基于区域控制网络CAN的智能家居自动化火灾警报系统.docx

基于区域控制网络(CAN)的智能家居自动化火灾报警系统Kyung Chang Lee, Hong-Hee Lee摘要：本文提出一个应用区域控制网络(CAN)的火灾报警系统并评估其应用于智能家庭自动化控制的可能性。通常，传统的火灾报警系统有一些不足，例如由于其使用420mA的模拟电流信号，噪声对其干扰很大。因此，本文为替代原有系统，提出了一个基于CAN的火灾报警系统，阐述了CAN通信网络的设计方法并进行试验评估该系统的性能。这个网络有以下几个优点，如比其他底层BACNet(如以太网、ARCNET)有更低的成本且更容易实现。因此，如果CAN被选为底层BACNet，家庭自动化系统将会更有效。关键词：网络型火灾报警系统；区域控制网络(CAN);家庭自动化系统；家庭网络系统；智能建筑1. 引言当前，建筑的智能化为人们带来更多的方便与安全1-2。因此，家庭网络自动化系统的要求随着智能家居要求的增长而日益增长3。为了满足使用者的需求、家电(如冰箱和微波炉)、多媒体设备(如电视和音响系统)和网络设备(如电脑)已被包括在智能建筑，如图1。在智能家居，我们可以在房内或是户外用一个手机或PDA监控连接到家庭网络的电器。为了实现家庭网络系统，一些标准组织、企业正在开发Echonet,Konnex,LnCP和LonWorks等网络标准4。家庭自动化系统家庭网络系统取暖控制照明控制强电控制信息设备多媒体设备多媒体网络信息网络骨干网控制网络家庭应用家庭网关手机、PDA等移动电脑Internet图1家庭网络系统原理图另外，为了提高人们生活的舒适与安全正在完善如强电控制、照明、防盗、火灾报警等家庭自动化系统。通常，在传统的家庭自动化系统中，开关、阀门或者火灾探测器都直接与空调设备或火灾报警系统相连。传统火灾告警系统采用420mA电流的模拟传输方式，当从火灾探测器接受的电流信号超过阈值，判定发生火灾。因此，该系统存在一些不足，它容易受到包括尖脉冲等不同形式的干扰，同时它不能判断实际的燃火点。为了解决这些问题，业界已经开始研究用数字、无线传输技术的系统替代以往模拟传输的系统5-6。同时也在BACNet、LonWorks等方案中研究确定本系统所要使用的通信协议7。最近，研究人员提出使用日益被自动化领域重视的区域控制网络(CAN) 8-10应用到家庭网络中来9。由于半导体制造公司以完成了CAN微控制器片上产品的开发，大量低成本的CAN开发工具涌入市场。同时在汽车、机械、工业自动化系统等各种领域中，开发了许多的应用程序。在家庭自动化系统使用面向传感器与控制器层的网络比使用底层BACNet的以太网更加直接，所以这种方案使得家庭网络系统更易实现。本文介绍了一种基于CAN的火灾报警网络，并评估了其可行性。本文包括本段引言，一共有五个部分。在第二部分，文章给出了本系统的网络架构。第三部分提出本系统的设计方法并证明了本系统可以满足家庭自动化系统的实时性需求。第四部分介绍了本系统的可行性验证试验。2. 火灾报警系统结构2.1. 传统的火灾报警系统图2(a) 展示了传统火灾报警系统的结构。如图所示，火灾传感器（例如烟雾探测器、温度传感器等）和驱动器（例如指示灯、防火墙、灭火喷头、通风系统等）以420mA的电流信号通过专门的模拟信号线连接到接收器。在特殊情况下，负责同一地区的多个火灾探测器可以作为同一个信号连接到同一根信号线上。图2(b) 展示了传统火灾报警系统的探测器与接收器的连接方法。当火灾发生时，探测器发现相关火灾信息后，将信号线短路，使得电流增大；接收器发现相应的电流信号变大，从而得知发生火灾，通过响铃或者信号灯等方式进行报警。响铃终端电阻DDDDDD火灾探测器接收器指示灯420mA电流信号(a)传统火灾报警系统的基本结构火灾探测器终端电阻接收器(b)传统火灾报警系统连接方法图2传统火灾报警系统的基本结构通常，在传统火灾报警系统中，连接在同一信号线上的任意一个传感器当发现火灾时，都会使得此线的信号电流变大，因此接收器无法判断这条线路上的哪一个传感器就行了告警，也就无法判断具体那里发生了火灾。此外，因为接收器只是根据信号电流超过阈值断定发生火灾，所以它不能通过火灾探测器探测现场的烟雾浓度或是温度。如果由于老化或者腐蚀使得信号线路发生故障，接收器就不能进行火灾报警，也不能判断检测出线路的故障。