提出采用兩級(jí)環(huán)形總線網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?、主?a target="_blank">通信方式的消防指示燈智能監(jiān)控系統(tǒng)。設(shè)計(jì)了用電池提供應(yīng)急電源的通信網(wǎng)關(guān)的總體結(jié)構(gòu)。采用單片機(jī)自帶的雙串口構(gòu)成兩個(gè)獨(dú)立光電隔離的RS-485 接口作為下級(jí)環(huán)形總線主站，實(shí)現(xiàn)與智能應(yīng)急標(biāo)志燈之間交換數(shù)據(jù)。利用單片機(jī)的SPI 接口功能和另一個(gè)單片機(jī)擴(kuò)展第三個(gè)獨(dú)立的光電隔離RS-485 接口，作為上級(jí)環(huán)形總線網(wǎng)絡(luò)的從站， 實(shí)現(xiàn)與監(jiān)控主機(jī)之間狀態(tài)和命令信息交換。給出了系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和基于Modbus 協(xié)議的通信軟件結(jié)構(gòu)。

隨著社會(huì)的發(fā)展， 大量高密度的特大型建筑不斷涌現(xiàn)， 導(dǎo)致火災(zāi)逃生通道更為復(fù)雜， 加大了火災(zāi)發(fā)生時(shí)的逃生難度。對(duì)于消防疏散而言， 怎樣在火災(zāi)發(fā)生時(shí)使逃生更安全、更準(zhǔn)確、更迅速， 正是時(shí)代對(duì)建筑防災(zāi)提出的新課題。目前消防應(yīng)急標(biāo)志燈大多作為單體存在， 無法依據(jù)火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)的變化， 動(dòng)態(tài)地調(diào)整逃生方向指示。此外，應(yīng)急標(biāo)志燈的日常維護(hù)和檢修也存在嚴(yán)重的滯后現(xiàn)象。

應(yīng)急標(biāo)志燈最主要的作用是能在發(fā)生火災(zāi)時(shí)應(yīng)急啟動(dòng)，而應(yīng)急啟動(dòng)的關(guān)鍵在于其電池充放電工作是否正常。依靠人力的維護(hù)和檢修， 難以及時(shí)發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品問題， 在發(fā)生火災(zāi)時(shí)往往會(huì)給逃生疏散指示帶來許多盲區(qū)。越來越高的公共安全要求使得消防應(yīng)急標(biāo)志燈從各自獨(dú)立工作發(fā)展為智能化消防應(yīng)急燈監(jiān)控系統(tǒng)。在火災(zāi)來臨之時(shí)，該系統(tǒng)能迅速、準(zhǔn)確地收集火警現(xiàn)場(chǎng)的信息， 智能地選擇最佳的逃生路線， 通過集中控制消防應(yīng)急燈具， 以光流、語(yǔ)音、頻閃形式， 從聽覺、視覺等感觀上引導(dǎo)人們正確逃生。系統(tǒng)還可以不間斷地巡檢智能應(yīng)急燈具運(yùn)行狀態(tài)， 及時(shí)發(fā)現(xiàn)燈具故障， 提高整個(gè)系統(tǒng)的可靠性和應(yīng)急安全性。

圖1 展示了采用雙環(huán)形總線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的消防應(yīng)急燈具智能監(jiān)控系統(tǒng)， 包括上位監(jiān)控計(jì)算機(jī)、中繼網(wǎng)關(guān)和智能消防應(yīng)急燈具三級(jí)， 通過兩級(jí)RS-485 環(huán)形總線進(jìn)行相互通信。所有的控制命令都由監(jiān)控計(jì)算機(jī)發(fā)出， 通過第一級(jí)總線環(huán)路傳送到中繼網(wǎng)關(guān)， 再由中繼網(wǎng)關(guān)通過第二級(jí)總線環(huán)路網(wǎng)絡(luò)傳遞至每個(gè)燈具， 燈具執(zhí)行命令后， 依次通過第二級(jí)、第一級(jí)環(huán)路返回執(zhí)行結(jié)果。在該系統(tǒng)中， 監(jiān)控計(jì)算機(jī)從火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)（FANS） 獲得火源信息， 智能決策選擇最優(yōu)逃生路線， 通過總線網(wǎng)絡(luò)將指令信息傳遞至中繼網(wǎng)關(guān)， 然后再由中繼網(wǎng)關(guān)發(fā)送至各燈具， 指示安全可靠的逃生通道。

