如何設(shè)計(jì)一個(gè)以CAN總線為核心的電氣火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)？

1 引言

目前，我國(guó)總線式電氣火災(zāi)報(bào)警裝置正在發(fā)展當(dāng)中，傳統(tǒng)的總線式電氣火災(zāi)報(bào)警器（比如二總線、RS-485等）存在一定缺陷：數(shù)據(jù)傳輸速度低、距離短，數(shù)據(jù)丟失率高，可連接的探測(cè)器數(shù)量較少，無法充分發(fā)揮總線式電氣火災(zāi)報(bào)警裝置的優(yōu)勢(shì)。因此設(shè)計(jì)一種新型總線式電氣火災(zāi)報(bào)警裝置勢(shì)在必行。

由于電氣火災(zāi)具有發(fā)生頻率高、發(fā)生時(shí)間和地點(diǎn)隨機(jī)、危害特別大等特點(diǎn)，國(guó)家消防局陸續(xù)制定和修改了多項(xiàng)政策法規(guī)，對(duì)一些高層建筑強(qiáng)制安裝電氣防火設(shè)備，電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)面臨著巨大的商機(jī)。

2 系統(tǒng)整體方案

本設(shè)計(jì)方案的電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)包括電氣火災(zāi)監(jiān)控設(shè)備和電氣火災(zāi)探測(cè)器兩部分。每個(gè)電氣火災(zāi)探測(cè)器至少可帶一路漏電流互感器、一個(gè)斷路器和一路溫度傳感器。輸電線路經(jīng)過斷路器和漏電流互感器接到用戶負(fù)載。探測(cè)器通過互感器檢測(cè)一組用戶線路的漏電流，通過溫度傳感器檢測(cè)線纜溫度。探測(cè)器和監(jiān)控設(shè)備之間通過CAN總線通信。每個(gè)探測(cè)器必須設(shè)置一個(gè)獨(dú)一無二的ID，用于區(qū)別其他的探測(cè)器。用戶在使用之前，先根據(jù)需要設(shè)置好漏電流報(bào)警值和溫度報(bào)警值。系統(tǒng)的總體方案如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體方案結(jié)構(gòu)圖

一旦檢測(cè)到報(bào)警信號(hào)，探測(cè)器會(huì)再次復(fù)核，若還能檢測(cè)到報(bào)警信號(hào)，探測(cè)器會(huì)控制斷路器迅速切斷電路，同時(shí)發(fā)出聲光報(bào)警，并把報(bào)警信息發(fā)送給監(jiān)控設(shè)備。探測(cè)器會(huì)一直保持聲、光報(bào)警信號(hào)，直到用戶按消音鍵消除聲音或排除故障后才能恢復(fù)正常。監(jiān)控設(shè)備通過320×240液晶屏實(shí)時(shí)顯示各監(jiān)控線路的運(yùn)行狀態(tài)，如果監(jiān)控設(shè)備接收到報(bào)警信息，則顯示報(bào)警所在節(jié)點(diǎn)的位置、報(bào)警類型、報(bào)警值和設(shè)定值等。同時(shí)發(fā)出聲光報(bào)警信號(hào)，提醒消防人員及時(shí)去現(xiàn)場(chǎng)查明原因，有效預(yù)防電氣火災(zāi)的發(fā)生。還可以存儲(chǔ)報(bào)警信息，作為消防人員排查火災(zāi)原因的依據(jù)。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

3.1 電氣火災(zāi)探測(cè)器

電氣火災(zāi)探測(cè)器的主要功能是檢測(cè)電路的剩余電流和溫度，并把采集到的數(shù)據(jù)通過CAN總線發(fā)送給監(jiān)控設(shè)備。探測(cè)器可配置ID，用于網(wǎng)絡(luò)中區(qū)別于其他探測(cè)器?？稍O(shè)置漏電報(bào)警值和溫度報(bào)警值，并可選擇在漏電達(dá)到報(bào)警值時(shí)手動(dòng)或者自動(dòng)斷開斷路器。其硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 探測(cè)器硬件結(jié)構(gòu)圖

