基于分布式網(wǎng)絡(luò)的火災環(huán)境數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)研究

邱 健，孫晶華

（哈爾濱工程大學 理學院，黑龍江 哈爾濱 150001）

基于分布式網(wǎng)絡(luò)的火災環(huán)境數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)研究

邱 健，孫晶華

（哈爾濱工程大學 理學院，黑龍江 哈爾濱 150001）

提出了一種基于分布式網(wǎng)絡(luò)的火災環(huán)境數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計方案，介紹了數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的功能、硬件結(jié)構(gòu)及軟件設(shè)計方案。給出了系統(tǒng)的電路設(shè)計、關(guān)鍵模塊邏輯圖以及軟件流程圖。

分布式網(wǎng)絡(luò)；火災環(huán)境；數(shù)據(jù)采集；硬件結(jié)構(gòu)

在火災監(jiān)控檢測中，數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)傳輸是整個監(jiān)測系統(tǒng)的重要環(huán)節(jié)。為避免造成重大經(jīng)濟損失，應該對火災環(huán)境進行實時監(jiān)測和智能化評估，通過CAN總線及以太網(wǎng)相結(jié)合的方式，進行火災探測器探測數(shù)據(jù)的實時傳輸與分析，及早發(fā)現(xiàn)火災情況，以便將損失降到最低。

本文在CAN總線及以太網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)幕A(chǔ)上，采用紫外、紅外及煙霧測量傳感器，設(shè)計了火災環(huán)境的數(shù)據(jù)采集及監(jiān)控系統(tǒng)。本系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)采集模塊、控制模塊和數(shù)據(jù)通信模塊，傳感器采集數(shù)據(jù)通過CAN總線傳輸?shù)街骺刂瓢?，主控制板把接收到的?shù)據(jù)通過以太網(wǎng)發(fā)送到現(xiàn)場控制設(shè)備及遠程終端設(shè)備，可以實現(xiàn)現(xiàn)場或遠程監(jiān)控火災環(huán)境。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡介

CAN（Controller Area Network）是ISO國際標準化的串行通信協(xié)議，屬于現(xiàn)場總線的范疇，它是一種有效支持分布式控制或?qū)崟r控制的串行通信網(wǎng)絡(luò)。CAN總線構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點之間的數(shù)據(jù)通信實時性強，并且容易構(gòu)成冗余結(jié)構(gòu)，提高系統(tǒng)的可靠性和系統(tǒng)的靈活性[1]。

本系統(tǒng)包括現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)傳輸系統(tǒng)以及遠端控制系統(tǒng)。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)主要包括數(shù)據(jù)采集和控制兩部分。數(shù)據(jù)采集主要用于采集火災環(huán)境的紅外線、紫外線及煙霧濃度等參數(shù)；控制部分主要實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸以及控制功能。

本系統(tǒng)包含現(xiàn)場設(shè)備和遠程設(shè)備兩部分?，F(xiàn)場設(shè)備數(shù)據(jù)傳輸主要依靠CAN總線完成，接收CAN總線上的數(shù)據(jù)，進行現(xiàn)場處理及控制；遠程設(shè)備數(shù)據(jù)傳輸主要由以太網(wǎng)傳輸為主，通過Internet網(wǎng)絡(luò)登錄相應的客戶端插座軟件，實現(xiàn)對CAN節(jié)點傳送來的數(shù)據(jù)做相應處理，以實現(xiàn)對現(xiàn)場設(shè)備的控制。

2 電路設(shè)計

整個系統(tǒng)的電路部分設(shè)計主要分為傳感器、由微控制器組成的現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集控制部分及遠程數(shù)據(jù)傳輸部分。其中現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集控制部分及數(shù)據(jù)傳輸部分是關(guān)鍵，下面將重點介紹。

2.1 數(shù)據(jù)采集

由于CAN總線的數(shù)據(jù)通信具有突出的可靠性、實時性和靈活性等特點，本系統(tǒng)設(shè)計了4個節(jié)點，分別是煙霧測量節(jié)點、溫度測量節(jié)點、紫外測量節(jié)點及紅外測量節(jié)點。為使各個節(jié)點的不同類型、不同格式的數(shù)據(jù)在CAN總線協(xié)議下通信，每個節(jié)點都有相應的CAN總線接口電路。數(shù)據(jù)采集部分電路如圖2所示。

