基于CAN總線的火災遠程監(jiān)控系統(tǒng)
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以現(xiàn)代通信和網(wǎng)絡傳輸技術(shù)為基礎發(fā)展起來的火災遠程聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控技術(shù),可以確?；馂奶綔y報警系統(tǒng)和消防安全設施正常運行并發(fā)揮其應有作用。本文介紹利用 CAN 總線在分布式控制方面的特點和數(shù)據(jù)傳輸方面的優(yōu)勢,實現(xiàn)分布式遠程火災信息的數(shù)據(jù)采集；再使用嵌入式網(wǎng)關(guān)實現(xiàn)CAN 到以太局域網(wǎng)或 Internet 的無縫連接,提高了火災信息的傳輸距離,從而利用現(xiàn)有的網(wǎng)絡資源，達成火災信息的遠程監(jiān)控。
1．系統(tǒng)總體框架設計
火災遠程監(jiān)控系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)采集終端是位于采集現(xiàn)場的各種火災信號探測器,并且分散在各個不同的位置（樓層）,而集中報警控制器在中央控制室（消防控制室）, 它們之間距離通常在幾十米到幾百米之間, 有時甚至達到幾千米。因此,連接導線少、可靠性高、實時性好、抗干擾能力強、性價比高就顯得尤為重要。為了解決了以上問題,采用 CAN總線來解決分布式控制和可靠性、實時性、抗干擾能力等問題。同時采用嵌入式網(wǎng)關(guān)解決以太網(wǎng)和 Internet的接入問題[１]，從而使火災達到火災信息遠程聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控的目的。該系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框架如圖1 所示。
本系統(tǒng)分三個層次: (1)底層為基于 CAN總線的分布式數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡,用來實現(xiàn)現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集和底層之間的通訊和數(shù)據(jù)傳輸; (2) 中間層為基于嵌入式技術(shù)的網(wǎng)關(guān),利用MAXIM 公司生產(chǎn)的DS80C400 為核心的嵌入式網(wǎng)關(guān)實現(xiàn)CAN 到以太局域網(wǎng)和Internet 的無縫連接,通過該網(wǎng)關(guān)可以把底層采集來的數(shù)據(jù)傳送到控制計算機或數(shù)據(jù)服務器上; (3) 頂層為現(xiàn)有的以太局域網(wǎng)和Internet 。
2基于 CAN 總線的火災信號采集網(wǎng)絡（底層設計）
CAN 總線是一種有效支持分布式控制或?qū)崟r控制的串行通信網(wǎng)絡。CAN協(xié)議的一個最大特點是廢除了傳統(tǒng)的站地址編碼,而代之以對通信數(shù)據(jù)塊進行編碼。采用這種方法的優(yōu)點是使網(wǎng)絡內(nèi)的節(jié)點個數(shù)在理論上不受限制, 數(shù)據(jù)塊的標識碼可由 11位或 29位二進制數(shù)組成,因此可以定義 211或 229個不同的數(shù)據(jù)塊, 這種按數(shù)據(jù)塊編碼的方式,還可使不同的節(jié)點同時接收到相同的數(shù)據(jù)。CAN 總線采用短幀結(jié)構(gòu), 從而保證了通信的實時性。CAN協(xié)議采用 CRC檢驗并可提供相應的錯誤處理功能, 保證了數(shù)據(jù)通信的可靠性 [2 ]。CAN 總線這些特點都滿足了火災監(jiān)控系統(tǒng)的功能要求。
基于CAN 總線的火災監(jiān)控系統(tǒng)的底層構(gòu)成如圖２所示。系統(tǒng)中,控制中心主機為上位機,運行時負責向各樓層集控器詢問各種火災探測器數(shù)據(jù)及工作狀態(tài),判斷和顯示發(fā)生或可能發(fā)生火災的樓層和具體位置。各樓層集控器由 CAN總線控制器、CAN收發(fā)器、探測器通信接口和手動報警裝置組成。CAN 總線控制器用于集控器與控制中心主機之間的數(shù)據(jù)傳遞;CAN收發(fā)器增強了控制器的驅(qū)動能力,保證通信距離;探測器通信接口向下連接各種探測器和手動報警裝置。
發(fā)送數(shù)據(jù)時,火災報警器把需要傳送的數(shù)據(jù)寫入 CAN 控制器的發(fā)送緩沖區(qū),啟動發(fā)送,數(shù)據(jù)即通過CAN收發(fā)器發(fā)送到總線上; 接收數(shù)據(jù)時,CAN控制器通過CAN收發(fā)器從總線上接收數(shù)據(jù),處理后存入接收緩沖區(qū),并給出接收中斷信號,這時,集控器可以從 CAN控制器的接收緩沖區(qū)取走數(shù)據(jù)。
圖２火災遠程監(jiān)控系統(tǒng)底層結(jié)構(gòu)
其中RS232/CAN 轉(zhuǎn)換器是控制中心上位機與CAN總線的接口,對傳輸?shù)男畔⑦M行RS232總線標準和 CAN總線標準轉(zhuǎn)換。另外,報文的拼接和拆分、定時向集控器發(fā)校時命令等功能也由該轉(zhuǎn)換器完成。RS232/CAN 轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)如圖３所示。
