基于區(qū)域控制網絡CAN的智能家居自動化火災警報系統(tǒng)方案

1、基于區(qū)域控制網絡(CAN)的智能家居自動化火災報警系統(tǒng)Kyung Chang Lee, Hong-Hee Lee摘要：本文提出一個應用區(qū)域控制網絡(CAN)的火災報警系統(tǒng)并評估其應用于智能家庭自動化控制的可能性。通常，傳統(tǒng)的火災報警系統(tǒng)有一些不足，例如由于其使用420mA的模擬電流信號，噪聲對其干擾很大。因此，本文為替代原有系統(tǒng)，提出了一個基于CAN的火災報警系統(tǒng)，闡述了CAN通信網絡的設計方法并進行試驗評估該系統(tǒng)的性能。這個網絡有以下幾個優(yōu)點，如比其他底層BACNet(如以太網、ARCNET)有更低的成本且更容易實現(xiàn)。因此，如果CAN被選為底層BACNet，家庭自動化系統(tǒng)將會更有效。關鍵詞：

2、網絡型火災報警系統(tǒng)；區(qū)域控制網絡(CAN);家庭自動化系統(tǒng)；家庭網絡系統(tǒng)；智能建筑1. 引言當前，建筑的智能化為人們帶來更多的方便與安全1-2。因此，家庭網絡自動化系統(tǒng)的要求隨著智能家居要求的增長而日益增長3。為了滿足使用者的需求、家電(如冰箱和微波爐)、多媒體設備(如電視和音響系統(tǒng))和網絡設備(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手機或PDA監(jiān)控連接到家庭網絡的電器。為了實現(xiàn)家庭網絡系統(tǒng)，一些標準組織、企業(yè)正在開發(fā)Echonet,Konnex,LnCP和LonWorks等網絡標準4。家庭自動化系統(tǒng)家庭網絡系統(tǒng)取暖控制照明控制強電控制信息設備多媒體設備多媒

3、體網絡信息網絡骨干網控制網絡家庭應用家庭網關手機、PDA等移動電腦Internet圖1家庭網絡系統(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電控制、照明、防盜、火災報警等家庭自動化系統(tǒng)。通常，在傳統(tǒng)的家庭自動化系統(tǒng)中，開關、閥門或者火災探測器都直接與空調設備或火災報警系統(tǒng)相連。傳統(tǒng)火災告警系統(tǒng)采用420mA電流的模擬傳輸方式，當從火災探測器接受的電流信號超過閾值，判定發(fā)生火災。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，同時它不能判斷實際的燃火點。為了解決這些問題，業(yè)界已經開始研究用數(shù)字、無線傳輸技術的系統(tǒng)替代以往模擬傳輸?shù)南到y(tǒng)5-6。同時也在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化領域重視的區(qū)域控制網絡(CAN) 8-10應用到家庭網絡中來9。由于半導體制造公司以完成了CAN微控制器片上產品的開發(fā)，大量低成本的CAN開發(fā)工具涌入市場。同時在汽車、機械、工業(yè)自動化系統(tǒng)等各種領域中，開發(fā)了許多的應用程序。在家庭自動化系統(tǒng)使用面向傳感器與控制器層的網絡比使用底層BACNet的以太網更加直接，所以這種方案使得家庭網絡系統(tǒng)更易實現(xiàn)。本文介紹了一種基于CAN的火災報警網絡，并評估了其可行性。本文包括本段引言，一共有五個部分。在第二部分，文章給出了本系統(tǒng)的網絡架構。第三部分提出本系統(tǒng)的設計方法并證

