基于STM32的高速隧道危化品運(yùn)輸實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)

曹曉鈺，孫寧

（南京林業(yè)大學(xué)，江蘇 南京 210037）

?；愤\(yùn)輸?shù)陌踩阅壳笆巧鐣?huì)關(guān)注的熱點(diǎn)問(wèn)題[1]，高速公路隧道運(yùn)輸過(guò)程中環(huán)境封閉、通風(fēng)不暢，一旦發(fā)生泄漏、燃爆等事故，其影響危害極大且難以控制。為了保障?；窂臉I(yè)者和公眾的安全,應(yīng)對(duì)?；愤\(yùn)輸加強(qiáng)管理[2]。目前，文獻(xiàn)[3]中采用北斗導(dǎo)航系統(tǒng)來(lái)設(shè)計(jì)危險(xiǎn)品道路運(yùn)輸監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)?；奋?chē)輛的動(dòng)態(tài)監(jiān)管，但針對(duì)?；愤\(yùn)輸過(guò)程中道路狀態(tài)和貨物信息研究的相對(duì)較少。文獻(xiàn)[4]構(gòu)想基于“物聯(lián)網(wǎng)”實(shí)現(xiàn)?；愤\(yùn)輸?shù)谋O(jiān)控，架構(gòu)先進(jìn)、具備泛在通信能力，但并未對(duì)道路環(huán)境做到切實(shí)監(jiān)控。

文中設(shè)計(jì)基于STM32的高速公路隧道危化品運(yùn)輸實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)，通過(guò)硬件模塊對(duì)運(yùn)輸過(guò)程中的?；沸再|(zhì)狀態(tài)、道路、車(chē)輛等實(shí)時(shí)監(jiān)控。數(shù)據(jù)經(jīng)處理后通過(guò)無(wú)線通信傳遞，及時(shí)告知駕駛?cè)寺?lián)系消防等多個(gè)部門(mén)，以此減少隧道內(nèi)運(yùn)輸危化品事故的發(fā)生，并確保?；返陌踩\(yùn)輸和有效管理[5]。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)設(shè)計(jì)如圖1所示，該系統(tǒng)主要包含STM32處理器模塊、監(jiān)控設(shè)備和車(chē)載終端等組成部分，通過(guò)無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，實(shí)時(shí)監(jiān)控?；愤\(yùn)輸。當(dāng)車(chē)輛在隧道運(yùn)送?；窌r(shí)，監(jiān)控設(shè)備與傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)控、定位，車(chē)載監(jiān)測(cè)終端負(fù)責(zé)采集車(chē)輛運(yùn)行工況，并將收集的信息上傳到處理器，處理器對(duì)數(shù)據(jù)分析處理后經(jīng)GPRS模塊發(fā)送至上位機(jī)管理系統(tǒng)，管理人員及時(shí)提醒駕駛?cè)嘶蛳蚱渌块T(mén)發(fā)送警報(bào)。

圖1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)圖

2 硬件電路設(shè)計(jì)

基于STM32的高速公路隧道危化品運(yùn)輸實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)的硬件包括供電模塊、處理器模塊、無(wú)線通信模塊、攝像頭模塊、GPS模塊、傳感器模塊等。硬件單元以STM32主處理器模塊為核心，其他模塊與處理器串口連接作為輔助，實(shí)時(shí)監(jiān)控高速公路隧道?；返倪\(yùn)輸。

2.1 供電模塊

供電模塊如圖2所示，考慮到系統(tǒng)中各硬件電路模塊的運(yùn)行需要3.3～5.5 V電壓，因此必須將電池輸出的12 V電壓分別降壓。系統(tǒng)使用LM2596穩(wěn)壓芯片控制的電源管理電路完成穩(wěn)壓調(diào)節(jié)，能夠?qū)㈦娏鞑▌?dòng)較大的輸出電壓控制在一個(gè)固定值附近，保證電路的通暢。該模塊電路簡(jiǎn)潔安全，具備穩(wěn)定的運(yùn)行性能和較強(qiáng)的輸出電流驅(qū)動(dòng)能力，可以為微型控制器的穩(wěn)定、可靠工作提供強(qiáng)有力的保證[6]。