所以传统的火灾报警系统有很大的几率会失效。2.2. 网络型火灾报警系统图3展示了网络型火灾报警系统的网络架构，它可以克服传统火灾报警系统的缺点。如图所示，火灾探测器、灭火器、响铃、显示设备连接到同一传输总线，以数字交换的方式传输信息。通过这种连接方式，由于每一个火灾探测器都有属于自己的唯一地址，接收器就可以识别是哪个探测器进行告警。此外，由于接收器定期检测各个火灾探测器的状态，它可以发现诸如探测器故障或是传输总线开路等系统故障。另外，因为各个探测器将烟雾与热度的定量数据发送给接收器，所以错误警报要少于传统火灾报警系统。在同一区域安装多个火灾探测器，接收器可以到各位置直观的烟雾、热度数据，因此本系统可以直接应用于智能火灾报警系统并能使用推理算法。同时由于探测信号可以进行计算比较，系统的风险评估能力得到提升12。ADDB网络总线PC端接收器驱动器火灾探测器指示灯响铃图3网络型火灾报警系统的网络结构此外，由于PC的安装维护比传统的专用接收机更为方便，我们可以很容易地创建一个用户界面，将人机界面应用于PC，将本系统合成到家庭网络系统中，因此网络火灾报警系统如果使用PC作为接收机会更为方便。当前，已有BACNet、LonWorks、Bluetooth等多种网络协议将网络型火灾告警系统应用在智能建筑项目用5-6。3. 网络型火灾报警系统的设计3.1. CAN协议概述CAN2.0B是专门为连接传感器、驱动器、汽车中的电子控制单元 (ECU) 而编写的网络协议。它的支持通信速率为5Kbps1Mbps，可以应用于信息共享与实时控制领域。它可以选择总线型或者星型网络拓扑结构。CAN2.0B具有以下性质：分布式总线存取控制。这意味着每一个设备都有相同的总线使用权限。竞争非破坏性总线读取。虽然设配是通过竞争方式控制总线，但不会因竞争破坏报文。根据内容确定地址。每条报文根据自身内容确定唯一的标识。循环冗余校验错误检测和错误禁闭来阻止任何不利影响的一个网络元件失效。设备不管网络是否空闲都可以传输信息。当网络繁忙时，在正在传输的信息包完成前，将要发送的包会一直等待。电信号在网络中传输的速度是有限的，很有可能多个设备在很短的时间段内都要开始传输信息。这种情况被称为信息冲突，协议通过比较报文包含的标识来解决这一难题。标识的值最小的报文赢得网络使用权，其他的设备必须立即停止传输。因为标识在数据包的首部，一起传输的电信号“0”将把电信号“1”改写，所以标识值最小的数据包将不被破坏的完成传输。其他的设备将在当前传输结束后，继续尝试传输自己的数据。图4展现这个仲裁的过程。否否否是是是是上电传输这个报文是否赢得竞争是否冲突继续传输收到消息是否收到消息检测ID总线是否空闲是否需要传输停止传输图4CAN协议流程图3.2. 网络型火灾报警系统的设计这部分进行使用CAN进行火灾报警系统设计的方法。图5(a)说明了在正常情况下火灾探测器与接收器之间的帧交换过程。如图，接收器会在每个TP（轮询周期）按照轮询列表向每个火灾探测器或是驱动器发送一个轮询帧，从而调查其状态。当它们接到轮询帧时，就会发送一个包含自己状态值的状态帧回复接收机。因此，接收机可以周期性的确定系统的状态，及时发现诸如探测器故障、线路中断等故障。图5(b)说明了当火灾发生时探测器与接收器之间的帧交换过程。如图所示，探测器测试诸如热度、烟雾量等火灾数据。接着它在每个TA（报警周期）都向接收器发送一个包含测量值的报警帧。当接收器收到报警帧，它会通过分析同一区域的探测器发送来的实时数据判断是否发生火灾。当火灾报警参数超过阈值，接收器判断确实有火灾发生，它会向相应的驱动器发生灭火帧来进行灭火作业。当火灾探测器接收到灭火帧，他会停止告警帧的发送。我们把从由火灾探测器发送报警帧到驱动器接收到灭火帧这段时间叫做响应时间TF。轮询帧传感器/驱动器接收器状态帧轮询周期TP(a)状态帧交换灭火帧灭火确定发生火灾报警帧火灾信号报警周期TA灭火周期TF传感器/驱动器接收器(b)报警帧和灭火帧交换图5基于CAN的火灾报警系统帧定义运用这些方法，接收器可以从多个火灾探测器直接读取数据，综合判断是否发生火灾，因此网络型火灾报警系统相较传统型火灾报警器更加优越。为了保证基于CAN的火灾报警系统的实时性，报警帧与灭火帧的优先级必须高于其他帧的优先级。为了保证网络型报警系统符合以上要求，我们提出了一种分配ID的方法，如图6。