探測(cè)器的主控制芯片選用價(jià)格低廉的PIC系列單片機(jī)PIC24H64GP506.該芯片是Microchip公司推出的高性能16位單片機(jī)，采用改進(jìn)型哈佛結(jié)構(gòu)。有53個(gè)通用I/O口、64K的程序存儲(chǔ)區(qū)、8通道硬件DMA、集成PLL可實(shí)現(xiàn)擴(kuò)頻。帶一個(gè)增強(qiáng)型的ECAN模塊，在報(bào)文接收和發(fā)送時(shí)采用DMA的FIFO模式，提高了代碼的執(zhí)行效率。采用了低功耗CMOS閃存工藝，全靜態(tài)設(shè)計(jì)，工作電壓3.3V.

溫度測(cè)量采用數(shù)字式傳感器DSl8B20.與傳統(tǒng)的熱敏電阻相比，DSl8B20具有如下性能特點(diǎn)：獨(dú)特的單線接口方式，與微處理器連接時(shí)僅需要一條線即可實(shí)現(xiàn)雙向通訊；在使用中不需要任何外圍元件；可用數(shù)據(jù)線供電，電壓范圍3.0V~5.5V;通過編程可實(shí)現(xiàn)9~12位的數(shù)字讀數(shù)方式；用戶可自設(shè)定非易失性的報(bào)警上下限值；支持多點(diǎn)組網(wǎng)功能，實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)測(cè)溫；負(fù)壓特性，電源極性接反時(shí)，溫度計(jì)不會(huì)因發(fā)熱而燒毀。因而使用DSl8B20可使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)單，可靠性更高。溫度檢測(cè)電路比較簡(jiǎn)單，只需一根數(shù)據(jù)線接到單片機(jī)的I/O口，數(shù)據(jù)線通過4.7K電阻上拉。電路如圖3所示。

圖3 溫度檢測(cè)電路

剩余電流測(cè)量采用的是穿心式電流互感器。在三相四線制線路中，正常情況下是沒有剩余電流的，流過A相、B相和C相的電流應(yīng)和流過N相的相等，即矢量和為零，此時(shí)互感器的二級(jí)繞組沒有感應(yīng)電流；如果發(fā)生漏電，則矢量和不為零，二級(jí)繞組上就有感應(yīng)電流，該電流經(jīng)過負(fù)荷后就會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電壓。這個(gè)電壓經(jīng)過調(diào)理電路整形放大，再經(jīng)過單片機(jī)A/D采樣處理后就能得到準(zhǔn)確的剩余電流值。剩余電流放大調(diào)理電路如圖4所示。

圖4 電流放大調(diào)理電路

圖4中，MCP6004是Microchip公司生產(chǎn)的低功率運(yùn)算放大器、4運(yùn)放封裝、1M增益帶寬、供電電壓1.8V到5.5V、供電電流100μA.功耗低、性能穩(wěn)定，適合工控產(chǎn)品的使用。Sensor為電流互感器，其二次繞組引出兩根線，一根接地，另一根與電阻R152相連，把電流信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘?hào)Vi.輸出信號(hào)Vo2與單片機(jī)的A/D口連接。為了使峰值檢波電路能根據(jù)輸入漏電流的大小變化跟著瞬態(tài)變化，實(shí)現(xiàn)起來也比較簡(jiǎn)單，就是每次單片機(jī)采樣完，使端口定義為輸出，稍做延時(shí)，使電容迅速放電，再把端口定義為輸入。

探測(cè)器通過控制繼電器來完成斷路器的脫扣功能。斷路器上有一個(gè)AC220V的脫扣器，給脫扣器一個(gè)交流220V電壓就能使斷路器斷開，切斷線路。脫扣器一端接零線，一端接繼電器1腳，繼電器的3腳接火線。繼電器控制火線的通斷就可以實(shí)現(xiàn)脫扣器的開關(guān)，斷路器脫扣電路如圖5.

