基于CAN總線的分布式船舶火災自動監控系統

殷文貴

（1. 上海交通大學電氣學院，上海200139；2. 中國人民解放軍4805廠，上海200136）

0 引言

船舶火災作為一種常見隱患，一旦發生，勢必造成系統功能故障，若不及時發現和控制，事故進一步擴大，對設備和人員，都會帶來極大的損失。火災的監控和預防，對保證船舶設備和船員的安全有著重大意義。

CAN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。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。

系統地使用基于 CAN 總線的通信網絡，每個火災現場檢測單元包含一個 CAN節點，發生火情時，監控系統控制器通過現場的探測器、輸入模塊或者手動報警按鈕得知火情，并在第一時間控制報警裝置發出聲光報警，控制現場聯動裝置。同時，將火災信息通過 CAN總線發送到監控中心及遠程聯動單元。一方面，可以通知工作人員發生火情，需采取處理措施；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。

一般監測報警系統都存在系統組成比較復雜、連接電纜較多、末端報警響應慢等缺點[1]。使用 CAN總線的分布式智能化火災監測系統，則避免這些不足。該系統響應及時、易于擴展功能和容量。該報警系統的組成如圖1所示。

2 火災探測單元

船舶內環境空間小、設施復雜。絕大部分火災發生時都伴隨一定的發熱及溫度的升高，可以通過不同的傳感器，同時采集煙霧、溫度數據等火災數據。

圖1 分布式智能火災自動報警系統示意圖

在預期有隱燃，將產生大量的煙，很少有火焰的地方，應設有感煙探測器；在預期火災發展快，有強烈火焰的地方，應選擇火焰探測器；在火災發展迅速，可產生大量熱，煙和火焰輻射設施或場所，可選擇感溫探測器，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。熱敏電阻分阻值隨溫度升高而降低的負溫度系數（NTC，Negative Temperature Coefficient）熱敏電阻和阻值隨溫度升高而升高的正溫度系數(PTC, Positive Temperature Coefficient )熱敏電阻，兩種傳感器檢測電路路類似，以 PTC熱敏電阻為例，其阻-溫曲線如圖2所示，在常溫下，它的電阻很小(通常只有幾十歐姆)，當溫度上升到臨界溫度Tc時，其阻值迅速上升（甚至達1 M?以上），我們使用圖3 所示的電路即可檢測出這種變化。

在檢測電路中，Rp為熱敏電阻，R2=R3，室溫下，RT﹤R0，此時光控二級管處于導通狀態，微控制器檢測到低電平。當發生火情時，高溫使得 RT阻值迅速上升，從而遠大于 R0，因此光控二極管被關斷，此時微控制器檢測到高電平[2]，從而檢測到火災的發生。

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。

圖2 PTC熱敏電阻的阻-溫曲線

圖3 熱感應火災檢測電路

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，其檢測譜帶如圖4所示。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。

火焰探測器使用模塊化的檢測單元，模塊根據火情輸出0或者1，非常方便微控制器識別和處理。

圖4 火焰探測器工作譜帶

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，光電式的監測原理如圖5所示。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。

圖5 光電式煙霧探測器原理

離子型探測器的工作原理是：采用離子室來探測煙霧物理量的一種器件，當環境中無煙霧時即探測器處于值守工作狀態，離子室工作在平衡的離子流的狀態下，因此其基準輸出電平保持相對穩定，而當有煙霧充斥環境時，離子室中的離子流與煙霧的濃度成正比，所以其基準輸出電平的電位也發生了相應的變化，那么離子室就將環境中煙霧濃度的變化轉化成輸出電平的變化[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，同時具有一定的智能，能夠自動報警，這是當今火災自動報警系統的一種發展趨勢[4]。

現場監控單元如圖6所示，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72 MHz，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。

圖6 現場監控單元

CAN總線收發器采用SN65HVD230，它是德州儀器公司生產的3.3 V CAN收發器，該收發器具有差分收發能力，最高速率可達1 Mb/s。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，經過判斷后，控制報警裝置發出報警信號，同時通過控制現場聯動控制接口，執行排煙、噴淋、化學滅火或斷電等聯動動作，及時對火災做出第一響應，將災害降低到最小。

微控制器在處理火災現場的同時，還將火災情況，如溫度，火災類型，火災地點，時間，聯動控制信號等數據，通過 CAN總線及時發送到監控中心，以通知值班人員采取相應的應急措施。

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，網絡連接方式相對較簡單，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]。

圖7 CAN總線的OSI結構圖

物理層定義了信號是如何實現傳輸的，涉及到位定時、位編碼/解碼、同步的解釋。數據鏈層包含介質訪問控制子層 MAC（Medium Access Control）和邏輯鏈路控制子層LLC（Logical Link Control）。其中，MAC 子層是 CAN協議的核心，負責報文分幀、仲裁、應答、錯誤檢測和標定，把接收到的報文提供給 LLC 子層，并接受來自LLC 子層的報文；LLC 子層涉及報文驗收濾波、過載通知和恢復管理。

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。

STM32的軟件開發使用ARM公司推出的嵌入式開發工具MDK（Microcontroller Development Kit），它包含了意法半導體(ST)提供的STM32F10x系列處理器片上外圍接口固件庫(Firmware library)[6]。使用這個函數庫，無需深入處理器的細節即可應用每一個外設，因而開發精力可以集中在應用軟件功能的實現上。

上位機采用Linux操作系統，可以獲得遠高于windows的穩定性。監控軟件使用C++編程，結合數據庫的使用，完成對火災信息的監控、顯示、報警、聯動控制，記錄等功能。

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。

:

[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]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.