可组网的火灾报警系统的制作方法

专利名称：可组网的火灾报警系统的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种火灾报警系统。
背景技术：
火灾猛于虎，预防和控制火灾的发生对国民经济的发展和人民生命财产具有重要意义。 火灾报警系统是发现早期火灾，防患于未然，用以保护生命财产，维护环境安全所不可缺少 的一种重要装置。火灾早期探测是一个较为复杂和具有重要意义的问题。对火灾报警以及自 动监测系统的最大期望是能在火灾发生的早期及时发现火情，消灭误报率和漏报率。
火灾是伴有烟、光、温升、扩散辐射和异常气味的综合现象。传统对火灾的探测主要进 行温度检测，温度检测一般采用热敏电阻温度传感器，使用热敏电阻作为温度敏感元件，热 敏电阻主要优点是成本低，但采集的模拟信号需要后续的信号处理电路，必须通过放大器、 滤波器、A/D转换电路之后才能得到系统需要的数字信号，这样电路复杂。另外， 一个监测 站所能挂接的传感器数量有限，而且温度采集的频率较慢。无论是热电偶传感器测温还是热 电阻传感器测温，它们测出的一般都是电压，在转换成对应的温度过程中需要比较多的外部 硬件支持，硬件电路复杂，制作成本高。例如对于多点温度的采集，面临的问题是测温点的 选择通常是通过多路开关来进行的，但是在测温点比较多的情况下，多路开关和通道选择电 路就会大大增加系统的复杂性。

实用新型内容
本实用新型的目的是提供一种可组网的火灾报警系统，要解决传统采用温度检测系统硬 件电路复杂，制作成本高、预报准确度不高的技术问题；并解决火灾报警系统火灾预报准确 性及时性和便捷性的问题；还解决了监测站中与传感器长线传输的问题。
为实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案
这种可组网的火灾报警系统，包括监测站和与之连接的传感器，其特征在于上述监测 站与上位机联网，各监测站与上位机之间通过总线型RS-485通信网络连接；每个监测站包括 一个用于实现温度数据循环采集、温度数据处理、校验、存储与显示、报警搜索与判别功能 的单片机，每个单片机分别连接键盘与显示接口电路、时钟芯片和报警电路，单片机的至少 一个I/0口连接驱动芯片的使能控制端，驱动芯片的输入输出口与单总线连接，单总线上挂 接至少一个数字温度传感器。上述单片机可以是外接串行存储器的单片机，或外接并行存储器的单片机，或自带存储 器的单片机。
上述单片机可与看门狗电路连接。
上述驱动芯片的电平端的输入口与输出口端短接作为输入输出口 。
本实用新型的工作原理可组网的火灾报警系统通过单总线上串行通信读取现场数字温 度传感器温度值，达到监测现场环境温度的目的。为了准确、可靠地探测到火灾早期现象， 当温度升高而且温度值超出报警上限值时，需要正确读出数字温度传感器温度值并自动报警 。要完成的任务是采集分散的监测点温度、判断温度是否超限、对各监测点进行集中控制和管理。
本实用新型的主要功能和技术效果有以下几点
1、 采用自带编码的数字温度传感器组成多点测温系统，具有节点多、采样频率快、温 度准确等特点。能够直接读出被测点的温度，在检测点就将被测信号实现了数字化，在单总 线上传送的是数字信号。省去了多路开关和通道选择电路，使测温模块变得更加简洁、小 巧。温度的测量范围为-551: + 125°C，测量精度为0.5 °C。数字温度传感器读出信息或写 入信息仅需要一根总线与单片机I/0口相连，并通过串行输出方式与单片机通信。实现了用 新型单总线串行温度传感器采集多点温度数据，并能够对采集的温度值进行整数、小数及正 负数判断处理。实现了对传感器序列号的多方式正确读取，并完成了温度数据读取，并对读 取数据进行CRC校验。用数字温度传感器组成的多点测温系统稳定性好，可靠性高，工程造 价低。数字温度传感器充分利用了单总线独特的优势，可以快速地组建传感器网络，使系统 设计更加灵活和方便。
