李雪峰

摘 要：隨著船舶應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展，新的技術(shù)層出不窮。本文提出了一種基于分布式總線技術(shù)的船舶防火監(jiān)控與報警系統(tǒng)，對系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)進行了設(shè)計，并分析了CAN協(xié)議，在此基礎(chǔ)上設(shè)計了CAN總線模塊，以提高我國船舶消防技術(shù)的綜合實力。

關(guān)鍵詞：CAN總線；防火監(jiān)控；報警系統(tǒng)

船舶火災(zāi)是船舶在航運過程中時有發(fā)生且危險性大的安全事故?；馂?zāi)發(fā)生時，難以得到外援，只能依靠船員和船上的滅火設(shè)備，撲滅難度遠大于陸地火災(zāi)。因此，及早發(fā)現(xiàn)火警并及時采取撲救措施就顯得十分重要。船舶機艙監(jiān)控報警系統(tǒng)是電氣自動化的一個重要組成部分，它能準確可靠地監(jiān)測船舶機艙內(nèi)各種機械設(shè)備的狀態(tài)及參數(shù)，若有故障發(fā)生，系統(tǒng)會自動發(fā)出聲光報警。近年來，隨著計算機技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、自動控制技術(shù)等的不斷發(fā)展，機艙監(jiān)控報警系統(tǒng)在智能化、信息化、集成化方面的要求也越來越高。下面，提出一種基于CAN總線的船舶火災(zāi)監(jiān)控與報警系統(tǒng)。

1. CAN總線

1.1 CAN總線簡介

CAN總線是一種非常常用的現(xiàn)場總線技術(shù)，現(xiàn)場總線是一種能夠?qū)崿F(xiàn)工業(yè)現(xiàn)場多種設(shè)備之間的數(shù)據(jù)交換的技術(shù)，現(xiàn)場的設(shè)備我們稱之為節(jié)點，所有的節(jié)點均在現(xiàn)場總線上，最終形成一種互相聯(lián)通的結(jié)構(gòu)[1]。

CAN總線技術(shù)，全稱為“控制器局域網(wǎng)總線技術(shù)（Controller Area Network-BUS）。CAN總線以雙絞線將船舶各個位置的傳感器或者設(shè)備進行連接，使用串行通信的方法進行數(shù)據(jù)傳送，數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣瓤梢赃_到1M/s。在CAN總線網(wǎng)絡(luò)中，每一個設(shè)備都具有獨立、唯一的標識符，主機向某一個設(shè)備傳輸數(shù)據(jù)時是向總線網(wǎng)絡(luò)內(nèi)所有的設(shè)備進行數(shù)據(jù)廣播，所有的設(shè)備都處于數(shù)據(jù)待接收狀態(tài)，報文發(fā)出后，所有的設(shè)備都接收到目標數(shù)據(jù)，這些目標數(shù)據(jù)包括了地址信息以及數(shù)據(jù)信息，因而設(shè)備會判斷這些數(shù)據(jù)是否是發(fā)送給自己的，只有地址符合才會讀取報文中的數(shù)據(jù)。CAN總線可以實現(xiàn)不同節(jié)點之間的自由通信，因而可以非常方便地構(gòu)建船舶分布式監(jiān)控系統(tǒng)，特別是對于大型船舶的防火監(jiān)控，由于大型船舶體積大、設(shè)備多，因而需要監(jiān)控的區(qū)域也非常多。使用分布式總線可以很好地解決這一問題。同時，CAN總線還采用了總線仲裁技術(shù)，不同的監(jiān)控節(jié)點根據(jù)其重要性不同可以設(shè)置不同的優(yōu)先級，在多個節(jié)點同時發(fā)送信號時CAN總線會根據(jù)優(yōu)先級的不同對數(shù)據(jù)進行接收，優(yōu)先級高的數(shù)據(jù)會優(yōu)先傳送。

CAN總線由于采用了串行通信的方法，和外部連接的線只有2根，CAN_High線和CAN_Low線，在物理連接上非常簡單，內(nèi)部還具備錯誤處理機制，因而非常穩(wěn)定。圖1所示為CAN_High線和CAN_Low線在正常狀態(tài)下和信號傳輸狀態(tài)下的電壓值，淺色線為CAN_High，深色線為CAN_Low，可以發(fā)現(xiàn)，正常狀態(tài)下兩者之間均為2.5V，但是在信號傳輸時CAN_High變?yōu)?.5V，CAN_Low變?yōu)?.5V。1.2CAN協(xié)議目前CAN協(xié)議的報文有2種，在監(jiān)控節(jié)點將報文打包后可以選擇一種報文進行數(shù)據(jù)發(fā)送。2種報文分別為擴展幀和標準幀，分別包含29位數(shù)據(jù)和11位數(shù)據(jù)。如圖2所示分別為擴展幀和標準幀的報文結(jié)構(gòu)。

2.船舶防火與監(jiān)控系統(tǒng)

2.1系統(tǒng)功能設(shè)計

船舶防火監(jiān)控與報警系統(tǒng)是船舶自動化系統(tǒng)的重要組成部分，是保障船舶航行安全的必要條件。系統(tǒng)主要實現(xiàn)如下功能[2]：

