基于STM32技術(shù)的車載消防車信息采集與傳輸系統(tǒng)

摘要：面對嚴(yán)峻的火災(zāi)形勢，為了能夠使指揮中心及時掌握這些信息和瞬息萬變的現(xiàn)場環(huán)境狀況，設(shè)計(jì)了一種車載消防車信息采集與傳輸系統(tǒng)。該系統(tǒng)結(jié)合了無線網(wǎng)絡(luò)、無線傳感技術(shù)與嵌入式技術(shù)，以模塊化設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)信息采集和傳輸功能，針對無線網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)丟失問題，通過GPRS模塊將信息傳輸?shù)奖O(jiān)控中心，保證整個車載系統(tǒng)的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性。該系統(tǒng)以ARM Cortex—M4為內(nèi)核的STM32F407作為微控制器，采用GPRS、GPS、ZigBee、射頻(RF)網(wǎng)絡(luò)負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)通信的實(shí)現(xiàn)，將采集到的數(shù)據(jù)實(shí)時傳輸?shù)奖O(jiān)控中心，方便了解車載和火場的實(shí)時信息。

關(guān)鍵詞：嵌入式;實(shí)時監(jiān)控;信息采集;傳輸

近幾年來，各種危險場所不可避免的火災(zāi)頻繁出現(xiàn)，給社會安全造成了極大的隱患，于是，發(fā)生火災(zāi)時的及時補(bǔ)救就成為迫在眉睫需要解決的問題。消防救援人員固然速度很快，但從消防隊(duì)出發(fā)到達(dá)火災(zāi)地點(diǎn)也需要一段不小的時間，到達(dá)火災(zāi)現(xiàn)場后的勘察地形和實(shí)行相應(yīng)的救火措施。因此，設(shè)計(jì)一種車載消防車信息采集與傳輸系統(tǒng)，建立一個高效、覆蓋范圍廣的車載監(jiān)控系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)對車輛環(huán)境的實(shí)時監(jiān)控、火場內(nèi)環(huán)境變化的監(jiān)測。

1 系統(tǒng)功能架構(gòu)

車載監(jiān)控系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)4種功能，分別為車輛裝備器材的信息采集、無線網(wǎng)絡(luò)傳輸、GPS定位、終端的接收和監(jiān)控。其中無線網(wǎng)絡(luò)的傳輸是本系統(tǒng)的關(guān)鍵。如圖1 為車載監(jiān)控系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖。采用GPRS和ZigBee進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理與傳輸，提高系統(tǒng)數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)姆€(wěn)定性和可靠性。ZigBee是物聯(lián)網(wǎng)新一代信息技術(shù)的重要組成部分，在智能家居系統(tǒng)、工業(yè)、農(nóng)業(yè)等行業(yè)得到應(yīng)用和發(fā)展。通過TCP/IP協(xié)議的GPRS將數(shù)據(jù)上傳至上位機(jī)，以實(shí)現(xiàn)車載的遠(yuǎn)程監(jiān)測。

2 系統(tǒng)模塊化設(shè)計(jì)

2.1 數(shù)據(jù)采集模塊

2.1.1 火場與車載信息采集電路

本電路的設(shè)計(jì)主要是采集火場內(nèi)的必要數(shù)據(jù)信息和車載的現(xiàn)狀信息，由溫度傳感器和MQ系列傳感器模塊負(fù)責(zé)火災(zāi)現(xiàn)場的溫度變化與有害氣體的監(jiān)測，通過CAN總線可獲取車輛的車速、剩余油量及冷卻液等參數(shù)信息。如圖2所示為有害氣體與溫度采集電路原理圖。如一氧化碳濃度信息的采集采用MQ-7傳感器。將采集到實(shí)時數(shù)據(jù)通過串口發(fā)送到ZigBee節(jié)點(diǎn)，然后節(jié)點(diǎn)將信息發(fā)送到上位機(jī)的ZigBee協(xié)調(diào)器顯示出來。

2.1.2 車載GPS信息采集模塊

GPS導(dǎo)航系統(tǒng)是用于定位車載終端的實(shí)時位置，為監(jiān)控中心的調(diào)度決策提供全面的基礎(chǔ)性數(shù)據(jù)，當(dāng)險情發(fā)生時，消防車輛能以最短的時間趕赴現(xiàn)場。GPS有微處理器、數(shù)據(jù)存儲和信息通道等單元組成。以全球的人造定位衛(wèi)星為基礎(chǔ)，GPS接收機(jī)通過衛(wèi)星天線接收到數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行解析獲取經(jīng)緯度、車速等有用信息，再通過串口發(fā)送到主微控制器顯示出實(shí)時位置坐標(biāo)。

