基于CAN總線的分布式船舶火災自動監控系統

【摘 要】提出一種基于CAN總線的分布式船舶火災自動監測系統，采用感溫探測器，火焰探測器，感煙霧火警探測器來監測船舶的各類火情，使用STM32 Cortex-M3處理器實現火災的探測、報警、聯動控制和遠程監測，CAN總線和Cortex-M3處理器的使用大大提高了系統的實時性和可靠性。

【關鍵詞】船舶;火災監控;CAN總線;分布式

隨著航運業的快速發展以及各大航運中心建設的大前提下，船舶業朝著大型化、專業化及自動化方向發展，船舶自動化技術產業已成為當今世界主要海洋強國的支柱產業之一。船舶自動化程度越高，使得各控制系統，監控系統，導航系統，各種設備間形成一個有機的整體，各系統的有序運轉對船舶設備、船員的安全都至關重要，而火災作為一種常見隱患，一旦發生，對保證船舶設備和船員的安全有著重大意義。

CAN（Controller Area Network，控制器局域網）總線是一種串行通訊協議，能有效地支持具有很高安全等級的分布實時控制。CAN的應用范圍很廣，其高性能和可靠性已被廣泛認同，并被廣泛地應用于工業自動化、船舶、醫療設備、工業設備等方面。

本文針對船舶常見的火災事故隱患，提出一種基于CAN總線的分布式船舶火災自動監控系統，系統可以遠程監控火情，可以在火災出現時現場發出聲光報警及切斷相關設備的電源、啟動排煙裝置、打開噴淋裝置等相關聯動操作。

1.系統結構

船舶火災自動監控系統由火災探測傳感器、監控系統控制器、現場監控單元、聯動單元、遠程監控單元等組成。

系統的使用基于CAN總線的通信網絡，每個火災現場檢測單元均包含一個CAN節點，發生火情時，監控系統控制器得知火情，并在第一時間控制報警裝置發出聲光報警及現場聯動裝置。一方面，可以通知工作人員發生火情；另一方面，消防聯動控制器控制消防電氣設備啟動滅火設施。

使用CAN總線的分布式智能化火災監測系統，可以避免較一般報警系統監測報警系統都存在系統結構復雜、電纜過多、延伸報警不方便等缺點[1]。

2.火災探測單元

船舶內環境空間小，由于絕大部分火災發生時都伴隨一定的發熱現象，都有一定的溫度升高，因此可以通過不同的傳感器采集煙霧、溫度數據等火災數據。可根據實際情況選擇感溫探測器，感煙探測器，火焰探測器或其組合，以達到最佳的探測效果。

2.1感溫型探測器的使用

感溫型探測器是利用熱敏元件來探測火情的。根據其感熱效果和結構型式可分為定溫式，差溫式及差定溫式三種。

定溫探測器用于檢測溫度是否超過了某個設定值，差溫式探測器用于檢測溫度上升速率是否超過某個規定值，而差定溫式探測器則結合了定溫和差溫兩種作用原理并將兩種探測器結構組合在一起。

感溫探測器常用的感應傳感器有雙金屬片、易熔金屬、熱電偶熱敏半導體熱敏電阻等原件，其中最常用的是熱敏電阻。

感溫探測器工作比較穩定，不易受非火災性煙塵霧氣等干擾，誤報率低，可靠性高。

2.2火焰探測器

火焰探測器有紅外火焰探測器和紫外火焰探測器兩種。它由于響應速度快，探測范圍廣而獲得廣泛應用。紫外光波長較短，比較適宜活潑金屬及金屬氧化物火災的探測。而紅外火焰探測器，由于其探測波長較長，較適合含碳類液體火災的探測。

2.3感煙式探測器

煙霧傳感器就是通過監測煙霧的濃度來實現火災防范的，常見的煙霧探測器有光電式和離子式，探測光源發出的光在無煙霧和有煙霧的情況下分別被兩個光敏元件接收，光敏元件將光信號轉換成電信號后對比判斷即可探測到有無煙霧。

