多火災(zāi)危險(xiǎn)特征信息采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

，，

(中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七一三研究所，鄭州 450015)

在損管系統(tǒng)中，信息采集系統(tǒng)是底層探測(cè)器、消防設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)與上層監(jiān)控箱之間通信的紐帶，起到承上啟下的作用。由于各個(gè)損管區(qū)域中探測(cè)器、消防設(shè)備數(shù)量眾多，采集的信息需要高效的整理并發(fā)送，才能使工作人員準(zhǔn)確、及時(shí)得到現(xiàn)場(chǎng)信息，進(jìn)行操作。

1 系統(tǒng)的構(gòu)建與設(shè)計(jì)

多火災(zāi)危險(xiǎn)特征信息采集系統(tǒng)通過(guò)各類型火災(zāi)傳感器探測(cè)子網(wǎng)，對(duì)防護(hù)區(qū)域內(nèi)布置的溫度傳感器、壓力傳感器、煙霧探測(cè)器、火焰探測(cè)器[1]等報(bào)警信號(hào)進(jìn)行采集和處理，同時(shí)對(duì)各消防設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)等信息進(jìn)行采集和處理，并將處理結(jié)果上傳至安全區(qū)域監(jiān)控子網(wǎng)，保障監(jiān)控臺(tái)接收到防護(hù)區(qū)域火災(zāi)危險(xiǎn)特征及消防設(shè)備狀態(tài)信息的實(shí)時(shí)性與可靠性。

在多火災(zāi)危險(xiǎn)特征信息采集系統(tǒng)中，信息數(shù)據(jù)可分為傳感器總線采集和開(kāi)關(guān)量采集兩大部分，其具體功能見(jiàn)圖1。

圖1 系統(tǒng)功能

由圖1中可見(jiàn)，該系統(tǒng)與各類火災(zāi)探測(cè)器之間的通信采用CAN總線通信，消防設(shè)備工作狀態(tài)等開(kāi)關(guān)量通過(guò)I/O進(jìn)行采集。系統(tǒng)主要完成的功能：

1)對(duì)傳感器進(jìn)行供電。

2)通過(guò)傳感器探測(cè)子網(wǎng)，對(duì)溫度、煙霧、火焰、艙門開(kāi)關(guān)、浸水高位等報(bào)警信號(hào)進(jìn)行采集和處理，并將處理結(jié)果上傳至安全監(jiān)控區(qū)域子網(wǎng)。

3)對(duì)防護(hù)區(qū)域內(nèi)消防設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)等進(jìn)行采集和處理，并將處理結(jié)果上傳至安全監(jiān)控區(qū)域子網(wǎng)。

4)對(duì)接入探測(cè)子網(wǎng)的所有傳感器進(jìn)行通信狀態(tài)檢測(cè)，判斷各傳感器的正常、故障與掉線狀態(tài)。

5)根據(jù)指令可點(diǎn)亮面板上相應(yīng)的指示燈進(jìn)行報(bào)警狀態(tài)顯示。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

根據(jù)多火災(zāi)危險(xiǎn)特征信息采集系統(tǒng)的功能需求，將該系統(tǒng)的硬件分為以下模塊進(jìn)行搭建：中央處理器模塊、電源模塊、探測(cè)總線接口模塊、開(kāi)關(guān)量采集模塊和通信接口模塊，硬件構(gòu)成見(jiàn)圖2。

圖2 信息采集系統(tǒng)硬件構(gòu)成

中央處理器模塊的設(shè)計(jì)主要包括SCM9022微處理器以及系統(tǒng)電源，系統(tǒng)時(shí)鐘電路，復(fù)位電路等。探測(cè)總線接口模塊由雙冗余CAN總線組成。開(kāi)關(guān)量采集模塊包含96通道基于TTL/CMOS的可編程數(shù)字I/O，3個(gè)獨(dú)立的16位、8 MHz計(jì)數(shù)器/定時(shí)器和靈活的中斷系統(tǒng)。通信接口模塊SysExpanModuleTM/CSD，包含4個(gè)光電隔離異步串行口、2個(gè)光電隔離非智能CAN-Bus接口和2個(gè)Ethernet 接口。

2.1 微處理器

SCM9022是基于Intel? AtomTMN455/D525處理器的超小型嵌入式核心模塊。作為Intel的Atom平臺(tái)，支持667/800 MHz DDR3內(nèi)存，同時(shí)該GPU包含一個(gè)更新的第三代圖形核心,并支持64位操作系統(tǒng)。SCM9022符合標(biāo)準(zhǔn)PC/104結(jié)構(gòu)尺寸，具有超小體積，超低功耗，抗惡劣環(huán)境堅(jiān)固設(shè)計(jì)，豐富的功能，支持多種總線擴(kuò)展，支持VxWorks操作系統(tǒng)，模塊功能和結(jié)構(gòu)多樣化。板載DDR3 1GB/2GB內(nèi)存、PATA SSD(2G/4G/8G可選)，并提供VGA、單通道LVDS、SATA接口、USB接口、10/100/1000Base-T以太網(wǎng)接口、Audio接口、6串口、PS/2鍵盤鼠標(biāo)、GPIO等豐富的IO接口。

