基于CAN总线的火灾远程监控系统

0引言：
   以现代通信和网络传输技术为基础发展起来的火灾远程联网监控技术,可以确保火灾探测报警系统和消防安全设施正常运行并发挥其应有作用。本文介绍利用 CAN 总线在分布式控制方面的特点和数据传输方面的优势,实现分布式远程火灾信息的数据采集；再使用嵌入式网关实现CAN 到以太局域网或 Internet 的无缝连接,提高了火灾信息的传输距离,从而利用现有的网络资源，达成火灾信息的远程监控。
1．系统总体框架设计
火灾远程监控系统中的数据采集终端是位于采集现场的各种火灾信号探测器,并且分散在各个不同的位置（楼层）,而集中报警控制器在中央控制室（消防控制室）, 它们之间距离通常在几十米到几百米之间, 有时甚至达到几千米。因此,连接导线少、可靠性高、实时性好、抗干扰能力强、性价比高就显得尤为重要。为了解决了以上问题,采用 CAN总线来解决分布式控制和可靠性、实时性、抗干扰能力等问题。同时采用嵌入式网关解决以太网和 Internet的接入问题[１]，从而使火灾达到火灾信息远程联网监控的目的。该系统总体结构框架如图1 所示。
 

本系统分三个层次: (1)底层为基于 CAN总线的分布式数据采集网络,用来实现现场数据的采集和底层之间的通讯和数据传输; (2) 中间层为基于嵌入式技术的网关,利用MAXIM 公司生产的DS80C400 为核心的嵌入式网关实现CAN 到以太局域网和Internet 的无缝连接,通过该网关可以把底层采集来的数据传送到控制计算机或数据服务器上; (3) 顶层为现有的以太局域网和Internet 。
2基于 CAN 总线的火灾信号采集网络（底层设计）
CAN 总线是一种有效支持分布式控制或实时控制的串行通信网络。CAN协议的一个最大特点是废除了传统的站地址编码,而代之以对通信数据块进行编码。采用这种方法的优点是使网络内的节点个数在理论上不受限制, 数据块的标识码可由 11位或 29位二进制数组成,因此可以定义 211或 229个不同的数据块, 这种按数据块编码的方式,还可使不同的节点同时接收到相同的数据。CAN 总线采用短帧结构, 从而保证了通信的实时性。CAN协议采用 CRC检验并可提供相应的错误处理功能, 保证了数据通信的可靠性 [2 ]。CAN 总线这些特点都满足了火灾监控系统的功能要求。
基于CAN 总线的火灾监控系统的底层构成如图２所示。系统中,控制中心主机为上位机,运行时负责向各楼层集控器询问各种火灾探测器数据及工作状态,判断和显示发生或可能发生火灾的楼层和具体位置。各楼层集控器由 CAN总线控制器、CAN收发器、探测器通信接口和手动报警装置组成。CAN 总线控制器用于集控器与控制中心主机之间的数据传递;CAN收发器增强了控制器的驱动能力,保证通信距离;探测器通信接口向下连接各种探测器和手动报警装置。
发送数据时,火灾报警器把需要传送的数据写入 CAN 控制器的发送缓冲区,启动发送,数据即通过CAN收发器发送到总线上; 接收数据时,CAN控制器通过CAN收发器从总线上接收数据,处理后存入接收缓冲区,并给出接收中断信号,这时,集控器可以从 CAN控制器的接收缓冲区取走数据。
 
图２火灾远程监控系统底层结构 

嵌入式网关是系统的核心部件,其主要完成现场总线到以太网的协议转换和数据传输,实现底层数据采集网络到上层监控及管理网络的通信。网关的硬件平台的选择应充分考虑安全、经济,开发周期的要求。采用 DS80C400 专用芯片,在此基础上进行二次开发是较好的选择。专用芯片价格适中,集成了大量的片内设备供开发使用,如 TCP/ IP 协议栈、以太网控制器等,缩短了开发周期及开发难度,可靠性高,具有良好的性价比。该嵌入式以太网网关主要是由网络微控制器DS80C400 和以太网接口芯片LXT972ALC 构成，如图3 所示。
 