離子型探測器的工作原理是:當有煙霧發生時，離子室的離子流隨煙霧的大小而發生相應的變化，其基準輸出點的電位也隨之發生變化，這樣，離子室就將煙霧的物理量的變化轉化成一個電量的變化[3] ，從而檢測到火警的發生。

3.現場監控單元

3.1現場監控單元硬件

分布式火災報警系統的一個典型特征是現場檢測單元中有微處理器，具有一定的智能，可以自動報警，這是當前火災報警系統的發展趨勢[4]。

控制器使用意法半導體公司的STM32105互聯型Cortex-M3 處理器，CPU時鐘達到72MHz，它擁有2個CAN接口， 2個I2C，5個UART，3個SPI接口，其豐富的通信接口，使之非常適合用于互聯設備的控制器。

CAN總線收發器采用SN65HVD230，它是德州儀器公司生產的3.3V CAN收發器，該收發器具有差分收發能力，適用于較高通訊速率、良好抗干擾能力和高可靠性CAN總線的串行通信。

當發生火災時，微控制器接受到來自感溫探測器、火焰探測器、煙霧探測器或者現場人員的手動報警信息，控制報警裝置發出報警信號，同時通過控制現場聯動，執行排煙、噴淋、化學滅火或斷電等動作，及時對火災做出第一響應，將災害降低到最小。

3.2通信網絡

火災監控系統是基于CAN總線構建的，通信網絡也是依照開放系統互連規范按層次結構設計的。考慮到作為工業測控底層網絡，其信息傳輸量相對較少，信息傳輸的實時性要求較高，網絡連接方式先對較簡單，因此，CAN協議定義了ISO/OSI參考模型的物理層及數據鏈路層[5]。

CAN收發器和CAN控制器完成了物理層和數據鏈路層的功能，而應用層的功能是由CAN總線的實際應用中由用戶決定的。在本系統中，CAN總線上傳輸的火災溫度、火災類型、火災地點、時間、報警控制、聯動操作控制等數據構成了OSI 7層結構中的應用層。

4.軟件設計

各個CAN節點軟件功能包含現場報警信息的采集判斷，現場聯動控制，以及CAN總線協議OSI 7層結構中應用層的實現。

STM32105的CAN總線控制器含有2個3級深度FIFO，CAN報文的接收使用FIFO來處理，即使接收到的數據太多，CPU還未來得及處理，也不會造成CAN報文的丟失。

CAN節點使用ID列表過濾方式來實現數據過濾，列表中設置一個共同的廣播地址和一個CAN節點地址，每個CAN節點只處理廣播數據以和與自己地址匹配的數據，跳過大量與自己無關的數據。

5.小結

系統中使用了感溫探測器，火焰探測器和煙霧火警探測器相結合的探測手段，可以有效監測船舶常見類型的火災，實現對火災的探測。

CAN總線和Cortex-M3處理器的使用，有效地實現了分布式火警監控系統的功能，系統響應的準確性、實時性、可靠性都得到了提高，并具有功能和容量易于擴展的優點，具有很好的應用前景。 [科]

【參考文獻】

［１］王常順，肖海榮，潘為剛. CAN總線的船舶機艙監測報警系統設計[J].自動化與儀表.2010，(10):25-27.

［２］李堯，佘焱.水泵電機綜合保護裝置的設計[J].電工技術.2008，(10):75-77.

［３］郄建華.離子感煙探測器電路分析[J].太原師范學院學報(自然科學版).2008.4(7): 98-101.

［４］馮勇.感煙感溫復合探測器[D].合肥工業大學，2006.

［５］饒運濤，鄒繼軍.現場總線CAN原理與應用[M].北京:北京航空航天大學出版社，2003.6.

［６］李寧.基于MDK的STM32處理器開發應用 [M].北京:北京航空航天大學出版社，2008.1.