9、接。另外為了保證系統的可靠性,系統中使用了看門狗電路,以防止程序跑飛。電源管理部分包括電壓的變換、電路保護以及電源指示燈等。I /O 接口在CPU 的控制下實現鍵盤設定、液晶顯示以及現場聲光報警等功能,系統中對I/O 口進行了擴展。傳感器部分,主要是完成對傳感器信號的處理,系統對一個控制現場的4個傳感器經過A/D 轉換器,變成微處理器可以接收的信號。各傳感器將檢測到的信號經預處理后送到單片機系統進行融合決策,融合中心微處理器根據各個傳感器數據做出總體決策。融合處理在現場完成,融合結果通過CAN 總線送到上位機。根據融合數據結果,總控制室完成相應的功能。SJA 1000的地址/數據復用總線同AT

10、 89C 51的P 0口相連,MODE 引腳接高電平時選擇Intel 模式,宏晶單片機ST C 89C 55的報時鐘信號由CLKOUT 提供。為了提高總線的驅動能力,在SJA 1000與CAN 總線之間加了PCA82C250總線驅動芯片,82C250是SJA1000與物理總線間的接口,從傳感器來的信號經過多路模數轉換器后,轉換成相應的數字信號送入微處理器。3CA N 智能節點軟件設計3.1CAN 通信軟件的設計思想軟件設計主要根據系統的工作要求,分為CAN 總線通信程序、看門狗電路初始化、A /D 轉換程序、人機接口程序等。這里主要討論CAN 通信軟件的設計,其中包括SJA1000的初始化程序

11、設計、發送程序設計、和接收程序設計。3.2CAN 智能節點軟件組成1SJA1000初始化程序設計。單片機上電或復位后,調用復位程序給SJA 1000的復位端提供復位信號,使得SJA 1000進入復位模式,SJA 1000的初始化只能在復位模式下才可以進行。初始化主要包括各寄存器的設計,最后要清除SJA 1000的復位標志進入工作模式,SJA 1000方可進行報文的發送和接收工作。48河北工程技術高等專科學校學報20102CAN 總線發送程序。對SJA1000進行初始化建立CAN 總線通信后,現場報警系統就可通過CAN 總線發送和接收數據包。消息的發送由CAN 控制器SJA 1000根據CAN

12、的規則自動完成,主控制器必須把要發送的信息送到SJA1000發送緩沖器,并設置“發送請求標識位”于命令寄存器中。發送過程既可由SJA1000產生的中斷請求來控制,也可以通過檢測SJA 1000控制部分的狀態標識符來控制。在軟件模塊設計中,模塊向總線發送數據包是主動的,如果一次發送不成功,可以再次發送,因而對發送部分的處理比較簡單,采用查詢SJA1000控制部分狀態標識符的方法。當SJA 1000發送消息時,發送緩沖器禁止寫,于是主控制器要檢測狀態寄存器中發送緩沖器狀態的標識符(T BS,看發送緩沖器是否可以接收信息。3CAN 總線接收程序。CAN 控制器SJA1000根據規則自動接收消息,接受

13、到的消息放入接收緩沖器,此時接收緩沖器狀態標識RBS 置為“1”(表示接收緩沖器中有接收到的消息。如果可能,主控制器必須將消息保存到程序設置的消息緩沖器中,同時釋放接收緩沖器并對消息內容做出反應。接收程序可以通過SJA1000的中斷請求或查詢SJA1000的標識控制部分來進行。在系統應用中,現場報警系統從總線獲取上位機或其它現場報警節點的消息,接收消息是被動的。如果采用查詢法,將耗費大量的時間來查詢SJA 1000接收狀態,且實時性不好。因而在接收程序設計中,在本課題中采用中斷法進行控制。使用中斷進行控制,在主程序中必須使得SJA 1000的中斷使能寄存器(PeliCAN 模式或控制寄存器(B

14、asicCAN 模式的中斷接收使能位置“1”。需要指出的是:當釋放接收緩沖器后,接收中斷標志將被清除,隊列中的下一條報文進入接收緩沖器并將會產生新的中斷。4通信效果驗證在CAN 總線環境下調試運行了現場報警節點和上位機的通信情況,主要針對網絡數據傳輸的正確性、數據通信的數率和傳輸距離等內容進行的。通過對系統的調試運行結果如表2所示。表2不同距離和位數率下的通信結果驗證通信距離/km數據傳輸位數率/kb 通信結果0.1500正確0.5200正確250正確510正確105正確從上表中可以看出,現場報警CAN 總線節點和上位機之間的通信數據是完全正確的,而且可靠性高。需要注意的是隨著距離的不斷增加,

15、要降低位數率的傳輸距離。在大于2km 的傳輸距離時,為保證系統的可靠性,可以加入信號中繼站。5結束語經過驗證,每個現場智能節點的各種報警信息以及參數設定等,通過總線都可以及時準確地與上位機進行交換。而且通過選取不同距離范圍的數據進行傳輸,驗證數據傳輸的實時性、準確性。此外,在現場報警智能節點中,還要對多傳感器數據進行融合處理,采用了神經網絡以及模糊推理的方法對報警數據進行融合處理。經實驗CAN 總線智能節點的功能已經完全實現,多傳感器的數據融合的仿真情況良好,可大大降低誤報率,有效提高系統的準確性,具有較高的應用價值。參考文獻1張鐵壁,吳并臻.基于CAN 總線的智能壓力節點的設計J .儀表技術

16、與傳感器,2004,(8:37-39.2王益.基于CA N 總線的遠程油罐液位油溫測控系統J .計算機測量與控制,2009,17(9:1737-1739.3龔偉.復合型智能火災探測器的設計與研究J .低壓電器,2009,(24:25-28.4陽憲惠.現場總線技術及其應用M .北京:清華大學出版社,2008.(下轉第59頁49第3期張鐵壁等:基于CA N 現場總線技術的火災報警系統智能節點的設計壓實溫度的前提下,使混合料出場溫度不要過高。3在一定范圍內厚度越大,空隙率越小,壓實效果好,所以施工時應保證壓實厚度不要低于設計厚度,同時又要保證壓實厚度的均勻一致,不出現薄厚不均的現象。除此之外,施工單

17、位還應注意提高施工的技術水平和管理水平,減小施工質量的變異性,以修筑高質量的道路。參考文獻1沙慶林.公路壓實與壓實標準M .北京:人民交通出版社,1999.2汪浩,黃曉明.瀝青路面施工壓實度變異性分析及控制J .公路,2003,(6:139-142.3JT G F 40-2004,公路瀝青路面施工技術規范S.Research on Variability of Compactnessin Asphalt PavementL V Jing(Cangzh ou Bur eau of Water Affairs,Cangz hou 061001,Ch inaAbstract :T he variab

18、ility of asphalt pavement construction ,especially the variability in degr ee of co mpactio n is one o f the key factor s that affect the quality of road construction .In this study ,based o n a large number of tests and test data,the main technical parameters w hich affect the deg ree of com pactio

19、n of asphalt pav em ent construction variability are analysed,and the measures o f reducing the v ar iability is pr opo sed.Key words :asphalt pavement ;v ar iability ;co mpactness ;construction(責任編輯:翟國靜(上接第49頁5鄔寬明.CA N 總線原理和應用系統設計M .北京:航空航天大學出版社,2006.6徐愛鈞,等.單片機高級語言C 51應用程序設計M .北京:電子工業出版社,2004.7何友,王國宏,等.多傳感器信息融合及其應用M .北京:電子工業出版社,2006:1-48.Design of an Intell