數(shù)據(jù)采集部分電路采用美國微芯公司的dsPCI30F6013微控制器為主控芯片，整個硬件電路部分由5部分組成：

（1）多路模擬輸入電路：本系統(tǒng)采用CD4051作為數(shù)據(jù)采集通道切換，CD4051是單8通道數(shù)字控制模擬電子開關(guān)，8路輸入輸出信號既可以是模擬信號，也可以是數(shù)字信號，有3個二進制控制輸入端 A、B、C，具有低導通阻抗和很低的截止漏電流。由于本系統(tǒng)采用的模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片是單通道的，故采用模擬開關(guān)芯片CD4051可以解決多路采集的問題，并且有效降低了成本。主控芯片的PA.0～PA.2引腳與 CD4051的 A～B引腳相連，并通過控制CD4051的控制端口，可以使OUT輸出端口輸出相應的信號供A/D采集。

（2）模數(shù)轉(zhuǎn)換電路：使用TI公司的ADS1110芯片，它是精密的連續(xù)自校準模/數(shù)（A/D）轉(zhuǎn)換器，帶有差分輸入和高達16 bit的分辨率，并且使用可兼容的I2C串行接口，在2.7 V～5.5 V的單電源下工作。本系統(tǒng)中，ADS1110有一個完全差分輸入端，通過該端可容易地測量出單端信號。ADS1110通過將其輸入引腳（通常是VIN-）接地，并加輸入信號到VIN+來進行單端配置。單端信號的范圍是 0～2.048 V，ADS1110在其輸入范圍內(nèi)不會錯過任何線性。主控制器的SCL、SDA引腳與ADS1110相連，采用I2C協(xié)議相互通信，通過發(fā)送不同的命令，來控制ADS1110的工作方式、數(shù)據(jù)速率和可編程增益放大器（PGA）的設(shè)置。

（3）RS-232串口通信電路：該電路主要完成主控節(jié)點和現(xiàn)場控制PC的通信，主控制器通過串口通信引腳TXD、RXD與MAX232芯片的相應管腳相連。主控制器將從現(xiàn)場采集到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成RS-232協(xié)議格式，通過MAX232芯片發(fā)送到現(xiàn)場PC上以供分析測量，現(xiàn)場PC也可以發(fā)送相應命令到主控制器，從而實現(xiàn)現(xiàn)場控制測量。

（4）CAN總線接口電路：由于主控制器帶有片上CAN控制器，故接口芯片采用美國微芯公司的MCP2551。本系統(tǒng)中，主控制器的C_RX、C_TX引腳與MCP2551相應管腳相連，把CAN控制器生成的數(shù)字信號由MCP2551轉(zhuǎn)化成為適合CAN總線傳輸（差分輸出）的信號。MCP2551采用差分總線，具有很強的抗噪特性，支持1 Mb/s的運行速率，可連接節(jié)點高達112個。

（5）以太網(wǎng)通信接口電路：本系統(tǒng)的以太網(wǎng)接口采用W5300網(wǎng)絡(luò)接口芯片，具有固件的TCP/IP協(xié)議，高速網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸速度可達到50 Mb/ps。主控制器的數(shù)據(jù)引腳、地址引腳、讀寫引腳以及中斷引腳與W5300芯片相應管腳相連，通過8位數(shù)據(jù)寬度與W5300通信，實時傳送各傳感器數(shù)據(jù)到遠端控制平臺，實現(xiàn)遠程火災環(huán)境數(shù)據(jù)采集。

2.2 數(shù)據(jù)傳輸

數(shù)據(jù)處理主要分為現(xiàn)場預處理和遠端處理兩部分：

現(xiàn)場處理由主控制器軟件濾波簡單處理和現(xiàn)場PC做實時分析及存盤等。傳感器采集數(shù)據(jù)，主控制器通過各CAN節(jié)點接收到的傳感器數(shù)據(jù)，經(jīng)過軟件濾波及分析，做出相應的動作。現(xiàn)場PC通過RS232串口接收到主控制器采集的數(shù)據(jù)，結(jié)合上位機軟件，實時畫出相應曲線圖，供工作人員做現(xiàn)場分析與處理，并有存盤、打印等功能。上位機軟件采用虛擬儀器LabVIEW軟件編程，界面友好，可以較好地實現(xiàn)數(shù)據(jù)分析與采集工作。現(xiàn)場主控制器與網(wǎng)絡(luò)相連接，數(shù)據(jù)經(jīng)過打包實時發(fā)送到專用服務器上，以供遠端PC使用。

遠端處理部分主要由遠端控制PC和服務器構(gòu)成，服務器采用穩(wěn)定可靠的專用服務器，遠端控制PC實時從服務器讀取數(shù)據(jù)。遠端控制PC主要結(jié)合上位機軟件讀取服務器數(shù)據(jù)，上位機軟件采用基于socket編程的VC++軟件，實現(xiàn)對采集數(shù)據(jù)的分析、存盤及打印等。