圖5 斷路器脫扣控制電路

CAN通信電路必須具備較強(qiáng)的抗干擾能力，如雷擊、強(qiáng)電場(chǎng)、電磁輻射的干擾。本設(shè)計(jì)使用了兩個(gè)高速光耦6N137，分別加在了電路的CAN發(fā)送和接收端口，用于把總線和電路隔離開來，這樣總線的干擾就不會(huì)影響電路運(yùn)行。同時(shí)在光耦兩邊用不同的獨(dú)立電源供電，實(shí)現(xiàn)了真正意義上的電氣隔離。此處用了B0505-1W實(shí)現(xiàn)電源隔離。B0505-1W最大輸出功率1W，體積小、價(jià)格便宜，輸入5V輸出為電氣隔離的5V.收發(fā)電路如圖6所示，V+和0為隔離后的電源和地。

CAN收發(fā)器是CAN協(xié)議控制器和物理總線上的接口，這里采用TJAl050.TJAl050是高速CAN收發(fā)器，完全符合ISO11898標(biāo)準(zhǔn)，最高速度1Mbps，電磁輻射EME非常低，差動(dòng)接收器具有較寬的共模范圍，可抗電磁干擾（EMI），待機(jī)模式消耗電流極低，具有通過總線喚醒的功能和熱保護(hù)功能。TJAl050采用了高速模式，并用隔離電源供電。CANH和CANL上的電容和二極管使CAN總線實(shí)現(xiàn)要求更高的抗干擾/輻射性能。

圖6 CAN通信原理圖

3.2 電氣火災(zāi)監(jiān)控設(shè)備

電氣火災(zāi)監(jiān)控設(shè)備由主板、鍵盤和顯示器組成。主板采用Atmel公司的AT90CANl28為控制核心。監(jiān)控設(shè)備先連接探測(cè)器，然后通過鍵盤配置每個(gè)探測(cè)器的ID，打開通信端口，就可以接收CAN總線上面的數(shù)據(jù)（溫度和漏電流）。一旦檢測(cè)到報(bào)警信號(hào)，監(jiān)控設(shè)備就會(huì)持續(xù)發(fā)出聲光報(bào)警，直到管理人員消除報(bào)警信號(hào)并按復(fù)位鍵才能恢復(fù)正常狀態(tài)。報(bào)警時(shí)，液晶顯示屏上會(huì)顯示出報(bào)警節(jié)點(diǎn)的具體信息，如節(jié)點(diǎn)地址、報(bào)警值和設(shè)定值，方便用戶快速定位報(bào)警節(jié)點(diǎn)，及時(shí)消除火災(zāi)隱患。若同時(shí)有多處報(bào)警，顯示界面按國(guó)標(biāo)要求顯示的是最近的那個(gè)報(bào)警節(jié)點(diǎn)信息。監(jiān)控設(shè)備還可遠(yuǎn)程設(shè)置各探測(cè)器的漏電流和溫度報(bào)警值，指定探測(cè)器的斷路器脫扣以切斷用戶線路和對(duì)探測(cè)器遠(yuǎn)程復(fù)位、消音等操作。監(jiān)控設(shè)備設(shè)計(jì)框圖如圖7所示。

圖7 監(jiān)控設(shè)備硬件結(jié)構(gòu)圖

AT90CANl28是Atmel公司推出的高性能8位AVR單片機(jī)，基于AVR RISC結(jié)構(gòu)。芯片采用哈佛結(jié)構(gòu)，所有的寄存器直接與算術(shù)邏輯單元相連，大大提高了代碼效率。硬件資源豐富，有53個(gè)通用I/O口。程序存儲(chǔ)器大小為128KB，同時(shí)帶4k容量的內(nèi)部EEPROM.支持ITAG在線仿真技術(shù)，給軟件開發(fā)帶來了極大的方便，同時(shí)帶CAN控制器。

