基于區(qū)域控制網(wǎng)絡(luò)CAN的智能家居自動(dòng)化火災(zāi)警報(bào)系統(tǒng)方案

1、基于區(qū)域控制網(wǎng)絡(luò)(CAN)的智能家居自動(dòng)化火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)Kyung Chang Lee, Hong-Hee Lee摘要：本文提出一個(gè)應(yīng)用區(qū)域控制網(wǎng)絡(luò)(CAN)的火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)并評(píng)估其應(yīng)用于智能家庭自動(dòng)化控制的可能性。通常，傳統(tǒng)的火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)有一些不足，例如由于其使用420mA的模擬電流信號(hào)，噪聲對(duì)其干擾很大。因此，本文為替代原有系統(tǒng)，提出了一個(gè)基于CAN的火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)，闡述了CAN通信網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)方法并進(jìn)行試驗(yàn)評(píng)估該系統(tǒng)的性能。這個(gè)網(wǎng)絡(luò)有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)，如比其他底層BACNet(如以太網(wǎng)、ARCNET)有更低的成本且更容易實(shí)現(xiàn)。因此，如果CAN被選為底層BACNet，家庭自動(dòng)化系統(tǒng)將會(huì)更有效。關(guān)鍵詞：

2、網(wǎng)絡(luò)型火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)；區(qū)域控制網(wǎng)絡(luò)(CAN);家庭自動(dòng)化系統(tǒng)；家庭網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)；智能建筑1. 引言當(dāng)前，建筑的智能化為人們帶來(lái)更多的方便與安全1-2。因此，家庭網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)化系統(tǒng)的要求隨著智能家居要求的增長(zhǎng)而日益增長(zhǎng)3。為了滿足使用者的需求、家電(如冰箱和微波爐)、多媒體設(shè)備(如電視和音響系統(tǒng))和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備(如電腦)已被包括在智能建筑，如圖1。在智能家居，我們可以在房或是戶外用一個(gè)手機(jī)或PDA監(jiān)控連接到家庭網(wǎng)絡(luò)的電器。為了實(shí)現(xiàn)家庭網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，一些標(biāo)準(zhǔn)組織、企業(yè)正在開發(fā)Echonet,Konnex,LnCP和LonWorks等網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)4。家庭自動(dòng)化系統(tǒng)家庭網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)取暖控制照明控制強(qiáng)電控制信息設(shè)備多媒體設(shè)備多媒

3、體網(wǎng)絡(luò)信息網(wǎng)絡(luò)骨干網(wǎng)控制網(wǎng)絡(luò)家庭應(yīng)用家庭網(wǎng)關(guān)手機(jī)、PDA等移動(dòng)電腦Internet圖1家庭網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)原理圖另外，為了提高人們生活的舒適與安全正在完善如強(qiáng)電控制、照明、防盜、火災(zāi)報(bào)警等家庭自動(dòng)化系統(tǒng)。通常，在傳統(tǒng)的家庭自動(dòng)化系統(tǒng)中，開關(guān)、閥門或者火災(zāi)探測(cè)器都直接與空調(diào)設(shè)備或火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)相連。傳統(tǒng)火災(zāi)告警系統(tǒng)采用420mA電流的模擬傳輸方式，當(dāng)從火災(zāi)探測(cè)器接受的電流信號(hào)超過(guò)閾值，判定發(fā)生火災(zāi)。因此，該系統(tǒng)存在一些不足，它容易受到包括尖脈沖等不同形式的干擾，同時(shí)它不能判斷實(shí)際的燃火點(diǎn)。為了解決這些問(wèn)題，業(yè)界已經(jīng)開始研究用數(shù)字、無(wú)線傳輸技術(shù)的系統(tǒng)替代以往模擬傳輸?shù)南到y(tǒng)5-6。同時(shí)也在BACNet、Lon

