1、基于 STM32 的电气火灾监控设备应用开发 Development of the electric fire prevention device based on STM32 吕远 张喜平 张荣奎 深圳 市 赋安安全系统有限公司 ，广东，深圳， 518000 摘要： 本文 论述了电气火灾监控设备的重要性以及功能，介绍了 基于 STM32 搭载 嵌入式操作系统uC/OS-II 的电气火灾 监控设备的实际开发 应用 ，重点阐述了开发过程中 芯片 选型，硬件接口设计，操作系统的移植 ， 以及 软件 的 体系结构等内容 。 较详细的给出了工业控制系统软件的整体 设计思路，及软件中各任务的具体运行过程
2、。 关键字： 消防 电气火灾监控设备 STM32 uC/OS-II 1 引言 随着中国 现 代化建设的快速发展和人民生活水平的不断提高，用电设备 大为增加，与之对应的电气火灾安全隐患随之增多。 根据公安部 2011 年通报 1, 我国 2010 年 因电线短路、过负荷及电气设备故障等电气原因引起的火灾共 40481 起，占火灾总数的 30.7%,而在 69 起 较大以上火灾中，电气原因占 34.8%。 据我国消防部门统计，多年来电气火灾发生率均已高居各类火灾原因之首，造成的损失巨大。 电气绝缘老化 导致的漏电电流过大或短路、 线路过载导致温度过高、用电设备与导线 连接处局部过热等 均易形成电气
3、火灾隐患 2。 为遏制 我国 频繁 发生 的电气火灾 ， 安装专门针对电气线路故障进行前期预警的 电气火灾监控系统是非常迫切和 必要的。 电气火灾监控系统 3由电气火灾监控设备， 剩余电流 式 电气火灾 监控 探测器 和测温式电气火灾监控探测器组成 ，还可以包括故障电弧探测装置。 电气火灾 监控 探测器 能够监视 低压配电系统中 尚未造成火灾的隐患， 它可以 实时地 对 剩余电流（ 漏 电 电流 ） ，温度的异常变化 进行 检测、分析、 判断，对可能发生 的火灾进行预报、监控，能够 极大程度 地降低 电气 火灾事故的发生。 电气火灾监控设备 能够实时显示电气火灾 监控 探测器的 工作 状况 ，
4、比如 监视状态 ， 报警 状态 ，故障 状态 等。当 被监视支路剩余电流 /温度当前值 经过 算法进行进一步识别、判定， 确认 超过报警设定值 时，监控 设备发出 报警信号，点亮报警指示灯 ，发出报警音响，同时在液晶显示屏上显示 报警值、 报警 部位、时间、支路等信息。值班人员能够根据显示的信息，及时 到事故现场进行确认、 排查 处理 ， 消除火灾隐患，从而大幅度地避免火灾 损失 。 目前市场上 部分 电气火灾监控设备 的 中心 处理单元 采用单片机控制 ,单片机具有价格 低 ，外围硬 件电路 简单 ， 便于维修等特点，适用于小型应用场合。 但 是， 随着 建筑物的大型化和复杂化，市场需求 电
5、气火灾监控设备 能够集中 监测多达 上千点 的监测 目标， 具有 多重数据处理 能力 以及网络化 监测能力 ，这就要求 电气火灾监控设备的 处理单元必须 具备 高速 运算 和联网 处理 的 功能。 基于 上述 原因，随着嵌入式系统发展和成熟， 采用 ARM+嵌入式系统 实现 电气火灾监控设备 应用开发是一种 理想 选择。 2 核心 处理器选型 本文介绍的 电气火灾监控设备选用意法半导体公司的 STM32F103VE 作为 核心 处理器 ， 该芯片使用高性能的 ARM/Cortex-M3/32 位 的 RISC 内核，工作频率为 72MHz， 内置高速存储器， 具有 丰富的增强 I/O 口和联接
6、到两条 APB 总线的外设， 包含两个 12 位的 ADC， 3 个通用 16 位定时器和一个 PWM 定时器，还包含标准和先进的通信接口：多达 2 个 I2C 和 SPI， 3 个 UART，一个 USB 和一个 CAN。 该 芯片 能够满足 开发 电气火灾监控设备的功能要求。 作者简介： 吕远，男，本科，深圳市赋安安全系统有限公司研发工程师，主要从事嵌入式软件开发。 E-mail: 。 3 电气火灾 监控设备整体 设计 本电气火灾监控系统通过采用 2 总线技术实现电气火灾监控设备与多达数百 个电气火灾监控探测器实现。 电气火灾监控设备 整体 构成 如图 1 所示 ， 由 主控板，回路板，
