基于STM32的高速隧道危化品運輸實時監控系統

曹曉鈺，孫寧

（南京林業大學，江蘇 南京 210037）

危化品運輸的安全性目前是社會關注的熱點問題[1]，高速公路隧道運輸過程中環境封閉、通風不暢，一旦發生泄漏、燃爆等事故，其影響危害極大且難以控制。為了保障危化品從業者和公眾的安全,應對危化品運輸加強管理[2]。目前，文獻[3]中采用北斗導航系統來設計危險品道路運輸監控系統，實現對危化品車輛的動態監管，但針對危化品運輸過程中道路狀態和貨物信息研究的相對較少。文獻[4]構想基于“物聯網”實現危化品運輸的監控，架構先進、具備泛在通信能力，但并未對道路環境做到切實監控。

文中設計基于STM32的高速公路隧道危化品運輸實時監控系統，通過硬件模塊對運輸過程中的危化品性質狀態、道路、車輛等實時監控。數據經處理后通過無線通信傳遞，及時告知駕駛人聯系消防等多個部門，以此減少隧道內運輸危化品事故的發生，并確保危化品的安全運輸和有效管理[5]。

1 系統設計

系統設計如圖1所示，該系統主要包含STM32處理器模塊、監控設備和車載終端等組成部分，通過無線通信網絡進行數據傳輸，實時監控危化品運輸。當車輛在隧道運送危化品時，監控設備與傳感器實時監控、定位，車載監測終端負責采集車輛運行工況，并將收集的信息上傳到處理器，處理器對數據分析處理后經GPRS模塊發送至上位機管理系統，管理人員及時提醒駕駛人或向其他部門發送警報。

圖1 系統設計圖

2 硬件電路設計

基于STM32的高速公路隧道危化品運輸實時監控系統的硬件包括供電模塊、處理器模塊、無線通信模塊、攝像頭模塊、GPS模塊、傳感器模塊等。硬件單元以STM32主處理器模塊為核心，其他模塊與處理器串口連接作為輔助，實時監控高速公路隧道危化品的運輸。

2.1 供電模塊

供電模塊如圖2所示，考慮到系統中各硬件電路模塊的運行需要3.3～5.5 V電壓，因此必須將電池輸出的12 V電壓分別降壓。系統使用LM2596穩壓芯片控制的電源管理電路完成穩壓調節，能夠將電流波動較大的輸出電壓控制在一個固定值附近，保證電路的通暢。該模塊電路簡潔安全，具備穩定的運行性能和較強的輸出電流驅動能力，可以為微型控制器的穩定、可靠工作提供強有力的保證[6]。

圖2 供電模塊

2.2 處理器模塊

該系統的核心硬件為STM32處理器，通過處理器分析處理運輸車輛的運行狀態以及危化品性質狀態等，實現高速公路隧道危化品的安全運輸。

STM32系列具有超前的體系結構，簡單易用、低風險，可以與所有的ARM工具和軟件兼容。STM32F103系列是STM32系列的擴展，內置高速存儲器,包括可靈活配置的I/O管腳及功能豐富的片上外設，工作的時鐘頻率達到72 MHz，具有同類產品中最高的性能[7]。如圖3所示，該系統選用STM32F103RE作為處理器模塊的主控芯片，滿足危化品運輸的監管需求。

圖3 STM32電路

2.3 無線通信模塊

無線通信模塊選擇GM33，通過GPRS網絡進行數據傳輸。GM33模塊硬件接口友好，包括1個天線接口、1個SIM卡座接口和1個44引腳的ZIF(Zero Insertion Force)插座[8]。如圖4所示，該模塊通過公眾GSM/GPRS移動網絡，以PPP協議、UPD協議等方式與其他模塊進行數據交換與傳遞。

