馬 凱，鮑顥之，哈欣怡，王藝瑾，封曉同

（南京林業(yè)大學汽車與交通工程學院，南京 210037）

1 引言

據(jù)國家統(tǒng)計局提供的數(shù)據(jù)顯示，到2020年為止中國總?cè)丝跀?shù)已達到約14億1178萬；其中，城市人口占比約為63.89%。大量人口密集聚居于城區(qū)，存在各種安全隱患。城市消防車作為城市消防災難發(fā)生后第一出動的消防救援車輛，其綜合消防救援能力遠高于普通罐類消防車[1]。城市消防車結(jié)構(gòu)各不相同，加以城市道路狀況復雜多變，其車輛信息監(jiān)測及道路交通調(diào)度管理系統(tǒng)往往無法滿足實際需求。本研究基于STM32芯片，設計一款城市消防車監(jiān)測及智能調(diào)度系統(tǒng)，集信息監(jiān)測、交互以及協(xié)調(diào)管理為一體，以發(fā)揮集成化的特點[2]。系統(tǒng)基于STM32系列單片機監(jiān)測、收集實時信息，結(jié)合CAN通信技術(shù)、北斗定位模塊等硬件模塊將上位機系統(tǒng)與城市消防救援車有機的結(jié)合在一起。在緊急出警的背景下，系統(tǒng)對安全影響因素數(shù)據(jù)化，通過影響因子參數(shù)進行分析。如遇路況及車輛緊急情況，可及時預警和處理，并能夠及時規(guī)避因救援車輛或交通路況未知變化而產(chǎn)生的風險，有效提高救援效率。

2 系統(tǒng)整體設計

系統(tǒng)的整體設計如圖1所示，其核心為STM32處理器。通過綜合傳感器等硬件設備實時采集車輛速度、胎壓、油量、水箱余量等參數(shù)，將收集到的數(shù)據(jù)通過CAN通信模塊實時上傳到上位機管理員系統(tǒng)中，以實現(xiàn)對車輛信息的實時監(jiān)測。

圖1 系統(tǒng)設計原理圖

通過攝像頭等硬件模塊采集實時路況，由管理員（即調(diào)度中心）及時接收并分析、處理這些實時信息，可對指定的城市消防車發(fā)出指令，最終實現(xiàn)信息的遠程交互，完成城市主戰(zhàn)消防車信息監(jiān)測[3]。

3 硬件電路設計

硬件模塊包括：供電模塊、主處理器模塊、北斗定位模塊[4]、CAN通信模塊、綜合傳感器模塊等。主處理器模塊是整個系統(tǒng)的核心。其他模塊由供電模塊進行供電，同時與處理器串口相連接。

3.1 供電模塊

在整體系統(tǒng)中，為STM32芯片供電的電壓為2～3.6V；CAN通信模塊供電電壓為3.3～5V；北斗定位模塊、綜合傳感器模塊等外設的供電電壓均為5.0V。供電模塊電路如圖2所示。為保證主處理器運行穩(wěn)定，采用LM1117-3.3穩(wěn)壓芯片[5]對控制電源進行穩(wěn)壓調(diào)節(jié)，通過芯片控制保證輸出電壓穩(wěn)定在正常工作所需的3.3V。

圖2 供電模塊電路

圖中，C2、C4為分別為輸出濾波電容，在一定程度上起到抑制自激振蕩和穩(wěn)定輸出電壓的作用。C1、C3為輸入電容，在一定程度上能夠防止斷電后發(fā)生電壓倒置。供電模塊設計簡單，功能可靠，保證輸出的電壓穩(wěn)定，滿足系統(tǒng)工作需求。

3.2 處理器模塊

STM32嵌入式單片機處理器內(nèi)核具有高性能特點，且計算能力強、功耗低。設計中選用的具體型號為STM32F103ZET6[6]，電路如圖3所示。該處理器片上外設豐富，支持多種外圍設備，滿足系統(tǒng)工作需求的同時，也為后期的迭代升級提供了預備資源。芯片內(nèi)置有2個DMA控制器，12個DMA通道，112個快速I/O端口，能夠快速接收道路、出警等信息并加以分析、計算，制定出合適的調(diào)度方案[7]。

圖3 處理器模塊

3.3 北斗定位模塊

系統(tǒng)采用北斗定位模塊實現(xiàn)定位功能，電路如圖4所示。模塊中選用UV-BDMK01，它是具有高靈敏度的BDS/GPS雙模接收機芯片，支持GPS和BDS的單系統(tǒng)定位和雙系統(tǒng)聯(lián)合定位[8]，能量消耗低，且其中有32個跟蹤通道，可保證同時接收到所有BDS和GPS可見衛(wèi)星，能夠滿足專業(yè)定位的需求。采用該模塊可以準確及時地獲取城市消防車輛的實時位置信息。

圖4 北斗定位模塊

3.4 CAN通信模塊

系統(tǒng)采用CAN通信[9]作為系統(tǒng)通信方式，電路如圖5所示。該模塊基于STM32F103ZET6芯片，在一定程度上減少系統(tǒng)內(nèi)部噪音，簡化了外圍電路。另一方面，CAN總線采用非破壞性總線仲裁機制，因此即使在多負載情況下也不會導致網(wǎng)絡癱瘓[10]，使系統(tǒng)具有很強的抗干擾能力。CAN通信電路采用TJA1050，該芯片結(jié)構(gòu)簡單，能很好滿足系統(tǒng)需求。

