蔣明澔，何嘉斌

（福州大學(xué) 物理與信息工程學(xué)院，福建　福州　350108）

火災(zāi)救援智能系統(tǒng)研究

蔣明澔，何嘉斌

（福州大學(xué) 物理與信息工程學(xué)院，福建福州350108）

隨著社會(huì)的發(fā)展，如何減少火災(zāi)中人員的傷亡一直是個(gè)難題。文章提出了一套新型的火災(zāi)救援系統(tǒng)。該系統(tǒng)包含火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)畫面的無(wú)線傳輸，溫度的無(wú)線傳輸，基于WiFi的無(wú)線遙控智能車、機(jī)械臂和水泵的救援工具。文章重點(diǎn)論述了系統(tǒng)的組成成分、涉及的關(guān)鍵性問(wèn)題并驗(yàn)證了系統(tǒng)的正確性和可行性。

WiFi；無(wú)線視頻傳輸；無(wú)線溫度傳輸；火災(zāi)救援；nRF24L01

每年由于火災(zāi)的發(fā)生，有很多無(wú)辜的生命被奪走，甚至包括消防戰(zhàn)士。傳統(tǒng)的救援模式有很大的弊端，在不清楚火災(zāi)內(nèi)部環(huán)境的情況下，救援人員不得不進(jìn)入現(xiàn)場(chǎng)以身試險(xiǎn)，結(jié)果造成不必要的損失。在這種情況下，可以直接用機(jī)器來(lái)替代人類完成。如今計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和多媒體技術(shù)的發(fā)展催生了全新的救援模式。本文的智能系統(tǒng)可以在很大程度上減少不必要的人員損傷，幫助救援人員更好地完成救援工作。救援人員可以在終端個(gè)人計(jì)算機(jī)（Personal Computer，PC）機(jī)上操縱智能機(jī)器人進(jìn)入火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)，智能機(jī)器人將采集火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)的溫度和畫面?zhèn)骰氐浇K端中，如果需要的話，在終端可以操縱機(jī)器人實(shí)施相應(yīng)的救援工作。

1　系統(tǒng)架構(gòu)介紹

1.1無(wú)線視頻傳輸

系統(tǒng)采用的無(wú)線視頻傳輸包括攝像頭、專用視頻編碼芯片、AR 9331WiFi芯片、STM32最小系統(tǒng)、PC主機(jī)和顯示器。AR 9331是ATHEROS推出的一種單500mW用于無(wú)線路由或WLAN設(shè)備的主芯片。WiFi模塊采用的是AR 9331芯片，該核心板上運(yùn)行的是基于Linux內(nèi)核的OpenWRT系統(tǒng)。OpenWRT是一個(gè)高度模塊化、高度自動(dòng)化的嵌入式Linux系統(tǒng)，擁有強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)組件和擴(kuò)展性。該WiFi模塊采用IEEE 802.11n，1T1R最高可達(dá)150Mbps，具有1個(gè)USB 2.0，1個(gè)高速UART串口，多個(gè)GPIO接口。該模塊本身就是WiFi的創(chuàng)建者，好比路由器，是網(wǎng)絡(luò)的中心節(jié)點(diǎn)。視頻編碼部分采用專業(yè)的視頻編碼芯片。該芯片用USB口供電和傳輸數(shù)據(jù)，輸出的視頻碼流可以是MPEG-1，MPEG-2，MPEG-4，MJPG或者H.263格式。PC主機(jī)通過(guò)安裝監(jiān)控軟件可以實(shí)時(shí)地監(jiān)視攝像頭傳輸過(guò)來(lái)的畫面。STM32最小系統(tǒng)主要就是配置視頻編碼芯片，STM32的內(nèi)核是ARM 32位Cortex-M3 CPU，最高工作頻率72 MHz，1.25 DMIPS/MHz。無(wú)線視頻傳輸?shù)南到y(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

圖1　無(wú)線視頻傳輸?shù)南到y(tǒng)架構(gòu)

工作過(guò)程為攝像頭采集外界圖像，視頻編碼芯片將視頻信號(hào)轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)格式的碼流，然后經(jīng)過(guò)STM32最小系統(tǒng)，最終將信號(hào)送到WiFi模塊實(shí)現(xiàn)視頻信號(hào)的發(fā)送。接收端中安裝了監(jiān)控軟件的PC主機(jī)連接WiFi信號(hào)，再進(jìn)行存儲(chǔ)和解碼等處理就可以還原視頻信號(hào)，得到視頻圖像。

1.2無(wú)線溫度傳輸

系統(tǒng)采用的無(wú)線溫度傳輸包括DS18B20、nRF24L01、STM32最小系統(tǒng)、LCD顯示屏。

DS18B20的溫度范圍－55～125℃，在－10～85℃時(shí)，精度為±0.5℃，可編程的分辨率為9～12位。nRF24L01是由NORDIC生產(chǎn)的工作在2.4～2.5GHz的ISM頻段的單片無(wú)線收發(fā)器芯片。輸出功率頻道選擇和協(xié)議的設(shè)置可以通過(guò)SPI接口進(jìn)行設(shè)置。當(dāng)工作在發(fā)送模式下發(fā)射功率為0dBm時(shí)電流消耗為11.3mA，處于接收模式時(shí)為12.3mA，掉電模式和待機(jī)模式下電流消耗更低。STM32最小系統(tǒng)主要用來(lái)初始化、配置和驅(qū)動(dòng)DS18B20，nRF24L01，LCD顯示屏，在整個(gè)系統(tǒng)中起到中樞的作用。無(wú)線溫度傳輸?shù)南到y(tǒng)架構(gòu)如圖2所示。