總線型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單， 控制方便， 易于擴(kuò)展， 所以目前大多數(shù)消防和門禁系統(tǒng)都是采用這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。環(huán)形網(wǎng)絡(luò)還具有較好的可靠性， 如果環(huán)形總線在某處斷開， 則可分成兩個(gè)總線網(wǎng)絡(luò)， 分別連接到主站的兩個(gè)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(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)目煽啃浴杉?jí)環(huán)形總線結(jié)構(gòu)的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是， 多個(gè)環(huán)路可并行工作， 均衡并減輕單一總線上的通信負(fù)載。

在應(yīng)急狀態(tài)下， 應(yīng)急燈及其監(jiān)控系統(tǒng)有集中供電和獨(dú)立供電兩種方式。在應(yīng)急狀態(tài)下， 集中供電系統(tǒng)的每個(gè)燈具以及所有中繼網(wǎng)關(guān)都從同一個(gè)專用的應(yīng)急電源獲得工作電源， 而獨(dú)立供電系統(tǒng)的工作電源由每個(gè)燈具或網(wǎng)關(guān)自帶的電池提供。因此， 監(jiān)控電池的儲(chǔ)能性能及保證電池的可用性都至關(guān)重要。通過控制命令可以隨時(shí)檢測(cè)電池電壓， 也可每月每年定期檢查。

1 三端口網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)

1.1 總體結(jié)構(gòu)

在圖1 所示的應(yīng)急燈智能監(jiān)控系統(tǒng)中， 中繼網(wǎng)關(guān)作為上下兩級(jí)環(huán)路之間的聯(lián)絡(luò)， 是監(jiān)控計(jì)算機(jī)與燈具之間交換數(shù)據(jù)的中轉(zhuǎn)站， 其結(jié)構(gòu)和功能設(shè)計(jì)是整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容。

圖2 為獨(dú)立供電型中繼網(wǎng)關(guān)總體結(jié)構(gòu)圖。在主電狀態(tài)下， 通過市電獲得工作電源。在應(yīng)急狀態(tài)下， 由自帶電池提供工作電源。網(wǎng)關(guān)具有電源變換、電池充放電控制功能。在整個(gè)消防應(yīng)急系統(tǒng)中， 中繼網(wǎng)關(guān)可以通過平常的抽樣和制定燈具查詢?cè)摥h(huán)路燈具狀態(tài)， 與下位機(jī)節(jié)點(diǎn)通信時(shí)， 將發(fā)送第一個(gè)節(jié)點(diǎn)ID 而功能碼以及它們的數(shù)據(jù)項(xiàng)還有校驗(yàn)碼所形成的數(shù)據(jù)幀， 通過RS-485 總線發(fā)送到第一個(gè)節(jié)點(diǎn)上， 之后變?yōu)榻邮諣顟B(tài)， 接收第一個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送過來的數(shù)據(jù)幀并進(jìn)行解析。當(dāng)解析出下位機(jī)節(jié)點(diǎn)發(fā)送故障報(bào)警時(shí)， 將報(bào)警信息顯示在液晶顯示屏上， 并啟動(dòng)聲光報(bào)警。由于監(jiān)控主機(jī)程序中設(shè)有定時(shí)器， 因此，如果節(jié)點(diǎn)未能在一定的時(shí)間發(fā)送回?cái)?shù)據(jù)幀， 則提示異常， 提醒相關(guān)人員進(jìn)行檢查。如果未出現(xiàn)報(bào)警信息， 則再輪詢下一個(gè)節(jié)點(diǎn)。

