基于RS485 总线的消防钢瓶安全监控系统

刘茂钰

(内蒙古阿拉善太西煤集团股份有限公司，750306)

0 引言

随着我国经济建设的发展，人们的消防意识越来越强烈。火灾作为最普遍的威胁公众安全和社会发展的主要灾害之一，受到越来越多的人的关注，因此完善的消防灭火系统成为人类生产生活中必不可少的基础设施之一。由于消防钢瓶长期处于高压工作状态，其内部会因应力腐蚀产生裂纹和损伤，而环境温度的变化又会进一步加剧裂纹和损伤的严重程度。当钢瓶因裂纹和损伤而无法承受高压时，会产生突发性的爆炸，对人民的生命和财产造成严重的损失。

针对以上存在的问题，本文提出一种基于RS-485 总线的消防钢瓶安全监控系统，系统包括监控中心和消防钢瓶节点两部分。监控中心与消防钢瓶节点通过RS-485 总线进行通信，监控中心实时监控消防钢瓶的工作状态，即瓶内气压和钢瓶承压状态；监控中心能够实时发现故障并报警；消防压力气瓶节点及时处理各种故障并且上传数据到监控中心，避免爆炸、漏气等事故的发生，确保消防设施安全运行。

1 系统总体结构

系统总体框图如图1 所示，系统由监控中心和消防钢瓶节点两部分组成。监控中心与各个节点通过RS-485 总线进行通信，通信协议采用标准的MODBUS 协议，监控中心最多可以接256 个从机设备，一般情况下地址0 是保留的，故可以接255 个设备。

图1 系统总体结构框图Fig1 Overall system structure diagram

监控中心通过轮询方式实时地向消防钢瓶节点发送数据请求命令，从而获得钢瓶节点检测到的气瓶状态信息，实时发现故障并报警。消防钢瓶节点实时检测消防钢瓶的状态，对数据进行分析，判断钢瓶处于正常状态，还是出现裂纹或者漏气现象，通过LED 指示灯指示钢瓶当前的状态，当发现出现裂纹或损伤的程度比较严重时，则驱动爆破执行电路，强制消防钢瓶泄压，防止意外事故的发生。

2 系统硬件设计

2.1 监控中心硬件设计

监控中心以STM32F107VCT6 微处理器为核心，包括处理器外围电路、电源电路、触摸显示电路、时钟电路、存储电路、蜂鸣器电路、JTAG 接口电路以及RS485 接口电路等。监控中心硬件电路总体框图如图2 所示。

图2 监控中心硬件框图Fig.2 The block diagram of the monitoring center

2.1.1 电源电路

监控终端的供电电压有5V 和3.3V 两种，为了满足各个模块的供电要求，本系统的外部电源可以通过电源接口输入24V 的直流电压，然后通过LM2575 将电源稳至5V，以5V 电压作为电路板的整体供电电压，再使用低压差稳压电源芯片稳压输出3.3V 为所需模块供电。

2.1.2 键盘与显示电路

键盘与显示电路为系统提供了良好的人机交互界面。本系统采用I2C 接口的键盘与显示管理芯片ZLG7290 与微处理器进行数据交换。ZLG7290 的工作电压为3.3V-5.5V，可驱动8 位共阴数码管或64 只独立LED 和64 个按键。ZLG7290 内部有8 个显示缓冲寄存器DpRam0-DpRam7，这8 个寄存器中的内容直接决定了数码管要显示的内容。7 个控制寄存器具有判断有无按键按下、存储按键键值、判断是否连击、进行位扫描、控制闪烁等功能。

2.1.3 存储电路

为保证消防钢瓶安全监控系统在网络不通或者掉电情况下，数据的完整性，本系统采用SD 卡作为存储设备。SD 卡的工作电压为3.3V，支持SD 总线模式访问和SPI 总线模式访问两种操作模式。由于系统对于数据的存储操作不是很频繁，为了与处理器方便连接，设计中采用SPI 操作模式。

2.1.4 RS485 通信接口电路

RS-485 通信接口电路采用的是广州致远电子有限公司的RSM485 系列隔离收发器模块RSM485CHT，它集成电源隔离、电气隔离、RS-485 接口芯片，总线保护器件于一身，方便嵌入用户设备，RSM485 将TTL 电平转换为RS-A 和RS-B 差分信号，连接至RS-485 总线。RS-485 通信接口电路图如图3 所示。

