基于CAN總線(xiàn)的電氣火災預警系統設計與實(shí)現

摘要：為有效預測電氣火災的發(fā)生趨勢，減少人們生命和財產(chǎn)損失，提出一種基于SoPC系統和CAN總線(xiàn)的電氣火災預警系統方案，該系統利用SoPC技術(shù)減小了火災報警系統監控節點(diǎn)的設計復雜程度，同時(shí)結合現場(chǎng)總線(xiàn)通信距離遠，抗干擾能力強，實(shí)時(shí)性好的優(yōu)點(diǎn)，有效地保證了該系統的預警監測范圍。與傳統的火災報警系統相比，該系統的主要優(yōu)點(diǎn)有2個(gè)，一是該系統側重對電氣火災的預測與預報，在火災發(fā)生之前報警以減小損失；二是每個(gè)監控節點(diǎn)都帶有高性能嵌入式軟核處理器，使單個(gè)節點(diǎn)具備火災預測信息處理的功能，大大增加了對電氣火災預測的準確率，同時(shí)減少了上位計算機的負擔。
關(guān)鍵詞：CAN總線(xiàn)；電氣火災；預測；SoPC

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

1 系統工作原理與結構
1．1 火災預警系統的工作原理
電氣火災預警系統一般是通過(guò)多種傳感器采集電流、電壓、溫度相關(guān)數據，送至監控智能節點(diǎn)中進(jìn)行分析處理，通過(guò)數據異常變化的趨勢預測火災發(fā)生的機率。同時(shí)，將這種預測結果在主監控室的上位機中顯示出來(lái)，以便讓值班人員圾時(shí)了解火災發(fā)生的可能性，采取有效措施制止火災事故的發(fā)生，如果無(wú)法控制險情，則及時(shí)向特定區域發(fā)出警報信號，有序組織相關(guān)人員撤離以避免人員傷亡。并且，火災預警系統還應該具有在火災事故發(fā)生后正確啟動(dòng)消防聯(lián)動(dòng)系統和保護周邊區域電力系統不受事故影響、保持正常工作的功能。
火災預警系統設計的關(guān)鍵有2個(gè)，一是要實(shí)現大范圍的實(shí)時(shí)監控，同時(shí)要保證監控地點(diǎn)的設備與值班室上位機之間快速、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，它的數據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 )的有效節點(diǎn)高達110個(gè)，能很好地保證CAN總線(xiàn)監控系統的有效覆蓋范圍。CAN總線(xiàn)具有廣泛的應用領(lǐng)域，目前已經(jīng)成為國際標準；二是對于火災趨勢預測的準確性與可靠性，盡可能的減少因誤報和漏報而帶來(lái)的人員恐慌。
1．2 火災預警系統的結構
本次設計的系統為分散式控制系統，采用三級級聯(lián)結構，由上位機，USB-CAN轉接口和CAN總線(xiàn)監控節點(diǎn)3個(gè)部分組成。其中，上位機的主要作用是讓值班人員通過(guò)上位機了解目前系統的監控情況，并對整個(gè)系統進(jìn)行控制；USB-CAN轉接口負責上位機與CAN網(wǎng)絡(luò )的連接；CAN總線(xiàn)監控節點(diǎn)用于完成數據采集和部分數據分析功能，CAN網(wǎng)絡(luò )負責上位機與CAN總線(xiàn)節點(diǎn)間信息的傳遞。CAN總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )結構的有效節點(diǎn)可達110個(gè)，并且還可以通過(guò)中繼進(jìn)行擴展，有效保證了系統的監控范圍。系統的具體結構如圖1所示。

2 系統設計中的關(guān)鍵問(wèn)題
2．1 硬件設計中的關(guān)鍵問(wèn)題
系統硬件設計的關(guān)鍵問(wèn)題有2個(gè)，一是監控數據的采集與信息處理；二是CAN總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )接口的設計。本系統監測的對象為電力低壓線(xiàn)路，主要監測電流、電壓、溫度和漏電流等參數。監測節點(diǎn)包括FPGA、互感器及信號調理電路、模／數轉換電路、存儲電路、顯示電路、語(yǔ)音報警電路、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，主要作用為負責各參數的數據采集和分析相關(guān)數據并進(jìn)行火災預測；存儲電路用于存儲監測結果和相關(guān)參數；互感器及信號調理電路、模數轉換電路模塊用于采集相關(guān)數據，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)模塊模塊負責上位機與監控節點(diǎn)間的通信；語(yǔ)音報警模塊
用于報警并通知人員撤離；鍵盤(pán)電路用于設置參數和查詢(xún)；脫扣裝置與保護電路則是在線(xiàn)路出現嚴重故障情況下隔離火災地點(diǎn)與周?chē)鷧^域的電力線(xiàn)路，保證其他用電設備不受其影響，其具體結構如圖2所示。