摘  要： 研究了基于嵌入式技術的油庫消防給水控制核心系統(tǒng)原理和功能，配合微控制器實現遠程控制和數據采集，構建了其系統(tǒng)硬件結構，并基于嵌入式實時操作系統(tǒng)設計了相應的控制軟件，實現了油庫消防給水控制系統(tǒng)的安全性和可靠性。
 關鍵詞： 嵌入式；消防控制；通信

　　傳統(tǒng)的消防給水控制采用單片機控制技術只能應對簡單的控制，對于復雜環(huán)境就難以滿足控制要求。目前利用嵌入式技術，結合單片機和計算機技術，便能解決復雜環(huán)境的各種控制問題，有效減少了事故的發(fā)生。本文就是基于嵌入式技術，針對某油庫消防給水控制系統(tǒng)的實際控制環(huán)境，給出控制系統(tǒng)結構，分析系統(tǒng)控制功能，設計系統(tǒng)控制硬件，并進行了系統(tǒng)的軟件實現。
1 系統(tǒng)概述
　　油庫消防給水控制系統(tǒng)由上位機計算機系統(tǒng)和下位機嵌入式系統(tǒng)組成。上位計算機用于數據管理并與下位機系統(tǒng)進行數據通信，實現總系統(tǒng)控制。本系統(tǒng)采集油庫數據，再根據油庫溫度控制降溫系統(tǒng)調節(jié)油庫溫度，降溫系統(tǒng)由冷卻降溫系統(tǒng)和泡沫降溫系統(tǒng)雙控制系統(tǒng)組成。冷卻降溫系統(tǒng)由水冷實現，油庫消防用水來自消防用水水池，水池水又來自水井。水池和水井分處于鐵路兩邊。油庫消防用水水池設置有1#水池和2#水池，水井有水源A和水源B，水井和水池都設計相應的數據采集電路和控制系統(tǒng)。水井的水位參數采集和水泵運行數據及電動閥控制由單片機無線收發(fā)器實現，在計算機監(jiān)控端設置對應的無線收發(fā)器，解決遠程控制和數據采集。水池水位和油庫溫度利用多點傳感器采集，上位機與下位機通信采用RS485工業(yè)通信標準，從下位機嵌入式系統(tǒng)中集中采集，完成數據交換。對于冷卻降溫系統(tǒng)的井閥和泵閥、泡沫降溫系統(tǒng)的井閥和泵閥及水池供水控制的井閥由嵌入式控制系統(tǒng)直接控制，并通過嵌入式與上位機進行數據通信，由上位機進行數據管理。當冷卻降溫系統(tǒng)對油庫實施降溫后，油庫溫度仍繼續(xù)上升，發(fā)出報警并啟動泡沫降溫系統(tǒng)。當冷卻降溫系統(tǒng)和泡沫降溫系統(tǒng)的井閥與泵閥出現故障時，記錄分析設備故障部位與原因，并向監(jiān)控室報警，同時，任何時候都可以手動控制消防供水閥，實現無間斷消防供水。系統(tǒng)控制關系如圖1所示。

1.1  油庫消防控制系統(tǒng)
　　油庫消防控制系統(tǒng)包括下位機ARM、水泵控制子系統(tǒng)、水池水位監(jiān)測、油庫數據采集系統(tǒng)以及通信控制模塊等。以下位機嵌入式核心控制ARM920TDMIS3C2410X[1]為核心，結合MCU芯片CY8C24X33實現遠程控制和數據采集，完成下位機ARM和上位機PC機的通信以及系統(tǒng)各泵閥的控制。設置數據采集、泵閥控制、故障報警、GPRS模塊、數據接口和LCD顯示等功能，系統(tǒng)原理框圖如圖2。

1.2 油庫消防控制終端的功能
　　 (1)MCU數據采集。水泵的過程量、電壓相位和轉速及水井水位數據由傳感器統(tǒng)一采集。
　　 (2)MCU運行控制。MCU采集數據后進行簡單處理，再根據ARM的命令控制水井水泵的調速、開啟與停止。
　　(3)MCU與ARM通信。由無線GPRS通信實時保持MCU控制現場與ARM控制中心的數據交換。
　　(4)ARM水池水位參數和油庫溫度參數數據采集。水池水位分為A、B、C、D四檔水位顯示，每隔X分鐘讀取水池水位一次；通過設置在油庫四周的溫度傳感器，實時監(jiān)測油庫的溫度變化情況。
　　(5)ARM運行控制。ARM將水池水位和油庫溫度數據采集后與設定的數值比較，根據比較結果對水井泵的開啟、停止及切換水泵工作進行遠程控制，并配合冷卻降溫系統(tǒng)和泡沫降溫系統(tǒng)的開啟與關閉實現油庫溫度控制功能。
 　  (6)故障分析與報警功能。油庫溫度上升到預先設定值時，發(fā)出報警，并顯示溫度值。在降溫過程中，監(jiān)測冷卻降溫系統(tǒng)和泡沫降溫系統(tǒng)設備的故障、上傳故障等信息。當PC機收到設備故障信息代碼時，分析故障部位，顯示設備紅色故障，并播放報警聲音，記錄故障發(fā)生時間、故障原因和故障部位，等待解決。
　　(7)數據記錄和查詢。記錄值班人員對設備的巡查，檢查日期與時間，各泵閥的啟動、關閉時間及水池水位關閉工作狀態(tài)。查詢系統(tǒng)設備的工作狀態(tài)，并由數據生成文件導出保存。
2 系統(tǒng)通信協議
　　通用無線分組業(yè)務GPRS(General Packet Radio Service)是一種基于GSM系統(tǒng)的無線分組交換技術，提供端到端的、廣域的無線IP連接[2]。水井水位數據采集及水泵控制通信利用GPRS實現，嵌入式中央控制系統(tǒng)與上位機PC的通信采用RS485工業(yè)通信標準接口實現。上位機與下位機的幀協議的通信格式如表1。

