1 前言

隨著人們生活水平的提高，人們對住宅的居住環(huán)境的要求不斷提高，除了綠化、房屋結(jié)構(gòu)、人文環(huán)境之外，更崇尚追求高科技的生活方式。與此同時，現(xiàn)代計算機技術(shù)、通訊網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和自動控制技術(shù)的飛速發(fā)展又為人類實現(xiàn)更加理想化的生活提供了可能，智能小區(qū)應(yīng)運而生了。在智能小區(qū)內(nèi)安裝智能型火災(zāi)報警控制系統(tǒng)是必不可少的。火災(zāi)自動報警系統(tǒng)是樓宇自動化的一個主要構(gòu)成系統(tǒng)。其設(shè)置目的是為了防止和減少火災(zāi)危害．保護人身和財產(chǎn)安全。

目前國內(nèi)外先進的通用火災(zāi)報警(聯(lián)動)控制器均是集報警和消防聯(lián)動控制于一體的智能火災(zāi)自動報警系統(tǒng)，可以將掇洲器件收集的煙、溫、光等信號以模擬量形式，連同外界相關(guān)的環(huán)境參數(shù)一起傳送給報警器，報警器再根據(jù)獲取的數(shù)據(jù)受內(nèi)部存儲的大量數(shù)據(jù)．利用火災(zāi)模型判斷火災(zāi)足否存在，以及啟動相關(guān)消防聯(lián)動設(shè)備，這種智能化的系統(tǒng)在提高火災(zāi)判斷、監(jiān)控能力的同時，對總線傳輸也提出了更高的要求。

CAN總線是一種有效支持分布控制或?qū)崟r控制的串行通信網(wǎng)絡(luò)。在各種工業(yè)現(xiàn)場總線中CAN總線以成本較低、速度快、實時性、可靠性較高的特點適應(yīng)于現(xiàn)代汽車電子、醫(yī)療、軍事等領(lǐng)域的產(chǎn)業(yè)。CANopen協(xié)議定義了應(yīng)用層和通訊子協(xié)議，為可編程系數(shù)、不同器件、借口及應(yīng)用子協(xié)議定義了幀狀態(tài)。為現(xiàn)場總線的全數(shù)字分布控制系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用以及把系統(tǒng)一體化管理提供了有效的方案。CANopen協(xié)議是基于CAN串行總線系統(tǒng)和應(yīng)用層CAL的高層協(xié)議。CAL提供了網(wǎng)絡(luò)管理服務(wù)和報文的傳送協(xié)議。CANopen在CAL基礎(chǔ)上使用了CAL通訊和服務(wù)協(xié)議子集的一種實現(xiàn)方案，在保證網(wǎng)絡(luò)節(jié)點互用性的同時，允許節(jié)點的功能隨意擴展。在嵌入式系統(tǒng)用用的發(fā)展，許多總線已經(jīng)不能滿足高性能、高實時性系統(tǒng)的要求，CAN總線是當(dāng)前比較有希望成功的。

2 系統(tǒng)的組成及特點

CAN（Contro lArea Network）總線屬于一種應(yīng)用比較廣泛的現(xiàn)場總線，與以太網(wǎng)等管理及信息處理用的網(wǎng)絡(luò)不同，是一種專門用于工業(yè)自動化領(lǐng)域的網(wǎng)絡(luò)。它采用了最新的技術(shù)和獨特的設(shè)計，，可靠性高，其物理特性和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議特性更強調(diào)工業(yè)自動化的底層監(jiān)測及控制，可以實現(xiàn)點對點、一點對多點及全局廣播幾種方式傳送接收數(shù)據(jù)。CAN節(jié)點在錯誤嚴(yán)重的情況下，具有自動關(guān)閉總線的功能，不至于影響總線上的其它節(jié)點。本文提出了一種基于CAN總線的用于智能小區(qū)的智能型火災(zāi)報警系統(tǒng)的設(shè)計方法。

CAN屬于現(xiàn)場總線的一種，主要用于各種過程檢測及控制，現(xiàn)已成為ISO—11898國際標(biāo)準(zhǔn)。它是信號傳輸全數(shù)字、控制功能全分散、標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一全開放的概括可與Internet互連構(gòu)成多層次的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)，使得CAN可以成為應(yīng)用于大型火災(zāi)報警網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的現(xiàn)場總線。

圖1 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)組成原理圖

CAN總線有以下特點：

(1)CAN可以是多主方式工作，網(wǎng)絡(luò)上任意節(jié)點可以在任意時刻主動向網(wǎng)絡(luò)上其他節(jié)點發(fā)送信息。

