基于STM32的消防设备故障报警系统

基于ＳＴＭ３　２的消防设备故障报警系统　张玉杰。伍莹莹　（陕西科技大学电气与信息工程学院，陕西西安７１００２１）　

摘　要：针对目前消防设备监控系统中存在网络化程度　低、监测水平低等问题，提出了基于ＳＴＭ３２的消防设备故障报　警系统方案。该系统可监测监控区域内消防泵运行过程中的　电流值、电压值，通过ＺｉｇＢｅｅ无线传感器网络实现信息的实时　传输，并通过ＧＳＭ网络上传给监控中心。介绍了消防设备故　障报警系统的总体结构、系统软硬件设计及无线网络组建。　关键词：消防设备；故障报警系统；ＺｉｇＢｅｅ；ＧＰＲＳ　中图分类号：Ｘ９２４．４，ＴＰ２７７　文献标志码：Ａ　文章编号：１００９—００２９（２Ｏ１３）１Ｏ一１１２７一Ｏ４　

随着我国现代化建设的发展，人们的消防意识越来　越强，消防设备的安全不仅关系到是否能够及时有效地　扑灭火灾、保护人们的生命财产安全，消防设备本身的安　全与否也正为人们所重视。传统的消防设备监测系统采　用人员定期查询的方式排除故障，不仅费时费力，且人员　维护成本高，差错率高。因此，建立完善的消防设备工作　状态实时监测、故障信息处理以及实时报警系统变得非　常必要。　笔者提出一种基于ＳＴＭ３２的消防设备保护系统，通　过对监控区域内消防泵运行过程中的电流值、电压值进　行监测，进而实现对消防设备的短路、缺相、欠载、欠压、　过压等故障的分析处理。通过ＺｉｇＢｅｅ无线传感器网络　ｌｌ　瞒蘧聱：麟褒　实现消防设备的工作状态、故障和报警信息的实时传输，　并能通过ＧＳＭ网络上传给监控中心。当设备出现故障　时，及时给工作人员的手机发送短消息，以便工作人员能　够及时处理故障，减少不必要的损失，同时大大降低使用　及维护成本。　１系统总体结构　系统的工作过程为：采集消防泵运行过程中的电压、　电流参数，通过对参数的分析处理，判断消防泵是否出现　短路、缺相、欠载、欠压、过压等故障，如果出现故障，则对　消防泵进行相应的保护，并发出报警信息。根据其工作　过程，系统可设计为由监控终端、网关和监控中心三部分　组成的分布式系统。监控终端负责数据采集、故障分析　与处理、报警等任务；网关负责数据的中转；监控中心具　有远程控制、参数远程设置以及数据接收、存储、分析等　功能。监控终端与网关通过ＺｉｇＢｅｅ网络进行数据通信，　监控中心与网关通过ＧＰＲＳ网络实现数据通信。系统的　总体结构如图１所示。　２系统硬件设计　系统硬件设计包括监控终端硬件及网关硬件设计，　监控终端与网关硬件选择某公司以ＡＲＭ　Ｃｏｒｔｅｘ—Ｍ３　内核为核心的处理器ｓＴＭ３２Ｆ１０７ＶｃＴ６，具有２５６　ＫＢ内　

［６］林娜．基于软交换技术的下一代网络体系结构及相关技术的研究　［Ｄ］．沈阳：东北大学，２００５．　［７］范玉峰，马青波，隋虎林．脱网基站技术在灭火救援现场的应用研究　［Ｊ］．消防科学与技术，２０１２，３１（９）：９６９—９７１．　［８］郑清平．浅谈消防部队灭火救援现场通信保障问题［Ｊ］．中国新通　信，２０１３，１５（２）：４８．　

Ｔｈｅ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｏｆ　ｏｆｆ－ｌｉｎｅ　ＷＣＤＭＡ　ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ　ｓｙｓｔｅｍ　ｉｎ　ｆｉｒｅｆｉｇｈｔｉｎｇ　ａｎｄ　ｒｅｓｃｕｅ　ｓｉｔｅ　

