基于S3C6410的智能泵組控制器設(shè)計(jì)*

陳建明，沈東方

（1.浙江廣播電視大學(xué) 網(wǎng)絡(luò)中心，浙江 杭州 310012；2.杭州電子科技大學(xué) 通信工程學(xué)院，浙江 杭州 310018）

為解決城市消防系統(tǒng)中存在的信息源分散、檢修難度大、成本高、缺乏有效監(jiān)控手段等問(wèn)題[1]，本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種基于S3C6410的嵌入式智能泵組控制器。該控制器具備了對(duì)泵組的信息采集、通過(guò)網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)傳輸狀態(tài)報(bào)告、自動(dòng)故障診斷、記錄工作時(shí)間和異常報(bào)警等功能，實(shí)現(xiàn)了泵組的統(tǒng)一管理和分層監(jiān)控，提高了檢修效率，降低了人工維護(hù)成本，增強(qiáng)了消防系統(tǒng)的可靠性和安全性。

1 泵組系統(tǒng)設(shè)計(jì)

泵組控制器組網(wǎng)系統(tǒng)如圖1所示。泵生產(chǎn)商通過(guò)泵組總監(jiān)控端可以實(shí)時(shí)監(jiān)控和查詢?cè)摴句N售的泵組信息，包括泵組運(yùn)作時(shí)間、最近的檢測(cè)結(jié)果、報(bào)警狀態(tài)等，方便對(duì)泵組進(jìn)行跟蹤。一旦收到異常報(bào)警，通過(guò)泵組數(shù)據(jù)庫(kù)可以查詢到泵組的所屬用戶信息、地理位置等，以便及時(shí)通知用戶進(jìn)行處理。泵組控制器通過(guò)socket接口連接服務(wù)器，可以實(shí)時(shí)傳送泵組狀態(tài)、報(bào)警等信息給總監(jiān)控端。

用戶消防控制中心通過(guò)用戶監(jiān)控端socket接口連接泵控制器，獲取所管轄區(qū)域內(nèi)的所有泵組信息進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，及時(shí)處理泵組控制器的反饋信息，迅速地對(duì)泵組實(shí)施人為操控、觸發(fā)檢測(cè)等操作，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程統(tǒng)一監(jiān)控和管理。

2 硬件設(shè)計(jì)

圖2為目前建筑物中部署的典型消防系統(tǒng)，高壓泵和穩(wěn)壓泵用于對(duì)水管施壓，其區(qū)別在于水管所施加的最大壓力值不同。測(cè)試電動(dòng)閥的閥門(mén)角度是可以控制的，用于調(diào)節(jié)水管的流量。消防系統(tǒng)涉及的器件都需進(jìn)行硬件設(shè)計(jì)。

泵組控制器的硬件設(shè)計(jì)框架如圖3所示。其核心采用基于ARM1176JZF-S內(nèi)核的S3C6410處理器，采用64/32 bit內(nèi)部總線架構(gòu)，具有豐富的接口資源可供外圍設(shè)備連接，不僅功耗低而且處理性能強(qiáng)大。LCD采用群創(chuàng)7英寸的AT070TN83觸摸屏，外接SD Card用于保存自檢結(jié)果文件。

核心模塊使用GPIO連接繼電器，通過(guò)控制管腳的高/低電平實(shí)現(xiàn)高壓泵、穩(wěn)壓泵、電磁閥、出水閥設(shè)備的開(kāi)/關(guān)狀態(tài)。設(shè)計(jì)采用固態(tài)繼電器SSR-220D3L，其具有壽命長(zhǎng)、無(wú)電磁干擾、開(kāi)關(guān)速度快、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)，能以微小的控制信號(hào)直接驅(qū)動(dòng)大電流負(fù)載。

液位計(jì)通過(guò)連接2個(gè)GPIO口來(lái)表示液位的3種狀態(tài)：0x00表示中間水位，0x10表示上限水位，0x01表示下限水位。

壓力計(jì)、流量計(jì)和測(cè)試閥的輸出信號(hào)都是4 mA～20 mA的電流，采用 250 Ω的采樣電阻，用LM2904進(jìn)行隔離后再進(jìn)行電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換。設(shè)計(jì)選用的A/D轉(zhuǎn)換器為ADS7844，它是一種高性能、寬電壓、低功耗的 12 bit串行模/數(shù)轉(zhuǎn)換器，共有8個(gè)模擬輸入端，軟件編程為8通道單端輸入。

測(cè)試閥的輸入為4 mA～20 mA的電流信號(hào)，設(shè)計(jì)選用DAC7311把數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，再通過(guò)AM422電壓/電流轉(zhuǎn)換接口電路轉(zhuǎn)換為電流信號(hào)，實(shí)現(xiàn)閥門(mén)的角度設(shè)置。DAC7311芯片是一個(gè)12 bit、低功率、單通道、電壓輸出的數(shù)/模轉(zhuǎn)換芯片，采用通用的三線串行接口與核心板SPI口連接。

3 軟件設(shè)計(jì)

軟件平臺(tái)采用Linux-2.6.38內(nèi)核，并移植Qt-4.7和sqlite-3.5.7數(shù)據(jù)庫(kù)。泵控制器的實(shí)現(xiàn)功能主要包含自檢、穩(wěn)壓、水箱液位控制和統(tǒng)計(jì)四大功能。采用多線程編程方式，界面設(shè)計(jì)采用Qt實(shí)現(xiàn)，提供消防系統(tǒng)各設(shè)備的實(shí)時(shí)狀態(tài)顯示、人為操控。移植嵌入式數(shù)據(jù)庫(kù)sqlite來(lái)保存用戶數(shù)據(jù)信息、設(shè)備統(tǒng)計(jì)信息、自檢結(jié)果等，以提高數(shù)據(jù)操作效率和安全性。

