摘  要: 介绍一种带标准报警探头接口、具有本地和全局联动功能的报警控制器。利用这种报警控制器的RS485接口组成的报警控制系统结构灵活、使用方便。由于采用基于退避算法" title="退避算法">退避算法的CSMA 随机接入和轮询" title="轮询">轮询相结合的通讯方式,该系统具有性能稳定、可靠等特点。

　　关键词: 本地联动  全局联动  退避算法

　　报警系统" title="报警系统">报警系统作为安全防范系统的重要组成部分,其自身在安全性、可靠性、智能化程度以及功能的完善等方面越来越受到人们的关注。

　　报警系统可分为单机独立式和联网式两大类。独立式报警器一般只有现场报警(带驱动警笛、频闪报警灯等外设)和自动拨号等功能,无法通过主控计算机对其进行远程布防、撤防等控制,也无法实现报警记录的存储、报警地点在电子地图上显示等功能,常用于家庭和其它对安防要求不高的场合。

　　联网式报警系统由控制中心和带联网功能的报警控制器组成。报警控制器与主控计算机的联网方式一般采用电话拨号方式和总线方式,其中总线方式联网的报警系统因其具有技术先进、实时性好、控制功能强等特点而得到越来越广泛的应用。本文介绍的智能化报警控制器就是利用总线联网方式,采用CSMA技术和轮询相结合实现报警信息的可靠传送,同时具有报警区域布防、撤防和本地联动等功能,在主控计算机支持下还可以实现全局联动功能。与传统的报警控制器相比,具有更高的可靠性和更强大的功能。

1 系统功能

　　为了保证报警控制器自身的安全性和安装方便,本报警控制器设有两路标准报警输入接口,可与各种报警探头(如红外、烟感、玻璃破碎探头)相连,能检测出报警、正常和线路故障三种状态。对探测到的信息进行分析处理,执行相应的本地联动,并直接发送给主控计算机,便可实现全局联动、主控计算机上警情显示和处理报警信息。同时,能根据主控计算机的命令实现布防和撤防。另外,本报警控制器还带有防拆开关接口,当安装报警控制器的机箱被非法打开时,立即向主控室发送报警信息。

    报警控制器上的两路继电器输出用于触发当地报警系统(声光报警设备)或其它紧急设备(如火灾报警时打开逃生门)。受主控计算机的控制,可以设置成常开、常闭和开启若干时间等模式。当本地联动被激活时,报警控制器的输入可以直接控制其继电器的输出状态。

　　报警控制器与主控计算机之间采用RS485方式联网。根据主控计算机的设定,可以工作在等待轮询或主动呼叫状态。在轮询状态下,报警控制器接收到输入端报警信息后,不主动发送,而是等待主控计算机轮询到该控制器时才将状态发送出去。这种方式比较可靠,但实时性略差。而在主动呼叫方式下,一旦收到报警信息,立即向主控计算机发送,实时性很强,但当系统内报警控制器数量太多,在同一时间内两个控制器同时发送报警信息时,就有通信堵塞的可能。为此,在设计报警控制器时,通过检测RS485总线状态,采用基于退避算法的CSMA(载波监听多点接入技术)随机接入方式通讯,大大地提高了系统的性能。

2 系统结构

　　本报警控制器的控制核心采用89C2051" title="89C2051">89C2051。利用89C2051自带的比较器和外围模拟开关" title="模拟开关">模拟开关配合组成报警回路状态监测电路,利用具有瞬变电压抑制的RS485收发器SN75LBC184实现设备间的通信,X25045可编程看门狗EEPROM 芯片用作看门狗和系统参数存储,同时提供状态可编程的两路三态输入、一路开关量输入和两路继电器输出。

　　系统原理框图如图1所示。

2.1 看门狗电路

　　看门狗复位电路选用 Xicor公司的X25045芯片。X25045是一种集看门狗定时器、电压监控和EEPROM为一体的多功能芯片。X25045通过三根总线工作的串行外设接口(SPI)和软件协议进行读写操作,节约了单片机的口资源。X25045的存储器部分是CMOS的4096位串行EEPROM,它在内部按512×8来组织。采用了Xicor公司专有的Direct WriteTM晶片,提供最小为100000周期/字节的使用期限和至少100年的数据保存期。