ＤＵ　Ｙａｎｇ，ＳＵＩ　Ｈｕ—ｌｉｎ　（Ｓｈｅｎｙａｎｇ　Ｆｉｒｅ　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆ　ＭＰＳ，Ｌｉａｏｎｉｎｇ　Ｓｈｅｎ—　ｙａｎｇ　１　１００３４，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ　ｔｅｃｈｎｉｃａ１　ｆｅａｔｕｒｅｓ　ｏｆ　ｏｆｆ－ｌｉｎｅ　ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ　ｂａｓｅ　ｓｔａｔｉｏｎ　ｗｅｒｅ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ，ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ　ｆｌｅｘｉｂｌｅ　ｃｈｏｉｃｅ　ｏｆ　ｂａｓｅ　ｓｔａｔｉｏｎ　

作者简介：杜　阳（１９８３～），男，辽宁沈阳人，公安　部沈阳消防研究所研究实习员，主要从事消防通信技　术的研究，辽宁省沈阳市皇姑区文大路２１８—２Ｏ号，　１１００３４。　收稿日期：２０１３—０６—０５　

基金项目：陕西省教育厅科技计划项目（Ｏ９ＪＫ３７１）；西安市科技计划项目（ＣＸ１２５９（２））　消防科学与技术２０１３年１ｏ月第３２卷第１ｏ期　１１２７　

～一～　一　～．重 胁＿童 一一～一一一一一一一　一～　一～一一一～一一～一豁　控　纵　端　

盼　控　终　端　

控　终　端　

ｒ　

图１系统总体结构　部闪存和６４　ＫＢ内部静态存储区，集成５个ＵＳＡＲＴ接　口、２个Ｉ２Ｃ接口、３个ＳＰＩ同步串行接口等，其低功耗、　高性能的优点完全符合本系统的设计要求。　２．１　监控终端硬件设计　监控终端以ＳＴＭ３２Ｆ１０７ＶＣＴ６微处理器为核心，包　括处理器外围电路、采集电路、ＺｉｇＢｅｅ通信电路、键盘显　示电路、存储电路、蜂鸣器电路等，其硬件电路总体框图　如图２所示。　电源电路　——Ｊ蜂呜器报警电路　开天齄输｝ｆ｛电路　—　强示垮　嬲电路　ＳＴＭ３２Ｆ　１０７ＶＣＴ６　处理器外网电蹀　——Ｊ　ＺｉｇＢｅｅ通信电路　聚集电路　．—一ｌ　ＳＤ　存储电路　ｌ　图２监控终端硬件框图　２．１．１　电源电路　监控终端的供电电压有３．３　Ｖ和５　Ｖ两种，为了满　足各个模块的供电要求，系统的外部电源可以通过电源　接口输入２４　Ｖ的直流电压，然后通过ＬＭ２５７５将电源稳　至５　Ｖ，以５　Ｖ电压作为电路板的整体供电电压，再使用　Ｉ　ＤＯ（低压差稳压电源芯片）稳压输出３．３　Ｖ为各个模块　供电。　２．１．２参数采集电路　消防泵的电能参数采集电路选用ＡＴＴ７Ｏ２６Ａ电能　采集芯片，该芯片为高精度三相电能专用计量芯片，内部　集成参考电压电路、数字信号处理电路、ＡＤ转换电路等。　