火災救援智能系統研究

蔣明澔，何嘉斌

（福州大學 物理與信息工程學院，福建　福州　350108）

火災救援智能系統研究

蔣明澔，何嘉斌

（福州大學 物理與信息工程學院，福建福州350108）

隨著社會的發展，如何減少火災中人員的傷亡一直是個難題。文章提出了一套新型的火災救援系統。該系統包含火災現場畫面的無線傳輸，溫度的無線傳輸，基于WiFi的無線遙控智能車、機械臂和水泵的救援工具。文章重點論述了系統的組成成分、涉及的關鍵性問題并驗證了系統的正確性和可行性。

WiFi；無線視頻傳輸；無線溫度傳輸；火災救援；nRF24L01

每年由于火災的發生，有很多無辜的生命被奪走，甚至包括消防戰士。傳統的救援模式有很大的弊端，在不清楚火災內部環境的情況下，救援人員不得不進入現場以身試險，結果造成不必要的損失。在這種情況下，可以直接用機器來替代人類完成。如今計算機技術、網絡技術和多媒體技術的發展催生了全新的救援模式。本文的智能系統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人計算機（Personal Computer，PC）機上操縱智能機器人進入火災現場，智能機器人將采集火災現場的溫度和畫面傳回到終端中，如果需要的話，在終端可以操縱機器人實施相應的救援工作。

1　系統架構介紹

1.1無線視頻傳輸

系統采用的無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、PC主機和顯示器。AR 9331是ATHEROS推出的一種單500mW用于無線路由或WLAN設備的主芯片。WiFi模塊采用的是AR 9331芯片，該核心板上運行的是基于Linux內核的OpenWRT系統。OpenWRT是一個高度模塊化、高度自動化的嵌入式Linux系統，擁有強大的網絡組件和擴展性。該WiFi模塊采用IEEE 802.11n，1T1R最高可達150Mbps，具有1個USB 2.0，1個高速UART串口，多個GPIO接口。該模塊本身就是WiFi的創建者，好比路由器，是網絡的中心節點。視頻編碼部分采用專業的視頻編碼芯片。該芯片用USB口供電和傳輸數據，輸出的視頻碼流可以是MPEG-1，MPEG-2，MPEG-4，MJPG或者H.263格式。PC主機通過安裝監控軟件可以實時地監視攝像頭傳輸過來的畫面。STM32最小系統主要就是配置視頻編碼芯片，STM32的內核是ARM 32位Cortex-M3 CPU，最高工作頻率72 MHz，1.25 DMIPS/MHz。無線視頻傳輸的系統架構如圖1所示。

圖1　無線視頻傳輸的系統架構

工作過程為攝像頭采集外界圖像，視頻編碼芯片將視頻信號轉換為標準格式的碼流，然后經過STM32最小系統，最終將信號送到WiFi模塊實現視頻信號的發送。接收端中安裝了監控軟件的PC主機連接WiFi信號，再進行存儲和解碼等處理就可以還原視頻信號，得到視頻圖像。

1.2無線溫度傳輸

系統采用的無線溫度傳輸包括DS18B20、nRF24L01、STM32最小系統、LCD顯示屏。

DS18B20的溫度范圍－55～125℃，在－10～85℃時，精度為±0.5℃，可編程的分辨率為9～12位。nRF24L01是由NORDIC生產的工作在2.4～2.5GHz的ISM頻段的單片無線收發器芯片。輸出功率頻道選擇和協議的設置可以通過SPI接口進行設置。當工作在發送模式下發射功率為0dBm時電流消耗為11.3mA，處于接收模式時為12.3mA，掉電模式和待機模式下電流消耗更低。STM32最小系統主要用來初始化、配置和驅動DS18B20，nRF24L01，LCD顯示屏，在整個系統中起到中樞的作用。無線溫度傳輸的系統架構如圖2所示。

圖2　無線溫度傳輸的系統架構

工作過程為STM32先配置和初始化DS18B20、nRF24L01和LCD。DS18B20采集溫度，傳送給STM32進行處理，處理完后放在存儲器中等待nRF24L01的讀，nRF24L01得到讀取命令后，讀取存儲器中的溫度數據，發送到接收端的nRF24L01，數據被存到接收端的STM32的存儲器中，最終顯示屏獲取數據實時地顯示溫度。

1.3智能車及車載救援工具

系統采用的載體是遙控智能車包括STM32最小系統、耐高溫的車身、機械臂和滅火水泵、L298N驅動。STM32最小系統主要用來作為一個總的控制端。通過控制舵機的角度進而控制機械臂的夾持和移動的角度，實現精確地搬運指定的物體。滅火水泵和直流電機都采用L298N驅動。L298N驅動輸入電壓為12V，可以提供給外圍電路5V的電壓，可以驅動多路電機。智能車及車載救援工具的系統架構如圖3所示。