5、明了本系統(tǒng)可以滿足家庭自動化系統(tǒng)的實時性需求。第四部分介紹了本系統(tǒng)的可行性驗證試驗。2. 火災報警系統(tǒng)結構2.1. 傳統(tǒng)的火災報警系統(tǒng)圖2(a) 展示了傳統(tǒng)火災報警系統(tǒng)的結構。如圖所示，火災傳感器（例如煙霧探測器、溫度傳感器等）和驅動器（例如指示燈、防火墻、滅火噴頭、通風系統(tǒng)等）以420mA的電流信號通過專門的模擬信號線連接到接收器。在特殊情況下，負責同一地區(qū)的多個火災探測器可以作為同一個信號連接到同一根信號線上。圖2(b) 展示了傳統(tǒng)火災報警系統(tǒng)的探測器與接收器的連接方法。當火災發(fā)生時，探測器發(fā)現(xiàn)相關火災信息后，將信號線短路，使得電流增大；接收器發(fā)現(xiàn)相應的電流信號變大，從而得知發(fā)生火災，通過

6、響鈴或者信號燈等方式進行報警。響鈴終端電阻DDDDDD火災探測器接收器指示燈420mA電流信號(a)傳統(tǒng)火災報警系統(tǒng)的基本結構火災探測器終端電阻接收器(b)傳統(tǒng)火災報警系統(tǒng)連接方法圖2傳統(tǒng)火災報警系統(tǒng)的基本結構通常，在傳統(tǒng)火災報警系統(tǒng)中，連接在同一信號線上的任意一個傳感器當發(fā)現(xiàn)火災時，都會使得此線的信號電流變大，因此接收器無法判斷這條線路上的哪一個傳感器就行了告警，也就無法判斷具體那里發(fā)生了火災。此外，因為接收器只是根據(jù)信號電流超過閾值斷定發(fā)生火災，所以它不能通過火災探測器探測現(xiàn)場的煙霧濃度或是溫度。如果由于老化或者腐蝕使得信號線路發(fā)生故障，接收器就不能進行火災報警，也不能判斷檢測出線路的故障

7、。所以傳統(tǒng)的火災報警系統(tǒng)有很大的幾率會失效。2.2. 網絡型火災報警系統(tǒng)圖3展示了網絡型火災報警系統(tǒng)的網絡架構，它可以克服傳統(tǒng)火災報警系統(tǒng)的缺點。如圖所示，火災探測器、滅火器、響鈴、顯示設備連接到同一傳輸總線，以數(shù)字交換的方式傳輸信息。通過這種連接方式，由于每一個火災探測器都有屬于自己的唯一地址，接收器就可以識別是哪個探測器進行告警。此外，由于接收器定期檢測各個火災探測器的狀態(tài)，它可以發(fā)現(xiàn)諸如探測器故障或是傳輸總線開路等系統(tǒng)故障。另外，因為各個探測器將煙霧與熱度的定量數(shù)據(jù)發(fā)送給接收器，所以錯誤警報要少于傳統(tǒng)火災報警系統(tǒng)。在同一區(qū)域安裝多個火災探測器，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)可以直接應用于智能火災報警系統(tǒng)并能使用推理算法。同時由于探測信號可以進行計算比較，系統(tǒng)的風險評估能力得到提升12。ADDB網絡總線PC端接收器驅動器火災探測器指示燈響鈴圖3網絡型火災報警系統(tǒng)的網絡結構此外，由于PC的安裝維護比傳統(tǒng)的專用接收機更為方便，我們可以很容易地創(chuàng)建一個用戶界面，將人機界面應用于PC，將本系統(tǒng)合成到家庭網絡系統(tǒng)中，因此網絡火災報警系統(tǒng)如果使用PC作為接收機會更為方便。當前，已有BACNet、LonWorks、Bluetooth等多種網絡協(xié)議將網絡型火災告警系統(tǒng)應用在智能建筑項目用5-6。3. 網絡型火災報警系統(tǒng)的設計3.1. CAN協(xié)議概述CAN2.0B是專門為連接

