智能消防控制系统的设计与研究*

魏立明,　陈晓旭,　孙雪景,　王立光

(吉林建筑大学, 吉林 长春　130118)



智能消防控制系统的设计与研究*

魏立明,陈晓旭,孙雪景,王立光

(吉林建筑大学, 吉林 长春130118)

摘要：基于CAN总线技术对智能消防控制系统进行了研究。在硬件方面,对消防控制系统中的设备进行了选型,采用CAN总线技术将智能消防控制系统的节点进行组网,实现了智能消防控制系统的网络化和智能化。在软件方面,运用智能火灾报警判定综合算法对火灾特征参数数据进行多种修正、补偿和判定,降低了火灾的误报率和漏报率。设计方案可以为相似智能消防系统的应用提供借鉴和参考。

关键词：CAN总线; 智能消防控制系统; 智能火灾报警判定综合算法; 节点; 智能化

0引言

随着我国科学技术的不断进步和社会经济的快速发展,城市化建设进一步加快,高大密集型建筑和具有民族特色的建筑不断涌现,导致智能建筑内的通道变得更长,楼层结构更复杂,公共场所人员突发的事件发生频率逐渐增高。如何在现有消防控制系统的基础上进行改进,通过通信技术、设备硬件和先进的消防理念的发展,不断促进消防控制系统的升级,设计更加完善的消防控制系统是未来消防控制系统的发展方向。

本文基于CAN总线技术对消防控制系统进行了研究,详细阐述了消防控制系统的硬件选型和软件系统设计方面的问题。

1设计方案

智能消防控制系统作为现代智能楼宇的子系统之一,目前广泛应用于工业厂房、居民楼、学校、商场和国防等重要建筑群。智能消防控制系统结构如图 1所示。

图1　智能消防控制系统结构

(1) 内、外因火灾防治系统分别负责内、外因火灾的监测、判定和防治的功能。

(2) 计算机专家系统采用专家库,对火灾信息和灾区状况等进行分析,自动生成危险区域、灾区人员疏散路线、防/灭火方案等信息,并由灭火指挥人员根据现场情况修改、发布。计算机专家系统对火灾信息分析和疏散路线、防灭火方案选取准确程度,将影响整个消防系统的智能水平。

(3) 火灾自动报警系统在接到火警后,将报警信息通过有线或无线通信方式通知危险区域人员和救灾人员,报警内容包含火灾类型、灾害区域、疏散路线等信息。

(4) 消防联动控制系统可更加准确地了解灾区人员分布状况,使疏散路线方案选取以及人员疏散指导更加合理、准确。

针对传统消防控制系统误报率高和消防效率低等问题,本文设计出了智能化程度高、可靠性高和消防效率高的智能消防控制系统。智能消防控制系统的总体设计方案如图2 所示。

图2　智能消防控制系统总体设计方案

在智能消防控制系统的总体设计方案中,消防报警控制器采用STC15F2K60S2单片机,经过 A/D 转换将火灾特征参数模拟量变成数字量;使用CAN总线作为智能消防控制系统的通信总线,将火灾数据传送给PC机;PC机作为火灾实时监控主机,运用编写的智能火灾报警判定综合算法对火灾数据进行分析、处理,并将报警信号传送给消防联动控制器;消防联动控制器同样采用STC15F2K60S2单片机,控制消防联动设备完成消防任务。较低的误报率和漏报率进而提高了火灾报警的准确率,体现了智能消防控制系统的智能性和可靠性。

2智能消防控制系统硬件选型

硬件是智能消防控制系统的基本骨架,硬件系统直接影响智能消防控制系统的实施效果。根据智能消防控制系统硬件系统设计需求,对感温探测器、感烟探测器、复合型探测器、消防报警控制器、CAN总线控制器、智能协议转换器和消防联动控制器等主要设备进行选型,并进行详细的分析说明。设备类型及选型如表1所示。

