一种基于can总线的消防设备控制系统及模糊控制方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于CAN总线的消防设备控制系统，包括：CAN总线通信电路，包括至少一个CAN控制器和CAN收发器，具有接收、发送功能并能够完成报文滤波；主控制模块，其连接CAN总线通信电路，能够监测系统的工作状态并且有效地控制系统的运行；若干控制器节点，其连接所述CAN控制器，所述各节点能够独立完成相应的数据处理和实现与所述CAN总线通信电路之间的通信功能，基于CAN总线的分布式架构，可以随时添加、删除节点设备，逻辑关系简单，降低了故障率，并提供一种基于CAN总线的消防设备模糊控制方法，通过计算火灾评估系数，判断开启防排烟设备或消防水泵，防止烟雾传感器误判，采用模糊控制方法实现了超精准灭火。
【专利说明】
-种基于CAN总线的消防设备控制系统及模糊控制方法
技术领域
[0001] 本发明设及消防设备控制领域，尤其设及一种基于CAN总线的消防设备控制系统 和一种基于CAN总线的消防设备控制方法。
【背景技术】
[0002] 消防水累和防排烟风机作为建筑物发生火灾时主要的消防设备，关乎着建筑物内 人员的生命安全和财产安全。而它们是否能可靠运行，控制系统相当关键。目前，一般仅仅 由一个个独立的控制箱来完成单个或几个消防设备的控制及保护功能，而没有形成一个控 制系统。每个控制内除了开关电器、接触器、热继电器等一次元件外，控制和保护功能主要 由继电器等二次元件搭建而成。
[0003] 对于一个功能单一、控制要求简单的消防设备（例如正压送风机)来说，需要的二 次元件不多，控制逻辑简单，接线简单。而GB50116-2013《火灾自动报警系统设计规范》新增 添了消防设备运行状态信息的实时监视要求。如果仍然采用传统的方式收录运些信息，一 方面会大大增加二次元件的数量，而且如何将运些信息实时接入至火灾自动报警系统也是 问题。
[0004] 对于故障状态和手自动状态等开关量信号，可W通过消防输入模块挂接在消防联 动总线上直接拾取。但运样做不仅大量占用消防联动控制器的总点数，而且运些不用参加 逻辑判断的平时工作状态大量传至消防联动控制器，也降低了火灾自动报警系统的稳定 性;而对于消防电源的电压信号与电流信号等模拟量信号，就没法通过消防输入模块直接 拾取。
[0005] 再加上，消防设备控制要求越发复杂，例如消防水累类采用一主一备两个设备，主 用累故障时备用累要自动投入运行；消防排烟风机与平时排风风机合用，作为排风机使用 时低速运行，作为排烟风机使用时高速运行;排烟风机与送风机要连锁运行等等。逻辑关系 越发复杂，即使能用传统的方式搭建控制回路，二次元件的数量会大大增加，线路连接复 杂，故障点会大大增加。
【发明内容】
[0006] 本发明设计开发了一种基于CAN总线的消防设备控制系统，能够直接启动控制器 节点对烟雾浓度和环境参数进行检测，同时能够采集消防设备信息，从而对火情实施控制， 且基于CAN总线的分布式架构，可W随时添加、删除节点设备，逻辑关系简单，降低了故障 率。
[0007] 本发明还有一个目的是提供一种基于CAN总线的消防设备模糊控制方法，通过计 算火灾评估系数，判断开启排烟设备或消防水累，防止因吸烟或室内溫度升高造成的烟雾 传感器误判。
[000引本发明的另一个目的是采用模糊控制器，通过烟雾浓度和环境溫度控制消防水累 出水量的控制，实现了超精准灭火。
[0009] 本发明提供的技术方案为：
[0010] -种基于CAN总线的消防设备控制系统，包括：
[0011] CAN总线通信电路，包括至少一个CAN控制器和CA州欠发器，具有接收、发送功能并 能够完成报文滤波；
[0012] 主控制模块，其连接所述CAN总线通信电路，能够监测系统的工作状态并且有效地 控制系统的运行；
[0013] 若干控制器节点，其连接所述CAN控制器，所述各节点能够独立完成相应的数据处 理和实现与所述CAN总线通信电路之间的通信功能；
[0014] 其中，所述主控制模块能够控制所述节点中的一个或多个完成控制、传感器的数 据采集或监听所述CAN总线通信电路的状态。
[0015] 优选的是，所述CAN控制器采用STC1抓204S忍片。
