基于CAN總線(xiàn)的電氣火災(zāi)預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

摘要：為有效預(yù)測(cè)電氣火災(zāi)的發(fā)生趨勢(shì)，減少人們生命和財(cái)產(chǎn)損失，提出一種基于SoPC系統(tǒng)和CAN總線(xiàn)的電氣火災(zāi)預(yù)警系統(tǒng)方案，該系統(tǒng)利用SoPC技術(shù)減小了火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)監(jiān)控節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)復(fù)雜程度，同時(shí)結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)通信距離遠(yuǎn)，抗干擾能力強(qiáng)，實(shí)時(shí)性好的優(yōu)點(diǎn)，有效地保證了該系統(tǒng)的預(yù)警監(jiān)測(cè)范圍。與傳統(tǒng)的火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)相比，該系統(tǒng)的主要優(yōu)點(diǎn)有2個(gè)，一是該系統(tǒng)側(cè)重對(duì)電氣火災(zāi)的預(yù)測(cè)與預(yù)報(bào)，在火災(zāi)發(fā)生之前報(bào)警以減小損失；二是每個(gè)監(jiān)控節(jié)點(diǎn)都帶有高性能嵌入式軟核處理器，使單個(gè)節(jié)點(diǎn)具備火災(zāi)預(yù)測(cè)信息處理的功能，大大增加了對(duì)電氣火災(zāi)預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確率，同時(shí)減少了上位計(jì)算機(jī)的負(fù)擔(dān)。
關(guān)鍵詞：CAN總線(xiàn)；電氣火災(zāi)；預(yù)測(cè)；SoPC

0 引言
如何有效地預(yù)防火災(zāi)事故一直是全社會(huì)關(guān)注的問(wèn)題。近年來(lái)，全國(guó)居民用電設(shè)備逐年增加，由此引發(fā)的火災(zāi)事故有不斷上長(zhǎng)的趨勢(shì)。據(jù)公安部調(diào)查統(tǒng)計(jì)，2009-01-09，全國(guó)共發(fā)生火災(zāi)106 191起(不含森林、草原、軍隊(duì)、礦井地下部分火災(zāi))，死亡831人，受傷509人，直接財(cái)產(chǎn)損失10．6億元。其中，電氣引發(fā)火災(zāi)31731起，造成死亡265人，受傷114人，損失41514．6萬(wàn)元，分別占總數(shù)的29．9％，31．9％，22．4％和39．1％；居各類(lèi)火災(zāi)事故之首。這類(lèi)火災(zāi)事故不僅僅造成人員傷亡和經(jīng)濟(jì)財(cái)產(chǎn)損失，還有可能引發(fā)火災(zāi)發(fā)生地及附近區(qū)域電力系統(tǒng)的大面積癱瘓，給社會(huì)生產(chǎn)和人們的生活帶來(lái)極大的不便。
火災(zāi)預(yù)警系統(tǒng)在早期預(yù)測(cè)、及時(shí)發(fā)現(xiàn)與報(bào)警以及消防聯(lián)動(dòng)等方面都起著重要的作用，早期的火災(zāi)預(yù)警系統(tǒng)存在線(xiàn)路繁雜、檢修不便、有效范圍小、實(shí)時(shí)性低、誤報(bào)與漏報(bào)率高等諸多缺陷。本文提出的火災(zāi)預(yù)警系統(tǒng)充分發(fā)揮CAN總線(xiàn)與SoPC系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)，有效克服了上述缺點(diǎn)，能對(duì)智能樓宇小區(qū)、賓館、醫(yī)院、娛樂(lè)場(chǎng)所等人員密集的區(qū)域的用電情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，并預(yù)測(cè)火災(zāi)發(fā)生的趨勢(shì)，將檢測(cè)結(jié)果通過(guò)CAN網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)送至監(jiān)控室，以便及時(shí)提醒值班人員采取有效措施防止火災(zāi)事故的發(fā)生。