4、Works等方案中研究確定本系統(tǒng)所要使用的通信協(xié)議7。最近，研究人員提出使用日益被自動(dòng)化領(lǐng)域重視的區(qū)域控制網(wǎng)絡(luò)(CAN) 8-10應(yīng)用到家庭網(wǎng)絡(luò)中來(lái)9。由于半導(dǎo)體制造公司以完成了CAN微控制器片上產(chǎn)品的開發(fā)，大量低成本的CAN開發(fā)工具涌入市場(chǎng)。同時(shí)在汽車、機(jī)械、工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)等各種領(lǐng)域中，開發(fā)了許多的應(yīng)用程序。在家庭自動(dòng)化系統(tǒng)使用面向傳感器與控制器層的網(wǎng)絡(luò)比使用底層BACNet的以太網(wǎng)更加直接，所以這種方案使得家庭網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)更易實(shí)現(xiàn)。本文介紹了一種基于CAN的火災(zāi)報(bào)警網(wǎng)絡(luò)，并評(píng)估了其可行性。本文包括本段引言，一共有五個(gè)部分。在第二部分，文章給出了本系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。第三部分提出本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法并證

5、明了本系統(tǒng)可以滿足家庭自動(dòng)化系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性需求。第四部分介紹了本系統(tǒng)的可行性驗(yàn)證試驗(yàn)。2. 火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)結(jié)構(gòu)2.1. 傳統(tǒng)的火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)圖2(a) 展示了傳統(tǒng)火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。如圖所示，火災(zāi)傳感器（例如煙霧探測(cè)器、溫度傳感器等）和驅(qū)動(dòng)器（例如指示燈、防火墻、滅火噴頭、通風(fēng)系統(tǒng)等）以420mA的電流信號(hào)通過(guò)專門的模擬信號(hào)線連接到接收器。在特殊情況下，負(fù)責(zé)同一地區(qū)的多個(gè)火災(zāi)探測(cè)器可以作為同一個(gè)信號(hào)連接到同一根信號(hào)線上。圖2(b) 展示了傳統(tǒng)火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)的探測(cè)器與接收器的連接方法。當(dāng)火災(zāi)發(fā)生時(shí)，探測(cè)器發(fā)現(xiàn)相關(guān)火災(zāi)信息后，將信號(hào)線短路，使得電流增大；接收器發(fā)現(xiàn)相應(yīng)的電流信號(hào)變大，從而得知發(fā)生火災(zāi)，通過(guò)

6、響鈴或者信號(hào)燈等方式進(jìn)行報(bào)警。響鈴終端電阻DDDDDD火災(zāi)探測(cè)器接收器指示燈420mA電流信號(hào)(a)傳統(tǒng)火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)火災(zāi)探測(cè)器終端電阻接收器(b)傳統(tǒng)火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)連接方法圖2傳統(tǒng)火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)通常，在傳統(tǒng)火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)中，連接在同一信號(hào)線上的任意一個(gè)傳感器當(dāng)發(fā)現(xiàn)火災(zāi)時(shí)，都會(huì)使得此線的信號(hào)電流變大，因此接收器無(wú)法判斷這條線路上的哪一個(gè)傳感器就行了告警，也就無(wú)法判斷具體那里發(fā)生了火災(zāi)。此外，因?yàn)榻邮掌髦皇歉鶕?jù)信號(hào)電流超過(guò)閾值斷定發(fā)生火災(zāi)，所以它不能通過(guò)火災(zāi)探測(cè)器探測(cè)現(xiàn)場(chǎng)的煙霧濃度或是溫度。如果由于老化或者腐蝕使得信號(hào)線路發(fā)生故障，接收器就不能進(jìn)行火災(zāi)報(bào)警，也不能判斷檢測(cè)出線路的故障