圖4 無線通信模塊電路

2.4 攝像頭模塊

運輸車輛的監控主要以攝像頭為設備基礎，對車輛進行直觀捕捉及分析，從而監控駕駛人及車輛運行狀態等，最終視頻畫面通過GPRS網絡在上位機管理系統實時顯示。

如圖5所示，攝像頭模塊采用型號為OV7670的CMOS圖像傳感器對實時圖像進行采集和傳輸[9]。該模塊本身集成了穩定的電壓源和鏡頭，采用QVGA模式和RAW輸出格式，幀率最高為30 frame/s，像素時鐘高達24 MHz[10]。其器件的性能參數幾乎不會影響測量精度，確保了系統測量精度的穩定性。

圖5 攝像頭模塊電路

2.5 GPS模塊

該模塊采用的GPS模塊為NEO-6M，其擁有50個可以接收GPSL1波段信號的接收通道，定位精度高達2 m，輸出信號速率達到5 Hz。具有體積小、功耗低、定位精確和輸出速率快等優點[11]。如圖6所示，NEO-6M模塊與外部設備之間的通信接口采用UART(串行端口)模式，并采用NMEA-0183協議輸出GPS位置數據，并使用UBX協議作為控制協議[12]。

圖6 GPS模塊電路

2.6 傳感器模塊

如圖7所示，傳感器模塊中采用MPU-6050作為姿態傳感器對運輸車輛的加速度和角速度等實時監測。MPU-6050是世界上第一個集成6軸的運動處理組件，具有3個16位高精度ADC。它解決了將陀螺儀和加速器組合在一起的時基差異問題，其不僅性能高而且具備低成本和低功耗等優點[13]。

圖7 姿態傳感器電路

在運輸車輛中放置溫度傳感器來實時監控危化品的溫度，并發送溫度信息至車載終端[14]。如圖8所示，該模塊選用DS18B20對危化品溫度實時監測。其作為最常用的數字溫度傳感器，具有節省硬件資源、抗干擾能力強等優點，適用于各種小型空間設備的數字測溫。

圖8 溫度傳感器電路

3 系統軟件設計

軟件設計選用Visual Basic 6.0軟件，搭建高速公路隧道危化品運輸實時監控系統的界面。

如圖9所示，軟件主界面由危化品性質狀態、運輸道路條件、駕駛人行車狀態、運輸車輛、天氣狀況、個性化設置和問題反饋7個區域組成。

圖9 軟件主界面

如圖10所示，軟件的核心在于危化品運輸監控。軟件設置用戶權限，普通用戶可以使用危化品運輸狀態，運輸道路條件等功能，管理員在此基礎上可使用駕駛人行車狀態，運輸車輛等模塊。

圖10 系統軟件流程圖

危化品的性質狀態界面如圖11所示，該界面可以查詢到相應車輛所運輸危化品的相關信息。傳感器模塊經數據處理后通過GPRS網絡傳送相關信息至上位機，從而實時監控危化品狀態[15]。

圖11 危化品性質狀態界面

如圖12所示，系統車載單元等對運輸道路條件實時采樣并同步上傳至本界面。一方面，可實現對隧道坡度與坡度方向、路面平整度等關鍵道路的實時查詢，從而對該高速公路隧道區段有更直觀地把控；另一方面，管理人員可以通過無線信息傳輸網絡獲取道路交通動態，對突發事故緊急處理，及時聯系應急管理等其他部門，保障運輸安全[16]。

圖12 運輸道路條件界面

基于智能攝像頭設計的隧道區段監測，其視頻圖像經GPRS模塊及時準確地傳送到上位機管理系統。如圖13所示，界面設有隧道相關的監控畫面。管理員可以實時查看道路情況，為隧道異常交通狀況和其安全管理提供幫助[17]。

圖13 隧道區段監測界面

如圖14所示，在界面中，能夠實時查詢監控到運輸車輛[18]，準確把握車輛的相關信息。同時加強監測危化品運輸車輛，及時發現問題，排除安全隱患，使車輛保持最佳的運輸狀態，以防發生交通事故，確保運輸安全性。

圖14 運輸車輛界面

4 結束語

文中以STM32主處理器為核心，通過硬件模塊完成對運輸車輛、道路條件等信息的采集，實現對高速公路隧道危化品運輸的實時監控。該系統結構簡單，在一定程度上保障了危化品的運輸安全，可以應用在實踐中。