多火災危險特征信息采集系統設計

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(中國船舶重工集團公司第七一三研究所，鄭州 450015)

在損管系統中，信息采集系統是底層探測器、消防設備運行狀態與上層監控箱之間通信的紐帶，起到承上啟下的作用。由于各個損管區域中探測器、消防設備數量眾多，采集的信息需要高效的整理并發送，才能使工作人員準確、及時得到現場信息，進行操作。

1 系統的構建與設計

多火災危險特征信息采集系統通過各類型火災傳感器探測子網，對防護區域內布置的溫度傳感器、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，同時對各消防設備的運行狀態等信息進行采集和處理，并將處理結果上傳至安全區域監控子網，保障監控臺接收到防護區域火災危險特征及消防設備狀態信息的實時性與可靠性。

在多火災危險特征信息采集系統中，信息數據可分為傳感器總線采集和開關量采集兩大部分，其具體功能見圖1。

圖1 系統功能

由圖1中可見，該系統與各類火災探測器之間的通信采用CAN總線通信，消防設備工作狀態等開關量通過I/O進行采集。系統主要完成的功能：

1)對傳感器進行供電。

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

3)對防護區域內消防設備的運行狀態等進行采集和處理，并將處理結果上傳至安全監控區域子網。

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

5)根據指令可點亮面板上相應的指示燈進行報警狀態顯示。

2 系統硬件設計

根據多火災危險特征信息采集系統的功能需求，將該系統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、開關量采集模塊和通信接口模塊，硬件構成見圖2。

圖2 信息采集系統硬件構成

中央處理器模塊的設計主要包括SCM9022微處理器以及系統電源，系統時鐘電路，復位電路等。探測總線接口模塊由雙冗余CAN總線組成。開關量采集模塊包含96通道基于TTL/CMOS的可編程數字I/O，3個獨立的16位、8 MHz計數器/定時器和靈活的中斷系統。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。SCM9022符合標準PC/104結構尺寸，具有超小體積，超低功耗，抗惡劣環境堅固設計，豐富的功能，支持多種總線擴展，支持VxWorks操作系統，模塊功能和結構多樣化。板載DDR3 1GB/2GB內存、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 外圍電路設計

2.2.1 電源模塊設計

主機電源為通用多路模塊電源，用于對機箱箱體內部各板卡提供穩定的電源，電源應具有過流、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/關狀態I/O有源信號提供電源。

2.2.2 I/O模塊設計

單I/O尋址，提供90路開關量輸入通道和6路開關量輸出通道；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；輸出最大驅動電流不小于150 mA；板級故障報警。

2.2.3 CAN模塊設計

1)具有2路獨立CAN接口。

2)支持CAN2.0B協議，通信速率可靈活設置，2個通道可同時獨立工作。

3)CAN接口光電隔離。

3 系統軟件設計

多火災危險特征信息采集系統主要在VxWorks操作系統下，基于C語言開發的一個實時性好、性能穩定、移植性高的應用軟件。整個系統由bootrom[2]、kernel[3]、文件系統、驅動程序[4-5]、應用程序等組成。

3.1 軟件設計流程

設計采用Inter-VxWorks方式，由 VxWorks實時操作系統為嵌入式計算機提供底層軟件平臺的支持[6]。在信息采集系統的軟件設計中采用多任務系統，系統啟動后，根據功能需求建立任務，然后啟動多任務調度模式，各個任務按照系統調度策略執行[7]。任務按照狀態劃分為：休眠、就緒、運行、掛起和堵塞[8]。一般，按照優先級與任務需求決定任務的執行順序。軟件主程序流程見圖3。

圖3 軟件主程序流程圖

系統啟動后，首先初始化VxWorks啟動操作系統，對CAN擴展卡[9]、I/O擴展卡進行初始化，然后設定中斷服務程序并創建任務，最后進入多任務調度，進入工作狀態。

3.2 任務的劃分

合理的任務劃分能夠提高信息采集系統的運行效率、實時性和吞吐量等。在信息采集系統的設計中，遵循如下的任務劃分原則。

在時間上，各個任務在執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，各個任務具有相對的獨立性，依賴的條件沒有相互的時間關系；在優先級的確定上，各個任務根據重要性確定不同的優先級；在可維護性方面，各個任務可進行單獨的調度，單一任務的出現的錯誤不影響其他任務。

設計根據功能需求以及以上任務劃分原則，將信息采集系統的任務劃分如下。

1)探測器巡檢任務。Task_pollSensor()，負責對各探測器發送巡檢指令，命其上傳數據信息。

2)傳感器數據采集任務。Task_RecvSensor()，負責通過CAN總線接收探測器上傳的數據信息。

3)消防設備狀態采集任務。Task_ioDevCheck()，負責通過I/O采集各設備狀態信息。

4)信息處理任務。Task_DealData()，對通過探測器和I/O接受的數據進行處理，判斷信息類型，然后發送相應信號量通知相應任務處于運行狀態。

5)系統與上位機通信任務。Task_SG_Start()，將處理后的數據信息通過CAN總線上傳給上位機。

3.3 應用軟件結構

多火災危險特征信息采集系統軟件根據不同的功能，劃分為以下功能模塊：多火災危險特征采集模塊、消防設備狀態采集模塊、通信狀態檢測模塊、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中實現系統的整體功能，體現了各個任務之間的運作關系，見圖4。

圖4 應用任務結構

多火災危險特征信息采集系統由3級任務組合實現。①由信息采集系統啟動入口進入程序并初始化，采用時間片輪轉制度來實現探測器檢測、消防設備狀態檢測、報警控制3個并行任務；②進入各自的數據處理子任務，將采集到的探測器、消防設備狀態數據進行處理；③按照預定的通信協議完成數據信息的實時上傳。

傳感器數據采集模塊實現了實時采集防護區域內的溫度、溫度梯度、壓力、壓力梯度、煙霧、火焰等傳感器的監測數據，并解析處理為對應類型傳感器的報警狀態信號；消防設備狀態采集模塊實現了防護區域內的消防系統、抑制系統、通風系統等設備實時狀態的采集；通信狀態檢測模塊實現了所有傳感器的在線、掉線、故障狀態的判斷，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了各類傳感器的實時數據、報警狀態以及消防設備狀態信息的處理，并將處理后的信息按照預定通信協議上傳；報警控制模塊實現了防護區域的報警狀態在設備端的顯示與報警提示。

4 功能性能驗證

根據多火災危險特征信息采集系統在硬件、軟件方面的設計成果，完成了樣機的生產，并通過陸上聯調試驗，分別驗證系統的數據采集效率、大數據量的丟包率、火災識別判定的準確率、數據上傳的實時性等，結果表明，均滿足系統功能性能指標要求。

5 結論

以多火災危險特征信息采集系統作為研究對象，研究VxWorks嵌入式實時操作系統在火災環境數據采集、處理、控制及通信功能中的應用，實現信息采集系統的實時性、可靠性、準確性等要求。在完成硬件設計的基礎上，開發多火災危險特征信息采集系統的應用軟件，目前系統已制成樣機并完成聯調試驗，滿足系統功能性能指標要求，系統穩定可靠，可移植性強，可廣泛應用于損管系統各類數據的信息采集。