基于STM32的船舶排油監(jiān)控系統(tǒng)的設計

毛攀峰

（浙江國際海運職業(yè)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(guī)模也越來越大，由此引發(fā)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(jīng)出臺了多種法規(guī)、法律來規(guī)范船舶的排油情況。船舶排油監(jiān)控系統(tǒng)的主要功能就是用來監(jiān)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(jiān)控系統(tǒng)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(jiān)控系統(tǒng)的設計方案，既能夠對船舶的排油情況起到較好的監(jiān)控作用，又降低了設備的使用成本。

1 排油監(jiān)控系統(tǒng)的結構組成

根據(jù)《73/78國際防止船舶造成污染公約》中關于排油監(jiān)控系統(tǒng)的設計要求，排油監(jiān)控系統(tǒng)需要能夠采集船舶上相關的參數(shù)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(jiān)控系統(tǒng)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(shù)，采集到模擬信號以4～20 mA的標準工業(yè)信號傳送給STM32處理器，為了讓處理器能順利接收，需要經(jīng)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(shù)，且需要對接收到的參數(shù)進行計算，為后續(xù)的執(zhí)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(jīng)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(tǒng)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(tǒng)能夠便捷操作的關鍵，本系統(tǒng)利用MCGS 嵌入版組態(tài)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(jiān)控數(shù)據(jù)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(tǒng)采集的所有數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)通過外置的SD卡進行存儲保留。

2 系統(tǒng)硬件設計

本系統(tǒng)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(shù)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(shù)據(jù)可以實現(xiàn)實時處理，STM32 的最小系統(tǒng)包括了STM32F103 芯片、晶振電路、復位電路以及BOOT電路。

本系統(tǒng)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(yōu)點就是能夠根據(jù)用戶的需求進行自由組態(tài)，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(wǎng)通信等通信協(xié)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(xiàn)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(jù)流量的數(shù)據(jù)計算出實時的排放率。當油污的排放量超過規(guī)定的上限值時，系統(tǒng)便會通過報警模塊發(fā)出報警信號，同時通過處理器的端口發(fā)出指令，關閉外部的執(zhí)行閥門，所有接收的數(shù)據(jù)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(shù)，將采集到數(shù)據(jù)實時傳送給上層處理模塊。在本系統(tǒng)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(shù)據(jù)能夠可靠的傳輸，本文采用的是485總線作為傳輸?shù)木W(wǎng)絡，485總線是一個定義平衡數(shù)字點多點系統(tǒng)中的驅動和接收器的電氣特性的標準。RS485 總線網(wǎng)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(huán)境下有效的傳輸信號，這完全符合船舶航行的環(huán)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(tǒng)軟件設計

3.1 軟件架構

一個智能的監(jiān)控系統(tǒng)需要一套完善且高效的軟件系統(tǒng)，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(jiān)控程序，使硬件的功能得以最充分實現(xiàn)。

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

當系統(tǒng)進入監(jiān)控流程之后，傳感器對船舶排油的流量、壓力、濃度等數(shù)據(jù)進行實時采集，由于處理器只能處理數(shù)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(jù)規(guī)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(huán)境出現(xiàn)了異常，此時系統(tǒng)便會立即進入中斷服務程序，在該中斷服務程序里，開始執(zhí)行發(fā)出關閉閥門的指令，同時發(fā)出低電平驅動信號，驅動配備的聲光報警系統(tǒng)進行報警。我們可以在顯示器上觀察所有的數(shù)據(jù)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(jiān)控系統(tǒng)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(shù)的采集處理，實現(xiàn)安全的監(jiān)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。