圖2 供電模塊

2.2 處理器模塊

該系統(tǒng)的核心硬件為STM32處理器，通過(guò)處理器分析處理運(yùn)輸車(chē)輛的運(yùn)行狀態(tài)以及?；沸再|(zhì)狀態(tài)等，實(shí)現(xiàn)高速公路隧道?；返陌踩\(yùn)輸。

STM32系列具有超前的體系結(jié)構(gòu)，簡(jiǎn)單易用、低風(fēng)險(xiǎn)，可以與所有的ARM工具和軟件兼容。STM32F103系列是STM32系列的擴(kuò)展，內(nèi)置高速存儲(chǔ)器,包括可靈活配置的I/O管腳及功能豐富的片上外設(shè)，工作的時(shí)鐘頻率達(dá)到72 MHz，具有同類(lèi)產(chǎn)品中最高的性能[7]。如圖3所示，該系統(tǒng)選用STM32F103RE作為處理器模塊的主控芯片，滿足?；愤\(yùn)輸?shù)谋O(jiān)管需求。

圖3 STM32電路

2.3 無(wú)線通信模塊

無(wú)線通信模塊選擇GM33，通過(guò)GPRS網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。GM33模塊硬件接口友好，包括1個(gè)天線接口、1個(gè)SIM卡座接口和1個(gè)44引腳的ZIF(Zero Insertion Force)插座[8]。如圖4所示，該模塊通過(guò)公眾GSM/GPRS移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)，以PPP協(xié)議、UPD協(xié)議等方式與其他模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)交換與傳遞。

圖4 無(wú)線通信模塊電路

2.4 攝像頭模塊

運(yùn)輸車(chē)輛的監(jiān)控主要以攝像頭為設(shè)備基礎(chǔ)，對(duì)車(chē)輛進(jìn)行直觀捕捉及分析，從而監(jiān)控駕駛?cè)思败?chē)輛運(yùn)行狀態(tài)等，最終視頻畫(huà)面通過(guò)GPRS網(wǎng)絡(luò)在上位機(jī)管理系統(tǒng)實(shí)時(shí)顯示。

如圖5所示，攝像頭模塊采用型號(hào)為OV7670的CMOS圖像傳感器對(duì)實(shí)時(shí)圖像進(jìn)行采集和傳輸[9]。該模塊本身集成了穩(wěn)定的電壓源和鏡頭，采用QVGA模式和RAW輸出格式，幀率最高為30 frame/s，像素時(shí)鐘高達(dá)24 MHz[10]。其器件的性能參數(shù)幾乎不會(huì)影響測(cè)量精度，確保了系統(tǒng)測(cè)量精度的穩(wěn)定性。

圖5 攝像頭模塊電路

2.5 GPS模塊

該模塊采用的GPS模塊為NEO-6M，其擁有50個(gè)可以接收GPSL1波段信號(hào)的接收通道，定位精度高達(dá)2 m，輸出信號(hào)速率達(dá)到5 Hz。具有體積小、功耗低、定位精確和輸出速率快等優(yōu)點(diǎn)[11]。如圖6所示，NEO-6M模塊與外部設(shè)備之間的通信接口采用UART(串行端口)模式，并采用NMEA-0183協(xié)議輸出GPS位置數(shù)據(jù)，并使用UBX協(xié)議作為控制協(xié)議[12]。

圖6 GPS模塊電路

2.6 傳感器模塊

如圖7所示，傳感器模塊中采用MPU-6050作為姿態(tài)傳感器對(duì)運(yùn)輸車(chē)輛的加速度和角速度等實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。MPU-6050是世界上第一個(gè)集成6軸的運(yùn)動(dòng)處理組件，具有3個(gè)16位高精度ADC。它解決了將陀螺儀和加速器組合在一起的時(shí)基差異問(wèn)題，其不僅性能高而且具備低成本和低功耗等優(yōu)點(diǎn)[13]。

