多火災(zāi)危險特征信息采集系統(tǒng)設(shè)計

，，

(中國船舶重工集團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)是底層探測器、消防設(shè)備運行狀態(tài)與上層監(jiān)控箱之間通信的紐帶，起到承上啟下的作用。由于各個損管區(qū)域中探測器、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，才能使工作人員準確、及時得到現(xiàn)場信息，進行操作。

1 系統(tǒng)的構(gòu)建與設(shè)計

多火災(zāi)危險特征信息采集系統(tǒng)通過各類型火災(zāi)傳感器探測子網(wǎng)，對防護區(qū)域內(nèi)布置的溫度傳感器、壓力傳感器、煙霧探測器、火焰探測器[1]等報警信號進行采集和處理，同時對各消防設(shè)備的運行狀態(tài)等信息進行采集和處理，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)控臺接收到防護區(qū)域火災(zāi)危險特征及消防設(shè)備狀態(tài)信息的實時性與可靠性。

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

圖1 系統(tǒng)功能

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

1)對傳感器進行供電。

2)通過傳感器探測子網(wǎng)，對溫度、煙霧、火焰、艙門開關(guān)、浸水高位等報警信號進行采集和處理，并將處理結(jié)果上傳至安全監(jiān)控區(qū)域子網(wǎng)。

3)對防護區(qū)域內(nèi)消防設(shè)備的運行狀態(tài)等進行采集和處理，并將處理結(jié)果上傳至安全監(jiān)控區(qū)域子網(wǎng)。

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

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

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

根據(jù)多火災(zāi)危險特征信息采集系統(tǒng)的功能需求，將該系統(tǒng)的硬件分為以下模塊進行搭建：中央處理器模塊、電源模塊、探測總線接口模塊、開關(guān)量采集模塊和通信接口模塊，硬件構(gòu)成見圖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)計主要包括SCM9022微處理器以及系統(tǒng)電源，系統(tǒng)時鐘電路，復位電路等。探測總線接口模塊由雙冗余CAN總線組成。開關(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個獨立的16位、8 MHz計數(shù)器/定時器和靈活的中斷系統(tǒng)。通信接口模塊SysExpanModuleTM/CSD，包含4個光電隔離異步串行口、2個光電隔離非智能CAN-Bus接口和2個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，支持667/800 MHz DDR3內(nèi)存，同時該GPU包含一個更新的第三代圖形核心,并支持64位操作系統(tǒng)。SCM9022符合標準PC/104結(jié)構(gòu)尺寸，具有超小體積，超低功耗，抗惡劣環(huán)境堅固設(shè)計，豐富的功能，支持多種總線擴展，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、GPIO等豐富的IO接口。

2.2 外圍電路設(shè)計

2.2.1 電源模塊設(shè)計

主機電源為通用多路模塊電源，用于對機箱箱體內(nèi)部各板卡提供穩(wěn)定的電源，電源應(yīng)具有過流、短路、過壓保護功能。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，并對與之連接的傳感器、截止閥開/關(guān)狀態(tài)I/O有源信號提供電源。

2.2.2 I/O模塊設(shè)計

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

2.2.3 CAN模塊設(shè)計

1)具有2路獨立CAN接口。

2)支持CAN2.0B協(xié)議，通信速率可靈活設(shè)置，2個通道可同時獨立工作。

3)CAN接口光電隔離。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

多火災(zāi)危險特征信息采集系統(tǒng)主要在VxWorks操作系統(tǒng)下，基于C語言開發(fā)的一個實時性好、性能穩(wěn)定、移植性高的應(yīng)用軟件。整個系統(tǒng)由bootrom[2]、kernel[3]、文件系統(tǒng)、驅(qū)動程序[4-5]、應(yīng)用程序等組成。

3.1 軟件設(shè)計流程

設(shè)計采用Inter-VxWorks方式，由 VxWorks實時操作系統(tǒng)為嵌入式計算機提供底層軟件平臺的支持[6]。在信息采集系統(tǒng)的軟件設(shè)計中采用多任務(wù)系統(tǒng)，系統(tǒng)啟動后，根據(jù)功能需求建立任務(wù)，然后啟動多任務(wù)調(diào)度模式，各個任務(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、運行、掛起和堵塞[8]。一般，按照優(yōu)先級與任務(wù)需求決定任務(wù)的執(zhí)行順序。軟件主程序流程見圖3。

