公交車發動機艙室內自燃火災檢測預警系統設計*

董紅召，張 飛，季行健

（浙江工業大學機械工程學院，浙江杭州310014）

0 引言

隨著城市公交車保有量和城市高溫天氣增多以及公交車電氣、電路的復雜化［1］、集成化不斷加強，公交車在運行時發生自燃的數量和機率也不斷攀升。例如：成都、北京、杭州等地多次發生公交車自燃事件。公交車自燃嚴重威脅了城市公共交通安全，造成了巨大的經濟損失和人員傷亡［2］。為了解決這一難題，研發公交車自燃火災檢測預警系統，及早發現自燃火災隱患是有效預防公交車自燃火災、降低乘客生命財產損失的有效途徑。

傳統的公交車防火避災措施主要有以下3 種：①配備安全錘，滅火器；②在發動機艙室內安裝滅火彈；③檢測冷卻液溫度。目前，該3 種方法在客車上基本上得到了普及，在一定程度上解決了公交車自燃火災的問題，降低了公交車自燃帶來的威脅和損失。但是，它們各自也有很多不足之處：安全錘、滅火器［3］屬于被動安全防范設施，在自燃火災初期不能主動發現危險；通過在發動機艙室內安裝滅火彈雖能對初期的火災信號做出反映，起到阻燃滅火的作用，但是該方式只對高溫導致的自燃起作用，不能對低燃點可燃氣體和閃點引起的爆燃以及遠離滅火彈引爆索的自燃及時做出反應，檢測冷卻液溫度［4］，只能避免發動機高溫工作，排除一部分自燃危險。

本研究在以上3種公交車防火避災的基礎上結合現有的公交車自燃火災技術和CAN 總線信息通訊技術，設計基于CAN總線通訊的兩級公交車車載自燃檢測預警系統，以彌補傳統方式的不足，提升防火避災措施的時效性。

1 基于車載傳感網絡的檢測預警系統

該自燃火災檢測預警系統主要應用于公交車發動機艙室內及車上主要電路故障引發的公交車自燃火災危險檢測和預警。該系統采用基于事件觸發通信模式的主從式CAN總線通訊結構［5］。首先，從節點負責接收傳感器采集的信號并對其進行一級閾值比較運算。然后，從節點把采集到的數據和運算結果以CAN 總線的協議格式實時地上傳給車載自燃火災診斷傳感網絡的主節點。主節點對所有數據進行二級融合計算，并把傳感數據和兩級運算的結果通過CAN/無線兩種方式傳輸給上位機。

2 系統硬件設計

2.1 傳感器的選擇及檢測區域

獲取公交車運行車況實時信息是研究公交車自燃火災判別模型的基礎工作。根據公交車運行機理，本研究把公交車正常運行的工作系統分為4類：冷卻液循環系統、供油系統、進氣系統、排氣系統，結合公交車自燃火災的歷史事故數據確定了傳感器的類型和安裝位置，具體說明如表1所示。

表1中的傳感器均集成了電路調理模塊和數字處理模塊，可直接與CAN總線從節點I/O口連接。

表1 傳感器的選擇和安裝位置說明

2.2 從節點硬件設計

CAN總線作為一種可靠的汽車計算器網絡總線，在汽車上得到了廣泛的應用，從而使得汽車計算機控制單元能夠通過CAN總線共享所有的信息資源［6］。從節點主要負責接收傳感器采集的信息，并以CAN總線協議格式發送到主節點，其結構框圖如圖1所示。

圖1 從節點結構框圖

CAN 總線從節點是智能節點［7］，本研究采用STC89C52RC 作為微控制器，SJA1000 和82C250 分別作為CAN通訊的控制器和驅動器，其芯片管腳連線圖如圖2所示。

圖2 中，SJA1000 的AD0-AD7 接口與微控制器的P00-P07 相連，SJA1000 作為微控制器片外存儲器映射的I/O口控制器。因此，微控制器可以把SJA1000作為擴展片外寄存器訪問，并把其寄存器中的數據轉化成CAN 總線協議傳給82C250。SJA1000 的9 管腳（INT1）輸出的信號作為微控制器外部中斷0 的中斷源，促使微控制器通過中斷的方式響應CAN 通訊事件。SJA1000 的TX0 腳和RX0 腳分別與82C250 的TXD腳和RXD腳相連，實現數據在SJA1000與物理總線之間的交互。

2.3 主節點硬件設計

主節點是該系統的核心處理器［8-9］，主要負責接收從節點發送的數據，并對其進行二級運算，同時還具有把運算的結果通過NRF24L01或CAN實時傳送給路邊基或上位機等功能，其結構框圖如圖3所示。

圖2 CAN節點芯片管腳連接圖

圖3 主節點結構框圖

因此，主節點在從節點設計的基礎上增加了NPF24L01 無線射頻模塊［10］和LCD1602 液晶顯示模塊。其無線模塊與STC89C52RC 的接線原理圖如圖4所示。

