总线式烟温复合火灾探测器

2010-10-25刘士兴

合肥工业大学学报（自然科学版） 2010年7期

刘轩, 刘士兴

(合肥工业大学电子科学与应用物理学院,安徽合肥 230009)

0 引言

随着城市化程度的提高和生活环境的不断密集和复杂,火灾对人类构成的危害愈加严重。为了更好地保护人民的生命财产安全,人们需要更大规模的、更高可靠性和实时性的火灾报警系统。一般来说火灾报警系统分为火灾探测器和火灾报警控制器2个部分。火灾探测器安装在需要监控的现场,而报警控制器安装在控制室或值班室等人们可以监控的场所,探测器和控制器构成了一个远距离信号采集、监控网络。早期的系统多采用集中控制方式,探测器只是一个纯粹的传感器,它随时将采集到的信号传递给控制器,由控制器对这些信号进行处理、判断得出结果。虽然集中式控制方式具有成本低、信号处理算法简单等优点,但是当系统规模过大时,会产生控制器负担过大、响应速度慢、系统可靠性降低等不利因素。为了克服这些缺点,逐渐采用分布式控制方式代替集中式控制方式[1]。与集中控制不同,分布式控制采用多个控制器,数据和算法分布在各控制器中,采用适当的通信方式连接在一起。和集中式控制相比,分布式控制具有软硬件配置灵活、实现分布式算法、节点数多等优点。从目前的发展方向来看,分布式属于智能化、全分散、全数字和全开放的新型火灾监控系统,代表了火灾探测系统的发展方向,将会得到越来越广泛的应用。

本文把分布式控制的思想应用到火灾报警控制系统的设计中,采用一台PC机作为整个系统的上位机,通过CAN总线与各个区域的火灾报警节点通讯,组成了分布式智能火灾监控系统。该系统可以实时检测各个节点的火灾信息,利用PC机的强大运算功能处理火灾信息,实现实时报警和控制功能。

1 CAN总线技术简介

CAN全名为控制器局域网,是有效地支持分布式控制和实时控制的串行通信总线。CAN总线由于采用了许多新技术及独特的设计,与一般通信总线相比,它的数据通信具有突出的可靠性、实时性和灵活性。目前CAN总线已经形成国际标准并被公认为最有前途的现场总线之一。本文选用CAN总线来实现火灾报警系统的分布式控制,CAN总线具有以下特点[2]:

(1)CAN协议的最大特点是废除了传统的站地址编码,而采用对通信数据进行编码,CAN节点只需通过对报文的标示符滤波即可实现点对点、一点对多点及全局广播等几种方式传送接收数据,利用该特点很容易实现分布式控制系统。

(2)选用 Philips芯片SJA1000和PCA82C250作为CAN控制器和收发器,可在同一网络中允许挂接110个节点。

(3)根据报文标识符区分节点优先级,标识符越小则优先级越高,对那些需要优先响应的设备设置高优先级,可以满足不同的实时要求。CAN采用非破坏总线仲裁技术,当多个节点向总线发送的信息出现冲突时,优先级较低的节点会主动退出发送,而最高级的节点可不受影响,节省了总线冲突仲裁时间。

(4)CAN为多主方式工作,网络上任一节点均可在任意时刻主动地向网络上其它节点发送信息,而不分主从。

(5)报文采用短帧结构,减少了传输时间和受干扰概率,保证了数据的有效性。每帧信息都有CRC校验,保证了数据极低的出错率。

(6)传输介质选用双绞线,最大通信速率可达1 Mb/s(传输距离40 m以内),其最大传输距离可达10 km(对应通信速率为5 kb/s以下)。

(7)CAN总线具有较高的性价比。它结构简单,每个节点的硬件配置较低,而且开发技术容易掌握。

从以上CAN总线特点,可以看出CAN总线有效地实现了分布式控制,在总线的实时性和有效性,以及传输的距离和速率上,CAN都能满足火灾报警的控制要求。

2 总线式智能火灾报警系统设计

总线式智能火灾报警系统如图1所示,在此系统中火灾报警系统主要由智能节点、CAN智能适配卡、PC上位机组成[3]。

图1 智能火灾报警系统

系统各个功能作用如下:

(1)智能节点。智能节点由单片机、烟雾和温度传感器、CAN控制器、CAN收发器以及联动装置等组成,主要负责烟雾和温度数据的采集、CAN总线接口的数据传输、接收上位机的控制请求以及驱动联动装置。

(2)CAN智能适配卡。由单片机、CAN控制器、CAN收发器及 RS-232串口等组成,完成CAN协议和串口协议之间的转换,把从CAN总线传输到适配卡的火灾信息通过RS-232串口传递到上位机,同时接收上位机发来的控制命令,传递到CAN总线上。

