火灾救援智能系统研究

蒋明澔，何嘉斌

（福州大学 物理与信息工程学院，福建　福州　350108）

火灾救援智能系统研究

蒋明澔，何嘉斌

（福州大学 物理与信息工程学院，福建福州350108）

随着社会的发展，如何减少火灾中人员的伤亡一直是个难题。文章提出了一套新型的火灾救援系统。该系统包含火灾现场画面的无线传输，温度的无线传输，基于WiFi的无线遥控智能车、机械臂和水泵的救援工具。文章重点论述了系统的组成成分、涉及的关键性问题并验证了系统的正确性和可行性。

WiFi；无线视频传输；无线温度传输；火灾救援；nRF24L01

每年由于火灾的发生，有很多无辜的生命被夺走，甚至包括消防战士。传统的救援模式有很大的弊端，在不清楚火灾内部环境的情况下，救援人员不得不进入现场以身试险，结果造成不必要的损失。在这种情况下，可以直接用机器来替代人类完成。如今计算机技术、网络技术和多媒体技术的发展催生了全新的救援模式。本文的智能系统可以在很大程度上减少不必要的人员损伤，帮助救援人员更好地完成救援工作。救援人员可以在终端个人计算机（Personal Computer，PC）机上操纵智能机器人进入火灾现场，智能机器人将采集火灾现场的温度和画面传回到终端中，如果需要的话，在终端可以操纵机器人实施相应的救援工作。

1　系统架构介绍

1.1无线视频传输

系统采用的无线视频传输包括摄像头、专用视频编码芯片、AR 9331WiFi芯片、STM32最小系统、PC主机和显示器。AR 9331是ATHEROS推出的一种单500mW用于无线路由或WLAN设备的主芯片。WiFi模块采用的是AR 9331芯片，该核心板上运行的是基于Linux内核的OpenWRT系统。OpenWRT是一个高度模块化、高度自动化的嵌入式Linux系统，拥有强大的网络组件和扩展性。该WiFi模块采用IEEE 802.11n，1T1R最高可达150Mbps，具有1个USB 2.0，1个高速UART串口，多个GPIO接口。该模块本身就是WiFi的创建者，好比路由器，是网络的中心节点。视频编码部分采用专业的视频编码芯片。该芯片用USB口供电和传输数据，输出的视频码流可以是MPEG-1，MPEG-2，MPEG-4，MJPG或者H.263格式。PC主机通过安装监控软件可以实时地监视摄像头传输过来的画面。STM32最小系统主要就是配置视频编码芯片，STM32的内核是ARM 32位Cortex-M3 CPU，最高工作频率72 MHz，1.25 DMIPS/MHz。无线视频传输的系统架构如图1所示。

图1　无线视频传输的系统架构

工作过程为摄像头采集外界图像，视频编码芯片将视频信号转换为标准格式的码流，然后经过STM32最小系统，最终将信号送到WiFi模块实现视频信号的发送。接收端中安装了监控软件的PC主机连接WiFi信号，再进行存储和解码等处理就可以还原视频信号，得到视频图像。

1.2无线温度传输

系统采用的无线温度传输包括DS18B20、nRF24L01、STM32最小系统、LCD显示屏。

DS18B20的温度范围－55～125℃，在－10～85℃时，精度为±0.5℃，可编程的分辨率为9～12位。nRF24L01是由NORDIC生产的工作在2.4～2.5GHz的ISM频段的单片无线收发器芯片。输出功率频道选择和协议的设置可以通过SPI接口进行设置。当工作在发送模式下发射功率为0dBm时电流消耗为11.3mA，处于接收模式时为12.3mA，掉电模式和待机模式下电流消耗更低。STM32最小系统主要用来初始化、配置和驱动DS18B20，nRF24L01，LCD显示屏，在整个系统中起到中枢的作用。无线温度传输的系统架构如图2所示。

图2　无线温度传输的系统架构

工作过程为STM32先配置和初始化DS18B20、nRF24L01和LCD。DS18B20采集温度，传送给STM32进行处理，处理完后放在存储器中等待nRF24L01的读，nRF24L01得到读取命令后，读取存储器中的温度数据，发送到接收端的nRF24L01，数据被存到接收端的STM32的存储器中，最终显示屏获取数据实时地显示温度。

1.3智能车及车载救援工具

系统采用的载体是遥控智能车包括STM32最小系统、耐高温的车身、机械臂和灭火水泵、L298N驱动。STM32最小系统主要用来作为一个总的控制端。通过控制舵机的角度进而控制机械臂的夹持和移动的角度，实现精确地搬运指定的物体。灭火水泵和直流电机都采用L298N驱动。L298N驱动输入电压为12V，可以提供给外围电路5V的电压，可以驱动多路电机。智能车及车载救援工具的系统架构如图3所示。

