摘要：面對嚴峻的火災形勢，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，設計了一種車載消防車信息采集與傳輸系統(tǒng)。該系統(tǒng)結合了無線網(wǎng)絡、無線傳感技術與嵌入式技術，以模塊化設計實現(xiàn)信息采集和傳輸功能，針對無線網(wǎng)絡傳輸數(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)準確性。該系統(tǒng)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)絡負責網(wǎng)絡通信的實現(xiàn)，將采集到的數(shù)據(jù)實時傳輸?shù)奖O(jiān)控中心，方便了解車載和火場的實時信息。

關鍵詞：嵌入式;實時監(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(fā)到達火災地點也需要一段不小的時間，到達火災現(xiàn)場后的勘察地形和實行相應的救火措施。因此，設計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)，從而實現(xiàn)對車輛環(huán)境的實時監(jiān)控、火場內環(huán)境變化的監(jiān)測。

1 系統(tǒng)功能架構

車載監(jiān)控系統(tǒng)主要實現(xiàn)4種功能，分別為車輛裝備器材的信息采集、無線網(wǎng)絡傳輸、GPS定位、終端的接收和監(jiān)控。其中無線網(wǎng)絡的傳輸是本系統(tǒng)的關鍵。如圖1 為車載監(jiān)控系統(tǒng)總體結構圖。采用GPRS和ZigBee進行數(shù)據(jù)的處理與傳輸，提高系統(tǒng)數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡傳輸?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，以實現(xiàn)車載的遠程監(jiān)測。

2 系統(tǒng)模塊化設計

2.1 數(shù)據(jù)采集模塊

2.1.1 火場與車載信息采集電路

本電路的設計主要是采集火場內的必要數(shù)據(jù)信息和車載的現(xiàn)狀信息，由溫度傳感器和MQ系列傳感器模塊負責火災現(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。將采集到實時數(shù)據(jù)通過串口發(fā)送到ZigBee節(jié)點，然后節(jié)點將信息發(fā)送到上位機的ZigBee協(xié)調器顯示出來。

2.1.2 車載GPS信息采集模塊

GPS導航系統(tǒng)是用于定位車載終端的實時位置，為監(jiān)控中心的調度決策提供全面的基礎性數(shù)據(jù)，當險情發(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，GPS接收機通過衛(wèi)星天線接收到數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)進行解析獲取經(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時位置坐標。

2.2 無線網(wǎng)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(wǎng)協(xié)議，協(xié)定層從下到上分別為實體層(PHY)、媒體存取層(MAC)、網(wǎng)絡層(NWK)、應用層(APL)等。按網(wǎng)絡節(jié)點功能可分為終端節(jié)點、路由節(jié)點、以及協(xié)調器節(jié)點。ZigBee網(wǎng)絡的通信方式網(wǎng)絡有3種：星狀、網(wǎng)狀、簇狀，網(wǎng)絡中的設備有PAN協(xié)調器、路由節(jié)點以及終端節(jié)點組成。ZigBee的拓撲結構圖如圖3所示。

簇狀拓撲網(wǎng)絡通信范圍比較大，網(wǎng)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(xié)調器。網(wǎng)狀網(wǎng)絡中的每個節(jié)點都可以充當路由節(jié)點。因此本系統(tǒng)的ZigBee組網(wǎng)采用簇狀網(wǎng)絡拓撲圖。處理器決定著網(wǎng)絡優(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。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)絡技術，由GPRS現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集、網(wǎng)絡運營商提供網(wǎng)絡與遠程服務器3部分組成。GPRS的數(shù)據(jù)傳輸是以IP包進行的，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。火災現(xiàn)場對環(huán)境參數(shù)的采集后，發(fā)送到ZigBee節(jié)點，ZigBee節(jié)點通過串口發(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)絡與服務器建立連接，將數(shù)據(jù)發(fā)送到上位機終端顯示。

2.3 系統(tǒng)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，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，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(shù)據(jù)存儲空間容量大，可以很好的實現(xiàn)本系統(tǒng)的各功能設計要求，本系統(tǒng)的總體設計結構框架如圖5所示。

3 系統(tǒng)軟件設計

以下是GPRS無線網(wǎng)絡模塊的部分初始化程序，先進行SIM卡網(wǎng)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。

4 系統(tǒng)的應用測試

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

5 結束語

根據(jù)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(tǒng)，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(tài)信息遠程監(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)絡化為一體，使數(shù)據(jù)采集、分析、處理實現(xiàn)自動化，有效提高信息采集的準確性、實時性。