基于STM32技術的車載消防車信息采集與傳輸系統

林鎮豪，鄧巧茵，莫偉鍵，林舒源

（中山大學新華學院 信息科學系，廣東 廣州 510520）

近幾年來，各種危險場所不可避免的火災頻繁出現，給社會安全造成了極大的隱患，于是，發生火災時的及時補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，但從消防隊出發到達火災地點也需要一段不小的時間，到達火災現場后的勘察地形和實行相應的救火措施[1]。因此，設計一種車載消防車信息采集與傳輸系統，建立一個高效、覆蓋范圍廣的車載監控系統，從而實現對車輛環境的實時監控、火場內環境變化的監測。

1 系統功能架構

車載監控系統主要實現4種功能，分別為車輛裝備器材的信息采集、無線網絡傳輸、GPS定位、終端的接收和監控。其中無線網絡的傳輸是本系統的關鍵。如圖1為車載監控系統總體結構圖。采用GPRS和ZigBee進行數據的處理與傳輸，提高系統數據在網絡傳輸的穩定性和可靠性。ZigBee是物聯網新一代信息技術的重要組成部分[2]，在智能家居系統、工業、農業等行業得到應用和發展。通過TCP/IP協議的GPRS將數據上傳至上位機，以實現車載的遠程監測。

圖1 車載監控系統總體結構圖Fig.1 Structure diagram of Vehicle monitoring system

2 系統模塊化設計

2.1 數據采集模塊

2.1.1 火場與車載信息采集電路

本電路的設計主要是采集火場內的必要數據信息和車載的現狀信息，由溫度傳感器和MQ系列傳感器模塊負責火災現場的溫度變化與有害氣體的監測，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[3]。將采集到實時數據通過串口發送到ZigBee節點，然后節點將信息發送到上位機的ZigBee協調器顯示出來。

圖2 有害氣體與溫度采集電路原理圖Fig.2 Circuit diagram of harmful gases and temperature acquisition

2.1.2 車載GPS信息采集模塊

GPS導航系統是用于定位車載終端的實時位置，為監控中心的調度決策提供全面的基礎性數據，當險情發生時，消防車輛能以最短的時間趕赴現場。GPS有微處理器、數據存儲和信息通道等單元組成[4]。以全球的人造定位衛星為基礎，GPS接收機通過衛星天線接收到數據，并對數據進行解析獲取經緯度、車速等有用信息，再通過串口發送到主微控制器顯示出實時位置坐標。

2.2 無線網絡模塊

2.2.1 ZigBee傳輸模塊

Zigbee是基于IEEE802.15.4標準的低功耗個域網協議，協定層從下到上分別為實體層（PHY）、媒體存取層（MAC）、網絡層（NWK）、應用層（APL）等。按網絡節點功能可分為終端節點、路由節點、以及協調器節點。ZigBee網絡的通信方式網絡有3種:星狀、網狀、簇狀，網絡中的設備有PAN協調器、路由節點以及終端節點組成[5]。ZigBee的拓撲結構圖如圖3所示。

圖3 ZigBee網絡拓撲結構圖Fig.3 Structure diagram of ZigBee network topology

簇狀拓撲網絡通信范圍比較大，網絡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主協調器。網狀網絡中的每個節點都可以充當路由節點。因此本系統的ZigBee組網采用簇狀網絡拓撲圖。處理器決定著網絡優劣，作為通信硬件的核心，CC2530芯片上有適應2.4GHz IEEE 802.15.4的RF收發器[6]，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議的USART，具有高度集成和高性能的特點。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協議，可以直接與Internet相通信的網絡技術，由GPRS現場數據采集、網絡運營商提供網絡與遠程服務器3部分組成[7]。GPRS的數據傳輸是以IP包進行的，SIM900A模塊內部集成了GSM控制器、TCP/IP協議，是SIMCom公司推出的一款雙頻GSM/GPRS模塊。火災現場對環境參數的采集后，發送到ZigBee節點，ZigBee節點通過串口發送到SIM900A模塊打并包成TCP/IP數據包完成對數據的無線透明傳輸[8]。通過GPRS的無線網絡與服務器建立連接，將數據發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、指令豐富等優點，車載消防車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[9]，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，功能強大，外部接口豐富，內部數據存儲空間容量大，可以很好的實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

圖4 CC2530外圍電路Fig.4 Circuit diagram of CC2530

圖5 系統的總體設計結構框架Fig.5 Structure diagram of the system

以下是GPRS無線網絡模塊的部分初始化程序，先進行SIM卡網絡的初始化，然后是通過軟件對其硬件進行串口通信等模塊的初始化。

u8 sim900a_send_cmd（u8*cmd，u8*ack，u16 waittime）{

u8 res=0；

USART2_RX_STA=0；

if（（u32）cmd<=0XFF）{

while（DMA1_Channel7->CNDTR!=0）； //等待通道7傳輸完成

USART2->DR=（u32）cmd；}

else u2_printf（"%s "，cmd）；//發送命令

if（ack&&waittime） { //需要等待應答

while（--waittime） { //等待倒計時

delay_ms（10）；

if（USART2_RX_STA&0X8000） {//接 收 到 期

待的應答結果

if（sim900a_check_cmd（ack））break；//得

到有效數據USART2_RX_STA=0；}}

if（waittime==0）res=1； }return res；}

4 系統的應用測試

監控中心上位機采用Qt開發，通過Socket編程，實現了對溫度、煙霧濃度、車輛位置、車速的實時監測。本監控軟件功能強大，拓展性好。監控人員可通過本監控軟件對車輛進行集中監控管理，具有高效率，實時性好，調度集中，節省資源等優點。本次系統應用測試在本校進行模擬定位監測并記錄軌跡，人工制造煙霧模擬火災現場記錄煙霧傳感器的數據變化。測試結果如圖6所示。

圖6 系統模擬測試Fig.6 Interface chart of system simulation test

5 結束語

根據當前消防車車載信息還不夠信息化，設計基于STM32技術的車載消防車信息采集與傳輸系統，車載信息采集與傳輸裝置安裝在消防車上，應用于消防車動態信息遠程監控系統，具有消防車信息、車載裝備器材及周邊環境等信息采集和數據上傳功能。它集數字化、智能化、網絡化為一體，使數據采集、分析、處理實現自動化，有效提高信息采集的準確性、實時性。

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