图3　智能车及车载救援工具的系统架构

工作过程为PC主机发送指令通过WiFi模块发送到STM32最小系统，STM32按照设定的程序来执行相应的操作，包括运动、喷水和夹持物体。

2　软件设计

2.1无线视频传输

WiFi模块接收到触发设置信号后，将其设置为接入点（Access Point，AP）模式，然后启用用户数据报协议（User Datagram Protocol，UDP）服务监听指定的端口号，用户用PC主机先获取想要连接的网络设备用户名ssid，mac地址、加密方式和密码，通过WiFi连接系统并通过UDP将数据发给核心板。核心板在收到设置参数后，将WiFi设置为sta模式并连接到指定的网络设备。

UDP中文名是用户数据报协议，是开放系统互联（Open System Interconnection，OSI）参考模型中一种无连接的传输层协议，提供面向事务的简单不可靠信息传送服务，IETF RFC 768是UDP的正式规范，在网络中它与TCP协议一样用于处理数据包，是一种无连接的协议。在OSI模型中，在第四层—传输层，处于IP协议的上一层。

2.2无线温度传输

2.2.1DS18B20

DS18B20的软件设计需经过以下几个步骤：（1）初始化；（2）执行只读内存（Read-Only Memory，ROM）指令；（3）执行DS18B20的功能指令即随机存取存储器（Random Access Memory，RAM）指令。

2.2.2nRF24L01

SCK口同步串行通信接口（Synchronous Clock String，SCK），最大传输速率可达10Mb/s，发送数据时，设置为发送模式，再把接收节点地址和有效数据位按照时序由SPI口写入缓存区，有效数据位必须在CSN为低时连续写入，接收节点地址在发射时写入一次即可。然后发射数据；若自动应答开启，那nRF24L01在发射数据后立即进入接收模式，如果收到应答信号，则通信成功，TX_DS置高，等待下一个待发送数据；未收到则自动重新发送数据，若重发次数达到上限，MAX_RT置高，缓存区中数据保留以便再次重发，MAX_RT或TX_DS置高时，使IRQ变低，产生中断。最后发射成功时，若CE为低则nRF24L01进入空闲模式；若发送堆栈中有数据且CE为高，则进入下一次发射；若发送堆栈中无数据且CE为高，则进入空闲模式。

接收数据时，先设置为接收模式，当检测到有效地址和CRC时，就将数据存在缓存区中，中断位置高，产生中断，通知MCU取数据，开启自动应答，最后接收成功，等待下一组数据。

2.3智能车及车载救援工具

STM32初始化机械臂，利用外部中断读取WiFi模块传回来的指令，控制GPIO口不同电位条件，实现不同的功能。机械臂的主要驱动为舵机，STM32产生一串控制脉冲，并驱动电机转动；齿轮将电机的速度成大倍数缩小，并将电机的输出扭矩放大响应倍数，然后输出；电位器就会和齿轮组的末级一起转动，根据电位器判断舵机是否转动到目标角度。

3　测试与验证

该系统的测试环境为一个小型模拟火灾现场，根据测试结果可以知道，确保小车传回来的画面清晰且不失真的最大距离为100m，确保温度准确的最大距离为70m。增大传输芯片的功率可以提高最大有效距离，车身都采用耐高温的材料保护，内部元器件不易损伤，车子的运行速度可以灵活调控。因此该系统对于一般小型的火灾现场急救完全可以胜任。在PC主机终端的显示器上可以清楚地观察火灾现场的温度和画面，如果发现易爆的物体，在终端发送指令，该小车就可以对该物体实现搬移，而且精度高。

4　结语

本文研究了物联网、移动终端、STM32最小系统、车身载体等技术，利用WiFi模块实现智能车系统和终端PC主机之间的实时交互，利用nRF24L01实现温度采集装置和终端之间的交互，抗干扰能力强，性能稳定，可以很好地在火灾现场实现救援工作，设备成本低，易于大规模地推广应用，拓展性强。未来该系统将会极大地减少火灾带来的损失，造福人类。

［1］刘小军.基于WiFi无线视频传输技术的研究［J］.电子技术，2012（10）：82-85.

［2］王英力，庄奕琪，汤华莲，等.无线视频传输系统的设计［J］.现代电子技术，2008（1）：18-20.

［3］孙作雷，张波，曾连荪.基于Arduino和Qt的低成本开源实验机器人平台设计［J］.上海海事大学学报，2013（2）：80-83.

［4］盛平，宋志敏.基于WiFi的远程视频测控系统设计与实现［J］.软件导刊，2015（6）：83-86.

［5］赵飞，叶震.UDP协议与TCP协议的对比分析与可靠性改进［J］.计算机技术与发展，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

蒋明澔（1994— ），男，福建三明，本科；研究方向：电子科学与技术。