基于CANOPEN的智能消防水炮系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1. 引言
在社會經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展的今天，高大空間建筑越來越多，如展覽中心、影劇院、體育場館、倉庫等。大空間建筑由于其本身結(jié)構(gòu)特殊、設(shè)施復(fù)雜，火災(zāi)隱患較多，而且發(fā)生火災(zāi)后不易及時(shí)發(fā)現(xiàn)和有效撲救，往往會造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡?？紤]到其它滅火劑的性能和用量的要求，水滅火仍然是大空間建筑最好的滅火方式[1]。因此，對于大空間建筑來說，采用具有火災(zāi)自動(dòng)探測功能的智能消防水炮系統(tǒng)是一個(gè)較好的方案。
智能消防水炮系統(tǒng)的工作原理是通過前端探測系統(tǒng)采集現(xiàn)場紅外圖像，中央控制器采用圖像處理的手段對發(fā)生在控制區(qū)域內(nèi)的火災(zāi)進(jìn)行偵測和定位，打開相應(yīng)的聯(lián)動(dòng)設(shè)備并控制水炮進(jìn)入噴水滅火操作[2]。系統(tǒng)各部分分布于控制現(xiàn)場不同的位置，因此，各個(gè)部分之間的通信是保證整個(gè)系統(tǒng)能夠正常工作的前提。
CAN總線作為一種技術(shù)先進(jìn)、可靠性高、成本低且功能完善的通訊控制方式，已被汽車電子、自動(dòng)控制、智能樓宇等各個(gè)領(lǐng)域廣泛采用。但是CAN-Bus只規(guī)定了物理層和數(shù)據(jù)鏈路層，其本身并不是一個(gè)完整的協(xié)議，要進(jìn)行高效率的通信，必須有高層協(xié)議的支持。CANOPEN是由從事工業(yè)控制的CIA（CAN in Automation）會員開發(fā)一種開放的、標(biāo)準(zhǔn)化的高層CAN協(xié)議。在近年來獲得了迅猛的發(fā)展，尤其是在歐洲，CANOPEN協(xié)議在基于CAN的工業(yè)系統(tǒng)中占領(lǐng)導(dǎo)地位[3]。依靠CANOPEN協(xié)議的支持，可以使不同廠商的設(shè)備通過總線進(jìn)行配置，從而大大增強(qiáng)了CAN網(wǎng)絡(luò)的通用性。
將CANOPEN協(xié)議應(yīng)用于智能消防炮系統(tǒng)中，不僅可以解決系統(tǒng)中各個(gè)部分之間的互聯(lián)問題，同時(shí)還可以提高整個(gè)系統(tǒng)通信的可靠性、實(shí)時(shí)性。此外，由于采用了CANOPEN協(xié)議，提高了整個(gè)系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)化開放化程度，因此，對整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行擴(kuò)充就更加方便。
2. CANOPEN協(xié)議的剖析
CANOPEN假定CAN網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)硬件有ISO11898規(guī)定的一個(gè)CAN控制器和一個(gè)CAN收發(fā)器。該協(xié)議描述了標(biāo)準(zhǔn)的通訊機(jī)制、網(wǎng)絡(luò)管理及相關(guān)參數(shù)的設(shè)定等內(nèi)容。
2.1CANOPEN的核心——對象字典
在CANOPEN中，引入了對象字典的概念。CANOPEN網(wǎng)絡(luò)中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)都有一個(gè)對象字典，而且每個(gè)設(shè)備的對象字典具有相同的結(jié)構(gòu)。對象字典描述了該設(shè)備和它的網(wǎng)絡(luò)行為的所有參數(shù)。它是一個(gè)有序的對象組，對象字典中的每個(gè)對象可以通過一個(gè)16位的主索引和一個(gè)8位的子索引來定位。
    網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的對象字典保存在電子數(shù)據(jù)單或者設(shè)備配置文件中，CAN總線不需要對每個(gè)節(jié)點(diǎn)的對象字典的全部功能都進(jìn)行檢測，節(jié)點(diǎn)只需要能夠提供對象字典中必需的對象，以及其它可選擇的、構(gòu)成節(jié)點(diǎn)部分可配置功能的對象[4]。
2.2  CANOPEN的通訊模式
CANOPEN協(xié)議中對總線上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進(jìn)行了分類，即每一個(gè)傳輸數(shù)據(jù)都是某一特定類的對象，從而實(shí)現(xiàn)了面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計(jì)。在CANOPEN中定義了四類對象，分別是管理對象（NMT），服務(wù)數(shù)據(jù)對象（SDO），過程數(shù)據(jù)對象（PDO）和特殊功能對象。
2.2.1 管理對象（NMT）
