基于CAN总线的电气火灾预警系统设计与实现

摘要：为有效预测电气火灾的发生趋势，减少人们生命和财产损失，提出一种基于SoPC系统和CAN总线的电气火灾预警系统方案，该系统利用SoPC技术减小了火灾报警系统监控节点的设计复杂程度，同时结合现场总线通信距离远，抗干扰能力强，实时性好的优点，有效地保证了该系统的预警监测范围。与传统的火灾报警系统相比，该系统的主要优点有2个，一是该系统侧重对电气火灾的预测与预报，在火灾发生之前报警以减小损失；二是每个监控节点都带有高性能嵌入式软核处理器，使单个节点具备火灾预测信息处理的功能，大大增加了对电气火灾预测的准确率，同时减少了上位计算机的负担。
关键词：CAN总线；电气火灾；预测；SoPC

0 引言
    如何有效地预防火灾事故一直是全社会关注的问题。近年来，全国居民用电设备逐年增加，由此引发的火灾事故有不断上长的趋势。据公安部调查统计，2009-01-09，全国共发生火灾106 191起(不含森林、草原、军队、矿井地下部分火灾)，死亡831人，受伤509人，直接财产损失10．6亿元。其中，电气引发火灾31731起，造成死亡265人，受伤114人，损失41514．6万元，分别占总数的29．9％，31．9％，22．4％和39．1％；居各类火灾事故之首。这类火灾事故不仅仅造成人员伤亡和经济财产损失，还有可能引发火灾发生地及附近区域电力系统的大面积瘫痪，给社会生产和人们的生活带来极大的不便。
    火灾预警系统在早期预测、及时发现与报警以及消防联动等方面都起着重要的作用，早期的火灾预警系统存在线路繁杂、检修不便、有效范围小、实时性低、误报与漏报率高等诸多缺陷。本文提出的火灾预警系统充分发挥CAN总线与SoPC系统的优点，有效克服了上述缺点，能对智能楼宇小区、宾馆、医院、娱乐场所等人员密集的区域的用电情况进行实时监控，并预测火灾发生的趋势，将检测结果通过CAN网络系统送至监控室，以便及时提醒值班人员采取有效措施防止火灾事故的发生。

1 系统工作原理与结构
1．1 火灾预警系统的工作原理
    电气火灾预警系统一般是通过多种传感器采集电流、电压、温度相关数据，送至监控智能节点中进行分析处理，通过数据异常变化的趋势预测火灾发生的机率。同时，将这种预测结果在主监控室的上位机中显示出来，以便让值班人员圾时了解火灾发生的可能性，采取有效措施制止火灾事故的发生，如果无法控制险情，则及时向特定区域发出警报信号，有序组织相关人员撤离以避免人员伤亡。并且，火灾预警系统还应该具有在火灾事故发生后正确启动消防联动系统和保护周边区域电力系统不受事故影响、保持正常工作的功能。
    火灾预警系统设计的关键有2个，一是要实现大范围的实时监控，同时要保证监控地点的设备与值班室上位机之间快速、可靠的通信，及时让值班人员了解信息，CAN总线与一般的通信总线相比，它的数据通信具有突出的可靠性、实时性和灵活性，另外，CAN网络的有效节点高达110个，能很好地保证CAN总线监控系统的有效覆盖范围。CAN总线具有广泛的应用领域，目前已经成为国际标准；二是对于火灾趋势预测的准确性与可靠性，尽可能的减少因误报和漏报而带来的人员恐慌。
1．2 火灾预警系统的结构
    本次设计的系统为分散式控制系统，采用三级级联结构，由上位机，USB-CAN转接口和CAN总线监控节点3个部分组成。其中，上位机的主要作用是让值班人员通过上位机了解目前系统的监控情况，并对整个系统进行控制；USB-CAN转接口负责上位机与CAN网络的连接；CAN总线监控节点用于完成数据采集和部分数据分析功能，CAN网络负责上位机与CAN总线节点间信息的传递。CAN总线网络结构的有效节点可达110个，并且还可以通过中继进行扩展，有效保证了系统的监控范围。系统的具体结构如图1所示。

2 系统设计中的关键问题
2．1 硬件设计中的关键问题
    系统硬件设计的关键问题有2个，一是监控数据的采集与信息处理；二是CAN总线网络接口的设计。本系统监测的对象为电力低压线路，主要监测电流、电压、温度和漏电流等参数。监测节点包括FPGA、互感器及信号调理电路、模／数转换电路、存储电路、显示电路、语音报警电路、CAN总线控制器及其收发模块、键盘接口和脱扣装置与保护电路等模块，其中FPGA选用Altera公司生产的EPC28Q208C8N芯片，主要作用为负责各参数的数据采集和分析相关数据并进行火灾预测；存储电路用于存储监测结果和相关参数；互感器及信号调理电路、模数转换电路模块用于采集相关数据，并在液晶显示模块中显示出来；CAN总线控制器及其收发模块模块负责上位机与监控节点间的通信；语音报警模块
用于报警并通知人员撤离；键盘电路用于设置参数和查询；脱扣装置与保护电路则是在线路出现严重故障情况下隔离火灾地点与周围区域的电力线路，保证其他用电设备不受其影响，其具体结构如图2所示。

