魏立明,　陳曉旭,　孫雪景,　王立光

(吉林建筑大學(xué), 吉林 長春　130118)

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智能消防控制系統(tǒng)的設(shè)計與研究*

魏立明,陳曉旭,孫雪景,王立光

(吉林建筑大學(xué), 吉林 長春130118)

摘要：基于CAN總線技術(shù)對智能消防控制系統(tǒng)進行了研究。在硬件方面,對消防控制系統(tǒng)中的設(shè)備進行了選型,采用CAN總線技術(shù)將智能消防控制系統(tǒng)的節(jié)點進行組網(wǎng),實現(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,運用智能火災(zāi)報警判定綜合算法對火災(zāi)特征參數(shù)數(shù)據(jù)進行多種修正、補償和判定,降低了火災(zāi)的誤報率和漏報率。設(shè)計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)報警判定綜合算法; 節(jié)點; 智能化

0引言

隨著我國科學(xué)技術(shù)的不斷進步和社會經(jīng)濟的快速發(fā)展,城市化建設(shè)進一步加快,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,樓層結(jié)構(gòu)更復(fù)雜,公共場所人員突發(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)上進行改進,通過通信技術(shù)、設(shè)備硬件和先進的消防理念的發(fā)展,不斷促進消防控制系統(tǒng)的升級,設(shè)計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)對消防控制系統(tǒng)進行了研究,詳細闡述了消防控制系統(tǒng)的硬件選型和軟件系統(tǒng)設(shè)計方面的問題。

1設(shè)計方案

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)分別負責內(nèi)、外因火災(zāi)的監(jiān)測、判定和防治的功能。

(2) 計算機專家系統(tǒng)采用專家?guī)?對火災(zāi)信息和災(zāi)區(qū)狀況等進行分析,自動生成危險區(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)場情況修改、發(fā)布。計算機專家系統(tǒng)對火災(zāi)信息分析和疏散路線、防滅火方案選取準確程度,將影響整個消防系統(tǒng)的智能水平。

(3) 火災(zāi)自動報警系統(tǒng)在接到火警后,將報警信息通過有線或無線通信方式通知危險區(qū)域人員和救災(zāi)人員,報警內(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)動控制系統(tǒng)可更加準確地了解災(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、準確。

針對傳統(tǒng)消防控制系統(tǒng)誤報率高和消防效率低等問題,本文設(shè)計出了智能化程度高、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)計方案如圖2 所示。

圖2　智能消防控制系統(tǒng)總體設(shè)計方案

在智能消防控制系統(tǒng)的總體設(shè)計方案中,消防報警控制器采用STC15F2K60S2單片機,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;PC機作為火災(zāi)實時監(jiān)控主機,運用編寫的智能火災(zāi)報警判定綜合算法對火災(zāi)數(shù)據(jù)進行分析、處理,并將報警信號傳送給消防聯(lián)動控制器;消防聯(lián)動控制器同樣采用STC15F2K60S2單片機,控制消防聯(lián)動設(shè)備完成消防任務(wù)。較低的誤報率和漏報率進而提高了火災(zāi)報警的準確率,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)的實施效果。根據(jù)智能消防控制系統(tǒng)硬件系統(tǒng)設(shè)計需求,對感溫探測器、感煙探測器、復(fù)合型探測器、消防報警控制器、CAN總線控制器、智能協(xié)議轉(zhuǎn)換器和消防聯(lián)動控制器等主要設(shè)備進行選型,并進行詳細的分析說明。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器JTW-ZD-JBF-3110感煙探測器JTY-GD-3002C復(fù)合型探測器JTF-YW-ZM2251TB消防報警控制器STC15F2K60S2CAN總線控制器SJA1000智能協(xié)議轉(zhuǎn)換器CAN232MB消防聯(lián)動控制器STC15F2K60S2

消防報警控制器核心采用STC15F2K60S2芯片,屬1T增強型8051單片機,在相同工作頻率狀態(tài)下,速度比普通8051單片機速度要高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)還可當作D/A使用,具有速度快、可靠性高、消耗低、抗干擾超強等特性。消防報警控制原理如圖3所示。

圖3　消防報警控制原理

智能消防控制系統(tǒng)主要采用CAN總線技術(shù)將各個節(jié)點組成網(wǎng)絡(luò),節(jié)點不會影響其他節(jié)點的工作,從而不會影響整個智能消防控制系統(tǒng)的運行,使PC機能準確、有效地對火災(zāi)現(xiàn)場進行實時監(jiān)控和管理,還可以使聯(lián)動設(shè)備高效、快速地完成滅火的任務(wù),實現(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)拓撲結(jié)構(gòu)是在CAN總線兩端各連接1個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個終端電阻。CAN總線通信時,阻抗的不連續(xù)以及阻抗的不匹配是形成信號反射的主要原因,而終端電阻能夠解決通信電纜中信號的反射情況。該拓撲結(jié)構(gòu)簡單,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。

