基于STM32的船舶排油監控系統的設計

毛攀峰

（浙江國際海運職業技術學院，浙江舟山316021）

0 引言

隨著石油貿易越來越頻繁，油船的規模也越來越大，由此引發的對于海洋的油污染問題也開始受到各國的重視，國際海事組織多年前已經出臺了多種法規、法律來規范船舶的排油情況。船舶排油監控系統的主要功能就是用來監測和控制油船含油壓載水的排放，它是防止海洋污染的重要設備［1］。但是目前市面上的相關裝置還不是非常智能，成本也相對較高，不能有效的滿足實際的需求，因此這也阻礙了船舶排油監控系統的推廣，本文在長期調研的基礎上，提出了一種基于先進微處理器的智能監控系統的設計方案，既能夠對船舶的排油情況起到較好的監控作用，又降低了設備的使用成本。

1 排油監控系統的結構組成

根據《73/78國際防止船舶造成污染公約》中關于排油監控系統的設計要求，排油監控系統需要能夠采集船舶上相關的參數并由處理器處理，通過與設定值的比較來判斷是否進行污水的排放，并且做出相應的報警。因此，本文所設計的排油監控系統主要有以下幾部分組成。

1.1 采集模塊

在本設計中，主要采用了流量傳感器、油濃度傳感器，壓力傳感器等采集所需等參數，采集到模擬信號以4～20 mA的標準工業信號傳送給STM32處理器，為了讓處理器能順利接收，需要經過A/D轉換模塊的處理，而STM32處理器由于自帶12位的A/D轉換口，因此可以簡化了電路的設計。

1.2 處理器模塊

由于本設計需要實時處理多種被控對象的參數，且需要對接收到的參數進行計算，為后續的執行器的動作提供準確的指令，因此需要一款處理能力強的微處理器，經過綜合考慮，本文選擇了STM32處理器，這是一款低成本、低功耗，高性能的微處理器，擁有多達112 個I/O 端口，完全可以滿足系統設計的需要。

1.3 人機交互模塊

良好的人機交互界面是一套系統能夠便捷操作的關鍵，本系統利用MCGS 嵌入版組態軟件設計了完善的人機交互界面，通過一個主界面與多個子界面的切換，讓用戶能夠方便而靈活地在觸摸屏上進行操作。

1.4 監控數據存儲及打印模塊

按照《73/78 國際防止船舶造成污染公約》的要求，系統采集的所有數據必須要進行完成的存儲記錄并且通過打印機能夠清晰地打印，因此本項目采用了一款微型打印機能夠實時打印，所有的數據通過外置的SD卡進行存儲保留。

2 系統硬件設計

本系統的硬件部分主要分為兩大模塊，分別是上層處理模塊和下層測量模塊。

2.1 上層處理模塊

上層處理模塊由STM32 處理器、報警模塊、顯示模塊和打印存儲模塊等多部分組成［3］。本文采用的處理器芯片型號是STM32F103［2］，此種芯片擁有ARM Cortex-M 內核，處理位數達到32 位，采用低功耗工作模式，同時擁有豐富的I/O端口，最高工作頻率達到76 MHz，因此對于數據可以實現實時處理，STM32 的最小系統包括了STM32F103 芯片、晶振電路、復位電路以及BOOT電路。

本系統報警模塊設置了聲音和燈光的雙重報警，在報警模塊的驅動設計上采用的是低電位驅動的模式，這是由于處理器的I/O口的灌電流的能力比較強，因此此種驅動電路更加可靠。

顯示模塊采用的是目前較為先進的MCGS 觸摸屏，可對處理器傳送過來的信息進行實時顯示。MCGS 觸摸屏最大的優點就是能夠根據用戶的需求進行自由組態，靈活地設計出多種人機界面，同時適用多種通信接口，除了支持常用的串口通信以外，還支持以太網通信等通信協議。在本設計中采用的是RS485通信模式與處理器進行信息的交互。

打印存儲模塊是分別利用微型打印機和SD卡實現的結構，如圖1所示。

圖1 上層處理模塊結構

處理模塊接收到測量模塊傳送過來的信號后，實時進行計算，得出船舶排放水的實際含油量，并且根據流量的數據計算出實時的排放率。當油污的排放量超過規定的上限值時，系統便會通過報警模塊發出報警信號，同時通過處理器的端口發出指令，關閉外部的執行閥門，所有接收的數據都在人機界面中滾動顯示，并有打印機打印保存。

2.2 下層測量模塊

測量模塊負責采集所需的所有參數，將采集到數據實時傳送給上層處理模塊。在本系統中，主要用到濃度傳感器、流量傳感器和壓力傳感器等。所有的傳感器都采用低電壓供電，功耗較小。為了保證數據能夠可靠的傳輸，本文采用的是485總線作為傳輸的網絡，485總線是一個定義平衡數字點多點系統中的驅動和接收器的電氣特性的標準。RS485 總線網絡拓撲一般采用終端匹配的總線型結構，可以在遠距離的條件下以及電子噪聲比較大的環境下有效的傳輸信號，這完全符合船舶航行的環境條件。

測量模塊結構如圖2所示。

圖2 測量模塊結構

3 系統軟件設計

3.1 軟件架構

一個智能的監控系統需要一套完善且高效的軟件系統，本設計在硬件方案的研究基礎上，利用C 程序語言，以模塊化的結構編寫了完整的監控程序，使硬件的功能得以最充分實現。

本系統軟件主要包括9個模塊，具體如圖3所示。

圖3 軟件功能框

3.2 軟件流程

開機之后，系統首先會進入自檢程序，通過對系統各個端口的初始化，為主程序的運行做好準備，一旦發現初始化失敗，系統會立即報警，此時需要人工進行重啟。如果初始化成功，系統則進入主界面，用戶可以在主界面上進行參數的設置（見圖4）。

當系統進入監控流程之后，傳感器對船舶排油的流量、壓力、濃度等數據進行實時采集，由于處理器只能處理數字信號，因此采集到的模擬量需要通過A/D 轉換模塊轉換傳送到STM32 處理進行處理。根據規定要求，當濃度、流量和總量這3 個參量中的任何一個量超過設定值，說明環境出現了異常，此時系統便會立即進入中斷服務程序，在該中斷服務程序里，開始執行發出關閉閥門的指令，同時發出低電平驅動信號，驅動配備的聲光報警系統進行報警。我們可以在顯示器上觀察所有的數據變化，并通過打印機打印故障信息，重要的信息也可以存入SD卡中。

圖4 軟件流程

4 結語

本文設計的船舶排油監控系統采用的是低功耗、低成本、高性能的處理器，因此完全可以滿足船舶航行的需要，通過對各種重要參數的采集處理，實現安全的監控報警。隨著控制技術的提高以及新的處理器、傳感器的問世，相信會有更加智能、便捷的控制方案被采用。