消防指示燈智能監控系統三端口網關設計

戴 鵬，杜少武，儲昭碧，張 毅

(合肥工業大學 電氣與自動化工程學院，安徽 合肥 230009)

隨著社會的發展，大量高密度的特大型建筑不斷涌現，導致火災逃生通道更為復雜，加大了火災發生時的逃生難度。對于消防疏散而言，怎樣在火災發生時使逃生更安全、更準確、更迅速，正是時代對建筑防災提出的新課題。目前消防應急標志燈大多作為單體存在，無法依據火災現場的變化，動態地調整逃生方向指示。此外，應急標志燈的日常維護和檢修也存在嚴重的滯后現象。應急標志燈最主要的作用是能在發生火災時應急啟動，而應急啟動的關鍵在于其電池充放電工作是否正常。依靠人力的維護和檢修，難以及時發現產品問題，在發生火災時往往會給逃生疏散指示帶來許多盲區。越來越高的公共安全要求使得消防應急標志燈從各自獨立工作發展為智能化消防應急燈監控系統。在火災來臨之時，該系統能迅速、準確地收集火警現場的信息，智能地選擇最佳的逃生路線，通過集中控制消防應急燈具，以光流、語音、頻閃形式，從聽覺、視覺等感觀上引導人們正確逃生。系統還可以不間斷地巡檢智能應急燈具運行狀態，及時發現燈具故障，提高整個系統的可靠性和應急安全性[1-2]。

圖1 具有雙環形總線的消防應急燈系統

圖1展示了采用雙環形總線拓撲結構的消防應急燈具智能監控系統，包括上位監控計算機、中繼網關和智能消防應急燈具三級，通過兩級RS-485環形總線進行相互通信。所有的控制命令都由監控計算機發出，通過第一級總線環路傳送到中繼網關，再由中繼網關通過第二級總線環路網絡傳遞至每個燈具，燈具執行命令后，依次通過第二級、第一級環路返回執行結果。在該系統中，監控計算機從火災報警系統(FANS)獲得火源信息，智能決策選擇最優逃生路線，通過總線網絡將指令信息傳遞至中繼網關，然后再由中繼網關發送至各燈具，指示安全可靠的逃生通道[3]。

總線型拓撲結構簡單，控制方便，易于擴展，所以目前大多數消防和門禁系統都是采用這種拓撲結構[4]。環形網絡還具有較好的可靠性，如果環形總線在某處斷開，則可分成兩個總線網絡，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，大大提高了網絡傳輸的可靠性。兩級環形總線結構的另一個優點是，多個環路可并行工作，均衡并減輕單一總線上的通信負載。

在應急狀態下，應急燈及其監控系統有集中供電和獨立供電兩種方式。在應急狀態下，集中供電系統的每個燈具以及所有中繼網關都從同一個專用的應急電源獲得工作電源，而獨立供電系統的工作電源由每個燈具或網關自帶的電池提供。因此，監控電池的儲能性能及保證電池的可用性都至關重要。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 三端口網關設計

1.1 總體結構

在圖1所示的應急燈智能監控系統中，中繼網關作為上下兩級環路之間的聯絡，是監控計算機與燈具之間交換數據的中轉站，其結構和功能設計是整個系統設計的重要內容。

圖2為獨立供電型中繼網關總體結構圖。在主電狀態下，通過市電獲得工作電源。在應急狀態下，由自帶電池提供工作電源。網關具有電源變換、電池充放電控制功能。在整個消防應急系統中，中繼網關可以通過平常的抽樣和制定燈具查詢該環路燈具狀態，與下位機節點通信時，將發送第一個節點ID而功能碼以及它們的數據項還有校驗碼所形成的數據幀，通過RS-485總線發送到第一個節點上，之后變為接收狀態，接收第一個節點發送過來的數據幀并進行解析。當解析出下位機節點發送故障報警時，將報警信息顯示在液晶顯示屏上，并啟動聲光報警。由于監控主機程序中設有定時器，因此，如果節點未能在一定的時間發送回數據幀，則提示異常，提醒相關人員進行檢查。如果未出現報警信息，則再輪詢下一個節點。