2.2 消防钢瓶节点硬件设计

2.2.1 压力传感器电路

压力传感器电路用于检测钢瓶承受的压力，采用的是PVDF压力传感器，通过将PVDF 材料覆盖在钢瓶的表面，当消防钢瓶因裂纹扩张而迅速膨胀时，PVDF 材料因承受外力而发生变形，PVDF 传感器的应变信号经过放大转化为电压信号，微控制器通过检测这个电压信号来检测消防钢瓶的承压状态。

2.2.2 气压检测电路

通过在消防钢瓶内的瓶塞处安装气压传感器来实时检测钢瓶内的气压。内部气压检测电路采用X 型硅压力传感器MPX2100，通过将该传感器安装在消防钢瓶的瓶塞处来检测钢瓶内的气压。该传感器可以将压力信号转换为差模电压信号，经过信号调理电路后，进入到ATMEGA64 微控制器的A/D 转换通道，经数据分析处理得到对应的压力，从而实现对钢瓶内气压的实时监测。当检测到的钢瓶内气压值低于预设气压阈值时，则判断钢瓶瓶存在漏气现象，此时点亮LED 故障指示灯，同时将故障信息上传到监控中心，通知管理员及时维修，从而避免钢瓶因压力不足而引起灭火效果大打折扣的现象。

图3 RS485 接口电路Fig3 RS485 interface circuit

2.2.3 驱动执行电路

驱动执行电路用于强制钢瓶泄压。当压力传感器电路检测到钢瓶出现裂纹有爆炸危险时，驱动执行电路则驱动电磁阀动作，强制钢瓶放气泄压，避免因为钢瓶故障而引起的爆炸事故的发生。电磁阀采用型号为TAU-0837 直流推拉式电磁铁，电磁阀安装在钢瓶外的瓶塞处，当微控制器通过PVDF 传感器检测到钢瓶发生膨胀时，驱动电路驱动电磁阀动作，强制钢瓶放气，防止意外事故的发生。

3 系统软件设计

3.1 监控中心软件设计

监控中心软件旨在提高消防钢瓶安全监控管理的自动化、系统化、智能化，减少人员工作量，增加系统的可靠性和工作效率。本系统中监控中心采用C 语言为开发语言，以嵌入式uC/OS-Ⅱ为操作平台，uC/OS-Ⅱ是一个免费的、开源的、可移植、可固化、可裁剪的占先式实时多任务操作系统。与其他操作系统一样，uC/OS-Ⅱ从main()函数开始执行的，完成操作系用的初始化、任务创建，并启动系统。监控中心软件采用层次化的方法进行设计。从上到下依次是：底层驱动程序、uC/OS-Ⅱ操作系统内核、应用接口程序以及用户应用程序。监控中心的功能包括：用户管理、监控管理、系统设置、故障信息查询、数据查询、数据分析等关键任务。监控中心功能模块如图4 所示。

图4 监控中心功能模块图Fig 5 Functional block diagram of monitoring center

3.2 钢瓶节点软件设计

钢瓶节点程序设计也是采用层次化设计思想，以任务驱动的方式完成程序设计，软件划分为应用层、界面层和底层驱动层三个层次，钢瓶节点的软件架构图如图8 所示。底层驱动层主要包含EEPROM 存储器操作、AD 驱动程序、UART 接口、中断和定时这些与硬件相关的驱动程序，界面层主要为应用层与底层驱动之间提供数据交互，应用层是通过对界面层各个变量以及标志位的操作控制底层驱动层各模块来完成所需功能，根据钢瓶节点功能，将应用层划分为压力数据采集任务、气压数据采集任务、驱动执行任务、自检任务、RS485 通信任务。

4 结语

本文设计了一种基于RS485 总线的消防钢瓶安全监控系统，该系不仅有效的解决传统消防钢瓶故障检测不便、检测成本高等问题，同时可以还解决了消防钢瓶因裂纹或损伤而突发性爆炸、慢性漏气等问题，保障了人民的生命和财产安全。大量实验结果表明，该系统数据传输可靠，故障检测准确度高、实时性好，抗干扰能力强，具有一定的推广应用价值。

[1] 童诗白.模拟电子技术基础[M].北京:高等教育出版社,2001.

[2] 其乐木格，韩漠，宝贵荣.工业气体爆炸事故原因分析及应急援救[J].现代化工，2010，30(10)：86-90.

[3] 吴明晖.基于ARM 的嵌入式系统开发与应用[M].北京:人民邮电出版社,2003.