基于 CAN 总线火灾报警控制系统研究.doc

精品论文基于 CAN 总线火灾报警控制系统研究符青松 武汉理工大学，湖北武汉（430070） E-mail: fqs19821226摘要：本文介绍火灾自动报警控制系统的设计方法、系统软硬件的组成和实现。系统设计中采用 CAN 总线结构实现上位机和下位机之间的通信，从而实现远程控制,把火灾消灭在 源头。工程实践表明，系统可靠性高，灵活性强，人机界面友好。关键字：CAN 总线；实时性；火灾报警系统1. 引言CAN(Contral Area Network)总线是德国 BOSCH 公司在上世纪 80 年代为解决现代汽车中 众多控制与测试仪器之间的数据交换而开发的一种串行数据通信协议，因为它设计独特、可 靠性高、价格底等，因此在许多领域被广泛应用4。火灾报警系统，一般由火灾探测器和控制器组成。其中火灾探测器是识别火灾是否发生 的专门仪器，当火灾发生时，会产生烟雾、高温和火光等现象，探测器对这些很敏感。当有 烟雾、火光、高温产生时，探测器把这些非电量参数变成电量参数，引起电流、电压的变化， 经 A/D 转换后，把数据传递给控制器，当数据超过系统设计的阀值时，一方面下位机向上 位机传递信息，上位机根据收到的信息通过扬声器发出报警声，告诉值班人员。同时，下位 机控制本系统的报警器发出报警信号，警告现场的工作人员。下位机通过上位机把信息传递 给 PC 机，显示火灾的部位、地点。根据火灾发生时所表现出来的物理现象可以分为:气敏型、感温型、感烟型、感光型、 感声型五大类；根据建筑物或实地场所的要求，安装不同类型的火灾探测器。为了提高系统的可靠性，本系统选用了感烟探测器和红外感温传感器复用。通过感烟和感温双重判断火灾情况，同时这两种传感器具有抗电磁干扰、抗潮湿、抗腐蚀的特点，从而更加提高了探测的 准确性。2. 总体设计火灾自动报警系统的基本功能是通过探测器寻找火源，判断火灾源头进行报警，同时系 统具有遥控检测功能。该火灾自动报警设计系统包括上下两级控制。通过上位机和下位机之 间的通信可以实现对现场信息的了解。上位机提供操作方便的人机界面，采用数据库技术实 现系统系统运行中报警系统的信息和故障信息的采集和管理，便于系统维护。下位机引入了 微控制技术，既支持现场的操作，也支持上位机的远程控制。另外引入下位机控制系统中增 加了检测检测电路和现场总线接口，实现了报警系统运行中大量故障信息的采集。微控制器 一方面按照上位机的要求控制外界信息的采集，另一方面响应上位机的要求把采集的信息 传到上位机。上位机和下位机之间通过 CAN 总线相连，二者分工明确，构成分布式控制系 统 5。上位机通过嵌入其内 CAN 网卡,与连接在 CAN 总线上的下位机控制系统（CAN 网卡） 直接进行通信。下位机的微控制系统是以 C8051F020 系列的单片机为核心实现对外部数据 的采集和传输。在保证系统工作可靠和降低成本的条件下，考虑到通用性、实时性和可扩展 性等方面的因素，采用了主要由上位机和现场控制器构成的系统。系统工作过程如下：上位机首先初始化 CAN 网卡,设置网卡工作模式、接收码、接收 掩码和波特率，然后进入运行状态，在适当条件下（当下位机有中断产生，向上位机发送一- 5 -个报警信号，上位机接收到下位机报警信号，并允许下位机执行中断程序）启动 CAN 网络与现场控制器进行通信。现场控制器主要完成现场数据的采集与处理和现场设备的控制等功 能，并以中断方式与主机进行通信。系统的硬件主要包括：上位机系统和下位机系统。如图2-1上位机通信模块（CAN）下位机（1）下位机（2）图 2-1 火灾报警系统总体设计结构框图上位机和下位机的功能框图如图 2-2、2-3 所示。CAN 模块串口模块EEPROM微控制器 MCU人机界面报警模块图 2-2 上位机模块CAN 模块上位机传感器模块人机界面灭火设备微控制器 MCU报警模块图 2-3 下位机模块2.1 微控制器 MCU它是整个下位机的核心，完成对下位机模块工作，实现信息的采集传输、接受、发送。 我们采用 C8051F020 系列的单片机作为微控制器的核心，因为它具有如下特点：速度快、 强大的模拟信号处理功能、先进的 JTAG 调试功能、强大的控制功能、丰富的串行接口、多 达 22 个中断源、可靠的安全机制、有多大 64K 的 FLASH 存储器，部分可以作为数据存储 器使用，同时片内可有多达 4KB 的 RAM 存储器等，因此 C8051F020 是一种集成度高、功 能强大的单片机芯片，非常适合于要求速度快、可靠性高、扩展功能强和节电的应用系统1。2.2 通信模块它是上位机和下位机进行通信的核心部分，主要有 CAN 网卡、光电隔离器电路构成。 是下位机中的 CAN 总线的接口部分。通过通信模块，上下机能够互动，从而达到通信的目 的。2.3 电源其主电源应当采用消防电源，备用电源采用蓄电池，把交流电转化为 24V 直流电，通 过电平转换芯片将 24V 直流电转化为系统需要的 5V 和 3. 3V 的直流电压。提供电机、扬声 器所需的 24V，单片机系统所需要的 3. 3V 以及各种芯片所需要的 5V 工作电压2.4 数据采集、转换模块：通过感温式火灾传感器、感烟式火灾传感器，把采集到的非电信号转换成电信号，经过 电压放大器使微弱的信号增强，经过 A/D 后，微控制器对其进行接收。2.5 人机界面模块：它包括，键盘和显示器。键盘采用 4*4 的循环扫描阵，用于输入。LCD 用于输出显示， 为操作人员提供可视的数据。2.6 报警模块火灾报警模块采用双保险的报警方式。烟雾传感器和温度传感器对现场进行数据采集， 当采集到的数据超过系统设计的阀值时，一方面下位机向上位机传递信息，上位机根据收到 的信息通过扬声器发出报警声，告诉值班人员。