基于RS485 總線的消防鋼瓶安全監控系統

劉茂鈺

(內蒙古阿拉善太西煤集團股份有限公司，750306)

0 引言

隨著我國經濟建設的發展，人們的消防意識越來越強烈。火災作為最普遍的威脅公眾安全和社會發展的主要災害之一，受到越來越多的人的關注，因此完善的消防滅火系統成為人類生產生活中必不可少的基礎設施之一。由于消防鋼瓶長期處于高壓工作狀態，其內部會因應力腐蝕產生裂紋和損傷，而環境溫度的變化又會進一步加劇裂紋和損傷的嚴重程度。當鋼瓶因裂紋和損傷而無法承受高壓時，會產生突發性的爆炸，對人民的生命和財產造成嚴重的損失。

針對以上存在的問題，本文提出一種基于RS-485 總線的消防鋼瓶安全監控系統，系統包括監控中心和消防鋼瓶節點兩部分。監控中心與消防鋼瓶節點通過RS-485 總線進行通信，監控中心實時監控消防鋼瓶的工作狀態，即瓶內氣壓和鋼瓶承壓狀態；監控中心能夠實時發現故障并報警；消防壓力氣瓶節點及時處理各種故障并且上傳數據到監控中心，避免爆炸、漏氣等事故的發生，確保消防設施安全運行。

1 系統總體結構

系統總體框圖如圖1 所示，系統由監控中心和消防鋼瓶節點兩部分組成。監控中心與各個節點通過RS-485 總線進行通信，通信協議采用標準的MODBUS 協議，監控中心最多可以接256 個從機設備，一般情況下地址0 是保留的，故可以接255 個設備。

圖1 系統總體結構框圖Fig1 Overall system structure diagram

監控中心通過輪詢方式實時地向消防鋼瓶節點發送數據請求命令，從而獲得鋼瓶節點檢測到的氣瓶狀態信息，實時發現故障并報警。消防鋼瓶節點實時檢測消防鋼瓶的狀態，對數據進行分析，判斷鋼瓶處于正常狀態，還是出現裂紋或者漏氣現象，通過LED 指示燈指示鋼瓶當前的狀態，當發現出現裂紋或損傷的程度比較嚴重時，則驅動爆破執行電路，強制消防鋼瓶泄壓，防止意外事故的發生。

2 系統硬件設計

2.1 監控中心硬件設計

監控中心以STM32F107VCT6 微處理器為核心，包括處理器外圍電路、電源電路、觸摸顯示電路、時鐘電路、存儲電路、蜂鳴器電路、JTAG 接口電路以及RS485 接口電路等。監控中心硬件電路總體框圖如圖2 所示。

圖2 監控中心硬件框圖Fig.2 The block diagram of the monitoring center

2.1.1 電源電路

監控終端的供電電壓有5V 和3.3V 兩種，為了滿足各個模塊的供電要求，本系統的外部電源可以通過電源接口輸入24V 的直流電壓，然后通過LM2575 將電源穩至5V，以5V 電壓作為電路板的整體供電電壓，再使用低壓差穩壓電源芯片穩壓輸出3.3V 為所需模塊供電。

2.1.2 鍵盤與顯示電路

鍵盤與顯示電路為系統提供了良好的人機交互界面。本系統采用I2C 接口的鍵盤與顯示管理芯片ZLG7290 與微處理器進行數據交換。ZLG7290 的工作電壓為3.3V-5.5V，可驅動8 位共陰數碼管或64 只獨立LED 和64 個按鍵。ZLG7290 內部有8 個顯示緩沖寄存器DpRam0-DpRam7，這8 個寄存器中的內容直接決定了數碼管要顯示的內容。7 個控制寄存器具有判斷有無按鍵按下、存儲按鍵鍵值、判斷是否連擊、進行位掃描、控制閃爍等功能。

2.1.3 存儲電路

為保證消防鋼瓶安全監控系統在網絡不通或者掉電情況下，數據的完整性，本系統采用SD 卡作為存儲設備。SD 卡的工作電壓為3.3V，支持SD 總線模式訪問和SPI 總線模式訪問兩種操作模式。由于系統對于數據的存儲操作不是很頻繁，為了與處理器方便連接，設計中采用SPI 操作模式。

2.1.4 RS485 通信接口電路

RS-485 通信接口電路采用的是廣州致遠電子有限公司的RSM485 系列隔離收發器模塊RSM485CHT，它集成電源隔離、電氣隔離、RS-485 接口芯片，總線保護器件于一身，方便嵌入用戶設備，RSM485 將TTL 電平轉換為RS-A 和RS-B 差分信號，連接至RS-485 總線。RS-485 通信接口電路圖如圖3 所示。

