基于CAN总线和单片机的 火灾报警系统设计

文:长春环保科技有限公司 蔡晓伟2020年第二期

1 前言

随着人们生活水平的提高,人们对住宅的居住环境的要求不断提高,除了绿化、房屋结构、人文环境之外,更崇尚追求高科技的生活方式。与此同时,现代计算机技术、通讯网络技术和自动控制技术的飞速发展又为人类实现更加理想化的生活提供了可能,智能小区应运而生了。在智能小区内安装智能型火灾报警控制系统是必不可少的。火灾自动报警系统是楼宇自动化的一个主要构成系统。其设置目的是为了防止和减少火灾危害.保护人身和财产安全。

目前国内外先进的通用火灾报警(联动)控制器均是集报警和消防联动控制于一体的智能火灾自动报警系统,可以将掇洲器件收集的烟、温、光等信号以模拟量形式,连同外界相关的环境参数一起传送给报警器,报警器再根据获取的数据受内部存储的大量数据.利用火灾模型判断火灾足否存在,以及启动相关消防联动设备,这种智能化的系统在提高火灾判断、监控能力的同时,对总线传输也提出了更高的要求。

CAN总线是一种有效支持分布控制或实时控制的串行通信网络。在各种工业现场总线中CAN总线以成本较低、速度快、实时性、可靠性较高的特点适应于现代汽车电子、医疗、军事等领域的产业。CANopen协议定义了应用层和通讯子协议,为可编程系数、不同器件、借口及应用子协议定义了帧状态。为现场总线的全数字分布控制系统的广泛应用以及把系统一体化管理提供了有效的方案。CANopen协议是基于CAN串行总线系统和应用层CAL的高层协议。CAL提供了网络管理服务和报文的传送协议。CANopen在CAL基础上使用了CAL通讯和服务协议子集的一种实现方案,在保证网络节点互用性的同时,允许节点的功能随意扩展。在嵌入式系统用用的发展,许多总线已经不能满足高性能、高实时性系统的要求,CAN总线是当前比较有希望成功的。

2 系统的组成及特点

CAN(Contro lArea Network)总线属于一种应用比较广泛的现场总线,与以太网等管理及信息处理用的网络不同,是一种专门用于工业自动化领域的网络。它采用了最新的技术和独特的设计,,可靠性高,其物理特性和网络协议特性更强调工业自动化的底层监测及控制,可以实现点对点、一点对多点及全局广播几种方式传送接收数据。CAN节点在错误严重的情况下,具有自动关闭总线的功能,不至于影响总线上的其它节点。本文提出了一种基于CAN总线的用于智能小区的智能型火灾报警系统的设计方法。

CAN属于现场总线的一种,主要用于各种过程检测及控制,现已成为ISO—11898国际标准。它是信号传输全数字、控制功能全分散、标准统一全开放的概括可与Internet互连构成多层次的复杂网络,使得CAN可以成为应用于大型火灾报警网络系统的现场总线。

 基于CAN总线和单片机的火灾报警系统设计1.jpg

图1 系统网络组成原理图

CAN总线有以下特点:

(1)CAN可以是多主方式工作,网络上任意节点可以在任意时刻主动向网络上其他节点发送信息。

(2)CAN网络上的节点可以分为不同优先级,满足不同实时需要。

(3)CAN可以点对点、点对多点、点对网络传送信息,通讯距离最远l0km(速率5kb/s)。

(4)CAN采用带CRS校验的短信息结构,传速快,抗干扰性强。

(5)通讯介质采用双绞线,无特殊要求,用户接口简单。

(6)CAN节点在严重错误情况下,具有自动关闭功能,不会影响总线上其他节点操作。基于CAN总线的火灾报警(联动)网络系统是由智能火灾自动报警控制器与智能型探测器和模块配套,采用全总线机制,软件编程,分布式控制方案,使该系统成为集监视、报警、控制于一体的智能火灾报警(联动)网络,为解决火灾自动报警系统存在的漏报和错误两大难题提供了新的方法和手段,既提高了系统的准确性、可靠性,又为工程设计、施工布线提供了极大的方便。系统网络组成原理如图1所示。

CAN总线因为具备众多优点,也导致了在设计CAN火灾报警(联动)网络协议时需要注意的事项颇多。作为火灾报警(联动)系统,它所需要传输的信息包括:火警、故障、联动、恢复、显示、复位、自检、动作等多种命令。如何分配这些命令的优先级,并使所有的感应时间满足相关国家标准,成为构建整个网络的技术难点和关键。

本系统采用了一套上主机巡检加下位机抢断的网络协议,特点包括:

(1)以最新的CAN2.0A/B协议为基础,采用巡检网络,下位网络上的每个节点必须以上位机发送“节点查询”,即以远程帧为准,巡检到某节点,如果该节点一切正常,就回答“节点正常”。

