基于Modbus通信的智能应急灯研制 - 学兔兔 www.bzfxw.com .pdf

2 0 1 0 年第1 2 期，第43 卷 总第2 2 8 期 通信技术 C o m m u n i c a ti o n sT e c h n 0 1 0 9 y V 0 1 4 3 ，N o 1 2 ，2 0 1 0 N o 2 2 8 ，T o t a ll Y 基于M o d b u s 通信的智能应急灯研制 杜少武，蔡宏蓓，储昭碧，张毅 ( 合肥工业大学电气与自动化工程学院，安徽合肥2 3 0 0 0 9 ) 【摘要】随着对公共安全要求的提高，消防应急照明系统趋向于智能化和网络化。设计了自带电源集中控制型智能消 防应急灯具，采用基于R S - 4 8 5 总线的M o d b u s 通信方式，具有主电电压、电池短路和开路、光源短路和开路状态检测以及声 光报警和应急控制等功能当主电连续供电一个月或一年后，可自动转为应急工作状态以测试灯具的应急功能是否完好，具 有现场与远程两种控制方式给出了系统结构以及实现主要功能的硬件和软件结构。 【关键词】智能应急灯：短路和开路监测；电池充放电；M o d b u s 通信 【中图分类号】T P 2 1 6 1【文献标识码】A【文章编号】1 0 0 2 - 0 8 0 2 ( 2 0 1 0 ) 1 2 - 0 1 5 5 - 0 3 D e s i g no fM o d b u s b a s e dI n t e l1i g e n tE m e r g e n c y L u m i n a r y D eS h a o W U ，C A IH o n g b e i ，C H UZ h a o b i ，Z H A N GY i ( S c h o o lo fE 1 e c t r i c a lE n g i n e e r i n ga n dA u t o m a t i o n ，H e f e iU n i v e r s i t yo fT e c h n o l o g y H e f e iA n h u i2 3 0 0 0 9 ，C h i n a ) A b s t r a c t A l o n gw i t ht h ei n c r e a s i n gd e m a n do fp u b l i cs e c u r i t y ，t h ef i r ee m e r g e n c yl i g h t i n gs y s t e mh a sa t r e n do fi n t e l l i g e n c ea n dn e t w o r k A ni n t e l l i g e n tf i r ee m e r g e n c yl u m i n a r yp o w e r e db ys e l f c o n t a i n e db a t t e r ya n d c o n t r 0 1 l e db yc e n t r a lc o n t r o lp a n e li sd e s i g n e d ，w h i c ha d o p t sR S 一4 8 5 一b a s e dM o d b u sc o m m u n i c a t i o nm o d e ，a n dh a s s u c hf u n c t i o n sa sd e t e c t i o no f m a i np o w e r s u p p l yv o l t a g e ，b a f f e r ys h o r t c i r c u i ta n do p e n C i r c u i t ，1 i g h t s o u r c e s h o r t c i r c u i ta n do p e n c i r c u i t ，i n c l u d i n gv o i c e 一1 i g n ta l a r m i n ga n de m e r g e n c yc o n t r 0 1 W h e nm a i np o w e ro p e r a t e s f o rm o r et h a no n em o n t ho roney e a rs u c c e s s i v e l y ，t h el u m i n a r yc o u l db ea u t o m a ti c a ll yt r a n s f o r m e di n t oe m e r g e n c y s t a t e ，t h u st ot e s tw h e t h e rt h ef u n c t i o no f1 i g h t i n gi So ko rn o t T h el u m i n a r yc o u l db ec o n t r o l l e db yo n s p o t m o d ea n dr e m o t em o d e T h el u m i n a r ys t r u c t u r ea n dt h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r es t r u c t u r ef o ri m p l e m e n t a ti o no fm a i n f u n c t i o n sa r eg i v e n K e yw o r d s i n t e l l i g e n te m e r g e n c yl u m i n a r y ：m o n i t o r i n go f s h o r t c i r c u i ta n do p e n c i r c u i t ：b a t t e r yc h a r g e a n dd i s c h a r g e ：M o d b u s b a s e dc o m m u n i c a t i o n 0 引言 随现代社会的发展，一方面大型的杜会活动越来越多。 