2.2 外圍電路設(shè)計(jì)

2.2.1 電源模塊設(shè)計(jì)

主機(jī)電源為通用多路模塊電源，用于對(duì)機(jī)箱箱體內(nèi)部各板卡提供穩(wěn)定的電源，電源應(yīng)具有過(guò)流、短路、過(guò)壓保護(hù)功能。電源輸入為AC220V(±10%)、50 Hz(±5%)，功率為0.3 kW；電源輸出需滿足信息采集箱所有部件和元件所需電源要求，并對(duì)與之連接的傳感器、截止閥開(kāi)/關(guān)狀態(tài)I/O有源信號(hào)提供電源。

2.2.2 I/O模塊設(shè)計(jì)

單I/O尋址，提供90路開(kāi)關(guān)量輸入通道和6路開(kāi)關(guān)量輸出通道；具有光電隔離模塊，隔離電壓1 000 V；支持輸入信號(hào)最大頻率不小于5 kHz；輸出最大驅(qū)動(dòng)電流不小于150 mA；板級(jí)故障報(bào)警。

2.2.3 CAN模塊設(shè)計(jì)

1)具有2路獨(dú)立CAN接口。

2)支持CAN2.0B協(xié)議，通信速率可靈活設(shè)置，2個(gè)通道可同時(shí)獨(dú)立工作。

3)CAN接口光電隔離。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

多火災(zāi)危險(xiǎn)特征信息采集系統(tǒng)主要在VxWorks操作系統(tǒng)下，基于C語(yǔ)言開(kāi)發(fā)的一個(gè)實(shí)時(shí)性好、性能穩(wěn)定、移植性高的應(yīng)用軟件。整個(gè)系統(tǒng)由bootrom[2]、kernel[3]、文件系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)程序[4-5]、應(yīng)用程序等組成。

3.1 軟件設(shè)計(jì)流程

設(shè)計(jì)采用Inter-VxWorks方式，由 VxWorks實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)為嵌入式計(jì)算機(jī)提供底層軟件平臺(tái)的支持[6]。在信息采集系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)中采用多任務(wù)系統(tǒng)，系統(tǒng)啟動(dòng)后，根據(jù)功能需求建立任務(wù)，然后啟動(dòng)多任務(wù)調(diào)度模式，各個(gè)任務(wù)按照系統(tǒng)調(diào)度策略執(zhí)行[7]。任務(wù)按照狀態(tài)劃分為：休眠、就緒、運(yùn)行、掛起和堵塞[8]。一般，按照優(yōu)先級(jí)與任務(wù)需求決定任務(wù)的執(zhí)行順序。軟件主程序流程見(jiàn)圖3。

圖3 軟件主程序流程圖

系統(tǒng)啟動(dòng)后，首先初始化VxWorks啟動(dòng)操作系統(tǒng)，對(duì)CAN擴(kuò)展卡[9]、I/O擴(kuò)展卡進(jìn)行初始化，然后設(shè)定中斷服務(wù)程序并創(chuàng)建任務(wù)，最后進(jìn)入多任務(wù)調(diào)度，進(jìn)入工作狀態(tài)。

3.2 任務(wù)的劃分

合理的任務(wù)劃分能夠提高信息采集系統(tǒng)的運(yùn)行效率、實(shí)時(shí)性和吞吐量等。在信息采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，遵循如下的任務(wù)劃分原則。

在時(shí)間上，各個(gè)任務(wù)在執(zhí)行的過(guò)程中所需的周期條件具有不同的頻率和時(shí)間段；在異步性方面，各個(gè)任務(wù)具有相對(duì)的獨(dú)立性，依賴的條件沒(méi)有相互的時(shí)間關(guān)系；在優(yōu)先級(jí)的確定上，各個(gè)任務(wù)根據(jù)重要性確定不同的優(yōu)先級(jí)；在可維護(hù)性方面，各個(gè)任務(wù)可進(jìn)行單獨(dú)的調(diào)度，單一任務(wù)的出現(xiàn)的錯(cuò)誤不影響其他任務(wù)。

設(shè)計(jì)根據(jù)功能需求以及以上任務(wù)劃分原則，將信息采集系統(tǒng)的任務(wù)劃分如下。

1)探測(cè)器巡檢任務(wù)。Task_pollSensor()，負(fù)責(zé)對(duì)各探測(cè)器發(fā)送巡檢指令，命其上傳數(shù)據(jù)信息。

2)傳感器數(shù)據(jù)采集任務(wù)。Task_RecvSensor()，負(fù)責(zé)通過(guò)CAN總線接收探測(cè)器上傳的數(shù)據(jù)信息。