DS80C400 是快速的且与 8051兼容的高度集成的网络微控制器。它执行指令的速度比普通的8051快3倍。它的外围设备包括10/ 100bps的以太网,3个串行端口,1个CAN2. 0B 控制器,
一个 1Wire 控制器和 64个 I/ O 引脚,一个 TCPIPv4/ 6 协议栈。DS80C400内部集成了 10/100Mbps以太网控制器,是支持连接使用 IEEE802.3协议的物理设备。
LXT972ALC 是一个遵守快速以太网协议的接收发送芯片。LXT972ALC支持 10/ 100MMAC 的标准的 MII。LXT972ALC执行 IEEE802.3 定义的标准 10BASE-X 的所有物理编码子层和物理附加子层的功能 [4] 。它还能执行10BASE-TX 连接的所有的媒体独立子层的所有功能。
4基于以太网和 Internet的顶层数据传输需求[5]
火灾远程监控系统的顶层是通用的以太网和Internet网络，其软、硬件结构是现成的，但在用于火灾远程监控系统时要考虑系统传输数据的实时性、可靠性和安全性 [4]。
4.1数据传输的实时性需求
火灾的早期报警是及时扑灭火灾、减少损失的最有效的措施，发现越早、扑救越及时，形成灾害的可能性就越小。否则就可能使微小的火情酿成较大的灾难，造成难以估量的损失。因此对系统的实时性要求是重要的。
但是，由于在Internet传输数据是通过建立虚连接，以数据包的形式存储转发的，有时间延迟。路由器是 Internet网络构成的核心，根据路由器的工作原理，一般路由器是根据公平和先到先服务的原则来转发 IP分组。造成 IP分组延迟主要有两个方面，一是路由查询时间，二是 IP分组排队时间，特别是网络阻塞时造成IP较大的延迟甚至在队列已满时会丢弃IP分组，从而造成网络传输中丢失数据。
解决火灾远程监控系统的实时性问题，实际重点就是解决火灾信息在 Internet上的传输延迟问题，Internet网络延迟一般主要包括路由查表延迟、打包延迟，传送延迟、排队延迟和处理延迟，其中路由查表延迟、传播延迟和排队延迟是影响网络延迟的主要因素。
4.1数据传输的可靠性需求
在互联网发展过程中，服务的可靠性已经成为日益重要的问题。由于火灾远程监控系统的重要性，火灾监控信息数据包的丢失会造成无可估量的损失。一般系统要求较高的容错性，传统的可靠性衡量指标有：失效率、平均失效时间、失效间隔时间、平均修复时间以及故障覆盖率等统计性指标，在火灾远程监控系统中通常可采用可靠性措施作为可靠性 QoS指标，如备份个数、主动/被动复制等。
4.1数据传输的安全性需求
随着网络的发展，网络安全问题已成为网络管理员和用户关心的头等大事，也是决定Internet命运的重要因素。实际上已经出现不少个体网络由于自身安全受到威胁，而不得不被迫暂时退出 Internet的事件。同样火灾远程监控系统信息传输的安全性，是该系统能否在Internet上正常运行的重要因素。
5结论
本文的提出了一种基于CAN 总线和嵌入式网关结构的火灾远程监控系统的设计。CAN总线已被公认为是最有前途的几种现场总线之一,因其性价比高、实现简单等突出优点深得越来越多的研发人员的青睐。基于 DS80C400 的嵌入式网关具有集成度高、性价比高、开发周期短等优点,愈来愈广泛的应用在实现 CAN到以太网和 Internet的接入[6]。对于火灾信息在 Internet上的传输需求进行了分析，对于如何解决这些需求文献 5给出了一些解决方案，但有待进一步的深入研究。
本文作者创新点:
结合远程火灾信息数据采集和传输的特点,将 CAN总线和嵌入式网关技术应用于火灾远程监控系统是本文的主要创新点。