表1设备类型及选型

设备类型选型感温探测器JTW-ZD-JBF-3110感烟探测器JTY-GD-3002C复合型探测器JTF-YW-ZM2251TB消防报警控制器STC15F2K60S2CAN总线控制器SJA1000智能协议转换器CAN232MB消防联动控制器STC15F2K60S2

消防报警控制器核心采用STC15F2K60S2芯片,属1T增强型8051单片机,在相同工作频率状态下,速度比普通8051单片机速度要高8~12倍。STC15F2K60S2芯片集成了8通道10位精度的A/D转换模块,速度为30万次/s,3路脉宽调制(Pulse Width Modulation,PWM)还可当作D/A使用,具有速度快、可靠性高、消耗低、抗干扰超强等特性。消防报警控制原理如图3所示。

图3　消防报警控制原理

智能消防控制系统主要采用CAN总线技术将各个节点组成网络,节点不会影响其他节点的工作,从而不会影响整个智能消防控制系统的运行,使PC机能准确、有效地对火灾现场进行实时监控和管理,还可以使联动设备高效、快速地完成灭火的任务,实现智能消防控制系统的智能化和网络化。CAN总线的优点和性能提高了智能消防控制系统的可靠性。CAN总线的通信网络如图4所示。

图4　CAN总线的通信网络

常规双终端总线网络拓扑结构是在CAN总线两端各连接1个120 Ω的终端电阻,总线阻值为60 Ω。由1组电缆直接连接的线路有且只有2个终端电阻。CAN总线通信时,阻抗的不连续以及阻抗的不匹配是形成信号反射的主要原因,而终端电阻能够解决通信电缆中信号的反射情况。该拓扑结构简单,不仅可以增加智能消防控制系统传输的距离,还可以提高智能消防控制系统的抗干扰能力和可靠性。

在实际应用中,尤其是在现场运行环境较差、干扰严重的情况下,如何提高CAN总线的抗干扰能力,使系统更可靠地运行,是设计者关注的重点。硬件设计阶段采用的抗干扰措施有:在CAN控制芯片与CAN驱动间加快速光耦(6N137)隔离;在CAN驱动级使用独立的隔离电源;在CAN总线间加瞬变电压吸收器;尽量减少CAN总线电缆长度及终端电阻个数;CAN总线使用屏蔽电缆并接地等。

软件抗干扰技术方法可以用软件实现,也可以采用软硬件相结合的方法实现。常用的软件抗干扰措施有:数字滤波方法、输入口信号重复检测方法、输出端口数据刷新方法、软件拦截技术(指令冗余、软件陷阱)、“看门狗”技术等。该系统主要采用“看门狗”技术。

3智能消防控制系统的软件系统设计

智能消防控制系统的消防报警控制器和消防联动控制器都是由STC15F2K60S2的最小系统组成的,这两种控制器都需要软件来实现。STC消防报警控制器的A/D模块需要设置正确的软件,实现火灾特征参数数据模拟量到数字量的转换。CAN总线模块需要正确的软件设置与编程,实现STC消防报警控制器和监控主机(PC机)的通信。STC消防联动控制器需要正确的软件设置和编程,实现STC消防联动控制器与消防联动设备的通信。

CAN总线模块的软件主要由SJA1000的初始化、数据的接收及发送组成。SJA1000作为CAN总线独立控制器,能够提高CAN总线的抗干扰能力,其初始化必须处于复位的模式下才能完成。SJA1000进行初始化前,应进入复位操作模式,根据实际的需要,把初始化的各参数通过数据手册中的计算方法进行计算,然后再将各参数写入对应的寄存器中。SJA1000初始化流程如图5所示。