7、。所以傳統(tǒng)的火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)有很大的幾率會(huì)失效。2.2. 網(wǎng)絡(luò)型火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)圖3展示了網(wǎng)絡(luò)型火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，它可以克服傳統(tǒng)火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)的缺點(diǎn)。如圖所示，火災(zāi)探測(cè)器、滅火器、響鈴、顯示設(shè)備連接到同一傳輸總線，以數(shù)字交換的方式傳輸信息。通過(guò)這種連接方式，由于每一個(gè)火災(zāi)探測(cè)器都有屬于自己的唯一地址，接收器就可以識(shí)別是哪個(gè)探測(cè)器進(jìn)行告警。此外，由于接收器定期檢測(cè)各個(gè)火災(zāi)探測(cè)器的狀態(tài)，它可以發(fā)現(xiàn)諸如探測(cè)器故障或是傳輸總線開路等系統(tǒng)故障。另外，因?yàn)楦鱾€(gè)探測(cè)器將煙霧與熱度的定量數(shù)據(jù)發(fā)送給接收器，所以錯(cuò)誤警報(bào)要少于傳統(tǒng)火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)。在同一區(qū)域安裝多個(gè)火災(zāi)探測(cè)器，接收器可以到各位置直觀的煙霧、熱度數(shù)據(jù)，因此

8、本系統(tǒng)可以直接應(yīng)用于智能火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)并能使用推理算法。同時(shí)由于探測(cè)信號(hào)可以進(jìn)行計(jì)算比較，系統(tǒng)的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估能力得到提升12。ADDB網(wǎng)絡(luò)總線PC端接收器驅(qū)動(dòng)器火災(zāi)探測(cè)器指示燈響鈴圖3網(wǎng)絡(luò)型火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)此外，由于PC的安裝維護(hù)比傳統(tǒng)的專用接收機(jī)更為方便，我們可以很容易地創(chuàng)建一個(gè)用戶界面，將人機(jī)界面應(yīng)用于PC，將本系統(tǒng)合成到家庭網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中，因此網(wǎng)絡(luò)火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)如果使用PC作為接收機(jī)會(huì)更為方便。當(dāng)前，已有BACNet、LonWorks、Bluetooth等多種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議將網(wǎng)絡(luò)型火災(zāi)告警系統(tǒng)應(yīng)用在智能建筑項(xiàng)目用5-6。3. 網(wǎng)絡(luò)型火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)3.1. CAN協(xié)議概述CAN2.0B是專門為連接

9、傳感器、驅(qū)動(dòng)器、汽車中的電子控制單元 (ECU) 而編寫的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。它的支持通信速率為5Kbps1Mbps，可以應(yīng)用于信息共享與實(shí)時(shí)控制領(lǐng)域。它可以選擇總線型或者星型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。CAN2.0B具有以下性質(zhì)：分布式總線存取控制。這意味著每一個(gè)設(shè)備都有一樣的總線使用權(quán)限。競(jìng)爭(zhēng)非破壞性總線讀取。雖然設(shè)配是通過(guò)競(jìng)爭(zhēng)方式控制總線，但不會(huì)因競(jìng)爭(zhēng)破壞報(bào)文。根據(jù)容確定地址。每條報(bào)文根據(jù)自身容確定唯一的標(biāo)識(shí)。循環(huán)冗余校驗(yàn)錯(cuò)誤檢測(cè)和錯(cuò)誤禁閉來(lái)阻止任何不利影響的一個(gè)網(wǎng)絡(luò)元件失效。設(shè)備不管網(wǎng)絡(luò)是否空閑都可以傳輸信息。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)繁忙時(shí)，在正在傳輸?shù)男畔瓿汕埃瑢⒁l(fā)送的包會(huì)一直等待。電信號(hào)在網(wǎng)絡(luò)中傳輸?shù)乃俣仁怯邢薜模?/p>