圖2　無(wú)線溫度傳輸?shù)南到y(tǒng)架構(gòu)

工作過(guò)程為STM32先配置和初始化DS18B20、nRF24L01和LCD。DS18B20采集溫度，傳送給STM32進(jìn)行處理，處理完后放在存儲(chǔ)器中等待nRF24L01的讀，nRF24L01得到讀取命令后，讀取存儲(chǔ)器中的溫度數(shù)據(jù)，發(fā)送到接收端的nRF24L01，數(shù)據(jù)被存到接收端的STM32的存儲(chǔ)器中，最終顯示屏獲取數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)地顯示溫度。

1.3智能車及車載救援工具

系統(tǒng)采用的載體是遙控智能車包括STM32最小系統(tǒng)、耐高溫的車身、機(jī)械臂和滅火水泵、L298N驅(qū)動(dòng)。STM32最小系統(tǒng)主要用來(lái)作為一個(gè)總的控制端。通過(guò)控制舵機(jī)的角度進(jìn)而控制機(jī)械臂的夾持和移動(dòng)的角度，實(shí)現(xiàn)精確地搬運(yùn)指定的物體。滅火水泵和直流電機(jī)都采用L298N驅(qū)動(dòng)。L298N驅(qū)動(dòng)輸入電壓為12V，可以提供給外圍電路5V的電壓，可以驅(qū)動(dòng)多路電機(jī)。智能車及車載救援工具的系統(tǒng)架構(gòu)如圖3所示。

圖3　智能車及車載救援工具的系統(tǒng)架構(gòu)

工作過(guò)程為PC主機(jī)發(fā)送指令通過(guò)WiFi模塊發(fā)送到STM32最小系統(tǒng)，STM32按照設(shè)定的程序來(lái)執(zhí)行相應(yīng)的操作，包括運(yùn)動(dòng)、噴水和夾持物體。

2　軟件設(shè)計(jì)

2.1無(wú)線視頻傳輸

WiFi模塊接收到觸發(fā)設(shè)置信號(hào)后，將其設(shè)置為接入點(diǎn)（Access Point，AP）模式，然后啟用用戶數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議（User Datagram Protocol，UDP）服務(wù)監(jiān)聽(tīng)指定的端口號(hào)，用戶用PC主機(jī)先獲取想要連接的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備用戶名ssid，mac地址、加密方式和密碼，通過(guò)WiFi連接系統(tǒng)并通過(guò)UDP將數(shù)據(jù)發(fā)給核心板。核心板在收到設(shè)置參數(shù)后，將WiFi設(shè)置為sta模式并連接到指定的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。

UDP中文名是用戶數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議，是開(kāi)放系統(tǒng)互聯(lián)（Open System Interconnection，OSI）參考模型中一種無(wú)連接的傳輸層協(xié)議，提供面向事務(wù)的簡(jiǎn)單不可靠信息傳送服務(wù)，IETF RFC 768是UDP的正式規(guī)范，在網(wǎng)絡(luò)中它與TCP協(xié)議一樣用于處理數(shù)據(jù)包，是一種無(wú)連接的協(xié)議。在OSI模型中，在第四層—傳輸層，處于IP協(xié)議的上一層。

2.2無(wú)線溫度傳輸

2.2.1DS18B20

DS18B20的軟件設(shè)計(jì)需經(jīng)過(guò)以下幾個(gè)步驟：（1）初始化；（2）執(zhí)行只讀內(nèi)存（Read-Only Memory，ROM）指令；（3）執(zhí)行DS18B20的功能指令即隨機(jī)存取存儲(chǔ)器（Random Access Memory，RAM）指令。

2.2.2nRF24L01

SCK口同步串行通信接口（Synchronous Clock String，SCK），最大傳輸速率可達(dá)10Mb/s，發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，設(shè)置為發(fā)送模式，再把接收節(jié)點(diǎn)地址和有效數(shù)據(jù)位按照時(shí)序由SPI口寫入緩存區(qū)，有效數(shù)據(jù)位必須在CSN為低時(shí)連續(xù)寫入，接收節(jié)點(diǎn)地址在發(fā)射時(shí)寫入一次即可。然后發(fā)射數(shù)據(jù)；若自動(dòng)應(yīng)答開(kāi)啟，那nRF24L01在發(fā)射數(shù)據(jù)后立即進(jìn)入接收模式，如果收到應(yīng)答信號(hào)，則通信成功，TX_DS置高，等待下一個(gè)待發(fā)送數(shù)據(jù)；未收到則自動(dòng)重新發(fā)送數(shù)據(jù)，若重發(fā)次數(shù)達(dá)到上限，MAX_RT置高，緩存區(qū)中數(shù)據(jù)保留以便再次重發(fā)，MAX_RT或TX_DS置高時(shí)，使IRQ變低，產(chǎn)生中斷。最后發(fā)射成功時(shí)，若CE為低則nRF24L01進(jìn)入空閑模式；若發(fā)送堆棧中有數(shù)據(jù)且CE為高，則進(jìn)入下一次發(fā)射；若發(fā)送堆棧中無(wú)數(shù)據(jù)且CE為高，則進(jìn)入空閑模式。

