魏立明,　陳曉旭,　孫雪景,　王立光

(吉林建筑大學(xué), 吉林 長(zhǎng)春　130118)

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智能消防控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究*

魏立明,陳曉旭,孫雪景,王立光

(吉林建筑大學(xué), 吉林 長(zhǎng)春130118)

摘要：基于CAN總線技術(shù)對(duì)智能消防控制系統(tǒng)進(jìn)行了研究。在硬件方面,對(duì)消防控制系統(tǒng)中的設(shè)備進(jìn)行了選型,采用CAN總線技術(shù)將智能消防控制系統(tǒng)的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行組網(wǎng),實(shí)現(xiàn)了智能消防控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化和智能化。在軟件方面,運(yùn)用智能火災(zāi)報(bào)警判定綜合算法對(duì)火災(zāi)特征參數(shù)數(shù)據(jù)進(jìn)行多種修正、補(bǔ)償和判定,降低了火災(zāi)的誤報(bào)率和漏報(bào)率。設(shè)計(jì)方案可以為相似智能消防系統(tǒng)的應(yīng)用提供借鑒和參考。

關(guān)鍵詞：CAN總線; 智能消防控制系統(tǒng); 智能火災(zāi)報(bào)警判定綜合算法; 節(jié)點(diǎn); 智能化

0引言

隨著我國科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步和社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,城市化建設(shè)進(jìn)一步加快,高大密集型建筑和具有民族特色的建筑不斷涌現(xiàn),導(dǎo)致智能建筑內(nèi)的通道變得更長(zhǎng),樓層結(jié)構(gòu)更復(fù)雜,公共場(chǎng)所人員突發(fā)的事件發(fā)生頻率逐漸增高。如何在現(xiàn)有消防控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn),通過通信技術(shù)、設(shè)備硬件和先進(jìn)的消防理念的發(fā)展,不斷促進(jìn)消防控制系統(tǒng)的升級(jí),設(shè)計(jì)更加完善的消防控制系統(tǒng)是未來消防控制系統(tǒng)的發(fā)展方向。

本文基于CAN總線技術(shù)對(duì)消防控制系統(tǒng)進(jìn)行了研究,詳細(xì)闡述了消防控制系統(tǒng)的硬件選型和軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面的問題。

1設(shè)計(jì)方案

智能消防控制系統(tǒng)作為現(xiàn)代智能樓宇的子系統(tǒng)之一,目前廣泛應(yīng)用于工業(yè)廠房、居民樓、學(xué)校、商場(chǎng)和國防等重要建筑群。智能消防控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖 1所示。

圖1　智能消防控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

(1) 內(nèi)、外因火災(zāi)防治系統(tǒng)分別負(fù)責(zé)內(nèi)、外因火災(zāi)的監(jiān)測(cè)、判定和防治的功能。

(2) 計(jì)算機(jī)專家系統(tǒng)采用專家?guī)?對(duì)火災(zāi)信息和災(zāi)區(qū)狀況等進(jìn)行分析,自動(dòng)生成危險(xiǎn)區(qū)域、災(zāi)區(qū)人員疏散路線、防/滅火方案等信息,并由滅火指揮人員根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況修改、發(fā)布。計(jì)算機(jī)專家系統(tǒng)對(duì)火災(zāi)信息分析和疏散路線、防滅火方案選取準(zhǔn)確程度,將影響整個(gè)消防系統(tǒng)的智能水平。

(3) 火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)在接到火警后,將報(bào)警信息通過有線或無線通信方式通知危險(xiǎn)區(qū)域人員和救災(zāi)人員,報(bào)警內(nèi)容包含火災(zāi)類型、災(zāi)害區(qū)域、疏散路線等信息。

(4) 消防聯(lián)動(dòng)控制系統(tǒng)可更加準(zhǔn)確地了解災(zāi)區(qū)人員分布狀況,使疏散路線方案選取以及人員疏散指導(dǎo)更加合理、準(zhǔn)確。

針對(duì)傳統(tǒng)消防控制系統(tǒng)誤報(bào)率高和消防效率低等問題,本文設(shè)計(jì)出了智能化程度高、可靠性高和消防效率高的智能消防控制系統(tǒng)。智能消防控制系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案如圖2 所示。

