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1、朱春鸯，郭其一：地铁车辆车载设备火灾状态识别报警网络系统2009,30(21)50250引言随着城市化进程的加速，城市流动人口巨增，地铁是缓解不堪负重的地面交通压力的有效工具，但地铁火灾时有发生，极易造成群死群伤以致巨大的生命和财产损失，引起了人们对地铁火灾的广泛重视。如果火灾前能及时准确地探测出火灾状态信息及其它相关状态信息，提前火灾预警，避免火灾发生，致损失降至最低，避免悲剧发生，由此建立一个安全可靠的火灾状态智能识别网络系统有很强的实际应用价值。国内外文献资料记载，针对地铁火灾预警国际国内处于起步阶段， 研究力度在大大加强：英国伦敦地铁采用光纤技术火灾报警网络系统；最近俄罗斯地铁车厢安装
2、了一种称为包括“指针” 装置的火灾自动探测报警网络系统；国内目前大部分地铁都直接应用国外进口的火灾报警网络系统，广州地铁一号线火灾自动报警系统采用Simplex4120对等令牌环网(是由 Simplex 公司独自开发)，该网络主要针对车厢内部或地铁车站进行火灾预报监控。基于地铁火灾的发生呈现多样性和复杂性，一般而言， 火灾的发展过程可划分为增长期、充分发展期和衰减期，在火灾的增长期内(从起火到轰燃) 温度变化剧烈，进入充分发展期后，温度很高但变化较平缓，由此， 温度变化状态是反映火灾发生的一个极其重要环境参数。深入分析地铁车辆车载大功率设备表面和特殊位置温度场，温度是反映大功率设备正常运行的重
3、要参数，由此论文以地铁车辆车载大功率设备温度状态、 车厢烟雾检测及新老地铁列车已存在智能模块的其它相关火灾参数状态为对象，同时结合神经网络算法知识对状收稿日期： 2008-11-21 ；修订日期：2009-05-19 。开发与应用名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 1 页，共 4 页 - - - - - - - - - 50262009,30(21)计算机工程与设计ComputerEngineeringandDesign态参数进行数据融合实现火灾状态智能识别建立起分布式网
4、络系统， 该网络系统以CAN 总线及 Ethernet/IP 以太网基础，实现了两层分布式智能网络系统对地铁车辆车载大功率用电设备进行温度状态采集与智能识别、车厢烟雾检测及其它智能模块相关火灾参数监测与状态识别。1CAN 总线突出的技术特点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，最初由德国Bosch 公司 80 年代用于汽车内部测试和控制仪器之间的数据通信。目前CAN总线规范已被国际标准化组织ISO 制订为国际标准IS011898 ，并得到Motorola ，Intel ， Philips 等大型半导体器件生产厂家的支持，迅速推出各种集成有CAN 协议的产品。CAN 总线
5、最初主要用于汽车自动化领域，如发动机自动点火、注油、复杂的加速刹车控制(ASC)、 抗锁定刹车系统(ABS )和抗滑系统等。BENZ, BMW等著名汽车上已经采用CAN 来满足上述功能。同时，在工业过程控制领域，CAN 总线得到了相当广泛的应用，在于 CAN 总线存在以下几个主要技术特点：(1)多主方式的面向事件传输：总线处于空闲状态，总线上任何一个节点都可能取得优先权发送信息给其它节点进行信息交换， 使得总线中每一节点成为主体面向事件传输信息成为可能。(2)帧结构： CAN 总线的数据帧组成：帧起始、 仲裁场、 控制场、数据场、 CRC 场、应答场、 帧尾。 帧起始1 bit(显性位)， 仲
6、裁场 29 bit， 控制场6 bit， 数据场08 byte， CRC 场 16 bit， 应答场2bit， 帧尾 7 bit(隐性位 )。帧存在优先权，由帧的仲裁场决定。(3)非破坏性仲裁(CSMA/CD)方式：CAN 总线访问仲裁是基于非破坏性的总线争用仲裁方案。首先，当多个节点访问总线发生冲突时，总是决定位覆盖从属位；其次， 优先权高的节点优先传输，其它节点处于监听状态。非破性仲裁原则保证了最高优先权的信息帧在需要的时间内都可优先发送，同时充分利用了总线带宽。(4)短信息帧： CAN 总线使用较短的08 字节有效数据的信息帧，保证了优先权信息帧的短延时及通信的实时性，同时，当信息受到干