9、傳感器、驅動器、汽車中的電子控制單元 (ECU) 而編寫的網絡協(xié)議。它的支持通信速率為5Kbps1Mbps，可以應用于信息共享與實時控制領域。它可以選擇總線型或者星型網絡拓撲結構。CAN2.0B具有以下性質：分布式總線存取控制。這意味著每一個設備都有一樣的總線使用權限。競爭非破壞性總線讀取。雖然設配是通過競爭方式控制總線，但不會因競爭破壞報文。根據(jù)容確定地址。每條報文根據(jù)自身容確定唯一的標識。循環(huán)冗余校驗錯誤檢測和錯誤禁閉來阻止任何不利影響的一個網絡元件失效。設備不管網絡是否空閑都可以傳輸信息。當網絡繁忙時，在正在傳輸?shù)男畔瓿汕埃瑢⒁l(fā)送的包會一直等待。電信號在網絡中傳輸?shù)乃俣仁怯邢薜模?/p>

10、有可能多個設備在很短的時間段都要開始傳輸信息。這種情況被稱為信息沖突，協(xié)議通過比較報文包含的標識來解決這一難題。標識的值最小的報文贏得網絡使用權，其他的設備必須立即停止傳輸。因為標識在數(shù)據(jù)包的首部，一起傳輸?shù)碾娦盘枴?”將把電信號“1”改寫，所以標識值最小的數(shù)據(jù)包將不被破壞的完成傳輸。其他的設備將在當前傳輸結束后，繼續(xù)嘗試傳輸自己的數(shù)據(jù)。圖4展現(xiàn)這個仲裁的過程。否否否是是是是上電傳輸這個報文是否贏得競爭是否沖突繼續(xù)傳輸收到消息是否收到消息檢測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. 網絡型火災報警系統(tǒng)的設計這部分進行使用CAN進行火災報警系統(tǒng)設計的方法。圖5(a)說明了

11、在正常情況下火災探測器與接收器之間的幀交換過程。如圖，接收器會在每個TP（輪詢周期）按照輪詢列表向每個火災探測器或是驅動器發(fā)送一個輪詢幀，從而調查其狀態(tài)。當它們接到輪詢幀時，就會發(fā)送一個包含自己狀態(tài)值的狀態(tài)幀回復接收機。因此，接收機可以周期性的確定系統(tǒng)的狀態(tài)，與時發(fā)現(xiàn)諸如探測器故障、線路中斷等故障。圖5(b)說明了當火災發(fā)生時探測器與接收器之間的幀交換過程。如圖所示，探測器測試諸如熱度、煙霧量等火災數(shù)據(jù)。接著它在每個TA（報警周期）都向接收器發(fā)送一個包含測量值的報警幀。當接收器收到報警幀，它會通過分析同一區(qū)域的探測器發(fā)送來的實時數(shù)據(jù)判斷是否發(fā)生火災。當火災報警參數(shù)超過閾值，接收器判斷確實有火災

12、發(fā)生，它會向相應的驅動器發(fā)生滅火幀來進行滅火作業(yè)。當火災探測器接收到滅火幀，他會停止告警幀的發(fā)送。我們把從由火災探測器發(fā)送報警幀到驅動器接收到滅火幀這段時間叫做響應時間TF。輪詢幀傳感器/驅動器接收器狀態(tài)幀輪詢周期TP(a)狀態(tài)幀交換滅火幀滅火確定發(fā)生火災報警幀火災信號報警周期TA滅火周期TF傳感器/驅動器接收器(b)報警幀和滅火幀交換圖5基于CAN的火災報警系統(tǒng)幀定義運用這些方法，接收器可以從多個火災探測器直接讀取數(shù)據(jù)，綜合判斷是否發(fā)生火災，因此網絡型火災報警系統(tǒng)相較傳統(tǒng)型火災報警器更加優(yōu)越。為了保證基于CAN的火災報警系統(tǒng)的實時性，報警幀與滅火幀的優(yōu)先級必須高于其他幀的優(yōu)先級。為了保證網絡