2、 本实用新型可将报警上限写入到数字温度传感器，并通过复制便笺存储器命令实现 了掉电保存设置值功能，可以通过搜索ROM方式迅速判断数据线上有无报警。在发现线上有 报警时，可以通过比较找出具体报警房间号，并通过声光形式发出报警，同时还将在本地监 测站的存储器中存储报警信息，以备査询。
3、 本实用新型可实现看门狗功能。可实现利用串行芯片进行时钟显示等功能。可实现 对串行存储器的数据存取，还可实现单字节及多字节的读写操作，解决了ACK确认信号容易 出错的问题。
4、 本实用新型的监控管理程序可以通过键盘利用液晶显示实现菜单调用、时间设置、 报警上限值的置入、温度巡检与翻页显示、系统初始化、定检査询及当前时间显示与历史报 警信息査询等多项功能。5、 本实用新型采用力控组态软件作为上位机管理站监控系统，设计了单片机电路与力 控组态软件的驱动程序，采用组态软件完成火灾报警系统温度及报警的实时显示。实现了上 位机管理站与本地监测站之间的数据通信。实现上位机管理站对本地监测站发送命令并下传 数据，实现了本地监测站向上位机管理站上传采样温度与采样时间、上传各个传感器的上限 值等。
6、 本实用新型的火灾探测系统全部设计基于串行芯片，基于单片机进行多个I/0口挂接 多个传感器，集数字感温传感器技术、微电子技术、报警技术及测控技术于一身，具有分辨 率高，灵敏度高，稳定性好，系统安全可靠，操作维护方便、体积小，性价比高的特点。
7、 本实用新型设计了单片机与传感器的长线传输电路，并通过实验很好地验证了其实 用性，传感器的传输距离可达上百米，使设计的火灾报警系统具有实用性。解决了监测站与 传感器长线传输的难点问题，可以弥补目前市场上的感烟火灾报警器的一些不足之处。
综上，本实用新型采用可组网分布式火灾报警系统，将监控区域分成多个独立的子系 统，如果某个本地监测站失灵其它监测站也可继续工作。本实用新型利用数字温度传感器测 量温度，当环境温度超出报警上限时，用液晶屏显示并进行声光报警，也可以将温度与报警 信息传送到上位机管理站进行管理与监测，应用单片机电路与力控组态软件的驱动程序，采 用组态软件完成火灾报警系统温度及报警的实时显示。实现了上位机管理站与本地监测站之 间的数据通信。本实用新型克服了传统火灾预报系统硬件电路复杂，制作成本高、预报准确 度不高等的缺点，解决了火灾预报实时准确预报的技术问题。可广泛应用于火灾的早期预 报。
以下结合附图对本实用新型做进一步详细的说明。

图1是本实用新型系统组成示意图。 图2是各监测站主程序流程图。 图3是数字温度传感器温度采集与处理流程图。 图4是上位机与监测站通信流程图。
具体实施方式

实施例参见图l所示，这种可组网的火灾报警系统的其系统构成是采用上位机管理站和 多个本地监测站方式，其数据通信线路采用RS-485总线。上述监测站与上位机联网，各监测 站与上位机之间通过总线型RS-485通信网络连接；每个监测站包括一个用于实现温度数据循 环采集、温度数据处理、校验、存储与显示、报警搜索与判别功能的单片机STC89C516RD，上述单片机可以是外接串行存储器的单片机，或外接并行存储器的单片机，或自带存储器的单片机。上述单片机可与看门狗电路连接。每个单片机STC89C516RD分别连接键盘与LCD液晶
显示接口电路、时钟芯片和报警电路，单片机的至少一个i/o口连接驱动芯片的使能控制
端，驱动芯片的输入输出口与单总线连接，单总线上挂接至少一个数字温度传感器DS18B20。
参见图2，监测站主程序流程如下
开始后，进行初始化，采用第O组工作寄存器，询问是否更改P1.0口上限，如是，更改上限程序；若否，询问是否更改Pl. l口上限，如否，两口同时启动温度转换，设置温度和报警状态存储区，读当次温度采样时间并保存，设置口参数，单口温度处理子程序，设置口2参数，进入子程序A。
进入单口温度处理子程序后，更改温度和报警状态存储区选择标志，询问是否更新显示，如是，进入温度显示子程序，询问是否有报警，如是，报警器报警，若否，则再次询问是否有报警。
