【摘 要】提出一種基于CAN總線的分布式船舶火災(zāi)自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)，采用感溫探測器，火焰探測器，感煙霧火警探測器來監(jiān)測船舶的各類火情，使用STM32 Cortex-M3處理器實(shí)現(xiàn)火災(zāi)的探測、報(bào)警、聯(lián)動(dòng)控制和遠(yuǎn)程監(jiān)測，CAN總線和Cortex-M3處理器的使用大大提高了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和可靠性。

【關(guān)鍵詞】船舶;火災(zāi)監(jiān)控;CAN總線;分布式

隨著航運(yùn)業(yè)的快速發(fā)展以及各大航運(yùn)中心建設(shè)的大前提下，船舶業(yè)朝著大型化、專業(yè)化及自動(dòng)化方向發(fā)展，船舶自動(dòng)化技術(shù)產(chǎn)業(yè)已成為當(dāng)今世界主要海洋強(qiáng)國的支柱產(chǎn)業(yè)之一。船舶自動(dòng)化程度越高，使得各控制系統(tǒng)，監(jiān)控系統(tǒng)，導(dǎo)航系統(tǒng)，各種設(shè)備間形成一個(gè)有機(jī)的整體，各系統(tǒng)的有序運(yùn)轉(zhuǎn)對(duì)船舶設(shè)備、船員的安全都至關(guān)重要，而火災(zāi)作為一種常見隱患，一旦發(fā)生，對(duì)保證船舶設(shè)備和船員的安全有著重大意義。

CAN（Controller Area Network，控制器局域網(wǎng)）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。CAN的應(yīng)用范圍很廣，其高性能和可靠性已被廣泛認(rèn)同，并被廣泛地應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化、船舶、醫(yī)療設(shè)備、工業(yè)設(shè)備等方面。

本文針對(duì)船舶常見的火災(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)探測傳感器、監(jiān)控系統(tǒng)控制器、現(xiàn)場監(jiān)控單元、聯(lián)動(dòng)單元、遠(yuǎn)程監(jiān)控單元等組成。

系統(tǒng)的使用基于CAN總線的通信網(wǎng)絡(luò)，每個(gè)火災(zāi)現(xiàn)場檢測單元均包含一個(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)警及現(xiàn)場聯(lián)動(dòng)裝置。一方面，可以通知工作人員發(fā)生火情；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。

使用CAN總線的分布式智能化火災(zāi)監(jiān)測系統(tǒng)，可以避免較一般報(bào)警系統(tǒng)監(jiān)測報(bào)警系統(tǒng)都存在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、電纜過多、延伸報(bào)警不方便等缺點(diǎn)[1]。

2.火災(zāi)探測單元

船舶內(nèi)環(huán)境空間小，由于絕大部分火災(zāi)發(fā)生時(shí)都伴隨一定的發(fā)熱現(xiàn)象，都有一定的溫度升高，因此可以通過不同的傳感器采集煙霧、溫度數(shù)據(jù)等火災(zāi)數(shù)據(jù)?？筛鶕?jù)實(shí)際情況選擇感溫探測器，感煙探測器，火焰探測器或其組合，以達(dá)到最佳的探測效果。

2.1感溫型探測器的使用

感溫型探測器是利用熱敏元件來探測火情的。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。

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

感溫探測器常用的感應(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。

感溫探測器工作比較穩(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。

2.2火焰探測器

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

2.3感煙式探測器

煙霧傳感器就是通過監(jiān)測煙霧的濃度來實(shí)現(xiàn)火災(zāi)防范的，常見的煙霧探測器有光電式和離子式，探測光源發(fā)出的光在無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)比判斷即可探測到有無煙霧。

離子型探測器的工作原理是:當(dāng)有煙霧發(fā)生時(shí)，離子室的離子流隨煙霧的大小而發(fā)生相應(yīng)的變化，其基準(zhǔn)輸出點(diǎn)的電位也隨之發(fā)生變化，這樣，離子室就將煙霧的物理量的變化轉(zhuǎn)化成一個(gè)電量的變化[3] ，從而檢測到火警的發(fā)生。

3.現(xiàn)場監(jiān)控單元

3.1現(xiàn)場監(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)場檢測單元中有微處理器，具有一定的智能，可以自動(dòng)報(bào)警，這是當(dāng)前火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)[4]。

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72MHz，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。

CAN總線收發(fā)器采用SN65HVD230，它是德州儀器公司生產(chǎn)的3.3V CAN收發(fā)器，該收發(fā)器具有差分收發(fā)能力，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)，微控制器接受到來自感溫探測器、火焰探測器、煙霧探測器或者現(xiàn)場人員的手動(dòng)報(bào)警信息，控制報(bào)警裝置發(fā)出報(bào)警信號(hào)，同時(shí)通過控制現(xiàn)場聯(lián)動(dòng)，執(zhí)行排煙、噴淋、化學(xué)滅火或斷電等動(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。

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)連接方式先對(duì)較簡單，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]。

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)場報(bào)警信息的采集判斷，現(xiàn)場聯(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來處理，即使接收到的數(shù)據(jù)太多，CPU還未來得及處理，也不會(huì)造成CAN報(bào)文的丟失。

CAN節(jié)點(diǎn)使用ID列表過濾方式來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)過濾，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)，跳過大量與自己無關(guān)的數(shù)據(jù)。

5.小結(jié)

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

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。 [科]

【參考文獻(xiàn)】

［１］王常順，肖海榮，潘為剛. CAN總線的船舶機(jī)艙監(jiān)測報(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)合探測器[D].合肥工業(yè)大學(xué)，2006.

［５］饒運(yùn)濤，鄒繼軍.現(xiàn)場總線CAN原理與應(yīng)用[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2003.6.

［６］李寧.基于MDK的STM32處理器開發(fā)應(yīng)用 [M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2008.1.