    CANOPEN是基于主從式通訊模式的，所有從節(jié)點(diǎn)的工作都由網(wǎng)絡(luò)主節(jié)點(diǎn)來協(xié)調(diào)，管理對象用于網(wǎng)絡(luò)主節(jié)點(diǎn)對從節(jié)點(diǎn)監(jiān)控和管理，完成諸如節(jié)點(diǎn)的初始化、節(jié)點(diǎn)參數(shù)配置、節(jié)點(diǎn)出錯(cuò)保護(hù)等相關(guān)工作。
2.2.2 服務(wù)數(shù)據(jù)對象（SDO）
    服務(wù)數(shù)據(jù)對象用來建立兩個(gè)CANOPEN設(shè)備之間基于客戶/服務(wù)器機(jī)理的點(diǎn)對點(diǎn)通訊。通過服務(wù)數(shù)據(jù)對象，客戶方可以訪問服務(wù)器方的對象字典。一個(gè)服務(wù)數(shù)據(jù)對象用兩個(gè)帶有不同標(biāo)識符的CAN數(shù)據(jù)幀。服務(wù)數(shù)據(jù)對象允許傳輸任意大小的數(shù)據(jù)，有兩種傳送機(jī)制，加速傳送機(jī)制用來一次傳送小于等于四個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)，分段傳送機(jī)制用來傳送大于四個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)。
2.2.3 過程數(shù)據(jù)對象（PDO）
過程數(shù)據(jù)對象用來傳遞實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，它是CANOPEN最基本的數(shù)據(jù)傳送方式，數(shù)據(jù)傳送限制在1到8個(gè)字節(jié)。數(shù)據(jù)由一個(gè)生產(chǎn)者發(fā)出，可以有一個(gè)或者多個(gè)消費(fèi)者。 PDO的通訊有兩種，讀PDO和寫PDO，寫PDO被映射到一個(gè)CAN數(shù)據(jù)幀，讀PDO被映射到一個(gè)CAN遠(yuǎn)程幀，這個(gè)遠(yuǎn)程幀被數(shù)據(jù)幀所響應(yīng)。觸發(fā)PDO傳輸?shù)姆绞接腥N：事件或定時(shí)器觸發(fā)模式；遠(yuǎn)程請求觸發(fā)模式；同步觸發(fā)模式。在節(jié)點(diǎn)的對象字典中，對每個(gè)PDO都有明確的描述，這樣，發(fā)送方和接收方都可以解釋PDO的具體內(nèi)容。PDO的標(biāo)識符具有高優(yōu)先級以確保良好的實(shí)時(shí)性。
2.2.4 特殊功能對象
CANopen提供了三個(gè)特殊功能對象，同步對象（Synchronization Object）時(shí)間戳對象（Time-Stamp）和緊急事件對象（Emergency）[5]。同步對象由同步發(fā)器定時(shí)廣播，用于PDO的同步通訊。 時(shí)間戳對象為應(yīng)用設(shè)備提供一個(gè)微秒極的時(shí)鐘，使那些對時(shí)間要求十分苛刻的設(shè)備能夠精確同步。 緊急事件對象由設(shè)備內(nèi)部出現(xiàn)致命的錯(cuò)誤所觸發(fā)，由發(fā)生錯(cuò)誤的設(shè)備以最高的優(yōu)先級發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)中的其它的設(shè)備，以通知其它設(shè)備不要再試圖和該設(shè)備通訊。
2.3  CANOPEN的設(shè)備模型
     CANOPEN的設(shè)備模型可以分為三個(gè)部分：通訊接口及協(xié)議軟件、對象字典、過程接口和應(yīng)用程序。其中，通訊接口和協(xié)議軟件提供通設(shè)備和總線之間的連接服務(wù)，對象字典描述了所有的數(shù)據(jù)類型、通訊對象和設(shè)備用到的應(yīng)用對象，它提供了和應(yīng)用軟件的接口，過程接口和應(yīng)用程序提供了設(shè)備內(nèi)部的控制機(jī)制。它們之間的關(guān)系如圖1所示。

3. 智能消防水炮系統(tǒng)通訊模型的實(shí)現(xiàn)
3.1 智能消防水炮節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)
整個(gè)消防水炮系統(tǒng)包含了十四個(gè)節(jié)點(diǎn)，它們構(gòu)成一個(gè)CAN網(wǎng)絡(luò)。工業(yè)控制計(jì)算機(jī)為網(wǎng)絡(luò)主節(jié)點(diǎn)。由它來協(xié)調(diào)系統(tǒng)中各個(gè)分節(jié)點(diǎn)的動(dòng)作。工控機(jī)通過一塊CAN通訊卡掛接在CAN網(wǎng)絡(luò)上。系統(tǒng)中一共包含了十二個(gè)消防炮分節(jié)點(diǎn)。在各個(gè)分節(jié)點(diǎn)中，包含一臺紅外CCD攝像機(jī)、一門消防水炮、兩臺步進(jìn)電機(jī)和一臺直流電機(jī)。各個(gè)分節(jié)點(diǎn)中節(jié)點(diǎn)控制模塊的硬件系統(tǒng)如圖2所示。