(2)CAN網(wǎng)絡(luò)上的節(jié)點可以分為不同優(yōu)先級，滿足不同實時需要。

(3)CAN可以點對點、點對多點、點對網(wǎng)絡(luò)傳送信息，通訊距離最遠l0km(速率5kb／s）。

(4)CAN采用帶CRS校驗的短信息結(jié)構(gòu)，傳速快，抗干擾性強。

(5)通訊介質(zhì)采用雙絞線，無特殊要求，用戶接口簡單。

(6)CAN節(jié)點在嚴(yán)重錯誤情況下，具有自動關(guān)閉功能，不會影響總線上其他節(jié)點操作?；贑AN總線的火災(zāi)報警(聯(lián)動)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)是由智能火災(zāi)自動報警控制器與智能型探測器和模塊配套，采用全總線機制，軟件編程，分布式控制方案，使該系統(tǒng)成為集監(jiān)視、報警、控制于一體的智能火災(zāi)報警(聯(lián)動)網(wǎng)絡(luò)，為解決火災(zāi)自動報警系統(tǒng)存在的漏報和錯誤兩大難題提供了新的方法和手段，既提高了系統(tǒng)的準(zhǔn)確性、可靠性，又為工程設(shè)計、施工布線提供了極大的方便。系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)組成原理如圖1所示。

CAN總線因為具備眾多優(yōu)點，也導(dǎo)致了在設(shè)計CAN火災(zāi)報警(聯(lián)動)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議時需要注意的事項頗多。作為火災(zāi)報警(聯(lián)動)系統(tǒng)，它所需要傳輸?shù)男畔ǎ夯鹁⒐收?、?lián)動、恢復(fù)、顯示、復(fù)位、自檢、動作等多種命令。如何分配這些命令的優(yōu)先級，并使所有的感應(yīng)時間滿足相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)，成為構(gòu)建整個網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)難點和關(guān)鍵。

本系統(tǒng)采用了一套上主機巡檢加下位機搶斷的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，特點包括：

(1)以最新的CAN2.0A／B協(xié)議為基礎(chǔ)，采用巡檢網(wǎng)絡(luò)，下位網(wǎng)絡(luò)上的每個節(jié)點必須以上位機發(fā)送“節(jié)點查詢”，即以遠程幀為準(zhǔn)，巡檢到某節(jié)點，如果該節(jié)點一切正常，就回答“節(jié)點正常”。

(2)如果該節(jié)點的終端設(shè)備有故障、聯(lián)動、返回、恢復(fù)等情況上報時，節(jié)點只能在遠程幀巡檢到自己時與上位機建立聯(lián)系，實現(xiàn)通信，其他時間不能搶占總線。

(3)為了體現(xiàn)火警優(yōu)先的原則，總線上的任意節(jié)點如果有火警要上報，只要檢測到CAN總線上有遠程幀就可以搶占總線，無論當(dāng)前巡檢到哪個節(jié)點。若兩個火警同時搶占總線，以CAN總線規(guī)則——地址較小的火警具有較高的優(yōu)先級。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計

系統(tǒng)中每個節(jié)點通過火災(zāi)報警控制器、CAN總線控制器、CAN收發(fā)器連接通訊?；馂?zāi)報警控制器接收信息并完成火災(zāi)判斷、聯(lián)動等功能；CAN控制器用于各節(jié)點之間的數(shù)據(jù)傳遞；CAN收發(fā)器增強了控制器的驅(qū)動能力，保證了火災(zāi)報警控制器之間的通訊距離。

發(fā)送數(shù)據(jù)時，火災(zāi)報警控制器把需要傳送的數(shù)據(jù)寫入CAN控制器的發(fā)送緩沖區(qū)，啟動發(fā)送，數(shù)據(jù)即通過CAN收發(fā)器發(fā)送到總線上；接收數(shù)據(jù)時，CAN控制器通過CAN收發(fā)器從總線上接收數(shù)據(jù)，處理后存人接收緩沖區(qū)，并給出接收中斷信號。這時，火災(zāi)報警器就可以從CAN控制器的接收緩沖區(qū)取走數(shù)據(jù)。

3.1 用戶端自動報警器的硬件設(shè)計

用戶端自動報警器是本課題的設(shè)計重點，它是利用無線通訊技術(shù)和帶CAN控制器的單片機的控制技術(shù)，開發(fā)出來的一種具有聯(lián)網(wǎng)功能的報警器，主要完成現(xiàn)場火情信號的采集，是基于CAN總線的三級智能火災(zāi)報警系統(tǒng)的重要組成部分之一。它主要包含前端探測器、編解碼電路、自動撥號電路和語音報警電路組成。

