一种多冗余可变主从火灾预警监控系统及方法

一种多冗余可变主从火灾预警监控系统及方法
【专利摘要】本发明涉及一种多冗余可变主从火灾预警监控系统及方法。解决现有技术中监控系统实时性不强、无重点防控区分、出现故障容易导致失效的问题。系统包括若干控制节点、总监控主机、数据库和节点配置终端，控制节点包括有控制器模块、双冗余网络模块、USB模块、存储模块和火灾监控模块，双冗余网络模块具有两个网络接口，每个网络接口各自连接到一个网络交换单元上，节点配置终端分别与各控制节点的USB模块相连接，数据库分别与节点配置终端和总监控主机相连，总监控主机分别连接到两个网络交换单元上。系统能根据故障情况自动调整主从关系，并自动切换网络接口和网络交换单元，使火灾预警监控这类关键系统的可靠性和稳定性得到较大提高。
【专利说明】一种多冗余可变主从火灾预警监控系统及方法

【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种火灾监控技术，尤其是涉及一种主从控制可变，具有多重备份技 术为一体的多冗余可变主从火灾预警监控系统及方法。

【背景技术】
[0002] 随着信息技术的日新月异，火灾预警监控技术也得到了迅猛发展，各类型监控器 件、传感器层出不穷，但在整个监控系统控制模式上还是呈现普遍的单一性，即在一个区域 (单一楼层）集中预警监控时，现有监控系统都需预先设置一个主控节点，同一区域的其他 从属节点受该主控节点控制，即由主控节点主动发起轮询指令，其他各从属节点依次响应 该主控节点控制指令，最终由该主控节点集中处理将监控结果上报至上一级系统。这种固 定唯一的主从控制模式，在实际火灾预警监控中存在着较大技术隐患，如一区域的主控节 点突发故障后，若紧急处理不当或不及时，将会导致该区域的所有预警监控都失效，这种后 果对于火灾预警这种关键系统是所不能接受的。应对这种固有存在的技术缺陷，需研究出 一种与之相对应的解决措施和方法。
[0003] 目前在通用的主从控制系统中，控制方式都普遍采用以主节点发起轮询控制指 令，其他从属节点依次响应主节点控制指令的控制作业流程，这种控制方式中主节点遍历 所有节点将花费较长时间，对于单一节点的控制利用率也存在利用效率不高的现象，整个 控制系统的实时性不强，如加快主节点轮询速率，势必将较大的增加主节点的控制负担。
[0004] 在火灾预警防控体系中，存在着重点防控区域，这种区域的防控要求高，如果采用 目前的主从控制系统，其中主节点控制权限最高，其余从属节点从控制方式上理解是属于 同一级别，无轻重等级来与之加以区分，这与火灾预警防控体系中突出重点区域防控的准 则有不符之处。
[0005] 目前在火灾预警监控系统中，主从各监控节点间普遍还都采用如RS232、RS485或 CAN等其他类似的控制总线方式，从节约经济生产成本的角度来看，这些类型的控制总线 方式都具有铺设方便，接口应用简单的优势，但随着网络技术的不断渗透，物联网技术的兴 起，火灾预警监控领域单一监控节点中使用网络技术也已成为发展趋势。
[0006] 现代工业网络对网络设备的可靠性和有效性要求越来越高，同样在火灾预警监控 领域中应用网络技术也有相同的要求，目前网络应用中一般都是采用总线拓扑或星型拓扑 等结构的单网络连通方式，其中大部分网络设备都同处于同一网络交换单元（HUB或交换 机）中，且各监控节点也只具备单一的网络接口，如果单一监控节点网络接口故障，将会导 致这一节点的监控失效，如遇网络交换单元故障，这将会造成同处同一网络交换单元的所 有监控节点同时失效，这种因网络接口或设备故障所造成的监控失效，在火灾预警监控系 统中应采取有效的解决措施进行避免。


【发明内容】

[0007] 本发明主要是解决现有技术中监控系统实时性不强、无重点防控区分、出现故障 容易导致失效的问题，提供了一种主从控制可变，具有多重备份技术为一体的多冗余可变 主从火灾预警监控系统，以及该系统的监控方法。