嵌入式網(wǎng)關(guān)是系統(tǒng)的核心部件,其主要完成現(xiàn)場總線到以太網(wǎng)的協(xié)議轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)傳輸,實現(xiàn)底層數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡到上層監(jiān)控及管理網(wǎng)絡的通信。網(wǎng)關(guān)的硬件平臺的選擇應充分考慮安全、經(jīng)濟,開發(fā)周期的要求。采用 DS80C400 專用芯片,在此基礎上進行二次開發(fā)是較好的選擇。專用芯片價格適中,集成了大量的片內(nèi)設備供開發(fā)使用,如 TCP/ IP 協(xié)議棧、以太網(wǎng)控制器等,縮短了開發(fā)周期及開發(fā)難度,可靠性高,具有良好的性價比。該嵌入式以太網(wǎng)網(wǎng)關(guān)主要是由網(wǎng)絡微控制器DS80C400 和以太網(wǎng)接口芯片LXT972ALC 構(gòu)成，如圖3 所示。
DS80C400 是快速的且與 8051兼容的高度集成的網(wǎng)絡微控制器。它執(zhí)行指令的速度比普通的8051快3倍。它的外圍設備包括10/ 100bps的以太網(wǎng),3個串行端口,1個CAN2. 0B 控制器,
一個 1Wire 控制器和 64個 I/ O 引腳,一個 TCPIPv4/ 6 協(xié)議棧。DS80C400內(nèi)部集成了 10/100Mbps以太網(wǎng)控制器,是支持連接使用 IEEE802.3協(xié)議的物理設備。
LXT972ALC 是一個遵守快速以太網(wǎng)協(xié)議的接收發(fā)送芯片。LXT972ALC支持 10/ 100MMAC 的標準的 MII。LXT972ALC執(zhí)行 IEEE802.3 定義的標準 10BASE-X 的所有物理編碼子層和物理附加子層的功能 [4] 。它還能執(zhí)行10BASE-TX 連接的所有的媒體獨立子層的所有功能。
4基于以太網(wǎng)和 Internet的頂層數(shù)據(jù)傳輸需求[5]
火災遠程監(jiān)控系統(tǒng)的頂層是通用的以太網(wǎng)和Internet網(wǎng)絡，其軟、硬件結(jié)構(gòu)是現(xiàn)成的，但在用于火災遠程監(jiān)控系統(tǒng)時要考慮系統(tǒng)傳輸數(shù)據(jù)的實時性、可靠性和安全性 [4]。
4.1數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性需求
火災的早期報警是及時撲滅火災、減少損失的最有效的措施，發(fā)現(xiàn)越早、撲救越及時，形成災害的可能性就越小。否則就可能使微小的火情釀成較大的災難，造成難以估量的損失。因此對系統(tǒng)的實時性要求是重要的。
但是，由于在Internet傳輸數(shù)據(jù)是通過建立虛連接，以數(shù)據(jù)包的形式存儲轉(zhuǎn)發(fā)的，有時間延遲。路由器是 Internet網(wǎng)絡構(gòu)成的核心，根據(jù)路由器的工作原理，一般路由器是根據(jù)公平和先到先服務的原則來轉(zhuǎn)發(fā) IP分組。造成 IP分組延遲主要有兩個方面，一是路由查詢時間，二是 IP分組排隊時間，特別是網(wǎng)絡阻塞時造成IP較大的延遲甚至在隊列已滿時會丟棄IP分組，從而造成網(wǎng)絡傳輸中丟失數(shù)據(jù)。
解決火災遠程監(jiān)控系統(tǒng)的實時性問題，實際重點就是解決火災信息在 Internet上的傳輸延遲問題，Internet網(wǎng)絡延遲一般主要包括路由查表延遲、打包延遲，傳送延遲、排隊延遲和處理延遲，其中路由查表延遲、傳播延遲和排隊延遲是影響網(wǎng)絡延遲的主要因素。
4.1數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃孕枨?br />在互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展過程中，服務的可靠性已經(jīng)成為日益重要的問題。由于火災遠程監(jiān)控系統(tǒng)的重要性，火災監(jiān)控信息數(shù)據(jù)包的丟失會造成無可估量的損失。一般系統(tǒng)要求較高的容錯性，傳統(tǒng)的可靠性衡量指標有：失效率、平均失效時間、失效間隔時間、平均修復時間以及故障覆蓋率等統(tǒng)計性指標，在火災遠程監(jiān)控系統(tǒng)中通?？刹捎每煽啃源胧┳鳛榭煽啃?QoS指標，如備份個數(shù)、主動/被動復制等。
4.1數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩孕枨?br />隨著網(wǎng)絡的發(fā)展，網(wǎng)絡安全問題已成為網(wǎng)絡管理員和用戶關(guān)心的頭等大事，也是決定Internet命運的重要因素。實際上已經(jīng)出現(xiàn)不少個體網(wǎng)絡由于自身安全受到威脅，而不得不被迫暫時退出 Internet的事件。同樣火災遠程監(jiān)控系統(tǒng)信息傳輸?shù)陌踩裕窃撓到y(tǒng)能否在Internet上正常運行的重要因素。
5結(jié)論
本文的提出了一種基于CAN 總線和嵌入式網(wǎng)關(guān)結(jié)構(gòu)的火災遠程監(jiān)控系統(tǒng)的設計。CAN總線已被公認為是最有前途的幾種現(xiàn)場總線之一,因其性價比高、實現(xiàn)簡單等突出優(yōu)點深得越來越多的研發(fā)人員的青睞。基于 DS80C400 的嵌入式網(wǎng)關(guān)具有集成度高、性價比高、開發(fā)周期短等優(yōu)點,愈來愈廣泛的應用在實現(xiàn) CAN到以太網(wǎng)和 Internet的接入[6]。對于火災信息在 Internet上的傳輸需求進行了分析，對于如何解決這些需求文獻 5給出了一些解決方案，但有待進一步的深入研究。
本文作者創(chuàng)新點:
結(jié)合遠程火災信息數(shù)據(jù)采集和傳輸?shù)奶攸c,將 CAN總線和嵌入式網(wǎng)關(guān)技術(shù)應用于火災遠程監(jiān)控系統(tǒng)是本文的主要創(chuàng)新點。
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