2.2 消防鋼瓶節點硬件設計

2.2.1 壓力傳感器電路

壓力傳感器電路用于檢測鋼瓶承受的壓力，采用的是PVDF壓力傳感器，通過將PVDF 材料覆蓋在鋼瓶的表面，當消防鋼瓶因裂紋擴張而迅速膨脹時，PVDF 材料因承受外力而發生變形，PVDF 傳感器的應變信號經過放大轉化為電壓信號，微控制器通過檢測這個電壓信號來檢測消防鋼瓶的承壓狀態。

2.2.2 氣壓檢測電路

通過在消防鋼瓶內的瓶塞處安裝氣壓傳感器來實時檢測鋼瓶內的氣壓。內部氣壓檢測電路采用X 型硅壓力傳感器MPX2100，通過將該傳感器安裝在消防鋼瓶的瓶塞處來檢測鋼瓶內的氣壓。該傳感器可以將壓力信號轉換為差模電壓信號，經過信號調理電路后，進入到ATMEGA64 微控制器的A/D 轉換通道，經數據分析處理得到對應的壓力，從而實現對鋼瓶內氣壓的實時監測。當檢測到的鋼瓶內氣壓值低于預設氣壓閾值時，則判斷鋼瓶瓶存在漏氣現象，此時點亮LED 故障指示燈，同時將故障信息上傳到監控中心，通知管理員及時維修，從而避免鋼瓶因壓力不足而引起滅火效果大打折扣的現象。

圖3 RS485 接口電路Fig3 RS485 interface circuit

2.2.3 驅動執行電路

驅動執行電路用于強制鋼瓶泄壓。當壓力傳感器電路檢測到鋼瓶出現裂紋有爆炸危險時，驅動執行電路則驅動電磁閥動作，強制鋼瓶放氣泄壓，避免因為鋼瓶故障而引起的爆炸事故的發生。電磁閥采用型號為TAU-0837 直流推拉式電磁鐵，電磁閥安裝在鋼瓶外的瓶塞處，當微控制器通過PVDF 傳感器檢測到鋼瓶發生膨脹時，驅動電路驅動電磁閥動作，強制鋼瓶放氣，防止意外事故的發生。

3 系統軟件設計

3.1 監控中心軟件設計

監控中心軟件旨在提高消防鋼瓶安全監控管理的自動化、系統化、智能化，減少人員工作量，增加系統的可靠性和工作效率。本系統中監控中心采用C 語言為開發語言，以嵌入式uC/OS-Ⅱ為操作平臺，uC/OS-Ⅱ是一個免費的、開源的、可移植、可固化、可裁剪的占先式實時多任務操作系統。與其他操作系統一樣，uC/OS-Ⅱ從main()函數開始執行的，完成操作系用的初始化、任務創建，并啟動系統。監控中心軟件采用層次化的方法進行設計。從上到下依次是：底層驅動程序、uC/OS-Ⅱ操作系統內核、應用接口程序以及用戶應用程序。監控中心的功能包括：用戶管理、監控管理、系統設置、故障信息查詢、數據查詢、數據分析等關鍵任務。監控中心功能模塊如圖4 所示。

圖4 監控中心功能模塊圖Fig 5 Functional block diagram of monitoring center

3.2 鋼瓶節點軟件設計

鋼瓶節點程序設計也是采用層次化設計思想，以任務驅動的方式完成程序設計，軟件劃分為應用層、界面層和底層驅動層三個層次，鋼瓶節點的軟件架構圖如圖8 所示。底層驅動層主要包含EEPROM 存儲器操作、AD 驅動程序、UART 接口、中斷和定時這些與硬件相關的驅動程序，界面層主要為應用層與底層驅動之間提供數據交互，應用層是通過對界面層各個變量以及標志位的操作控制底層驅動層各模塊來完成所需功能，根據鋼瓶節點功能，將應用層劃分為壓力數據采集任務、氣壓數據采集任務、驅動執行任務、自檢任務、RS485 通信任務。

4 結語

本文設計了一種基于RS485 總線的消防鋼瓶安全監控系統，該系不僅有效的解決傳統消防鋼瓶故障檢測不便、檢測成本高等問題，同時可以還解決了消防鋼瓶因裂紋或損傷而突發性爆炸、慢性漏氣等問題，保障了人民的生命和財產安全。大量實驗結果表明，該系統數據傳輸可靠，故障檢測準確度高、實時性好，抗干擾能力強，具有一定的推廣應用價值。

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