1 前言

隨著人們生活水平的提高，人們對(duì)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(shí)，現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)、通訊網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和自動(dòng)控制技術(shù)的飛速發(fā)展又為人類(lèi)實(shí)現(xiàn)更加理想化的生活提供了可能，智能小區(qū)應(yīng)運(yùn)而生了。在智能小區(qū)內(nèi)安裝智能型火災(zāi)報(bào)警控制系統(tǒng)是必不可少的?；馂?zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)是樓宇自動(dòng)化的一個(gè)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(hù)人身和財(cái)產(chǎn)安全。

目前國(guó)內(nèi)外先進(jìn)的通用火災(zāi)報(bào)警(聯(lián)動(dòng))控制器均是集報(bào)警和消防聯(lián)動(dòng)控制于一體的智能火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)，可以將掇洲器件收集的煙、溫、光等信號(hào)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(bào)警器，報(bào)警器再根據(jù)獲取的數(shù)據(jù)受內(nèi)部存儲(chǔ)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(dòng)相關(guān)消防聯(lián)動(dòng)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(shí)，對(duì)總線(xiàn)傳輸也提出了更高的要求。

CAN總線(xiàn)是一種有效支持分布控制或?qū)崟r(shí)控制的串行通信網(wǎng)絡(luò)。在各種工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)中CAN總線(xiàn)以成本較低、速度快、實(shí)時(shí)性、可靠性較高的特點(diǎn)適應(yīng)于現(xiàn)代汽車(chē)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(chǎng)總線(xiàn)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(xiàn)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(bào)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(shí)現(xiàn)方案，在保證網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)互用性的同時(shí)，允許節(jié)點(diǎn)的功能隨意擴(kuò)展。在嵌入式系統(tǒng)用用的發(fā)展，許多總線(xiàn)已經(jīng)不能滿(mǎn)足高性能、高實(shí)時(shí)性系統(tǒng)的要求，CAN總線(xiàn)是當(dāng)前比較有希望成功的。

2 系統(tǒng)的組成及特點(diǎn)

CAN（Contro lArea Network）總線(xiàn)屬于一種應(yīng)用比較廣泛的現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)，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(zhuān)門(mén)用于工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域的網(wǎng)絡(luò)。它采用了最新的技術(shù)和獨(dú)特的設(shè)計(jì)，，可靠性高，其物理特性和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議特性更強(qiáng)調(diào)工業(yè)自動(dòng)化的底層監(jiān)測(cè)及控制，可以實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)及全局廣播幾種方式傳送接收數(shù)據(jù)。CAN節(jié)點(diǎn)在錯(cuò)誤嚴(yán)重的情況下，具有自動(dòng)關(guān)閉總線(xiàn)的功能，不至于影響總線(xiàn)上的其它節(jié)點(diǎn)。本文提出了一種基于CAN總線(xiàn)的用于智能小區(qū)的智能型火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法。

CAN屬于現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)的一種，主要用于各種過(guò)程檢測(cè)及控制，現(xiàn)已成為ISO—11898國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。它是信號(hào)傳輸全數(shù)字、控制功能全分散、標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一全開(kāi)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(bào)警網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)。

圖1 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)組成原理圖

CAN總線(xiàn)有以下特點(diǎn)：

(1)CAN可以是多主方式工作，網(wǎng)絡(luò)上任意節(jié)點(diǎn)可以在任意時(shí)刻主動(dòng)向網(wǎng)絡(luò)上其他節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息。

(2)CAN網(wǎng)絡(luò)上的節(jié)點(diǎn)可以分為不同優(yōu)先級(jí)，滿(mǎn)足不同實(shí)時(shí)需要。

(3)CAN可以點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)、點(diǎn)對(duì)網(wǎng)絡(luò)傳送信息，通訊距離最遠(yuǎn)l0km(速率5kb／s）。