(3)上位机是一台PC机,接收来自智能适配卡的烟雾和温度数据,经过分析处理给出界面化报警信息,同时对火灾数据进行记录,并且发送控制命令,实现灭火功能。

2.1 烟雾探测原理

在火灾发生初期的阴燃阶段时,会产生大量的烟雾颗粒和有害气体,烟雾颗粒一般在几十纳米到几十微米之间,这些微粒会对照射光束产生散射,使光的传播方向发生改变而向四周散射。

光电感烟探测器的散射原理如下:光源的光轴和光电接收器成特定的角度,在没有烟雾颗粒的情况下,光电接收器不能接收到光源发出的光,当有颗粒时光源发出的光线被烟雾颗粒散射,接受器件会接收到散射光,随着烟雾浓度的增加,光电接收器接收到的光通量越大。通过探测光电接收器输出端信号的强弱,即可探测烟雾浓度。

2.2 烟雾信号探测模块

根据烟雾探测原理,选用红外线发光二极管作为光源,光电接收器采用光敏二极管。元件安装在一个光学迷宫中,以120°角组成散射光型光电感烟电路,红外发射管在脉冲信号的控制下产生红外光。正常情况时,红外发射管发出的光线被光学迷宫吸收,红外接收管无法收到红外光,产生的电流极小;烟雾进入后,烟雾粒子向前散射红外光,接收管就会产生较大的光电流。

光电流通过接收电路转变为微弱的电信号,该信号经过前级放大调整后,由后级放大电路输出至单片机的A/D引脚进行转换,作为烟雾浓度的数据。电路原理框图如图2所示。

图2 烟雾信号探测模块

2.3 温度信号探测

由于在明火时烟雾较少,且有些材料燃烧时产生黑烟,而烟雾探测模块对黑烟不太敏感。为了提高报警的可靠性,在烟雾探测的基础上增加了温度探测模块,选用了美国Dallas半导体公司的数字化温度传感器DS18B20。该芯片是世界上第一片支持单线总线接口的温度传感器,仅需1个I/O口即可实现温度的探测,节省单片机的I/O口。另外,由于该芯片采用数字输出,省去了传感器信号放大、模数转换等过程,其测量范围在-55～125℃,精度为0.5℃,温度分辨率从9位到12位[4]。

在火灾测量系统中,一般监控现场的环境会非常恶劣,各种干扰信号较强,而DS18B20是具有较强抗干扰能力的新型数字温度传感器,非常适合火灾报警中采用。

2.4 智能节点CAN总线接口

智能节点的CAN接口硬件选用PHLIPS公司的SJA1000和82C250来实现,SJA1000是CAN控制器,82C250为CAN收发器,图3所示反映了SJA1000、82C250、单片机之间的连接原理。

图3中SJA1000类似于单片机的外部RAM的连接方法,由于SJA1000的数据线和地址线是共用的,需把AD0-AD7脚与单片机的地址/数据端P0口相连;为了区分某一时刻,AD线上传输的是地址还是数据,需把SJA1000的ALE与单片机的地址锁存引脚相连;SJA1000的片选信号CS可与单片机任意管脚相连,这里连接P2ˆ0脚;RD、WR、INT应分别与单片机对应的引脚相连。

在82C250的CANH、CANL端与地之间并联了2个30 pF的小电容,用来滤除总线上的高频干扰,防止电磁辐射;CANH、CANL端与CAN总线之间还各串联了1个5 Ω的电阻,以限制电流,保护82C250免受过流冲击;另外在CAN总线接入端与地之间分别反接了1个保护二极管,当CAN总线有较高负压时,通过二极管可以起到一定的过压保护作用。

图3 智能节点CAN总线接口

2.5 CAN智能适配卡

这部分电路主要完成的功能是从CAN总线上收集火灾数据信息,通过协议转换将收到的数据传输到上位PC机中。和智能节点相比,CAN智能适配卡增加了RS232串口单元而去掉了不需要的传感器部分[5]。主要电路框图如图4所示。

图4 CAN智能适配卡结构图

3 软件设计

软件设计是指在单片机的控制下,烟雾和温度模块将采集到的数据发送到总线上,智能适配卡采集CAN总线上的数据并把数据传输到上位机中,由上位机对数据进行处理,判断火灾是否发生;另一方面,上位机通过CAN适配卡给各个节点传输控制命令。

该总线系统设计采用CAN2.0B协议,帧格式选用扩展帧,此模式中有29位标识码和8位数据字节。通过设置验收滤波器及合理组织帧标识符可以实现点对点、一点对多点和广播通信,此外还可以根据现场需要实现不同节点的优先级设置[6]。