图5　SJA1000初始化流程

初始化过程主要包括设置工作方式、设置验收代码寄存器和验收屏蔽寄存器、设置总线定时寄存器、设置输出控制寄存器和设置中断寄存器等。需要初始化的CAN控制寄存器有:模式寄存器、时分寄存器、验收代码寄存器、验收屏蔽寄存器、总线定时寄存器和输出控制寄存器等。SJA1000初始化设置结束后,能够进入工作状态,从而进行工作通信。在智能消防控制系统中,火灾报警判定算法至关重要。本文的智能火灾报警判定综合算法是将阈值比较法和斜率判定法两种算法结合,利用现代计算机处理大规模数据的技术和能力,对火灾特征参数数据进行多种修正、补偿和判定,减少火灾的误报和漏报,提高了火灾探测器辨别火灾真假的能力,也大大提高了火灾报警的准确率,体现了智能消防控制系统的智能性和可靠性。

智能火灾报警判定综合算法组成如图6所示,主要由A/D转换、数字滤波、阈值比较、灵敏度自动调节、漂移补偿、斜率判定、上升速率分析以及时间积累组成。火灾探测器探测的火灾特征参数数据是模拟信号,经A/D转换变成数字信号。

图6　智能火灾报警判定综合算法组成

智能消防控制监控系统的主界面主要由系统界面、监控界面、联动设备界面、报警记录界面和帮助界面等组成。监控系统内设置时钟,在记录火灾信息时要以此时间作为标准,实时地记录火灾信息。智能消防控制监控系统的主界面如图7所示。

图7　智能消防控制监控系统的主界面

监控界面主要由数据显示及报警和参数整定组成。

(1) 数据显示及报警界面主要是对各楼层电气设备进行监控,显示其电流、一路温度和二路温度。当剩余电流实际测量值超过报警所设置的数值时,就会显示报警的状态,报警提示也会自动提示报警回路,以便及时灭火和处理故障。数据显示及报警界面如图8所示。

图8　数据显示及报警界面

(2) 当某一处显示报警信号,且灭火之后,可对其进行参数整定及复位。参数整定界面如图9所示。

图9　参数整定界面

联动设备界面主要包括应急广播、照明指示灯、疏散指示灯、火灾信息显示器等。发生火灾时可开启联动设备,灭火后可关闭联动设备。联动设备界面如图10 所示。

图10　联动设备界面

4结语

本文基于CAN总线技术对智能消防控制系统进行了研究,采用STC15F2K60S2单片机作为智能消防控制系统的消防报警控制器和消防联动控制器,通过CAN232MB智能协议转换器与上位机相连,将智能消防控制系统的节点进行组网,实现了智能消防控制系统的网络化和智能化。运用智能火灾报警判定综合算法对火灾特征参数数据进行多种修正、补偿和判定,降低了火灾的误报率和漏报率。利用VB软件实现智能消防监控,实时地掌握火灾现场动态并及时记录火灾信息,提高智能消防控制系统的可靠性。

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《现代建筑电气》编辑部

Design and Research on Intelligent Fire Control System

WEILiming,CHENXiaoxu,SUNXuejing,WANGLiguang

(Jilin Jianzhu University, Changchun 130118, China)

Abstract：The intelligent fire control system was studied based on CAN bus technology.In hardware,the equipments of fire control system were selected.By using of CAN bus technology,the node networking of intelligent fire control system was obtained to achieve the networking and intelligence of the intelligent fire control system.In software,the intelligent alarm fire synthesis algorithm was used to determine the various modifications,compensation and determination of characteristic parameter data,in order to reduce the false positive rate and false negative rate of fire.The design scheme can provide references for the application of intelligent fire systems.

Key words:CAN bus; intelligent fire control system; intelligent fire alarm synthesis algorithm; node; intelligence

收稿日期：2015-07-29

中图分类号：TU 892

文献标志码：A

文章编号：1674-8417(2016)02-0007-05

*基金项目:国家安全生产总局科学研究项目(2012-127);吉林建筑大学大学生创新创业训练计划(201410191017)

陈晓旭(1989—),男,硕士研究生,研究方向为建筑电气及其智能化。

孙雪景(1979—),女,副教授,研究方向为环境工程。