汪昕隆,許萬(wàn)彬,王梓行,陳鐵輝,陳耀忠,管立偉,2,3,盧 宇,2,3,何志杰,2,3

1(福建師范大學(xué) 物理與能源學(xué)院 福建省量子調(diào)控與新能源材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,福州 350117)

2(福建省半導(dǎo)體光電材料及其高效轉(zhuǎn)換器件協(xié)同創(chuàng)新中心,廈門(mén) 361005)

3(福建省太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換與儲(chǔ)能工程技術(shù)研究中心,福州 350117)

高大空間建筑如體育館、倉(cāng)庫(kù)、影劇院等場(chǎng)所具有易燃物品多、火災(zāi)危險(xiǎn)性大等特點(diǎn),必須有效控制此類(lèi)場(chǎng)所的初期火災(zāi),防止火災(zāi)的蔓延.自動(dòng)跟蹤定位消防系統(tǒng)是控制建筑初期火災(zāi)的重要自動(dòng)滅火設(shè)施,已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用[1,2].CAN(Controller Area Network)是ISO國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化的串行通信協(xié)議,可作為連接現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備(傳感器、控制器等)、面向廣播的串行系統(tǒng)的總線結(jié)構(gòu)框架,CAN總線具有網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、數(shù)據(jù)通信穩(wěn)定可靠和良好的錯(cuò)誤檢測(cè)等特點(diǎn),在智能檢測(cè)與控制領(lǐng)域備受青睞,被廣泛應(yīng)用在環(huán)境惡劣、電磁輻射干擾性強(qiáng)和振動(dòng)大的工業(yè)環(huán)境中[3–5].CAN總線為分布式測(cè)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)各節(jié)點(diǎn)之間實(shí)時(shí)、可靠的數(shù)據(jù)通信提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支持.由于CAN標(biāo)準(zhǔn)及協(xié)議規(guī)范給出了物理層和數(shù)據(jù)鏈路層的定義,而對(duì)上層協(xié)議未作規(guī)范,因此,用戶在采用CAN總線構(gòu)建系統(tǒng)時(shí)可以靈活地設(shè)計(jì)CAN上層協(xié)議,從而進(jìn)一步提高CAN總線在應(yīng)用層上的通信性能[6,7].

本文以自動(dòng)跟蹤定位消防系統(tǒng)為例,通過(guò)解析報(bào)文標(biāo)識(shí)符幀ID和數(shù)據(jù)幀含義,研究基于CAN總線應(yīng)用層協(xié)議的制定原則和方法,應(yīng)用結(jié)果表明,該協(xié)議能夠保證較高的通信可靠性,適用于自動(dòng)跟蹤定位消防系統(tǒng)等可靠性要求較高的場(chǎng)合.

1 跟蹤定位消防系統(tǒng)架構(gòu)及通信

自動(dòng)跟蹤定位消防系統(tǒng)是基于CAN總線技術(shù)搭建的模塊化的信息管理與控制平臺(tái).消防系統(tǒng)整體架構(gòu)如圖1所示,由3個(gè)子系統(tǒng)構(gòu)成,分別為中央監(jiān)控器子系統(tǒng)、區(qū)域控制器子系統(tǒng)和水炮控制器子系統(tǒng).在基于CAN總線的自動(dòng)跟蹤定位消防系統(tǒng)中,各子系統(tǒng)之間和子系統(tǒng)內(nèi)各模塊間均通過(guò)總線進(jìn)行信息交換,包括水炮的啟動(dòng)、停止、開(kāi)關(guān)水泵、開(kāi)關(guān)電磁閥、火警以及紫外傳感器脈沖數(shù)等.

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

中央監(jiān)控器子系統(tǒng)置于監(jiān)控室內(nèi),是整個(gè)消防系統(tǒng)的核心,監(jiān)控器不僅可以接收底層各CAN節(jié)點(diǎn)發(fā)來(lái)的參數(shù)信息和工作狀態(tài)信息,并且通過(guò)CAN總線向各控制節(jié)點(diǎn)發(fā)送命令和數(shù)據(jù)信息.區(qū)域控制器子系統(tǒng)負(fù)責(zé)管理本區(qū)域內(nèi)的水炮,通過(guò)CAN總線來(lái)設(shè)置總線上水炮的地址、設(shè)置通訊模式和通訊速率以及對(duì)水炮進(jìn)行單獨(dú)操作.水炮控制器子系統(tǒng)通過(guò)CAN總線發(fā)送傳感器信息和火源信息,同時(shí)接收區(qū)域控制器子系統(tǒng)和中央監(jiān)控器子系統(tǒng)的命令信息.