[0016] 优选的是，所述主控制模块包括CAN节点控制器和模糊控制器，
[0017] 其中，所述CAN节点控制器包括主节点工作模式和从节点工作模式；
[0018] 当处于所述主节点工作模式时，通过所述CAN总线实现主控制模块与所述控制器 节点之间的数据通信；
[0019] 当处于从节点工作模式时，通过所述CAN总线实现所述各控制器节点之间的数据 通信。
[0020] 优选的是，所述主节点工作模式包括:主动模式和从动模式，
[0021] 当处于主动模式时，所述主控制模块发送数据请求指令，并接收针对所述数据请 求指令返回的数据，对所述返回的数据进行处理后进行指令应答；
[0022] 当处于从动模式时，所述主控制模块被动接收数据，并对所述接收的数据进行处 理后进行指令应答。
[0023] 优选的是，还包括：
[0024] 烟雾传感器，其为光电式烟雾传感器，用于实时监测建筑空间内的烟雾浓度信息 并输出至所述CAN总线通信电路；
[0025] 消防水累压力传感器，其设置在消防水累出水口位置，用于检测消防水累的开度 信号并上传至所述模糊控制器；
[0026] 排烟口压力传感器，其设置在排烟口位置，用于检测所述排烟设备的开度信号。
[0027] -种基于CAN总线的消防设备模糊控制方法，包括：
[00%]采用烟雾传感器检测烟雾浓度P，环境溫度T，环境湿度R曲；
[0029] 将烟雾浓度信号与预设烟雾浓度做比较得到浓度偏差信号，将环境溫度信号与预 设环境溫度做比较得到溫度偏差信号；
[0030] 将浓度偏差信号经过微分计算得到浓度变化率信号，将溫度偏差信号经过微分计 算得到溫度变化率信号；
[0031] 将烟雾浓度变化率信号和溫度浓度变化率信号共同经过放大后输入二维模糊控 制器，输出为消防水累的开度；
[0032] 根据得到的消防水累的开度，通过电磁阀调节所述消防吹累出水口开度。
[0033] 优选的是，还包括火势评估，计算火灾评估系数， 「nm^l
[003引引t;>'7000巧),《时，排烟设备和消防水累的开度均为最大。
[0036] 优选的是，所述烟雾浓度变化率信号、所述环境溫度变化率信号和所述消防水累 开度的模糊集为：{NB，醒，NS，ZR，PS，PM，PB}，NB表示负大，醒表示负中，NS表示负小，ZR表示 零，PS表示正小，PM表示正中，ro表示正大，它们的论域为：{-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3， 4,5,6}。
[0037] 优选的是，所述模糊控制器的输入和输出变量的隶属度函数均选择Ξ角形隶属度 函数。
[0038] 本发明的有益效果
[0039] 1、主控制器和控制器节点设于控制箱内，箱内一次元件与控制器之间均设端接专 口，接线简单;控制要求变更时，无须变动硬件设备，只需调整软件编程即可，一方面会大大 减少了二次元件的数量，另一方面逻辑结构简单，维修简便。
[0040] 2、对于消防设备的监视信息和控制信息，不论是模拟量还是开关量，均由负责该 设备的控制器(下位机)通过专用的接口接入。控制主机(上位机)与控制器(下位机)W及控 制器(下位机)之间的通信，则采用CAN总线方式进行。而火灾报警系统不再通过消防模块直 接监视和控制各个消防设备，而是通过内部总线直接与本系统的控制主机(上位机)共享上 述信息。此时，整个火灾自动报警系统变成集中管理、分散控制、信息综合、资源共享，一个 完全的集散控制系统。
[0041] 3、本发明还提供一种基于CAN总线的消防设备控制方法，通过计算火灾评估系数， 判断开启防排烟设备或消防水累，防止因吸烟或室内溫度升高造成的烟雾传感器误判，采 用模糊控制器，通过烟雾浓度和环境溫度控制消防水累出水量的控制，实现了超精准灭火。
【附图说明】
[0042] 图1为本发明所述的CAN总线控制系统的结构框图。
[0043] 图2为本发明所述的下位机控制系统结构框图。
[0044] 图3为本发明所述的基于CAN总线的消防设备控制系统的结构框图。
[0045] 图4为本发明所述的基于CAN总线的消防设备控制方法的流程图。
【具体实施方式】