7、液晶显示屏， LED指示灯 ，按键板，打印机，声控设备 等组成。 主控板 是 本电气火灾 监控设备之核心控制部分，控制整个监控设备正常工作。主控板主要由电源 DC/DC 变换部分、状态显示部分、总线接口部分、声响部分、时钟部分、看门狗电路组成。监控设备 所有的控制指令由主控板发出并 实时 监控各部分的状态。 主 控 CPU 配有各种通讯接口， 可以 通过 RS232 总线、 CAN 总线与 其他设备进行 通信 。回路板由 4 路总线单元组成，主要处理与 总线 型电气火灾监控探测器 相关的信息交互。 主 控液 晶 显 示键 盘L E D 指 示打 印 机回 路 板总 线 设 备图 形 显 示 系
8、 统4 8 5 外 设 ( 备 用 )其 他 控 制 器 联 网声 控 设 备图 1 电气火灾监控设备整体构成图 4 电气火灾监控设备 硬件 接口 设计 4.1 输入输出 接口设计 电气火灾监控设备 使用 专用键盘的 按键作为输入设备， 按键板 连接到 STM32 的 IO 口 ， 用于接收用户的输入信息。 输出接口包括：液晶屏，打印机，指示灯，音响等。 监控设备 使用 单色液晶屏，作为人机交互的主要介质， 采用 240*128 图形点阵液晶模块 确保 用户 能够简洁直观的 查询信息 ， 包括当前监测值、报警设定值，时间等 。 同时 ，监控设备配置 微型 热敏打印机，通过 STM32 的串口能
9、够将所有的事件实时的打印输出。另外 ， 报警 声、 故障 声可以通过声响直观地识别设备工作状况 。 4.2 计算机通信接口 电气火灾监控设备通过 RS232 接口与上位机进行通信 ， 支持与 PC 机通信，能够实时地 与计算机 显示软件进行通信， 以图形方式将报警信息按主路 -支路等方式直观地显示在计算机上 。 4.3 联网通信接口 随着工程应用中对 电气火灾监控 探测器点数的要求的不同， 在大型 电气火灾监控系统中支持电气火灾监控设备间的联网通信是十分必要的，本监控设备 具备 CAN 接口通信，能够支持 最多 100台监控设备之间实时进行通信，组成局域网，满足用户的不同探测目标 点数的需要。
10、 4.4 外部设备通信接口 RS485 通讯接口作为外设扩展接口作为保留，在后续的升级过程中 电气火灾监控设备可以通过 RS485 总线接口 接入其他设备中，并实现相互联网通讯。 5 电气火灾监控设备 软件系统 设计 5.1 uC/OS-II 操作系统特点 uC/OS-II是一个完整的 ,可移植 、 可 固化 、 可裁剪的抢占 式实时多任务内核 ， 且 源代码公开 。它可以管理 64个优先级各不相同的任务，总是运行优先级最高的任务 4。 电气火灾监控设备由于要处理多任务并要求实时性好，故 uC/OS II是很好的选择。 5.2 操作系统移植 uC/OS - II 的移植是指能让 uC/OS -
11、 II 在 STM32 上进行一些包括接口配置 , 驱动编写等在内的工作。为了保证电气火灾监控设备软件的稳定可靠运行 , 对 uC/OS -II 的正确移植就显得尤为重要。谈到 移植，首先 看操作系统 的内核结构 , C/OS-II 作为一个很优秀的嵌入式操作系统，它最基础的功能就在底层驱动支持下屏蔽硬件的差异性，来为用户提供一个不需要考虑硬件的多任务平台。因此和其他的操作系统一 样，用户程序都是建立在 C/OS-II 内核基础之上的。这样非常方便应用程序的编写。 在这里 首先 要注意两个头文件： （ 1） OS_CFG.H 实现 C/OS-II 内核功能的裁剪。通过配置这个头文件， C/OS
12、-II 可以方便的实现裁剪，以适应不同的嵌入式系统。 (2)INCLUDES.H 包含了所有的头文件，这样在应用程序包含头文件时只需将此头文件包括进去就能包含 C/OS-II 所有的头文件 。 移植主要需要修改 OS_CPU.H， OS_CPU_A.ASM 和 OS_CPU_C.C 这三个文件。 在 OS_CP U.H 中，主要声明了一些与微处理器相关的常量、宏和 typedef，对于以 Cortex-M3 为内核的 STM32 微处理器来说，它支持向下增长的满栈，故需要定义栈增长方向宏为 1。 在 OS_CP U_A.ASM 中实现的是 下 面 五 个 与 处 理 器 相 关 的 函 数 ：
13、 关 中 断 函 数 OS_CPU_SR_Save(); 恢 复 中 断 函 数 OS_CPU_SR_Restore(); 启动最高优先级任务运行 OSStartHighRdy(); 任务级切换 函数OSCtxSw();中断级任务函数 OSIntCtxSw()。 与 CPU 相关的 C 函数和 一些 钩子函数 （ OS_CPU_C.C）是为了扩展用户功能而定义的钩子函数，这些钩子函数可以都为空函数，也可以加上一些用户需要的扩展功能 。 移植成功后就可以进行整个 电气火灾监控设备软件 系统的开发工作。 5.3 软件系统整体设计 在设计电气火灾监控设备软件系统架构时对其进行分层，整个体系分为应用层
