基于Cortex的消防裝備模擬訓(xùn)練系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

秦鵬宇

摘要：隨著社會(huì)快速發(fā)展，系統(tǒng)性、行業(yè)性火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)持續(xù)增加，對(duì)人們生命財(cái)產(chǎn)安全造成嚴(yán)重威脅。為此，全國(guó)各地先后新建、改建消防綜合訓(xùn)練基地，以提升復(fù)雜災(zāi)情條件下消防救援隊(duì)伍滅火救援綜合能力。然而傳統(tǒng)實(shí)戰(zhàn)訓(xùn)練演練雖能有效提高消防救援隊(duì)伍整體救援能力，但其依然存在弊端。為有效解決這些弊端，基于集成Cortex嵌入式技術(shù)，構(gòu)建出一套消防裝備模擬訓(xùn)練系統(tǒng)，測(cè)試結(jié)果顯示，基于Cortex的消防裝備模擬訓(xùn)練系統(tǒng)穩(wěn)定性較強(qiáng)，訓(xùn)練成本低、效率高。

關(guān)鍵詞：Cortex;消防裝備模擬訓(xùn)練系統(tǒng);系統(tǒng)設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：TP311.5? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ?文章編號(hào)：2096-1227（2022）05-0019-03

近年來(lái)，我國(guó)火災(zāi)事故發(fā)生率仍處于高位運(yùn)行，消防救援隊(duì)伍承擔(dān)“全災(zāi)種、大應(yīng)急”職能任務(wù)十分艱巨。研究表明，提升消防救援隊(duì)伍滅火救援能力對(duì)減少火災(zāi)事故帶來(lái)的生命財(cái)產(chǎn)損失具有重要意義，故如何才能有效提升消防隊(duì)伍整體救援能力，逐漸成為相關(guān)部門重點(diǎn)關(guān)注的內(nèi)容之一[1]。傳統(tǒng)訓(xùn)練模式雖在提高消防救援能力方面具有一定效果，但由于現(xiàn)實(shí)火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)復(fù)雜，易出現(xiàn)突發(fā)事件，傳統(tǒng)實(shí)戰(zhàn)訓(xùn)練無(wú)法模擬出更多類型的火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)，不利于訓(xùn)練的有效進(jìn)行[2]。因此，本文基于Cortex構(gòu)建消防裝備模擬訓(xùn)練系統(tǒng)，并對(duì)其實(shí)踐應(yīng)用效果進(jìn)行測(cè)試評(píng)估。

1? 消防裝備模擬訓(xùn)練系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

1.1? 系統(tǒng)簡(jiǎn)介

本文設(shè)計(jì)消防裝備模擬訓(xùn)練系統(tǒng)，市場(chǎng)實(shí)用性廣，設(shè)計(jì)規(guī)范性強(qiáng)，操作仿真度高，可適用于多種類型工廠的消防管理。本文設(shè)計(jì)消防設(shè)備模擬訓(xùn)練系統(tǒng)涉及軟件和硬件技術(shù)兩部分設(shè)計(jì)，硬件系統(tǒng)基于實(shí)物高仿真設(shè)計(jì)，配合廠區(qū)模型化虛擬現(xiàn)實(shí)軟件平臺(tái)使用。該系統(tǒng)共包括消防車駕駛室操作面板、消防車臂架炮遙控面板、消防車駕駛室操作面板、消防車水泵操作面板及消防體驗(yàn)服等5種設(shè)備。①消防車駕駛操作面板由電源控制模塊、串口通信模塊、STM主控模塊、高仿真機(jī)械面板、電器元件驅(qū)動(dòng)模塊5部分組成，此操作面板上設(shè)置的起落支架腿啟動(dòng)和屈伸控制搖桿，與實(shí)際車型完全相同，操作指示燈則采用高亮LED，此外，該操作面板還設(shè)置了探明與水閥開關(guān)金屬按鈕等配置。②消防車臂架炮遙控面板具備無(wú)線遙控功能，集成Wi-Fi傳輸與通信模塊，可實(shí)現(xiàn)臂架炮左右旋轉(zhuǎn)方向和臂架起落的遠(yuǎn)程操控，且內(nèi)部設(shè)置H-Link無(wú)線收發(fā)裝置，可為通信傳輸?shù)男盘?hào)強(qiáng)度和數(shù)據(jù)質(zhì)量提供保障。③消防車駕駛室操作面板設(shè)計(jì)為密閉箱體，操作面板完全依照實(shí)際面板進(jìn)行設(shè)置，機(jī)械操作部件均設(shè)置于密閉箱體上方，箱體內(nèi)則由信號(hào)監(jiān)控單元、信號(hào)采集處理單元及控制系統(tǒng)3部分組成。④消防車水泵操作面板主要負(fù)責(zé)對(duì)虛擬平臺(tái)的指令進(jìn)行接收，操作面板內(nèi)部主要由STM主控模塊和串口通信模塊組成，前者用于收集外設(shè)面板信息，后者則用于接收與發(fā)送上位機(jī)指令，此外，該操作面板還增設(shè)電源穩(wěn)定模塊，以便于對(duì)設(shè)備的電壓分配和輸出控制進(jìn)行有效管理。⑤虛擬消防體驗(yàn)服內(nèi)置半導(dǎo)體加熱器、制冷風(fēng)機(jī)、電源管理器及溫度傳感器，人員穿戴體驗(yàn)服時(shí)，可通過(guò)控制上位機(jī)鍵盤在虛擬環(huán)境中完成虛擬人物移動(dòng)，上位機(jī)還會(huì)根據(jù)虛擬場(chǎng)景中虛擬人員與火源之間的相互距離，將溫度信息傳輸至體驗(yàn)服，以此調(diào)節(jié)體驗(yàn)服溫度，讓人員感受到真實(shí)的溫度變化。