　　利用X25045的电压检测电路,可以保护系统免受低电压状况影响而产生误操作:当电压低于规定电压时,可以使系统保持在复位状态,直至电压恢复正常。

　　X25045的第三脚是写保护引脚,当其为低电平时,禁止对其内部EEPROM写数据；高电平时,允许写操作。本控制器利用X25045来保存系统的所有参数,利用X25045的写保护引脚,将系统分为编程模式和工作模式。控制器上电时首先判断工作在什么模式。在工作模式下,直接调用X25045中保存的参数运行,而在编程模式下才可以修改模块的地址和通信参数,从而提高了系统的安全性和可靠性。

2.2 报警探头三态检测电路

　　图2所示为报警探头状态检测电路。利用89C2051内部所提供的模拟比较器和外部多路模拟转换开关CD4052组成两路三状态报警探头的通用接口电路。P1.0和P1.1为89C2051的比较器输入端,P3.6为比较器的输出端(89C2051内部使用)。CD4052为双四选一模拟开关,A、B为通道选择输入,X、Y分别为模拟开关的两路输出。电阻R1、R2、R3、R4为比较器提供参考比较电压。改变P1.2和P1.3的输出电平,可以将报警探头线路状态分别和参考电压高值VH和低值VL进行比较,从而确定报警状态。  

　　报警探头一般都带有干触点继电器输出,在使用时要接终端[EOL]电阻。以报警发生时继电器触点闭合、正常状态下断开为例,分析一下报警探头1的检测原理:若设电阻R5与Rt阻值相等,V_s取5V,则在正常情况下,报警探头继电器触点断开,模拟开关输入端S1处电压为2.5V;当报警探头传输线路被短接或报警发生时(继电器触点闭合),S1处电压为0V;而当传输线路断路(如被剪断)时,S1处电压为5V。考虑到线路传输损耗,取参考电压高值V_H和低值VL分别为3.5V和1.5V。具体检测过程为:令模拟开关选择端AB=00,此时输出Y为报警探头1的线路电平,输出X为V_H,若P1.0电平大于P1.1电平,则线路处于断开状态;否则令AB=01,此时输出Y仍为报警探头1的线路电平,输出X为V_L,若P1.0电平大于P1.1电平,则报警探头处于正常状态,否则是处于报警状态。同理,改变A、B的电平可以检测出报警探头2的工作状态。

　　为了保证测量的准确性,实际检测线路上还有硬件滤波和过压过流保护电路,结合软件滤波措施,有效地消除了环境干扰可能产生的误报警。

2.3 通信总线接口

　　报警控制器提供了RS-485通讯接口。RS-485接口由具有瞬变电压抑制的RS-485收发器SN75LBC184及其外围保护电路组成。SN75LBC184是一种与SN75176差分数据收发器完全兼容的RS-485芯片,其片内的RS485收发端接有高能量瞬变干扰保护装置,能承受峰值为400W的瞬时过压;同时使用了限斜率驱动器,减少回波反射和电磁干扰的影响,适合在恶劣环境条件下工作;具有接收器输入端开路故障保护和热关断保护功能,可在总线上挂接64个收发器。

2.4 继电器输出接口

　　继电器输出接口主要用于本地和全局联动。在本地联动生效时,报警控制器检测到来自报警探头的报警信息后,根据控制器内的参数设置,按一定方式触发对应的继电器。当控制器接收到来自主控计算机的命令时,也可以对继电器实现操作,从而实现全局联动功能。

3 系统特点

3.1 系统参数可编程

　　通过控制器上的编程选择开关,可以选择系统运行于编程模式或工作模式。在编程模式下可以接收主控计算机发送的控制器设置参数,并将其保存到X25045中。这些参数将在工作模式下应用,这样即使由于某种原因使系统掉电而停止工作,但重新工作后,仍可按掉电前的工作模式运行而不需重新设置。

