消防指示燈智能監(jiān)控系統(tǒng)三端口網(wǎng)關(guān)設(shè)計

　　隨著社會的發(fā)展， 大量高密度的特大型建筑不斷涌現(xiàn)， 導(dǎo)致火災(zāi)逃生通道更為復(fù)雜， 加大了火災(zāi)發(fā)生時的逃生難度。對于消防疏散而言， 怎樣在火災(zāi)發(fā)生時使逃生更安全、更準(zhǔn)確、更迅速， 正是時代對建筑防災(zāi)提出的新課題。目前消防應(yīng)急標(biāo)志燈大多作為單體存在， 無法依據(jù)火災(zāi)現(xiàn)場的變化， 動態(tài)地調(diào)整逃生方向指示。此外，應(yīng)急標(biāo)志燈的日常維護(hù)和檢修也存在嚴(yán)重的滯后現(xiàn)象。

　　應(yīng)急標(biāo)志燈最主要的作用是能在發(fā)生火災(zāi)時應(yīng)急啟動，而應(yīng)急啟動的關(guān)鍵在于其電池充放電工作是否正常。依靠人力的維護(hù)和檢修， 難以及時發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品問題， 在發(fā)生火災(zāi)時往往會給逃生疏散指示帶來許多盲區(qū)。越來越高的公共安全要求使得消防應(yīng)急標(biāo)志燈從各自獨立工作發(fā)展為智能化消防應(yīng)急燈監(jiān)控系統(tǒng)。在火災(zāi)來臨之時，該系統(tǒng)能迅速、準(zhǔn)確地收集火警現(xiàn)場的信息， 智能地選擇最佳的逃生路線， 通過集中控制消防應(yīng)急燈具， 以光流、語音、頻閃形式， 從聽覺、視覺等感觀上引導(dǎo)人們正確逃生。系統(tǒng)還可以不間斷地巡檢智能應(yīng)急燈具運行狀態(tài)， 及時發(fā)現(xiàn)燈具故障， 提高整個系統(tǒng)的可靠性和應(yīng)急安全性。

　　圖1 展示了采用雙環(huán)形總線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的消防應(yīng)急燈具智能監(jiān)控系統(tǒng)， 包括上位監(jiān)控計算機、中繼網(wǎng)關(guān)和智能消防應(yīng)急燈具三級， 通過兩級RS-485 環(huán)形總線進(jìn)行相互通信。所有的控制命令都由監(jiān)控計算機發(fā)出， 通過第一級總線環(huán)路傳送到中繼網(wǎng)關(guān)， 再由中繼網(wǎng)關(guān)通過第二級總線環(huán)路網(wǎng)絡(luò)傳遞至每個燈具， 燈具執(zhí)行命令后， 依次通過第二級、第一級環(huán)路返回執(zhí)行結(jié)果。在該系統(tǒng)中， 監(jiān)控計算機從火災(zāi)報警系統(tǒng)(FANS) 獲得火源信息， 智能決策選擇最優(yōu)逃生路線， 通過總線網(wǎng)絡(luò)將指令信息傳遞至中繼網(wǎng)關(guān)， 然后再由中繼網(wǎng)關(guān)發(fā)送至各燈具， 指示安全可靠的逃生通道。

圖1 具有雙環(huán)形總線的消防應(yīng)急燈系統(tǒng)。

　　總線型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)簡單， 控制方便， 易于擴(kuò)展， 所以目前大多數(shù)消防和門禁系統(tǒng)都是采用這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。環(huán)形網(wǎng)絡(luò)還具有較好的可靠性， 如果環(huán)形總線在某處斷開， 則可分成兩個總線網(wǎng)絡(luò)， 分別連接到主站的兩個接口上， 仍然能夠保證主站與從站之間的信息交換， 大大提高了網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)目煽啃?。兩級環(huán)形總線結(jié)構(gòu)的另一個優(yōu)點是， 多個環(huán)路可并行工作， 均衡并減輕單一總線上的通信負(fù)載。

　　在應(yīng)急狀態(tài)下， 應(yīng)急燈及其監(jiān)控系統(tǒng)有集中供電和獨立供電兩種方式。在應(yīng)急狀態(tài)下， 集中供電系統(tǒng)的每個燈具以及所有中繼網(wǎng)關(guān)都從同一個專用的應(yīng)急電源獲得工作電源， 而獨立供電系統(tǒng)的工作電源由每個燈具或網(wǎng)關(guān)自帶的電池提供。因此， 監(jiān)控電池的儲能性能及保證電池的可用性都至關(guān)重要。通過控制命令可以隨時檢測電池電壓， 也可每月每年定期檢查。

1 三端口網(wǎng)關(guān)設(shè)計

　　1.1 總體結(jié)構(gòu)

　　在圖1 所示的應(yīng)急燈智能監(jiān)控系統(tǒng)中， 中繼網(wǎng)關(guān)作為上下兩級環(huán)路之間的聯(lián)絡(luò)， 是監(jiān)控計算機與燈具之間交換數(shù)據(jù)的中轉(zhuǎn)站， 其結(jié)構(gòu)和功能設(shè)計是整個系統(tǒng)設(shè)計的重要內(nèi)容。