2.3 數(shù)據(jù)分析與處理

數(shù)據(jù)分析與處理部分主要實現(xiàn)數(shù)據(jù)分析、處理及控制器做出相應動作等功能。由客戶端PC機和上位機軟件通過網(wǎng)絡(luò)接收數(shù)據(jù)，進行數(shù)據(jù)分析與處理。

3 軟件設(shè)計

系統(tǒng)的軟件設(shè)計主要分為數(shù)據(jù)采集與傳輸設(shè)計處理與控制兩個部分。

3.1 數(shù)據(jù)采集與傳輸

數(shù)據(jù)采集與傳輸部分的程序流程如圖3所示。

首先主控芯片初始化，然后對整個系統(tǒng)初始化，以確保各個傳感器及各通信鏈路正常工作。主控制器對CAN總線的各個節(jié)點初始化，主要是對各個節(jié)點的傳感器做初始化測試，檢測傳感器是否正常工作。CAN節(jié)點的初始化也包括主控制器對內(nèi)部CAN控制器的初始化，主控制器進入配置模式對CAN控制器的發(fā)送和接收郵箱進行配置，設(shè)置通信數(shù)據(jù)長度、設(shè)置接收發(fā)送濾波器標識符以及波特率設(shè)置，以保證CAN總線正常通信。

本系統(tǒng)采用W5300作為以太網(wǎng)傳輸芯片，對W5300的初始化主要包括對網(wǎng)關(guān)、子網(wǎng)掩碼、IP地址、MAC地址的設(shè)置。配置完成后，系統(tǒng)工作時檢測或傳輸?shù)男盘柡蛿?shù)據(jù)可以通過主控制器的外設(shè)接口直接輸入，并根據(jù)實際需要，由主控制對數(shù)據(jù)進行預處理，然后傳輸至W5300芯片，完成網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的處理，再通過自帶變壓器的RJ45網(wǎng)口傳輸至PC機。同理，由PC機發(fā)出的控制指令或傳出的數(shù)據(jù)，也可反方向地傳輸至主控制器的信號和數(shù)據(jù)輸出端，實現(xiàn)主控制器的網(wǎng)絡(luò)化數(shù)據(jù)采集與傳輸，并可根據(jù)實際情況做出相應的控制。

3.2 數(shù)據(jù)處理與控制

數(shù)據(jù)處理主要分為上位機和下位機兩個部分：

上位機主要由現(xiàn)場PC和遠端PC的客戶端軟件構(gòu)成，包括數(shù)據(jù)采集、實時控制、現(xiàn)場情況實時通報、數(shù)據(jù)存盤及數(shù)據(jù)打印等功能?？蛻舳塑浖饕捎肰C++和數(shù)據(jù)庫結(jié)合的編程方法，對各種數(shù)據(jù)源進行操作和訪問。

下位機主要包括主控制器采集整個系統(tǒng)的傳感器數(shù)據(jù)，并根據(jù)協(xié)議傳輸?shù)竭h端和現(xiàn)場PC上，在數(shù)據(jù)傳輸之前作一定的分析與處理，根據(jù)實際情況做出相應的動作，確保整個系統(tǒng)穩(wěn)定、實時地運行。

本文介紹了基于分布式網(wǎng)絡(luò)的火災環(huán)境數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用了CAN總線技術(shù)及以太網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆椒?，具有成本低、功能強、可靠性高等特點。系統(tǒng)實現(xiàn)了火災環(huán)境的現(xiàn)場及遠程監(jiān)控，大大提高了火災環(huán)境測量的實時性、準確性及便捷性。

[1]王毅峰，李令奇.基于CAN總線的分布式數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)[J].工業(yè)控制計算機，2000（5）：34-35.

[2]鄔寬明.CAN總線原理和應用系統(tǒng)設(shè)計[M].北京：北京航空航天大學出版社，1996.

[3]杜尚豐.CAN總線測控技術(shù)及其應用[M].北京：電子工業(yè)出版社，2007.

[4]郝世宇.基于CAN總線煤礦井下分站通信的設(shè)計[J].科技情報開發(fā)與經(jīng)濟，2007，17（21）：196-197.

[5]Microchip.dsPIC30F6015 data sheet[Z].2007.

The research of fire environment data acquisition system based on distributed net

Qiu Jian，Sun Jinghua

（College of Science，Harbin Engineering University，Harbin 150001，China）

A design of a data collection system which based on the distributed net is introduced.It refers to the system，hardware structure and software design.The paper describes the scheme of the data acquisition system based on MCU，flowchart，as well as the realization of steps key module are presented.

distributed net；fire environment；data acquisition；hardware structure

TP274+.2

A

1674-7720（2011）03-0049-03

2010-10-15）

邱健，男，1985年生，碩士研究生，主要研究方向：光電檢測和信號處理工作。