我们将CAN的29位ID分为5个ID子段，分别对应4个分类段。第一部分为帧类型，为了保证灭火帧的优先级最高，灭火帧、报警帧、轮询帧、状态帧分别设置为“00”、“01”、“10”“11”。图7展现了一个不同类型帧同时发送的例子。如图，接收器的灭火帧（帧ID为“00”）与其他帧相比会最早发送，这是因为CAN使用的是CSMA/NBA竞争方法。同样，探测器B的报警帧B（帧ID为“01”）要优先于探测器A的状态帧A（帧ID为“11”）。282726252423222120191817161514131211109876543210帧类型ID“烧焦等级”ID块ID设备类型ID独立ID图6基于CAN的火灾报警系统ID分配方法发送成功第二部分定义了报文的“烧焦等级”ID，确保等候时间较长的帧优先发送。初始水平为“1111”。图7 (b) 给出了一个“烧焦等级”ID变化的例子。假设有两个探测器B和探测器C同时发出帧类型ID都为“01”的报警帧，而探测器B发出帧的独立ID比探测器C的更小。此时，将比较帧标识的其他部分，因此探测器B的帧优先级更高，首先发送。然而探测器C的帧将发送失败而输掉竞争，它的“烧焦等级”ID就会由“1111”变为“1110”，即优先级上升。此时如果在探测器C重新发送之时，另一个探测器A发出另一个帧类型“01”的报警帧。由于探测器A的“烧焦等级”为“1111”，探测器C的帧优先级更高优先发送，而探测器A的帧将最后发送。依据这个逻辑，当多个火灾探测器发现火灾信号，同时发送报警帧时，每一个帧都会按照正确的顺序，用最短的延迟发送给接收器，接收器也可以准确判断火灾的位置。发送失败11-01 -探测器B探测器A接收器发送成功发送失败发送失败11-01 -00 -(a)依据帧类型的竞争实例发送成功发送失败发送失败发送成功01 1110 -01 1111 -01 1111 -01 1111 -探测器C探测器B探测器A(b)依据“烧焦程度”的竞争实例图7依据ID竞争的例子第三部分为块ID，它将火灾传感器与驱动器分为若干个分组。如果一个区域发生火灾，就会以这部分作为区分发送一个指定该区域所有驱动器进行灭火的帧。第四部分为设备类型帧，用来区分设备是探测器或是驱动器等，例如烟雾传感器、热度传感器等。第五部分是独立ID，为每一个传感器或是驱动器标号。3.3. 基于CAN的火灾报警系统的最大延迟因为在CAN中，具有高优先级的帧将在其他帧之前传输，最低优先级的帧会在设计者确定的最大延迟范围内被传输。因此，为了保证基于CAN的火灾报警系统的网络效率，必须恰当地确定轮询周期TP，报警周期TA，使得任何帧都在最大允许延迟之前传输成功。为了确定TP、TA，有29位ID的CAN最坏情况传输时间计算方法如下13-15：(1)这里的bit，即传输过程中的反向速度16。例如，如果传输速度是500 Kbps了，bit为2s。Sm是CAN报文的长度。Sm的第一部分是最差情况比特值，第二部分是CAN报文的首部长度，最后一部分是CAN报文的比特长度。当所有的火灾探测器发出报警帧，同时接收器向所有驱动器发出灭火帧，这便是此系统的最坏情况。所有的帧都要在最大允许延迟范围内完成传输，以保证系统的性能。(2)这是CAi是第i个火灾探测器所生成报警帧的传输时间，CEi是发送给第i个驱动器的灭火帧的传输时间，CPi和CSi是一个轮询帧和设备的状态帧的传输时间，Nd和Na分别是连接在系统上的火灾探测器与驱动器的数量。例如，假设帧总长度是1字节，有8000个火灾探测器和2000个驱动器连接在系统中。这是之所以假设为1字节是因为火灾探测器发送的数据就是1字节。在这种情况下，根据式 (1) CAi为180s，根据式 (2) TP和TA要大于5.4s，则所有的帧都可以在一个循环内传输完毕，系统的效率得到了保证。美国消防协会(NFPA，The National Fire Protection Association)建议当收到火灾报警信号的警告响应时间（即传感器发现火灾到驱动器开始灭火之间的时间间隔）要少于90s17。我们可以把这个当成本系统的最大允许延迟。上边5.4s远远小于最大允许延迟，所以本系统是符合NFPA建议的。4. 基于CAN的火灾报警系统的实验评估图8展示了用于评估的实验模型。在这个实验模型中，配置有作为接收器的PC、两个烟雾探测器、一个气体探测器和一个模仿驱动器的模块，共四个通信模块。