[0008] 本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：一种多冗余可变主 从火灾预警监控系统，包括若干主从自动调整控制节点、总监控主机、数据库和节点配置终 端，所述主从自动调整控制节点包括有控制器模块、双冗余网络模块、USB模块、存储模块和 火灾监控模块，所述双冗余网络模块、存储模块、USB模块和火灾监控模块分别与控制器模 块相连接，双冗余网络模块具有两个网络接口，每个网络接口各自连接到一个网络交换单 元上，两个网络交换单元之间相级联，所述节点配置终端分别与各控制节点的USB模块相 连接，数据库分别与节点配置终端和总监控主机相连，总监控主机还分别连接到两个网络 交换单元上，另外总监控主机连接至区域火灾监控网上。本发明中采用一种主从自动调整 控制节点，各控制节点初始为从节点，根据需求可随时挂接到监控网络上，并根据预设的优 先级能够自动调整自身的从属关系，最终将系统稳定在一个具有最高控制优先级的主控监 控节点的一主多从控制系统。与传统的主从设定好的控制系统相比，本发明在主控节点的 设置上无需人为预先进行设定，且避免了主控节点一旦发生故障后会导致该区域所有预警 监控失效的问题。另外控制节点的网络接口均采用了双网络接口方式，双冗余网络模块两 个网络接口分别连接至两个网络交换单元，在正常工作时，两个网络接口分别处于工作状 态和热备份状态，这样任何一个网络接口发生故障，该节点会自动切换到正常的网络接口， 另外若网络交换单元出现故障，各控制节点自动切换到与正常网络交换单元连接的网络接 口上，这样确保了网络传输在火警预警监控这种关键系统中的可靠性和有效性。火灾监控 模块用于对控制节点所在地方火灾情况进行检测，检测的信息通过控制器模块、总监控主 机发送至区域火灾监控网。数据库内存储有各控制节点的配置参数，并与总监控主机进行 数据共享，节点配置终端由数据库获取各节点的配置参数，节点配置终端对各控制节点进 行参数配置，存储模块对当前控制节点配置参数进行存储。控制器模块接收信息，对信息进 行处理，调整控制节点的主从关系，作为主控制节点时控制器模块接收所有从控制节点的 信息，作为从控制节点时控制器模块发送信息给主控制节点。在参数配置完成后通过双冗 余网络模块接入双冗余网络进行工作。总监控主机接收区域内主控制节点的信息，处理后 显示该区域火警预警信息。
[0009] 作为一种优选方案，所述火灾监控模块包括有火灾预警控制单元、温度传感器单 元、光电烟雾传感器单元和喷淋单元，所述温度传感器单元、光电烟雾传感器单元和喷淋单 元分别连接在火灾预警控制单元上，火灾预警控制单元连接至控制器模块。温度传感器检 测温度信息，光电烟雾传感器单元检测火灾产生的光、烟雾信息。火灾预警控制单元将检测 到的信息发送给控制器模块，同时还控制喷淋单元工作，喷淋单元工作进行喷水。
[0010] 一种多冗余可变主从火灾预警监控方法,采用权1或2任一项中的系统，包括 控制节点参数配置步骤：对各控制节点进行参数配置，分配到对应IP地址，各控制节 点上电工作，各控制节点首先对自身参数配置进行自检，配置检测通过后，加入相应的区域 组播网络； 控制节点主从关系调整步骤：在同一区域内的各控制节点持续进行有无主控制节点判 断，根据判断结果自动调整控制节点的主从关系，将该区域内监控网络始终处于稳定的一 主多从控制模式； 控制节点工作步骤：在控制节点参数配置步骤和具有主控节点后由主控制节点向所在 区域的从控制节点发送轮询控制指令，从控制节点接受并响应轮询控制指令，将信息上报 主控制节点，主控制节点将信息融合后上报至总监控主机；若无主控节点则进行控制节点 主从关系调整步骤后再继续； 控制节点故障处理步骤： 若从控制节点出现故障，主控制节点向区域内各从控制节点发送轮询控制指令，故障 