(2)如果该节点的终端设备有故障、联动、返回、恢复等情况上报时,节点只能在远程帧巡检到自己时与上位机建立联系,实现通信,其他时间不能抢占总线。

(3)为了体现火警优先的原则,总线上的任意节点如果有火警要上报,只要检测到CAN总线上有远程帧就可以抢占总线,无论当前巡检到哪个节点。若两个火警同时抢占总线,以CAN总线规则——地址较小的火警具有较高的优先级。

3 系统硬件设计

系统中每个节点通过火灾报警控制器、CAN总线控制器、CAN收发器连接通讯。火灾报警控制器接收信息并完成火灾判断、联动等功能;CAN控制器用于各节点之间的数据传递;CAN收发器增强了控制器的驱动能力,保证了火灾报警控制器之间的通讯距离。

发送数据时,火灾报警控制器把需要传送的数据写入CAN控制器的发送缓冲区,启动发送,数据即通过CAN收发器发送到总线上;接收数据时,CAN控制器通过CAN收发器从总线上接收数据,处理后存人接收缓冲区,并给出接收中断信号。这时,火灾报警器就可以从CAN控制器的接收缓冲区取走数据。

3.1 用户端自动报警器的硬件设计

用户端自动报警器是本课题的设计重点,它是利用无线通讯技术和带CAN控制器的单片机的控制技术,开发出来的一种具有联网功能的报警器,主要完成现场火情信号的采集,是基于CAN总线的三级智能火灾报警系统的重要组成部分之一。它主要包含前端探测器、编解码电路、自动拨号电路和语音报警电路组成。

3.2 区域控制器的硬件设计

区域控制器主要用于楼宇的一个区域用户端自动报警器的信息管理和控制,在系统运行时,等待中央控制器的不间断查询,并对用户端自动报警器进行监控,并将报警数据上传到中央控制器,从而实现主控计算机机与用户端自动报警器之间的通讯,同时为方便管理和扩展系统提供一种有效的方法。采用区域控制器使整个系统更易扩展,便于系统的调试、维修和管理。区域控制器是用来连接中央控制器和用户端报警器的桥梁,它解决了智能小区节点分散、数据量大的问题,使得管理中心更加容易控制其内部的每一个用户。

区域控制器选用Intel的89S52单片机芯片为控制核心,在其与用户端报警器相连的CAN端口侧,安装了CAN总线收发器,以及光耦隔离防干扰装置,解决了与用户端报警器之间的信号交换问题。而与中央控制主机相连的CAN端口侧,同样安装了CAN总线收发器,解决与中央控制主机之间的信号交换问题。另外,加入防破坏识别模块和报警器模块可使物业监控主机及时发现对区域控制器线路的人为破坏,并及时修复。

3.3 中央控制器的硬件设计

中心中央控制器是主控计算机与区域控制器之间的桥梁、纽带,负责主控计算机与区域控制器之间的指令、数据的存储与传输。智能小区的每个房间都安装一个用户端自动报警器,因此不止需要一个区域控制器,由于通讯距离、速度和质量的限制,不可能每一个区域控制器都和主控计算机之间直接进行指令和数据的通讯,所以采用中央控制器作为中间桥梁,将区域控制器的报警信息等数据事先存在中央控制器,等待主控计算机查询。

中央控制器组成结构和区域控制器类似。不同的是中央控制器主要完成主控计算机的RS-232信号和区域控制器的CAN信号之间的转换,它是主控计算机和区域控制器之间的桥梁,是数据的中间存储站。

基于CAN总线和单片机的火灾报警系统设计3.jpg

4 系统软件设计

系统软件由监控软件和功能软件构成,其中最关键的是通讯软件。

监控软件主要进行初始化工作,循环扫描输人模块,并利用火灾判据对输人信号进行判断。即系统上电复位后,依次进行单片机初始化、显示初始化和CAN初始化,随后读取输人的模拟量数据,将此数据信息与已设定的火灾判据进行分析比对,判断是否有险情。

基于CAN总线和单片机的火灾报警系统设计2.jpg

图2 CAN中断服务程序框图

通信软件分为CAN初始化、数据发送和数据接收。

(1)初始化

在开机和复位后,需要对CAN总线控制器进行初始化,通过对总线控制器的寄存器写人控制字从而确定其工作方式。初始化时,首先给CAN控制器发出复位指令,然后给其相关的寄存器写人相应的控制字。

(2)CAN控制器的发送与接收功能均可借助其中断服务执行,如图2所示。

5 结论

本系统采用了非常有发展前途的CAN总线技术,利用其灵活、直接的数据交换方式及高可靠性和高速率、传输距离较长等优点,实现基于CAN总线的数据收发和与主机的通讯,构建出智能火灾报警(联动)网络系统的设计基础,该智能火灾报警系统在前端火灾探测部分采用多元无线报警的方案,这样可以大大的减少误报率和漏报率,提高了系统的可靠性,同时不需另外接线,实现了最优的性能价格比和最广的应用覆盖面,提高产品的竞争能力,扩展方便。本系统已应用在楼宇火灾报警与联动控制实践中,并取得了较理想的效果。

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