（1）實現(xiàn)對船舶重要區(qū)域的防火監(jiān)控；

（2）在發(fā)現(xiàn)火災(zāi)后發(fā)出聲光報警。

系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖3所示。系統(tǒng)以工業(yè)計算機為中心，主機安裝在駕駛室，集控室、駕駛臺和餐廳等重要位置會安裝有分顯器，另外在船舶多個位置設(shè)置聲光報警，使之在發(fā)生火災(zāi)后能夠及時通知船員。煙霧傳感器、溫度傳感器等將信號傳輸?shù)紺AN總線模塊，CAN總線模塊包括CAN驅(qū)動、嵌入式CPU以及CAN收發(fā)器，采集的傳感器信號不能直接傳輸?shù)今{駛室及報警分顯裝置的顯示屏，CAN總線模塊將這些數(shù)據(jù)進行A/D轉(zhuǎn)換后，將其打包成標準幀通過CAN總線傳輸出去。

2.2 CAN總線通信模塊設(shè)計

本文的CAN總線通信模塊使用STM32單片機進行設(shè)計，模塊具備多路A/D轉(zhuǎn)換接口，可以同時對4個傳感器的A/D信號進行轉(zhuǎn)換。同時為了調(diào)試方便，設(shè)計USB轉(zhuǎn)CAN總線接口，可以直接從電腦上發(fā)送數(shù)據(jù)傳輸?shù)紺AN總線。

由于單個CAN總線模塊一般只能監(jiān)控10個左右的傳感器，因而在實際使用中需要根據(jù)船舶的大小布置數(shù)量不等的CAN總線模塊，既可以實現(xiàn)對全船的火災(zāi)監(jiān)控，又可以實現(xiàn)報警功能。圖4所示為CAN總線模塊核心板實物圖。

對設(shè)計完成的CAN總線通信模塊進行測試，可以將其作為一個黑盒子進行測試工作。使用NI6250板卡，在上位機中使用Labview編寫好相應(yīng)程序，在下位機中編寫程序，實現(xiàn)將接收的數(shù)據(jù)發(fā)送到上位機，然后進行反復(fù)測試[4]。

測試的步驟為：在Labview中發(fā)送一串數(shù)據(jù)，CAN總線模塊在接收到數(shù)據(jù)后不進行處理直接發(fā)回到上位機，Labview將發(fā)送的數(shù)據(jù)和接收到的數(shù)據(jù)同時進行顯示，并將2組數(shù)據(jù)進行對比。另外，對模塊工作的穩(wěn)定性進行測試，反復(fù)發(fā)送同一串數(shù)據(jù)，觀察返回的數(shù)據(jù)值是否穩(wěn)定。

經(jīng)過測試發(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)軟件設(shè)計的主要功能是火災(zāi)報警控制器與消防中心的通信。火災(zāi)報警控制器將火災(zāi)信號通過CANBUS傳送到消防中心，消防中心接收到信號后啟動相應(yīng)的聯(lián)動設(shè)備和顯示設(shè)備。CAN接收和發(fā)送數(shù)據(jù)一般都是在CAN中斷程序中實現(xiàn)的，每一幀的數(shù)據(jù)長度為≤8個字節(jié)。如果發(fā)送或接收錯誤，CANBUS具有錯誤檢測能力，在所有節(jié)點發(fā)生的錯誤可100%被檢測到。本文設(shè)計的CAN總線通信模塊可以完成既定功能，同時具有良好的穩(wěn)定性。使用火災(zāi)傳感器數(shù)據(jù)進行測試發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)亦可以穩(wěn)定工作。因而，CAN總線通信模塊可以實現(xiàn)在船舶上對火災(zāi)傳感器信號的采集和傳輸。

3.結(jié)語

總之，鑒于船舶火災(zāi)的復(fù)雜性及特殊性，有關(guān)船舶火災(zāi)的早期預(yù)警、報警等一直是國內(nèi)外船舶制造業(yè)、科研院所重點關(guān)注的熱點課題。測試結(jié)果表明，使用先進的分布式總線技術(shù)，結(jié)合煙霧傳感器、溫度傳感器等現(xiàn)場信號，并使用攝像頭對易于發(fā)生火災(zāi)的船舶重點區(qū)域進行監(jiān)控，具有良好的準確性和穩(wěn)定性，可靠性高、實時性強，功能全面，能夠滿足實際工程的應(yīng)用要求。因此，本研究結(jié)果可以為其他研究人員提供一些借鑒。

參考文獻：

[1]韓小東. 基于CAN總線的船舶機艙監(jiān)控報警系統(tǒng)的研究[D]. 大連海事大學， 2016.

[2]劉榮進. 船舶防火監(jiān)控系統(tǒng)的研究與設(shè)計[D]. 江蘇大學， 2016.

[3]王德龍. 基于嵌入式的船舶電站網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計[D]. 大連海事大學， 2016.

[4]樹芳芳. 基于CAN總線的船舶監(jiān)測報警系統(tǒng)[J]. 中國水運（下半月）， 2015， 15（6）：38-39.