系統(tǒng)使用主從通信協(xié)議， 兩級(jí)環(huán)形網(wǎng)絡(luò)都采用RS-485 總線。在系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲校?中繼網(wǎng)關(guān)作為第一級(jí)環(huán)路總線網(wǎng)絡(luò)的從站， 同時(shí)又是第二級(jí)環(huán)路的主站。中繼網(wǎng)關(guān)需要3 個(gè)串口，1 個(gè)負(fù)責(zé)接收監(jiān)控計(jì)算機(jī)命令以及把燈具和網(wǎng)關(guān)本身的信息整理后回饋， 另外兩個(gè)串口正好形成環(huán)路主站，1 個(gè)負(fù)責(zé)發(fā)送，1 個(gè)負(fù)責(zé)接收， 如果出現(xiàn)環(huán)路斷線， 則兩個(gè)都可以作為發(fā)送。

本設(shè)計(jì)中選擇具有兩個(gè)串口的單片機(jī)STC12C5A32S2（ 以下簡(jiǎn)稱STC12） 作為主要控制芯片， 它具有2 個(gè)異步串行接口（UART），1 個(gè)同步串行口（SPI）， 以及和普通單片機(jī)相同的256 B 的內(nèi)部RAM， 以及擴(kuò)展的1 024 B 的外部RAM， 還有28 KB 的EEPROM。較大的存儲(chǔ)空間方便燈具的連接以及大量數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)。把STC12 單片機(jī)自帶的兩個(gè)串口設(shè)計(jì)成1# 和2# RS-485 接口， 作為第二級(jí)環(huán)路的主站， 還需要擴(kuò)展另一個(gè)串口構(gòu)成0# RS-485 接口， 作為第一級(jí)環(huán)路的從站。

1.2 串口擴(kuò)展

串口擴(kuò)展的方式有：（1）硬件的擴(kuò)展方式。使用市面上對(duì)串口進(jìn)行擴(kuò)展的芯片（ 有SP2338DP，GM8123 系列）。

在這里對(duì)于幀的格式是不可編程的。（2）軟件模擬法?？筛鶕?jù)串行通信的傳送格式， 利用定時(shí)器和主機(jī)的I/O 口來模擬串行通信的時(shí)序， 以達(dá)到擴(kuò)展串口的目的。接收過程中需要檢測(cè)起始位， 這可以使用查詢方式或中斷方式進(jìn)行處理。接收和發(fā)送過程中， 對(duì)定時(shí)的處理既可以使用查詢方式也可以使用定時(shí)器中斷方式。而這種方法需要占用大量的CPU 時(shí)間， 只能用于功能簡(jiǎn)單的應(yīng)用中， 并不適合中繼網(wǎng)關(guān)這類功能復(fù)雜的設(shè)備。

綜合考慮成本和性能等因素， 本設(shè)計(jì)使用STC12 單片機(jī)的同步串行口（SPI） 和另一個(gè)帶有串口的單片機(jī)STC11F04E（ 以下簡(jiǎn)稱為STC11） 來擴(kuò)展串口， 其原理如圖3 所示。其中TX、RX 分別是串口的數(shù)據(jù)發(fā)送信號(hào)和數(shù)據(jù)接收引腳。RE 用于控制MAX485 的接收或發(fā)送狀態(tài)。

圖中下部分給出了光電隔離型RS-485 接口原理。3 個(gè)RS-485 接口使用相同的原理， 但3 個(gè)接口中MAX485芯片的工作電源是各自獨(dú)立的。

圖3 中，SCK、MISO、MOSI 分別是SPI 接口的時(shí)鐘信號(hào)、主站輸入信號(hào)、主站輸出信號(hào)。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(jī)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(jié)數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹修D(zhuǎn)站， 不進(jìn)行信息幀的校驗(yàn)、存儲(chǔ)和轉(zhuǎn)換。監(jiān)控計(jì)算機(jī)發(fā)出指令經(jīng)STC11 的串口接收， 通過SPI 發(fā)送至STC12 進(jìn)行處理。STC11 再通過SPI 接收返回信息， 然后通過串口發(fā)送至監(jiān)控計(jì)算機(jī)。設(shè)計(jì)中，STC12 通過在SPI_TX 引腳的輸出下降沿，告知STC11 啟動(dòng)模擬SPI 主站功能， 從STC12 的SPI 接口寄存器中讀取一個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)。

