摘 要： 提出采用兩級環(huán)形總線網(wǎng)絡(luò)拓撲、主從通信方式的消防指示燈智能監(jiān)控系統(tǒng)。設(shè)計了用電池提供應(yīng)急電源的通信網(wǎng)關(guān)的總體結(jié)構(gòu)。采用單片機自帶的雙串口構(gòu)成兩個獨立光電隔離的RS-485接口作為下級環(huán)形總線主站，實現(xiàn)與智能應(yīng)急標志燈之間交換數(shù)據(jù)。利用單片機的SPI接口功能和另一個單片機擴展第三個獨立的光電隔離RS-485接口，作為上級環(huán)形總線網(wǎng)絡(luò)的從站，實現(xiàn)與監(jiān)控主機之間狀態(tài)和命令信息交換。給出了系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)和基于Modbus協(xié)議的通信軟件結(jié)構(gòu)。
關(guān)鍵詞： 消防應(yīng)急燈；智能監(jiān)控系統(tǒng)；環(huán)形總線網(wǎng)絡(luò)；三端口網(wǎng)關(guān)；串口擴展
隨著社會的發(fā)展，大量高密度的特大型建筑不斷涌現(xiàn)，導(dǎo)致火災(zāi)逃生通道更為復(fù)雜，加大了火災(zāi)發(fā)生時的逃生難度。對于消防疏散而言，怎樣在火災(zāi)發(fā)生時使逃生更安全、更準確、更迅速，正是時代對建筑防災(zāi)提出的新課題。目前消防應(yīng)急標志燈大多作為單體存在，無法依據(jù)火災(zāi)現(xiàn)場的變化，動態(tài)地調(diào)整逃生方向指示。此外，應(yīng)急標志燈的日常維護和檢修也存在嚴重的滯后現(xiàn)象。應(yīng)急標志燈最主要的作用是能在發(fā)生火災(zāi)時應(yīng)急啟動，而應(yīng)急啟動的關(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，難以及時發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品問題，在發(fā)生火災(zāi)時往往會給逃生疏散指示帶來許多盲區(qū)。越來越高的公共安全要求使得消防應(yīng)急標志燈從各自獨立工作發(fā)展為智能化消防應(yīng)急燈監(jiān)控系統(tǒng)。在火災(zāi)來臨之時，該系統(tǒng)能迅速、準確地收集火警現(xiàn)場的信息，智能地選擇最佳的逃生路線，通過集中控制消防應(yīng)急燈具，以光流、語音、頻閃形式，從聽覺、視覺等感觀上引導(dǎo)人們正確逃生。系統(tǒng)還可以不間斷地巡檢智能應(yīng)急燈具運行狀態(tài)，及時發(fā)現(xiàn)燈具故障，提高整個系統(tǒng)的可靠性和應(yīng)急安全性[1-2]。
圖1展示了采用雙環(huán)形總線拓撲結(jié)構(gòu)的消防應(yīng)急燈具智能監(jiān)控系統(tǒng)，包括上位監(jiān)控計算機、中繼網(wǎng)關(guān)和智能消防應(yīng)急燈具三級，通過兩級RS-485環(huán)形總線進行相互通信。所有的控制命令都由監(jiān)控計算機發(fā)出，通過第一級總線環(huán)路傳送到中繼網(wǎng)關(guān)，再由中繼網(wǎng)關(guān)通過第二級總線環(huán)路網(wǎng)絡(luò)傳遞至每個燈具，燈具執(zhí)行命令后，依次通過第二級、第一級環(huán)路返回執(zhí)行結(jié)果。在該系統(tǒng)中，監(jiān)控計算機從火災(zāi)報警系統(tǒng)(FANS)獲得火源信息，智能決策選擇最優(yōu)逃生路線，通過總線網(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[3]。
總線型拓撲結(jié)構(gòu)簡單，控制方便，易于擴展，所以目前大多數(shù)消防和門禁系統(tǒng)都是采用這種拓撲結(jié)構(gòu)[4]。環(huán)形網(wǎng)絡(luò)還具有較好的可靠性，如果環(huán)形總線在某處斷開，則可分成兩個總線網(wǎng)絡(luò)，分別連接到主站的兩個接口上，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?shù)目煽啃浴杉壄h(huán)形總線結(jié)構(gòu)的另一個優(yōu)點是，多個環(huán)路可并行工作，均衡并減輕單一總線上的通信負載。