参见图3，数字温度传感器温度采集与处理流程如下
开始后，执行初始化时序，发出跳过ROM匹配命令，启动温度转换，延时750ms等待温度转换完成，执行初始化时序，发出匹配ROM命令，进入程序l。
程序1先发出64位序列号，然后发出读便笺存储器命令，读取便笺存储器内容并进行CRC校验，询问CRC校验是否正确？如是，则进行温度数据格式转换，结束。若否，重新执行初始化时序。
本地监测站与单总线数字温度传感器DS18B20相连，完成对各传感器的初始化、对各点温度的采集、数据存储，以及实现监测站与上位机管理站的数据通信。监测站的另一重要功能是人机接口，它要完成简单信息显示与操作命令输入，操作员可以通过它来实现对本站的控制。单总线数字温度传感器DS18B20可以把温度信号直接转换成数字信号，而且每片DS18B20含有唯一的64位序列号。由于火灾报警系统中监测站与传感器传输距离较远，所传输的信号将会受到干扰因素的影响，严重时会造成误码使数据发生错误以致阻断通信。因此，为了保证高效而无差错地传输温度数据，采用循环冗余码校验法，简称CRC校验法，对采集温度数据进行校验，即差错控制。
本实用新型利用单片机进行多个I/0口挂接多个传感器，因为DS18B20是单总线芯片，在单片机与传感器数据线连接时，只需单片机的一个端口如P1.0或P1.1与数据线相连。在系统设计中，传感器所在P1口除了连接了两路传感器以外还连接了一些其它器件，因此在软件编程时，对传感器的控制都采用了位操作，以免对挂接在P1口上的其它芯片产生干扰。
由于单片机的片内RAM有限，而且不具备掉电后继续保存数据的能力，因此需外接存储器E2pR0M，完成数据的存储。外接存储器E2pR0M根据读写数据的方式可分为并行和串行两种。并行E2pR0M较串行E2pR0M来说具有读写速度快、程序简单等优点，但是占用CPU的I/0口线较多、成本高。而串行E2pR0M占用CPU的I/0口线少、成本低、接线简单，但是速度相对较慢，且程序复杂。本实施例根据CPU空闲端口少的特点，选择了串行E^R0M芯片24C256，它具有32K空间实现数据存储。
为了能够提供准确的报警信息和得知监测点的温度趋势，需要知道各个温度值的采样时间，需要有一个时钟芯片来记录每次的采样时间。系统设计中采用了DS1302时钟芯片，它具有对秒、分、时、日、周、月以及闰年补偿的能力，它还能在主电源掉电的情况下自动切换到备用电源或电池供电，并且只需用3只管脚与CPU连接，大大节省了CPU管脚资源。
报警功能是火灾报警系统的重要功能，报警功能的好坏直接影响着系统的性能好坏。系统设计对报警功能的要求有能够在大量测温点中准确快速地识别报警，能够将报警温度与报警地点及报警时间进行存储，能够以声光等多种方式进行报警，这些功能涉及了传感器、E2PR0M、实时时钟芯片和专用报警电路等方面。而且在满足所有这些功能的同时，还要求不能影响系统其它各种功能的工作和温度的采样速度。
系统的键盘与显示监控管理主要内容有键盘输入与屏幕显示，它属于本地监测站的人机接口。因为键盘与显示需要实现的功能较多、涉及芯片也多，在功能的实现上需要对多方面进行协调。同时在程序编写时还要做好键盘屏蔽工作，防止程序正在执行一些功能处理界面时，因误按按钮造成系统错误。此外，由于主程序以温度采集为主，即主要对DS18B20进行操作，但是DS18B20具有严格的时序要求，如果中断结束后直接返回，可能会造成温度读取出错或无法读取等情况，因此必须解决好中断返回问题。
火灾报警系统离不开报警功能，能否准确、及时的报警，是衡量火灾报警系统性能好坏的重要因数之一。采用温度传感器DS18B20的报警搜索功能，单片机不需要对每次的温度数据进行逐一比较。DS18B20的温度报警标志位在每次温度转换完成后都会进行更新，因此单片机只需在每次转换结束后对数据线进行询问即可知道本线上有无报警，若无报警，则可省去报警处理的程序。