圖2　智能消防控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

在智能消防控制系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案中,消防報(bào)警控制器采用STC15F2K60S2單片機(jī),經(jīng)過 A/D 轉(zhuǎn)換將火災(zāi)特征參數(shù)模擬量變成數(shù)字量;使用CAN總線作為智能消防控制系統(tǒng)的通信總線,將火災(zāi)數(shù)據(jù)傳送給PC機(jī);PC機(jī)作為火災(zāi)實(shí)時(shí)監(jiān)控主機(jī),運(yùn)用編寫的智能火災(zāi)報(bào)警判定綜合算法對(duì)火災(zāi)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、處理,并將報(bào)警信號(hào)傳送給消防聯(lián)動(dòng)控制器;消防聯(lián)動(dòng)控制器同樣采用STC15F2K60S2單片機(jī),控制消防聯(lián)動(dòng)設(shè)備完成消防任務(wù)。較低的誤報(bào)率和漏報(bào)率進(jìn)而提高了火災(zāi)報(bào)警的準(zhǔn)確率,體現(xiàn)了智能消防控制系統(tǒng)的智能性和可靠性。

2智能消防控制系統(tǒng)硬件選型

硬件是智能消防控制系統(tǒng)的基本骨架,硬件系統(tǒng)直接影響智能消防控制系統(tǒng)的實(shí)施效果。根據(jù)智能消防控制系統(tǒng)硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)需求,對(duì)感溫探測(cè)器、感煙探測(cè)器、復(fù)合型探測(cè)器、消防報(bào)警控制器、CAN總線控制器、智能協(xié)議轉(zhuǎn)換器和消防聯(lián)動(dòng)控制器等主要設(shè)備進(jìn)行選型,并進(jìn)行詳細(xì)的分析說明。設(shè)備類型及選型如表1所示。

表1設(shè)備類型及選型

設(shè)備類型選型感溫探測(cè)器JTW-ZD-JBF-3110感煙探測(cè)器JTY-GD-3002C復(fù)合型探測(cè)器JTF-YW-ZM2251TB消防報(bào)警控制器STC15F2K60S2CAN總線控制器SJA1000智能協(xié)議轉(zhuǎn)換器CAN232MB消防聯(lián)動(dòng)控制器STC15F2K60S2

消防報(bào)警控制器核心采用STC15F2K60S2芯片,屬1T增強(qiáng)型8051單片機(jī),在相同工作頻率狀態(tài)下,速度比普通8051單片機(jī)速度要高8~12倍。STC15F2K60S2芯片集成了8通道10位精度的A/D轉(zhuǎn)換模塊,速度為30萬次/s,3路脈寬調(diào)制(Pulse Width Modulation,PWM)還可當(dāng)作D/A使用,具有速度快、可靠性高、消耗低、抗干擾超強(qiáng)等特性。消防報(bào)警控制原理如圖3所示。

圖3　消防報(bào)警控制原理

智能消防控制系統(tǒng)主要采用CAN總線技術(shù)將各個(gè)節(jié)點(diǎn)組成網(wǎng)絡(luò),節(jié)點(diǎn)不會(huì)影響其他節(jié)點(diǎn)的工作,從而不會(huì)影響整個(gè)智能消防控制系統(tǒng)的運(yùn)行,使PC機(jī)能準(zhǔn)確、有效地對(duì)火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控和管理,還可以使聯(lián)動(dòng)設(shè)備高效、快速地完成滅火的任務(wù),實(shí)現(xiàn)智能消防控制系統(tǒng)的智能化和網(wǎng)絡(luò)化。CAN總線的優(yōu)點(diǎn)和性能提高了智能消防控制系統(tǒng)的可靠性。CAN總線的通信網(wǎng)絡(luò)如圖4所示。

圖4　CAN總線的通信網(wǎng)絡(luò)

常規(guī)雙終端總線網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是在CAN總線兩端各連接1個(gè)120 Ω的終端電阻,總線阻值為60 Ω。由1組電纜直接連接的線路有且只有2個(gè)終端電阻。CAN總線通信時(shí),阻抗的不連續(xù)以及阻抗的不匹配是形成信號(hào)反射的主要原因,而終端電阻能夠解決通信電纜中信號(hào)的反射情況。該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,不僅可以增加智能消防控制系統(tǒng)傳輸?shù)木嚯x,還可以提高智能消防控制系統(tǒng)的抗干擾能力和可靠性。

在實(shí)際應(yīng)用中,尤其是在現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行環(huán)境較差、干擾嚴(yán)重的情況下,如何提高CAN總線的抗干擾能力,使系統(tǒng)更可靠地運(yùn)行,是設(shè)計(jì)者關(guān)注的重點(diǎn)。硬件設(shè)計(jì)階段采用的抗干擾措施有:在CAN控制芯片與CAN驅(qū)動(dòng)間加快速光耦(6N137)隔離;在CAN驅(qū)動(dòng)級(jí)使用獨(dú)立的隔離電源;在CAN總線間加瞬變電壓吸收器;盡量減少CAN總線電纜長(zhǎng)度及終端電阻個(gè)數(shù);CAN總線使用屏蔽電纜并接地等。