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

(5)通訊介質(zhì)采用雙絞線(xiàn)，無(wú)特殊要求，用戶(hù)接口簡(jiǎn)單。

(6)CAN節(jié)點(diǎn)在嚴(yán)重錯(cuò)誤情況下，具有自動(dòng)關(guān)閉功能，不會(huì)影響總線(xiàn)上其他節(jié)點(diǎn)操作?；贑AN總線(xiàn)的火災(zāi)報(bào)警(聯(lián)動(dòng))網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)是由智能火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警控制器與智能型探測(cè)器和模塊配套，采用全總線(xiàn)機(jī)制，軟件編程，分布式控制方案，使該系統(tǒng)成為集監(jiān)視、報(bào)警、控制于一體的智能火災(zāi)報(bào)警(聯(lián)動(dòng))網(wǎng)絡(luò)，為解決火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)存在的漏報(bào)和錯(cuò)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(jì)、施工布線(xiàn)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(xiàn)因?yàn)榫邆浔姸鄡?yōu)點(diǎn)，也導(dǎo)致了在設(shè)計(jì)CAN火災(zāi)報(bào)警(聯(lián)動(dòng))網(wǎng)絡(luò)協(xié)議時(shí)需要注意的事項(xiàng)頗多。作為火災(zāi)報(bào)警(聯(lián)動(dòng))系統(tǒng)，它所需要傳輸?shù)男畔ǎ夯鹁⒐收?、?lián)動(dòng)、恢復(fù)、顯示、復(fù)位、自檢、動(dòng)作等多種命令。如何分配這些命令的優(yōu)先級(jí)，并使所有的感應(yīng)時(shí)間滿(mǎn)足相關(guān)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，成為構(gòu)建整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)難點(diǎn)和關(guān)鍵。

本系統(tǒng)采用了一套上主機(jī)巡檢加下位機(jī)搶斷的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，特點(diǎn)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(gè)節(jié)點(diǎn)必須以上位機(jī)發(fā)送“節(jié)點(diǎn)查詢(xún)”，即以遠(yuǎn)程幀為準(zhǔn)，巡檢到某節(jié)點(diǎn)，如果該節(jié)點(diǎn)一切正常，就回答“節(jié)點(diǎn)正?！?。

(2)如果該節(jié)點(diǎn)的終端設(shè)備有故障、聯(lián)動(dòng)、返回、恢復(fù)等情況上報(bào)時(shí)，節(jié)點(diǎn)只能在遠(yuǎn)程幀巡檢到自己時(shí)與上位機(jī)建立聯(lián)系，實(shí)現(xiàn)通信，其他時(shí)間不能搶占總線(xiàn)。

(3)為了體現(xiàn)火警優(yōu)先的原則，總線(xiàn)上的任意節(jié)點(diǎn)如果有火警要上報(bào)，只要檢測(cè)到CAN總線(xiàn)上有遠(yuǎn)程幀就可以搶占總線(xiàn)，無(wú)論當(dāng)前巡檢到哪個(gè)節(jié)點(diǎn)。若兩個(gè)火警同時(shí)搶占總線(xiàn)，以CAN總線(xiàn)規(guī)則——地址較小的火警具有較高的優(yōu)先級(jí)。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)中每個(gè)節(jié)點(diǎn)通過(guò)火災(zāi)報(bào)警控制器、CAN總線(xiàn)控制器、CAN收發(fā)器連接通訊?；馂?zāi)報(bào)警控制器接收信息并完成火災(zāi)判斷、聯(lián)動(dòng)等功能；CAN控制器用于各節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)傳遞；CAN收發(fā)器增強(qiáng)了控制器的驅(qū)動(dòng)能力，保證了火災(zāi)報(bào)警控制器之間的通訊距離。

發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，火災(zāi)報(bào)警控制器把需要傳送的數(shù)據(jù)寫(xiě)入CAN控制器的發(fā)送緩沖區(qū)，啟動(dòng)發(fā)送，數(shù)據(jù)即通過(guò)CAN收發(fā)器發(fā)送到總線(xiàn)上；接收數(shù)據(jù)時(shí)，CAN控制器通過(guò)CAN收發(fā)器從總線(xiàn)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(hào)。這時(shí)，火災(zāi)報(bào)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(hù)端自動(dòng)報(bào)警器的硬件設(shè)計(jì)