为了减轻单片机的负担，在对温度进行逐个比较之前，单片机将会对数据线进行有无报警判断，有则比较，无则跳过。但是搜索报警命令是用来读取所有报警传感器的序列号的，如果每次判断都要读完一个64位的序列号，将花费很多时间。经过分析，若是线上有报警，那么在单片机发出搜索报警命令后紧接着读一位时，各个报警传感器都会返回它们序列号的最低位。其中DS18B20的最低字节为家族码"28H" ， "28H"的最低位，也就是整个序列号的最低位为"0"，即报警传感器在接收到搜索报警命令后都会同时返回"0"，而在无报警的情况下，此时的数据线应为"1"。也就是说，只要读一位就能判断线上有无报警，不需要用搜索R0M法读完64位，这将节省很多的读写周期。
由于DS18B20传感器具有非常严格的时序要求，它规定了每段高低电平的持续时间，并且对时序的误差要求都在几微秒之内，故要求单片机对数据线有强大的控制能力。但是当连接传感器的数据线较长，或者数据线上挂接的传感器数量较多时，由于数据线总的等效电容增大使得单片机在控制数据线电平时，数据线电平的上升时间或下降时间变长，这使得时序控制变得很难满足，这是设计的一个难点。本实用新型通过进行长线实验表明，由于单片机和DS18B20芯片的驱动能力太低，在一根数据线上挂接两个传感器的情况下，如果不加任何措施，在数据线增长时，主设备已经无法与DS18B20通信。本实用新型选用在RS-485通信中使用的MAX-487驱动芯片，来增加芯片驱动能力。单片机与DS18B20是通过单总线进行通信的，MAX-487驱动芯片的发送与接收分别通过两个管脚来实现，并且是处于发送状态还是接收状态由一条使能控制线决定。所以要使用MAX-487作为驱动芯片，必须首先解决如何让一线制与二线制相转换。经过调试证明了MAX-487芯片在TTL电平端的输入口在发送数据的情况下处于高阻态，而输出口在接收数据的情况下处于高阻态。因此，要实现一线制与二线制的相互转换，只需将驱动芯片MAX487的TTL电平端的输入口与输出口端短接作为输入输出口，并将使能控制端与单片机的一个I/0口如P1. 2口相接，用以控制数据的传输方向即可。
由于需要把信号转化成适于远传的RS-485标准信号，所以火灾报警系统需要采用驱动芯片MAX487完成相应的电平转化，完成监测站与上位机管理站的数据通信。数据传输主要受驱动芯片MAX487读写信号的控制，当单片机通过串口发送数据时，需要把驱动芯片MAX487的状态置为发送数据状态；反之，则处于接收数据状态。
上位机管理站采用了力控组态软件，它对各种设备制定了特定的通信协议，通信参数包括数据位，停止位，波特率以及校验方式。其中数据位、停止位、波特率要与监测站中程序设定的一致。在力控组态软件里，必须对设备进行组态。可以设置相应的参数，其中更新的周期、超时的时间以及设备的地址，都关系到力控发送报文的数据格式。通信方式选择串口，然后点击高级选项，进入高级配置单元的设置。设置设备扫描周期，数据包采集失败后重试的次数，以及数据项下置失败的次数。设置完成后点保存，返回设备组态窗口。继续进行设备配置。选择使用的串口，然后点击设置按钮，设置串口的相关参数，选择串口的波特率、校验方式等，这些设置要和软件编程相对应。设置好后点击保存，返回设备配置窗口，然后点击"完成"按钮，完成设备的组态。接着进行数据组态，数据组态的目的是把各个数据的偏移地址分配好。
组态方法是双击力控数据组态选项，进入数据组态画面，其中划分了许多区域，用于区
分不同的模块。在设计中选用了区域oo，组态的点选择模拟I/0点，双击进入组态窗口。需
要对组态的点取名字。名字取好后点击数据连接，进入数据连接窗口。由于在设备组态时，
定义了名字为mcu的I/0设备，所以设备选择mcu，然后分别对这个点的瞬时值PV、低限报警值LO、高限报警值HI进行组态。
上位机会根据在设备组态里设定的时间循环发送力控读数据命令格式，其中数据类型是数据组态时定义的数据类型，数据地址是要读取的第一个数据的偏移地址，数据个数为组态时定义的点数，当监测站通过串口收到力控组态软件发来的正确数据格式后，监测站向力控组态软件发送相应的读数据格式命令，在这个命令格式中包含了监测站所要传送的数据。力控组态软件根据数据的偏移地址，将接收到的数据存储到对应的地址空间，这样就完成一次数据传输。
