基于CAN總線的分布式船舶火災(zāi)自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)

殷文貴

（1. 上海交通大學(xué)電氣學(xué)院，上海200139；2. 中國(guó)人民解放軍4805廠，上海200136）

0 引言

船舶火災(zāi)作為一種常見(jiàn)隱患，一旦發(fā)生，勢(shì)必造成系統(tǒng)功能故障，若不及時(shí)發(fā)現(xiàn)和控制，事故進(jìn)一步擴(kuò)大，對(duì)設(shè)備和人員，都會(huì)帶來(lái)極大的損失?；馂?zāi)的監(jiān)控和預(yù)防，對(duì)保證船舶設(shè)備和船員的安全有著重大意義。

CAN總線是一種串行通訊協(xié)議，能有效地支持具有很高安全等級(jí)的分布實(shí)時(shí)控制。本文針對(duì)船舶常見(jiàn)的火災(zāi)事故隱患，提出一種基于 CAN總線的分布式船舶火災(zāi)自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)。系統(tǒng)可以遠(yuǎn)程監(jiān)控火情，可以在火災(zāi)出現(xiàn)時(shí)現(xiàn)場(chǎng)發(fā)出聲光報(bào)警及切斷相關(guān)設(shè)備的電源、啟動(dòng)排煙裝置、打開(kāi)噴淋裝置等相關(guān)聯(lián)動(dòng)操作。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

船舶火災(zāi)自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)由火災(zāi)探測(cè)傳感器、監(jiān)控系統(tǒng)控制器、現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控單元、聯(lián)動(dòng)單元、遠(yuǎn)程監(jiān)控單元等組成。

系統(tǒng)地使用基于 CAN 總線的通信網(wǎng)絡(luò)，每個(gè)火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)單元包含一個(gè) CAN節(jié)點(diǎn)，發(fā)生火情時(shí)，監(jiān)控系統(tǒng)控制器通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)的探測(cè)器、輸入模塊或者手動(dòng)報(bào)警按鈕得知火情，并在第一時(shí)間控制報(bào)警裝置發(fā)出聲光報(bào)警，控制現(xiàn)場(chǎng)聯(lián)動(dòng)裝置。同時(shí)，將火災(zāi)信息通過(guò) CAN總線發(fā)送到監(jiān)控中心及遠(yuǎn)程聯(lián)動(dòng)單元。一方面，可以通知工作人員發(fā)生火情，需采取處理措施；另一方面，消防聯(lián)動(dòng)控制器控制消防電氣設(shè)備啟動(dòng)滅火設(shè)施。

一般監(jiān)測(cè)報(bào)警系統(tǒng)都存在系統(tǒng)組成比較復(fù)雜、連接電纜較多、末端報(bào)警響應(yīng)慢等缺點(diǎn)[1]。使用 CAN總線的分布式智能化火災(zāi)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，則避免這些不足。該系統(tǒng)響應(yīng)及時(shí)、易于擴(kuò)展功能和容量。該報(bào)警系統(tǒng)的組成如圖1所示。

2 火災(zāi)探測(cè)單元

船舶內(nèi)環(huán)境空間小、設(shè)施復(fù)雜。絕大部分火災(zāi)發(fā)生時(shí)都伴隨一定的發(fā)熱及溫度的升高，可以通過(guò)不同的傳感器，同時(shí)采集煙霧、溫度數(shù)據(jù)等火災(zāi)數(shù)據(jù)。

圖1 分布式智能火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)示意圖

在預(yù)期有隱燃，將產(chǎn)生大量的煙，很少有火焰的地方，應(yīng)設(shè)有感煙探測(cè)器；在預(yù)期火災(zāi)發(fā)展快，有強(qiáng)烈火焰的地方，應(yīng)選擇火焰探測(cè)器；在火災(zāi)發(fā)展迅速，可產(chǎn)生大量熱，煙和火焰輻射設(shè)施或場(chǎng)所，可選擇感溫探測(cè)器，感煙探測(cè)器，火焰探測(cè)器或其組合，以達(dá)到最佳的探測(cè)效果。

