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(xiàn)遠程控制和數(shù)據(jù)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(xiàn)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(xiàn)。
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(shù)據(jù)管理并與下位機系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)通信，實現(xiàn)總系統(tǒng)控制。本系統(tǒng)采集油庫數(shù)據(jù)，再根據(jù)油庫溫度控制降溫系統(tǒng)調(diào)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(xiàn)，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(shù)據(jù)采集電路和控制系統(tǒng)。水井的水位參數(shù)采集和水泵運行數(shù)據(jù)及電動閥控制由單片機無線收發(fā)器實現(xiàn)，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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)通信，由上位機進行數(shù)據(jù)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(xiàn)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(xiàn)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(shù)據(jù)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(xiàn)遠程控制和數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)采集、泵閥控制、故障報警、GPRS模塊、數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)采集。水泵的過程量、電壓相位和轉(zhuǎn)速及水井水位數(shù)據(jù)由傳感器統(tǒng)一采集。
(2)MCU運行控制。MCU采集數(shù)據(jù)后進行簡單處理，再根據(jù)ARM的命令控制水井水泵的調(diào)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(xiàn)場與ARM控制中心的數(shù)據(jù)交換。
(4)ARM水池水位參數(shù)和油庫溫度參數(shù)數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)采集后與設定的數(shù)值比較，根據(jù)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(xiàn)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)生成文件導出保存。
2 系統(tǒng)通信協(xié)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(shù)據(jù)采集及水泵控制通信利用GPRS實現(xiàn)，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(xiàn)。上位機與下位機的幀協(xié)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)成功。幀起始符和命令碼與發(fā)送命令相同，地址碼為00H，數(shù)據(jù)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(nèi)容一樣；(3)PC機向ARM讀取數(shù)據(jù)失敗。當信息碼出現(xiàn)5501H時，說明1#水池數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)通信，實現(xiàn)對水井取水遠程供水控制。當水池水位低于設定數(shù)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(nèi)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(nèi)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(nèi)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(zhuǎn)換，采用SSoP封裝。MCU串口由四芯屏蔽電纜連接,用MAX485進行數(shù)字電平轉(zhuǎn)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(xiàn)
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(nèi)核，提供任務調(diào)度與管理、時間管理、任務間同步與通信、內(nèi)存管理和中斷服務等功能。對于多任務系統(tǒng)，內(nèi)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(nèi)存映射表實現(xiàn)高效率的快速查詢。μC/OS-II首先初始化，利用函數(shù)OSInit()建立一個空閑任務（idle task），等待其他任務進入。當調(diào)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(xiàn)
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(shù)、水位與溫度數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)，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(nèi)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(xiàn)，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(shù)據(jù)處理并顯示。油庫溫度經(jīng)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(xiàn)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(shù)據(jù)和控制命令收發(fā)采用通用的RS485和無線RS485GPRS通信協(xié)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(zhuǎn)換。嵌入式系統(tǒng)將信號電平轉(zhuǎn)換為RS485工業(yè)通信標準接口，實現(xiàn)遠程數(shù)據(jù)交換及有效防止數(shù)據(jù)通信過程中的干擾。對于UART串口的驅(qū)動程序利用串口Uart_SendByte( )發(fā)送函數(shù)和串口Uart_Getch( )接收函數(shù)，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(shù)據(jù)
{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(shù)據(jù)
{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(shù)據(jù)協(xié)調(diào)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(xiàn)了遠程取水控制、消防降溫控制、故障分析與報警，以及數(shù)據(jù)記錄查詢的功能。同時系統(tǒng)的各種控制參數(shù)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(jīng)濟運行的控制系統(tǒng)，在實際生產(chǎn)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.