在應(yīng)急狀態(tài)下，應(yīng)急燈及其監(jiān)控系統(tǒng)有集中供電和獨立供電兩種方式。在應(yīng)急狀態(tài)下，集中供電系統(tǒng)的每個燈具以及所有中繼網(wǎng)關(guān)都從同一個專用的應(yīng)急電源獲得工作電源，而獨立供電系統(tǒng)的工作電源由每個燈具或網(wǎng)關(guān)自帶的電池提供。因此，監(jiān)控電池的儲能性能及保證電池的可用性都至關(guān)重要。通過控制命令可以隨時檢測電池電壓，也可每月每年定期檢查。
1 三端口網(wǎng)關(guān)設(shè)計
1.1 總體結(jié)構(gòu)
在圖1所示的應(yīng)急燈智能監(jiān)控系統(tǒng)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(jiān)控計算機與燈具之間交換數(shù)據(jù)的中轉(zhuǎn)站，其結(jié)構(gòu)和功能設(shè)計是整個系統(tǒng)設(shè)計的重要內(nèi)容。
圖2為獨立供電型中繼網(wǎng)關(guān)總體結(jié)構(gòu)圖。在主電狀態(tài)下，通過市電獲得工作電源。在應(yīng)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。在整個消防應(yīng)急系統(tǒng)中，中繼網(wǎng)關(guān)可以通過平常的抽樣和制定燈具查詢該環(huán)路燈具狀態(tài)，與下位機節(jié)點通信時，將發(fā)送第一個節(jié)點ID而功能碼以及它們的數(shù)據(jù)項還有校驗碼所形成的數(shù)據(jù)幀，通過RS-485總線發(fā)送到第一個節(jié)點上，之后變?yōu)榻邮諣顟B(tài)，接收第一個節(jié)點發(fā)送過來的數(shù)據(jù)幀并進行解析。當(dāng)解析出下位機節(jié)點發(fā)送故障報警時，將報警信息顯示在液晶顯示屏上，并啟動聲光報警。由于監(jiān)控主機程序中設(shè)有定時器，因此，如果節(jié)點未能在一定的時間發(fā)送回數(shù)據(jù)幀，則提示異常，提醒相關(guān)人員進行檢查。如果未出現(xiàn)報警信息，則再輪詢下一個節(jié)點。
系統(tǒng)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。在系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓撲中，中繼網(wǎng)關(guān)作為第一級環(huán)路總線網(wǎng)絡(luò)的從站，同時又是第二級環(huán)路的主站。中繼網(wǎng)關(guān)需要3個串口，1個負責(zé)接收監(jiān)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，另外兩個串口正好形成環(huán)路主站，1個負責(zé)發(fā)送，1個負責(zé)接收，如果出現(xiàn)環(huán)路斷線，則兩個都可以作為發(fā)送。
本設(shè)計中選擇具有兩個串口的單片機STC12C5A32S2(以下簡稱STC12)作為主要控制芯片，它具有2個異步串行接口(UART)，1個同步串行口(SPI)，以及和普通單片機相同的256 B的內(nèi)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(shù)據(jù)的存儲[5]。把STC12單片機自帶的兩個串口設(shè)計成1#和2# RS-485接口，作為第二級環(huán)路的主站，還需要擴展另一個串口構(gòu)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。可根據(jù)串行通信的傳送格式，利用定時器和主機的I/O口來模擬串行通信的時序，以達到擴展串口的目的。接收過程中需要檢測起始位，這可以使用查詢方式或中斷方式進行處理。接收和發(fā)送過程中，對定時的處理既可以使用查詢方式也可以使用定時器中斷方式。而這種方法需要占用大量的CPU時間，只能用于功能簡單的應(yīng)用中，并不適合中繼網(wǎng)關(guān)這類功能復(fù)雜的設(shè)備。