用戶(hù)端自動(dòng)報(bào)警器是本課題的設(shè)計(jì)重點(diǎn)，它是利用無(wú)線(xiàn)通訊技術(shù)和帶CAN控制器的單片機(jī)的控制技術(shù)，開(kāi)發(fā)出來(lái)的一種具有聯(lián)網(wǎng)功能的報(bào)警器，主要完成現(xiàn)場(chǎng)火情信號(hào)的采集，是基于CAN總線(xiàn)的三級(jí)智能火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)的重要組成部分之一。它主要包含前端探測(cè)器、編解碼電路、自動(dòng)撥號(hào)電路和語(yǔ)音報(bào)警電路組成。

3.2 區(qū)域控制器的硬件設(shè)計(jì)

區(qū)域控制器主要用于樓宇的一個(gè)區(qū)域用戶(hù)端自動(dòng)報(bào)警器的信息管理和控制，在系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，等待中央控制器的不間斷查詢(xún)，并對(duì)用戶(hù)端自動(dòng)報(bào)警器進(jìn)行監(jiān)控，并將報(bào)警數(shù)據(jù)上傳到中央控制器，從而實(shí)現(xiàn)主控計(jì)算機(jī)機(jī)與用戶(hù)端自動(dòng)報(bào)警器之間的通訊，同時(shí)為方便管理和擴(kuò)展系統(tǒng)提供一種有效的方法。采用區(qū)域控制器使整個(gè)系統(tǒng)更易擴(kuò)展，便于系統(tǒng)的調(diào)試、維修和管理。區(qū)域控制器是用來(lái)連接中央控制器和用戶(hù)端報(bào)警器的橋梁，它解決了智能小區(qū)節(jié)點(diǎn)分散、數(shù)據(jù)量大的問(wèn)題，使得管理中心更加容易控制其內(nèi)部的每一個(gè)用戶(hù)。

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

3.3 中央控制器的硬件設(shè)計(jì)

中心中央控制器是主控計(jì)算機(jī)與區(qū)域控制器之間的橋梁、紐帶，負(fù)責(zé)主控計(jì)算機(jī)與區(qū)域控制器之間的指令、數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)與傳輸。智能小區(qū)的每個(gè)房間都安裝一個(gè)用戶(hù)端自動(dòng)報(bào)警器，因此不止需要一個(gè)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(gè)區(qū)域控制器都和主控計(jì)算機(jī)之間直接進(jìn)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(bào)警信息等數(shù)據(jù)事先存在中央控制器，等待主控計(jì)算機(jī)查詢(xún)。

中央控制器組成結(jié)構(gòu)和區(qū)域控制器類(lèi)似。不同的是中央控制器主要完成主控計(jì)算機(jī)的RS-232信號(hào)和區(qū)域控制器的CAN信號(hào)之間的轉(zhuǎn)換，它是主控計(jì)算機(jī)和區(qū)域控制器之間的橋梁，是數(shù)據(jù)的中間存儲(chǔ)站。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

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(jìn)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(duì)輸人信號(hào)進(jìn)行判斷。即系統(tǒng)上電復(fù)位后，依次進(jìn)行單片機(jī)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(jìn)行分析比對(duì)，判斷是否有險(xiǎn)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(kāi)機(jī)和復(fù)位后，需要對(duì)CAN總線(xiàn)控制器進(jìn)行初始化，通過(guò)對(duì)總線(xiàn)控制器的寄存器寫(xiě)人控制字從而確定其工作方式。初始化時(shí)，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(xiě)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(xiàn)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(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)基于CAN總線(xiàn)的數(shù)據(jù)收發(fā)和與主機(jī)的通訊，構(gòu)建出智能火災(zāi)報(bào)警(聯(lián)動(dòng))網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)，該智能火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)在前端火災(zāi)探測(cè)部分采用多元無(wú)線(xiàn)報(bào)警的方案，這樣可以大大的減少誤報(bào)率和漏報(bào)率，提高了系統(tǒng)的可靠性，同時(shí)不需另外接線(xiàn)，實(shí)現(xiàn)了最優(yōu)的性能價(jià)格比和最廣的應(yīng)用覆蓋面，提高產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)能力，擴(kuò)展方便。本系統(tǒng)已應(yīng)用在樓宇火災(zāi)報(bào)警與聯(lián)動(dòng)控制實(shí)踐中，并取得了較理想的效果。