ARM平臺灌漿智能報警裝置設(shè)計

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(1.長江科學(xué)院 儀器與自動化研究所, 武漢 430010； 2.云南華電魯?shù)乩娪邢薰? 昆明 710065)

1 研究背景

傳統(tǒng)的灌漿信息系統(tǒng)分為現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集和服務(wù)器數(shù)據(jù)信息展現(xiàn)2個部分。其中現(xiàn)場無線傳感網(wǎng)絡(luò)分為子節(jié)點和網(wǎng)關(guān)節(jié)點，子節(jié)點負責(zé)數(shù)據(jù)采集，并通過ZigBee的無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議將數(shù)據(jù)傳輸至網(wǎng)關(guān)節(jié)點；網(wǎng)關(guān)節(jié)點主要負責(zé)將收集的施工現(xiàn)場的數(shù)據(jù)信息通過GPRS等通訊方式傳輸至工程管理者的信息中心，工程管理者通過INTERNET完成信息處理和發(fā)布。

當(dāng)前在建水電站施工項目的施工管理主要有以下特點：① 普遍施工強度大，施工工作面多，且相對較分散(尤其是大壩廊道里的灌漿施工，因工作面的特殊性，往往是施工管理的死角)；② 很多施工部位沒有手機信號覆蓋(尤其是大壩廊道和地下廠房灌漿工程)，即使出現(xiàn)了灌漿過程中的異常信息，也難以做到及時處理；③ 灌漿工程為地下隱蔽工程，當(dāng)監(jiān)管人員的監(jiān)管不到位時，施工管理者無法第一時間掌握現(xiàn)場所發(fā)生的情況，使失去監(jiān)管的部位無法第一時間得到處理，給工程留下質(zhì)量隱患。

本文提出了一款A(yù)RM平臺的灌漿智能報警裝置，它能在施工現(xiàn)場發(fā)布報警信息，并能提出相關(guān)的決策供監(jiān)理、施工技術(shù)員選擇處理，并對該事件予以記錄，便于工程管理者查看。使用該裝置后，大大加快了灌漿施工過程中的異常情況處理的過程，提高了施工效率以及管理水平。

2 報警裝置總體介紹

報警裝置基于Cortex-M3內(nèi)核的ARM處理器。同時移植ucos-II嵌入式操作系統(tǒng)，外接無線模塊，可用于檢測施工現(xiàn)場的數(shù)據(jù)信息，并根據(jù)SD卡存儲的灌漿報警智能決策系統(tǒng)，發(fā)布報警信息和提供決策意見，對于不同的施工技術(shù)要求，只要更新SD卡的知識文件庫即可；提供的決策意見可以通過觸摸屏進行顯示，現(xiàn)場監(jiān)理和和技術(shù)員根據(jù)提示并結(jié)合現(xiàn)場實際情況，對灌漿施工過程中的異常情況做出合適的處理 。

3 報警裝置硬件設(shè)計

本文采用了模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計思想，將系統(tǒng)劃分為網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)交互接口、SD卡交互接口、人機交互界面、聲光報警處理接口、文件處理系統(tǒng)等模塊[1]，如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

MCU核心處理模塊采用ARM7內(nèi)核芯片作為核心處理器，通過各接口電路實現(xiàn)各個模塊的物理連接。UART通訊接口和ZigBee無線模塊通訊，通過網(wǎng)絡(luò)獲得施工現(xiàn)場的數(shù)據(jù)信息；ARM7處理內(nèi)核將施工現(xiàn)場的數(shù)據(jù)通過SPI接口與智能決策系統(tǒng)中的參數(shù)進行比較，并獲得相關(guān)的報警信息和處理意見；ARM7處理內(nèi)核將報警信息通過聲光報警器處理接口進行消息發(fā)布，提示現(xiàn)場監(jiān)理、技術(shù)員進行處理；現(xiàn)場監(jiān)理、技術(shù)員通過觸摸屏，選擇合適的決策信息，并對相關(guān)報警信息進行處理，處理的數(shù)據(jù)信息通過ARM7處理內(nèi)核寫入文件處理模塊中，必要的時候，工程管理者可以通過U盤查看相關(guān)處理信息。

4 報警裝置軟件設(shè)計

4.1 軟件總體設(shè)計

ucos-2嵌入式操作系統(tǒng)是一種具有可搶占內(nèi)核的實時操作系統(tǒng)，并且開源，結(jié)構(gòu)小巧。由于其內(nèi)核提供任務(wù)的調(diào)度與管理、時間管理、任務(wù)間同步通信、內(nèi)存管理和中斷服務(wù)等功能，具有執(zhí)行效率高、占用空間小、實時性能優(yōu)良和擴展性強的特點[2]。因此，本文在設(shè)計上移植了ucos-2操作系統(tǒng)，經(jīng)過BOOTLOADER啟動階段后，完成數(shù)據(jù)總線，UART，SPI接口以及中斷的配置以及ucos-2操作系統(tǒng)的初始化，然后建立了6個任務(wù)。軟件系統(tǒng)流程圖見圖2。

