引言

如何有效地預防火災事故一直是全社會關注的問題。近年來，全國居民用電設備逐年增加，由此引發的火災事故有不斷上長的趨勢。據公安部調查統計，2009-01-09，全國共發生火災106 191起（不含森林、草原、軍隊、礦井地下部分火災），死亡831人，受傷509人，直接財產損失10．6億元。其中，電氣引發火災31731起，造成死亡265人，受傷114人，損失41514．6萬元，分別占總數的29．9％，31．9％，22．4％和39．1％；居各類火災事故之首。這類火災事故不僅僅造成人員傷亡和經濟財產損失，還有可能引發火災發生地及附近區域電力系統的大面積癱瘓，給社會生產和人們的生活帶來極大的不便。

火災預警系統在早期預測、及時發現與報警以及消防聯動等方面都起著重要的作用，早期的火災預警系統存在線路繁雜、檢修不便、有效范圍小、實時性低、誤報與漏報率高等諸多缺陷。本文提出的火災預警系統充分發揮CAN總線與SoPC系統的優點，有效克服了上述缺點，能對智能樓宇小區、賓館、醫院、娛樂場所等人員密集的區域的用電情況進行實時監控，并預測火災發生的趨勢，將檢測結果通過CAN網絡系統送至監控室，以便及時提醒值班人員采取有效措施防止火災事故的發生。

1、 系統工作原理與結構

1．1 火災預警系統的工作原理

電氣火災預警系統一般是通過多種傳感器采集電流、電壓、溫度相關數據，送至監控智能節點中進行分析處理，通過數據異常變化的趨勢預測火災發生的機率。同時，將這種預測結果在主監控室的上位機中顯示出來，以便讓值班人員圾時了解火災發生的可能性，采取有效措施制止火災事故的發生，如果無法控制險情，則及時向特定區域發出警報信號，有序組織相關人員撤離以避免人員傷亡。并且，火災預警系統還應該具有在火災事故發生后正確啟動消防聯動系統和保護周邊區域電力系統不受事故影響、保持正常工作的功能。

火災預警系統設計的關鍵有2個，一是要實現大范圍的實時監控，同時要保證監控地點的設備與值班室上位機之間快速、可靠的通信，及時讓值班人員了解信息，CAN總線與一般的通信總線相比，它的數據通信具有突出的可靠性、實時性和靈活性，另外，CAN網絡的有效節點高達110個，能很好地保證CAN總線監控系統的有效覆蓋范圍。CAN總線具有廣泛的應用領域，目前已經成為國際標準；二是對于火災趨勢預測的準確性與可靠性，盡可能的減少因誤報和漏報而帶來的人員恐慌。

1．2 火災預警系統的結構

本次設計的系統為分散式控制系統，采用三級級聯結構，由上位機，USB-CAN轉接口和CAN總線監控節點3個部分組成。其中，上位機的主要作用是讓值班人員通過上位機了解目前系統的監控情況，并對整個系統進行控制；USB-CAN轉接口負責上位機與CAN網絡的連接；CAN總線監控節點用于完成數據采集和部分數據分析功能，CAN網絡負責上位機與CAN總線節點間信息的傳遞。CAN總線網絡結構的有效節點可達110個，并且還可以通過中繼進行擴展，有效保證了系統的監控范圍。系統的具體結構如圖1所示。

2、 系統設計中的關鍵問題

2．1 硬件設計中的關鍵問題

系統硬件設計的關鍵問題有2個，一是監控數據的采集與信息處理；二是CAN總線網絡接口的設計。本系統監測的對象為電力低壓線路，主要監測電流、電壓、溫度和漏電流等參數。監測節點包括FPGA、互感器及信號調理電路、模／數轉換電路、存儲電路、顯示電路、語音報警電路、CAN總線控制器及其收發模塊、鍵盤接口和脫扣裝置與保護電路等模塊，其中FPGA選用Altera公司生產的EPC28Q208C8N芯片，主要作用為負責各參數的數據采集和分析相關數據并進行火災預測；存儲電路用于存儲監測結果和相關參數；互感器及信號調理電路、模數轉換電路模塊用于采集相關數據，并在液晶顯示模塊中顯示出來；CAN總線控制器及其收發模塊模塊負責上位機與監控節點間的通信；語音報警模塊

用于報警并通知人員撤離；鍵盤電路用于設置參數和查詢；脫扣裝置與保護電路則是在線路出現嚴重故障情況下隔離火災地點與周圍區域的電力線路，保證其他用電設備不受其影響，其具體結構如圖2所示。

