摘 要： 提出了一種基于分布式網絡的火災環境數據采集系統的設計方案，介紹了數據采集系統的功能、硬件結構及軟件設計方案。給出了系統的電路設計、關鍵模塊邏輯圖以及軟件流程圖。
關鍵詞： 分布式網絡；火災環境；數據采集；硬件結構
在火災監控檢測中，數據采集與數據傳輸是整個監測系統的重要環節。為避免造成重大經濟損失，應該對火災環境進行實時監測和智能化評估，通過CAN總線及以太網相結合的方式，進行火災探測器探測數據的實時傳輸與分析，及早發現火災情況，以便將損失降到最低。
本文在CAN總線及以太網數據傳輸的基礎上，采用紫外、紅外及煙霧測量傳感器，設計了火災環境的數據采集及監控系統。本系統包括數據采集模塊、控制模塊和數據通信模塊，傳感器采集數據通過CAN總線傳輸到主控制板，主控制板把接收到的數據通過以太網發送到現場控制設備及遠程終端設備，可以實現現場或遠程監控火災環境。
1 系統結構簡介
CAN(Controller Area Network)是ISO國際標準化的串行通信協議，屬于現場總線的范疇，它是一種有效支持分布式控制或實時控制的串行通信網絡。CAN總線構成的網絡各節點之間的數據通信實時性強，并且容易構成冗余結構，提高系統的可靠性和系統的靈活性[1]。
本系統包括現場數據采集控制系統、網絡傳輸系統以及遠端控制系統。系統總體結構如圖1所示。
現場數據采集控制系統主要包括數據采集和控制兩部分。數據采集主要用于采集火災環境的紅外線、紫外線及煙霧濃度等參數；控制部分主要實現數據傳輸以及控制功能。
本系統包含現場設備和遠程設備兩部分。現場設備數據傳輸主要依靠CAN總線完成，接收CAN總線上的數據，進行現場處理及控制；遠程設備數據傳輸主要由以太網傳輸為主，通過Internet網絡登錄相應的客戶端插座軟件，實現對CAN節點傳送來的數據做相應處理，以實現對現場設備的控制。
2 電路設計
整個系統的電路部分設計主要分為傳感器、由微控制器組成的現場數據采集控制部分及遠程數據傳輸部分。其中現場數據采集控制部分及數據傳輸部分是關鍵，下面將重點介紹。
2.1 數據采集
由于CAN總線的數據通信具有突出的可靠性、實時性和靈活性等特點，本系統設計了4個節點，分別是煙霧測量節點、溫度測量節點、紫外測量節點及紅外測量節點。為使各個節點的不同類型、不同格式的數據在CAN總線協議下通信，每個節點都有相應的CAN總線接口電路。數據采集部分電路如圖2所示。
數據采集部分電路采用美國微芯公司的dsPCI30F6013微控制器為主控芯片，整個硬件電路部分由5部分組成：
(1)多路模擬輸入電路：本系統采用CD4051作為數據采集通道切換，CD4051是單8通道數字控制模擬電子開關，8路輸入輸出信號既可以是模擬信號，也可以是數字信號，有3個二進制控制輸入端A、B、C，具有低導通阻抗和很低的截止漏電流。由于本系統采用的模數轉換芯片是單通道的，故采用模擬開關芯片CD4051可以解決多路采集的問題，并且有效降低了成本。主控芯片的PA.0~PA.2引腳與CD4051的A~B引腳相連，并通過控制CD4051的控制端口，可以使OUT輸出端口輸出相應的信號供A/D采集。
(2)模數轉換電路：使用TI公司的ADS1110芯片，它是精密的連續自校準模/數(A/D)轉換器，帶有差分輸入和高達16 bit的分辨率，并且使用可兼容的I2C串行接口，在2.7 V~5.5 V的單電源下工作。本系統中，ADS1110有一個完全差分輸入端，通過該端可容易地測量出單端信號。ADS1110通過將其輸入引腳(通常是VIN-)接地，并加輸入信號到VIN+來進行單端配置。單端信號的范圍是0~2.048 V，ADS1110在其輸入范圍內不會錯過任何線性。主控制器的SCL、SDA引腳與ADS1110相連，采用I2C協議相互通信，通過發送不同的命令，來控制ADS1110的工作方式、數據速率和可編程增益放大器(PGA)的設置。
(3)RS-232串口通信電路：該電路主要完成主控節點和現場控制PC的通信，主控制器通過串口通信引腳TXD、RXD與MAX232芯片的相應管腳相連。主控制器將從現場采集到的數據轉換成RS-232協議格式，通過MAX232芯片發送到現場PC上以供分析測量，現場PC也可以發送相應命令到主控制器，從而實現現場控制測量。