10、有可能多個(gè)設(shè)備在很短的時(shí)間段都要開始傳輸信息。這種情況被稱為信息沖突，協(xié)議通過(guò)比較報(bào)文包含的標(biāo)識(shí)來(lái)解決這一難題。標(biāo)識(shí)的值最小的報(bào)文贏得網(wǎng)絡(luò)使用權(quán)，其他的設(shè)備必須立即停止傳輸。因?yàn)闃?biāo)識(shí)在數(shù)據(jù)包的首部，一起傳輸?shù)碾娦盘?hào)“0”將把電信號(hào)“1”改寫，所以標(biāo)識(shí)值最小的數(shù)據(jù)包將不被破壞的完成傳輸。其他的設(shè)備將在當(dāng)前傳輸結(jié)束后，繼續(xù)嘗試傳輸自己的數(shù)據(jù)。圖4展現(xiàn)這個(gè)仲裁的過(guò)程。否否否是是是是上電傳輸這個(gè)報(bào)文是否贏得競(jìng)爭(zhēng)是否沖突繼續(xù)傳輸收到消息是否收到消息檢測(cè)ID總線是否空閑是否需要傳輸停止傳輸圖4CAN協(xié)議流程圖3.2. 網(wǎng)絡(luò)型火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)這部分進(jìn)行使用CAN進(jìn)行火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)的方法。圖5(a)說(shuō)明了

11、在正常情況下火災(zāi)探測(cè)器與接收器之間的幀交換過(guò)程。如圖，接收器會(huì)在每個(gè)TP（輪詢周期）按照輪詢列表向每個(gè)火災(zāi)探測(cè)器或是驅(qū)動(dòng)器發(fā)送一個(gè)輪詢幀，從而調(diào)查其狀態(tài)。當(dāng)它們接到輪詢幀時(shí)，就會(huì)發(fā)送一個(gè)包含自己狀態(tài)值的狀態(tài)幀回復(fù)接收機(jī)。因此，接收機(jī)可以周期性的確定系統(tǒng)的狀態(tài)，與時(shí)發(fā)現(xiàn)諸如探測(cè)器故障、線路中斷等故障。圖5(b)說(shuō)明了當(dāng)火災(zāi)發(fā)生時(shí)探測(cè)器與接收器之間的幀交換過(guò)程。如圖所示，探測(cè)器測(cè)試諸如熱度、煙霧量等火災(zāi)數(shù)據(jù)。接著它在每個(gè)TA（報(bào)警周期）都向接收器發(fā)送一個(gè)包含測(cè)量值的報(bào)警幀。當(dāng)接收器收到報(bào)警幀，它會(huì)通過(guò)分析同一區(qū)域的探測(cè)器發(fā)送來(lái)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)判斷是否發(fā)生火災(zāi)。當(dāng)火災(zāi)報(bào)警參數(shù)超過(guò)閾值，接收器判斷確實(shí)有火災(zāi)

12、發(fā)生，它會(huì)向相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)器發(fā)生滅火幀來(lái)進(jìn)行滅火作業(yè)。當(dāng)火災(zāi)探測(cè)器接收到滅火幀，他會(huì)停止告警幀的發(fā)送。我們把從由火災(zāi)探測(cè)器發(fā)送報(bào)警幀到驅(qū)動(dòng)器接收到滅火幀這段時(shí)間叫做響應(yīng)時(shí)間TF。輪詢幀傳感器/驅(qū)動(dòng)器接收器狀態(tài)幀輪詢周期TP(a)狀態(tài)幀交換滅火幀滅火確定發(fā)生火災(zāi)報(bào)警幀火災(zāi)信號(hào)報(bào)警周期TA滅火周期TF傳感器/驅(qū)動(dòng)器接收器(b)報(bào)警幀和滅火幀交換圖5基于CAN的火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)幀定義運(yùn)用這些方法，接收器可以從多個(gè)火災(zāi)探測(cè)器直接讀取數(shù)據(jù)，綜合判斷是否發(fā)生火災(zāi)，因此網(wǎng)絡(luò)型火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)相較傳統(tǒng)型火災(zāi)報(bào)警器更加優(yōu)越。為了保證基于CAN的火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性，報(bào)警幀與滅火幀的優(yōu)先級(jí)必須高于其他幀的優(yōu)先級(jí)。為了保證網(wǎng)絡(luò)

