消防指示燈智能監控系統三端口網(wǎng)關(guān)設計

　　隨著(zhù)社會(huì )的發(fā)展， 大量高密度的特大型建筑不斷涌現， 導致火災逃生通道更為復雜， 加大了火災發(fā)生時(shí)的逃生難度。對于消防疏散而言， 怎樣在火災發(fā)生時(shí)使逃生更安全、更準確、更迅速， 正是時(shí)代對建筑防災提出的新課題。目前消防應急標志燈大多作為單體存在， 無(wú)法依據火災現場(chǎng)的變化， 動(dòng)態(tài)地調整逃生方向指示。此外，應急標志燈的日常維護和檢修也存在嚴重的滯后現象。

　　應急標志燈最主要的作用是能在發(fā)生火災時(shí)應急啟動(dòng)，而應急啟動(dòng)的關(guān)鍵在于其電池充放電工作是否正常。依靠人力的維護和檢修， 難以及時(shí)發(fā)現產(chǎn)品問(wèn)題， 在發(fā)生火災時(shí)往往會(huì )給逃生疏散指示帶來(lái)許多盲區。越來(lái)越高的公共安全要求使得消防應急標志燈從各自獨立工作發(fā)展為智能化消防應急燈監控系統。在火災來(lái)臨之時(shí)，該系統能迅速、準確地收集火警現場(chǎng)的信息， 智能地選擇最佳的逃生路線(xiàn)， 通過(guò)集中控制消防應急燈具， 以光流、語(yǔ)音、頻閃形式， 從聽(tīng)覺(jué)、視覺(jué)等感觀(guān)上引導人們正確逃生。系統還可以不間斷地巡檢智能應急燈具運行狀態(tài)， 及時(shí)發(fā)現燈具故障， 提高整個(gè)系統的可靠性和應急安全性。

　　圖1 展示了采用雙環(huán)形總線(xiàn)拓撲結構的消防應急燈具智能監控系統， 包括上位監控計算機、中繼網(wǎng)關(guān)和智能消防應急燈具三級， 通過(guò)兩級RS-485 環(huán)形總線(xiàn)進(jìn)行相互通信。所有的控制命令都由監控計算機發(fā)出， 通過(guò)第一級總線(xiàn)環(huán)路傳送到中繼網(wǎng)關(guān)， 再由中繼網(wǎng)關(guān)通過(guò)第二級總線(xiàn)環(huán)路網(wǎng)絡(luò )傳遞至每個(gè)燈具， 燈具執行命令后， 依次通過(guò)第二級、第一級環(huán)路返回執行結果。在該系統中， 監控計算機從火災報警系統(FANS) 獲得火源信息， 智能決策選擇最優(yōu)逃生路線(xiàn)， 通過(guò)總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )將指令信息傳遞至中繼網(wǎng)關(guān)， 然后再由中繼網(wǎng)關(guān)發(fā)送至各燈具， 指示安全可靠的逃生通道。

圖1 具有雙環(huán)形總線(xiàn)的消防應急燈系統。

　　總線(xiàn)型拓撲結構簡(jiǎn)單， 控制方便， 易于擴展， 所以目前大多數消防和門(mén)禁系統都是采用這種拓撲結構。環(huán)形網(wǎng)絡(luò )還具有較好的可靠性， 如果環(huán)形總線(xiàn)在某處斷開(kāi)， 則可分成兩個(gè)總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )， 分別連接到主站的兩個(gè)接口上， 仍然能夠保證主站與從站之間的信息交換， 大大提高了網(wǎng)絡(luò )傳輸的可靠性。兩級環(huán)形總線(xiàn)結構的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是， 多個(gè)環(huán)路可并行工作， 均衡并減輕單一總線(xiàn)上的通信負載。

　　在應急狀態(tài)下， 應急燈及其監控系統有集中供電和獨立供電兩種方式。在應急狀態(tài)下， 集中供電系統的每個(gè)燈具以及所有中繼網(wǎng)關(guān)都從同一個(gè)專(zhuān)用的應急電源獲得工作電源， 而獨立供電系統的工作電源由每個(gè)燈具或網(wǎng)關(guān)自帶的電池提供。因此， 監控電池的儲能性能及保證電池的可用性都至關(guān)重要。通過(guò)控制命令可以隨時(shí)檢測電池電壓， 也可每月每年定期檢查。

1 三端口網(wǎng)關(guān)設計

　　1.1 總體結構

　　在圖1 所示的應急燈智能監控系統中， 中繼網(wǎng)關(guān)作為上下兩級環(huán)路之間的聯(lián)絡(luò )， 是監控計算機與燈具之間交換數據的中轉站， 其結構和功能設計是整個(gè)系統設計的重要內容。