軟件抗干擾技術(shù)方法可以用軟件實(shí)現(xiàn),也可以采用軟硬件相結(jié)合的方法實(shí)現(xiàn)。常用的軟件抗干擾措施有:數(shù)字濾波方法、輸入口信號(hào)重復(fù)檢測(cè)方法、輸出端口數(shù)據(jù)刷新方法、軟件攔截技術(shù)(指令冗余、軟件陷阱)、“看門狗”技術(shù)等。該系統(tǒng)主要采用“看門狗”技術(shù)。

3智能消防控制系統(tǒng)的軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

智能消防控制系統(tǒng)的消防報(bào)警控制器和消防聯(lián)動(dòng)控制器都是由STC15F2K60S2的最小系統(tǒng)組成的,這兩種控制器都需要軟件來實(shí)現(xiàn)。STC消防報(bào)警控制器的A/D模塊需要設(shè)置正確的軟件,實(shí)現(xiàn)火災(zāi)特征參數(shù)數(shù)據(jù)模擬量到數(shù)字量的轉(zhuǎn)換。CAN總線模塊需要正確的軟件設(shè)置與編程,實(shí)現(xiàn)STC消防報(bào)警控制器和監(jiān)控主機(jī)(PC機(jī))的通信。STC消防聯(lián)動(dòng)控制器需要正確的軟件設(shè)置和編程,實(shí)現(xiàn)STC消防聯(lián)動(dòng)控制器與消防聯(lián)動(dòng)設(shè)備的通信。

CAN總線模塊的軟件主要由SJA1000的初始化、數(shù)據(jù)的接收及發(fā)送組成。SJA1000作為CAN總線獨(dú)立控制器,能夠提高CAN總線的抗干擾能力,其初始化必須處于復(fù)位的模式下才能完成。SJA1000進(jìn)行初始化前,應(yīng)進(jìn)入復(fù)位操作模式,根據(jù)實(shí)際的需要,把初始化的各參數(shù)通過數(shù)據(jù)手冊(cè)中的計(jì)算方法進(jìn)行計(jì)算,然后再將各參數(shù)寫入對(duì)應(yīng)的寄存器中。SJA1000初始化流程如圖5所示。

圖5　SJA1000初始化流程

初始化過程主要包括設(shè)置工作方式、設(shè)置驗(yàn)收代碼寄存器和驗(yàn)收屏蔽寄存器、設(shè)置總線定時(shí)寄存器、設(shè)置輸出控制寄存器和設(shè)置中斷寄存器等。需要初始化的CAN控制寄存器有:模式寄存器、時(shí)分寄存器、驗(yàn)收代碼寄存器、驗(yàn)收屏蔽寄存器、總線定時(shí)寄存器和輸出控制寄存器等。SJA1000初始化設(shè)置結(jié)束后,能夠進(jìn)入工作狀態(tài),從而進(jìn)行工作通信。在智能消防控制系統(tǒng)中,火災(zāi)報(bào)警判定算法至關(guān)重要。本文的智能火災(zāi)報(bào)警判定綜合算法是將閾值比較法和斜率判定法兩種算法結(jié)合,利用現(xiàn)代計(jì)算機(jī)處理大規(guī)模數(shù)據(jù)的技術(shù)和能力,對(duì)火災(zāi)特征參數(shù)數(shù)據(jù)進(jìn)行多種修正、補(bǔ)償和判定,減少火災(zāi)的誤報(bào)和漏報(bào),提高了火災(zāi)探測(cè)器辨別火災(zāi)真假的能力,也大大提高了火災(zāi)報(bào)警的準(zhǔn)確率,體現(xiàn)了智能消防控制系統(tǒng)的智能性和可靠性。

智能火災(zāi)報(bào)警判定綜合算法組成如圖6所示,主要由A/D轉(zhuǎn)換、數(shù)字濾波、閾值比較、靈敏度自動(dòng)調(diào)節(jié)、漂移補(bǔ)償、斜率判定、上升速率分析以及時(shí)間積累組成?；馂?zāi)探測(cè)器探測(cè)的火災(zāi)特征參數(shù)數(shù)據(jù)是模擬信號(hào),經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換變成數(shù)字信號(hào)。

