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（CANinAutomation）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]。
2.2CANOPEN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（SynchronizationObject）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。
2.3CANOPEN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。
3.智能消防水炮系統通訊模型的實現
3.1智能消防水炮節點硬件設計
整個消防水炮系統包含了十四個節點，它們構成一個CAN網絡。工業控制計算機為網絡主節點。由它來協調系統中各個分節點的動作。工控機通過一塊CAN通訊卡掛接在CAN網絡上。系統中一共包含了十二個消防炮分節點。在各個分節點中，包含一臺紅外CCD攝像機、一門消防水炮、兩臺步進電機和一臺直流電機。各個分節點中節點控制模塊的硬件系統如圖2所示。
CAN控制器采用了PHILIPS公司生產的應用于汽車和一般工業環境的獨立CAN總線控制器，它支持基本型CAN模式和增強型CAN模式。它具有完成高性能CAN通信協議所要求的全部必要特性。CAN總線驅動器80C250是CAN控制器和物理總線之間的接口，可以提供對總線的差動發送和接收功能。而且，CAN控制器SJA1000和CAN總線驅動器80C250之間是通過高速光耦TL113相連，這樣就很好的實現了總線上各個CAN節點間的電氣隔離。不過，光耦部分電路所采用的兩個電源必須也完全隔離，否則就失去了采用光耦的意義。
3.2節點對象字典的建立
網絡中的每個設備都需要有一個對象字典。在本系統中，有一個主節點和十三個從節點。在各個節點中都采用預定義連接集中規定的十一位ID。它由四位功能碼和七位節點ID組成。考慮到系統今后的可擴展性，設定十三個子節點的節點號為8-20.下面以主節點為例介紹對象字典的創建。
從節點需要能夠訪問主節點的對象字典，因此，主節點需要一個SDO。主節點需要向十三個從節點發送數據，因此需要十三個Tx—PDO和十三個Rx—PDO。每個PDO又由PDO通訊參數（PDOParameter）和PDO映射參數（PDOMapping）兩部分組成。如下表所示：
另外，主節點需要對網絡中的從節點進行管理，因此需要有管理對象（NMT）。系統還有緊急的信息需要發送，因此需要有一個緊急事件對象（EmergencyObject）。
一個節點的對象字典是在電子數據文檔（EDS：Electronicdatasheet)中描述的。節點本身只需要能夠提供對象字典中必需的對象以及其它可選擇、構成節點部分可配置功能的對象。
3.3節點軟件實現
節點的軟件從內容上可以分為一個組成部分：基本功能部分，包括節點的通訊初始化和硬件設備的初始化，定義和訪問對象字典，進行PDO通訊和SDO通訊；錯誤處理和節點的管理部分，當節點發生錯誤或者節點狀態發生改變時進行相應的操作；擴展功能部分，用于在系統的硬件發生變化時對節點的狀態和相關參數進行再設置。
3.4網絡初始化流程
CANopen網絡的初始化流程如圖3所示：
在智能消防炮網絡中，每個節點在上電和內部初始化后自動進入預操作狀態（Pre—operationalstate）。處于該狀態中的從節點可以通過SDO被配置參數，但不允許進行PDO通訊。工控機主節點可以通過NMT使各個從節點進入操作狀態（Operationalstate）。在操作狀態中，允許PDO通訊。主節點還可以使從節點進入停止狀態（StoppedState）。在停止狀態中，既不允許PDO通訊也不允許SDO通訊，節點可以專業做自己的事情。可以從停止狀態回到預操作狀態或者操作狀態。
4.結束語
智能消防水炮系統作為大空間建筑的重要消防設施，近年來越來越受到人們的重視。而CAN總線在各個領域都有很好的應用前景，CANopen是一種公開的協議。將CANopen應用層協議應用于消防水炮系統的設計中，不僅可以提系統通訊的效率和通訊的可靠性，而且能夠據推動智能消防水炮系統以CANopen協議為平臺標準化。
本文作者創新點：首次將CAN總線和CANopen協議應用于智能消防水炮系統的設計。