自動(dòng)跟蹤定位消防系統(tǒng)通信信息分為命令和數(shù)據(jù)兩類(lèi).命令信息,比如設(shè)置總線上水炮的地址、設(shè)置通訊模式等,其優(yōu)先級(jí)比數(shù)據(jù)信息高.數(shù)據(jù)信息,比如紫外傳感器脈沖數(shù)、環(huán)境溫度等,其優(yōu)先級(jí)相應(yīng)低一些.不同的子系統(tǒng)發(fā)送的數(shù)據(jù)信息也有優(yōu)先級(jí)之分,如水炮本身的參數(shù)信息和工作狀態(tài)報(bào)警信息比紫外傳感器脈沖數(shù)信息優(yōu)先級(jí)高;中央監(jiān)控器子系統(tǒng)的優(yōu)先級(jí)最高,而底層的區(qū)域控制器子系統(tǒng)優(yōu)先級(jí)低.

自動(dòng)跟蹤定位消防系統(tǒng)中有的信息要求周期性傳送,如紫外傳感器脈沖數(shù)、環(huán)境溫度等參數(shù)信息.有的信息屬于事件觸發(fā)發(fā)送,如報(bào)警信息、遠(yuǎn)程操作水炮等控制命令信息.各子系統(tǒng)發(fā)送指令和數(shù)據(jù)信息的字節(jié)數(shù)都比較少,大部分都不超過(guò)8個(gè)字節(jié),很適合CAN總線短幀快速的傳送方式.

2 CAN總線通信電路

CAN總線通信電路如圖2所示,主要由CAN總線收發(fā)器82C250Y、雙通道數(shù)字隔離器1201ARZ、電源隔離模塊B0505S和信號(hào)繼電器HFD4組成.STM32自帶CAN控制器,其CAN模塊的引腳通過(guò)雙通道數(shù)字隔離器1201ARZ后與82C250Y相連,可以很好實(shí)現(xiàn)總線上各節(jié)點(diǎn)的電氣隔離,增強(qiáng)CAN總線節(jié)點(diǎn)的抗干擾能力.需要注意的是,雙通道數(shù)字隔離器1201ARZ所采用的兩個(gè)電源要完全隔離,這里引入了電源隔離模塊B0505S.如果CAN節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)嚴(yán)重錯(cuò)誤,可以通過(guò)STM32控制信號(hào)繼電器HFD4將本節(jié)點(diǎn)從CAN總線上分離,從而增強(qiáng)CAN總線的穩(wěn)定性和安全性.

3 通信協(xié)議的制定與實(shí)現(xiàn)

自動(dòng)跟蹤定位消防系統(tǒng)采用模塊化、無(wú)主從總線化設(shè)計(jì),層次清晰,便于維護(hù)和升級(jí),具有良好的互換性.消防系統(tǒng)中的子系統(tǒng)數(shù)量多,通信數(shù)據(jù)傳送量大,需要清晰定義CAN總線應(yīng)用層協(xié)議,以確保系統(tǒng)中各子系統(tǒng)之間正確、實(shí)時(shí)通信.

3.1 總體情況

本系統(tǒng)協(xié)議采用CAN2.0B支持29位標(biāo)識(shí)符的擴(kuò)展幀,如圖3所示,29位擴(kuò)展幀包括11位基本ID(即標(biāo)準(zhǔn)幀)和18位擴(kuò)展ID[8,9].基本11位ID發(fā)送順序?yàn)镮D28到ID18,它定義了擴(kuò)展幀的基本優(yōu)先級(jí),其值越大代表優(yōu)先級(jí)越低;18位擴(kuò)展ID按照ID17到ID0的順序發(fā)送.替代遠(yuǎn)程請(qǐng)求位SRR位為隱性,遠(yuǎn)程發(fā)送請(qǐng)求位RTR在數(shù)據(jù)幀中為顯性來(lái)區(qū)分?jǐn)?shù)據(jù)幀和遠(yuǎn)程幀,保留位r1和r0發(fā)送為顯性,DLC為數(shù)據(jù)長(zhǎng)度碼.通信速率可由區(qū)域控制器設(shè)置成10、100、200 kb/s等多種總線波特率,本系統(tǒng)采用10 kb/s進(jìn)行通信.各節(jié)點(diǎn)之間通信使用數(shù)據(jù)幀,遠(yuǎn)程幀不用于數(shù)據(jù)請(qǐng)求.

