基于CAN總線分布式控制的遠程電氣火災監控系統

劉 亮 / 張學文/ 袁佑新 /陳 堯 /王 圓

1 武漢理工大學自動化學院 2 武漢華天世紀科技發展有限公司

1 引言

目前國內所應用的電氣火災監控系統基本上以區域電氣火災監控系統、集中電氣火災監控系統為主，其安裝形式主要為集散控制方式。這種系統一般都自成體系，自我封閉，不能實現系統間的資源和服務共享，而在很多發達國家（如德國、澳大利亞）和地區（如香港）等，已建立了城市火災自動報警網絡，建立城市消防遠程監控中心。因此實現電氣火災的遠程監控是未來電氣火災監控系統的發展趨勢。本文設計的基于CAN總線分布式控制的遠程電氣火災監控系統，通過CAN總線連接監控系統節點，利用以太網遠程在線監視，并及時對各種信息進行分析與決策，在電氣火災發生前消除其隱患。

2 系統總體方案設計

系統總體方案結構圖如圖1所示。漏電流傳感器和溫度傳感器分別檢測漏電流和溫度信號，通過電氣火災監控器進行數據采集與處理，一個電氣火災監控器可以同時連接多個漏電流傳感器和溫度傳感器，電氣火災監控器和電氣火災監控主機之間采用CAN總線連接，既可實現遠距離參數檢測又便于安裝布線以及滿足抗干擾的要求。電氣火災監控主機集中采集所有監控器的數據，并完成CAN總線和以太網之間的通信、完成工作站與電氣火災監控器之間的遠程通訊、監測工作站連接企業網，在企業網能通過Web方式瀏覽每個監測點。電氣火災主機的設計是實現電氣火災的遠程監控的核心,所以本文以介紹電氣火災監控主機的硬件和軟件設計為主。

圖1 系統總體方案結構圖

3 電氣火災監控主機硬件設計

要實現電氣火災的遠程監控，首先，電氣火災監控主機必須通過CAN總線采集現場數據。然后，將采集到的數據通過ARM微處理器進行處理。最后，將處理好的數據通過以太網傳送到上位機，最終實現電氣火災的遠程監控。

電氣火災監控主機的硬件結構圖如圖2所示，其硬件主要由CAN控制器協議轉換模塊和以太網控制器協議轉換模塊組成。

圖2 電氣火災監控主機硬件結構圖

CAN控制器協議轉換模塊主要由ARM微處理器和CAN總線收發器組成。其中ARM微控制器作為CPU核心，主要負責數據的接收、發送、故障處理等；CAN總線收發器則提供對總線的差動發送能力和對CAN控制器的差動接收能力。

以太網控制器協議轉換模塊主要由ARM微處理器、以太網控制器、網絡變壓器組成。RTL8019AS是一種高集成度的全雙工10Mbps以太網控制芯片，實現了基于Ethernet協議的MAC層的全部功能，內置16KB的SRAM、雙DMA通 道 和FIFO完 成 數 據 包的接收和發送；網絡變壓器HR90117OA是為了提高網絡通信的抗干擾能力。

4 電氣火災監控主機軟件設計

電氣火災監控主機軟件的設計主要包括CAN總線模塊數據收發程序設計、數據管理程序設計和以太網模塊數據收發程序設計。

4.1 CAN總線模塊數據收發程序設計

CAN總線數據發送流程如圖3所示。

圖3中，信息從CAN控制器發送到CAN總線是由CAN控制器自動完成的。發送程序只需把發送的信息幀送到CAN的發送緩沖區，啟動發送命令即可，需要注意的是，發送中斷不是由于發送完成而產生，而是由于發送緩沖區再次可用而產生的。

CAN總線數據接收流程如圖4所示，信息從CAN總線到CAN接收緩沖區是由CAN控制器自動完成的。接收程序只需從接收緩沖區讀取要接收的信息即可。需要注意的是讀接收緩沖器內容后，CPU必須通過置接收緩存位為高來釋放緩存器，使得另一個報文立即變得有效。

4.2 數據管理程序設計

圖3 CAN數據發送流程圖

圖4 CAN數據接收流程圖

數據管理程序設計流程如圖5所示，當系統上電后，首先對微控制器進行初始化，然后采集從CAN總線和以太網傳送過來的數據。如果有數據從CAN總線接口過來，將接收到的CAN數據存入到另一個數據區，除去地址和個數信息，將其余數據按照TCP/IP協議進行封裝。如果數據從以太網接口過來，則對從以太網中接收到的數據進行分層，取出真實的數據。各監測點的實時數據通過LCD觸摸屏顯示出來，當有監測點報警時，監控主機自動保存該監測點的報警信息，同時通過聲光報警提醒現場工作人員，工作人員可以通過觸摸屏查詢歷史報警記錄。

圖5 數據管理軟件設計流程圖

4.3 以太網模塊程序設計

以太網模塊數據發送程序設計流程如圖6所示。

圖6中，當有數據要從監控主機發往以太網時，將要發送的數據從RAM取出進行封裝并裝入RTL8019AS的發送緩沖區，然后通過配置ARM微處理器的寄存器，將發送緩沖區的數據發往以太網。

以太網數據接收程序設計流程如圖7所示。當監控主機要從以太網接收數據時，如果采用中斷方式，則RTL8019AS將自動通知ARM微處理器，然后可采用包發送將緩沖環中的數據取出，并對數據進行分層，得到真正可用的數據。

圖6 以太網數據發送流程圖

圖7 以太網數據接收流程圖

5 結語

該系統符合國標GB14287.1(電氣火災監控設備)的設計要求，是對傳統的獨立式電氣火災監控系統的一個大的改進。但在多個監控主機與上位機通訊的遠程監控系統中,如何實現對各個監控主機的高效管理與調度,以及如何將電氣火災報警信息與其他火災的報警信息相融合,配合相關部門及時準確地消除火災隱患,還有待我們做進一步的研究。

[1]費杰，朱琦. 基于CAN總線的電氣火災設計[J]. 現場總線與網絡技術，2007（2）.

[2]丁永忠，彭萬權. 基于嵌入式的智能火災監控系統設計[J].武漢理工大學學報，2008（4）.

[3] 中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局, 中國國家標準化管理委員會.GB14287.1-2005電氣火災監控系統第一部分：電氣火災監控設備[S] 北京：中國標準出版社，2005.