　　系統(tǒng)在通信過程中幀傳輸以一個字符為傳輸單位，對字符的位定義為：1 bit起始位、8 bit數據位、1 bit停止位、無校驗位、波特率9 600 b/s。幀起始符固定為0xBFH，命令碼占1 B，地址碼為00H，其中最大地址范圍是00H～0FFH，而00H為PC機地址，數據長度為1 B，信息隨命令碼不同而不同；CRC16由地址碼、命令碼、數據長度和信息共16位循環(huán)冗余校驗碼組成，生成多項式為X-16+X12+X5+1，其中高8位在設置前，結束幀為固定的0xEFH。

　　系統(tǒng)中數據幀通信格式分為3種：(1)PC機發(fā)送命令。幀的起始符為0BFH，水池水位讀取用0A0H表示，水池地址編碼01H，數據長度01H，發(fā)送信息碼為00H，CRC16循環(huán)冗余校驗碼為2 B，水池水位讀取與檢測的結束幀用0EFH；(2)PC機向ARM讀取數據成功。幀起始符和命令碼與發(fā)送命令相同，地址碼為00H，數據長度為03H，信息碼為：AA0104H（0AAH表示接收CRC校驗成功，01H表示1#水池，04H表示第4檔水位），CRC16,結束幀與發(fā)送命令內容一樣；(3)PC機向ARM讀取數據失敗。當信息碼出現5501H時，說明1#水池數據上傳CRC校驗失敗并要求上位機PC把上次信息再發(fā)一遍。
3 控制系統(tǒng)設計
　　系統(tǒng)控制核心采用嵌入式控制芯片進行油庫數據交換并控制冷卻降溫系統(tǒng)和泡沫降溫系統(tǒng)，同時保持與MCU控制的無線GPRS數據通信，實現對水井取水遠程供水控制。當水池水位低于設定數值時，啟動水井A泵為1#池供水；當水池水位到達最高點時，停止水泵工作；當井內水位到達低水位點而水池還沒滿時，停止A泵，切換到水井B泵工作。當水池水位到達最高點時，停止水泵工作；當井內水位到達低水位點時也停止水泵工作，完成一次供水過程。X小時之內將不再啟動設備，用以保護設備無為地頻繁動作。MCU控制部分電路選用PSoC片上系統(tǒng)芯片CY8C24X33。CY8C24X33具有8 kB Flash和ADC轉換，采用SSoP封裝。MCU串口由四芯屏蔽電纜連接,用MAX485進行數字電平轉換成GPRS無線傳輸通信，這樣就解決了工業(yè)標準信號傳送的問題。MCU控制部分單元如圖3所示。

4  軟件系統(tǒng)設計與實現
4.1  操作系統(tǒng)
　　本系統(tǒng)采用μC/OS-II操作系統(tǒng)，它是一種基于優(yōu)先級可搶先的硬實時內核，提供任務調度與管理、時間管理、任務間同步與通信、內存管理和中斷服務等功能。對于多任務系統(tǒng)，內核給每項任務分配CPU時間，并且負責各任務之間的通信[4]。在ARM920S3C2410X處理器上移植μC/OS-II操作系統(tǒng)，對于控制設備的各種工作狀態(tài)，使用Ready隊列通過內存映射表實現高效率的快速查詢。μC/OS-II首先初始化，利用函數OSInit()建立一個空閑任務（idle task），等待其他任務進入。當調用OSStart()啟動多任務時，處于就緒態(tài)且優(yōu)先級最高的任務開始運行。
4.2 控制任務實現
　　油庫消防供水控制運行狀態(tài)的主要任務是完成水泵和電動閥的運行參數、水位與溫度數據采集及對設備故障的分析，將MCU控制水井設備運行所采集的數據和分析結果，通過無線GPRS發(fā)送給ARM控制系統(tǒng)，ARM核心控制匯集油庫、水池和MCU控制數據，并進行處理與分析上傳給上位機PC，同時簡單顯示泵閥和水池水位的各種運行狀態(tài)等實時信息。
　　系統(tǒng)采用32位ARM920TDMI內核的SamsungS3C2410X嵌入式微處理器和源碼開放的μC/OS-II操作系統(tǒng)平臺，系統(tǒng)控制程序大部分源代碼采用C語言編程，但仍需要用C語言和匯編語言混合編程，完成一些與處理器相關代碼。如主程序框架采用C語言編制，而讀寫處理器、寄存器和一些算法只能用匯編語言來實現，以提高代碼執(zhí)行效率和增加軟件的可讀性。
　　在主程序中，程序啟動后，自動執(zhí)行查詢命令，獲取每臺設備的當前狀態(tài)，加以數據處理并顯示。油庫溫度經過采集和濾波后，得到實際溫度值，如溫度大于初始設定溫度值，啟動相應的冷卻水降溫系統(tǒng)，此時油庫溫度如繼續(xù)上升，進一步啟動泡沫降溫系統(tǒng)，實現油庫消防降溫控制。主程序流程圖如圖4所示。