13、型報警系統(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ID子段，分別對應4個分類段。第一部分為幀類型，為了保證滅火幀的優(yōu)先級最高，滅火幀、報警幀、輪詢幀、狀態(tài)幀分別設置為“00”、“01”、“10”“11”。圖7展現(xiàn)了一個不同類型幀同時發(fā)送的例子。如圖，接收器的滅火幀（幀ID為“00”）與其他幀相比會最早發(fā)送，這是因為CAN使用的是CSMA/NBA競爭方法。同樣，探測器B的報警幀B（幀ID為“01”）要優(yōu)先于探測器A的狀態(tài)幀A（幀ID為“11”）。282726252423222120191817161514131211109876543210幀類型ID“

14、燒焦等級”ID塊ID設備類型ID獨立ID圖6基于CAN的火災報警系統(tǒng)ID分配方法發(fā)送成功第二部分定義了報文的“燒焦等級”ID，確保等候時間較長的幀優(yōu)先發(fā)送。初始水平為“1111”。圖7 (b) 給出了一個“燒焦等級”ID變化的例子。假設有兩個探測器B和探測器C同時發(fā)出幀類型ID都為“01”的報警幀，而探測器B發(fā)出幀的獨立ID比探測器C的更小。此時，將比較幀標識的其他部分，因此探測器B的幀優(yōu)先級更高，首先發(fā)送。然而探測器C的幀將發(fā)送失敗而輸?shù)舾偁?，它的“燒焦等級”ID就會由“1111”變?yōu)椤?110”，即優(yōu)先級上升。此時如果在探測器C重新發(fā)送之時，另一個探測器A發(fā)出另一個幀類型“01”的報警幀。

15、由于探測器A的“燒焦等級”為“1111”，探測器C的幀優(yōu)先級更高優(yōu)先發(fā)送，而探測器A的幀將最后發(fā)送。依據(jù)這個邏輯，當多個火災探測器發(fā)現(xiàn)火災信號，同時發(fā)送報警幀時，每一個幀都會按照正確的順序，用最短的延遲發(fā)送給接收器，接收器也可以準確判斷火災的位置。發(fā)送失敗11-01 -探測器B探測器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)幀類型的競爭實例發(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 -探測器C探測器B探測器A(b)依據(jù)“燒焦程度”的競爭實例圖7依據(jù)ID競爭的例子第三部分為塊ID，它將火災傳感器與驅動器分為若干個分組

16、。如果一個區(qū)域發(fā)生火災，就會以這部分作為區(qū)分發(fā)送一個指定該區(qū)域所有驅動器進行滅火的幀。第四部分為設備類型幀，用來區(qū)分設備是探測器或是驅動器等，例如煙霧傳感器、熱度傳感器等。第五部分是獨立ID，為每一個傳感器或是驅動器標號。3.3. 基于CAN的火災報警系統(tǒng)的最大延遲因為在CAN中，具有高優(yōu)先級的幀將在其他幀之前傳輸，最低優(yōu)先級的幀會在設計者確定的最大延遲圍被傳輸。因此，為了保證基于CAN的火災報警系統(tǒng)的網絡效率，必須恰當?shù)卮_定輪詢周期TP，報警周期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最壞情況傳輸時間計算方法如下13-15：(1)這里的bit，即

17、傳輸過程中的反向速度16。例如，如果傳輸速度是500 Kbps了，bit為2s。Sm是CAN報文的長度。Sm的第一部分是最差情況比特值，第二部分是CAN報文的首部長度，最后一部分是CAN報文的比特長度。當所有的火災探測器發(fā)出報警幀，同時接收器向所有驅動器發(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個火災探測器所生成報警幀的傳輸時間，CEi是發(fā)送給第i個驅動器的滅火幀的傳輸時間，CPi和CSi是一個輪詢幀和設備的狀態(tài)幀的傳輸時間，Nd和Na分別是連接在系統(tǒng)上的火災探測器與驅動器的數(shù)量。例如，假設幀總長度是1字節(jié)，有8000個火