　　圖2 為獨立供電型中繼網(wǎng)關(guān)總體結(jié)構(gòu)圖。在主電狀態(tài)下， 通過市電獲得工作電源。在應(yīng)急狀態(tài)下， 由自帶電池提供工作電源。網(wǎng)關(guān)具有電源變換、電池充放電控制功能。在整個消防應(yīng)急系統(tǒng)中， 中繼網(wǎng)關(guān)可以通過平常的抽樣和制定燈具查詢該環(huán)路燈具狀態(tài)， 與下位機節(jié)點通信時， 將發(fā)送第一個節(jié)點ID 而功能碼以及它們的數(shù)據(jù)項還有校驗碼所形成的數(shù)據(jù)幀， 通過RS-485 總線發(fā)送到第一個節(jié)點上， 之后變?yōu)榻邮諣顟B(tài)， 接收第一個節(jié)點發(fā)送過來的數(shù)據(jù)幀并進(jìn)行解析。當(dāng)解析出下位機節(jié)點發(fā)送故障報警時， 將報警信息顯示在液晶顯示屏上， 并啟動聲光報警。由于監(jiān)控主機程序中設(shè)有定時器， 因此，如果節(jié)點未能在一定的時間發(fā)送回數(shù)據(jù)幀， 則提示異常， 提醒相關(guān)人員進(jìn)行檢查。如果未出現(xiàn)報警信息， 則再輪詢下一個節(jié)點。

圖2 獨立供電型中繼網(wǎng)關(guān)結(jié)構(gòu)圖。

　　系統(tǒng)使用主從通信協(xié)議， 兩級環(huán)形網(wǎng)絡(luò)都采用RS-485 總線。在系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲校?中繼網(wǎng)關(guān)作為第一級環(huán)路總線網(wǎng)絡(luò)的從站， 同時又是第二級環(huán)路的主站。中繼網(wǎng)關(guān)需要3 個串口，1 個負(fù)責(zé)接收監(jiān)控計算機命令以及把燈具和網(wǎng)關(guān)本身的信息整理后回饋， 另外兩個串口正好形成環(huán)路主站，1 個負(fù)責(zé)發(fā)送，1 個負(fù)責(zé)接收， 如果出現(xiàn)環(huán)路斷線， 則兩個都可以作為發(fā)送。

　　本設(shè)計中選擇具有兩個串口的單片機STC12C5A32S2( 以下簡稱STC12) 作為主要控制芯片， 它具有2 個異步串行接口(UART)，1 個同步串行口(SPI)， 以及和普通單片機相同的256 B 的內(nèi)部RAM， 以及擴(kuò)展的1 024 B 的外部RAM， 還有28 KB 的EEPROM。較大的存儲空間方便燈具的連接以及大量數(shù)據(jù)的存儲[ 5]。把STC12 單片機自帶的兩個串口設(shè)計成1# 和2# RS-485 接口， 作為第二級環(huán)路的主站， 還需要擴(kuò)展另一個串口構(gòu)成0# RS-485 接口， 作為第一級環(huán)路的從站。

　　1.2 串口擴(kuò)展

　　串口擴(kuò)展的方式有：(1)硬件的擴(kuò)展方式。使用市面上對串口進(jìn)行擴(kuò)展的芯片( 有SP2338DP，GM8123 系列)。

　　在這里對于幀的格式是不可編程的[ 6]。(2)軟件模擬法?？筛鶕?jù)串行通信的傳送格式， 利用定時器和主機的I/O 口來模擬串行通信的時序， 以達(dá)到擴(kuò)展串口的目的。接收過程中需要檢測起始位， 這可以使用查詢方式或中斷方式進(jìn)行處理。接收和發(fā)送過程中， 對定時的處理既可以使用查詢方式也可以使用定時器中斷方式。而這種方法需要占用大量的CPU 時間， 只能用于功能簡單的應(yīng)用中， 并不適合中繼網(wǎng)關(guān)這類功能復(fù)雜的設(shè)備。

　　綜合考慮成本和性能等因素， 本設(shè)計使用STC12 單片機的同步串行口(SPI) 和另一個帶有串口的單片機STC11F04E( 以下簡稱為STC11) 來擴(kuò)展串口， 其原理如圖3 所示。其中TX、RX 分別是串口的數(shù)據(jù)發(fā)送信號和數(shù)據(jù)接收引腳。RE 用于控制MAX485 的接收或發(fā)送狀態(tài)。

　　圖中下部分給出了光電隔離型RS-485 接口原理。3 個RS-485 接口使用相同的原理， 但3 個接口中MAX485芯片的工作電源是各自獨立的。

　　圖3 中，SCK、MISO、MOSI 分別是SPI 接口的時鐘信號、主站輸入信號、主站輸出信號。定義STC12 的SPI 接口工作在從站方式，STC11 作為SPI 主站。由于STC11 單片機沒有SPI 功能， 必須用軟件模擬SPI 主站功能， 這里僅將STC11 作為字節(jié)數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹修D(zhuǎn)站， 不進(jìn)行信息幀的校驗、存儲和轉(zhuǎn)換。監(jiān)控計算機發(fā)出指令經(jīng)STC11 的串口接收， 通過SPI 發(fā)送至STC12 進(jìn)行處理。STC11 再通過SPI 接收返回信息， 然后通過串口發(fā)送至監(jiān)控計算機。設(shè)計中，STC12 通過在SPI_TX 引腳的輸出下降沿，告知STC11 啟動模擬SPI 主站功能， 從STC12 的SPI 接口寄存器中讀取一個字節(jié)數(shù)據(jù)。

圖3 用SPI 擴(kuò)展串口的電路構(gòu)造。