13、型報(bào)警系統(tǒng)符合以上要求，我們提出了一種分配ID的方法，如圖6。我們將CAN的29位ID分為5個(gè)ID子段，分別對(duì)應(yīng)4個(gè)分類段。第一部分為幀類型，為了保證滅火幀的優(yōu)先級(jí)最高，滅火幀、報(bào)警幀、輪詢幀、狀態(tài)幀分別設(shè)置為“00”、“01”、“10”“11”。圖7展現(xiàn)了一個(gè)不同類型幀同時(shí)發(fā)送的例子。如圖，接收器的滅火幀（幀ID為“00”）與其他幀相比會(huì)最早發(fā)送，這是因?yàn)镃AN使用的是CSMA/NBA競(jìng)爭(zhēng)方法。同樣，探測(cè)器B的報(bào)警幀B（幀ID為“01”）要優(yōu)先于探測(cè)器A的狀態(tài)幀A（幀ID為“11”）。282726252423222120191817161514131211109876543210幀類型ID“

14、燒焦等級(jí)”ID塊ID設(shè)備類型ID獨(dú)立ID圖6基于CAN的火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)ID分配方法發(fā)送成功第二部分定義了報(bào)文的“燒焦等級(jí)”ID，確保等候時(shí)間較長(zhǎng)的幀優(yōu)先發(fā)送。初始水平為“1111”。圖7 (b) 給出了一個(gè)“燒焦等級(jí)”ID變化的例子。假設(shè)有兩個(gè)探測(cè)器B和探測(cè)器C同時(shí)發(fā)出幀類型ID都為“01”的報(bào)警幀，而探測(cè)器B發(fā)出幀的獨(dú)立ID比探測(cè)器C的更小。此時(shí)，將比較幀標(biāo)識(shí)的其他部分，因此探測(cè)器B的幀優(yōu)先級(jí)更高，首先發(fā)送。然而探測(cè)器C的幀將發(fā)送失敗而輸?shù)舾?jìng)爭(zhēng)，它的“燒焦等級(jí)”ID就會(huì)由“1111”變?yōu)椤?110”，即優(yōu)先級(jí)上升。此時(shí)如果在探測(cè)器C重新發(fā)送之時(shí)，另一個(gè)探測(cè)器A發(fā)出另一個(gè)幀類型“01”的報(bào)警幀。

15、由于探測(cè)器A的“燒焦等級(jí)”為“1111”，探測(cè)器C的幀優(yōu)先級(jí)更高優(yōu)先發(fā)送，而探測(cè)器A的幀將最后發(fā)送。依據(jù)這個(gè)邏輯，當(dāng)多個(gè)火災(zāi)探測(cè)器發(fā)現(xiàn)火災(zāi)信號(hào)，同時(shí)發(fā)送報(bào)警幀時(shí)，每一個(gè)幀都會(huì)按照正確的順序，用最短的延遲發(fā)送給接收器，接收器也可以準(zhǔn)確判斷火災(zāi)的位置。發(fā)送失敗11-01 -探測(cè)器B探測(cè)器A接收器發(fā)送成功發(fā)送失敗發(fā)送失敗11-01 -00 -(a)依據(jù)幀類型的競(jìng)爭(zhēng)實(shí)例發(fā)送成功發(fā)送失敗發(fā)送失敗發(fā)送成功01 1110 -01 1111 -01 1111 -01 1111 -探測(cè)器C探測(cè)器B探測(cè)器A(b)依據(jù)“燒焦程度”的競(jìng)爭(zhēng)實(shí)例圖7依據(jù)ID競(jìng)爭(zhēng)的例子第三部分為塊ID，它將火災(zāi)傳感器與驅(qū)動(dòng)器分為若干個(gè)分組

