公交车发动机舱室内自燃火灾检测预警系统设计*

董红召，张 飞，季行健

（浙江工业大学机械工程学院，浙江杭州310014）

0 引言

随着城市公交车保有量和城市高温天气增多以及公交车电气、电路的复杂化［1］、集成化不断加强，公交车在运行时发生自燃的数量和机率也不断攀升。例如：成都、北京、杭州等地多次发生公交车自燃事件。公交车自燃严重威胁了城市公共交通安全，造成了巨大的经济损失和人员伤亡［2］。为了解决这一难题，研发公交车自燃火灾检测预警系统，及早发现自燃火灾隐患是有效预防公交车自燃火灾、降低乘客生命财产损失的有效途径。

传统的公交车防火避灾措施主要有以下3 种：①配备安全锤，灭火器；②在发动机舱室内安装灭火弹；③检测冷却液温度。目前，该3 种方法在客车上基本上得到了普及，在一定程度上解决了公交车自燃火灾的问题，降低了公交车自燃带来的威胁和损失。但是，它们各自也有很多不足之处：安全锤、灭火器［3］属于被动安全防范设施，在自燃火灾初期不能主动发现危险；通过在发动机舱室内安装灭火弹虽能对初期的火灾信号做出反映，起到阻燃灭火的作用，但是该方式只对高温导致的自燃起作用，不能对低燃点可燃气体和闪点引起的爆燃以及远离灭火弹引爆索的自燃及时做出反应，检测冷却液温度［4］，只能避免发动机高温工作，排除一部分自燃危险。

本研究在以上3种公交车防火避灾的基础上结合现有的公交车自燃火灾技术和CAN 总线信息通讯技术，设计基于CAN总线通讯的两级公交车车载自燃检测预警系统，以弥补传统方式的不足，提升防火避灾措施的时效性。

1 基于车载传感网络的检测预警系统

该自燃火灾检测预警系统主要应用于公交车发动机舱室内及车上主要电路故障引发的公交车自燃火灾危险检测和预警。该系统采用基于事件触发通信模式的主从式CAN总线通讯结构［5］。首先，从节点负责接收传感器采集的信号并对其进行一级阈值比较运算。然后，从节点把采集到的数据和运算结果以CAN 总线的协议格式实时地上传给车载自燃火灾诊断传感网络的主节点。主节点对所有数据进行二级融合计算，并把传感数据和两级运算的结果通过CAN/无线两种方式传输给上位机。

2 系统硬件设计

2.1 传感器的选择及检测区域

获取公交车运行车况实时信息是研究公交车自燃火灾判别模型的基础工作。根据公交车运行机理，本研究把公交车正常运行的工作系统分为4类：冷却液循环系统、供油系统、进气系统、排气系统，结合公交车自燃火灾的历史事故数据确定了传感器的类型和安装位置，具体说明如表1所示。

表1中的传感器均集成了电路调理模块和数字处理模块，可直接与CAN总线从节点I/O口连接。

表1 传感器的选择和安装位置说明

2.2 从节点硬件设计

CAN总线作为一种可靠的汽车计算器网络总线，在汽车上得到了广泛的应用，从而使得汽车计算机控制单元能够通过CAN总线共享所有的信息资源［6］。从节点主要负责接收传感器采集的信息，并以CAN总线协议格式发送到主节点，其结构框图如图1所示。

图1 从节点结构框图

CAN 总线从节点是智能节点［7］，本研究采用STC89C52RC 作为微控制器，SJA1000 和82C250 分别作为CAN通讯的控制器和驱动器，其芯片管脚连线图如图2所示。

图2 中，SJA1000 的AD0-AD7 接口与微控制器的P00-P07 相连，SJA1000 作为微控制器片外存储器映射的I/O口控制器。因此，微控制器可以把SJA1000作为扩展片外寄存器访问，并把其寄存器中的数据转化成CAN 总线协议传给82C250。SJA1000 的9 管脚（INT1）输出的信号作为微控制器外部中断0 的中断源，促使微控制器通过中断的方式响应CAN 通讯事件。SJA1000 的TX0 脚和RX0 脚分别与82C250 的TXD脚和RXD脚相连，实现数据在SJA1000与物理总线之间的交互。

2.3 主节点硬件设计

主节点是该系统的核心处理器［8-9］，主要负责接收从节点发送的数据，并对其进行二级运算，同时还具有把运算的结果通过NRF24L01或CAN实时传送给路边基或上位机等功能，其结构框图如图3所示。

图2 CAN节点芯片管脚连接图

图3 主节点结构框图

因此，主节点在从节点设计的基础上增加了NPF24L01 无线射频模块［10］和LCD1602 液晶显示模块。其无线模块与STC89C52RC 的接线原理图如图4所示。

