基于STM32的船舶排油监控系统的设计

毛攀峰

（浙江国际海运职业技术学院，浙江舟山316021）

0 引言

随着石油贸易越来越频繁，油船的规模也越来越大，由此引发的对于海洋的油污染问题也开始受到各国的重视，国际海事组织多年前已经出台了多种法规、法律来规范船舶的排油情况。船舶排油监控系统的主要功能就是用来监测和控制油船含油压载水的排放，它是防止海洋污染的重要设备［1］。但是目前市面上的相关装置还不是非常智能，成本也相对较高，不能有效的满足实际的需求，因此这也阻碍了船舶排油监控系统的推广，本文在长期调研的基础上，提出了一种基于先进微处理器的智能监控系统的设计方案，既能够对船舶的排油情况起到较好的监控作用，又降低了设备的使用成本。

1 排油监控系统的结构组成

根据《73/78国际防止船舶造成污染公约》中关于排油监控系统的设计要求，排油监控系统需要能够采集船舶上相关的参数并由处理器处理，通过与设定值的比较来判断是否进行污水的排放，并且做出相应的报警。因此，本文所设计的排油监控系统主要有以下几部分组成。

1.1 采集模块

在本设计中，主要采用了流量传感器、油浓度传感器，压力传感器等采集所需等参数，采集到模拟信号以4～20 mA的标准工业信号传送给STM32处理器，为了让处理器能顺利接收，需要经过A/D转换模块的处理，而STM32处理器由于自带12位的A/D转换口，因此可以简化了电路的设计。

1.2 处理器模块

由于本设计需要实时处理多种被控对象的参数，且需要对接收到的参数进行计算，为后续的执行器的动作提供准确的指令，因此需要一款处理能力强的微处理器，经过综合考虑，本文选择了STM32处理器，这是一款低成本、低功耗，高性能的微处理器，拥有多达112 个I/O 端口，完全可以满足系统设计的需要。

1.3 人机交互模块

良好的人机交互界面是一套系统能够便捷操作的关键，本系统利用MCGS 嵌入版组态软件设计了完善的人机交互界面，通过一个主界面与多个子界面的切换，让用户能够方便而灵活地在触摸屏上进行操作。

1.4 监控数据存储及打印模块

按照《73/78 国际防止船舶造成污染公约》的要求，系统采集的所有数据必须要进行完成的存储记录并且通过打印机能够清晰地打印，因此本项目采用了一款微型打印机能够实时打印，所有的数据通过外置的SD卡进行存储保留。

2 系统硬件设计

本系统的硬件部分主要分为两大模块，分别是上层处理模块和下层测量模块。

2.1 上层处理模块

上层处理模块由STM32 处理器、报警模块、显示模块和打印存储模块等多部分组成［3］。本文采用的处理器芯片型号是STM32F103［2］，此种芯片拥有ARM Cortex-M 内核，处理位数达到32 位，采用低功耗工作模式，同时拥有丰富的I/O端口，最高工作频率达到76 MHz，因此对于数据可以实现实时处理，STM32 的最小系统包括了STM32F103 芯片、晶振电路、复位电路以及BOOT电路。

本系统报警模块设置了声音和灯光的双重报警，在报警模块的驱动设计上采用的是低电位驱动的模式，这是由于处理器的I/O口的灌电流的能力比较强，因此此种驱动电路更加可靠。

显示模块采用的是目前较为先进的MCGS 触摸屏，可对处理器传送过来的信息进行实时显示。MCGS 触摸屏最大的优点就是能够根据用户的需求进行自由组态，灵活地设计出多种人机界面，同时适用多种通信接口，除了支持常用的串口通信以外，还支持以太网通信等通信协议。在本设计中采用的是RS485通信模式与处理器进行信息的交互。

打印存储模块是分别利用微型打印机和SD卡实现的结构，如图1所示。

图1 上层处理模块结构

处理模块接收到测量模块传送过来的信号后，实时进行计算，得出船舶排放水的实际含油量，并且根据流量的数据计算出实时的排放率。当油污的排放量超过规定的上限值时，系统便会通过报警模块发出报警信号，同时通过处理器的端口发出指令，关闭外部的执行阀门，所有接收的数据都在人机界面中滚动显示，并有打印机打印保存。

2.2 下层测量模块

测量模块负责采集所需的所有参数，将采集到数据实时传送给上层处理模块。在本系统中，主要用到浓度传感器、流量传感器和压力传感器等。所有的传感器都采用低电压供电，功耗较小。为了保证数据能够可靠的传输，本文采用的是485总线作为传输的网络，485总线是一个定义平衡数字点多点系统中的驱动和接收器的电气特性的标准。RS485 总线网络拓扑一般采用终端匹配的总线型结构，可以在远距离的条件下以及电子噪声比较大的环境下有效的传输信号，这完全符合船舶航行的环境条件。

测量模块结构如图2所示。

图2 测量模块结构

3 系统软件设计

3.1 软件架构

一个智能的监控系统需要一套完善且高效的软件系统，本设计在硬件方案的研究基础上，利用C 程序语言，以模块化的结构编写了完整的监控程序，使硬件的功能得以最充分实现。

本系统软件主要包括9个模块，具体如图3所示。

图3 软件功能框

3.2 软件流程

开机之后，系统首先会进入自检程序，通过对系统各个端口的初始化，为主程序的运行做好准备，一旦发现初始化失败，系统会立即报警，此时需要人工进行重启。如果初始化成功，系统则进入主界面，用户可以在主界面上进行参数的设置（见图4）。

当系统进入监控流程之后，传感器对船舶排油的流量、压力、浓度等数据进行实时采集，由于处理器只能处理数字信号，因此采集到的模拟量需要通过A/D 转换模块转换传送到STM32 处理进行处理。根据规定要求，当浓度、流量和总量这3 个参量中的任何一个量超过设定值，说明环境出现了异常，此时系统便会立即进入中断服务程序，在该中断服务程序里，开始执行发出关闭阀门的指令，同时发出低电平驱动信号，驱动配备的声光报警系统进行报警。我们可以在显示器上观察所有的数据变化，并通过打印机打印故障信息，重要的信息也可以存入SD卡中。

图4 软件流程

4 结语

本文设计的船舶排油监控系统采用的是低功耗、低成本、高性能的处理器，因此完全可以满足船舶航行的需要，通过对各种重要参数的采集处理，实现安全的监控报警。随着控制技术的提高以及新的处理器、传感器的问世，相信会有更加智能、便捷的控制方案被采用。