2.2 無線網(wǎng)絡(luò)模塊

2.2.1 ZigBee傳輸模塊

Zigbee是基于IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的低功耗個域網(wǎng)協(xié)議，協(xié)定層從下到上分別為實(shí)體層(PHY)、媒體存取層(MAC)、網(wǎng)絡(luò)層(NWK)、應(yīng)用層(APL)等。按網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)功能可分為終端節(jié)點(diǎn)、路由節(jié)點(diǎn)、以及協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)。ZigBee網(wǎng)絡(luò)的通信方式網(wǎng)絡(luò)有3種：星狀、網(wǎng)狀、簇狀，網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備有PAN協(xié)調(diào)器、路由節(jié)點(diǎn)以及終端節(jié)點(diǎn)組成。ZigBee的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

簇狀拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)通信范圍比較大，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中處于最末端的是終端設(shè)備。在簇裝結(jié)構(gòu)中，大部分是FFD(全功能設(shè)備)，RFD(精減功能設(shè)備)作為簇的末端。拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中只有一個主協(xié)調(diào)器。網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)中的每個節(jié)點(diǎn)都可以充當(dāng)路由節(jié)點(diǎn)。因此本系統(tǒng)的ZigBee組網(wǎng)采用簇狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D。處理器決定著網(wǎng)絡(luò)優(yōu)劣，作為通信硬件的核心，CC2530芯片上有適應(yīng)2.4 GHzIEEE 802.15.4的RF收發(fā)器，提高了接收靈敏度和抗干擾性能，配置有高容量的RAM和FLASH、支持多種串行通信協(xié)議的USART，具有高度集成和高性能的特點(diǎn)。其電路設(shè)計(jì)如圖4所示。

2.2.2 GPRS傳輸模塊

GPRS是一種支持TCP/IP協(xié)議，可以直接與Internet相通信的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，由GPRS現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集、網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商提供網(wǎng)絡(luò)與遠(yuǎn)程服務(wù)器3部分組成。GPRS的數(shù)據(jù)傳輸是以IP包進(jìn)行的，SIM900A模塊內(nèi)部集成了GSM控制器、TCP/IP協(xié)議，是SIMCom公司推出的一款雙頻 GSM/GPRS模塊?；馂?zāi)現(xiàn)場對環(huán)境參數(shù)的采集后，發(fā)送到ZigBee節(jié)點(diǎn)，ZigBee節(jié)點(diǎn)通過串口發(fā)送到SIM900A模塊打并包成TCP/IP數(shù)據(jù)包完成對數(shù)據(jù)的無線透明傳輸。通過GPRS的無線網(wǎng)絡(luò)與服務(wù)器建立連接，將數(shù)據(jù)發(fā)送到上位機(jī)終端顯示。

2.3 系統(tǒng)主控制器模塊

嵌入式ARM內(nèi)核的STM32系列微控制器具有高性能和資源、指令豐富等優(yōu)點(diǎn)，車載消防車信息采集與傳輸系統(tǒng)主控制模塊采用意法半導(dǎo)體公司推出的32為基于Cortex—M4F內(nèi)核的STM32F407處理芯片，片上集成了高容量的SRAM和FLASH，具有CAN與USB總線，多個USART串口通信接口和SPI總線接口等電路接口，滿足多種并同時通訊的功能，處理速度快，功能強(qiáng)大，外部接口豐富，內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲空間容量大，可以很好的實(shí)現(xiàn)本系統(tǒng)的各功能設(shè)計(jì)要求，本系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)框架如圖5所示。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

以下是GPRS無線網(wǎng)絡(luò)模塊的部分初始化程序，先進(jìn)行SIM卡網(wǎng)絡(luò)的初始化，然后是通過軟件對其硬件進(jìn)行串口通信等模塊的初始化。

4 系統(tǒng)的應(yīng)用測試

監(jiān)控中心上位機(jī)采用Qt開發(fā)，通過Socket編程，實(shí)現(xiàn)了對溫度、煙霧濃度、車輛位置、車速的實(shí)時監(jiān)測。本監(jiān)控軟件功能強(qiáng)大，拓展性好。監(jiān)控人員可通過本監(jiān)控軟件對車輛進(jìn)行集中監(jiān)控管理，具有高效率，實(shí)時性好，調(diào)度集中，節(jié)省資源等優(yōu)點(diǎn)。本次系統(tǒng)應(yīng)用測試在本校進(jìn)行模擬定位監(jiān)測并記錄軌跡，人工制造煙霧模擬火災(zāi)現(xiàn)場記錄煙霧傳感器的數(shù)據(jù)變化。測試結(jié)果如圖6所示。

5 結(jié)束語

根據(jù)當(dāng)前消防車車載信息還不夠信息化，設(shè)計(jì)基于STM32技術(shù)的車載消防車信息采集與傳輸系統(tǒng)，車載信息采集與傳輸裝置安裝在消防車上，應(yīng)用于消防車動態(tài)信息遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，具有消防車信息、車載裝備器材及周邊環(huán)境等信息采集和數(shù)據(jù)上傳功能。它集數(shù)字化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化為一體，使數(shù)據(jù)采集、分析、處理實(shí)現(xiàn)自動化，有效提高信息采集的準(zhǔn)確性、實(shí)時性。