16、。如果一個(gè)區(qū)域發(fā)生火災(zāi)，就會(huì)以這部分作為區(qū)分發(fā)送一個(gè)指定該區(qū)域所有驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行滅火的幀。第四部分為設(shè)備類型幀，用來(lái)區(qū)分設(shè)備是探測(cè)器或是驅(qū)動(dòng)器等，例如煙霧傳感器、熱度傳感器等。第五部分是獨(dú)立ID，為每一個(gè)傳感器或是驅(qū)動(dòng)器標(biāo)號(hào)。3.3. 基于CAN的火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)的最大延遲因?yàn)樵贑AN中，具有高優(yōu)先級(jí)的幀將在其他幀之前傳輸，最低優(yōu)先級(jí)的幀會(huì)在設(shè)計(jì)者確定的最大延遲圍被傳輸。因此，為了保證基于CAN的火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)效率，必須恰當(dāng)?shù)卮_定輪詢周期TP，報(bào)警周期TA，使得任何幀都在最大允許延遲之前傳輸成功。為了確定TP、TA，有29位ID的CAN最壞情況傳輸時(shí)間計(jì)算方法如下13-15：(1)這里的bit，即

17、傳輸過(guò)程中的反向速度16。例如，如果傳輸速度是500 Kbps了，bit為2s。Sm是CAN報(bào)文的長(zhǎng)度。Sm的第一部分是最差情況比特值，第二部分是CAN報(bào)文的首部長(zhǎng)度，最后一部分是CAN報(bào)文的比特長(zhǎng)度。當(dāng)所有的火災(zāi)探測(cè)器發(fā)出報(bào)警幀，同時(shí)接收器向所有驅(qū)動(dòng)器發(fā)出滅火幀，這便是此系統(tǒng)的最壞情況。所有的幀都要在最大允許延遲圍完成傳輸，以保證系統(tǒng)的性能。(2)這是CAi是第i個(gè)火災(zāi)探測(cè)器所生成報(bào)警幀的傳輸時(shí)間，CEi是發(fā)送給第i個(gè)驅(qū)動(dòng)器的滅火幀的傳輸時(shí)間，CPi和CSi是一個(gè)輪詢幀和設(shè)備的狀態(tài)幀的傳輸時(shí)間，Nd和Na分別是連接在系統(tǒng)上的火災(zāi)探測(cè)器與驅(qū)動(dòng)器的數(shù)量。例如，假設(shè)幀總長(zhǎng)度是1字節(jié)，有8000個(gè)火

18、災(zāi)探測(cè)器和2000個(gè)驅(qū)動(dòng)器連接在系統(tǒng)中。這是之所以假設(shè)為1字節(jié)是因?yàn)榛馂?zāi)探測(cè)器發(fā)送的數(shù)據(jù)就是1字節(jié)。在這種情況下，根據(jù)式 (1) CAi為180s，根據(jù)式 (2) TP和TA要大于5.4s，則所有的幀都可以在一個(gè)循環(huán)傳輸完畢，系統(tǒng)的效率得到了保證。美國(guó)消防協(xié)會(huì)(NFPA，The National Fire Protection Association)建議當(dāng)收到火災(zāi)報(bào)警信號(hào)的警告響應(yīng)時(shí)間（即傳感器發(fā)現(xiàn)火災(zāi)到驅(qū)動(dòng)器開始滅火之間的時(shí)間間隔）要少于90s17。我們可以把這個(gè)當(dāng)成本系統(tǒng)的最大允許延遲。上邊5.4s遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于最大允許延遲，所以本系統(tǒng)是符合NFPA建議的。4. 基于CAN的火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)

19、評(píng)估圖8展示了用于評(píng)估的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?。在這個(gè)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ椭?，配置有作為接收器的PC、兩個(gè)煙霧探測(cè)器、一個(gè)氣體探測(cè)器和一個(gè)模仿驅(qū)動(dòng)器的模塊，共四個(gè)通信模塊。網(wǎng)絡(luò)的傳輸速率設(shè)定為500Kbps，網(wǎng)絡(luò)中安裝了一個(gè)CAN中繼器，來(lái)擴(kuò)大網(wǎng)絡(luò)圍。使用CANalyzer的CAPL進(jìn)行PC端接收器編程。煙霧探測(cè)器使用NEMOTO公司的NIS-05As,氣體探測(cè)器使用NEMOTO的NAP-55A。使用Atmel公司的AT89C51CC01微控制器作為通信模塊中的CAN2.0B控制器，使用Philips公司的PCA82C250作為CAN 信號(hào)收發(fā)器。NIS-50A終端電阻PC端接收器NAP-55A煙霧探測(cè)器驅(qū)動(dòng)器氣體探測(cè)