　　圖2 為獨立供電型中繼網(wǎng)關(guān)總體結構圖。在主電狀態(tài)下， 通過(guò)市電獲得工作電源。在應急狀態(tài)下， 由自帶電池提供工作電源。網(wǎng)關(guān)具有電源變換、電池充放電控制功能。在整個(gè)消防應急系統中， 中繼網(wǎng)關(guān)可以通過(guò)平常的抽樣和制定燈具查詢(xún)該環(huán)路燈具狀態(tài)， 與下位機節點(diǎn)通信時(shí)， 將發(fā)送第一個(gè)節點(diǎn)ID 而功能碼以及它們的數據項還有校驗碼所形成的數據幀， 通過(guò)RS-485 總線(xiàn)發(fā)送到第一個(gè)節點(diǎn)上， 之后變?yōu)榻邮諣顟B(tài)， 接收第一個(gè)節點(diǎn)發(fā)送過(guò)來(lái)的數據幀并進(jìn)行解析。當解析出下位機節點(diǎn)發(fā)送故障報警時(shí)， 將報警信息顯示在液晶顯示屏上， 并啟動(dòng)聲光報警。由于監控主機程序中設有定時(shí)器， 因此，如果節點(diǎn)未能在一定的時(shí)間發(fā)送回數據幀， 則提示異常， 提醒相關(guān)人員進(jìn)行檢查。如果未出現報警信息， 則再輪詢(xún)下一個(gè)節點(diǎn)。

圖2 獨立供電型中繼網(wǎng)關(guān)結構圖。

　　系統使用主從通信協(xié)議， 兩級環(huán)形網(wǎng)絡(luò )都采用RS-485 總線(xiàn)。在系統網(wǎng)絡(luò )拓撲中， 中繼網(wǎng)關(guān)作為第一級環(huán)路總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )的從站， 同時(shí)又是第二級環(huán)路的主站。中繼網(wǎng)關(guān)需要3 個(gè)串口，1 個(gè)負責接收監控計算機命令以及把燈具和網(wǎng)關(guān)本身的信息整理后回饋， 另外兩個(gè)串口正好形成環(huán)路主站，1 個(gè)負責發(fā)送，1 個(gè)負責接收， 如果出現環(huán)路斷線(xiàn)， 則兩個(gè)都可以作為發(fā)送。

　　本設計中選擇具有兩個(gè)串口的單片機STC12C5A32S2( 以下簡(jiǎn)稱(chēng)STC12) 作為主要控制芯片， 它具有2 個(gè)異步串行接口(UART)，1 個(gè)同步串行口(SPI)， 以及和普通單片機相同的256 B 的內部RAM， 以及擴展的1 024 B 的外部RAM， 還有28 KB 的EEPROM。較大的存儲空間方便燈具的連接以及大量數據的存儲[ 5]。把STC12 單片機自帶的兩個(gè)串口設計成1# 和2# RS-485 接口， 作為第二級環(huán)路的主站， 還需要擴展另一個(gè)串口構成0# RS-485 接口， 作為第一級環(huán)路的從站。

　　1.2 串口擴展

　　串口擴展的方式有：(1)硬件的擴展方式。使用市面上對串口進(jìn)行擴展的芯片( 有SP2338DP，GM8123 系列)。

　　在這里對于幀的格式是不可編程的[ 6]。(2)軟件模擬法?？筛鶕型ㄐ诺膫魉透袷?， 利用定時(shí)器和主機的I/O 口來(lái)模擬串行通信的時(shí)序， 以達到擴展串口的目的。接收過(guò)程中需要檢測起始位， 這可以使用查詢(xún)方式或中斷方式進(jìn)行處理。接收和發(fā)送過(guò)程中， 對定時(shí)的處理既可以使用查詢(xún)方式也可以使用定時(shí)器中斷方式。而這種方法需要占用大量的CPU 時(shí)間， 只能用于功能簡(jiǎn)單的應用中， 并不適合中繼網(wǎng)關(guān)這類(lèi)功能復雜的設備。

　　綜合考慮成本和性能等因素， 本設計使用STC12 單片機的同步串行口(SPI) 和另一個(gè)帶有串口的單片機STC11F04E( 以下簡(jiǎn)稱(chēng)為STC11) 來(lái)擴展串口， 其原理如圖3 所示。其中TX、RX 分別是串口的數據發(fā)送信號和數據接收引腳。RE 用于控制MAX485 的接收或發(fā)送狀態(tài)。

　　圖中下部分給出了光電隔離型RS-485 接口原理。3 個(gè)RS-485 接口使用相同的原理， 但3 個(gè)接口中MAX485芯片的工作電源是各自獨立的。

　　圖3 中，SCK、MISO、MOSI 分別是SPI 接口的時(shí)鐘信號、主站輸入信號、主站輸出信號。定義STC12 的SPI 接口工作在從站方式，STC11 作為SPI 主站。由于STC11 單片機沒(méi)有SPI 功能， 必須用軟件模擬SPI 主站功能， 這里僅將STC11 作為字節數據傳輸的中轉站， 不進(jìn)行信息幀的校驗、存儲和轉換。監控計算機發(fā)出指令經(jīng)STC11 的串口接收， 通過(guò)SPI 發(fā)送至STC12 進(jìn)行處理。STC11 再通過(guò)SPI 接收返回信息， 然后通過(guò)串口發(fā)送至監控計算機。設計中，STC12 通過(guò)在SPI_TX 引腳的輸出下降沿，告知STC11 啟動(dòng)模擬SPI 主站功能， 從STC12 的SPI 接口寄存器中讀取一個(gè)字節數據。

圖3 用SPI 擴展串口的電路構造。