基于CANBUS的火灾自动报警控制系统设计与实现

摘要：针对传统的火灾自动报警控制系统中通信部分出现的问题，提出了利用CANBUS现场总线技术来解决RS485串行口通信方式的传输距离短、节点容量问题的方案。CANBUS控制嚣局域网总线技术具有极强的抗干扰和纠错能力，较好地满足了大中型火灾自动报警控制系统的网络化的要求。在原有的系统中增设CANBUS总线通信口，来解决火灾自动报警控制系统之间的通信问题。实践表明，经过改造后的火灾自动报警控制系统完全满足通信距离和节点容量的要求，大大提高了系统的可靠性、容量的扩展及与其他系统和设备的连接功能。
关键词：火灾自动报警控制系统；CANBUS通信；RS485串行口通信；SJA1000 CAN控制器；82C250CAN接口芯片

    火灾自动报警控制系统是用以辅助人们及早发现和通报火灾，及时在火苗产生的阴燃阶段就能采取有效措施扑灭火灾的一种自动消防报警系统。它是各类工业与民用建筑消防必不可少的一种安全技术设施。因此系统运行的可靠性显得非常重要，一旦发生误报、不报等现象都会给人们的生命财产安全带来很大的损失。随着通信技术的不断发展，原有的串行通信技术已经不能满足大型火灾自动控制系统的通信接口的要求。利用CANBUS现场总线技术进行火灾自动报警控制系统的通信接口的设计改造势在必行。

1 系统的设计与实现
    在火灾自动报警控制系统的设计过程当中，一般采用集中控制系统，在分区灭火控制中往往需要接上百台火灾报警控制器，如果主控制器与分区灭火控制器的系统连接距离超过了串行口RS485通信所能承受的距离，就会发生通讯中断、数据传送出错等问题。以往采用RS485通信是应用到通信距离不超过1 000 M的火灾自动报警控制系统中，一旦超出这个上限就无法正常工作。RS485通信的特点是：1)主从结构网络上只能有一个主节点，其余均为从节点，无法构成多主结构或冗余结构的系统，因而对主节点的可靠性要求较高，否则一旦主节点出现故障，则整个系统将处于瘫痪状态；2)由于RS485数据通信的方式为命令响应型，从节点无法主动发送数据，这样使得网络上的数据传输效率降低，使主节点控制器非常繁忙，同时下端出现异常时，数据不能立即上传，必须等待主节点的命令。
    分析RS485串行口通信特点后，采用无主从区别、多主工作方式的CANBUS通信来实现火灾自动报警控制系统的通信接口功能(如下图1所示)。彻底解决了在消防产品中所采用的RS485串行通信长久以来一直困扰人们的从节点无法主动地与其他节点交换数据、通信距离短、节点数量少等问题。利用CANBUS技术来解决消防产品中的集中管理要求及长距离通信的可靠性。CANBUS总线通信方式为两线制，这样可以方便系统的配线，减少信号之间的电磁干扰。由于CANBUS网络节点数量可以达到110个之多，这样消防控制中心就可以扩展管理火灾自动报警控制器的点数，适合于大中型消防报警系统中。由于CANBUS网络技术采用短帧结构，每一帧的有效字节为8个，这样传输时间短，受干扰的概率低，且具有较好的检测效果。

2 系统的硬件设计
    火灾自动报警控制系统中的CANBUS通信口硬件电路设计如下图2所示。

    在大中型的火灾自动报警控制系统网络中，监测、管理几个楼群的火灾信号，每个楼都安装了火灾报警控制及总线输入器件(感温探测器、感烟探测器、光电型探测器、手动火灾报警按钮、总线输入模块、总线输出模块、总线主模块、消火栓按钮等)。在一个火灾自动报警控制系统内的通信采用RS485串行通信，而火灾自动报警控制系统之间的通信方式采用CANBUS总线技术，大大提高了整个网络中的通信的可靠性。在整个系统中，火灾探测器主要探测被保护的空间的空气含量，采用微处理器技术对探测到传感器的数据进行分析处理，它可以敏锐地探测到保护范围内的火灾初期阴燃阶段产生的烟雾，一旦达到了阈值，就向火灾报警控制器发出报警信号，火灾报警控制器对这一信号极性判断识别，连续检测3次之后确认火灾信号，并根据一定的逻辑关系通过CANBUS通信接口将联动信息发送到联动控制系统中，启动相应的联动设备进行有效的灭火。
    图3中的SJA1000就是CANBUS控制器，专门用来管理CANBUS通信的。SJA1000是飞利浦公司早期CAN控制器PCA82C200的替代品，功能比CA82C200更强，主要体现在以下几个方面：1)完全兼容PCA82C200及其工作模式：2)具有扩展的接收缓冲器，64字节的FIFO结构；3)支持CAN2．0B；4)支持11位和29位识别码；5)位速率可达到1 Mbit／s；6)支持peliCAN模式及其扩展功能；7)24 MHz的时钟频率；8)支持与不同微处理器的接口；9)可编程的CAN输出驱动配置；10)增强了温度范围-40～+125℃。82C250用来防止线路间的串扰，必要时还要采用光电耦合器进行电流隔离，效果会更好。
3 系统的软件设计
    系统软件设计的主要功能是火灾报警控制器与消防中心的通信。火灾报警控制器将火灾信号通过CANBUS传送到消防中心，消防中心接收到信号后启动相应的联动设备和显示设备。CAN接收和发送数据一般都是在CAN中断程序中实现的，每一帧的数据长度为≤8个字节。如果发送或接收错误，CANBUS具有错误检测能力，在所有节点发生的错误可100％被检测到。SJA1000具有完成高性能通信协议所要求的全部必要特性。具有简单连接的SJA1000可完成物理层和数据链路层的所有功能。
    CANBUS接收中断服务程序流程图如下图3所示。

    Cx51语言编程如下：
   

    从上述程序设计来看，CANBUS现场总线技术的数据发送和接收都是在中断服务程序中来完成，如果要发送数据时，首先判断数据的长度，如果是8的整数倍，那么就采用整帧发送方式，否则就采用不是整帧发送方式。

4 结论
    将CANBUS总线通信技术应用到火灾自动报警系统中后，解决了通信距离和节点容量和扩展的问题，使火灾自动报警系统的应用由一个建筑到几个建筑楼群，形成了大型的火灾报警网络。在这个网络中，信息的传送可靠、快速、便捷得到认可，两线制的通信方式方便了系统的配线，减少了信号之间干扰，同时网络之间的报警系统又互不干扰。