圖5 CAN通信模塊電路

3.5 綜合傳感器模塊

設計采用以CDW01T為核心的液位傳感器模塊[11]和以英飛凌SP37芯片為核心的壓力傳感器模塊[12]，共同組成一個綜合傳感器模塊。

CDW01T是一款用于液位檢測的專用集成電路。基于電容感應的檢測原理，借助于集成電子的獨特算法實現(xiàn)智能識別。在有無液體上電的狀態(tài)下，都能準確指示液位狀態(tài)，因此對于不直接接觸液體和需要直接接觸液體的檢測裝置同樣適用。在要求非接觸式檢測的情況下，更能體現(xiàn)出安全與便利的優(yōu)點。如圖6所示為以CDW01T為核心的液位傳感器的應用電路設計圖。

圖6 液位傳感器應用電路

胎壓傳感器模塊使用以英飛凌SP37壓力監(jiān)測芯片為核心的電路模塊。SP37是高度集成化的芯片，可以精確測量100～900kPa的胎內(nèi)大氣壓強，且功耗較低，在惡劣環(huán)境中也有很高的可靠度。胎壓傳感器的具體應用電路設計如圖7所示。

圖7 胎壓傳感器應用電路

4 軟件及算法設計

軟件部分的設計選用Visual Basic6.0來搭建完成。本城市主戰(zhàn)消防車信息監(jiān)測及智能調(diào)度管理系統(tǒng)的主界面如圖8所示。其功能包括：查詢路線、供水點監(jiān)測、車輛信息、車輛調(diào)度、交通動態(tài)[13]、個性設置、歷史信息、退出系統(tǒng)。通過對軟件的使用，可在上位機系統(tǒng)實現(xiàn)城市消防車的智能調(diào)度和供水點的維護提示等功能。

圖8 系統(tǒng)主界面

軟件功能流程圖如圖9所示。軟件的核心功能在于城市消防車的信息監(jiān)測和智能調(diào)度。主處理器通過獲取的車輛運行信息及道路信息進行分析，通過基于優(yōu)先級的淘汰算法[14]進行分析，最終確定消防車道路規(guī)劃方案，對相應的消防車發(fā)出指令。

圖9 系統(tǒng)功能流程圖

為便于管理，軟件設置有權(quán)限區(qū)分功能。用戶（即消防車輛）僅能查看軟件界面信息并進行調(diào)度工作；管理員（即調(diào)度中心）額外具備供水點監(jiān)測、車輛信息、車輛調(diào)度[15]以及歷史記錄查詢等權(quán)限。如遇特殊情況，須經(jīng)由管理員審核確定方可進行操作。這一設置防止了管理員在進行車輛調(diào)度時被用戶的子系統(tǒng)干擾，以至于無法及時準確地獲取到達救援現(xiàn)場的最優(yōu)路徑。

系統(tǒng)查詢路線功能的界面如圖10所示。在這一界面中，可通過地圖顯示查詢的路線，并通過大數(shù)據(jù)處理，尋找到從消防救援中心到救援目的地之間的最優(yōu)路線。

圖10 查詢路線界面

管理員選擇距離救援現(xiàn)場最近的消防救援中心并輸入救援目的地后，系統(tǒng)會通過大數(shù)據(jù)平臺提供信息進行分析，然后向管理員提供多條優(yōu)化路線方案。以南京市玄武區(qū)消防大隊到南京林業(yè)大學為例，管理員在輸入出發(fā)地與目的地后，點擊生成路線，在系統(tǒng)提供的路線中再進行篩選，路線篩選后管理員可通過CAN通信將路線共享給指定的城市消防救援車輛[16]。

如圖11所示為車輛信息界面。管理員可在車輛信息界面中查看某一出勤中的消防救援車輛的具體信息。通過水箱的剩余水量[17]、油箱的剩余油量、行駛時的車輪胎壓、當前車速以及發(fā)動機溫度等參數(shù)，管理員還能夠?qū)崟r地監(jiān)管車輛的行駛狀況以及對完成對該車輛的救援能力的評估。

圖11 車輛信息界面

車輛行駛參數(shù)先由車載硬件傳感器模塊測得，再通過系統(tǒng)CAN通信模塊等進行實時數(shù)據(jù)傳輸，有很強的可靠性。當監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示異常時，管理員會根據(jù)顯示出的異常情況發(fā)出不同的警報提醒，如維修指令、加油指令或補水指令，提前做好消防車輛的維修保養(yǎng)以及儲備救援物資補給，大大提高消防救援能力和效率，確保救援過程順利實施。系統(tǒng)還裝備有車載攝像頭，分別位于駕駛室內(nèi)與車輛頂部，用于監(jiān)測駕駛室內(nèi)駕駛員的駕駛狀況及車外道路情況[18]。

如圖12所示為車輛調(diào)度界面。管理員通過選定區(qū)域，可在界面左側(cè)看到城市消防救援車信息。在其中可通過選擇救援車種類，得出屬于該救援中心的救援車的總量以及出勤、閑置和維修情況。同時，管理員可在界面右側(cè)查看相應車輛信息，通過北斗定位等技術(shù)確定該車輛位置、周邊環(huán)境以及行駛軌跡。通過CAN通信模塊，管理員能及時與車輛中救援人員進行通話，這將顯著提高城市消防救援車管理的規(guī)范性及高效性。

圖12 車輛調(diào)度界面

5 結(jié)束語

所設計系統(tǒng)以STM32處理器為核心，通過北斗定位模塊及綜合傳感器模塊實時采集信息，由CAN模塊向上位機實時傳輸信息，使管理員能夠與城市消防救援車輛實現(xiàn)無縫對接。系統(tǒng)硬件與軟件相互配合，可靈活地應對消防救援過程中出現(xiàn)的各種緊急情況，滿足城市消防救援車調(diào)度要求。本系統(tǒng)功能齊全，操縱性強，能夠合理調(diào)度、統(tǒng)籌管理消防資源，有廣闊的應用前景。