CAN控制器采用了PHILIPS公司生產(chǎn)的應(yīng)用于汽車和一般工業(yè)環(huán)境的獨(dú)立CAN總線控制器，它支持基本型CAN模式和增強(qiáng)型CAN模式。它具有完成高性能CAN通信協(xié)議所要求的全部必要特性。CAN總線驅(qū)動(dòng)器80C250是CAN控制器和物理總線之間的接口，可以提供對總線的差動(dòng)發(fā)送和接收功能。而且，CAN控制器SJA1000和CAN總線驅(qū)動(dòng)器80C250之間是通過高速光耦TL113相連，這樣就很好的實(shí)現(xiàn)了總線上各個(gè)CAN節(jié)點(diǎn)間的電氣隔離。不過，光耦部分電路所采用的兩個(gè)電源必須也完全隔離，否則就失去了采用光耦的意義。
3.2 節(jié)點(diǎn)對象字典的建立
網(wǎng)絡(luò)中的每個(gè)設(shè)備都需要有一個(gè)對象字典。在本系統(tǒng)中，有一個(gè)主節(jié)點(diǎn)和十三個(gè)從節(jié)點(diǎn)。在各個(gè)節(jié)點(diǎn)中都采用預(yù)定義連接集中規(guī)定的十一位ID。它由四位功能碼和七位節(jié)點(diǎn)ID組成。考慮到系統(tǒng)今后的可擴(kuò)展性，設(shè)定十三個(gè)子節(jié)點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)號為8-20.下面以主節(jié)點(diǎn)為例介紹對象字典的創(chuàng)建。
從節(jié)點(diǎn)需要能夠訪問主節(jié)點(diǎn)的對象字典，因此，主節(jié)點(diǎn)需要一個(gè)SDO。主節(jié)點(diǎn)需要向十三個(gè)從節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)，因此需要十三個(gè)Tx—PDO和十三個(gè)Rx—PDO。每個(gè)PDO又由PDO通訊參數(shù)（PDO Parameter）和PDO映射參數(shù)（PDO Mapping）兩部分組成。如下表所示：

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另外，主節(jié)點(diǎn)需要對網(wǎng)絡(luò)中的從節(jié)點(diǎn)進(jìn)行管理，因此需要有管理對象（NMT）。系統(tǒng)還有緊急的信息需要發(fā)送，因此需要有一個(gè)緊急事件對象（Emergency Object）。
一個(gè)節(jié)點(diǎn)的對象字典是在電子數(shù)據(jù)文檔（EDS：Electronic data sheet)中描述的。節(jié)點(diǎn)本身只需要能夠提供對象字典中必需的對象以及其它可選擇、構(gòu)成節(jié)點(diǎn)部分可配置功能的對象。
3.3 節(jié)點(diǎn)軟件實(shí)現(xiàn)
    節(jié)點(diǎn)的軟件從內(nèi)容上可以分為一個(gè)組成部分：基本功能部分，包括節(jié)點(diǎn)的通訊初始化和硬件設(shè)備的初始化，定義和訪問對象字典，進(jìn)行PDO通訊和SDO通訊；錯(cuò)誤處理和節(jié)點(diǎn)的管理部分，當(dāng)節(jié)點(diǎn)發(fā)生錯(cuò)誤或者節(jié)點(diǎn)狀態(tài)發(fā)生改變時(shí)進(jìn)行相應(yīng)的操作；擴(kuò)展功能部分，用于在系統(tǒng)的硬件發(fā)生變化時(shí)對節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)和相關(guān)參數(shù)進(jìn)行再設(shè)置。
3.4 網(wǎng)絡(luò)初始化流程
CANopen網(wǎng)絡(luò)的初始化流程如圖3所示：

在智能消防炮網(wǎng)絡(luò)中，每個(gè)節(jié)點(diǎn)在上電和內(nèi)部初始化后自動(dòng)進(jìn)入預(yù)操作狀態(tài)（Pre—operational state）。處于該狀態(tài)中的從節(jié)點(diǎn)可以通過SDO被配置參數(shù)，但不允許進(jìn)行PDO通訊。工控機(jī)主節(jié)點(diǎn)可以通過NMT使各個(gè)從節(jié)點(diǎn)進(jìn)入操作狀態(tài)（Operational state）。在操作狀態(tài)中，允許PDO通訊。主節(jié)點(diǎn)還可以使從節(jié)點(diǎn)進(jìn)入停止?fàn)顟B(tài)（Stopped State）。在停止?fàn)顟B(tài)中，既不允許PDO通訊也不允許SDO通訊，節(jié)點(diǎn)可以專業(yè)做自己的事情?？梢詮耐Ｖ?fàn)顟B(tài)回到預(yù)操作狀態(tài)或者操作狀態(tài)。
4. 結(jié)束語
智能消防水炮系統(tǒng)作為大空間建筑的重要消防設(shè)施，近年來越來越受到人們的重視。而CAN總線在各個(gè)領(lǐng)域都有很好的應(yīng)用前景，CANopen是一種公開的協(xié)議。將CANopen應(yīng)用層協(xié)議應(yīng)用于消防水炮系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，不僅可以提系統(tǒng)通訊的效率和通訊的可靠性，而且能夠據(jù)推動(dòng)智能消防水炮系統(tǒng)以CANopen協(xié)議為平臺標(biāo)準(zhǔn)化。
本文作者創(chuàng)新點(diǎn)：首次將CAN總線和CANopen協(xié)議應(yīng)用于智能消防水炮系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。