3)消防設(shè)備狀態(tài)采集任務(wù)。Task_ioDevCheck()，負(fù)責(zé)通過(guò)I/O采集各設(shè)備狀態(tài)信息。

4)信息處理任務(wù)。Task_DealData()，對(duì)通過(guò)探測(cè)器和I/O接受的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，判斷信息類型，然后發(fā)送相應(yīng)信號(hào)量通知相應(yīng)任務(wù)處于運(yùn)行狀態(tài)。

5)系統(tǒng)與上位機(jī)通信任務(wù)。Task_SG_Start()，將處理后的數(shù)據(jù)信息通過(guò)CAN總線上傳給上位機(jī)。

3.3 應(yīng)用軟件結(jié)構(gòu)

多火災(zāi)危險(xiǎn)特征信息采集系統(tǒng)軟件根據(jù)不同的功能，劃分為以下功能模塊：多火災(zāi)危險(xiǎn)特征采集模塊、消防設(shè)備狀態(tài)采集模塊、通信狀態(tài)檢測(cè)模塊、信號(hào)處理及上傳模塊以及報(bào)警控制模塊。將這些功能模塊分配到各個(gè)任務(wù)中實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的整體功能，體現(xiàn)了各個(gè)任務(wù)之間的運(yùn)作關(guān)系，見(jiàn)圖4。

圖4 應(yīng)用任務(wù)結(jié)構(gòu)

多火災(zāi)危險(xiǎn)特征信息采集系統(tǒng)由3級(jí)任務(wù)組合實(shí)現(xiàn)。①由信息采集系統(tǒng)啟動(dòng)入口進(jìn)入程序并初始化，采用時(shí)間片輪轉(zhuǎn)制度來(lái)實(shí)現(xiàn)探測(cè)器檢測(cè)、消防設(shè)備狀態(tài)檢測(cè)、報(bào)警控制3個(gè)并行任務(wù)；②進(jìn)入各自的數(shù)據(jù)處理子任務(wù)，將采集到的探測(cè)器、消防設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理；③按照預(yù)定的通信協(xié)議完成數(shù)據(jù)信息的實(shí)時(shí)上傳。

傳感器數(shù)據(jù)采集模塊實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)采集防護(hù)區(qū)域內(nèi)的溫度、溫度梯度、壓力、壓力梯度、煙霧、火焰等傳感器的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，并解析處理為對(duì)應(yīng)類型傳感器的報(bào)警狀態(tài)信號(hào)；消防設(shè)備狀態(tài)采集模塊實(shí)現(xiàn)了防護(hù)區(qū)域內(nèi)的消防系統(tǒng)、抑制系統(tǒng)、通風(fēng)系統(tǒng)等設(shè)備實(shí)時(shí)狀態(tài)的采集；通信狀態(tài)檢測(cè)模塊實(shí)現(xiàn)了所有傳感器的在線、掉線、故障狀態(tài)的判斷，并在主通信線路故障時(shí)無(wú)間斷地切換至備用線路；信號(hào)處理及上傳模塊實(shí)現(xiàn)了各類傳感器的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、報(bào)警狀態(tài)以及消防設(shè)備狀態(tài)信息的處理，并將處理后的信息按照預(yù)定通信協(xié)議上傳；報(bào)警控制模塊實(shí)現(xiàn)了防護(hù)區(qū)域的報(bào)警狀態(tài)在設(shè)備端的顯示與報(bào)警提示。

4 功能性能驗(yàn)證

根據(jù)多火災(zāi)危險(xiǎn)特征信息采集系統(tǒng)在硬件、軟件方面的設(shè)計(jì)成果，完成了樣機(jī)的生產(chǎn)，并通過(guò)陸上聯(lián)調(diào)試驗(yàn)，分別驗(yàn)證系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集效率、大數(shù)據(jù)量的丟包率、火災(zāi)識(shí)別判定的準(zhǔn)確率、數(shù)據(jù)上傳的實(shí)時(shí)性等，結(jié)果表明，均滿足系統(tǒng)功能性能指標(biāo)要求。

5 結(jié)論

以多火災(zāi)危險(xiǎn)特征信息采集系統(tǒng)作為研究對(duì)象，研究VxWorks嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)在火災(zāi)環(huán)境數(shù)據(jù)采集、處理、控制及通信功能中的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)信息采集系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性、可靠性、準(zhǔn)確性等要求。在完成硬件設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，開(kāi)發(fā)多火災(zāi)危險(xiǎn)特征信息采集系統(tǒng)的應(yīng)用軟件，目前系統(tǒng)已制成樣機(jī)并完成聯(lián)調(diào)試驗(yàn)，滿足系統(tǒng)功能性能指標(biāo)要求，系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，可移植性強(qiáng)，可廣泛應(yīng)用于損管系統(tǒng)各類數(shù)據(jù)的信息采集。