1 系統(tǒng)工作原理與結(jié)構(gòu)
1．1 火災(zāi)預(yù)警系統(tǒng)的工作原理
電氣火災(zāi)預(yù)警系統(tǒng)一般是通過(guò)多種傳感器采集電流、電壓、溫度相關(guān)數(shù)據(jù)，送至監(jiān)控智能節(jié)點(diǎn)中進(jìn)行分析處理，通過(guò)數(shù)據(jù)異常變化的趨勢(shì)預(yù)測(cè)火災(zāi)發(fā)生的機(jī)率。同時(shí)，將這種預(yù)測(cè)結(jié)果在主監(jiān)控室的上位機(jī)中顯示出來(lái)，以便讓值班人員圾時(shí)了解火災(zāi)發(fā)生的可能性，采取有效措施制止火災(zāi)事故的發(fā)生，如果無(wú)法控制險(xiǎn)情，則及時(shí)向特定區(qū)域發(fā)出警報(bào)信號(hào)，有序組織相關(guān)人員撤離以避免人員傷亡。并且，火災(zāi)預(yù)警系統(tǒng)還應(yīng)該具有在火災(zāi)事故發(fā)生后正確啟動(dòng)消防聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)和保護(hù)周邊區(qū)域電力系統(tǒng)不受事故影響、保持正常工作的功能。
火災(zāi)預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵有2個(gè)，一是要實(shí)現(xiàn)大范圍的實(shí)時(shí)監(jiān)控，同時(shí)要保證監(jiān)控地點(diǎn)的設(shè)備與值班室上位機(jī)之間快速、可靠的通信，及時(shí)讓值班人員了解信息，CAN總線(xiàn)與一般的通信總線(xiàn)相比，它的數(shù)據(jù)通信具有突出的可靠性、實(shí)時(shí)性和靈活性，另外，CAN網(wǎng)絡(luò)的有效節(jié)點(diǎn)高達(dá)110個(gè)，能很好地保證CAN總線(xiàn)監(jiān)控系統(tǒng)的有效覆蓋范圍。CAN總線(xiàn)具有廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域，目前已經(jīng)成為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)；二是對(duì)于火災(zāi)趨勢(shì)預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性與可靠性，盡可能的減少因誤報(bào)和漏報(bào)而帶來(lái)的人員恐慌。
1．2 火災(zāi)預(yù)警系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)
本次設(shè)計(jì)的系統(tǒng)為分散式控制系統(tǒng)，采用三級(jí)級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)，由上位機(jī)，USB-CAN轉(zhuǎn)接口和CAN總線(xiàn)監(jiān)控節(jié)點(diǎn)3個(gè)部分組成。其中，上位機(jī)的主要作用是讓值班人員通過(guò)上位機(jī)了解目前系統(tǒng)的監(jiān)控情況，并對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行控制；USB-CAN轉(zhuǎn)接口負(fù)責(zé)上位機(jī)與CAN網(wǎng)絡(luò)的連接；CAN總線(xiàn)監(jiān)控節(jié)點(diǎn)用于完成數(shù)據(jù)采集和部分?jǐn)?shù)據(jù)分析功能，CAN網(wǎng)絡(luò)負(fù)責(zé)上位機(jī)與CAN總線(xiàn)節(jié)點(diǎn)間信息的傳遞。CAN總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的有效節(jié)點(diǎn)可達(dá)110個(gè)，并且還可以通過(guò)中繼進(jìn)行擴(kuò)展，有效保證了系統(tǒng)的監(jiān)控范圍。系統(tǒng)的具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵問(wèn)題
2．1 硬件設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵問(wèn)題
系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)的關(guān)鍵問(wèn)題有2個(gè)，一是監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的采集與信息處理；二是CAN總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)接口的設(shè)計(jì)。本系統(tǒng)監(jiān)測(cè)的對(duì)象為電力低壓線(xiàn)路，主要監(jiān)測(cè)電流、電壓、溫度和漏電流等參數(shù)。監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)包括FPGA、互感器及信號(hào)調(diào)理電路、模／數(shù)轉(zhuǎn)換電路、存儲(chǔ)電路、顯示電路、語(yǔ)音報(bào)警電路、CAN總線(xiàn)控制器及其收發(fā)模塊、鍵盤(pán)接口和脫扣裝置與保護(hù)電路等模塊，其中FPGA選用Altera公司生產(chǎn)的EPC28Q208C8N芯片，主要作用為負(fù)責(zé)各參數(shù)的數(shù)據(jù)采集和分析相關(guān)數(shù)據(jù)并進(jìn)行火災(zāi)預(yù)測(cè)；存儲(chǔ)電路用于存儲(chǔ)監(jiān)測(cè)結(jié)果和相關(guān)參數(shù)；互感器及信號(hào)調(diào)理電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路模塊用于采集相關(guān)數(shù)據(jù)，并在液晶顯示模塊中顯示出來(lái)；CAN總線(xiàn)控制器及其收發(fā)模塊模塊負(fù)責(zé)上位機(jī)與監(jiān)控節(jié)點(diǎn)間的通信；語(yǔ)音報(bào)警模塊
用于報(bào)警并通知人員撤離；鍵盤(pán)電路用于設(shè)置參數(shù)和查詢(xún)；脫扣裝置與保護(hù)電路則是在線(xiàn)路出現(xiàn)嚴(yán)重故障情況下隔離火災(zāi)地點(diǎn)與周?chē)鷧^(qū)域的電力線(xiàn)路，保證其他用電設(shè)備不受其影響，其具體結(jié)構(gòu)如圖2所示。