圖2 CAN總線接口電路

圖3 數(shù)據(jù)幀擴(kuò)展格式中的仲裁場(chǎng)結(jié)構(gòu)

CAN總線協(xié)議將數(shù)據(jù)信息分為廣播信息和專(zhuān)有信息.任意節(jié)點(diǎn)可以發(fā)出廣播信息,總線上所有其他節(jié)點(diǎn)都接收或局部多個(gè)指定節(jié)點(diǎn)選擇性地接收;專(zhuān)有信息是由某一節(jié)點(diǎn)發(fā)送且只針對(duì)某一指定節(jié)點(diǎn)接收的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)信息.廣播信息的優(yōu)先級(jí)比專(zhuān)有信息高,且優(yōu)先級(jí)是基于節(jié)點(diǎn)的,不同的節(jié)點(diǎn)可以有不同的優(yōu)先級(jí).同樣,節(jié)點(diǎn)的專(zhuān)有信息可以基于信息內(nèi)容的重要程度來(lái)分為不同的優(yōu)先級(jí)[6].

3.2 報(bào)文結(jié)構(gòu)

CAN應(yīng)用層協(xié)議可以由用戶自行制定,有較大的靈活性.本協(xié)議在CAN 2.0B基礎(chǔ)上對(duì)29位標(biāo)識(shí)符進(jìn)行定義,采用了預(yù)定義分配方式來(lái)分配標(biāo)識(shí)符,見(jiàn)表1.

表1 報(bào)文格式

(1)優(yōu)先級(jí):由ID28–ID24組成,優(yōu)先級(jí)分配如表2所示.將00000、00001兩個(gè)優(yōu)先級(jí)作備用.中控與消防炮之間的火警數(shù)據(jù)通信優(yōu)先級(jí)定義為00010為最高優(yōu)先級(jí),中控與消防炮之間的正常數(shù)據(jù)通信優(yōu)先級(jí)定義為00011為次優(yōu)先級(jí),中控需要對(duì)消防炮進(jìn)行注冊(cè)編碼和單臺(tái)操作,在緊急情況下由相關(guān)人員進(jìn)行遠(yuǎn)程控制消防炮時(shí)必須得到及時(shí)響應(yīng).區(qū)域集控器與消防炮之間的通信設(shè)置為00100,為次優(yōu)先級(jí),有火情時(shí)可以強(qiáng)制消防炮進(jìn)行掃描尋找火源.中控需要對(duì)區(qū)域集控器進(jìn)行注冊(cè)編碼和相關(guān)操作,通信優(yōu)先級(jí)設(shè)置為00101.末端試水裝置需要將自身工作狀態(tài)在中控和區(qū)域集控器上進(jìn)行顯示,所以與中控通信優(yōu)先級(jí)設(shè)置為00110,與區(qū)域集控器通信優(yōu)先級(jí)最低,設(shè)置成00111.

表2 優(yōu)先級(jí)分配

(2)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)與源節(jié)點(diǎn):ID15–ID8為目標(biāo)節(jié)點(diǎn)地址,ID7–ID0定義為源節(jié)點(diǎn)地址.在本系統(tǒng)中,中控的節(jié)點(diǎn)地址為A0,第N個(gè)區(qū)域控制器的節(jié)點(diǎn)地址為BF,第N個(gè)消防炮的節(jié)點(diǎn)地址為CF且前兩位表示區(qū)號(hào)、后兩位表示炮號(hào),均為十六進(jìn)制地址.

3.3 舉例

中控與水炮之間正常數(shù)據(jù)通信與報(bào)警數(shù)據(jù)通信有所不同,現(xiàn)舉例說(shuō)明如下:

(1)中控與水炮的正常數(shù)據(jù)通信:以水炮B1節(jié)點(diǎn)為例,解釋說(shuō)明各位含義.表3所示的數(shù)據(jù)幀1、2為水炮正常工作時(shí)向中控發(fā)送的數(shù)據(jù)幀,源節(jié)點(diǎn)地址為B1,目標(biāo)節(jié)點(diǎn)地址為A0,其優(yōu)先級(jí)為00110,點(diǎn)對(duì)點(diǎn)式通信將幀類(lèi)型設(shè)置為01,因此幀ID為0x0601A0B1.該表示方法采用右對(duì)齊的模式,可以清晰分辨是源節(jié)點(diǎn)B1向目標(biāo)節(jié)點(diǎn)A0發(fā)送數(shù)據(jù).數(shù)據(jù)幀1表示水炮向中控發(fā)送紫外傳感器的脈沖數(shù),數(shù)據(jù)幀的第1位表示數(shù)據(jù)幀編號(hào),第2位表示功能碼,第3位表示紫外傳感器的脈沖數(shù)為10個(gè),第四位用0xFF填充,第5至第8位是該數(shù)據(jù)幀時(shí)間戳,采用UTC時(shí)間表示.