同时，下位机控制本系统的报警器发出报警 信号，警告现场的工作人员。3. 软件设计系统软件包括在下位机上运行的嵌入式程序以及在上位机上运行的通信串口程序两部 分。前者通过 Keil C51 完成。后者选用的应用程序开发工具是 VisualC+6.0 实现上位机和 下位机之间的串口通信。因为系统最终面向终端用户，而用户一般对技术细节不了解，也不需要了解，用户接触 到的是软件的运行界面。在系统功能实现的基础上，编程员要为用户提供一个简单、舒适、 友好的界面，方便、简单的操作系统，实现软件的维护和升级，进行二次开发.是现代系统 软件设计的目标。软件编制基木遵循上述原则3。软件设计满足如下:(1)设置两路传感器，一路烟雾传感器 A，另一路是温度传感器 B，我们对他们进行初始化，当 A=1，B=1 的时候，系统识别发生火灾；A、B 之中有一个为 1，则告知系统，让人检查。这样就减少了意外，提高了报警的准确率；当 A、B 都为 0 的时候，系统一直循环搜 索。(2) 要能够对每个火灾探测器进行管理，包括查询火灾报警探测器的相关信息、修改火 灾探测器的相关信息、增加、删除火灾报警探测器。在软件运行过程中，可以随时在界面上 观察火灾探测器的工作状态。(3)要能够准确判明发生火灾或故障的火灾探测器的位置，在界面上显示相关报警信息， 提示操作人员进行处理。如果发生了火灾，系统除了在屏幕上显示出报警信息，发出报警以 外，还将相关报警信息存储，以方便查阅、分析。(4) 设置看门狗，当干扰造成程序运行发生混乱或陷入死循环时，可以使单片机复位从 而让程序正常运行。软件总体设计如图 3-1开始初始化控制系统运行监控看门狗传感器监无 测可疑物有火源扫描火灾无有灭火报警图 3-1 软件总体设计在完成系统的硬件、软件设计之后，面临着下一个重要而复杂的问题是进行系统的产 品设计与调试，在此过程中碰到许多意想不到的问题。经调试表明该火灾报警器控制器性能 稳定，工作可靠，满足功能要求，达到了预期设定的指标。总之，火灾报警及灭火控制系统是一项复杂的工程，必须在系统设计、结构设计、软件编制、整机装备和调试阶段各个环节方面统筹安排，严格把关才能保证系统具有高的可靠 性。4. 系统抗干扰能力设计由于外界及自身的干扰的存在，为了减少这些因素干扰，保证系统作出准确的响应。 我们做了一些改进。硬件上：在信息的采集电路采用过零保护，采用屏蔽双绞线，加入光耦芯片AT181； CAN总线的两端加两个330欧的端口电阻，如果不加的话，会降低数据通信的可靠性和抗干 扰性，严重着可能无法实现上位机和下位机之间的通信；在CANH和CANL之间接一个低通 滤波器，滤除总线上的高频干扰。软件上：一方面保证应用软件的本身的健壮性，使程序能够持续稳定的运行。要做到 这一点，我们首先精心设计了应用软件的总体结构，按照面向对象的观点，综合考虑用户的 观点和程序的易实现性，编制出高效率的应用软件;在编写代码时，多次调试，做到思维严 密，尽可能减少人为的失误。另一方面，我们通过采取软件方面的措施提供系统的可靠性。 在软件设计中，我们对重要环节采用多次重复判断以提供系统的可靠性。5. 总结火灾一直是人类的威胁。在计算机技术、微电子技术和网络技术的迅速发展下，火灾 探测报警技术的更新变化也非常明显。总体来看，主要的发展变化是:数字技术和新工艺、 新材料的应用，改进系统能力和减少维护要求，向着高可靠、低误报和网络化、智能化方向 发展2。参考文献1 张齐、杜群贵.单片机应用系统设计技术,2006,电子工业出版社2 潘刚:火灾探测报警技术发展趋势,消防科学与技术,2002年第1期3 龚建伟.Visual C+/Turbo C 串口通信编程实践M.北京:电子工业出版社,2004. 4 顾洪军等.工业企业网与现场总线技术及应用 fMl.北京:人民邮电出版社.2002.5 Wang. Jian-Xin.Automotive electronics technology integrated control system based on CAN bus.HarbinInstitute of Technology,2006Studies on Fire Alarm control system Based on CANbusFu QingsongSchool of Information Engineering. Wuhan University of Technology, wuhan (430070)AbstractThis paper introduces an automatic fire alarm system. It includes the design of hardware and software components and their communication.The system realizes communication between the crew and PC byusing CAN bus structure to achieve remote control, to eliminate the source of the fire.Practice shows that the system is reliable, flexible and hold a friendly man-machine interfaceKeywords: CANbus; real-time; Fire alarm system作者简介：符青松，男，1982 年生，硕士研究生，主要网络化智能控制。