7、扰时，短的信息帧不被干扰的几率越高，节点在错误严重的情况下也会自动关闭脱离该总线，确保其它节点之间的继续通信，当发送信息受到破坏时也可以自动重发。(5) 信息传输方式：CAN 总线任何节点是根据报文ID 决定接收或屏蔽该报文，而不是根据节点地址进行识别，CAN 报文中指示功能、优先级信息等只通过信息标识ID 来指示， 可实现时间同步多点接收，提高总线利用率。(6)高速的数据传输速率：CAN 总线数据传输速率最高可达 1 Mbit/s ， 当传输距离达10 km 时，速度也可达50 kbps。2以太网(Ethernet/IP ) 总线关键性技术研究以太网是一种架构LAN 组网的一种技术方式，由于
8、以太网是一种随机性网络，技术比较简单，完全公开， 通过不断改进、提升市场占有率(特别是办公自动化OA 领域 )已经越来越大，成本越来越低，进而变成主流很快被大家接受即使IBM 力推的令牌环网(Token Ring )架构也已难挡此潮流。据美国VDC(venture developmentcrop) 调查报告如今已有约93%以上的网络节点的LAN 都具有Ethernet 接口，以太网总线具有以下几个关键性技术特点：(1)通信的确定性：以太网采用多路存取载波侦听碰撞检测 (CSMA/CD )的介质访问控制方式使得网络传输延时和通信响应存在 “不确定性” ， 当网络负荷较高时，存在碰撞报文可能会丢失
9、， 无法保障节点与节点之间的通信。由此，在数据吞吐量相同的情况下，当以太网的通信速率达到1000M /10G ，同时，交换机引入网络拓扑结构使得网络负荷减轻、网络传输延时减小、 网络碰撞机率大大降低；并且全双工通信方式的采用可以使得端口间两对双绞线或两根光纤分别同时接收和发送报文帧也不会发生冲突。(2)传输通信协议：以太网指基于TCP/IP 协议的以太网，即Ethernet/IP，Ethernet/IP 就是标准以太网+TCP/UDP/IP+CIP 协议。(3)通信响应的实时性：实时性通常指通过响应时间和循环时间满足对象的要求，针对以太网，网络中任何节点在任何负载情况下都能在规定的时间内得到数
10、据传输的机会，任何节点都不能独占传输媒介。(4)网络可靠性：可采用冗余技术及其它技术提高网络的可靠性。(5)传输速率及抗干扰性：遵循 IEEE802.3u 的 100base-T 光纤传输介质，速度及抗干扰性大大提高，增强了网络的可靠性，具有较大的带宽，易于网络的扩展及速度的提升。3地铁车辆车载设备火灾状态智能识别网络系统方案设计为便于上海地铁列车新老列车的互换性和易扩展性，保证该网络系统应用于上海地铁列车与其它通信模块相互通信监测已存在模块的其它相关火灾参数实时状态，同时也为了实现对地铁车辆车载大功率设备温度状态火灾智能识别的分布式智能节点的远程实时监测，通过前面的分析与比较，CAN总线与E
11、thernet/IP 以太网突出的技术特点可充分应用于该网络建立起一个分布式智能网络系统，网络系统如图1 所示上层采用Ethernet/IP 以太网连接地铁新老列车车载各智能模块模块节点如：多功能车辆总线模块(MVB )、Profibus 模块、无线通讯模块(IEEE802.11 ) 及未来可扩展的其它模块、列车管理计算机系统(TMS )。列车管理计算机系统具有友好的人机界面， 车头 (A 车)和车尾 (A 车 )各一个列车管理计算机系统通过以太网冗余通道相互备份通讯，列车管理计算机系统采用 RS485 总线与键盘、 显示器通讯，便于列车驾驶员监测现场远程智能节点的数据状态及其它智能模块节点数
12、据状态，实现实时交互。底层采用CAN总线连接各车的大功率设备火灾状态智能识别模块(ARM7 单片机 )节点，现场设备通过感烟、 感温探测器等智能传感器将各大功率设备的温度状态及车厢烟雾传送到ARM7单片机智能模块节点，单片机通过内置的人工神经网络算法软件对各参数进行数据融合实现火灾状态智能识别。根据列车的编组方式，我们以6 节车厢编组(ABCCBA车 )大功率设备在地铁车辆的分布情况：A 车 (拖车 )蓄电池一组(80 节 )按车型不一， 有些是分两组放在车头车尾，有些是放在车头，辅助逆变器4 个；B 车 (动车 ) 辅助逆变器4名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - -
13、 - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 2 页，共 4 页 - - - - - - - - - 朱春鸯，郭其一：地铁车辆车载设备火灾状态识别报警网络系统2009,30(21)5027个，制动电阻1个，牵引电机4 个；C车(动车)辅助逆变器4个，制动电阻1 个，牵引电机4个。 图 1 中虚线框内是A 车 (车头 )分别是蓄电池和辅助逆变器ARM7 温度状态智能识别模块及车厢烟雾识别模块每一个ARM7 管理一个大功率设备，由于篇幅有限BCCBA车的大功率设备火灾状态识别各智能模块节点未画出，它们同样也具备相同的微控制器ARM7模块也挂在 CA
14、N 总线上， 各个车厢的ARM7数量依据各节车厢所车载的大功率设备及多点检测的智能传感器数量而定，理论上，CAN 总线最多能挂接110 个 MCU 节点。由此可见， CAN 总线及 Ethernet/IP 以太网， 单片机ARM7 保证了数据的实时性、可靠性及安全性，同时也便于系统扩展。4地铁车辆车载设备火灾状态智能识别网络系统工作流程及主要功能为确保该火灾报警网络系统在工程实际中可靠运行，该网络系统同时结合国家标准GB16806-1997 消防联动控制设备通用技术条件和 GB4717-93 火灾报警控制器通用技术条件，由此形成如图2 所示的网络系统工作流程简图，该网络工作流程简图所体现的主要
15、功能如下：(1)信号采集功能及信号状态的实时性：该网络系统是一个分布式智能网络体系，通过 ARM7 能够直接或者间接地实时采集远程现场大功率设备温度状态信息及相关火灾状态信息，CAN 总线、Ethernet/IP 以太网及ARM7 保证了数据的实时性。(2)火灾状态诊断与智能识别功能：人工神经网络诸多算法具有超强的非线性拟合能力推广能力自适应性等诸多的优点，ARM7 内置人工神经网络算法软件对分布式智能传感器信号进行数据融合，若信号处于预订的报警状态信息模式，则 ARM7立刻发出声、光报警， 并将相应智能传感器地址传送到TMS 。(3)车载诊断功能：当网络系统内部温度探测器、智能节点与传输火灾
16、报警信号的部件之间发生连接线断路、断路故障的时候， TMS 能够判断故障的方位并且在主界面进行显示。(4) 显示与记录功能：TMS 显示和记录火灾发生的时间、部件、信号类型、 信号内容等火警信息，本地硬盘之上。(5) 二次报警功能：当 ARM7 第一次发出报警信号之后，可手动消除声报警信号，如再有火灾报警信号输入时，TMS 应能重新启动声报警信号，并显示报警部位。当火灾和故障同时发生时， 火灾报警信号优于故障报警信号。(6)消音复位功能：网络系统处于火灾报警状态时，声报警信号能够手动消除，光报警信号手动不消除，火灾报警系统应该具有复位功能。(7)自检和远程复位：ARM7 具有自检功能，并且能够
17、通过TMS 发送远程复位信号给ARM7 ，用以将所有的智能节点信号进行远程复位。(8)控制、隔离和抗干扰功能：网络系统通过所连接的控制部件，能够间接地控制消防设备的启动、停止、运转；对于车辆上的较强干扰，网络系统具备一定的抗干扰能力，对智能传感器以及其它智能节点具有隔离和电气保护的功能。(9)现场编程功能：网络系统能够根据工程现场的实际情况，编制程序并进行现场调试，最大程度地符合可靠性、实时性、可行性以及准确性的要求。(10)通信冗余功能：网络系统具有通信冗余的功能，具体从硬件设计冗余与软件设计冗余两方面来实现，如：各 ARM7智能节点通过CAN 总线实现无主从对等式组网，便于信息的互享互显；
18、 两台 TMS (车头和车尾各一台)， 通过以太网冗余通道相互备份通讯；传感器的安装采用硬件冗余配置；软件冗余探测智能节点以及信息安全处理等方法。(11) 便于扩展：随着8 节车厢的编组或者以后更多的车厢，CAN 总线最长通信距离能达到10KM ， 理论上能挂接110个节点； 以太网通过联接器和交换机可以扩充网络。5结束语本论文针对CAN总线和以太网相结合方式构建地铁车辆车载设备火灾状态识别的分布式智能网络系统做出了一次有益的新的探索，既实现了对远程大功率设备温度火灾状态识别监测又保留了其它智能模块节点的相关火灾参数状态监测同时硬件冗余技术和软件冗余技术的应用保证了参数状态的实时性、 可靠性、