18、災探測器和2000個驅動器連接在系統(tǒng)中。這是之所以假設為1字節(jié)是因為火災探測器發(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循環(huán)傳輸完畢，系統(tǒng)的效率得到了保證。美國消防協(xié)會(NFPA，The National Fire Protection Association)建議當收到火災報警信號的警告響應時間（即傳感器發(fā)現(xiàn)火災到驅動器開始滅火之間的時間間隔）要少于90s17。我們可以把這個當成本系統(tǒng)的最大允許延遲。上邊5.4s遠遠小于最大允許延遲，所以本系統(tǒng)是符合NFPA建議的。4. 基于CAN的火災報警系統(tǒng)的實驗

19、評估圖8展示了用于評估的實驗模型。在這個實驗模型中，配置有作為接收器的PC、兩個煙霧探測器、一個氣體探測器和一個模仿驅動器的模塊，共四個通信模塊。網絡的傳輸速率設定為500Kbps，網絡中安裝了一個CAN中繼器，來擴大網絡圍。使用CANalyzer的CAPL進行PC端接收器編程。煙霧探測器使用NEMOTO公司的NIS-05As,氣體探測器使用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 信號收發(fā)器。NIS-50A終端電阻PC端接收器NAP-55A煙霧探測器驅動器氣體探測

20、器煙霧探測器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的火災報警系統(tǒng)的實驗模型圖9 (a) 展現(xiàn)了實驗模型中PC端接收器的算法流程。如圖所示，接收器在每個輪詢周期TP周期，都會向各個火災探測器發(fā)送輪詢幀。在這時，如果發(fā)生沖突，將會進行ID比較，并將ID優(yōu)先級最高的幀首先傳送。競爭失敗的幀的“燒焦等級”將會減小，并等待總線空閑。如果發(fā)現(xiàn)一個載有火災參數(shù)高于閾值的報警幀，則會傳輸一個滅火幀來激活相應的驅動器。因為在這個實驗模型中，所有的幀傳輸總時間在10ms以，所以輪詢周期TP設為10ms。圖9 (b) 展示了實驗模型中的火災探測器或是驅動器的算法流程。如圖所示，當

21、火災探測器在沒有火災的情況下，收到一個輪詢幀，它會傳遞一個包含探測數(shù)據(jù)的狀態(tài)幀。如果火災探測器發(fā)現(xiàn)火災，它會傳輸一個包含了修改后的探測值的報警幀，之后等待接受滅火幀。如果火災探測器在報警周期TA沒有收到報警幀，它會重新發(fā)送包含新探測值的滅火值重新發(fā)送。模型中的報警周期TA設為10ms。否否否否是是是是是否收到狀態(tài)幀報告錯誤節(jié)點報告火情是否贏得競爭發(fā)送滅火幀發(fā)送輪詢幀提高“燒焦等級”是否贏得競爭是否檢測到報警幀上電(a)PC端接收器的算法流程否否否否是否在報警周期TA內收到滅火幀是是是是發(fā)送狀態(tài)幀提高“燒焦等級”是否收到輪詢幀是否贏得競爭發(fā)送報警幀是否發(fā)生火災上電(b)火災探測器或驅動器的算法流

22、程圖9基于CAN的火災報警系統(tǒng)的算法流程圖10是用示波器對系統(tǒng)進行測量的結果。圖10 (a) 展示的是接收器與探測器之間相互周期發(fā)送的輪詢幀與狀態(tài)幀。如果火災發(fā)生，如圖10 (b)，火災探測器將給接收器傳輸一個報警幀。當火災參數(shù)超過閾值，接收器就會意識到火災發(fā)生，它會向相應的火災探測器發(fā)送滅火幀。響應的時間為0.27ms，遠遠小于NFPA要求的90s。輪詢幀(a)普通狀態(tài)滅火幀報警幀(b)火災狀態(tài)圖10基于CAN的火災報警系統(tǒng)報文傳輸圖11表示模擬接收器從煙霧探測器接收的實際測量值。突入說是，如果接收器接收到煙霧探測器的值持續(xù)大于4V，它就判斷發(fā)生火災，并向響應的驅動器發(fā)送滅火幀。如果它收到的