20、器煙霧探測(cè)器CAN模塊CAN模塊CAN模塊CAN模塊CAN中繼器終端電阻圖8基于CAN的火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛨D9 (a) 展現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ椭蠵C端接收器的算法流程。如圖所示，接收器在每個(gè)輪詢周期TP周期，都會(huì)向各個(gè)火災(zāi)探測(cè)器發(fā)送輪詢幀。在這時(shí)，如果發(fā)生沖突，將會(huì)進(jìn)行ID比較，并將ID優(yōu)先級(jí)最高的幀首先傳送。競(jìng)爭(zhēng)失敗的幀的“燒焦等級(jí)”將會(huì)減小，并等待總線空閑。如果發(fā)現(xiàn)一個(gè)載有火災(zāi)參數(shù)高于閾值的報(bào)警幀，則會(huì)傳輸一個(gè)滅火幀來(lái)激活相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)器。因?yàn)樵谶@個(gè)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ椭?，所有的幀傳輸總時(shí)間在10ms以，所以輪詢周期TP設(shè)為10ms。圖9 (b) 展示了實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ椭械幕馂?zāi)探測(cè)器或是驅(qū)動(dòng)器的算法流程。如圖所示，當(dāng)

21、火災(zāi)探測(cè)器在沒(méi)有火災(zāi)的情況下，收到一個(gè)輪詢幀，它會(huì)傳遞一個(gè)包含探測(cè)數(shù)據(jù)的狀態(tài)幀。如果火災(zāi)探測(cè)器發(fā)現(xiàn)火災(zāi)，它會(huì)傳輸一個(gè)包含了修改后的探測(cè)值的報(bào)警幀，之后等待接受滅火幀。如果火災(zāi)探測(cè)器在報(bào)警周期TA沒(méi)有收到報(bào)警幀，它會(huì)重新發(fā)送包含新探測(cè)值的滅火值重新發(fā)送。模型中的報(bào)警周期TA設(shè)為10ms。否否否否是是是是是否收到狀態(tài)幀報(bào)告錯(cuò)誤節(jié)點(diǎn)報(bào)告火情是否贏得競(jìng)爭(zhēng)發(fā)送滅火幀發(fā)送輪詢幀提高“燒焦等級(jí)”是否贏得競(jìng)爭(zhēng)是否檢測(cè)到報(bào)警幀上電(a)PC端接收器的算法流程否否否否是否在報(bào)警周期TA內(nèi)收到滅火幀是是是是發(fā)送狀態(tài)幀提高“燒焦等級(jí)”是否收到輪詢幀是否贏得競(jìng)爭(zhēng)發(fā)送報(bào)警幀是否發(fā)生火災(zāi)上電(b)火災(zāi)探測(cè)器或驅(qū)動(dòng)器的算法流

22、程圖9基于CAN的火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)的算法流程圖10是用示波器對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)量的結(jié)果。圖10 (a) 展示的是接收器與探測(cè)器之間相互周期發(fā)送的輪詢幀與狀態(tài)幀。如果火災(zāi)發(fā)生，如圖10 (b)，火災(zāi)探測(cè)器將給接收器傳輸一個(gè)報(bào)警幀。當(dāng)火災(zāi)參數(shù)超過(guò)閾值，接收器就會(huì)意識(shí)到火災(zāi)發(fā)生，它會(huì)向相應(yīng)的火災(zāi)探測(cè)器發(fā)送滅火幀。響應(yīng)的時(shí)間為0.27ms，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于NFPA要求的90s。輪詢幀(a)普通狀態(tài)滅火幀報(bào)警幀(b)火災(zāi)狀態(tài)圖10基于CAN的火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)報(bào)文傳輸圖11表示模擬接收器從煙霧探測(cè)器接收的實(shí)際測(cè)量值。突入說(shuō)是，如果接收器接收到煙霧探測(cè)器的值持續(xù)大于4V，它就判斷發(fā)生火災(zāi)，并向響應(yīng)的驅(qū)動(dòng)器發(fā)送滅火幀。如果它收到的