当在力控组态软件的界面内改变某个数据后，力控组态软件会发送写数据命令格式，在这帧数据格式里包含了力控要写的数据，当监测站正确接收到这帧数据，并从中取出数据后，发送应答写数据格式，完成一次写数据的操作。
上位机与监测站通讯的具体流程图如4所示开始后，询问是否允许与上位机管理站通信？如是，接收报文起始码，询问是否等于起始码？如是，接收设备地址码，询问是否等于设备地址码？如是，接收读写字节，询问是否位"读"？
如是，则接收数据类型，接收数据地址，接收数据个数，接收报文结束码，接收和校验位，询问校验是否正确？如是，则发报文起始码，发数据类型字节，发送和检验码，发ODH、 0AH，结束；
如否，则接收数据类型，接收数据地址，接收需要写入的数据，接收报文结束码，接收和校验位，询问校验是否正确？如是，则发报文起始码，发送结束码标志位，发送报文结束码，发送和检验码，发0DH、 0AH，结束；若否，则返回，再接收报文起始码。
监测站和上位机管理站通信的协议要严格按照力控传输数据的协议来编写，包括读数据报文格式和写数据报文格式。
监测站的监控系统可以实现显示当前时间、设置时间值、设置报警上限、定检査询、査看报警信息、温度巡检等。通过键盘按"菜单"选项，则进入菜单画面。
9系统上电后，液晶屏上会循环显示房间的温度值，当某个房间的温度高于上限报警设定值或低于下限报警设定值时，报警灯会点亮，同时蜂鸣器产生报警。通过键盘按"报警"键后，液晶上就会显示"报警确认"同时关闭蜂鸣器，但如果温度不能恢复正常值，报警画面上报警参数依然显示报警，只是关掉了蜂鸣器。
报警历史数据显示是调出存储在存储器E^ROM中的报警数据，并将读出的数据在液晶器上显示。对应每个房间的报警数据分两屏显示，参数包括报警发生对应的房间号、报警时间、报警时的温度、上限报警设定值、下限报警设定值、报警标志等。
权利要求权利要求1一种可组网的火灾报警系统，包括监测站和与之连接的传感器，其特征在于上述监测站与上位机联网，各监测站与上位机之间通过总线型RS485通信网络连接；每个监测站包括一个用于实现温度数据循环采集、温度数据处理、校验、存储与显示、报警搜索与判别功能的单片机，每个单片机分别连接键盘与显示接口电路、时钟芯片和报警电路，单片机的至少一个I/O口连接驱动芯片的使能控制端，驱动芯片的输入输出口与单总线连接，单总线上挂接至少一个数字温度传感器。
2. 根据权利要求l所述的可组网的火灾报警系统，其特征在于上述 单片机是外接串行存储器的单片机，或外接并行存储器的单片机，或自带存储器的单片机。
3. 根据权利要求l所述的可组网的火灾报警系统，其特征在于上述 单片机与看门狗电路连接。
4. 根据权利要求l所述的可组网的火灾报警系统，其特征在于上述 驱动芯片的电平端的输入口与输出口端短接作为输入输出口 。
专利摘要一种可组网的火灾报警系统，包括监测站和与之连接的传感器，监测站与上位机联网，各监测站与上位机之间通过总线型RS-485通信网络连接；每个监测站包括一个用于实现温度数据循环采集、温度数据处理、校验、存储与显示、报警搜索与判别功能的单片机，每个单片机分别连接键盘与显示接口电路、时钟芯片和报警电路，单片机的至少一个I/O口连接驱动芯片的使能控制端，驱动芯片的输入输出口与单总线连接，单总线上挂接至少一个数字温度传感器。本实用新型克服了传统火灾预报系统硬件电路复杂，制作成本高、预报准确度不高等的缺点，解决了火灾预报实时准确预报的技术问题。可广泛应用于火灾的早期预报。
文档编号G08B17/00GK201281889SQ20082030242
公开日2009年7月29日 申请日期2008年10月15日 优先权日2008年10月15日
发明者明 张, 张仰森, 红 艾 申请人:北京机械工业学院