2.1 感溫型探測(cè)器的使用

感溫型探測(cè)器是利用熱敏元件來(lái)探測(cè)火情的。根據(jù)其感熱效果和結(jié)構(gòu)型式可分為定溫式,差溫式及差定溫式三種。

定溫探測(cè)器用于檢測(cè)溫度是否超過(guò)了某個(gè)設(shè)定值，差溫式探測(cè)器用于檢測(cè)溫度上升速率是否超過(guò)某個(gè)規(guī)定值，而差定溫式探測(cè)器則結(jié)合了定溫和差溫兩種作用原理并將兩種探測(cè)器結(jié)構(gòu)組合在一起。

感溫探測(cè)器常用的感應(yīng)傳感器有雙金屬片、易熔金屬、熱電偶熱敏半導(dǎo)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(fù)溫度系數(shù)（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(shù)(PTC, Positive Temperature Coefficient )熱敏電阻，兩種傳感器檢測(cè)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(dāng)溫度上升到臨界溫度Tc時(shí)，其阻值迅速上升（甚至達(dá)1 M?以上），我們使用圖3 所示的電路即可檢測(cè)出這種變化。

在檢測(cè)電路中，Rp為熱敏電阻，R2=R3，室溫下，RT﹤R0，此時(shí)光控二級(jí)管處于導(dǎo)通狀態(tài)，微控制器檢測(cè)到低電平。當(dāng)發(fā)生火情時(shí)，高溫使得 RT阻值迅速上升，從而遠(yuǎn)大于 R0，因此光控二極管被關(guān)斷，此時(shí)微控制器檢測(cè)到高電平[2]，從而檢測(cè)到火災(zāi)的發(fā)生。

感溫探測(cè)器工作比較穩(wěn)定，不易受非火災(zāi)性煙塵霧氣等干擾，誤報(bào)率低，可靠性高。

圖2 PTC熱敏電阻的阻-溫曲線

圖3 熱感應(yīng)火災(zāi)檢測(cè)電路

2.2 火焰探測(cè)器

火焰探測(cè)器有紅外火焰探測(cè)器和紫外火焰探測(cè)器兩種，其檢測(cè)譜帶如圖4所示。它由于響應(yīng)速度快，探測(cè)范圍廣而獲得廣泛應(yīng)用。紫外光波長(zhǎng)較短，比較適宜活潑金屬及金屬氧化物火災(zāi)的探測(cè)。而紅外火焰探測(cè)器，由于其探測(cè)波長(zhǎng)較長(zhǎng)，較適合含碳類液體火災(zāi)的探測(cè)。

火焰探測(cè)器使用模塊化的檢測(cè)單元，模塊根據(jù)火情輸出0或者1，非常方便微控制器識(shí)別和處理。

圖4 火焰探測(cè)器工作譜帶

2.3 感煙式探測(cè)器

煙霧傳感器就是通過(guò)監(jiān)測(cè)煙霧的濃度來(lái)實(shí)現(xiàn)火災(zāi)防范的，常見(jiàn)的煙霧探測(cè)器有光電式和離子式，光電式的監(jiān)測(cè)原理如圖5所示。探測(cè)光源發(fā)出的光在無(wú)煙霧和有煙霧的情況下分別被兩個(gè)光敏元件接收，光敏元件將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)后對(duì)比判斷即可探測(cè)到有無(wú)煙霧。

圖5 光電式煙霧探測(cè)器原理

離子型探測(cè)器的工作原理是：采用離子室來(lái)探測(cè)煙霧物理量的一種器件，當(dāng)環(huán)境中無(wú)煙霧時(shí)即探測(cè)器處于值守工作狀態(tài)，離子室工作在平衡的離子流的狀態(tài)下，因此其基準(zhǔn)輸出電平保持相對(duì)穩(wěn)定，而當(dāng)有煙霧充斥環(huán)境時(shí)，離子室中的離子流與煙霧的濃度成正比，所以其基準(zhǔn)輸出電平的電位也發(fā)生了相應(yīng)的變化，那么離子室就將環(huán)境中煙霧濃度的變化轉(zhuǎn)化成輸出電平的變化[3]，從而檢測(cè)到火警的發(fā)生。