的从控制节点不响应主控制节点轮询控制指令，主控制节点仍将自身监控数据与其余从控 制节点数据进行融合然后发送给总监控主机，总监控主机根据数据库中该区域已配置节点 情况，查询到出现故障的从控制节点并进行显示，产生缺失控制节点报警； 若主控制节点出现故障，区域内将无主控制节点，则区域内各控制节点进行主控制节 点有无判断步骤，然后由新的主控制节将自身监控数据与其余从控制节点数据进行融合然 后发送给总监控主机，总监控主机根据数据库中该区域已配置节点情况，查询到出现故障 的主控制节点并显示，产生主控制节点变化及缺失控制节点报警； 网络接口故障处理步骤：若控制节点出现网络接口故障，该控制节点的控制器模块查 询到故障，将网络接口进行切换，同时在下个主控制节点轮询时，将故障信息通上报至总监 控主机，总监控主机显示该控制节点存在网络接口故障； 网络交换单元故障处理步骤：若网络交换单元出现故障，各控制节点的控制器模块查 询到故障，将网络接口都切换至备份网络交换单元，总监控主机检测到网络交换单元故障 并进行显示。本发明能够对区域内各控制节点的从属关系进行自动调整，将监控网络始终 稳定在一主多从的控制模式，避免主控节点一旦发生故障后导致该区域所有预警监控失效 的问题。对控制节点出现故障进行处理，保证了区域内监控网络正常工作，并能准确检测出 故障控制节点并进行报警。另外对于网络接口和网络交换单元出现故障，能够自动切换至 正常工作的网络接口和网络交换单元，确保了网络传输在火警预警监控这种关键系统中的 可靠性和有效性。
[0011] 作为一种优选方案，控制节点参数配置步骤中对各控制节点进行参数配置包括所 属区域、控制节点名、控制节点安全等级、控制节点位置号的配置，设定区域监控网络的IP 地址段，并将IP地址段划分为三段分别对应高中低三种安全等级，并设定IP地址段最末位 地址越小主控制节点继承优先级越高，配置参数完成后控制节点分配到对应的IP地址，各 控制节点将配置参数进行存储，同时配置终端将各控制节点配置参数保存至数据库，建立 起对应的数据映射表。系统中所有控制节点在使用前均要进行相关参数的配置，根据所属 区域、控制节点名、控制节点安全等级、控制节点位置号，控制节点自动分配到一个对应的 IP地址。本方案将控制节点分类成三种安全等级，安全等级高的控制节点超时判断时间就 越短，有效突出了火灾预警防控体系中重点区域防控效果。
[0012] 作为一种优选方案，所述控制节点主从关系调整步骤中自动调整控制节点的主从 关系过程为：控制节点是否收到轮询控制指令，若有控制节点在其轮询超时时间内都没有 收到轮询控制指令，判断不存在主控制节点，优先级最高的控制节点继承为主控制节点，其 余的为从控制节点，则执行控制节点工作步骤，若控制节点收到轮询控制指令，判断存在主 控节点，则按正常执行控制节点工作步骤； 其中轮询超时时间为预先根据每个控制节点IP地址设定，轮询超时时间Te=k((IP地 址最末位）+1)，k为设定的主控制节点轮询指令周期时间值，IP地址最末位为控制节点的 IP地址最末位数值。在接入监控网络后默认情况下每个控制节点初始都为从控制节点。设 定每个控制节点轮询超时时间，在无主动节点轮询指令一段时间后，就会自动有从控制节 点不断继承主控制节点，使整个区域监控网络始终处于稳定的一主多从的控制模式。
[0013] 作为一种优选方案，控制节点主从关系调整步骤完成后还要进行多主竞争处理步 骤，其过程为：主控制节点是否收到轮询控制指令，若无则正常执行控制节点工作步骤，若 有则判断收到轮询控制指令原端IP是否为自身IP，若是则过滤正常执行控制节点工作步 骤，若否则与轮询控制指令原端IP进行比较，IP地址末位较小的控制节点维持现有的主控 制节点地位，IP地址末位较大的控制节点自动调整主从关系，下降为从控制节点。当监控 网络中相关控制节点自动调整主从关系时，可能会出现特殊情况，即该区域监控网络中有 多个从控制节点自动调整为主控节点，此时通过多主竞争处理步骤进行处理。与轮询控制 指令原端IP进行比较即对两个主控制节点的优先级进行比较，IP地址越小即末位数值越 小，优先级越高，最先成为主控制节点。
