殷文貴

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

0 引言

船舶火災(zāi)作為一種常見隱患，一旦發(fā)生，勢必造成系統(tǒng)功能故障，若不及時發(fā)現(xiàn)和控制，事故進(jìn)一步擴大，對設(shè)備和人員，都會帶來極大的損失。火災(zāi)的監(jiān)控和預(yù)防，對保證船舶設(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的分布實時控制。本文針對船舶常見的火災(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)時現(xiàn)場發(fā)出聲光報警及切斷相關(guān)設(shè)備的電源、啟動排煙裝置、打開噴淋裝置等相關(guān)聯(lián)動操作。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

船舶火災(zāi)自動監(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)，每個火災(zāi)現(xiàn)場檢測單元包含一個 CAN節(jié)點，發(fā)生火情時，監(jiān)控系統(tǒng)控制器通過現(xiàn)場的探測器、輸入模塊或者手動報警按鈕得知火情，并在第一時間控制報警裝置發(fā)出聲光報警，控制現(xiàn)場聯(lián)動裝置。同時，將火災(zāi)信息通過 CAN總線發(fā)送到監(jiān)控中心及遠(yuǎn)程聯(lián)動單元。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)動控制器控制消防電氣設(shè)備啟動滅火設(shè)施。

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

2 火災(zāi)探測單元

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)生時都伴隨一定的發(fā)熱及溫度的升高，可以通過不同的傳感器，同時采集煙霧、溫度數(shù)據(jù)等火災(zāi)數(shù)據(jù)。

圖1 分布式智能火災(zāi)自動報警系統(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)有感煙探測器；在預(yù)期火災(zāi)發(fā)展快，有強烈火焰的地方，應(yīng)選擇火焰探測器；在火災(zāi)發(fā)展迅速，可產(chǎn)生大量熱，煙和火焰輻射設(shè)施或場所，可選擇感溫探測器，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。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，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出這種變化。

在檢測電路中，Rp為熱敏電阻，R2=R3，室溫下，RT﹤R0，此時光控二級管處于導(dǎo)通狀態(tài)，微控制器檢測到低電平。當(dāng)發(fā)生火情時，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，此時微控制器檢測到高電平[2]，從而檢測到火災(zāi)的發(fā)生。

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)檢測電路

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，其檢測譜帶如圖4所示。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。

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

圖4 火焰探測器工作譜帶

2.3 感煙式探測器

煙霧傳感器就是通過監(jiān)測煙霧的濃度來實現(xiàn)火災(zāi)防范的，常見的煙霧探測器有光電式和離子式，光電式的監(jiān)測原理如圖5所示。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光敏元件接收，光敏元件將光信號轉(zhuǎn)換成電信號后對比判斷即可探測到有無煙霧。

圖5 光電式煙霧探測器原理

離子型探測器的工作原理是：采用離子室來探測煙霧物理量的一種器件，當(dāng)環(huán)境中無煙霧時即探測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)輸出電平保持相對穩(wěn)定，而當(dāng)有煙霧充斥環(huán)境時，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)報警系統(tǒng)的一個典型特征是現(xiàn)場檢測單元中有微處理器，同時具有一定的智能，能夠自動報警，這是當(dāng)今火災(zāi)自動報警系統(tǒng)的一種發(fā)展趨勢[4]。

現(xiàn)場監(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時鐘達(dá)到72 MHz，它擁有2個CAN接口， 2個I2C，5個UART,3個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，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)場人員的手動報警信息，經(jīng)過判斷后，控制報警裝置發(fā)出報警信號，同時通過控制現(xiàn)場聯(lián)動控制接口，執(zhí)行排煙、噴淋、化學(xué)滅火或斷電等聯(lián)動動作，及時對火災(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)場的同時，還將火災(zāi)情況，如溫度，火災(zāi)類型，火災(zāi)地點，時間，聯(lián)動控制信號等數(shù)據(jù)，通過 CAN總線及時發(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)也是依照開放系統(tǒng)互連規(guī)范按層次結(jié)構(gòu)設(shè)計的?？紤]到作為工業(yè)測控底層網(wǎng)絡(luò)，其信息傳輸量相對較少，信息傳輸?shù)膶崟r性要求較高，網(wǎng)絡(luò)連接方式相對較簡單，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]。

圖7 CAN總線的OSI結(jié)構(gòu)圖

物理層定義了信號是如何實現(xiàn)傳輸?shù)?，涉及到位定時、位編碼/解碼、同步的解釋。數(shù)據(jù)鏈層包含介質(zhì)訪問控制子層 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)報文分幀、仲裁、應(yīng)答、錯誤檢測和標(biāo)定，把接收到的報文提供給 LLC 子層，并接受來自LLC 子層的報文；LLC 子層涉及報文驗收濾波、過載通知和恢復(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、時間、報警控制、聯(lián)動操作控制等數(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

各個 CAN節(jié)點軟件功能包含現(xiàn)場報警信息的采集判斷，現(xiàn)場聯(lián)動控制，以及 CAN總線協(xié)議OSI 7層結(jié)構(gòu)中應(yīng)用層的實現(xiàn)。

STM32105的CAN總線控制器含有2個3 級深度FIFO，CAN報文的接收使用FIFO來處理，即使接收到的數(shù)據(jù)太多，CPU還未來得及處理，也不會造成CAN報文的丟失。

CAN節(jié)點使用ID列表過濾方式來實現(xiàn)數(shù)據(jù)過濾，列表中設(shè)置一個共同的廣播地址和一個CAN節(jié)點地址，每個CAN節(jié)點只處理廣播數(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)。

STM32的軟件開發(fā)使用ARM公司推出的嵌入式開發(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(Firmware library)[6]。使用這個函數(shù)庫，無需深入處理器的細(xì)節(jié)即可應(yīng)用每一個外設(shè)，因而開發(fā)精力可以集中在應(yīng)用軟件功能的實現(xiàn)上。

上位機采用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)庫的使用，完成對火災(zāi)信息的監(jiān)控、顯示、報警、聯(lián)動控制，記錄等功能。

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)，實現(xiàn)對火災(zāi)的探測。

CAN總線和Cortex-M3處理器的使用，有效地實現(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、實時性、可靠性都得到了提高，并具有功能和容量易于擴展的優(yōu)點，具有很好的應(yīng)用前景。

:

[1]王常順，肖海榮，潘為剛. CAN總線的船舶機艙監(jiān)測報警系統(tǒng)設(shè)計[J]. 自動化與儀表, 2010, (10):25-27.

[2]李堯, 佘焱. 水泵電機綜合保護(hù)裝置的設(shè)計[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(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]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.