14、，控制层，驱动层。通过分层，从逻辑上将整个系统划分为三个集合，层间关系的形成遵循一定的规则，这样做可以进一步限制系统层间的相互依赖，使系统以更加松散的方式耦合，从而更加的易于维护。 通过图 2 可知， 当 STM32 覆盖了操作系统 后，便可在其 之 上进行功能的扩展，为开发者提供一个方便，安全可靠性好的平台，是整个系统的管理核心。 C/OS-II 通过信号 量 与邮箱功能模块与硬件驱动程序连接 ,硬件驱动 层 主要是提供对硬件的直接访问 。控制层 的软件 主要实现 例如LCD 显示 ， LED 指示 , RTC, 键盘扫描，声响输出，电源检测 ， 以及各通信接口 等功能 。 应用层主要实现电
15、气火灾监控设备的各项细节的功能要求，在不更改控制层和驱动层的基础上只需更改应用层的软件便可实现不同的功能需求，为今后系统的升级或硬件平台的移植提供便利。 应用层驱 动 层 （ G P I O 、 S P I 、 I 2 C 、 U A R T 、 C A N ）硬 件 接 口 硬 件 接 口操作系统主 控 板 软 件收 发码总 线状 态检 测通 信R T C时 钟2 4 V C输 出报 警 继电 器 输出电 源 状态 检 测键 盘 扫描声 响 输出L E D指 示L C D显 示G U I 窗 口管 理回 路 功 能 联 网 功 能2 3 2 通 讯 功能4 8 5 外 设 功能按 键 处 理
16、时 钟 、中 断联 网C A NF L A S H存 储回 路2 3 2外 设4 8 5计 算 机2 3 2打 印2 3 2并 行G P I OG P I O I 2 C G P I O G P I O G P I O G P I OG P I OS P IC A N U A R T U A R T U A R T U A R T控制层驱动层软 件 层 次回 路 板 软 件图 2 软件系统结构图 根据系统所要实现的功能，将整个系统划分为 7 个任务， C/OS-II 对任务的调度是按照优先权的高低进行的，将系统的这些任务按优先级从高到底的顺序排列依次是： 键盘信息任务 、系统消息任务、回路信息
17、任务、计算机通信任务、 CAN 通信任务 、 界面信息任务、 RS485 通信任务 。 其中键盘任务作为用户主要的输入模块，对实时性的要求较为严格，故设为较高的优先级，一般而言，在系统运行的过程中， 所有 任务的优先级是固定不变的。 C/OS-II 控制下的任务可以分为休眠态、就绪态、运行态、中断态和 挂起态。 键盘信息任务优先权最高，最先进入运行态。该任务首先查询消息邮箱查看是否有其他任务向其发送消息，如果有则先处理消息，之后进行一次按键扫描，查看是否有输入信息，之后该任务进入挂起状态。按照优先权级别顺序，回路信息任务由就绪态转为运行态，接收回路板发送来的回路信息，进行即时的处理，然后执行延
18、时函数将自身转为挂起状态，交出 CPU 使用权让其他任务得以执行 。系统按照任务优先级继续执行优先级高的就绪态任务，依次进行计算机通信， CAN 通信， 485 外设通信，界面更新等任务。当每一个被挂起的任务延时时间到时，系统内核自 动将它再次转为就绪态。 任务的延时时间设定为 10ms， 保 证了对数据的实时分析处理，大容量数据保存以及快速的动作响应， 经过测试验证 能够很好的满足所有任务的实时性 。 6 结语 本文从电气火灾 发生 日益严重的现状出发， 结合国家相关的标准，使用当下流行的 STM32 芯片 和嵌入式实时操作系统 uC/OS-II 进行了 电气火灾监控设备 应用 研发 ，通过
19、 大量工作 构建了一个提供图形界面支持的嵌入式多任务操作系统内核，该平台可以作为一个嵌入式工业控制通用平台，在其平台上可以进行各种应用的开发，是一种有效的技术解决方案 。 另外 在硬件方面，只需更改总线的通讯协议就可以将该硬件电路用于 开发其它类型的报警控制器， 同时 可以为以后 电气火灾监控设备 的升级提供方便 ，具有较好的经济性和扩展性 。 参考文献 1 慧聪消防网， http:/ 2011 2 王 丽虹 , 何志华 ,李春峰 , 电气火灾隐患产生原因及分类的探讨 . 消 防技术与产品信 息 , 2005 NO.9 3 GB14287-2005, 电气火灾监控系统 . 中国标准出版社， 2005 4 Jean J.Labrosse 著 ,邵贝贝译 . 嵌入式实时操作系统 uC/OS II. 北京航空航天大学出版社 , 2003.