[0014] 因此，本发明的优点是：1.能自动调节主从关系，避免主控制节点出现故障预警 监控失效的问题。2.采用双网络接口方式，两个网络接口分别连接至两个网络交换单元，确 保了网络传输在火警预警监控这种关键系统中的可靠性和有效性。3.对重点防控区域进行 区分设置，更符合火灾预警防控体系的准则。

【专利附图】

【附图说明】
[0015] 附图1是本发明的一种结构框示图； 附图2是本发明的一种流程示意图； 附图3是本发明方法中多主竞争处理步骤的一种流程结构示意图； 附图4是本发明方法中主控制节点出现故障处理步骤的一种流程示意图。
[0016] 1-控制节点2-总监控主机3-数据库4-节点配置终端5-控制器模块6-存储 模块7-双冗余网络模块8-USB模块9-火灾监控模块10-火灾预警控制单元11-温度 传感器单元12-光电烟雾传感器单元13-喷淋单元14-网络交换单元15-区域火灾监控 网。

【具体实施方式】
[0017] 下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。
[0018] 实施例： 本实施例一种多冗余可变主从火灾预警监控系统，如图1所示，包括有多个控制节点 1、总监控主机2、数据库3、节点配置终端4和网络交换单元14。控制节点能自动调整主从 关系，其结构包括控制器模块5、存储模块6、双冗余网络模块7、USB模块8和火灾监控模块 9,其中火灾监控模块又包括火灾预警控制单元10、温度传感器单元11、光电烟雾传感器单 元12和喷淋单元13。双冗余网络模块、存储模块、USB模块和火灾预警控制单元分别与控 制器模块相连接，温度传感器单元11、光电烟雾传感器12和喷淋单元13分别连接到火灾预 警控制单元上。双冗余网络模块具有两个网络接口，网络交换单元具有两个，两个网络交换 单元相连接，双冗余网络模块每个网络接口各自连接到一个网络交换单元上。节点配置终 端分别与各控制节点的USB模块相连接，数据库分别与节点配置终端和总监控主机相连， 总监控主机还分别连接到两个网络交换单元上，另外总监控主机连接至区域火灾监控网15 上，该区域火灾监控网连接有多个这样的火灾预警监控系统。
[0019] 控制节点为自主研制设备，总监控主机采用自定制计算机，节点配置终端采用普 通的计算机，数据库为开源关系类型数据库MySQL。控制节点具有多个，数量根据应用需求 在1-200个之间任意调整，并能进行组网扩展。控制节点内的双冗余网络模块通过复用SPI 接口与控制器模块连接，完成节点双冗余网络备份功能。USB模块采用标准USB高速设备 连接方式与控制器模块连接，完成节点USB配置功能。火灾预警控制单元通过10方式与 控制器模块连接，完成相关火灾预警传感器的数据采集及喷淋单元的控制功能。存储模块 通过1C总线与控制器模块连接，完成节点配置参数的存储功能。本实施例中控制器模块 采用ST公司ARM Cortex-M3内核的STM32F103VET6控制器，双冗余网络模块采用10/100M 自适应以太网接口芯片ENC424J600,存储模块采用EEPR0M芯片AT24C16, USB模块采用 STM32F103VET控制器内置USB引擎控制单元。火灾监控模块中光电烟雾传感器单元采用独 立式光电感烟火灾探测报警器JTYJ-GD-2690/B，温度传感器单元采用多个数字温度传感器 DS18B20,喷淋单元采用电磁控制阀2W160。
