基于STM32技術(shù)的車(chē)載消防車(chē)信息采集與傳輸系統

摘要：面對嚴峻的火災形勢，為了能夠使指揮中心及時(shí)掌握這些信息和瞬息萬(wàn)變的現場(chǎng)環(huán)境狀況，設計了一種車(chē)載消防車(chē)信息采集與傳輸系統。該系統結合了無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )、無(wú)線(xiàn)傳感技術(shù)與嵌入式技術(shù)，以模塊化設計實(shí)現信息采集和傳輸功能，針對無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )傳輸數據丟失問(wèn)題，通過(guò)GPRS模塊將信息傳輸到監控中心，保證整個(gè)車(chē)載系統的數據準確性。該系統以ARM Cortex—M4為內核的STM32F407作為微控制器，采用GPRS、GPS、ZigBee、射頻(RF)網(wǎng)絡(luò )負責網(wǎng)絡(luò )通信的實(shí)現，將采集到的數據實(shí)時(shí)傳輸到監控中心，方便了解車(chē)載和火場(chǎng)的實(shí)時(shí)信息。

關(guān)鍵詞：嵌入式;實(shí)時(shí)監控;信息采集;傳輸

近幾年來(lái)，各種危險場(chǎng)所不可避免的火災頻繁出現，給社會(huì )安全造成了極大的隱患，于是，發(fā)生火災時(shí)的及時(shí)補救就成為迫在眉睫需要解決的問(wèn)題。消防救援人員固然速度很快，但從消防隊出發(fā)到達火災地點(diǎn)也需要一段不小的時(shí)間，到達火災現場(chǎng)后的勘察地形和實(shí)行相應的救火措施。因此，設計一種車(chē)載消防車(chē)信息采集與傳輸系統，建立一個(gè)高效、覆蓋范圍廣的車(chē)載監控系統，從而實(shí)現對車(chē)輛環(huán)境的實(shí)時(shí)監控、火場(chǎng)內環(huán)境變化的監測。

1 系統功能架構

車(chē)載監控系統主要實(shí)現4種功能，分別為車(chē)輛裝備器材的信息采集、無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )傳輸、GPS定位、終端的接收和監控。其中無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )的傳輸是本系統的關(guān)鍵。如圖1 為車(chē)載監控系統總體結構圖。采用GPRS和ZigBee進(jìn)行數據的處理與傳輸，提高系統數據在網(wǎng)絡(luò )傳輸的穩定性和可靠性。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、工業(yè)、農業(yè)等行業(yè)得到應用和發(fā)展。通過(guò)TCP/IP協(xié)議的GPRS將數據上傳至上位機，以實(shí)現車(chē)載的遠程監測。

2 系統模塊化設計

2.1 數據采集模塊

2.1.1 火場(chǎng)與車(chē)載信息采集電路

本電路的設計主要是采集火場(chǎng)內的必要數據信息和車(chē)載的現狀信息，由溫度傳感器和MQ系列傳感器模塊負責火災現場(chǎng)的溫度變化與有害氣體的監測，通過(guò)CAN總線(xiàn)可獲取車(chē)輛的車(chē)速、剩余油量及冷卻液等參數信息。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(shí)數據通過(guò)串口發(fā)送到ZigBee節點(diǎn)，然后節點(diǎn)將信息發(fā)送到上位機的ZigBee協(xié)調器顯示出來(lái)。

2.1.2 車(chē)載GPS信息采集模塊

GPS導航系統是用于定位車(chē)載終端的實(shí)時(shí)位置，為監控中心的調度決策提供全面的基礎性數據，當險情發(fā)生時(shí)，消防車(chē)輛能以最短的時(shí)間趕赴現場(chǎng)。GPS有微處理器、數據存儲和信息通道等單元組成。以全球的人造定位衛星為基礎，GPS接收機通過(guò)衛星天線(xiàn)接收到數據，并對數據進(jìn)行解析獲取經(jīng)緯度、車(chē)速等有用信息，再通過(guò)串口發(fā)送到主微控制器顯示出實(shí)時(shí)位置坐標。