4.3 系統(tǒng)接口
　　系統(tǒng)選用嵌入式ARM920的S3C2410X芯片，它提供了3 個通道的異步串行通信(UART)，UART包括線控制寄存器、控制寄存器、錯誤狀態(tài)寄存器、接收/發(fā)送狀態(tài)寄存器、發(fā)送緩沖寄存器、接收緩沖寄存器和波特率因子寄存器[3]。由于系統(tǒng)數據和控制命令收發(fā)采用通用的RS485和無線RS485GPRS通信協議，而GPRS模塊與系統(tǒng)之間的通信利用系統(tǒng)的UART串口通信。因此，各系統(tǒng)在互相通信之間，都要進行電平轉換。嵌入式系統(tǒng)將信號電平轉換為RS485工業(yè)通信標準接口，實現遠程數據交換及有效防止數據通信過程中的干擾。對于UART串口的驅動程序利用串口Uart_SendByte( )發(fā)送函數和串口Uart_Getch( )接收函數，采用C語言編寫，其部分程序結構如下：
　　//main.c
　　Void Uart_SendByten(int Uartnum，U8 data)//發(fā)送數據
　　　　{If(Uartnum= =0)
　　　　{ While(!(rUTRSTAT0 & 0x4))；
　　　　　   hudelay(10)；
　　　　　   WrUTXH0(data)；
　　}
　　　　Eles
　　{ While(!(rUTRSTAT1 & 0x4))；
　　　　hudelay(10)；
　　　　WrUTXH1(data)；
　　}
 　　　　Eles
　　{ While(!(rUTRSTAT2 & 0x4))；
　　　　hudelay(10)；
　　　　WrUTXH2(data)；
　　　}
　　}
　　Char Uart_Getchn(char*Revdata，int Uartnum，int timeout)
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　//接收數據
　　{If(Uartnum= =0)
 　　　　{ While(!(rUTRSTAT0 & 0x1))；
　　　　　　*Revdata=RdURXH0()；
　　　　returnTRUE；
 　　}
   　　　Else{While(!(rUTRSTAT1 & 0x1))；

　　　　*Revdata=RdURXH1()；
　　　　returnTRUE；
  　　　}
   　  　Else{While(!(rUTRSTAT2 & 0x1))；
 　　　*Revdata=RdURXH2()；
 　　　returnTRUE；
   　 　 }
　　}
　　　本系統(tǒng)以32位高性能嵌入式ARM920TDMIS3C2410X芯片和實時多任務μC/OS-II操作系統(tǒng)為核心，用RS485工業(yè)通信標準接口與上位計算機進行數據協調處理，配合遠程MCU控制單元，有效地解決了復雜環(huán)境實時性和多任務之間的矛盾。系統(tǒng)實現了遠程取水控制、消防降溫控制、故障分析與報警，以及數據記錄查詢的功能。同時系統(tǒng)的各種控制參數集中處理，簡化了軟硬件設計，構建了低成本、高可靠性、多功能、安全經濟運行的控制系統(tǒng)，在實際生產生活中具有廣泛的應用價值和市場前景。
參考文獻
[1] Samsung Electronics CO.,Ltd.S3C2410X 32-Bit RISC   Microprocessor User,s manual.2003.
[2] 蔚承英，陳勇剛，楊利平，等.基于GPRS和嵌入式計算機的遠程監(jiān)控系統(tǒng)研究.無線通信技術，2007(4)：45-48.
[3] 熊茂華，楊震倫.ARM9嵌入式系統(tǒng)設計與開發(fā)應用.北京：清華大學出版社，2008.
[4] LABROSSE J J著.嵌入式實時操作系統(tǒng)μC/OS-II.邵貝貝譯.北京：北京航空航天大學出版社，2003.