圖2 軟件系統(tǒng)流程圖

6個報警任務(wù)根據(jù)特定條件產(chǎn)生、激活并執(zhí)行，且優(yōu)先級自左至右逐步降低。周期管理任務(wù)只要是通過實時時鐘RTC系統(tǒng)形成定時中斷，通過中斷驅(qū)動處理網(wǎng)絡(luò)交互任務(wù)與文件處理任務(wù)，優(yōu)先級最高；網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)交互任務(wù)來自無線模塊產(chǎn)生的外部中斷，實現(xiàn)對網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)的采集；智能決策任務(wù)在獲得施工現(xiàn)場的數(shù)據(jù)信息后，根據(jù)智能決策系統(tǒng)中的條件展開運算，獲得結(jié)論；當(dāng)智能決策中出現(xiàn)報警條件，系統(tǒng)觸發(fā)聲光報警任務(wù)，提醒工程管理者及時對數(shù)據(jù)進行處理；人機界面通過消息機制將現(xiàn)場監(jiān)理或技術(shù)員的操作的動作導(dǎo)入ARM7內(nèi)核，并通過文件處理任務(wù)形成對應(yīng)的數(shù)據(jù)文件。

4.2 嵌入式智能決策系統(tǒng)的設(shè)計

智能決策系統(tǒng)[3]是根據(jù)施工設(shè)計單位提供的施工技術(shù)要求，對灌漿施工中可能出現(xiàn)的各類問題的標(biāo)準(zhǔn)及處理的方法以TXT文件的方式進行存儲。為了快速、準(zhǔn)確地對數(shù)據(jù)進行訪問，本裝置移植了FATFS16文件系統(tǒng)。

本文采用產(chǎn)生式規(guī)則表示法，其結(jié)構(gòu)如下：

IF 條件1，條件2，…，THEN結(jié)論。

以灌前壓水施工為例，根據(jù)工程管理者提供的施工技術(shù)要求，可得到灌前壓水報警的規(guī)則，見表1。

表1 水泥灌漿智能決策系統(tǒng)實例

其中，供參考的決策建議項包括：①無壓無回確認，直接開始灌漿；②通知業(yè)主設(shè)計進一步考察；③其他，共3條決策建議項供現(xiàn)場工程管理者選擇。

調(diào)用FTAFS16文件系統(tǒng)的接口函數(shù)f_open打開知識庫的TXT文件，通過f_read讀取相應(yīng)決策。

灌漿施工中，需要報警的參數(shù)主要有實時參數(shù)(壓力、流量、密度等)和導(dǎo)出參數(shù)(注入率、呂榮值等)。根據(jù)《水工建筑物水泥灌漿施工技術(shù)規(guī)范》的技術(shù)要求[4]和灌漿工程經(jīng)驗總結(jié)了8種異常報警信息。在具體實現(xiàn)過程中采用逆向邏輯推理的方法，假定8種異常情況全部成立，裝置讀取實時參數(shù)和導(dǎo)出參數(shù)，并與智能決策系統(tǒng)中的條件進行比較，若符合，則立刻啟動該條報警信息；若不符合，則依次判斷下一種異常情況的狀態(tài)。

4.3 多用戶的文件管理模式

為了便于追蹤每條灌漿施工過程中的異常情況的報警時間、處理時間、處理人、處理措施等信息，本裝置采用了多用戶的文件管理模式，具體實現(xiàn)方式如下。

首先，該裝置提供了U盤身份識別+動態(tài)密碼雙重認證的登錄方式，保證了每個用戶界面下的操作人員身份是唯一的。其次，用戶操作下拉式菜單，從中選擇對該條報警信息的處理措施。系統(tǒng)決策處理見圖3。當(dāng)用戶點擊“處理”按鍵后，該處理過程隨即形成記錄文件儲存在相關(guān)文件夾中，并保存操作人員的電子簽名。當(dāng)用戶完成所有報警事件處理后，可以進行注銷，退出用戶界面。通過該文件管理模式，本文的裝置實現(xiàn)了對灌漿施工異常信息處理過程的記錄，為監(jiān)管灌漿施工過程提供了一種新的科學(xué)手段。

圖3 系統(tǒng)決策處理圖

5 結(jié) 論

灌漿智能報警裝置的設(shè)計，實現(xiàn)了在無網(wǎng)絡(luò)覆蓋的灌漿施工現(xiàn)場及時發(fā)布報警信息的功能，并提供指導(dǎo)性決策，為工程管理者第一時間掌握現(xiàn)場情況，為發(fā)現(xiàn)問題及時處理提供第一手真實的材料，進一步提高了施工現(xiàn)場信息化管理水平。本裝置基于網(wǎng)絡(luò)平臺，在實現(xiàn)分散作業(yè)面的集中管理的同時，還能將異常處理辦法針對不同報警和施工部位依次下達，提高了施工過程管理的效率。

該裝置已經(jīng)成功應(yīng)用于華電魯?shù)乩娬?，?jīng)過一年的實踐檢驗，效果很好，大大提高了工程管理效率，為強化施工質(zhì)量管理和減少工程施工管理的工作量提供了便利。

參考文獻：

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