[0046] 下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，W令本领域技术人员参照说明书文 字能够据W实施。
[0047] 如图1所示，本发明提供的基于CAN总线的消防设备控制系统，包括:CAN总线通信 电路、主控制模块和控制器节点。
[004引其中CAN总线通信电路，包括至少一个CAN控制器和CA州欠发器，具有接收、发送功 能并能够完成报文滤波；
[0049]主控制模块，其连接所述CAN总线通信电路，能够监测系统的工作状态并且有效地 控制系统的运行；
[0050] 若干控制器节点，其连接所述CAN控制器，各节点能够独立完成相应的数据处理和 实现与所述CAN总线通信电路之间的通信功能，作为一种优选，控制器节点采用STC15W204S 忍片。
[0051] 其中，主控制模块能够控制所述节点中的一个或多个完成功能调试、功能控制和 传感器的数据采集，并能够监听所述CAN总线通信电路的状态；
[0052] 在上位机控制系统中，各节点独立完成相应的数据采集、处理、存储W及显示等任 务，数据通信时各节点是"平等主体"，采用点对点方式通信，同时每个节点均可作为上位机 与CAN总线的连接点，其中，主控制模块能够控制控制器节点中的一个或多个工作，CAN总线 的软件实现主要由SJA1000的初始化、数据的接收W及发送Ξ个部分构成
[0053] 下位机软件利用微处理器对消防设备信息等数据的采集功能，并且根据上位机的 控制指令，控制消防水累和防排烟风机类设备控制系统。通过对CAN总线协议进行软件化实 现，完成上、下位机之间的数据显示和控制功能。下位机控制流程图如图2所示。
[0054] 下位机控制系统主要实现两个功能:其一是通过数据采集模块即开度和模拟量的 采集，并对检测值分析处理，及时将处理结果输出给CAN总线，交由上位机分析处理;其二是 可W实现与CAN总线的通信功能，既可W满足下位机数据实时传送至上位机，也可W满足实 时接收上位机下达的控制信号，实现对下位机控制。
[0055] 作为一种优选，主控制模块包括CAN节点控制器和模糊控制器，其中，CAN节点控制 器包括主节点工作模式和从节点工作模式；
[0056] 当处于主节点工作模式时，通过CAN总线实现主控制模块与控制器节点之间的数 据通信；
[0057] 当处于从节点工作模式时，通过CAN总线实现各控制器节点之间的数据通信。
[005引其中，主节点工作模式包括:主动模式和从动模式；
[0059] 当处于主动模式时，主控制模块发送数据请求指令，并接收针对数据请求指令返 回的数据，对返回的数据进行处理后进行指令应答；
[0060] 当处于从动模式时，主控制模块被动接收数据，并对接收的数据进行处理后进行 指令应答。
[0061] 如图3所示，本发明提供的基于CAN总线的消防设备控制系统还包括:火灾报警系 统、消防水累和防排烟机类控制系统和消防设备信息采集系统，
[0062] 其中火灾报警系统包括烟雾传感器和火灾报警器，其中，烟雾传感器为光电式烟 雾传感器或离子式烟雾传感器，用于实时监测建筑空间内的烟雾浓度信息并输出至所述 CAN总线；
[0063] 消防设备信息采集系统包括消防水累压力传感器和排风口压力传感器、溫度传感 器和湿度传感器等，
[0064] 消防水累压力传感器，其设置在消防水累出水口位置，用于检测消防水累的开度 信号并上传至所述模糊控制器；
[0065] 排烟口压力传感器，其设置在排烟口位置，用于检测所述排烟设备的开度信号。
[0066] 消防水累和防排烟机设备包括消防水累、排烟机、排烟口、风道等。
[0067] 如图4所示，本发明的目的还可进一步由一种基于CAN总线的消防设备控制方法， 包括：
[0068] 采用烟雾传感器检测烟雾浓度P，环境溫度Τ，环境湿度R册，计算火灾评估系数D， 火灾评估系数的计算公式为，
[0069]
[0070] 并将其与阔值进行比较，判断开启排烟设备或消防水累；
[0071] 当45 %《畑〇《100 %且2000巧纖 < 充《3500巧刑时，排烟设备开启；
[0072] 当3500巧wr::X.^ 7000/wm时，开启消防水累，并采用模糊控制器控制消防水累的 开度；
[0073] 当X>700〇wm时，排烟设备和消防水累的开度均为最大。