3.2 區(qū)域控制器的硬件設(shè)計

區(qū)域控制器主要用于樓宇的一個區(qū)域用戶端自動報警器的信息管理和控制，在系統(tǒng)運行時，等待中央控制器的不間斷查詢，并對用戶端自動報警器進行監(jiān)控，并將報警數(shù)據(jù)上傳到中央控制器，從而實現(xiàn)主控計算機機與用戶端自動報警器之間的通訊，同時為方便管理和擴展系統(tǒng)提供一種有效的方法。采用區(qū)域控制器使整個系統(tǒng)更易擴展，便于系統(tǒng)的調(diào)試、維修和管理。區(qū)域控制器是用來連接中央控制器和用戶端報警器的橋梁，它解決了智能小區(qū)節(jié)點分散、數(shù)據(jù)量大的問題，使得管理中心更加容易控制其內(nèi)部的每一個用戶。

區(qū)域控制器選用Intel的89S52單片機芯片為控制核心，在其與用戶端報警器相連的CAN端口側(cè)，安裝了CAN總線收發(fā)器，以及光耦隔離防干擾裝置，解決了與用戶端報警器之間的信號交換問題。而與中央控制主機相連的CAN端口側(cè)，同樣安裝了CAN總線收發(fā)器，解決與中央控制主機之間的信號交換問題。另外，加入防破壞識別模塊和報警器模塊可使物業(yè)監(jiān)控主機及時發(fā)現(xiàn)對區(qū)域控制器線路的人為破壞，并及時修復(fù)。

3.3 中央控制器的硬件設(shè)計

中心中央控制器是主控計算機與區(qū)域控制器之間的橋梁、紐帶，負(fù)責(zé)主控計算機與區(qū)域控制器之間的指令、數(shù)據(jù)的存儲與傳輸。智能小區(qū)的每個房間都安裝一個用戶端自動報警器，因此不止需要一個區(qū)域控制器，由于通訊距離、速度和質(zhì)量的限制，不可能每一個區(qū)域控制器都和主控計算機之間直接進行指令和數(shù)據(jù)的通訊，所以采用中央控制器作為中間橋梁，將區(qū)域控制器的報警信息等數(shù)據(jù)事先存在中央控制器，等待主控計算機查詢。

中央控制器組成結(jié)構(gòu)和區(qū)域控制器類似。不同的是中央控制器主要完成主控計算機的RS-232信號和區(qū)域控制器的CAN信號之間的轉(zhuǎn)換，它是主控計算機和區(qū)域控制器之間的橋梁，是數(shù)據(jù)的中間存儲站。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件由監(jiān)控軟件和功能軟件構(gòu)成，其中最關(guān)鍵的是通訊軟件。

監(jiān)控軟件主要進行初始化工作，循環(huán)掃描輸人模塊，并利用火災(zāi)判據(jù)對輸人信號進行判斷。即系統(tǒng)上電復(fù)位后，依次進行單片機初始化、顯示初始化和CAN初始化，隨后讀取輸人的模擬量數(shù)據(jù)，將此數(shù)據(jù)信息與已設(shè)定的火災(zāi)判據(jù)進行分析比對，判斷是否有險情。

圖2 CAN中斷服務(wù)程序框圖

通信軟件分為CAN初始化、數(shù)據(jù)發(fā)送和數(shù)據(jù)接收。

(1)初始化

在開機和復(fù)位后，需要對CAN總線控制器進行初始化，通過對總線控制器的寄存器寫人控制字從而確定其工作方式。初始化時，首先給CAN控制器發(fā)出復(fù)位指令，然后給其相關(guān)的寄存器寫人相應(yīng)的控制字。

(2)CAN控制器的發(fā)送與接收功能均可借助其中斷服務(wù)執(zhí)行，如圖2所示。

5 結(jié)論

本系統(tǒng)采用了非常有發(fā)展前途的CAN總線技術(shù)，利用其靈活、直接的數(shù)據(jù)交換方式及高可靠性和高速率、傳輸距離較長等優(yōu)點，實現(xiàn)基于CAN總線的數(shù)據(jù)收發(fā)和與主機的通訊，構(gòu)建出智能火災(zāi)報警(聯(lián)動)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的設(shè)計基礎(chǔ)，該智能火災(zāi)報警系統(tǒng)在前端火災(zāi)探測部分采用多元無線報警的方案，這樣可以大大的減少誤報率和漏報率，提高了系統(tǒng)的可靠性，同時不需另外接線，實現(xiàn)了最優(yōu)的性能價格比和最廣的應(yīng)用覆蓋面，提高產(chǎn)品的競爭能力，擴展方便。本系統(tǒng)已應(yīng)用在樓宇火災(zāi)報警與聯(lián)動控制實踐中，并取得了較理想的效果。