消防泵运行的电压电流值通过电压、电流互感器送入　ＡＴＴ７０２６Ａ中进行处理，处理之后的结构保存在不同的　寄存器中，通过读取寄存器的值得到消防泵的运行参数。　ＡＴＴ７０２６Ａ采用单５　Ｖ供电，通过ＳＰＩ接口与微处理器　通信。　２．１．３　ＺｉｇＢｅｅ通信电路　无线通信模块的硬件设计采用了现有的ＺｉｇＢｅｅ无　线通信模块ＣＣ２４３０，该芯片是专门针对ＺｉｇＢｅｅ协议设计　的Ｓｏｃ（Ｓｙｓｔｅｍ　ｏｎ　Ｃｈｉｐ）系统解决方案。无线通信模块主　］】２８　要由处理器、天线和连接部分三部分组成。使用非平衡　天线连接非平衡变压器的方法，可以使天线具有优异的　性能。ＣＣ２４３０为３．３　Ｖ供电，通过串行通信接口与处理　器ＳＴＭ３２Ｆ１０７ＶＣＴ６进行数据交换。　２．１．４键盘与显示电路　为了能够提供良好的人机交互接口，系统在应用中　采用Ｉ２Ｃ接口的键盘和显示管理芯片ＺＬＧ７２９０与微处　理器进行数据交换。ＺＬＧ７２９０的工作电压为３．３～５．５　Ｖ，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，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。　２．１．５存储电路　为保证消防设备故障报警系统在网络不通或者掉电　情况下数据的完整性，系统采用ＳＤ卡作为存储设备。　ＳＤ卡的工作电压为３．３　Ｖ，支持ＳＤ总线模式访问和ＳＰＩ　总线模式访问两种操作模式，ＳＰＩ模式相对于ＳＤ模式传　输速度有所下降，但是ＳＰＩ模式更加简单通用。由于系　统中数据的存储操作不是很频繁，为了与处理器连接方　便，设计中采用ＳＰＩ操作模式。　２．２网关硬件设计　在监控终端的硬件设计基础上，网关增加了ＧＰＲＳ　模块，其功能是将数据通过ＧＰＲＳ模块连接到网络，发送　到远程监控中心，监控中心对数据分析处理后，通过　ＧＰＲｓ模块将其命令传达下去。系统的ＧＰＲＳ模块选择　Ｍ２３Ａ，是ＧＳＭ／ＧＰＲＳ双频通信模块，集成了完整的射　频电路和ＧＳＭ的基带处理器，适用于开发基于ＧＳＭ／　ＧＰＲＳ的无线应用产品。ＧＰＲＳ通信电路部分以内嵌　ＴＣＰ／ＩＰ协议栈的Ｍ２３Ａ模块为中心，由Ｍ２３Ａ模块相　关外围电路组成，通过串口与ＳＴＭ３２Ｆ１０７ＶＣＴ６相连。　３系统软件设计　系统中监控终端和网关的软件设计采用Ｃ语言为开　发语言，以嵌入式ｕｃ／ＯＳ一Ⅱ为操作平台，ｕＣ／（）Ｓ一Ⅱ是　免费、源码完全公开、可移植、可固化、可裁剪的占先式实　时多任务操作系统。同其他操作系统一样，ｕＣ／ＯＳ一１Ｉ　也是从ｍａｉｎ（）函数开始执行的，完成操作系统的初始化、　任务创建，并启动系统。监控终端和网关硬件采用层次　化的方法进行设计，从下到上依次是：底层驱动程序、ｕＣ／　ＯＳ—ＩＩ嵌入式操作系统内核、高级应用程序和用户应用　程序。　３．１监控终端软件设计　监控终端的主要功能是：数据采集、数据处理、数据　存储、人机交互、数据通信、故障检测、故障保护以及报警　等。应用程序针对这些功能编写相应的功能模块，具体　