表3 數(shù)據(jù)幀示例

(2)中控與水炮的報(bào)警數(shù)據(jù)通信:以水炮B1節(jié)點(diǎn)向中控A0 發(fā)送報(bào)警信息為例,表3所示的數(shù)據(jù)幀3、4為水炮向中控發(fā)送的報(bào)警數(shù)據(jù)幀,源節(jié)點(diǎn)地址為B1,目標(biāo)節(jié)點(diǎn)地址為 A0,優(yōu)先級(jí)為00011,幀類(lèi)型為00(廣播式),故幀 ID為0x0300A0B1.為了使廣播信息能被A0模塊唯一接收,必須通過(guò)特殊功能寄存器設(shè)置屏蔽碼.因?yàn)镃AN控制器采用左對(duì)齊方式,所以分別設(shè)置CANIDT1、CANIDT2、CANIDT3、CANIDT4為0x18、0x05、0x07、0xA8.這樣,A0模塊就僅能接收ID為0x0300A0B1的廣播數(shù)據(jù)幀.同理,當(dāng)A0模塊向水炮B1節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí),源地址為A0,目標(biāo)地址為B1,優(yōu)先級(jí)為00011,故幀ID為0x0300B1A0.中控可以接收來(lái)自任何CAN節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù),鑒別出該幀ID,并對(duì)相應(yīng)數(shù)據(jù)幀進(jìn)行操作.

4 試驗(yàn)

將圖1所示的各子系統(tǒng)采用STM32系列單片機(jī)分別設(shè)計(jì)成基于CAN總線的電路模塊,然后通過(guò)CAN總線實(shí)現(xiàn)中央控制器與各子系統(tǒng)的信息通信.在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)安裝本系統(tǒng),系統(tǒng)的試驗(yàn)測(cè)試平臺(tái)如圖4所示,對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行通信測(cè)試.采用高精度校準(zhǔn)儀表、示波器及本系統(tǒng)分別對(duì)紫外傳感器脈沖數(shù)、步進(jìn)電機(jī)控制、水泵控制、電磁閥控制等進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試并記錄,其中紫外傳感器脈沖數(shù)測(cè)試結(jié)果如表4所示.從表4可以看出,紫外傳感器脈沖數(shù)據(jù)平均誤差在5%以內(nèi),數(shù)據(jù)具有較高的一致性,完全滿足系統(tǒng)的需求.試驗(yàn)結(jié)果表明,基于該CAN應(yīng)用層協(xié)議的自動(dòng)跟蹤定位消防系統(tǒng)可以在10kb/s速率下實(shí)現(xiàn)各模塊之間以及各模塊與中央控制器之間的實(shí)時(shí)無(wú)誤通信.利用Visual Studio開(kāi)發(fā)環(huán)境和C#自主開(kāi)發(fā)上位機(jī)測(cè)試軟件,主界面如圖5所示.

圖4 系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)測(cè)試平臺(tái)

5 總結(jié)

基于CAN總線的自動(dòng)跟蹤定位消防系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì),完成了各節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)和系統(tǒng)集成,可靠性高,便于后期維護(hù)和升級(jí).其應(yīng)用層協(xié)議制定方便靈活,清晰簡(jiǎn)潔,數(shù)據(jù)幀和擴(kuò)展幀的定義符合自動(dòng)跟蹤定位消防系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信的實(shí)際狀況.通信協(xié)議已在自動(dòng)跟蹤定位消防系統(tǒng)中得到成功應(yīng)用,實(shí)際應(yīng)用表明:自行定義的應(yīng)用層協(xié)議不僅能滿足自動(dòng)跟蹤定位消防系統(tǒng)實(shí)時(shí)無(wú)誤通信要求,而且具有良好的移植性和通用性,便于系統(tǒng)的產(chǎn)品化,可適用于其他領(lǐng)域的智能監(jiān)控系統(tǒng).

圖5 上位機(jī)測(cè)試軟件主界面

表4 系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果