2.2 無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )模塊

2.2.1 ZigBee傳輸模塊

Zigbee是基于IEEE802.15.4標準的低功耗個(gè)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)、應用層(APL)等。按網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)功能可分為終端節點(diǎn)、路由節點(diǎn)、以及協(xié)調器節點(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 )中的設備有PAN協(xié)調器、路由節點(diǎn)以及終端節點(diǎn)組成。ZigBee的拓撲結構圖如圖3所示。

簇狀拓撲網(wǎng)絡(luò )通信范圍比較大，網(wǎng)絡(luò )結構中處于最末端的是終端設備。在簇裝結構中，大部分是FFD(全功能設備)，RFD(精減功能設備)作為簇的末端。拓撲結構中只有一個(gè)主協(xié)調器。網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò )中的每個(gè)節點(diǎn)都可以充當路由節點(diǎn)。因此本系統的ZigBee組網(wǎng)采用簇狀網(wǎng)絡(luò )拓撲圖。處理器決定著(zhù)網(wǎng)絡(luò )優(yōu)劣，作為通信硬件的核心，CC2530芯片上有適應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)。其電路設計如圖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現場(chǎng)數據采集、網(wǎng)絡(luò )運營(yíng)商提供網(wǎng)絡(luò )與遠程服務(wù)器3部分組成。GPRS的數據傳輸是以IP包進(jìn)行的，SIM900A模塊內部集成了GSM控制器、TCP/IP協(xié)議，是SIMCom公司推出的一款雙頻 GSM/GPRS模塊?；馂默F場(chǎng)對環(huán)境參數的采集后，發(fā)送到ZigBee節點(diǎn)，ZigBee節點(diǎn)通過(guò)串口發(fā)送到SIM900A模塊打并包成TCP/IP數據包完成對數據的無(wú)線(xiàn)透明傳輸。通過(guò)GPRS的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )與服務(wù)器建立連接，將數據發(fā)送到上位機終端顯示。

2.3 系統主控制器模塊

嵌入式ARM內核的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(chē)載消防車(chē)信息采集與傳輸系統主控制模塊采用意法半導體公司推出的32為基于Cortex—M4F內核的STM32F407處理芯片，片上集成了高容量的SRAM和FLASH，具有CAN與USB總線(xiàn)，多個(gè)USART串口通信接口和SPI總線(xiàn)接口等電路接口，滿(mǎn)足多種并同時(shí)通訊的功能，處理速度快，功能強大，外部接口豐富，內部數據存儲空間容量大，可以很好的實(shí)現本系統的各功能設計要求，本系統的總體設計結構框架如圖5所示。

3 系統軟件設計

以下是GPRS無(wú)線(xiàn)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(guò)軟件對其硬件進(jìn)行串口通信等模塊的初始化。

4 系統的應用測試

監控中心上位機采用Qt開(kāi)發(fā)，通過(guò)Socket編程，實(shí)現了對溫度、煙霧濃度、車(chē)輛位置、車(chē)速的實(shí)時(shí)監測。本監控軟件功能強大，拓展性好。監控人員可通過(guò)本監控軟件對車(chē)輛進(jìn)行集中監控管理，具有高效率，實(shí)時(shí)性好，調度集中，節省資源等優(yōu)點(diǎn)。本次系統應用測試在本校進(jìn)行模擬定位監測并記錄軌跡，人工制造煙霧模擬火災現場(chǎng)記錄煙霧傳感器的數據變化。測試結果如圖6所示。

5 結束語(yǔ)

根據當前消防車(chē)車(chē)載信息還不夠信息化，設計基于STM32技術(shù)的車(chē)載消防車(chē)信息采集與傳輸系統，車(chē)載信息采集與傳輸裝置安裝在消防車(chē)上，應用于消防車(chē)動(dòng)態(tài)信息遠程監控系統，具有消防車(chē)信息、車(chē)載裝備器材及周邊環(huán)境等信息采集和數據上傳功能。它集數字化、智能化、網(wǎng)絡(luò )化為一體，使數據采集、分析、處理實(shí)現自動(dòng)化，有效提高信息采集的準確性、實(shí)時(shí)性。