基于CANOPEN的智能消防水炮系統設計
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1.引言
在社會經濟高速發展的今天，高大空間建筑越來越多，如展覽中心、影劇院、體育場館、倉庫等。大空間建筑由于其本身結構特殊、設施復雜，火災隱患較多，而且發生火災后不易及時發現和有效撲救，往往會造成巨大的經濟損失和人員傷亡。考慮到其它滅火劑的性能和用量的要求，水滅火仍然是大空間建筑最好的滅火方式[1]。因此，對于大空間建筑來說，采用具有火災自動探測功能的智能消防水炮系統是一個較好的方案。
智能消防水炮系統的工作原理是通過前端探測系統采集現場紅外圖像，中央控制器采用圖像處理的手段對發生在控制區域內的火災進行偵測和定位，打開相應的聯動設備并控制水炮進入噴水滅火操作[2]。系統各部分分布于控制現場不同的位置，因此，各個部分之間的通信是保證整個系統能夠正常工作的前提。
CAN總線作為一種技術先進、可靠性高、成本低且功能完善的通訊控制方式，已被汽車電子、自動控制、智能樓宇等各個領域廣泛采用。但是CAN-Bus只規定了物理層和數據鏈路層，其本身并不是一個完整的協議，要進行高效率的通信，必須有高層協議的支持。CANOPEN是由從事工業控制的CIA（CAN in Automation）會員開發一種開放的、標準化的高層CAN協議。在近年來獲得了迅猛的發展，尤其是在歐洲，CANOPEN協議在基于CAN的工業系統中占領導地位[3]。依靠CANOPEN協議的支持，可以使不同廠商的設備通過總線進行配置，從而大大增強了CAN網絡的通用性。
將CANOPEN協議應用于智能消防炮系統中，不僅可以解決系統中各個部分之間的互聯問題，同時還可以提高整個系統通信的可靠性、實時性。此外，由于采用了CANOPEN協議，提高了整個系統的標準化開放化程度，因此，對整個系統進行擴充就更加方便。
2.CANOPEN協議的剖析
CANOPEN假定CAN網絡的節點硬件有ISO11898規定的一個CAN控制器和一個CAN收發器。該協議描述了標準的通訊機制、網絡管理及相關參數的設定等內容。
2.1CANOPEN的核心――對象字典
在CANOPEN中，引入了對象字典的概念。CANOPEN網絡中的每個節點都有一個對象字典，而且每個設備的對象字典具有相同的結構。對象字典描述了該設備和它的網絡行為的所有參數。它是一個有序的對象組，對象字典中的每個對象可以通過一個16位的主索引和一個8位的子索引來定位。
網絡節點的對象字典保存在電子數據單或者設備配置文件中，CAN總線不需要對每個節點的對象字典的全部功能都進行檢測，節點只需要能夠提供對象字典中必需的對象，以及其它可選擇的、構成節點部分可配置功能的對象[4]。
2.2 CANOPEN的通訊模式
CANOPEN協議中對總線上傳輸的數據進行了分類，即每一個傳輸數據都是某一特定類的對象，從而實現了面向對象的程序設計。在CANOPEN中定義了四類對象，分別是管理對象（NMT），服務數據對象（SDO），過程數據對象（PDO）和特殊功能對象。
2.2.1管理對象（NMT）
CANOPEN是基于主從式通訊模式的，所有從節點的工作都由網絡主節點來協調，管理對象用于網絡主節點對從節點監控和管理，完成諸如節點的初始化、節點參數配置、節點出錯保護等相關工作。
2.2.2服務數據對象（SDO）
服務數據對象用來建立兩個CANOPEN設備之間基于客戶/服務器機理的點對點通訊。通過服務數據對象，客戶方可以訪問服務器方的對象字典。一個服務數據對象用兩個帶有不同標識符的CAN數據幀。服務數據對象允許傳輸任意大小的數據，有兩種傳送機制，加速傳送機制用來一次傳送小于等于四個字節的數據，分段傳送機制用來傳送大于四個字節的數據。
2.2.3過程數據對象（PDO）
過程數據對象用來傳遞實時數據，它是CANOPEN最基本的數據傳送方式，數據傳送限制在1到8個字節。數據由一個生產者發出，可以有一個或者多個消費者。 PDO的通訊有兩種，讀PDO和寫PDO，寫PDO被映射到一個CAN數據幀，讀PDO被映射到一個CAN遠程幀，這個遠程幀被數據幀所響應。觸發PDO傳輸的方式有三種：事件或定時器觸發模式；遠程請求觸發模式；同步觸發模式。在節點的對象字典中，對每個PDO都有明確的描述，這樣，發送方和接收方都可以解釋PDO的具體內容。PDO的標識符具有高優先級以確保良好的實時性。
2.2.4特殊功能對象
CANopen提供了三個特殊功能對象，同步對象（Synchronization Object）時間戳對象（Time-Stamp）和緊急事件對象（Emergency）[5]。同步對象由同步發器定時廣播，用于PDO的同步通訊。 時間戳對象為應用設備提供一個微秒極的時鐘，使那些對時間要求十分苛刻的設備能夠精確同步。 緊急事件對象由設備內部出現致命的錯誤所觸發，由發生錯誤的設備以最高的優先級發送到網絡中的其它的設備，以通知其它設備不要再試圖和該設備通訊。
2.3 CANOPEN的設備模型
CANOPEN的設備模型可以分為三個部分：通訊接口及協議軟件、對象字典、過程接口和應用程序。其中，通訊接口和協議軟件提供通設備和總線之間的連接服務，對象字典描述了所有的數據類型、通訊對象和設備用到的應用對象，它提供了和應用軟件的接口，過程接口和應用程序提供了設備內部的控制機制。它們之間的關系如圖1所示。
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