人员密度越来越大，而另一方面许多公共建筑的面积趋于大 型化而结构趋于复杂化，这些因素都对公共安全的保障提出 更高的要求。在事故发生以后，运用高科技的技术手段和智 能化的监控系统，根据现场的具体情况，引导人员尽快逃离 事故现场，最大限度减少事故伤害程度，具有重要意义。 但就目前来看，市场上的应急灯大多数不能实现通信上 的关联。在应急状态下，不能根据判断对正确逃生方向进行 收奠日期，2 0 1 0 - 0 5 - 0 7 作者俺介l 杜少武( 1 9 6 5 - ) ，男博士硕士生导师，主要研宄方向为 电力电子与特种电源技术l 蔡宏蓓( 1 9 8 5 - ) ，女硕士主 要研宄方向为超大规模集成电路：储昭碧( 1 9 7 0 一) 男。博 士主要研宄方向为智能仪表现场总线I 张毅( 1 9 8 0 - ) 女硕士。讲师主要研究方向为计算机软件。 指示。且一旦灯具本身发生了故障，只有在故障现场才能发 现，难于进行集中管理【I 】，这对于拥有多达上千只灯具的大 型高层建筑来说，不能及时检测到故障，发生紧急事故时， 势必带来很大的危险，危及人民群众的生命安全( 2 1 。 因此，有必要把若干的灯具组成一个智能应急照明监控 系统，赋予系统中的每个灯具不同的编号。系统中的应急灯 实时的把自己运行状态，通过通信方式发送到监控计算机 中。这样通过监控计算机的显示器，就可以观察整个通信 网上灯具的运行状态及故障情况。该系统还可通过接口与火 灾等消防监测系统互联，根据火灾等事故的具体状况，优化 选择安全和快捷的逃生路线，并发出信号控制应急灯具标示 正确的撤退方向，使撤退效率和公共全性都得到显著提高。 实现这一目标的前提，是具有通信功能的智能应急灯具。 1 5 5 万方数据 考虑结构如图1 所示的自带电源集中控制型应急灯。可 以完成对自带电池短路和开路检测、光源短路和开路状态检 测以及声光报警和应急控制。由于是远距离数据传送控制， 将R S 一2 3 2 转换成R S - - 4 8 5 协议进行远距离传输。然后通过 R S - 4 8 5 通信接口，把当前自身的运行状态，故障及其原因等 一系列信息组织起来反馈给上位机，并且能接收监控系统操 作主机传送的强制操作命令。该设计进一步扩展应急灯的功 能，可弥补目前市场上应急灯性能方面的一些不足。下面介 绍主要功能及其实现方法。 E 电电源 M A X 4 8 5 l 电源变换I 卡电电压I l 状态显示 芯片 自 1 充电控制l 带 微控制器光电隔离 l 乜 l 放电控制I 池 标志控制lf 照明控制ll 按键开关I I 电池电压J 图1 自带电源集中控制应急灯结构 1 状态检测与控制功能 本设计中的应急灯由电源和控制两大部分构成。电源部 分由框图中的电源变换模块构成，完成的功能是将作为主电 的交流市电和作为应急电源的3 6V 自带电池转换成两路相 互隔离的独立直流电源，+ 5 7v 和+ 5 0V ，分别提供控制部 分的C P U 单元和通信接口单元。当主电电压低于标称电压 2 2 0 V A C 的8 0 时，电源模块切断直流输出，转换为应急电 源供电。控制部分包括电池充放电单元，检测单元，通信 单元。 这里选用宏晶公司的S T C l 2 C 5 2 0 4 A D 单片机作为控制 部分的核心。检测单元需检测的主要内容为：主电欠压、电 池电压，以及光源的短路和开路。这些值都利用单片机的模 数转换( A D C ) 功能实现。 主电检测方法如下。如图2 所示，经过转换后的主电电 压+ 5 7V 经过分压电阻接地，主电电压检测脚( P O F F ) 接在 单片机的I O 端口上，正常时P O F F 为高电平，而主电欠压后， P O F F 等于低电平。程序中将每次采样到的P O F F 存入规定寄 存器的最低位，每放1 次。将寄存器不带进位的左移l 位， 检测满8 次后，判断寄存器中的值是否全为0 或0 F F H ，作为 主电电压正常与否的判断依据，以提高抗干扰能力。 + 5 7V 、 拽端V ，R t 四墼殁堕：竺， r 一，、 兰，铷R s IkQBTI： 仍宰 一一r 一- j 一 ， ，j 、，广二= ：广“z 充电l o 娥? ) u： 充电2 凡5 1 0 Q ：西l+ = Q 3j _ 一。、1 1 、1 1 4 0 0 4 k s 5 0 、一 电池电压垫型墨! ! ! 堕 一_ 凡l t Ik n 光源检测 光源控制 图2 电池与光源检测和控制电路 1 5 6 电池B T I 开路与短路监测，通过C P U 模拟量输入引脚 检测V B A T 处的电压数值来判断。当电池B T l 短路时，相当 于直接接地，V B A T 处的电压接近0V ，如果电池或光源开 路时，V B A T 接近+ 5v 。模拟信号必须经过A D 转换后才能 为单片机所接受，若仅采样一次，无法决定该结果是否可信， 必须多次采样f 所以设计中采用取测量值的平均值作为检 测依据。在检测电池电压和光源电压时，将8 次转换后的相 加，然后取8 次测量的平均值作为判断标准，其中，求8 次 平均值是通过将8 次检测值的和右移3 位的方式。其优点是 抗扰动量能力增强，检测结果更可靠。 电流的充放电电路由开关三极管Q l 和Q 2 、开关二极管 D I 以及电阻凡、尺7 、风、尺l o 组成。在主电供电情况下，通 过控制C P U 的两个引脚输出C H G I 、C H G 2 的高低电平状态， 可以控制对电池的涓流充电、快速充电和不充电三种工作状 态。因为镍镉电池( N i C d ) 具有良好的充放电性能【4 】，所以 设计中选用了三节串联起来的镍镉充电电池。总电压为 3 6V 。充电时检测V B A T 的电压，电池电压高于4 2V ，则 停止充电，以防止电池过冲情况。由图2 可以看出，主电正