3.1 智能节点软件设计

系统上电后,单片机需要先对自身和SJA1000进行初始化,以确定工作方式、波特率、输出特性等,之后单片机采用查询方式获知烟雾和温度传感器传来的信息,并把该值通过SJA1000传送到CAN总线上;对于接收CAN总线上传来的信息则采用中断的方式,系统每接收到一帧信息,便产生一次外部中断,单片机响应该中断,在中断服务程序中读取该帧信息。

在智能节点软件中最主要的过程是SJA1000的初始化、发送数据、接收数据[7,8]。其流程图如图5所示。

图5 CAN初始化、接收、发送函数流程图

3.2 CAN智能适配卡软件设计

CAN适配卡负责与CAN总线交换数据并实现CAN协议和RS232之间的协议转换。此软件模块可以分为CAN总线通信和RS232串口通信2部分。在CAN总线通信中,单片机对接收的有效CAN报文进行解析,提取出标识码信息和字节内容,通过增加数据头、数据尾,校验和转换为RS232通信格式,完成数据传输。

在RS232总线通信中,单片机对接收的串口数据进行处理后提取出数据字节,通过增加帧结构信息、帧类型、字节长度和标识符等生成CAN报文格式,然后由CAN控制器的发送缓冲区发送出去。流程图如图6所示。

图6 CAN总线协议和 RS232协议转换示意图

3.3 上位机软件

上位机软件采用Labview图形化编程软件,完成数据接收、火灾数据处理、实时显示及数据存储等功能。本文采用Labview 8.6设计上位机后台软件,该软件通过串口与智能适配卡进行通讯,从中获取各个探测器节点的烟雾、温度信息和标识码信息。上位机将采集到的烟雾和温度信息进行融合处理来判断火灾的发生,当有火灾发生时,上位机将发出报警控制命令;同时根据各个节点的标识码信息绘制出通信路径,以方便试验观察。

Labview是多线程语言,各个线程以并行方式运行,设计主要由下面3个线程组成:线程1实现串口的数据采集和数据分析功能,先对串口初始化,设置串口的波特率、数据位、停止位,然后根据定义的数据格式读取数据,拆分出节点地址、烟雾和温度信息,同时实时地保存每个节点的数据;线程2根据各个节点的标识码信息模拟火灾现场节点的分布状况和各节点的数据传输路径;线程3实现火灾算法以及报警功能。

把采集到的烟雾和温度数据转化为实际的温度和烟雾浓度值,并提取相关数字量用来判断是否有火灾发生。

火灾判断根据以下4个量:烟雾值S、温度值T、烟雾上升量Δ S和温度上升量ΔT。当烟雾或者温度值达到阈值时,进行火灾预警,接着关注Δ S或ΔT是否达到阈值,如果是则判断火灾发生,上位机发出报警,否则返回预警状态。火灾判断流程如图7所示。

图7 火灾判断流程图

4 抗干扰设计

CAN总线所具有的CRC校验,使得 CAN总线在传输数据时有很低的出错率,尽管如此,仍然不能保证数据的正确性和可靠性。如何提高报警系统的抗干扰能力,也是监控系统所必须考虑的环节。为了使得火灾报警系统采集到的数据更加正确和可靠,采取软硬件相结合的方式来防止环境对系统的干扰:

(1)硬件措施。CAN总线采用双绞线来抑制电磁干扰;PCB设计时把数字地和模拟地分开,最后在一点上相连;电源和芯片上均配置滤波电容以消除高频噪声的干扰;在CAN总线和数据采集通道之间设置光耦合器件以隔离干扰。

(2)软件措施。报警数据采用数字滤波技术来降低噪声信号对数据的干扰,即采用连续采集多次A/D信号(烟雾信号),去除最大和最小值,求其算术平均值的方法。

5 实验及总结

为了验证该系统对火灾监测和通信的可靠性,对CAN总线节点以及上位机进行了测试。测试采用CAN2.0B协议,CAN总线设置的传输速率为10 kb/s,包括节点地址、温度数据和烟雾浓度的数据,通过CAN总线传输至计算机串口,计算机读取数据后在后台界面中显示火灾信息,由实验测得数据绘制曲线如图8所示。实验表明该系统能够快速有效地响应烟雾火灾信号,在火灾发生的初期探测出火灾信息并报警。在实验的过程中系统比较稳定,无数据传输错误和丢失情况,具有较好的可靠性。

实验表明,采用了单片机技术、CAN总线技术、烟温复合探测技术的火灾探测系统将有效地实现分布式火灾控制系统,并且在火灾发生的初期就能探测出火灾信息,预测火灾的发生。整个系统结构简单,火灾算法容易实现,安全标准符合要求,在实时性、准确性、安全性等方面较集中式火灾探测器有了较大的提高,代表了目前火灾探测的发展方向。