Система мониторинга остатка воды в цистернах пожарных машин



Описывается система мониторинга остатка воды в цистернах пожарных машин. Система производит измерение наполненности цистерны. Информация об остатке воды индицируется в кабине автомобиля для экипажа пожарной машины, а также передаётся для диспетчера в пункт связи.

Ключевые слова: датчик, цистерна, пожарная машина, радиоканал, отображение информации, микроконтроллер.

Проблема безопасности жизнедеятельности человека является емкой и многогранной. Пожарная безопасность занимает в ней весомую составляющую и сама состоит из множества подзадач. Ниже приводится проект системы, решающей проблему контроля наполненности воды в баках пожарных машин, относящихся к одной пожарной части, что актуально в современных условиях. Количество контролируемых пожарных машин по наличию воды — до 20 единиц. Система состоит из двух сегментов: стационарного и мобильного. Стационарный сегмент системы размещается на пункте связи в пожарной части, его органы управления и средства отображения информации предназначены для диспетчера. Мобильный сегмент составляют элементы, установленные на каждом из контролируемых пожарных автомобилей.

Каждый элемент мобильного сегмента системы содержит датчики уровней воды, соответствующих 0, 20, 40, 60, 80, 100 % от вместимости цистерны. Эти уровни соответствуют остатку воды в баке от 0 до его полной ёмкости Vц с шагом dV=Vц/5. Так, например, для пожарной автоцистерны АЦ-2,5–40 этот шаг составляет 500 литров, для АЦ-5–40–1000 литров, и т. д.

В кабине машины устанавливается линейный шкальный индикатор, состоящий из шести трёхцветных светодиодов (RGB-светодиоды). Их включение соответствует остатку воды в описанной выше градации. Такой вид индикатора выбран для упрощения восприятия визуальной индикации, по сравнению с различными цифровыми индикаторами, в экстремальной обстановке тушения пожара, при движении автомобиля и т. д.

Для дополнительного привлечения внимания применяется следующий алгоритм работы индикатора. При остатке воды в цистерне 40 % и более светодиоды, которые обозначают уровень воды, горят зеленым светом, при снижении остатка воды менее 40 % светодиоды начинают излучать жёлтый цвет. При остатке воды от 0 до 20 %, светодиоды, соответствующие уровням 0 и 20 %, излучают красный свет. При срабатывании самого нижнего датчика уровня (бак пуст) вся шкала индикаторов загорается мигающим красным цветом, а также раздается тревожный звуковой сигнал в машине. Для того чтобы отключить данный тревожный сигнал в машине расположена кнопка «стоп звук». После отключения тревожного сигнала на шкале остаётся только один, непрерывно светящийся красным, светодиод, соответствующий нулевому остатку.

Рис. 1. Работа индикатора: а — бак полон; б — остаток от 20 до 40 %; в — остаток от 0 до 20 %; г — бак пуст, кнопка «сброс» не была нажата; д — бак пуст, индикация после нажатия кнопки «сброс». Обозначение цветов: «з» — зелёный, «ж» — жёлтый, «к» — красный

Мобильная часть системы периодически передает на стационарный сегмент данные от датчиков уровня. Передача ведется по запросу со стационарного сегмента. Предусмотрены три вида запросов: плановый, экстренный циркулярный и экстренный адресный. Плановый запрос выдается поочерёдно на каждый контролируемый автомобиль с периодичностью в 3 минуты. Экстренные запросы формируются по команде диспетчера, (по нажатию соответствующих кнопок). Экстренный циркулярный запрос позволяет поочерёдно опросить все автомобили пожарной части до наступления момента планового опроса. Экстренный адресный запрос применяется для внеочередного, внепланового получения информации об остатке воды в цистерне конкретного автомобиля.

Запрос состоит из номера машины, занимающего 5 бит (потенциальная ёмкость системы — до 32 автомобилей), и кода запроса информации с датчиков уровня (2 бита). Надёжность обмена обеспечивается тем, что каждая посылка запроса и ответа передаётся и принимается трижды, после чего принятые пакеты информации побитно сравниваются (сравнение осуществляется программой микроконтроллера), и при полном совпадении хотя бы двух принятых пакетов принимается положительное решение о достоверности принятого пакета.