Ｆｉｒｅ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｏｃｔｏｂｅｒ　２０１３，Ｖｏｌ　３２，Ｎｏ．１０　表现为用户应用程序中的各个任务。　３．１．１　数据采集　数据采集的主要功能是采集消防泵运行时电压、电　流数据，并将采集到的数据存储到指定的缓冲区中。一　旦采集到的数据组数达到了指定数量，立刻通知数据处　理程序处理数据。数据采集是周期性任务，如果采集周　期到，开始采集不同数据存放于不同的数据缓冲区中，然　后判断已采集到的数据组数是否达到了数据处理所需的　数量。如果达到了，则通知数据处理任务开始处理数据，　否则返回采集，继续采集下组数据。　３．１．２数据处理　数据处理主要用于判断消防泵的工作状态是否异　常，将采集到的水泵运行电压、电流数据经过计算与处　理，与设置的不同故障阈值进行比较，出现异常时立刻进　行相应保护，并发出报警信号。　３．１．３数据存储　数据存储的主要工作是完成ＳＤ卡检测和数据存储　功能。ＳＤ卡是周期性读取的，数据按照指定的格式存储　到ＳＤ卡中，通过ＦＡＴ文件管理程序，每一天的数据被单　独存放到一个．ｔｘｔ文件中，文件名以日期命名，这样可以　方便地完成数据的存储。另外，在数据查询的过程中，该　部分程序也负责读取数据。　３．１．４故障报警　监控终端故障报警是通过蜂鸣器和ＬＥＤ指示灯实　现的，出现故障之后蜂鸣器响，ＬＥＤ故障指示灯点亮，数　码管显示故障信息，并向监控中心和工作人员的手机发　送发生故障的设备号、故障信息、故障时间等数据。　３．１．５　ＺｉｇＢｅｅ通信　监控终端的ＺｉｇＢｅｅ模块的作用是将监控终端采集　的数据发送给网关，并接收监控中心发来的命令。监控　终端ＺｉｇＢｅｅ模块定时将消防泵运行状态发送给协调器。　当消防泵出现故障时，立刻将故障信息发送给协调器，由　协调器发送给网关。如果接收到监控中心下达的命令，　首先将命令接收，然后对命令进行解析，解析完成后再按　照监控中心的命令要求作相应处理。ＺｉｇＢｅｅ通信任务的　软件流程图如图３所示。　３．２网关软件设计　根据网关系统要完成的功能，应用程序被划分为数　据存储、ＺｉｇＢｅｅ通信、ＧＰＲＳ通信、显示与键盘任务。笔　者重点介绍ＺｉｇＢｅｅ通信任务和ＧＰＲＳ通信任务。　接收剑　命令　到　到？／ｌ　到敞　＼　号　。　／　＼／　足ｉ　命令解析总处理｛　ｌ　Ｉ　图３　ＺｉｇＢｅｅ通信任务流程图　３．２．１　ＺｉｇＢｅｅ通信任务　网关中ＺｉｇＢｅｅ模块的通信任务主要是与ＺｉｇＢｅｅ终　端节点、ＧＰＲＳ网络进行通信。ＺｉｇＢｅｅ网络建立之后，协　调器一直处于接收状态，当有接收中断产生时，判断数据　来自监控终端还是监控中心。如果数据来自监控终端，　将监控终端的数据接收并存储起来，并将数据发送给　ＧＰＲＳ模块；如果有来自ＧＰＲＳ网络的数据，接收之后再　将数据进行解析处理，处理之后再作相应的响应。　３．２．２　ＧＰＲＳ通信任务　ＧＰＲＳ通信服务程序的主要功能在于实现对ＧＰＲＳ　Ｍｏｄｅｍ的操作，将通过ＡＴ指令对ＧＰＲＳ　Ｍｏｄｅｍ的操作　封装起来，ＺｉｇＢｅｅ模块有发送需求时，将数据通过ＧＰＲＳ　Ｍｏｄｅｍ发送出去，ＧＰＲＳ　Ｍｏｄｅｍ也接收监控中心传递过　来的指令。　３．３监控中心软件设计　监控中心软件旨在提高水资源监控管理的自动化、　系统化，减少人员工作量，增加系统的可靠性及工作效　率。监控中心软件采用Ｍｉｃｒｏｓｏｆｔ　Ｖｉｓｕａｌ　Ｂａｓｉｃ　６．０编程　技术和Ａｃｃｅｓｓ　２００７数据库完成开发。监控中心的功能　包括：用户管理、故障信息管理、监控管理、使用权限、远　程控制、数据查询、系统Ｈ志、数据分析与报表打印等关　键部分。监控中心功能模块如图４所示。