3 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控單元

3.1 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控單元硬件

分布式火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)的一個(gè)典型特征是現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)單元中有微處理器，同時(shí)具有一定的智能，能夠自動(dòng)報(bào)警，這是當(dāng)今火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)的一種發(fā)展趨勢(shì)[4]。

現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控單元如圖6所示，控制器使用意法半導(dǎo)體公司的STM32105互聯(lián)型Cortex-M3 處理器，CPU時(shí)鐘達(dá)到72 MHz，它擁有2個(gè)CAN接口， 2個(gè)I2C，5個(gè)UART,3個(gè)SPI接口，其豐富的通信接口，使之非常適合用于互聯(lián)設(shè)備的控制器。

圖6 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控單元

CAN總線收發(fā)器采用SN65HVD230，它是德州儀器公司生產(chǎn)的3.3 V CAN收發(fā)器，該收發(fā)器具有差分收發(fā)能力，最高速率可達(dá)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(dāng)發(fā)生火災(zāi)時(shí)，微控制器接受到來(lái)自感溫探測(cè)器、火焰探測(cè)器、煙霧探測(cè)器或者現(xiàn)場(chǎng)人員的手動(dòng)報(bào)警信息，經(jīng)過(guò)判斷后，控制報(bào)警裝置發(fā)出報(bào)警信號(hào)，同時(shí)通過(guò)控制現(xiàn)場(chǎng)聯(lián)動(dòng)控制接口，執(zhí)行排煙、噴淋、化學(xué)滅火或斷電等聯(lián)動(dòng)動(dòng)作，及時(shí)對(duì)火災(zāi)做出第一響應(yīng)，將災(zāi)害降低到最小。

微控制器在處理火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)的同時(shí)，還將火災(zāi)情況，如溫度，火災(zāi)類型，火災(zāi)地點(diǎn)，時(shí)間，聯(lián)動(dòng)控制信號(hào)等數(shù)據(jù)，通過(guò) CAN總線及時(shí)發(fā)送到監(jiān)控中心，以通知值班人員采取相應(yīng)的應(yīng)急措施。

3.2 通信網(wǎng)絡(luò)

火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)是基于 CAN總線構(gòu)建的，通信網(wǎng)絡(luò)也是依照開(kāi)放系統(tǒng)互連規(guī)范按層次結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的?？紤]到作為工業(yè)測(cè)控底層網(wǎng)絡(luò)，其信息傳輸量相對(duì)較少，信息傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性要求較高，網(wǎng)絡(luò)連接方式相對(duì)較簡(jiǎn)單，因此，CAN協(xié)議定義了ISO/OSI參考模型的物理層及數(shù)據(jù)鏈路層[5]。

圖7 CAN總線的OSI結(jié)構(gòu)圖

物理層定義了信號(hào)是如何實(shí)現(xiàn)傳輸?shù)?，涉及到位定時(shí)、位編碼/解碼、同步的解釋。數(shù)據(jù)鏈層包含介質(zhì)訪問(wèn)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(xié)議的核心，負(fù)責(zé)報(bào)文分幀、仲裁、應(yīng)答、錯(cuò)誤檢測(cè)和標(biāo)定，把接收到的報(bào)文提供給 LLC 子層，并接受來(lái)自LLC 子層的報(bào)文；LLC 子層涉及報(bào)文驗(yàn)收濾波、過(guò)載通知和恢復(fù)管理。

CAN收發(fā)器和CAN控制器完成了物理層和數(shù)據(jù)鏈路層的功能，而應(yīng)用層的功能是由 CAN總線的實(shí)際應(yīng)用中由用戶決定的。在本系統(tǒng)中，CAN總線上傳輸?shù)幕馂?zāi)溫度、火災(zāi)類型、火災(zāi)地點(diǎn)、時(shí)間、報(bào)警控制、聯(lián)動(dòng)操作控制等數(shù)據(jù)構(gòu)成了OSI 7層結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用層。