Обмен информацией между стационарным и мобильным сегментами системы ведётся посредством штатных средств связи, установленных на пожарных автомобилях и в пунктах связи пожарной части. Это позволяет удешевить систему в целом. При таком подходе к организации связи недопустимо вмешательство в конструкцию радиосвязного оборудования. Поэтому система подключается к радиостанциям стационарного и мобильного сегментов посредством переходного жгута через разъём для подключения гарнитуры к радиостанции. Работа радиостанции на передачу при нажатии оператором тангенты имеет более высокий приоритет, чем работа по команде от системы мониторинга.

В системе применяется частотная манипуляция, логический «0» передаётся в виде синусоидального сигнала с частотой в 1 кГц, а логическая «1» — с частотой в 2 кГц. Перед каждым информационным битом передаётся синхроимпульс с частотой 2 кГц. Этот синхроимпульс необходим для четкого разделения и синхронизации приёма битов. Частоты выбраны таким образом, чтобы обеспечить прохождение сигналов по звуковым трактам радиостанции (настроенным, как правило, на полосу от 0,3 до 3 кГц) и гарантированное разделение посылок частотозависимыми цепями.

Пример пакета показан на рис. 2.

Рис. 2. Пакет битов

Для передачи информации о наличии воды микроконтроллер инициирует перевод радиостанции в режим «передача», а также отключает микрофон. Затем по командам микроконтроллера ключи генераторов КГ1 и КГ2 попеременно подключают к микрофонному входу радиостанции генераторы Г1 или Г2. Таким образом на микрофонном входе формируется частотно-манипулированный сигнал, который затем проходит по штатным цепям радиостанции и передаётся в эфир.

В стационарном сегменте, на пульте диспетчера устанавливаются двадцать светодиодных индикаторов, принцип действия которых аналогичен индикаторам в кабине автомобиля, а также имеются элементы системы отключаемой звуковой индикации, активирующейся при остатке воды в любой из контролируемых машин меньше 0,20 %.

На переднюю панель диспетчерского пульта под каждым индикатором размещается кнопка экстренного адресного запроса. Отдельно размещены кнопки «циркулярный запрос» и «Сброс звуковой сигнализации».

Структурная схема подвижной системы представлена на рис. 3.

Рис. 3. Структурная схема подвижного сегмента системы

Структура подвижного сегмента системы мониторинга включает в себя:

– БМк — Блок микроконтроллера. Ядро системы, служащее для анализа сигналов от датчиков уровня, для декодирования принятых адреса и команды запроса, для кодирования ответа и для управления остальными частями системы.

– БОИ — блок отображения информации. Служит для отображения информации на линейной светодиодной шкале.

– БЗС — блок звуковой сигнализации. Служит для генерации звукового сигнала при низком уровне воды в баке.

– БДУ — блок датчиков уровня. Служит для сообщения системе наличия воды в баке.

– БК — блок контактов. Осуществляет, по команде от БМк, переключение радиостанции с приема на передачу (эмулирует нажатие тангенты на гарнитуре радиостанции), при этом микрофон гарнитуры отключается от входа радиостанции.

– БПР — блок передачи. Формирует частотно-манипулированный сигнал для подачи на вход радиостанции.

– БПр — блок приема. Выполняет нормирование принятого частотно-манипулированного сигнала, разделение его, в зависимости от частоты, на каналы "0", "1", «Синхроимпульс» для передачи в БМк.

– КнС — Кнопка «Сброс звуковой сигнализации». Осуществляет отключение блока звуковой сигнализации в машине.

Структурная схема стационарного сегмента системы построена по такому же принципу. Основное отличие от подвижного сегмента заключается в том, что на стационарном сегменте отсутствует блок датчиков уровня БДУ. Для обеспечения минимальной стоимости системы целесообразно изготовление унифицированной платы подвижного и стационарного сегментов, с возможностью присоединения блоков через разъёмы на плате. Микроконтроллер, обнаружив подключенный блок датчиков

Для описания работы подвижного сегмента системы рассмотрим её функциональную схему, представленную на рис. 4.