3.2 联动功能灵活方便

　　与其它的通用报警控制器相比,本系统通过状态和触发条件的可编程,提供了灵活的联动功能,可以根据联动机构的不同、应用场合的不同而设置不同的联动方式。回路上各个不同模块即使在通讯中断的情况下也可以独立完成本地联动,而在主控计算机干预下可以完成全局联动。联动状态、触发条件、继电器状态的灵活选择可以应用于各种领域、各种警讯处理的场合,使模块的适应性、通用性大大提高。

3.3 可靠的通信接口

　　RS-485总线传送距离远、速度快、抗干扰能力强,是工业现场广泛应用的通信标准。RS-485总线是一种半双工通信标准,支持总线方式多点互连,使其成为集散控制系统和现场总线控制系统中采用最多的通信和组网方法。采用RS-485总线连接多个站点,任一时刻只能有一个站点在“说”,其它站点只能处于“听”状态。如果有多于1个的站点在“说”,数据将在通信总线上碰撞,结果是处于接收状态的站点不能收到正确的数据。在RS-485总线通信网中,必须控制好每个站点的“听、说”状态,即收发状态,以保证能及时、正确地传输数据。系统处于上电复位阶段时,所有的485芯片都处于输出状态。若此时只有一台分机发送数据，由于485的功率和耗散功率接近，485芯片经常损坏。要解决这个问题，可以采用降低485的功率损耗的方法,如在485的A、B线分别串接100Ω的电阻,把功耗控制在安全范围之内。这种方法也解决了通信电路失控的问题。

　　CSMA采用附加的硬件装置,每个站在发送数据前监听其它的站是否发送数据。如正在发送,则此站就暂时不发送数据,减少了发生冲突的可能性,提高了整个系统的吞吐量。监听载波的策略方案中可分为非坚持CSMA和P坚持CSMA。非坚持CSMA即当监听到信道忙,就不再坚持下去,而是根据协议的算法延迟一随机的时间后重新监听;如载波监听发现信道空闲,则将准备好的数据发送出去。P坚持CSMA的特点是当监听到信道忙时,仍坚持听下去,一直坚持到信道空闲为止,然后以概率p发送数据,即延迟(1-p)T(T为端到端的单程延时)后重新监听信道;这样可以防止两台(或多于两台)控制器在监听到信道空闲后同时发送数据。P坚持CSMA可根据信道上通信量的多少来确定p的值,使信道的利用率进一步提高。

　　在大型报警系统中，挂接的分机数量很大，数据帧冲突的可能性非常大。采用载波监听多点接入技术的系统,除了必须考虑载波监测需要的硬件措施外,软件上采用截断二进制指数类型的退避算法决定重发帧所需的延时,在保持了系统稳定工作的的基础上,充分利用信道资源,提高了资源利用率。

　　采用截断二进制指数类型的退避算法决定重发帧所需的时延的计算步骤为:首先从离散的集合[0,1,....，2^K-1]中随机取一个数，设它为R;K=Min[重发次数，n],其中n为最大重发次数。重发所需的时延就是R倍的基本退避时间。当重发次数达到n次时,则丢弃该帧,并报警。

　　这种算法根据重发次数对退避时间加权,所以减小了冲突发生的可能性,即使采用1坚持(即p=1),仍能保持系统的稳定。

根据单片机的局限性和实际系统的需要,本报警控制器采用了1坚持,选择n=5。实践表明能够有效保证通讯的准确性,保证了系统的可靠工作和无误差传输。

4 系统软件实现方案

　　整个报警系统软件分为报警控制器底层软件和PC 机管理软件。底层软件采用模块化程序设计,利用C51编写。图3为报警控制器主程序流程图。图4为通讯子程序流程图。

参考文献

1 李 华,孙晓民.MCS-51系列单片机实用接口技术.北京:北京航空航天大学出版社,1993

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4 徐 平.王光能.KF-1型仓库监控管理系统. 测控技术,1997(6)

5 徐 平.HB-2住宅小区智能化报警监视系统.电气&智能建筑,2001(1)