3 系統軟件設計

系統的軟件設計主要包括：CAN總線主從節點的通信程序，從節點的信息采集、自燃火災判別、數據轉發程序，主節點的自燃判別計算、預警顯示和無線通訊程序。其主、從節點程序流程圖如圖5所示。

在主、從節點的CAN協議通訊中，SJA1000集成了CAN 通信的物理層和數據鏈路層協議［11］，其中SJA1000 的工作模式均采用PeliCAN 模式。因此，程序在初始化中對SJA1000 的時鐘分頻寄存器、中斷使能寄存器、驗收代碼寄存器、接收屏蔽寄存器、總線定時器、輸出控制寄存器等進行配置。

系統的一級自燃火災判別主要選擇了階躍性火災信號進行識別計算（如煙霧、火焰、溫度、電流大小等）。本研究分別對每個傳感器信號的閾值進行設定，一旦傳感器檢測到的信號超出了閾值，系統就會發出警告。

圖4 NPF24L01模塊設計原理圖

該系統的主節點周期地接收到從節點發來的數據，根據從節點ID 號判別節點是否故障，同時對從節點的判別結果進行識別和對其上傳的數據進行二級融合計算，判斷是否有火災發生。主節點的二級自燃判別是指把艙室溫度、氧氣濃度、煙霧濃度、通風條件、CO2濃度、NO濃度、HCL濃度作為艙室系統的穩定性判別的輸入變量。最終，系統通過主節點的無線功能模塊把公交車發動機艙室內一個周期的工作狀態參數發送給路邊基，再由路邊基傳給上位機。

圖5 主從節點程序流程圖

4 實驗調試

為了使傳感器采集的數據實時存儲和模擬公交車運行時與控制中心實時信息交互，實驗中搭建了基于閾值比較法和尖點突變模型法的兩級車載式公交車發動機艙室自燃火災判別系統和無線信息傳輸系統，實現了從節點對傳感數據作閾值判別處理并將信息發送到主節點的功能，同時也實現了主節點對數據的二級融合處理、危險等級顯示和采用CAN/NRF24L01通信方式上傳數據的功能。

系統物理實驗平臺如圖6所示。

圖6 系統實現的物理平臺

圖6 中所示的整個系統分為3 個模塊：其中①、②、③共同組成了基于CAN總線通訊的車載式自燃火災判別模塊，從節點①、②負責采集傳感器信息并對其一級判別處理，主節點③負責接收從節點發送的信息，并對信息進行二級判別處理。路邊基④負責接收主節點信息和上傳信息至上位機。網橋模塊⑤負責將路邊基發送的CAN 格式信息轉化成USB 協議實現與上位機通訊。

調試系統將CAN 通訊部分的兩個從節點地址標識符分別設定為0x01 和0x02。主節點地址標識符設定為0x00，驗收屏蔽位AMR全部賦值0xFF，接收所有節點信息。數據類型采用數據幀類型擴展幀格式，每幀13 個字節。其中，首字節是幀信息，定義了幀類型和格式及數據長度；1～4字節是標識符；5～13字節是數據區，其中數據區從高到低分別是溫度，CO2濃度占用兩個字節，煙霧濃度，HCL濃度，NO濃度，O2百分比含量，火焰及從節點判別結果標識位。主節點與路邊基的無線通訊地址TX_ADDRESS和RX_ADDRESS寬度設定義為5 個字節。數據長度與CAN 總線通訊字節數匹配均為13 個字節。另外，NRF24L01 有6 個收發頻道，每個路邊基可以同時接收6 個主節點的信息。該試驗采用RX_ADDR_P0頻道，并采用自應答模式。

該實驗實現了系統的通訊，上位機接收數據截圖如圖7所示。

圖7 上位機系統接收的數據截圖

本研究在系統調試中還分別對各參量進行閾值設定和二級融合計算，把自燃火災判別的安全狀態等級分為3個等級：*Normal表示沒有任何參量達到或者越過閾值；*Abnormal 表示有一個或者多個參量超過設定閾值，但是二級判別計算為無火災狀態；*Danger?ous表示一級和二級都判定艙室有自燃火災發生。

系統火災判別結果預警狀態顯示如圖8所示。

圖8 系統火災判別結果預警狀態顯示

在實驗室的實驗測試過程中，系統運行穩定，各節點的軟硬件設計均達到了要求，采集的數據可靠。其中，主節點與路邊基之間的無線通訊距離可達到50 m，基本滿足設計要求，并可通過外置天線再提高通訊距離至100 m以上。

5 結束語

針對公交車發動機艙室內自燃火災的預警存在的問題，本研究提出了基于CAN總線通訊的公交車發動機艙室內自燃火災兩級檢測預警系統方案，并在火災檢測判別方法的基礎上建立了系統實驗平臺。

該預警系統調試實驗結果驗證了基于CAN 總線的主、從節點通訊、主節點與上位機通訊以及自燃判別系統的準確性和穩定性，為車聯網支持下的公交車危險檢測預警技術的發展奠定了良好的研究基礎。

（References）：

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