在本系統中，采集的各參數數據的準確程度和實時性將會對火災預測和判斷產生嚴重影響，甚至產生誤報、漏報，因此互感器及信號調理電路、模數轉換電路的設計和選擇甚為關鍵，這里選用高速的A／D轉換電路TLC2543，可滿足對電流、電壓和漏電流等參數的采集要求，其與SoPC的連接電路如圖3所示。

傳統的CAN總線節點之間通信的控制方式有2種，一種是利用單片機控制獨立的CAN總線控制器；另一種是用帶有CAN總線控制器的單片機進行控制。這2種方式都存在線路復雜，系統穩定性不高以及無法實時處理大理數據信息的弱點。本系統采用SoPC技術對CAN總線通信進行控制，可編程片上系統（System on a Programmable Chip，SoPC）技術是由Altera公司提出的一種靈活、高效的片上系統（Systemon a Chip，SOC）解決方案，是一種特殊的嵌入式系統。本系統中用嵌入式軟核NiosⅡ作為控制器，以MieroChip公司的MCP2515作為CAN總線控制器。

以往的CAN總線收發器，通常采用2個高速光耦（如6N137），以實現電氣隔離和電源上的DC—DC隔離，從而提高CAN總線通信的抗干擾性，另外還需要對阻抗進行調節、匹配才能搭出合理的電路，本系統采用廣州周立功公司的CTM1050T。模塊作為CAN總線收發裝置。它是一款帶隔離的高速CAN收發器芯片，該芯片內部集成了所有必需的CAN隔離與收發器件，能直接與CAN總線控制器的TXD，RXD引腳相連，具體電路連接如圖4所示。

系統采用這種拓撲結構，最大的好處在于降低了系統線路的復雜程度，同時提高了系統的穩定性，并在一定程度上降低了功耗和生產成本。

2．2 軟件設計中的關鍵問題

本系統軟件設計主要包括2個方面，一是系統對于電氣火災的預測與預報的算法實現；二是上位機監控軟件的設計和下位機功能軟件的實現。

設計本系統主要是為了解決傳統火災預警系統中的誤報、漏報率高的問題，實驗測試表明，火災探測器一段時間內的各采集的量值相互獨立，呈一種相關隨機分布，火災探測信號是非平移隨機過程，因此本文對探測器的量測判斷提出一種新的決策方法，即模式分類判別方法，火災探測器在臨界點附近的傳感器的量值判斷，對應著實際情況就是2類分類的問題，第一類是線路一般故障，不會引發火災；第二類是線路存在嚴重故障，有發生火災的可能性，一般在臨界點（閾值）范圍的傳感器在實際情況中會出現幾種情況：正常，報警，但是在這一臨界點上，出現這各種情況卻是一種隨機分布，也就是說在臨界點上是一種概率分布，當傳感器檢測到的值到了一定的范圍（一般取臨界點的一個范圍）內，為了減少漏報和誤報，在系統設計的過程中采用貝葉斯決策進行情況分類，于是問題轉化為對特定模式的決策分類問題。

上位機軟件主要是顯示目前系統的運行狀況和預測結果，下位機SoPC系統功能軟件中與CAN總線通信部分的軟件設計是整個系統軟件設計中較為關鍵的部分，SoPC系統中采用NiosⅡ為處理器，通過Avalon總線與定制的SPI核在FPGA芯片EP2C8Q208C8N中進行系統集成，這一過程可以通過QuartusⅡ軟件中的SoPC Builder工具完成，然后通過集成開發環境NiosⅡIDE對定制的SPI的IP核進行訪問與操作，待仿真驗證無誤后，利用ISP電纜線將程序燒寫至SoPC系統的配置芯片中，使CAN總線節點正常工作，上、下位機程序流程圖如圖5，圖6所示。

CAN總線的通信通過SoPC中定制的SPI核進行數據的收發，其SPI接口的部分控制程序如下：

3、 結語

文中介紹的火災預警系統運用了當今電子通信和自動化領域的先進技術，使用了SoPC嵌入式處理系統和現場總線技術，符合我國大型建筑的火災報警系統的要求，并且該系統克服了以往火災報警系統的諸多缺點。經實際測試表明，該系統具有實時性強、可靠性高以及誤報、漏報率低的特點。隨著電子技術、計算機控制技術和通訊技術的逐步發展，以及電子工業產品生產成本的進一步降低，該系統在樓宇自動化、消防以及監控等領域的應用會越來越廣泛。

責任編輯：gt