23、值低于4V，就說明火已被撲滅。停止滅火火災信號如果測量值小于4V定義為發(fā)生火災圖11探測器得到的實際測量值在傳統(tǒng)火災報警系統(tǒng)中，系統(tǒng)會因為噪聲干擾使得信號值大于4V，誤認為發(fā)生火災啟動驅動器。然而，在本系統(tǒng)中，探測器會以數(shù)字形式發(fā)送模擬量，從而避免了錯誤警報。也可以送多個火災探測器接受多個數(shù)據(jù)，綜合判斷是否發(fā)生火災。因此，由于本系統(tǒng)的特點，它將比傳統(tǒng)系統(tǒng)更加精確。另外，如果在一個特定的位置兩三個探測器，即使其中一個探測器損壞，系統(tǒng)依然可以準確對火災進行報警。5. 回顧與總結本文提出了一種基于CAN的火災報警系統(tǒng)，并驗證它可以應用于智能家居中。我們秒說了系統(tǒng)的網絡架構與設計方法。同時，用實驗模型

24、評估了系統(tǒng)的性能。從以上幾個實驗，可以充分證明，其符合NFPA要求，它的活在響應時間非常短。同時由于接收器直接從探測器讀取數(shù)據(jù)，所以它比傳統(tǒng)火災探測器更精確。另外，如果在一個特定的位置兩三個探測器，即使其中一個探測器損壞，系統(tǒng)依然可以準確對火災進行報警。特別是由于半導體制造公司已經把CAN微控制器集成到一個芯片中區(qū)，其價格也非常低，許多CAN開發(fā)工具也開始進入市場。因此火災報警系統(tǒng)使用CAN技術與傳感器、驅動器直接實現(xiàn)比使用以太網這種底層BACNet更具有優(yōu)勢。這也讓設計家庭自動化網絡更簡單。然而本文只是關注本系統(tǒng)的基本結構。為了將這個系統(tǒng)實際應用，還需要進行應用層、供電等方面需要進一步研究。

25、此外，本系統(tǒng)為了提高容錯性能還需在應用冗余通信模塊。參考文獻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

26、work Configuration Technique for Home Appliances based on LnCP,” IEEE Trans. Consum. Electron., vol. 49, no. 2, pp. 367-374, 2003.4K. Wacks, “Home Systems Standards: Achievements and Challenges,”IEEE Comm. Mag., vol. 40, no. 4, pp. 152-159, 2002.5W.S. Song, S.H. Hong, and K.D. Song, “Performance ana

27、lysis of BACnet-based fire detection/monitoring system in the high-rise building”, Journal of the Architectural Institute of Korea, vol. 18, no. 1, pp. 171-178, 2002.6N. Sriskanthan, F. Tan, and A. Karande, “Bluetooth based home automation system,” Microprocessor. Microsyst., vol. 26, pp. 281-289,20

28、02.7D. Snoonian, “Smart Buildings,” IEEE Spectr., vol. 40, no. 8, pp. 18-23, 2003.8Road Vehicles-Interchange of Digital Information-Controller AreaNetwork for High-Speed Communication, ISO 11898, 1994.9T. C. Hooi, M. Singh, Y. K. Siah, and A. R. Ahmad, “Building Low- Cost Intelligent Building Compon

29、ents with Controller Area Network (CAN) Bus,” Proceedings of IEEE Region 10 International Conference on Electrical and Electronic Technology, pp. 466-468, 2001.10 CiA DSP 416-1 V 1.0 part 1: CANopen application profile for building door control - General definitions and basic principles, 2003.11G. Cena and