19、 安全性及智能网络系统的易于扩展性，为该网络系统平台仿真提供了现实基础，相信不久的将来国产的以 CAN 总线和 Ethernet/IP 以太网为基础的火灾状态智能识别报警网络系统必将产生。(下转第5030 页 )图 1车载设备火灾状态智能识别网络系统CAN 总线设备火灾状态识别ARM7 (蓄电池 )温度传感器N温度传感器2温度传感器1烟雾传感器N烟雾传感器2烟雾传感器1设备火灾状态识别ARM7 (辅助逆变器 )设备火灾状态识别ARM7 (车厢内 )A 车键盘显示器列车管理计算机系统(车头)TMS (车尾 A 车)列车管理计算机系统(车尾)TMS (车尾 A 车 )Ethernet/IPIEEE
20、802.11 接口(无线接口)MVB 接口Profibus 接口其它至 BC、CBA 车名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 3 页，共 4 页 - - - - - - - - - 50302009,30(21)计算机工程与设计ComputerEngineeringandDesign上述公式只是一种理想的情况，它要求码盘的n 个间隙均匀分布， 同时每个间隙对应的弧度角也要相同，但实际上自制的码盘很难满足这个条件。因此在程序中我们采用了求平均的方法。即连续读取p 个中断时间T
21、 内的脉冲数m，代入式 (5)进行计算， 即可得当前小车的行驶速度。Speed= (0.17*m )/(N*p*T )(5)这样就可以有效地避免由码盘间隙分布不均匀而产生的误差，但同时也增加了系统测速的滞后性。经过实际测试，这种滞后在车模调速过程中是可以忍受的，因此可忽略不计。2.2电压信号获取的软件部分将测速模块输出的电压信号OUT2 接入单片机的A/D 口(通道 0)， 在程序中读取A/D 转换结果即可得到速度对应的电压值。此部分源代码如下：void ini_AD(void ) /AD初始化ATD0CTL2=0 xC0;/AD 模块上电， 快速清零， 中断禁止ATD0CTL3=0 x20;
22、/ No FIFO, Freeze 模式下继续转换ATD0CTL4=0 x81;/8 位精度ATD0CTL5=0 xA0;/单通道采样，通道 0ATD0DIEN=0 x00;/禁止数字信号输入Get_speedv ()ini_AD ();while (ATD0CTL2_ASCIE= 1); /采用查询方式while (! ATD0STAT1_CCF0 );/ 等待通道0 转换结束speedv= ATD0DR0;/ 读通道0 的转换结果，获得电压的数字量3结束语本设计采用了555 构成的施密特触发器取代了传统的比较器电路来实现脉冲信号的获取，同时采用了LM2907 进行频率 -电压的转换，实现了
23、一个测速装置满足两种测速要求，即不仅可以测量出与速度相对应的脉冲信号，还可测量出与速度对应的电压信号，适合应用于各种模型车竞赛中的电机测速。制作后的测速模块实物安装图如图5 所示。文中所设计的测速装置主要有以下特点：本设计采用自制的带有均匀分布间隙的齿轮盘，测速准确， 不易出现信号的缺失，保证了测速的可靠性。利用传统的应用最广泛的555 施密特触发器来完成获取脉冲信号部分的设计，通用性好。应用频率-电压转换芯片LM2907 实现了频率-电压的转换，有利于软件的进一步优化。参考文献 :1卓青 ,黄开胜 ,邵贝贝 .学做智能车挑战“飞思卡尔”杯M .北京 :北京航空航天出版社,2007.2姜庆明
24、,杨旭 .一种基于光电编码器的高精度测速和测加速度方法 J.微计算机信息,2004,6-2:48-49.3孟立凡 ,蓝金辉 .传感器原理与应用M.北京 :电子工业出版社,2007.4康华光 .电子技术基础(数字部分 )M .4 版.北京 :高等教育出版社,2000.5LM2907/LM2917frequency to voltage converter (June 2000)R.National Semiconductor, 2000.6齐永利 ,鲁云峰 ,刘鸣 .LM2907 频率/电压转换器原理及应用J .国外电子元器件,2005(5):71-72.7全国高校小车大赛设计资料集锦. 东北大学极速蜗牛队技术报告 EB/OL .2008-11-17.http:/www.freescaleic.org/bbs/index_Article_22458.html.8邵贝贝 .单片机嵌入式应用的在线开发方法M .北京 :清华大学出版社 ,2004.名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 4 页，共 4 页 - - - - - - - - -