接收數(shù)據(jù)時(shí)，先設(shè)置為接收模式，當(dāng)檢測(cè)到有效地址和CRC時(shí)，就將數(shù)據(jù)存在緩存區(qū)中，中斷位置高，產(chǎn)生中斷，通知MCU取數(shù)據(jù)，開(kāi)啟自動(dòng)應(yīng)答，最后接收成功，等待下一組數(shù)據(jù)。

2.3智能車及車載救援工具

STM32初始化機(jī)械臂，利用外部中斷讀取WiFi模塊傳回來(lái)的指令，控制GPIO口不同電位條件，實(shí)現(xiàn)不同的功能。機(jī)械臂的主要驅(qū)動(dòng)為舵機(jī)，STM32產(chǎn)生一串控制脈沖，并驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)；齒輪將電機(jī)的速度成大倍數(shù)縮小，并將電機(jī)的輸出扭矩放大響應(yīng)倍數(shù)，然后輸出；電位器就會(huì)和齒輪組的末級(jí)一起轉(zhuǎn)動(dòng)，根據(jù)電位器判斷舵機(jī)是否轉(zhuǎn)動(dòng)到目標(biāo)角度。

3　測(cè)試與驗(yàn)證

該系統(tǒng)的測(cè)試環(huán)境為一個(gè)小型模擬火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)，根據(jù)測(cè)試結(jié)果可以知道，確保小車傳回來(lái)的畫面清晰且不失真的最大距離為100m，確保溫度準(zhǔn)確的最大距離為70m。增大傳輸芯片的功率可以提高最大有效距離，車身都采用耐高溫的材料保護(hù)，內(nèi)部元器件不易損傷，車子的運(yùn)行速度可以靈活調(diào)控。因此該系統(tǒng)對(duì)于一般小型的火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)急救完全可以勝任。在PC主機(jī)終端的顯示器上可以清楚地觀察火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)的溫度和畫面，如果發(fā)現(xiàn)易爆的物體，在終端發(fā)送指令，該小車就可以對(duì)該物體實(shí)現(xiàn)搬移，而且精度高。

4　結(jié)語(yǔ)

本文研究了物聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)終端、STM32最小系統(tǒng)、車身載體等技術(shù)，利用WiFi模塊實(shí)現(xiàn)智能車系統(tǒng)和終端PC主機(jī)之間的實(shí)時(shí)交互，利用nRF24L01實(shí)現(xiàn)溫度采集裝置和終端之間的交互，抗干擾能力強(qiáng)，性能穩(wěn)定，可以很好地在火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)現(xiàn)救援工作，設(shè)備成本低，易于大規(guī)模地推廣應(yīng)用，拓展性強(qiáng)。未來(lái)該系統(tǒng)將會(huì)極大地減少火災(zāi)帶來(lái)的損失，造福人類。

［1］劉小軍.基于WiFi無(wú)線視頻傳輸技術(shù)的研究［J］.電子技術(shù)，2012（10）：82-85.

［2］王英力，莊奕琪，湯華蓮，等.無(wú)線視頻傳輸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)［J］.現(xiàn)代電子技術(shù)，2008（1）：18-20.

［3］孫作雷，張波，曾連蓀.基于Arduino和Qt的低成本開(kāi)源實(shí)驗(yàn)機(jī)器人平臺(tái)設(shè)計(jì)［J］.上海海事大學(xué)學(xué)報(bào)，2013（2）：80-83.

［4］盛平，宋志敏.基于WiFi的遠(yuǎn)程視頻測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.軟件導(dǎo)刊，2015（6）：83-86.

［5］趙飛，葉震.UDP協(xié)議與TCP協(xié)議的對(duì)比分析與可靠性改進(jìn)［J］.計(jì)算機(jī)技術(shù)與發(fā)展，2006（9）：219-221.

Research on intelligent system of fre rescue

Jiang Minghao， He Jiabin
（College of Physics and Information Engineering of Fuzhou University， Fuzhou 350108， China）

With the development of society， how to reduce the fre personnel casualties has always been a diffcult problem.This paper puts forward a new type of fre rescue system.The system consists of the wireless transmission of images at the scene of a fre， the wireless transmission of the temperature， remote control of intelligent vehicle， mechanical arm and the pump based on WiFi wireless and other rescue tools.The components of the system and the key problems involved are discussed and the correctness and feasibility of the system are verifed in this paper.

WiFi； wireless video transmission； wireless temperature transmission； fre rescue； nRF24L01

蔣明澔（1994— ），男，福建三明，本科；研究方向：電子科學(xué)與技術(shù)。