(4)CAN總線接口電路：由于主控制器帶有片上CAN控制器，故接口芯片采用美國微芯公司的MCP2551。本系統中，主控制器的C_RX、C_TX引腳與MCP2551相應管腳相連，把CAN控制器生成的數字信號由MCP2551轉化成為適合CAN總線傳輸(差分輸出)的信號。MCP2551采用差分總線，具有很強的抗噪特性，支持1 Mb/s的運行速率，可連接節點高達112個。
(5)以太網通信接口電路：本系統的以太網接口采用W5300網絡接口芯片，具有固件的TCP/IP協議，高速網絡數據傳輸速度可達到50 Mb/ps。主控制器的數據引腳、地址引腳、讀寫引腳以及中斷引腳與W5300芯片相應管腳相連，通過8位數據寬度與W5300通信，實時傳送各傳感器數據到遠端控制平臺，實現遠程火災環境數據采集。
2.2 數據傳輸
數據處理主要分為現場預處理和遠端處理兩部分：
現場處理由主控制器軟件濾波簡單處理和現場PC做實時分析及存盤等。傳感器采集數據，主控制器通過各CAN節點接收到的傳感器數據，經過軟件濾波及分析，做出相應的動作。現場PC通過RS232串口接收到主控制器采集的數據，結合上位機軟件，實時畫出相應曲線圖，供工作人員做現場分析與處理，并有存盤、打印等功能。上位機軟件采用虛擬儀器LabVIEW軟件編程，界面友好，可以較好地實現數據分析與采集工作。現場主控制器與網絡相連接，數據經過打包實時發送到專用服務器上，以供遠端PC使用。
遠端處理部分主要由遠端控制PC和服務器構成，服務器采用穩定可靠的專用服務器，遠端控制PC實時從服務器讀取數據。遠端控制PC主要結合上位機軟件讀取服務器數據，上位機軟件采用基于socket編程的VC++軟件，實現對采集數據的分析、存盤及打印等。
2.3 數據分析與處理
數據分析與處理部分主要實現數據分析、處理及控制器做出相應動作等功能。由客戶端PC機和上位機軟件通過網絡接收數據，進行數據分析與處理。
3 軟件設計
系統的軟件設計主要分為數據采集與傳輸設計處理與控制兩個部分。
3.1 數據采集與傳輸
數據采集與傳輸部分的程序流程如圖3所示。
首先主控芯片初始化，然后對整個系統初始化，以確保各個傳感器及各通信鏈路正常工作。主控制器對CAN總線的各個節點初始化，主要是對各個節點的傳感器做初始化測試，檢測傳感器是否正常工作。CAN節點的初始化也包括主控制器對內部CAN控制器的初始化，主控制器進入配置模式對CAN控制器的發送和接收郵箱進行配置，設置通信數據長度、設置接收發送濾波器標識符以及波特率設置，以保證CAN總線正常通信。
本系統采用W5300作為以太網傳輸芯片，對W5300的初始化主要包括對網關、子網掩碼、IP地址、MAC地址的設置。配置完成后，系統工作時檢測或傳輸的信號和數據可以通過主控制器的外設接口直接輸入，并根據實際需要，由主控制對數據進行預處理，然后傳輸至W5300芯片，完成網絡協議的處理，再通過自帶變壓器的RJ45網口傳輸至PC機。同理，由PC機發出的控制指令或傳出的數據，也可反方向地傳輸至主控制器的信號和數據輸出端，實現主控制器的網絡化數據采集與傳輸，并可根據實際情況做出相應的控制。
3.2 數據處理與控制
數據處理主要分為上位機和下位機兩個部分：
上位機主要由現場PC和遠端PC的客戶端軟件構成，包括數據采集、實時控制、現場情況實時通報、數據存盤及數據打印等功能。客戶端軟件主要采用VC++和數據庫結合的編程方法，對各種數據源進行操作和訪問。
下位機主要包括主控制器采集整個系統的傳感器數據，并根據協議傳輸到遠端和現場PC上，在數據傳輸之前作一定的分析與處理，根據實際情況做出相應的動作，確保整個系統穩定、實時地運行。
本文介紹了基于分布式網絡的火災環境數據采集系統，該系統利用了CAN總線技術及以太網數據傳輸的方法，具有成本低、功能強、可靠性高等特點。系統實現了火災環境的現場及遠程監控，大大提高了火災環境測量的實時性、準確性及便捷性。
參考文獻
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