3.1 泵組自檢功能

圖2中如果關(guān)閉出水電動(dòng)閥、打開(kāi)測(cè)試電動(dòng)閥，消防系統(tǒng)就可成為閉環(huán)的自檢測(cè)試系統(tǒng)。自檢觸發(fā)可分為泵控制器根據(jù)設(shè)定的自檢周期觸發(fā)和人為觸發(fā)兩種。自檢開(kāi)始前需關(guān)閉出水閥，使消防系統(tǒng)成為一個(gè)內(nèi)循環(huán)的系統(tǒng)，通過(guò)打開(kāi)測(cè)試閥使水管內(nèi)水壓減小，達(dá)到泄壓目的。自檢開(kāi)始后逐個(gè)開(kāi)啟消防系統(tǒng)中的穩(wěn)壓泵、高壓泵，檢測(cè)在一定時(shí)間內(nèi)能否恢復(fù)水管內(nèi)的水壓或達(dá)到預(yù)期值，從而判斷消防泵是否工作正常。如遇異常，則會(huì)觸發(fā)本地報(bào)警，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)發(fā)送報(bào)警消息至用戶和泵生產(chǎn)商監(jiān)控端，以提醒用戶進(jìn)行及時(shí)檢修。自檢結(jié)束后，把自檢日期、設(shè)備狀態(tài)、總運(yùn)行時(shí)間保存至本地?cái)?shù)據(jù)庫(kù)，并且傳送至用戶和泵生產(chǎn)商監(jiān)控端以供查閱。消防泵自檢流程如圖4所示。

圖4 消防泵自檢流程

3.2 穩(wěn)壓功能

泵控制器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)水管內(nèi)水壓。正常情況下系統(tǒng)水管內(nèi)的壓力能自動(dòng)維持在1 MPa～1.2 MPa之間，一旦檢測(cè)到水壓低于正常值范圍，則會(huì)開(kāi)啟穩(wěn)壓功能，其穩(wěn)壓流程如圖5所示。

圖5 穩(wěn)壓流程

在穩(wěn)壓過(guò)程中，出水電動(dòng)閥屬于常開(kāi)狀態(tài)，而測(cè)試閥是常關(guān)狀態(tài)。實(shí)時(shí)檢測(cè)壓力傳感器的值，一旦檢測(cè)到低于1 MPa即報(bào)警，并啟動(dòng)穩(wěn)壓主、備泵。一段時(shí)間后如還達(dá)不到1 MPa，則關(guān)閉穩(wěn)壓泵，開(kāi)啟高壓泵并報(bào)警。如果高壓泵開(kāi)啟后一定時(shí)間內(nèi)流量達(dá)不到閾值，則認(rèn)為水管破裂，發(fā)送報(bào)警消息；否則認(rèn)為發(fā)生火災(zāi)而進(jìn)入滅火流程，繼續(xù)開(kāi)啟高壓泵，直到壓力和流量達(dá)到滅火要求值。

3.3 水箱液位控制功能

控制水箱液位保持在上限液位狀態(tài)，如高于上限液位狀態(tài)則關(guān)閉進(jìn)水閥門(mén)；低于上限液位則打開(kāi)進(jìn)水閥以增加水箱水量；一旦低于下限液位，如果有穩(wěn)壓泵或高壓泵處于工作狀態(tài)，則需關(guān)閉。泵組控制器實(shí)時(shí)讀取液位計(jì)的值在液晶屏顯示，并發(fā)送到用戶和泵生產(chǎn)商監(jiān)控端。

3.4 統(tǒng)計(jì)功能

泵控制器能夠?qū)崟r(shí)讀取系統(tǒng)中各設(shè)備的狀態(tài)并顯示在觸摸屏上。將泵組的總運(yùn)行時(shí)間、自檢結(jié)果等信息保存到本地?cái)?shù)據(jù)庫(kù)并及時(shí)上報(bào)，以供用戶和泵生產(chǎn)商查閱。

需要注意的是，人機(jī)界面的設(shè)計(jì)過(guò)程中不僅要考慮功能的完整性，也要考慮界面的友好型和美觀性[2]。在本設(shè)計(jì)中采用如下的方法來(lái)美化界面：選用客戶評(píng)價(jià)度高的 Motif控件風(fēng)格；使用 QLayout、QSizePolicy類等對(duì)控件在布局系統(tǒng)中進(jìn)行拉伸或壓縮；使用qss文件調(diào)整窗口的背景、繪制控件的形狀等。

基于網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)的泵組控制器實(shí)現(xiàn)了消防系統(tǒng)的遠(yuǎn)程狀態(tài)監(jiān)控，可以實(shí)時(shí)收集消防系統(tǒng)的各設(shè)備狀態(tài)并傳遞給監(jiān)控中心，使用戶能根據(jù)反饋的信息及時(shí)掌握消防系統(tǒng)的工作狀態(tài)，并對(duì)出現(xiàn)的各種故障進(jìn)行排除，提高了設(shè)備管理人員的檢修效率，增強(qiáng)了消防系統(tǒng)的可靠性和安全性。同時(shí)給泵生產(chǎn)商對(duì)所銷售的泵進(jìn)行生命周期跟蹤提供了手段。該系統(tǒng)已在寧波某泵生產(chǎn)公司應(yīng)用，效果良好。

[1]吳蓉.采用信息融合技術(shù)的消防報(bào)警系統(tǒng)[J].電訊技術(shù)，2004(4)：175.

[2]于幫偉，鄧華秋.基于 Qt/Embedded的嵌入式數(shù)字監(jiān)控系統(tǒng)控制界面的實(shí)現(xiàn)[J].電視技術(shù)，2011，35(24)：24.