圖6　智能火災(zāi)報(bào)警判定綜合算法組成

智能消防控制監(jiān)控系統(tǒng)的主界面主要由系統(tǒng)界面、監(jiān)控界面、聯(lián)動(dòng)設(shè)備界面、報(bào)警記錄界面和幫助界面等組成。監(jiān)控系統(tǒng)內(nèi)設(shè)置時(shí)鐘,在記錄火災(zāi)信息時(shí)要以此時(shí)間作為標(biāo)準(zhǔn),實(shí)時(shí)地記錄火災(zāi)信息。智能消防控制監(jiān)控系統(tǒng)的主界面如圖7所示。

圖7　智能消防控制監(jiān)控系統(tǒng)的主界面

監(jiān)控界面主要由數(shù)據(jù)顯示及報(bào)警和參數(shù)整定組成。

(1) 數(shù)據(jù)顯示及報(bào)警界面主要是對(duì)各樓層電氣設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控,顯示其電流、一路溫度和二路溫度。當(dāng)剩余電流實(shí)際測(cè)量值超過報(bào)警所設(shè)置的數(shù)值時(shí),就會(huì)顯示報(bào)警的狀態(tài),報(bào)警提示也會(huì)自動(dòng)提示報(bào)警回路,以便及時(shí)滅火和處理故障。數(shù)據(jù)顯示及報(bào)警界面如圖8所示。

圖8　數(shù)據(jù)顯示及報(bào)警界面

(2) 當(dāng)某一處顯示報(bào)警信號(hào),且滅火之后,可對(duì)其進(jìn)行參數(shù)整定及復(fù)位。參數(shù)整定界面如圖9所示。

圖9　參數(shù)整定界面

聯(lián)動(dòng)設(shè)備界面主要包括應(yīng)急廣播、照明指示燈、疏散指示燈、火災(zāi)信息顯示器等。發(fā)生火災(zāi)時(shí)可開啟聯(lián)動(dòng)設(shè)備,滅火后可關(guān)閉聯(lián)動(dòng)設(shè)備。聯(lián)動(dòng)設(shè)備界面如圖10 所示。

圖10　聯(lián)動(dòng)設(shè)備界面

4結(jié)語

本文基于CAN總線技術(shù)對(duì)智能消防控制系統(tǒng)進(jìn)行了研究,采用STC15F2K60S2單片機(jī)作為智能消防控制系統(tǒng)的消防報(bào)警控制器和消防聯(lián)動(dòng)控制器,通過CAN232MB智能協(xié)議轉(zhuǎn)換器與上位機(jī)相連,將智能消防控制系統(tǒng)的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行組網(wǎng),實(shí)現(xiàn)了智能消防控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化和智能化。運(yùn)用智能火災(zāi)報(bào)警判定綜合算法對(duì)火災(zāi)特征參數(shù)數(shù)據(jù)進(jìn)行多種修正、補(bǔ)償和判定,降低了火災(zāi)的誤報(bào)率和漏報(bào)率。利用VB軟件實(shí)現(xiàn)智能消防監(jiān)控,實(shí)時(shí)地掌握火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)態(tài)并及時(shí)記錄火災(zāi)信息,提高智能消防控制系統(tǒng)的可靠性。

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《現(xiàn)代建筑電氣》編輯部

Design and Research on Intelligent Fire Control System

WEILiming,CHENXiaoxu,SUNXuejing,WANGLiguang

(Jilin Jianzhu University, Changchun 130118, China)

Abstract：The intelligent fire control system was studied based on CAN bus technology.In hardware,the equipments of fire control system were selected.By using of CAN bus technology,the node networking of intelligent fire control system was obtained to achieve the networking and intelligence of the intelligent fire control system.In software,the intelligent alarm fire synthesis algorithm was used to determine the various modifications,compensation and determination of characteristic parameter data,in order to reduce the false positive rate and false negative rate of fire.The design scheme can provide references for the application of intelligent fire systems.

Key words:CAN bus; intelligent fire control system; intelligent fire alarm synthesis algorithm; node; intelligence

收稿日期：2015-07-29

中圖分類號(hào)：TU 892

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1674-8417(2016)02-0007-05

*基金項(xiàng)目:國家安全生產(chǎn)總局科學(xué)研究項(xiàng)目(2012-127);吉林建筑大學(xué)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃(201410191017)

陳曉旭(1989—),男,碩士研究生,研究方向?yàn)榻ㄖ姎饧捌渲悄芑?/p>

孫雪景(1979—),女,副教授,研究方向?yàn)榄h(huán)境工程。