[0074] 消防水累模糊控制过程包括:将烟雾浓度信号与预设烟雾浓度做比较得到浓度偏 差信号，将环境溫度信号与预设环境溫度做比较得到溫度偏差信号；
[0075] 将浓度偏差信号经过微分计算得到浓度变化率信号，将溫度偏差信号经过微分计 算得到溫度变化率信号；
[0076] 将烟雾浓度变化率信号eci和溫度变化率信号ec2共同经过放大后输入二维模糊控 制器，输出为消防水累的开度q;
[0077] 其中，eci、ec2、q 的实际变化范围分别为[-30,30]，[-0.5,0.5]，[-1，1];ECi、EC2、Q 的离散论域均为{-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2,3,4,5,6}
[007引则比例因子ki = 6/30，k2 = 6/0.5，k3 = 6/1
[0079] 定义模糊子集及隶属函数
[0080] 把烟雾浓度变化率ECl分为7个模糊状态:PB(正大），PM(正中），PS(正小），0(零）， NS(负小），醒(负中），NB(负大），结合经验得出烟雾浓度变化率eC1的隶属度函数表，如表1 所示。
[0081] 表1烟雾浓度变化率eci的隶属度函数表 Γ00821
[0083] 把溫度变化率ec2分为屯个模糊状态:PB(正大），PM(正中），PS(正小），0(零），NS (负小），醒(负中），NB(负大），结合经验得出溫度变化率ec2的隶属度函数表，如表2所示。
[0084] 表2溫度变化率ec2的隶属度函数表
[0085] _
[0086] 把消防水累的开度q分为屯个模糊状态:PB(正大），PM(正中），PS化小），0(零），NS (负小），NM(负中），NB(负大），结合经验得出消防水累的开度q的隶属度函数表，如表3所示。
[0087] 表3消防水累的开度q的隶属度函数表 rm只只1
'[0089]~模糊推理过程必须执行复杂的矩阵运算，计算量非常大，在线实施推理很难满足I 控制系统实时性的要求，本发明采用查表法进行模糊推理运算，模糊推理决策采用双输入 单输出的方式，控制规则由下列推理语言构成：
[0090] If e is Ai and e〇 is Bi then Δ Kj is Ci [0091 ]其中，Ai、Bi、Ci分别为eci、ec2和q模糊子集。
[0092] 通过经验可W总结出模糊控制器的初步控制规则，其中参数q控制规则见表4。
[0093] 表4为模糊控制规则表
[0094]
[0095] 模糊控制器根据得出的模糊值对输出信号进行解模糊化，得到消防水累的开度， 求模糊控制查询表，由于论域是离散的，模糊控制规则及可W表示为一个模糊矩阵，采用单 点模糊化，求出模糊控制查询表，见表5
[0096] 表5模糊控制查询表
[0097]
[0099] 主控制器和控制器节点设于控制箱内，箱内一次元件与控制器之间均设端接专 口，接线简单;控制要求变更时，无须变动硬件设备，只需调整软件编程即可，一方面会大大 减少了二次元件的数量，另一方面逻辑结构简单，维修简便。
[0100] 对于消防设备的监视信息和控制信息，不论是模拟量还是开关量，均由负责该设 备的控制器(下位机)通过专用的接口接入。控制主机(上位机)与控制器(下位机）W及控制 器(下位机)之间的通信，则采用CAN总线方式进行。而火灾报警系统不再通过消防模块直接 监视和控制各个消防设备，而是通过内部总线直接与本系统的控制主机(上位机)共享上述 信息。此时，整个火灾自动报警系统变成集中管理、分散控制、信息综合、资源共享，一个完 全的集散控制系统。
[0101] 尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列 运用，它完全可W被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地 实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限 于特定的细节和运里示出与描述的图例。
【主权项】