23、值低于4V，就說(shuō)明火已被撲滅。停止滅火火災(zāi)信號(hào)如果測(cè)量值小于4V定義為發(fā)生火災(zāi)圖11探測(cè)器得到的實(shí)際測(cè)量值在傳統(tǒng)火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)中，系統(tǒng)會(huì)因?yàn)樵肼暩蓴_使得信號(hào)值大于4V，誤認(rèn)為發(fā)生火災(zāi)啟動(dòng)驅(qū)動(dòng)器。然而，在本系統(tǒng)中，探測(cè)器會(huì)以數(shù)字形式發(fā)送模擬量，從而避免了錯(cuò)誤警報(bào)。也可以送多個(gè)火災(zāi)探測(cè)器接受多個(gè)數(shù)據(jù)，綜合判斷是否發(fā)生火災(zāi)。因此，由于本系統(tǒng)的特點(diǎn)，它將比傳統(tǒng)系統(tǒng)更加精確。另外，如果在一個(gè)特定的位置兩三個(gè)探測(cè)器，即使其中一個(gè)探測(cè)器損壞，系統(tǒng)依然可以準(zhǔn)確對(duì)火災(zāi)進(jìn)行報(bào)警。5. 回顧與總結(jié)本文提出了一種基于CAN的火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)，并驗(yàn)證它可以應(yīng)用于智能家居中。我們秒說(shuō)了系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)與設(shè)計(jì)方法。同時(shí)，用實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

24、評(píng)估了系統(tǒng)的性能。從以上幾個(gè)實(shí)驗(yàn)，可以充分證明，其符合NFPA要求，它的活在響應(yīng)時(shí)間非常短。同時(shí)由于接收器直接從探測(cè)器讀取數(shù)據(jù)，所以它比傳統(tǒng)火災(zāi)探測(cè)器更精確。另外，如果在一個(gè)特定的位置兩三個(gè)探測(cè)器，即使其中一個(gè)探測(cè)器損壞，系統(tǒng)依然可以準(zhǔn)確對(duì)火災(zāi)進(jìn)行報(bào)警。特別是由于半導(dǎo)體制造公司已經(jīng)把CAN微控制器集成到一個(gè)芯片中區(qū)，其價(jià)格也非常低，許多CAN開發(fā)工具也開始進(jìn)入市場(chǎng)。因此火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)使用CAN技術(shù)與傳感器、驅(qū)動(dòng)器直接實(shí)現(xiàn)比使用以太網(wǎng)這種底層BACNet更具有優(yōu)勢(shì)。這也讓設(shè)計(jì)家庭自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)更簡(jiǎn)單。然而本文只是關(guān)注本系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)。為了將這個(gè)系統(tǒng)實(shí)際應(yīng)用，還需要進(jìn)行應(yīng)用層、供電等方面需要進(jìn)一步研究。

25、此外，本系統(tǒng)為了提高容錯(cuò)性能還需在應(yīng)用冗余通信模塊。參考文獻(xiàn)1D. Snoonian, “Smart buildings,” IEEE Spectr., vol. 40, no. 8, pp. 18-23, Aug. 2003.2R. Nunes, J. Delgado, “An Architecture for a Home AutomationSystem”, IEEE Intl Conf. Electron. Circuits Syst.,pp. 259-262, 1998.3K.S. Lee, K.C. Lee, S. Lee, K.T. Oh, and S.M. Baek, “Net

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