鍵盤電路采用5×5矩陣鍵盤，一共25個(gè)鍵。實(shí)際只用到24個(gè)，功能為：0~9數(shù)字輸入、上下左右4個(gè)方向鍵、確定、取消、自檢、消音、復(fù)位和5個(gè)功能鍵。鍵盤的列KEY L1到KEY L5分別連接單片機(jī)的5個(gè)外部中斷口，鍵盤的行KEY H1到KEY H5與單片機(jī)的5個(gè)普通IO口相連。

本設(shè)計(jì)為了達(dá)到良好的人機(jī)交互界面效果，采用了320×240點(diǎn)陣的液晶模塊。該模塊為藍(lán)底白字，帶中文字庫，支持圖形和文字模式，使用十分方便。接口電路如圖8所示。液晶模塊留出了22個(gè)接口供用戶編程使用。圖中LCD-RS為寫入命令/數(shù)據(jù)選擇，LCD-RW和LCD-RD為數(shù)據(jù)讀寫接口，LCD-CS為模塊片選，LCD-RES為復(fù)位口，LCD-DB0~LCD-DB7為數(shù)據(jù)輸入口，采用并行通信，一次可寫入一個(gè)字節(jié)。

圖8 液晶顯示接口電路

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

電氣火災(zāi)探測(cè)器總體軟件設(shè)計(jì)如圖9所示。程序從初始化開始，初始化包括了單片機(jī)I/O口初始化、A/D初始化、CAN控制器初始化等準(zhǔn)備工作。接著單片機(jī)開始采集漏電流和溫度數(shù)據(jù)。為了保證采樣的實(shí)時(shí)性，漏電流的采集采用了定時(shí)采樣。

圖9 電氣火災(zāi)探測(cè)器軟件流程

根據(jù)國(guó)標(biāo)對(duì)監(jiān)控設(shè)備的要求，用戶對(duì)監(jiān)控設(shè)備的操作權(quán)限分三級(jí)級(jí)別：操作員、管理員和超級(jí)管理員。要切換到另一個(gè)級(jí)別之前必須先注銷，然后登錄。操作員只能查看一些記錄信息，操作權(quán)限低；管理員可以查看建筑的實(shí)時(shí)信息，遠(yuǎn)程控制探測(cè)器，操作權(quán)限高；超級(jí)管理員可以配置探測(cè)器節(jié)點(diǎn)，操作權(quán)限最高。級(jí)別高的可以操作低級(jí)別任務(wù)，反之不行。軟件總體構(gòu)架如圖10，清晰展示了電氣火災(zāi)監(jiān)控設(shè)備的程序運(yùn)行情況。

圖10 電氣火災(zāi)監(jiān)控設(shè)備軟件流程

5 結(jié)論

本文提出的電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案包括一個(gè)最多可帶的200個(gè)節(jié)點(diǎn)的電氣火災(zāi)監(jiān)控設(shè)備和電氣火災(zāi)監(jiān)控探測(cè)器。電氣火災(zāi)監(jiān)控探測(cè)器用于檢測(cè)各線路的剩余電流（漏電流）和溫度。監(jiān)控設(shè)備與探測(cè)器之間通過CAN總線通信。監(jiān)控設(shè)備能實(shí)時(shí)顯示各監(jiān)控節(jié)點(diǎn)的運(yùn)行狀態(tài)，一旦檢測(cè)到有漏電報(bào)警或溫度報(bào)警，監(jiān)控設(shè)備和探測(cè)器都能發(fā)出聲光報(bào)警信號(hào)，同時(shí)在監(jiān)控設(shè)備上面顯示報(bào)警地點(diǎn)和何種報(bào)警，并存儲(chǔ)報(bào)警記錄。該方案中設(shè)計(jì)的報(bào)警系統(tǒng)通信距離遠(yuǎn)、速度快，數(shù)據(jù)傳輸可靠性高，即插即用，使用靈活。