圖4 為單片機(jī)采用查詢方式的程序流程圖。RI、TI分別是串口接收標(biāo)志和發(fā)送標(biāo)志。TX_FLG =0 表示STC11 處于接收狀態(tài)，TX_FLG=1 表示發(fā)送狀態(tài)。子程序SPI_BYTE 實(shí)現(xiàn)模擬SPI 主站功能。

1.3 環(huán)形總線主站軟件結(jié)構(gòu)

在第二級(jí)環(huán)路通信中， 中繼網(wǎng)關(guān)作為環(huán)路主站， 由STC12 單片機(jī)的串口1 和串口2 構(gòu)成的兩個(gè)RS-485 端口實(shí)現(xiàn)。3 個(gè)通信端口分別設(shè)有獨(dú)立的接收（RX） 緩沖區(qū)、發(fā)送（TX） 緩沖區(qū)以及專用標(biāo)志寄存器。

實(shí)現(xiàn)環(huán)路通信主站的軟件結(jié)構(gòu)如圖5 所示。正常工作時(shí)， 兩個(gè)串口一個(gè)作為發(fā)送方， 另一個(gè)作接收方。比較接收方的接收數(shù)據(jù)與發(fā)送方的發(fā)送數(shù)據(jù)， 若相等則環(huán)路總線是通的；否則，總線出現(xiàn)斷路故障，用標(biāo)志位LP_BRK=1表示。

注： 串口工作周期包括串口發(fā)送過程和等待下位機(jī)接收過程和該串口接收三部分。

在 環(huán)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(huán)路斷線狀態(tài)下， 對(duì)每個(gè)燈具， 從串口2（ 或串口1） 發(fā)送命令， 若接收到正確應(yīng)答數(shù)據(jù)， 則記錄該燈具連接在該端口上， 用標(biāo)志位ON_COM2 =1 （ 或ON_COM1 =1） 表示； 若應(yīng)答信息超時(shí)或返回信息不正確， 則重發(fā)相同命令數(shù)據(jù)至多3 次， 仍然收不到正確應(yīng)答信號(hào)， 則判斷該燈具沒有連接在該發(fā)送端口上， 用ON_COM2=0（ 或ON_COM1=0） 表示。這樣， 根據(jù)每個(gè)燈具所連接串口的不同， 可以判斷環(huán)路斷線所在位置。

當(dāng)環(huán)路斷開時(shí)， 兩個(gè)串口都作為命令發(fā)送方， 整個(gè)環(huán)路分為兩個(gè)單總線結(jié)構(gòu)， 提高了網(wǎng)絡(luò)傳輸可靠性。

基于兩級(jí)RS485 總線環(huán)形通信網(wǎng)路的應(yīng)急燈智能監(jiān)控系統(tǒng)， 設(shè)計(jì)了三端口通信網(wǎng)關(guān)， 實(shí)現(xiàn)了監(jiān)控計(jì)算機(jī)與大量智能應(yīng)急燈之間命令和狀態(tài)信息交換， 監(jiān)控計(jì)算機(jī)管理整個(gè)系統(tǒng)， 網(wǎng)關(guān)負(fù)責(zé)傳遞發(fā)送至智能應(yīng)急燈的信息， 同時(shí)也將從燈具接收到的信息反饋至監(jiān)控計(jì)算機(jī)。

此外也可不通過監(jiān)控計(jì)算機(jī)直接控制該環(huán)路中的智能應(yīng)急標(biāo)志燈。經(jīng)調(diào)試， 所預(yù)設(shè)功能完全實(shí)現(xiàn)。