1. 一种基于CAN总线的消防设备控制系统，其特征在于，包括： CAN总线通信电路，包括至少一个CAN控制器和CAN收发器，具有接收、发送功能并能够 完成报文滤波； 主控制模块，其连接所述CAN总线通信电路，能够监测系统的工作状态并且有效地控制 系统的运行； 若干控制器节点，其连接所述CAN控制器，所述各节点能够独立完成相应的数据处理和 实现与所述CAN总线通信电路之间的通信功能； 其中，所述主控制模块能够控制所述节点中的一个或多个完成控制、传感器的数据采 集或监听所述CAN总线通信电路的状态。2. 根据权利要求1所述的基于CAN总线的消防设备控制系统，其特征在于，所述CAN控制 器采用STC15W204S芯片。3. 根据权利要求2所述的基于CAN总线的消防设备控制系统，其特征在于，所述主控制 模块包括CAN节点控制器和模糊控制器， 其中，所述CAN节点控制器包括主节点工作模式和从节点工作模式； 当处于所述主节点工作模式时，通过所述CAN总线实现主控制模块与所述控制器节点 之间的数据通信； 当处于从节点工作模式时，通过所述CAN总线实现所述各控制器节点之间的数据通信。4. 根据权利要求3所述的基于CAN总线的消防设备控制系统，其特征在于，所述主节点 工作模式包括:主动模式和从动模式， 当处于主动模式时，所述主控制模块发送数据请求指令，并接收针对所述数据请求指 令返回的数据，对所述返回的数据进行处理后进行指令应答； 当处于从动模式时，所述主控制模块被动接收数据，并对所述接收的数据进行处理后 进行指令应答。5. 根据权利要求4所述的基于CAN总线的消防设备控制系统，其特征在于，还包括： 烟雾传感器，其为光电式烟雾传感器，用于实时监测建筑空间内的烟雾浓度信息并输 出至所述CAN总线通信电路； 消防水栗压力传感器，其设置在消防水栗出水口位置，用于检测消防水栗的开度信号 并上传至所述模糊控制器； 排烟口压力传感器，其设置在排烟口位置，用于检测所述排烟设备的开度信号。6. -种基于CAN总线的消防设备模糊控制方法，其特征在于，包括： 采用烟雾传感器检测烟雾浓度P，环境温度T，环境湿度RHo; 将烟雾浓度信号与预设烟雾浓度做比较得到浓度偏差信号，将环境温度信号与预设环 境温度做比较得到温度偏差信号； 将浓度偏差信号经过微分计算得到浓度变化率信号，将温度偏差信号经过微分计算得 到温度变化率信号； 将烟雾浓度变化率信号和温度浓度变化率信号共同经过放大后输入二维模糊控制器， 输出为消防水栗的开度； 根据得到的消防水栗的开度，通过电磁阀调节所述消防吹栗出水口开度。7. 根据权利要求6所述的基于CAN总线的消防设备模糊控制方法，其特征在于，还包括 火势评估，计算火灾评估系数， -3(70 --- - 0.24(70 - RH{))+ 0.9]· , 45% <RH() <100% ρ·[()·641η(70-/?//(,)+0.7]·//_' 0% < RH,<45% ； 当λ>7000???时，排烟设备和消防水栗的开度均为最大。8. 根据权利要求6或7所述的基于CAN总线的消防设备模糊控制方法，其特征在于，所述 烟雾浓度变化率信号、所述环境温度变化率信号和所述消防水栗开度的模糊集为：{NB，匪， NS，ZR，PS，PM，PB}，NB表示负大，NM表示负中，NS表示负小，ZR表示零，PS表示正小，PM表示正 中，PB表示正大，它们的论域为：{-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2,3,4,5,6}。9. 根据权利要求8所述的基于CAN总线的消防设备模糊控制方法，其特征在于，所述模 糊控制器的输入和输出变量的隶属度函数均选择三角形隶属度函数。
【文档编号】G05B19/418GK106066640SQ201610457642
【公开日】2016年11月2日
【申请日】2016年6月22日 公开号201610457642.3, CN 106066640 A, CN 106066640A, CN 201610457642, CN-A-106066640, CN106066640 A, CN106066640A, CN201610457642, CN201610457642.3
【发明人】王立光, 张立辉, 迟耀丹, 王超, 高晓红, 赵春雷, 杨小天
【申请人】吉林建筑大学