圖3 軟件主程序流程圖

系統(tǒng)啟動后，首先初始化VxWorks啟動操作系統(tǒng)，對CAN擴展卡[9]、I/O擴展卡進行初始化，然后設(shè)定中斷服務(wù)程序并創(chuàng)建任務(wù)，最后進入多任務(wù)調(diào)度，進入工作狀態(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)的運行效率、實時性和吞吐量等。在信息采集系統(tǒng)的設(shè)計中，遵循如下的任務(wù)劃分原則。

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

設(shè)計根據(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)探測器巡檢任務(wù)。Task_pollSensor()，負責對各探測器發(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()，負責通過CAN總線接收探測器上傳的數(shù)據(jù)信息。

3)消防設(shè)備狀態(tài)采集任務(wù)。Task_ioDevCheck()，負責通過I/O采集各設(shè)備狀態(tài)信息。

4)信息處理任務(wù)。Task_DealData()，對通過探測器和I/O接受的數(shù)據(jù)進行處理，判斷信息類型，然后發(fā)送相應(yīng)信號量通知相應(yīng)任務(wù)處于運行狀態(tài)。

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

3.3 應(yīng)用軟件結(jié)構(gòu)

多火災(zāi)危險特征信息采集系統(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)檢測模塊、信號處理及上傳模塊以及報警控制模塊。將這些功能模塊分配到各個任務(wù)中實現(xiàn)系統(tǒng)的整體功能，體現(xiàn)了各個任務(wù)之間的運作關(guān)系，見圖4。

圖4 應(yīng)用任務(wù)結(jié)構(gòu)

多火災(zāi)危險特征信息采集系統(tǒng)由3級任務(wù)組合實現(xiàn)。①由信息采集系統(tǒng)啟動入口進入程序并初始化，采用時間片輪轉(zhuǎn)制度來實現(xiàn)探測器檢測、消防設(shè)備狀態(tài)檢測、報警控制3個并行任務(wù)；②進入各自的數(shù)據(jù)處理子任務(wù)，將采集到的探測器、消防設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)進行處理；③按照預(yù)定的通信協(xié)議完成數(shù)據(jù)信息的實時上傳。

傳感器數(shù)據(jù)采集模塊實現(xiàn)了實時采集防護區(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)測數(shù)據(jù)，并解析處理為對應(yīng)類型傳感器的報警狀態(tài)信號；消防設(shè)備狀態(tài)采集模塊實現(xiàn)了防護區(qū)域內(nèi)的消防系統(tǒng)、抑制系統(tǒng)、通風系統(tǒng)等設(shè)備實時狀態(tài)的采集；通信狀態(tài)檢測模塊實現(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無間斷地切換至備用線路；信號處理及上傳模塊實現(xiàn)了各類傳感器的實時數(shù)據(jù)、報警狀態(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；報警控制模塊實現(xiàn)了防護區(qū)域的報警狀態(tài)在設(shè)備端的顯示與報警提示。

4 功能性能驗證

根據(jù)多火災(zāi)危險特征信息采集系統(tǒng)在硬件、軟件方面的設(shè)計成果，完成了樣機的生產(chǎn)，并通過陸上聯(lián)調(diào)試驗，分別驗證系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集效率、大數(shù)據(jù)量的丟包率、火災(zāi)識別判定的準確率、數(shù)據(jù)上傳的實時性等，結(jié)果表明，均滿足系統(tǒng)功能性能指標要求。

5 結(jié)論

以多火災(zāi)危險特征信息采集系統(tǒng)作為研究對象，研究VxWorks嵌入式實時操作系統(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，實現(xiàn)信息采集系統(tǒng)的實時性、可靠性、準確性等要求。在完成硬件設(shè)計的基礎(chǔ)上，開發(fā)多火災(zāi)危險特征信息采集系統(tǒng)的應(yīng)用軟件，目前系統(tǒng)已制成樣機并完成聯(lián)調(diào)試驗，滿足系統(tǒng)功能性能指標要求，系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，可移植性強，可廣泛應(yīng)用于損管系統(tǒng)各類數(shù)據(jù)的信息采集。