    在本系统中，采集的各参数数据的准确程度和实时性将会对火灾预测和判断产生严重影响，甚至产生误报、漏报，因此互感器及信号调理电路、模数转换电路的设计和选择甚为关键，这里选用高速的A／D转换电路TLC2543，可满足对电流、电压和漏电流等参数的采集要求，其与SoPC的连接电路如图3所示。

    传统的CAN总线节点之间通信的控制方式有2种，一种是利用单片机控制独立的CAN总线控制器；另一种是用带有CAN总线控制器的单片机进行控制。这2种方式都存在线路复杂，系统稳定性不高以及无法实时处理大理数据信息的弱点。本系统采用SoPC技术对CAN总线通信进行控制，可编程片上系统(System on a Programmable Chip，SoPC)技术是由Altera公司提出的一种灵活、高效的片上系统(Systemon a Chip，SOC)解决方案，是一种特殊的嵌入式系统。本系统中用嵌入式软核NiosⅡ作为控制器，以MieroChip公司的MCP2515作为CAN总线控制器。
    以往的CAN总线收发器，通常采用2个高速光耦(如6N137)，以实现电气隔离和电源上的DC—DC隔离，从而提高CAN总线通信的抗干扰性，另外还需要对阻抗进行调节、匹配才能搭出合理的电路，本系统采用广州周立功公司的CTM1050T。模块作为CAN总线收发装置。它是一款带隔离的高速CAN收发器芯片，该芯片内部集成了所有必需的CAN隔离与收发器件，能直接与CAN总线控制器的TXD，RXD引脚相连，具体电路连接如图4所示。

    系统采用这种拓扑结构，最大的好处在于降低了系统线路的复杂程度，同时提高了系统的稳定性，并在一定程度上降低了功耗和生产成本。
2．2 软件设计中的关键问题
    本系统软件设计主要包括2个方面，一是系统对于电气火灾的预测与预报的算法实现；二是上位机监控软件的设计和下位机功能软件的实现。
    设计本系统主要是为了解决传统火灾预警系统中的误报、漏报率高的问题，实验测试表明，火灾探测器一段时间内的各采集的量值相互独立，呈一种相关随机分布，火灾探测信号是非平移随机过程，因此本文对探测器的量测判断提出一种新的决策方法，即模式分类判别方法，火灾探测器在临界点附近的传感器的量值判断，对应着实际情况就是2类分类的问题，第一类是线路一般故障，不会引发火灾；第二类是线路存在严重故障，有发生火灾的可能性，一般在临界点(阈值)范围的传感器在实际情况中会出现几种情况：正常，报警，但是在这一临界点上，出现这各种情况却是一种随机分布，也就是说在临界点上是一种概率分布，当传感器检测到的值到了一定的范围(一般取临界点的一个范围)内，为了减少漏报和误报，在系统设计的过程中采用贝叶斯决策进行情况分类，于是问题转化为对特定模式的决策分类问题。
    上位机软件主要是显示目前系统的运行状况和预测结果，下位机SoPC系统功能软件中与CAN总线通信部分的软件设计是整个系统软件设计中较为关键的部分，SoPC系统中采用NiosⅡ为处理器，通过Avalon总线与定制的SPI核在FPGA芯片EP2C8Q208C8N中进行系统集成，这一过程可以通过QuartusⅡ软件中的SoPC Builder工具完成，然后通过集成开发环境NiosⅡIDE对定制的SPI的IP核进行访问与操作，待仿真验证无误后，利用ISP电缆线将程序烧写至SoPC系统的配置芯片中，使CAN总线节点正常工作，上、下位机程序流程图如图5，图6所示。

    CAN总线的通信通过SoPC中定制的SPI核进行数据的收发，其SPI接口的部分控制程序如下：

3 结语
    文中介绍的火灾预警系统运用了当今电子通信和自动化领域的先进技术，使用了SoPC嵌入式处理系统和现场总线技术，符合我国大型建筑的火灾报警系统的要求，并且该系统克服了以往火灾报警系统的诸多缺点。经实际测试表明，该系统具有实时性强、可靠性高以及误报、漏报率低的特点。随着电子技术、计算机控制技术和通讯技术的逐步发展，以及电子工业产品生产成本的进一步降低，该系统在楼宇自动化、消防以及监控等领域的应用会越来越广泛。