[0020] 多冗余可变主从火灾预警监控系统的监控方法包括以下步骤，分别为控制节点参 数配置步骤、控制节点主从关系调整步骤、控制节点工作步骤、控制节点故障处理步骤、网 络接口故障处理步骤、网络交换单元故障处理步骤，以及多主竞争处理步骤。
[0021] 在系统进行前先要进行控制界定参数配置步骤，该步骤包括对控制节点进行参数 配置，分配到对应IP地址。参数配置包括所属区域、控制节点名、控制节点安全等级、控制 节点位置号配置。其中所属区域确定控制节点双冗余网络所属组播地址，控制节点名确定 控制节点名称，控制节点位置号以数字定义控制节点，控制节点安全等级用于确定节点自 身双冗余网络接口 IP地址、Port号。系统预先对IP地址进行划分使的与安全等级相对 应。本实施例中将安全等级分为高中低三个等级，则将IP地址划分为三段，假设系统以在 区域内设置200个IP地址为例，这些地址为C类地址192. 168. l.X，X=l、2、3......200,系统 将地址段末位1-50划分为高安全等级，51-100划分为中安全等级，101-200划分为低安全 等级，这样使得IP地址与安全等级相对应，另外IP地址末位数值越小优先级越高，即分配 到IP地址末位数值越小的控制节点继承主控制节点的继承权越高。在给控制节点配置所 属区域、控制节点名、控制节点安全等级、控制节点位置号参数后，配置控制终端为该控制 节点自动生成相应的IP地址。控制节点接收配置参数将其存储到存储模块EEPR0M中，同 时节点配置终端也会将该监控控制节点参数保存至数据库，建立起对应的数据映射表。
[0022] 各控制节点在分配到对应IP地址后，然后上电工作，各控制节点首先对自身参数 配置进行自检，如图1中所示，该过程为控制节点检测自身是否配置了配置参数，若无则触 发故障报警，由节点配置终端重新进行参数配置。若是则控制节点将根据存储在存储器模 块中的配置参数对网络接口进行初始化,建立网络连接并加入相应的区域组播网络，此时 各控制节点在默认情况下均为从控制节点。
[0023] 系统在控制节点接入监控网络工作并配置参数后，并具有主控制节点则进入控制 节点工作步骤，步骤包括主控制节点向所在区域的从控制节点发送轮询控制指令，从控制 节点接受并响应轮询控制指令，将信息上报主控制节点，主控制节点将信息融合后上报至 总监控主机；若无主控节点则进行控制节点主从关系调整步骤后再继续。
[0024] 主控制节点向区域内各从控制节点发送轮询控制指令、从控制节点上报主控制节 点指令，以及主控制节点与总监控主机之间互通的指令它们的报文结构为：

【权利要求】
1. 一种多冗余可变主从火灾预警监控系统，其特征在于：包括若干主从自动调整控 制节点（1)、总监控主机（2)、数据库（3)和节点配置终端（4)，所述主从自动调整控制节点 包括有控制器模块（5)、双冗余网络模块（7)、USB模块（8)、存储模块（6)和火灾监控模块 (9)，所述双冗余网络模块、存储模块、USB模块和火灾监控模块分别与控制器模块相连接， 双冗余网络模块具有两个网络接口，每个网络接口各自连接到一个网络交换单元（14)上， 两个网络交换单元之间相级联，所述节点配置终端分别与各控制节点的USB模块相连接， 数据库分别与节点配置终端和总监控主机相连，总监控主机还分别连接到两个网络交换单 元上，另外总监控主机连接至区域火灾监控网上。
2. 根据权利要求1所述的一种多冗余可变主从火灾预警监控系统，其特征是所述火灾 监控模块（9)包括有火灾预警控制单元（10)、温度传感器单元（11)、光电烟雾传感器单元 (12)和喷淋单元（13)，所述温度传感器单元、光电烟雾传感器单元和喷淋单元分别连接在 火灾预警控制单元上，火灾预警控制单元连接至控制器模块（5 )。