在實際應(yīng)用中,尤其是在現(xiàn)場運行環(huán)境較差、干擾嚴重的情況下,如何提高CAN總線的抗干擾能力,使系統(tǒng)更可靠地運行,是設(shè)計者關(guān)注的重點。硬件設(shè)計階段采用的抗干擾措施有:在CAN控制芯片與CAN驅(qū)動間加快速光耦(6N137)隔離;在CAN驅(qū)動級使用獨立的隔離電源;在CAN總線間加瞬變電壓吸收器;盡量減少CAN總線電纜長度及終端電阻個數(shù);CAN總線使用屏蔽電纜并接地等。

軟件抗干擾技術(shù)方法可以用軟件實現(xiàn),也可以采用軟硬件相結(jié)合的方法實現(xiàn)。常用的軟件抗干擾措施有:數(shù)字濾波方法、輸入口信號重復(fù)檢測方法、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

智能消防控制系統(tǒng)的消防報警控制器和消防聯(lián)動控制器都是由STC15F2K60S2的最小系統(tǒng)組成的,這兩種控制器都需要軟件來實現(xiàn)。STC消防報警控制器的A/D模塊需要設(shè)置正確的軟件,實現(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,實現(xiàn)STC消防報警控制器和監(jiān)控主機(PC機)的通信。STC消防聯(lián)動控制器需要正確的軟件設(shè)置和編程,實現(xiàn)STC消防聯(lián)動控制器與消防聯(lián)動設(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進行初始化前,應(yīng)進入復(fù)位操作模式,根據(jù)實際的需要,把初始化的各參數(shù)通過數(shù)據(jù)手冊中的計算方法進行計算,然后再將各參數(shù)寫入對應(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)置驗收代碼寄存器和驗收屏蔽寄存器、設(shè)置總線定時寄存器、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、時分寄存器、驗收代碼寄存器、驗收屏蔽寄存器、總線定時寄存器和輸出控制寄存器等。SJA1000初始化設(shè)置結(jié)束后,能夠進入工作狀態(tài),從而進行工作通信。在智能消防控制系統(tǒng)中,火災(zāi)報警判定算法至關(guān)重要。本文的智能火災(zāi)報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)代計算機處理大規(guī)模數(shù)據(jù)的技術(shù)和能力,對火災(zāi)特征參數(shù)數(shù)據(jù)進行多種修正、補償和判定,減少火災(zāi)的誤報和漏報,提高了火災(zāi)探測器辨別火災(zāi)真假的能力,也大大提高了火災(zāi)報警的準確率,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、靈敏度自動調(diào)節(jié)、漂移補償、斜率判定、上升速率分析以及時間積累組成?；馂?zāi)探測器探測的火災(zāi)特征參數(shù)數(shù)據(jù)是模擬信號,經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換變成數(shù)字信號。

圖6　智能火災(zāi)報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)動設(shè)備界面、報警記錄界面和幫助界面等組成。監(jiān)控系統(tǒng)內(nèi)設(shè)置時鐘,在記錄火災(zāi)信息時要以此時間作為標準,實時地記錄火災(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)顯示及報警和參數(shù)整定組成。

(1) 數(shù)據(jù)顯示及報警界面主要是對各樓層電氣設(shè)備進行監(jiān)控,顯示其電流、一路溫度和二路溫度。當剩余電流實際測量值超過報警所設(shè)置的數(shù)值時,就會顯示報警的狀態(tài),報警提示也會自動提示報警回路,以便及時滅火和處理故障。數(shù)據(jù)顯示及報警界面如圖8所示。

圖8　數(shù)據(jù)顯示及報警界面

(2) 當某一處顯示報警信號,且滅火之后,可對其進行參數(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)時可開啟聯(lián)動設(shè)備,滅火后可關(guān)閉聯(lián)動設(shè)備。聯(lián)動設(shè)備界面如圖10 所示。

圖10　聯(lián)動設(shè)備界面

4結(jié)語

本文基于CAN總線技術(shù)對智能消防控制系統(tǒng)進行了研究,采用STC15F2K60S2單片機作為智能消防控制系統(tǒng)的消防報警控制器和消防聯(lián)動控制器,通過CAN232MB智能協(xié)議轉(zhuǎn)換器與上位機相連,將智能消防控制系統(tǒng)的節(jié)點進行組網(wǎng),實現(xiàn)了智能消防控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化和智能化。運用智能火災(zāi)報警判定綜合算法對火災(zāi)特征參數(shù)數(shù)據(jù)進行多種修正、補償和判定,降低了火災(zāi)的誤報率和漏報率。利用VB軟件實現(xiàn)智能消防監(jiān)控,實時地掌握火災(zāi)現(xiàn)場動態(tài)并及時記錄火災(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：TU 892

文獻標志碼：A

文章編號：1674-8417(2016)02-0007-05

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

陳曉旭(1989—),男,碩士研究生,研究方向為建筑電氣及其智能化。

孫雪景(1979—),女,副教授,研究方向為環(huán)境工程。