网络的传输速率设定为500Kbps，网络中安装了一个CAN中继器，来扩大网络范围。使用CANalyzer的CAPL进行PC端接收器编程。烟雾探测器使用NEMOTO公司的NIS-05As,气体探测器使用NEMOTO的NAP-55A。使用Atmel公司的AT89C51CC01微控制器作为通信模块中的CAN2.0B控制器，使用Philips公司的PCA82C250作为CAN 信号收发器。NIS-50A终端电阻PC端接收器NAP-55A烟雾探测器驱动器气体探测器烟雾探测器CAN模块CAN模块CAN模块CAN模块CAN中继器终端电阻图8基于CAN的火灾报警系统的实验模型图9 (a) 展现了实验模型中PC端接收器的算法流程。如图所示，接收器在每个轮询周期TP周期，都会向各个火灾探测器发送轮询帧。在这时，如果发生冲突，将会进行ID比较，并将ID优先级最高的帧首先传送。竞争失败的帧的“烧焦等级”将会减小，并等待总线空闲。如果发现一个载有火灾参数高于阈值的报警帧，则会传输一个灭火帧来激活相应的驱动器。因为在这个实验模型中，所有的帧传输总时间在10ms以内，所以轮询周期TP设为10ms。图9 (b) 展示了实验模型中的火灾探测器或是驱动器的算法流程。如图所示，当火灾探测器在没有火灾的情况下，收到一个轮询帧，它会传递一个包含探测数据的状态帧。如果火灾探测器发现火灾，它会传输一个包含了修改后的探测值的报警帧，之后等待接受灭火帧。如果火灾探测器在报警周期TA内没有收到报警帧，它会重新发送包含新探测值的灭火值重新发送。模型中的报警周期TA设为10ms。否否否否是是是是是否收到状态帧报告错误节点报告火情是否赢得竞争发送灭火帧发送轮询帧提高“烧焦等级”是否赢得竞争是否检测到报警帧上电(a)PC端接收器的算法流程否否否否是否在报警周期TA内收到灭火帧是是是是发送状态帧提高“烧焦等级”是否收到轮询帧是否赢得竞争发送报警帧是否发生火灾上电(b)火灾探测器或驱动器的算法流程图9基于CAN的火灾报警系统的算法流程图10是用示波器对系统进行测量的结果。图10 (a) 展示的是接收器与探测器之间相互周期发送的轮询帧与状态帧。如果火灾发生，如图10 (b)，火灾探测器将给接收器传输一个报警帧。当火灾参数超过阈值，接收器就会意识到火灾发生，它会向相应的火灾探测器发送灭火帧。响应的时间为0.27ms，远远小于NFPA要求的90s。轮询帧(a)普通状态灭火帧报警帧(b)火灾状态图10基于CAN的火灾报警系统报文传输图11表示模拟接收器从烟雾探测器接收的实际测量值。突入说是，如果接收器接收到烟雾探测器的值持续大于4V，它就判断发生火灾，并向响应的驱动器发送灭火帧。如果它收到的值低于4V，就说明火已被扑灭。停止灭火火灾信号如果测量值小于4V定义为发生火灾图11探测器得到的实际测量值在传统火灾报警系统中，系统会因为噪声干扰使得信号值大于4V，误认为发生火灾启动驱动器。然而，在本系统中，探测器会以数字形式发送模拟量，从而避免了错误警报。也可以送多个火灾探测器接受多个数据，综合判断是否发生火灾。因此，由于本系统的特点，它将比传统系统更加精确。另外，如果在一个特定的位置两三个探测器，即使其中一个探测器损坏，系统依然可以准确对火灾进行报警。5. 回顾与总结本文提出了一种基于CAN的火灾报警系统，并验证它可以应用于智能家居中。我们秒说了系统的网络架构与设计方法。同时，用实验模型评估了系统的性能。从以上几个实验，可以充分证明，其符合NFPA要求，它的活在响应时间非常短。同时由于接收器直接从探测器读取数据，所以它比传统火灾探测器更精确。另外，如果在一个特定的位置两三个探测器，即使其中一个探测器损坏，系统依然可以准确对火灾进行报警。特别是由于半导体制造公司已经把CAN微控制器集成到一个芯片中区，其价格也非常低，许多CAN开发工具也开始进入市场。因此火灾报警系统使用CAN技术与传感器、驱动器直接实现比使用以太网这种底层BACNet更具有优势。这也让设计家庭自动化网络更简单。然而本文只是关注本系统的基本结构。为了将这个系统实际应用，还需要进行应用层、供电等方面需要进一步研究。此外，本系统为了提高容错性能还需在应用冗余通信模块。参考文献1D. 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