3 系统软件设计

系统的软件设计主要包括：CAN总线主从节点的通信程序，从节点的信息采集、自燃火灾判别、数据转发程序，主节点的自燃判别计算、预警显示和无线通讯程序。其主、从节点程序流程图如图5所示。

在主、从节点的CAN协议通讯中，SJA1000集成了CAN 通信的物理层和数据链路层协议［11］，其中SJA1000 的工作模式均采用PeliCAN 模式。因此，程序在初始化中对SJA1000 的时钟分频寄存器、中断使能寄存器、验收代码寄存器、接收屏蔽寄存器、总线定时器、输出控制寄存器等进行配置。

系统的一级自燃火灾判别主要选择了阶跃性火灾信号进行识别计算（如烟雾、火焰、温度、电流大小等）。本研究分别对每个传感器信号的阈值进行设定，一旦传感器检测到的信号超出了阈值，系统就会发出警告。

图4 NPF24L01模块设计原理图

该系统的主节点周期地接收到从节点发来的数据，根据从节点ID 号判别节点是否故障，同时对从节点的判别结果进行识别和对其上传的数据进行二级融合计算，判断是否有火灾发生。主节点的二级自燃判别是指把舱室温度、氧气浓度、烟雾浓度、通风条件、CO2浓度、NO浓度、HCL浓度作为舱室系统的稳定性判别的输入变量。最终，系统通过主节点的无线功能模块把公交车发动机舱室内一个周期的工作状态参数发送给路边基，再由路边基传给上位机。

图5 主从节点程序流程图

4 实验调试

为了使传感器采集的数据实时存储和模拟公交车运行时与控制中心实时信息交互，实验中搭建了基于阈值比较法和尖点突变模型法的两级车载式公交车发动机舱室自燃火灾判别系统和无线信息传输系统，实现了从节点对传感数据作阈值判别处理并将信息发送到主节点的功能，同时也实现了主节点对数据的二级融合处理、危险等级显示和采用CAN/NRF24L01通信方式上传数据的功能。

系统物理实验平台如图6所示。

图6 系统实现的物理平台

图6 中所示的整个系统分为3 个模块：其中①、②、③共同组成了基于CAN总线通讯的车载式自燃火灾判别模块，从节点①、②负责采集传感器信息并对其一级判别处理，主节点③负责接收从节点发送的信息，并对信息进行二级判别处理。路边基④负责接收主节点信息和上传信息至上位机。网桥模块⑤负责将路边基发送的CAN 格式信息转化成USB 协议实现与上位机通讯。

调试系统将CAN 通讯部分的两个从节点地址标识符分别设定为0x01 和0x02。主节点地址标识符设定为0x00，验收屏蔽位AMR全部赋值0xFF，接收所有节点信息。数据类型采用数据帧类型扩展帧格式，每帧13 个字节。其中，首字节是帧信息，定义了帧类型和格式及数据长度；1～4字节是标识符；5～13字节是数据区，其中数据区从高到低分别是温度，CO2浓度占用两个字节，烟雾浓度，HCL浓度，NO浓度，O2百分比含量，火焰及从节点判别结果标识位。主节点与路边基的无线通讯地址TX_ADDRESS和RX_ADDRESS宽度设定义为5 个字节。数据长度与CAN 总线通讯字节数匹配均为13 个字节。另外，NRF24L01 有6 个收发频道，每个路边基可以同时接收6 个主节点的信息。该试验采用RX_ADDR_P0频道，并采用自应答模式。

该实验实现了系统的通讯，上位机接收数据截图如图7所示。

图7 上位机系统接收的数据截图

本研究在系统调试中还分别对各参量进行阈值设定和二级融合计算，把自燃火灾判别的安全状态等级分为3个等级：*Normal表示没有任何参量达到或者越过阈值；*Abnormal 表示有一个或者多个参量超过设定阈值，但是二级判别计算为无火灾状态；*Danger⁃ous表示一级和二级都判定舱室有自燃火灾发生。

系统火灾判别结果预警状态显示如图8所示。

图8 系统火灾判别结果预警状态显示

在实验室的实验测试过程中，系统运行稳定，各节点的软硬件设计均达到了要求，采集的数据可靠。其中，主节点与路边基之间的无线通讯距离可达到50 m，基本满足设计要求，并可通过外置天线再提高通讯距离至100 m以上。

5 结束语

针对公交车发动机舱室内自燃火灾的预警存在的问题，本研究提出了基于CAN总线通讯的公交车发动机舱室内自燃火灾两级检测预警系统方案，并在火灾检测判别方法的基础上建立了系统实验平台。

该预警系统调试实验结果验证了基于CAN 总线的主、从节点通讯、主节点与上位机通讯以及自燃判别系统的准确性和稳定性，为车联网支持下的公交车危险检测预警技术的发展奠定了良好的研究基础。

（References）：

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