圖7 姿態(tài)傳感器電路

在運(yùn)輸車(chē)輛中放置溫度傳感器來(lái)實(shí)時(shí)監(jiān)控?；返臏囟龋l(fā)送溫度信息至車(chē)載終端[14]。如圖8所示，該模塊選用DS18B20對(duì)?；窚囟葘?shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。其作為最常用的數(shù)字溫度傳感器，具有節(jié)省硬件資源、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，適用于各種小型空間設(shè)備的數(shù)字測(cè)溫。

圖8 溫度傳感器電路

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)選用Visual Basic 6.0軟件，搭建高速公路隧道?；愤\(yùn)輸實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)的界面。

如圖9所示，軟件主界面由?；沸再|(zhì)狀態(tài)、運(yùn)輸?shù)缆窏l件、駕駛?cè)诵熊?chē)狀態(tài)、運(yùn)輸車(chē)輛、天氣狀況、個(gè)性化設(shè)置和問(wèn)題反饋7個(gè)區(qū)域組成。

圖9 軟件主界面

如圖10所示，軟件的核心在于?；愤\(yùn)輸監(jiān)控。軟件設(shè)置用戶權(quán)限，普通用戶可以使用?；愤\(yùn)輸狀態(tài)，運(yùn)輸?shù)缆窏l件等功能，管理員在此基礎(chǔ)上可使用駕駛?cè)诵熊?chē)狀態(tài)，運(yùn)輸車(chē)輛等模塊。

圖10 系統(tǒng)軟件流程圖

危化品的性質(zhì)狀態(tài)界面如圖11所示，該界面可以查詢到相應(yīng)車(chē)輛所運(yùn)輸?；返南嚓P(guān)信息。傳感器模塊經(jīng)數(shù)據(jù)處理后通過(guò)GPRS網(wǎng)絡(luò)傳送相關(guān)信息至上位機(jī)，從而實(shí)時(shí)監(jiān)控?；窢顟B(tài)[15]。

圖11 ?；沸再|(zhì)狀態(tài)界面

如圖12所示，系統(tǒng)車(chē)載單元等對(duì)運(yùn)輸?shù)缆窏l件實(shí)時(shí)采樣并同步上傳至本界面。一方面，可實(shí)現(xiàn)對(duì)隧道坡度與坡度方向、路面平整度等關(guān)鍵道路的實(shí)時(shí)查詢，從而對(duì)該高速公路隧道區(qū)段有更直觀地把控；另一方面，管理人員可以通過(guò)無(wú)線信息傳輸網(wǎng)絡(luò)獲取道路交通動(dòng)態(tài)，對(duì)突發(fā)事故緊急處理，及時(shí)聯(lián)系應(yīng)急管理等其他部門(mén)，保障運(yùn)輸安全[16]。

圖12 運(yùn)輸?shù)缆窏l件界面

基于智能攝像頭設(shè)計(jì)的隧道區(qū)段監(jiān)測(cè)，其視頻圖像經(jīng)GPRS模塊及時(shí)準(zhǔn)確地傳送到上位機(jī)管理系統(tǒng)。如圖13所示，界面設(shè)有隧道相關(guān)的監(jiān)控畫(huà)面。管理員可以實(shí)時(shí)查看道路情況，為隧道異常交通狀況和其安全管理提供幫助[17]。

圖13 隧道區(qū)段監(jiān)測(cè)界面

如圖14所示，在界面中，能夠?qū)崟r(shí)查詢監(jiān)控到運(yùn)輸車(chē)輛[18]，準(zhǔn)確把握車(chē)輛的相關(guān)信息。同時(shí)加強(qiáng)監(jiān)測(cè)?；愤\(yùn)輸車(chē)輛，及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，排除安全隱患，使車(chē)輛保持最佳的運(yùn)輸狀態(tài)，以防發(fā)生交通事故，確保運(yùn)輸安全性。

圖14 運(yùn)輸車(chē)輛界面

4 結(jié)束語(yǔ)

文中以STM32主處理器為核心，通過(guò)硬件模塊完成對(duì)運(yùn)輸車(chē)輛、道路條件等信息的采集，實(shí)現(xiàn)對(duì)高速公路隧道?；愤\(yùn)輸?shù)膶?shí)時(shí)監(jiān)控。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，在一定程度上保障了?；返倪\(yùn)輸安全，可以應(yīng)用在實(shí)踐中。