在消防控制领域中，单一化控制设备种类较多，但智能化的触摸屏使用还处于相对较少的阶段[1]。触摸屏融入到各类工控系统的通信方式越来越复杂，例如通信方式有串口收发数据、Modbus-RTU、Modbus-TCP、三菱FR500系列变频器、天辰_XSL巡检仪表等。MCGS触摸屏从初期的设计是主要应用在PLC类、仪表类、变频器类，通过添加子设备驱动来实现触摸屏与各类设备的通信连接，而对于Modbus通信协议主要应用于MCGS触摸屏与PLC设备之间。基于此通信协议，设计了一种基于MCGS嵌入式消防控制系统，系统成本低，人机交互性强，具有一定的实际应用价值[2]。

2 系统总体方案设计

基于MCGS嵌入式消防控制系统由检测和控制模块、智能消防控制模块和电动窗组成。通过智能消防控制模块的外设按钮可控制电动窗的开、关、停，实现日常开关；当风、雨、光达到设定阈值时，高精度风雨传感器会将开关量转换为电平信号发送给STM32主控板，实现关窗；烟雾传感器感测烟雾浓度，达到一定门限值，电离平衡状态改变，发送电平信号给STM32主控板，实现开窗和声光报警，同时发出紧急短信；MCGS组态触摸屏对主控板实时状态监控，达到整个楼宇消防状态的可视化[3-4]。系统总体框图如图1所示。

 

图1 系统总体框图
 

主控板的CPU采用的是ARM的Cortex-M3处理器，为满足MCU的需要提供了低成本的平台、缩减的引脚数目、降低的系统功耗，同时提供优秀的计算性能和高级的中断系统响应[5]。硬件电路设计着重介绍电源电路、电流和电压检测电路、遥控开关电路、语音报警电路以及EEPROM设置。主控制单元的控制逻辑为“手动开关”=“遥控开关”>“消防”=“紧急”=“烟雾+ -”>“风雨+ -”。电源电路是通过LM2596S-ADJ芯片将27.6V的输入电压转换为3.3V电压，因STM32单片机的工作电压为3.3V。

 

图2 电流和电压检测电路图
 

图2所示为电流和电压检测电路图。主控板外部，使用电流变送器检测直流电机电流Motor_A（0~xxA，例如80A），xxA用变量（0~255）表示。放大后，送单片机AD，经过计算得到Motor_A。直流电机电压Motor_V通过12.4k和1k电阻分压和射随器，送单片机AD，经过计算得到Motor_V。
 

遥控开关电路的工作原理是通过KCQP和KCQN输入+/-24v，控制2个继电器。
 

开窗：单片机KCQIN1下降沿。

关窗：单片机KCQIN2下降沿。

停止：KCQIN1或者KCQIN2上升沿。延时后，判断二者是否同时为1。

图3 语音报警电路图
 

图3所示为语音报警电路图。火灾发生时，必要的语音报警会确保人们第一时间得知危险信息。STM32单片机将信号发送给C-S9561,经过晶闸管到S9561语音报警芯片，经转换为警报信号输出给功放电路，实现语音报警[6-7]。
 

EEPROM为存储每次开关停事件，共14位数字。事件格式：年月日时分秒+动作来源+动作代码。动作来源1位数字：1-“触摸屏”；2-“GPRS”；3-“短信”；4-“CAN”；5-“手动开关”；6-“遥控开关”；7-“消防”=“紧急开关”；8-“烟雾开关”；9-“风雨开关”。动作代码1位数字：1（开启）、2（关闭）、3（停止）。因每个事件固定14位数字，故可以用2个无符号长整型（各存7位数字，共64位，8个字节存储）,例如18071016021251（表示2018，07月10号，16时02分，12秒手动开启）。
 

因为EEPROM（AT24C512为64KB，其他参数假设使用4KB，剩余60KB）最多保存60*1024/8=7680个事件。
 

第一个事件保存在EEPROM固定地址例如4000，则第二个事件从4008开始保存，第三从4016开始保存，剩余依次保存。
 

STM32单片机是通过C语言完成软件编程，编程思路为主程序调用子程序，实现的主要功能有控制电动窗的开（正转）、关（反转）、停；接受各类传感器消防信号以及产生相应的动作；直流电机驱动电路工作电流和电池电压模拟信号的采集与转换；基于Modbus-RTU协议与MCGS组态触摸屏串口通信的实现；数据的传输与存储等[8]。主程序完成系统的初始化，调用各个子程序，使得系统完成各项工作。系统上电执行复位操作，通过控制面板上的按钮手动控制电动窗的开、关、停，烟雾传感器和风雨传感器分别检测烟雾和风雨，自动进行开关窗，主控板所有状态显示在触摸屏上。软件流程图如图4所示。

 

图4 基于MCGS嵌入式消防控制系统软件流程图
 

为了验证MCGS组态触摸屏软件设计以及和基于Modbus-RTU协议的STM32单片机通信实现，搭建串口调试仿真实验平台。触摸屏与STM32串行通信参数设置如表1所示。
 

表1 Modbus-RTU仿真参数表

根据表1设置好通信参数后，STM32单片机上的RS-485串口转USB连接PC端，采用奇校验（也可采用偶校验或无校验），串口通信调试助手的收发数据如图5所示。
 

图5 串口调试收发数据帧图
 

参见图5测试03功能码数据帧，读取设备1主控板寄存器的所有状态信息（人为设置所需要读的状态信息），STM32会返回1帧相应的03功能码ADU。由此，可表明从MCGS组态触摸屏发送指令到STM32单片机响应指令通信成功，系统具有良好的监测和控制性能。
 

    本文设计了一种基于MCGS嵌入式消防控制系统，对系统的硬件和软件进行了详细的设计，利用Modbus-RTU通信协议将MCGS组态触摸屏和STM32单片机结合在一起，实现对消防控制系统的动态监视以及触屏控制。经过仿真测试实验，成功实现MCGS触摸屏与STM32单片机通信。该系统应用到现代楼宇中，更加智能化的解决消防安全问题，为以后研究更为先进的消防控制系统具有一定的借鉴意义。
 

[1]  王玉成. 消防联动门窗控制系统设计及其控制策略研究[D].济南：齐鲁工业大学,2018.
 

[2]  饶美丽,徐增勇.基于嵌入式油品含水率检测系统的设计[J].仪表技术与传感器,2019(02):48-50+54.
 

[3]  郭凯,郝润芳.基于STM32的全自动化烟尘称量装置[J].仪表技术与传感器,2018(12):71-73+77.
 

[4]  李盼盼. 气—液两相CO_2流量标准装置控制系统研制[D].天津：天津大学,2017.
 

[5]  邢松华. 基于PLC的制革废水处理自控系统研究[D].南昌：南昌大学,2019.
 

[6]  李春华. 基于STM32的语音报站控制器的设计与实现[D].北京：北京交通大学,2018.
 

[7]  LI M X , ZHANG Z J , Milke J , et al. Experimental Research on the Smoke Control System in a Complex Road Tunnel Fire[J]. Procedia Engineering, 2018, 211:379-387.
 

[8]  周余,张伟,丁跃华.Modbus协议在立体车库实时监控中的应用[J].自动化仪表,2018,39(11):99-102.
 

乔元健(1996— ) 男 工学硕士 工业测控网络技术方向