4 軟件設(shè)計(jì)

各個(gè) CAN節(jié)點(diǎn)軟件功能包含現(xiàn)場(chǎng)報(bào)警信息的采集判斷，現(xiàn)場(chǎng)聯(lián)動(dòng)控制，以及 CAN總線協(xié)議OSI 7層結(jié)構(gòu)中應(yīng)用層的實(shí)現(xiàn)。

STM32105的CAN總線控制器含有2個(gè)3 級(jí)深度FIFO，CAN報(bào)文的接收使用FIFO來(lái)處理，即使接收到的數(shù)據(jù)太多，CPU還未來(lái)得及處理，也不會(huì)造成CAN報(bào)文的丟失。

CAN節(jié)點(diǎn)使用ID列表過(guò)濾方式來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)過(guò)濾，列表中設(shè)置一個(gè)共同的廣播地址和一個(gè)CAN節(jié)點(diǎn)地址，每個(gè)CAN節(jié)點(diǎn)只處理廣播數(shù)據(jù)以和與自己地址匹配的數(shù)據(jù)，跳過(guò)大量與自己無(wú)關(guān)的數(shù)據(jù)。

STM32的軟件開(kāi)發(fā)使用ARM公司推出的嵌入式開(kāi)發(fā)工具M(jìn)DK（Microcontroller Development Kit），它包含了意法半導(dǎo)體(ST)提供的STM32F10x系列處理器片上外圍接口固件庫(kù)(Firmware library)[6]。使用這個(gè)函數(shù)庫(kù)，無(wú)需深入處理器的細(xì)節(jié)即可應(yīng)用每一個(gè)外設(shè)，因而開(kāi)發(fā)精力可以集中在應(yīng)用軟件功能的實(shí)現(xiàn)上。

上位機(jī)采用Linux操作系統(tǒng)，可以獲得遠(yuǎn)高于windows的穩(wěn)定性。監(jiān)控軟件使用C++編程，結(jié)合數(shù)據(jù)庫(kù)的使用，完成對(duì)火災(zāi)信息的監(jiān)控、顯示、報(bào)警、聯(lián)動(dòng)控制，記錄等功能。

5 小結(jié)

系統(tǒng)中使用了感溫探測(cè)器，火焰探測(cè)器和煙霧火警探測(cè)器相結(jié)合的探測(cè)手段，可以有效監(jiān)測(cè)船舶常見(jiàn)類型的火災(zāi)，實(shí)現(xiàn)對(duì)火災(zāi)的探測(cè)。

CAN總線和Cortex-M3處理器的使用，有效地實(shí)現(xiàn)了分布式火警監(jiān)控系統(tǒng)的功能，系統(tǒng)響應(yīng)的準(zhǔn)確性、實(shí)時(shí)性、可靠性都得到了提高，并具有功能和容量易于擴(kuò)展的優(yōu)點(diǎn)，具有很好的應(yīng)用前景。

:

[1]王常順，肖海榮，潘為剛. CAN總線的船舶機(jī)艙監(jiān)測(cè)報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 自動(dòng)化與儀表, 2010, (10):25-27.

[2]李堯, 佘焱. 水泵電機(jī)綜合保護(hù)裝置的設(shè)計(jì)[J]. 電工技術(shù), 2008, (10): 75-77.

[3]郄建華, 離子感煙探測(cè)器電路分析[J]. 太原師范學(xué)院學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版). 2008, 4(7): 98-101.

[4]馮勇. 感煙感溫復(fù)合探測(cè)器[D]. 合肥工業(yè)大學(xué),2006.

[5]饒運(yùn)濤, 鄒繼軍. 現(xiàn)場(chǎng)總線 CAN原理與應(yīng)用[M].北京: 北京航空航天大學(xué)出版社, 2003.

[6]李寧. 基于 MDK的 STM32處理器開(kāi)發(fā)應(yīng)用 [M].北京: 北京航空航天大學(xué)出版社, 2008.