3. -种多冗余可变主从火灾预警监控方法，采用权1或2任一项中的系统，其特征在 于：包括 控制节点参数配置步骤：对各控制节点进行参数配置，分配到对应IP地址，各控制节 点上电工作，各控制节点首先对自身参数配置进行自检，配置检测通过后，加入相应的区域 组播网络； 控制节点主从关系调整步骤：在同一区域内的各控制节点持续进行有无主控制节点判 断，根据判断结果自动调整控制节点的主从关系，将该区域内监控网络始终处于稳定的一 主多从控制模式； 控制节点工作步骤：在控制节点参数配置步骤和具有主控节点后由主控制节点向所在 区域的从控制节点发送轮询控制指令，从控制节点接受并响应轮询控制指令，将信息上报 主控制节点，主控制节点将信息融合后上报至总监控主机；若无主控节点则进行控制节点 主从关系调整步骤后再继续； 控制节点故障处理步骤： 若从控制节点出现故障，主控制节点向区域内各从控制节点发送轮询控制指令，故障 的从控制节点不响应主控制节点轮询控制指令，主控制节点仍将自身监控数据与其余从控 制节点数据进行融合然后发送给总监控主机，总监控主机根据数据库中该区域已配置节点 情况，查询到出现故障的从控制节点并进行显示，产生缺失控制节点报警； 若主控制节点出现故障，区域内将无主控制节点，则区域内各控制节点进行主控制节 点有无判断步骤，然后由新的主控制节将自身监控数据与其余从控制节点数据进行融合然 后发送给总监控主机，总监控主机根据数据库中该区域已配置节点情况，查询到出现故障 的主控制节点并显示，产生主控制节点变化及缺失控制节点报警； 网络接口故障处理步骤：若控制节点出现网络接口故障，该控制节点的控制器模块查 询到故障，将网络接口进行切换，同时在下个主控制节点轮询时，将故障信息通上报至总监 控主机，总监控主机显示该控制节点存在网络接口故障； 网络交换单元故障处理步骤：若网络交换单元出现故障，各控制节点的控制器模块查 询到故障，将网络结构都切换至备份网络交换单元，总监控主机检测到网络交换单元故障 并进行显示。
4. 根据权利要求3所述的一种多冗余可变主从火灾预警监控方法，其特征是控制节点 参数配置步骤中对各控制节点进行参数配置包括所属区域、控制节点名、控制节点安全等 级、控制节点位置号的配置，设定区域监控网络的IP地址段，并将IP地址段划分为三段分 别对应高中低三种安全等级，并设定IP地址段最末位地址越小主控制节点继承优先级越 高，配置参数完成后控制节点分配到对应的IP地址，各控制节点将配置参数进行存储，同 时配置终端将各控制节点配置参数保存至数据库，建立起对应的数据映射表。
5. 根据权利要求3或4所述的一种多冗余可变主从火灾预警监控方法，其特征是所述 控制节点主从关系调整步骤中自动调整控制节点的主从关系过程为：控制节点是否收到轮 询控制指令，若有控制节点在其轮询超时时间内都没有收到轮询控制指令，判断不存在主 控制节点，优先级最高的控制节点继承为主控制节点，其余的为从控制节点，则执行控制节 点工作步骤，若控制节点收到轮询控制指令，判断存在主控节点，则按正常执行控制节点工 作步骤； 其中轮询超时时间为预先根据每个控制节点IP地址设定，轮询超时时间Te=k((IP地 址最末位）+1)，k为设定的主控制节点轮询指令周期时间值，IP地址最末位为控制节点的 IP地址最末位数值。
6. 根据权利要求3或4所述的一种多冗余可变主从火灾预警监控方法，其特征是控制 节点主从关系调整步骤完成后还要进行多主竞争处理步骤，其过程为：主控制节点是否收 到轮询控制指令，若无则正常执行控制节点工作步骤，若有则判断收到轮询控制指令原端 IP是否为自身IP，若是则过滤正常执行控制节点工作步骤，若否则与轮询控制指令原端IP 进行比较，IP地址末位较小的控制节点维持现有的主控制节点地位，IP地址末位较大的控 制节点自动调整主从关系，下降为从控制节点。
【文档编号】G08B17/00GK104299350SQ201410442005
【公开日】2015年1月21日 申请日期:2014年9月2日 优先权日:2014年9月2日
【发明者】丁霄 申请人:杭州航海仪器有限公司