圖2 獨立供電型中繼網關結構圖

系統使用主從通信協議，兩級環形網絡都采用RS-485總線。在系統網絡拓撲中，中繼網關作為第一級環路總線網絡的從站，同時又是第二級環路的主站。中繼網關需要3個串口，1個負責接收監控計算機命令以及把燈具和網關本身的信息整理后回饋，另外兩個串口正好形成環路主站，1個負責發送，1個負責接收，如果出現環路斷線，則兩個都可以作為發送。

本設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的內部RAM，以及擴展的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據的存儲[5]。把STC12單片機自帶的兩個串口設計成1#和2#RS-485接口，作為第二級環路的主站，還需要擴展另一個串口構成0#RS-485接口，作為第一級環路的從站。

1.2 串口擴展

串口擴展的方式有：(1)硬件的擴展方式。使用市面上對串口進行擴展的芯片(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。可根據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，以達到擴展串口的目的。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行處理。接收和發送過程中，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用中，并不適合中繼網關這類功能復雜的設備。

綜合考慮成本和性能等因素，本設計使用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)來擴展串口，其原理如圖3所示。其中TX、RX分別是串口的數據發送信號和數據接收引腳。RE用于控制MAX485的接收或發送狀態。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 用SPI擴展串口的電路構造

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作為字節數據傳輸的中轉站，不進行信息幀的校驗、存儲和轉換。監控計算機發出指令經STC11的串口接收，通過SPI發送至STC12進行處理。STC11再通過SPI接收返回信息，然后通過串口發送至監控計算機。設計中，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數據。

圖4為單片機采用查詢方式的程序流程圖。RI、TI分別是串口接收標志和發送標志。TX_FLG=0表示STC11處于接收狀態，TX_FLG=1表示發送狀態。子程序SPI_BYTE實現模擬SPI主站功能。

1.3 環形總線主站軟件結構

在第二級環路通信中，中繼網關作為環路主站，由STC12單片機的串口1和串口2構成的兩個RS-485端口實現。3個通信端口分別設有獨立的接收 (RX)緩沖區、發送(TX)緩沖區以及專用標志寄存器。

實現環路通信主站的軟件結構如圖5所示。正常工作時，兩個串口一個作為發送方，另一個作接收方。比較接收方的接收數據與發送方的發送數據，若相等則環路總線是通的；否則，總線出現斷路故障，用標志位LP_BRK=1表示。

在環路總線完好的情況下，在線的燈具總是既連接在串口1上，也連接在串口2上。在環路斷線狀態下，對每個燈具，從串口2(或串口 1)發送命令，若接收到正確應答數據，則記錄該燈具連接在該端口上，用標志位ON_COM2=1(或 ON_COM1=1)表示；若應答信息超時或返回信息不正確，則重發相同命令數據至多3次，仍然收不到正確應答信號，則判斷該燈具沒有連接在該發送端口上，用 ON_COM2=0(或 ON_COM1=0)表示。 這樣，根據每個燈具所連接串口的不同，可以判斷環路斷線所在位置。

圖4 擴展串口的STC11單片機流程圖

圖5 環形總線主站通信流程圖

當環路斷開時，兩個串口都作為命令發送方，整個環路分為兩個單總線結構，提高了網絡傳輸可靠性。

基于兩級RS485總線環形通信網路的應急燈智能監控系統，設計了三端口通信網關，實現了監控計算機與大量智能應急燈之間命令和狀態信息交換，監控計算機管理整個系統，網關負責傳遞發送至智能應急燈的信息，同時也將從燈具接收到的信息反饋至監控計算機。此外也可不通過監控計算機直接控制該環路中的智能應急標志燈。經調試，所預設功能完全實現。

[1]陳映雄.消防應急燈具的技術發展趨勢 [C].中國科協2005年學術年會第 24分會場論文集，2005：533-536.

[2]孫濤.開放式消防系統實現關鍵技術分析[J].科學技術，2009，(36)：156-157.

[3]趙婉芳，于京，田偉.基于Linux系統的VoIP語音接入網關設計與實現[J].電子技術應用，2008，34(11)：91-94.

[4]莊克玉，胡繼珍，張超.低壓電力無線集中抄表系統數據 采 集 終 端 設 計[J].微 型 機 與 應 用 ，2009，28(9)：108-110.

[5]STC12C5A60S2系列單片機器件手冊[Z].2009.

[6]鮑夢，劉智萍.51系列單片機的串口擴展方案[J].軟件導刊，2008(5)：135-136.