基于STM32技术的车载消防车信息采集与传输系统

摘要：面对严峻的火灾形势，为了能够使指挥中心及时掌握这些信息和瞬息万变的现场环境状况，设计了一种车载消防车信息采集与传输系统。该系统结合了无线网络、无线传感技术与嵌入式技术，以模块化设计实现信息采集和传输功能，针对无线网络传输数据丢失问题，通过GPRS模块将信息传输到监控中心，保证整个车载系统的数据准确性。该系统以ARM Cortex—M4为内核的STM32F407作为微控制器，采用GPRS、GPS、ZigBee、射频(RF)网络负责网络通信的实现，将采集到的数据实时传输到监控中心，方便了解车载和火场的实时信息。

关键词：嵌入式;实时监控;信息采集;传输

近几年来，各种危险场所不可避免的火灾频繁出现，给社会安全造成了极大的隐患，于是，发生火灾时的及时补救就成为迫在眉睫需要解决的问题。消防救援人员固然速度很快，但从消防队出发到达火灾地点也需要一段不小的时间，到达火灾现场后的勘察地形和实行相应的救火措施。因此，设计一种车载消防车信息采集与传输系统，建立一个高效、覆盖范围广的车载监控系统，从而实现对车辆环境的实时监控、火场内环境变化的监测。

1 系统功能架构

车载监控系统主要实现4种功能，分别为车辆装备器材的信息采集、无线网络传输、GPS定位、终端的接收和监控。其中无线网络的传输是本系统的关键。如图1 为车载监控系统总体结构图。采用GPRS和ZigBee进行数据的处理与传输，提高系统数据在网络传输的稳定性和可靠性。ZigBee是物联网新一代信息技术的重要组成部分，在智能家居系统、工业、农业等行业得到应用和发展。通过TCP/IP协议的GPRS将数据上传至上位机，以实现车载的远程监测。

2 系统模块化设计

2.1 数据采集模块

2.1.1 火场与车载信息采集电路

本电路的设计主要是采集火场内的必要数据信息和车载的现状信息，由温度传感器和MQ系列传感器模块负责火灾现场的温度变化与有害气体的监测，通过CAN总线可获取车辆的车速、剩余油量及冷却液等参数信息。如图2所示为有害气体与温度采集电路原理图。如一氧化碳浓度信息的采集采用MQ-7传感器。将采集到实时数据通过串口发送到ZigBee节点，然后节点将信息发送到上位机的ZigBee协调器显示出来。

2.1.2 车载GPS信息采集模块

GPS导航系统是用于定位车载终端的实时位置，为监控中心的调度决策提供全面的基础性数据，当险情发生时，消防车辆能以最短的时间赶赴现场。GPS有微处理器、数据存储和信息通道等单元组成。以全球的人造定位卫星为基础，GPS接收机通过卫星天线接收到数据，并对数据进行解析获取经纬度、车速等有用信息，再通过串口发送到主微控制器显示出实时位置坐标。

2.2 无线网络模块

2.2.1 ZigBee传输模块

Zigbee是基于IEEE802.15.4标准的低功耗个域网协议，协定层从下到上分别为实体层(PHY)、媒体存取层(MAC)、网络层(NWK)、应用层(APL)等。按网络节点功能可分为终端节点、路由节点、以及协调器节点。ZigBee网络的通信方式网络有3种：星状、网状、簇状，网络中的设备有PAN协调器、路由节点以及终端节点组成。ZigBee的拓扑结构图如图3所示。

簇状拓扑网络通信范围比较大，网络结构中处于最末端的是终端设备。在簇装结构中，大部分是FFD(全功能设备)，RFD(精减功能设备)作为簇的末端。拓扑结构中只有一个主协调器。网状网络中的每个节点都可以充当路由节点。因此本系统的ZigBee组网采用簇状网络拓扑图。处理器决定着网络优劣，作为通信硬件的核心，CC2530芯片上有适应2.4 GHzIEEE 802.15.4的RF收发器，提高了接收灵敏度和抗干扰性能，配置有高容量的RAM和FLASH、支持多种串行通信协议的USART，具有高度集成和高性能的特点。其电路设计如图4所示。

2.2.2 GPRS传输模块

GPRS是一种支持TCP/IP协议，可以直接与Internet相通信的网络技术，由GPRS现场数据采集、网络运营商提供网络与远程服务器3部分组成。GPRS的数据传输是以IP包进行的，SIM900A模块内部集成了GSM控制器、TCP/IP协议，是SIMCom公司推出的一款双频 GSM/GPRS模块。火灾现场对环境参数的采集后，发送到ZigBee节点，ZigBee节点通过串口发送到SIM900A模块打并包成TCP/IP数据包完成对数据的无线透明传输。通过GPRS的无线网络与服务器建立连接，将数据发送到上位机终端显示。

2.3 系统主控制器模块

嵌入式ARM内核的STM32系列微控制器具有高性能和资源、指令丰富等优点，车载消防车信息采集与传输系统主控制模块采用意法半导体公司推出的32为基于Cortex—M4F内核的STM32F407处理芯片，片上集成了高容量的SRAM和FLASH，具有CAN与USB总线，多个USART串口通信接口和SPI总线接口等电路接口，满足多种并同时通讯的功能，处理速度快，功能强大，外部接口丰富，内部数据存储空间容量大，可以很好的实现本系统的各功能设计要求，本系统的总体设计结构框架如图5所示。

3 系统软件设计

以下是GPRS无线网络模块的部分初始化程序，先进行SIM卡网络的初始化，然后是通过软件对其硬件进行串口通信等模块的初始化。

4 系统的应用测试

监控中心上位机采用Qt开发，通过Socket编程，实现了对温度、烟雾浓度、车辆位置、车速的实时监测。本监控软件功能强大，拓展性好。监控人员可通过本监控软件对车辆进行集中监控管理，具有高效率，实时性好，调度集中，节省资源等优点。本次系统应用测试在本校进行模拟定位监测并记录轨迹，人工制造烟雾模拟火灾现场记录烟雾传感器的数据变化。测试结果如图6所示。

5 结束语

根据当前消防车车载信息还不够信息化，设计基于STM32技术的车载消防车信息采集与传输系统，车载信息采集与传输装置安装在消防车上，应用于消防车动态信息远程监控系统，具有消防车信息、车载装备器材及周边环境等信息采集和数据上传功能。它集数字化、智能化、网络化为一体，使数据采集、分析、处理实现自动化，有效提高信息采集的准确性、实时性。