На схеме обозначены:

– AVR — микроконтроллер. Осуществляет управление всей схемой;

– Г1, Г2 — генераторы синусоидальных колебаний частотой в 1 и 2 кГц, для использования в частотно моделированном сигнале;

– КГ1, КГ2 — ключи генераторов Г1 и Г2. Подключают генераторы Г1 и Г2 к радиостанции для передачи кодового сигнала;

– ДС — драйвер светодиодов. Осуществляет управление светодиодной линейкой;

– СД — светодиоды. Осуществляют отображение информации;

– ПФ1, ПФ2 — полосовые фильтры в тракте приема частоты. Осуществляют выделение информационного сигнала и синхровставки;

– Д — детекторы. Осуществляют выделение информационного сигнала из частотно-манипулированного;

– ТШ — триггер Шмита. Осуществляет нормировку сигнала в цифровую форму;

– СП — супервизор питания. Осуществляет сброс микроконтроллера при включении питания или нажатия кнопки сброса;

– КП — контактор передачи. Осуществляет переключение с радиостанции в передающий режим;

– КОМ — контактор отключения микрофона. Осуществляет отключение микрофона в радиостанции при передаче кодового слова уровня воды;

– ДУ1 … ДУ7 — датчики уровня воды. Служат для формирования сигнала эквивалентного уровню воды в баке;

– СС — схема сопряжения. Служит для изменения сигналов датчиков уровня в цифровую форму;

– ТКл — транзисторный ключ. Служит для подключения динамической головки к порту микроконтроллера;

– ДГ — динамическая головка. Служит для звуковой индикации малого количества воды;

– СС — клавиша «стоп-сигнал». Клавиша для отключения звуковой сигнализации.

Схема работает следующим образом. Центральным звеном является AVR-микроконтроллер, к которому подключены все устройства системы по радиальному принципу.

Рис. 4. Функциональная схема подвижной части системы

Опрос датчиков уровня происходит напрямую посредством портов микроконтроллера по логическому состоянию на входе порта (датчик уровня в современных пожарных автоцистернах является датчиком контактного типа).

Генерация сигнала звуковой сигнализации осуществляется микроконтроллером путем выдачи тактовой последовательности на соответствующий транзисторный ключ. Нажатие клавиши «стоп звук» обрабатывается микроконтроллером как прерывание.

Для отображения информации на шкальном индикаторе в устройстве применяется специальный драйвер, осуществляющий контроль над линейкой из 12 светодиодов (в машине имеется 6 светодиодных, двух световых индикаторов). Драйвер светодиода управляется соответствующими сигналами от микроконтроллера.

Прием кодового слова осуществляется при помощи полосовых фильтров, которые выделяют необходимую частоту. Выделенные частотные сигналы, пройдя через детектор и триггер Шмита поступают на порты микроконтроллера, которые имеют дополнительную функцию — вход аппаратного прерывания. Таким образом, микроконтроллер обрабатывает эти сигналы в первую очередь. Для исключения ложных срабатываний микроконтроллер анализирует соответствие принятых сигналов протоколу передачи данных.

На рис. 5. показана функциональная схема стационарной системы. Схема построена приблизительно по такому же принципу, что и подвижная система с той лишь разницей, что драйверы светодиодов подключены каскадно (это необходимо, поскольку количество светодиодов равняется 240) и каждый драйвер рассчитан на обслуживание 24 светодиодов. Также в данной схеме применена матричная клавиатура, которая обслуживается соответствующим контролером. Данный контроллер клавиатуры связан с центральным микроконтроллером по интерфейсу I²C.

Рис. 5. Функциональная схема стационарной системы

Литература:

1. Безбородько, М. Д. Пожарная техника. / М. Д. Безбородько. — М.: Стройиздат, 1983. — 400 с.
2. Горячев, С. А. Основы пожарной безопасности. / С. А. Горячев — М.: ВИПТШ МВД СССР, 1990. -242 с.
3. Шувалов, М. Г. Основы пожарного дела. / М. Г. Шувалов М.: Стройиздат, 1983. — 400 с.
4. Повзик, Я. С. Пожарная тактика. / Я. С. Повзик — М.: ЗАО «Спецтехника», 1999. — - 414 с.