圖3　智能車及車載救援工具的系統架構

工作過程為PC主機發送指令通過WiFi模塊發送到STM32最小系統，STM32按照設定的程序來執行相應的操作，包括運動、噴水和夾持物體。

2　軟件設計

2.1無線視頻傳輸

WiFi模塊接收到觸發設置信號后，將其設置為接入點（Access Point，AP）模式，然后啟用用戶數據報協議（User Datagram Protocol，UDP）服務監聽指定的端口號，用戶用PC主機先獲取想要連接的網絡設備用戶名ssid，mac地址、加密方式和密碼，通過WiFi連接系統并通過UDP將數據發給核心板。核心板在收到設置參數后，將WiFi設置為sta模式并連接到指定的網絡設備。

UDP中文名是用戶數據報協議，是開放系統互聯（Open System Interconnection，OSI）參考模型中一種無連接的傳輸層協議，提供面向事務的簡單不可靠信息傳送服務，IETF RFC 768是UDP的正式規范，在網絡中它與TCP協議一樣用于處理數據包，是一種無連接的協議。在OSI模型中，在第四層—傳輸層，處于IP協議的上一層。

2.2無線溫度傳輸

2.2.1DS18B20

DS18B20的軟件設計需經過以下幾個步驟：（1）初始化；（2）執行只讀內存（Read-Only Memory，ROM）指令；（3）執行DS18B20的功能指令即隨機存取存儲器（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10Mb/s，發送數據時，設置為發送模式，再把接收節點地址和有效數據位按照時序由SPI口寫入緩存區，有效數據位必須在CSN為低時連續寫入，接收節點地址在發射時寫入一次即可。然后發射數據；若自動應答開啟，那nRF24L01在發射數據后立即進入接收模式，如果收到應答信號，則通信成功，TX_DS置高，等待下一個待發送數據；未收到則自動重新發送數據，若重發次數達到上限，MAX_RT置高，緩存區中數據保留以便再次重發，MAX_RT或TX_DS置高時，使IRQ變低，產生中斷。最后發射成功時，若CE為低則nRF24L01進入空閑模式；若發送堆棧中有數據且CE為高，則進入下一次發射；若發送堆棧中無數據且CE為高，則進入空閑模式。

接收數據時，先設置為接收模式，當檢測到有效地址和CRC時，就將數據存在緩存區中，中斷位置高，產生中斷，通知MCU取數據，開啟自動應答，最后接收成功，等待下一組數據。

2.3智能車及車載救援工具

STM32初始化機械臂，利用外部中斷讀取WiFi模塊傳回來的指令，控制GPIO口不同電位條件，實現不同的功能。機械臂的主要驅動為舵機，STM32產生一串控制脈沖，并驅動電機轉動；齒輪將電機的速度成大倍數縮小，并將電機的輸出扭矩放大響應倍數，然后輸出；電位器就會和齒輪組的末級一起轉動，根據電位器判斷舵機是否轉動到目標角度。

3　測試與驗證

該系統的測試環境為一個小型模擬火災現場，根據測試結果可以知道，確保小車傳回來的畫面清晰且不失真的最大距離為100m，確保溫度準確的最大距離為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，內部元器件不易損傷，車子的運行速度可以靈活調控。因此該系統對于一般小型的火災現場急救完全可以勝任。在PC主機終端的顯示器上可以清楚地觀察火災現場的溫度和畫面，如果發現易爆的物體，在終端發送指令，該小車就可以對該物體實現搬移，而且精度高。

4　結語

本文研究了物聯網、移動終端、STM32最小系統、車身載體等技術，利用WiFi模塊實現智能車系統和終端PC主機之間的實時交互，利用nRF24L01實現溫度采集裝置和終端之間的交互，抗干擾能力強，性能穩定，可以很好地在火災現場實現救援工作，設備成本低，易于大規模地推廣應用，拓展性強。未來該系統將會極大地減少火災帶來的損失，造福人類。

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

［2］王英力，莊奕琪，湯華蓮，等.無線視頻傳輸系統的設計［J］.現代電子技術，2008（1）：18-20.

［3］孫作雷，張波，曾連蓀.基于Arduino和Qt的低成本開源實驗機器人平臺設計［J］.上海海事大學學報，2013（2）：80-83.

［4］盛平，宋志敏.基于WiFi的遠程視頻測控系統設計與實現［J］.軟件導刊，2015（6）：83-86.

［5］趙飛，葉震.UDP協議與TCP協議的對比分析與可靠性改進［J］.計算機技術與發展，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：電子科學與技術。