綜合考慮成本和性能等因素，本設(shè)計使用STC12單片機的同步串行口(SPI)和另一個帶有串口的單片機STC11F04E(以下簡稱為STC11)來擴展串口，其原理如圖3所示。其中TX、RX分別是串口的數(shù)據(jù)發(fā)送信號和數(shù)據(jù)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RS-485接口使用相同的原理，但3個接口中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(jié)數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹修D(zhuǎn)站，不進行信息幀的校驗、存儲和轉(zhuǎn)換。監(jiān)控計算機發(fā)出指令經(jīng)STC11的串口接收，通過SPI發(fā)送至STC12進行處理。STC11再通過SPI接收返回信息，然后通過串口發(fā)送至監(jiān)控計算機。設(shè)計中，STC12通過在SPI_TX引腳的輸出下降沿，告知STC11啟動模擬SPI主站功能，從STC12的SPI接口寄存器中讀取一個字節(jié)數(shù)據(jù)。
圖4為單片機采用查詢方式的程序流程圖。RI、TI分別是串口接收標志和發(fā)送標志。TX_FLG=0表示STC11處于接收狀態(tài)，TX_FLG=1表示發(fā)送狀態(tài)。子程序SPI_BYTE實現(xiàn)模擬SPI主站功能。
1.3 環(huán)形總線主站軟件結(jié)構(gòu)
在第二級環(huán)路通信中，中繼網(wǎng)關(guān)作為環(huán)路主站，由STC12單片機的串口1和串口2構(gòu)成的兩個RS-485端口實現(xiàn)。3個通信端口分別設(shè)有獨立的接收(RX)緩沖區(qū)、發(fā)送(TX)緩沖區(qū)以及專用標志寄存器。
實現(xiàn)環(huán)路通信主站的軟件結(jié)構(gòu)如圖5所示。正常工作時，兩個串口一個作為發(fā)送方，另一個作接收方。比較接收方的接收數(shù)據(jù)與發(fā)送方的發(fā)送數(shù)據(jù)，若相等則環(huán)路總線是通的；否則，總線出現(xiàn)斷路故障，用標志位LP_BRK=1表示。
在環(huán)路總線完好的情況下，在線的燈具總是既連接在串口1上，也連接在串口2上。在環(huán)路斷線狀態(tài)下，對每個燈具，從串口2(或串口1)發(fā)送命令，若接收到正確應(yīng)答數(shù)據(jù)，則記錄該燈具連接在該端口上，用標志位ON_COM2=1(或ON_COM1=1)表示；若應(yīng)答信息超時或返回信息不正確，則重發(fā)相同命令數(shù)據(jù)至多3次，仍然收不到正確應(yīng)答信號，則判斷該燈具沒有連接在該發(fā)送端口上，用ON_COM2=0(或ON_COM1=0)表示。這樣，根據(jù)每個燈具所連接串口的不同，可以判斷環(huán)路斷線所在位置。
當(dāng)環(huán)路斷開時，兩個串口都作為命令發(fā)送方，整個環(huán)路分為兩個單總線結(jié)構(gòu)，提高了網(wǎng)絡(luò)傳輸可靠性。
基于兩級RS485總線環(huán)形通信網(wǎng)路的應(yīng)急燈智能監(jiān)控系統(tǒng)，設(shè)計了三端口通信網(wǎng)關(guān)，實現(xiàn)了監(jiān)控計算機與大量智能應(yīng)急燈之間命令和狀態(tài)信息交換，監(jiān)控計算機管理整個系統(tǒng)，網(wǎng)關(guān)負責(zé)傳遞發(fā)送至智能應(yīng)急燈的信息，同時也將從燈具接收到的信息反饋至監(jiān)控計算機。此外也可不通過監(jiān)控計算機直接控制該環(huán)路中的智能應(yīng)急標志燈。經(jīng)調(diào)試，所預(yù)設(shè)功能完全實現(xiàn)。
參考文獻
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