1.2? 系統(tǒng)理論基礎(chǔ)

本文設(shè)計(jì)的消防裝備模擬訓(xùn)練系統(tǒng)理論基礎(chǔ)為ARM Cortex-M4內(nèi)核處理技術(shù)和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)。ARM Cortex-M4架構(gòu)處理器集32位控制和數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)于一體，具有高效、易于控制、信號(hào)處理能力強(qiáng)等特點(diǎn)。此外，還具備高速運(yùn)算、低功耗控制等功能，目前該處理器已經(jīng)在工業(yè)自動(dòng)化、汽車電子、家用電器等領(lǐng)域中得到廣泛使用。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)則是一種借助必要硬件傳感器設(shè)備，實(shí)現(xiàn)仿真模擬的軟硬件設(shè)備、技術(shù)及方法的集成，人員利用該技術(shù)，即可在計(jì)算機(jī)創(chuàng)建的三維模型場(chǎng)景下獲得視、聽、嗅等多種感官信息，產(chǎn)生逼真的現(xiàn)實(shí)感覺(jué)。

1.3? 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

依照功能性質(zhì)，可將本文設(shè)計(jì)消防裝備模擬訓(xùn)練系統(tǒng)分為虛擬設(shè)備操作面板群和虛擬場(chǎng)景體驗(yàn)服2個(gè)部分，具體設(shè)計(jì)方案見圖1、圖2。前者根據(jù)消防車型的不同，又分為JP16駕駛室模擬面板、JP16臂架炮操作器、JP56駕駛室模擬面板及JP56水泵操作器;虛擬場(chǎng)景體驗(yàn)服則是充分利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，人員穿戴體驗(yàn)服后，便能在虛擬場(chǎng)景中模擬火場(chǎng)冷熱變化。

依照結(jié)構(gòu)，可將本文設(shè)計(jì)消防裝備模擬訓(xùn)練系統(tǒng)分為硬件底層、驅(qū)動(dòng)中間層及軟件平臺(tái)上層。硬件底層由機(jī)械操作元件、通用性STM32F407最小系統(tǒng)單板、繼電器驅(qū)動(dòng)單板等硬件組成，以直接執(zhí)行相關(guān)指令為主要任務(wù)，在硬件底層作用下，數(shù)字信號(hào)可被轉(zhuǎn)化為模擬信號(hào)，其能通過(guò)電壓變化量對(duì)外部機(jī)械設(shè)備的狀態(tài)進(jìn)行有效控制，或能將機(jī)械設(shè)備的狀態(tài)變化信息直接傳輸?shù)津?qū)動(dòng)中間層;驅(qū)動(dòng)中間層則位于硬件底層與軟件上層之間，具有向硬件底層提供正常工作動(dòng)力的功能，并將底層硬件工作狀態(tài)信息傳輸?shù)缴蠈?軟件上層平臺(tái)則是以虛擬現(xiàn)實(shí)地理信息系統(tǒng)為基礎(chǔ)，構(gòu)建工廠實(shí)地模型，將工廠地理?xiàng)l件和周邊環(huán)境狀態(tài)真實(shí)展現(xiàn)出來(lái)，同時(shí)可設(shè)計(jì)出各種類型火災(zāi)突發(fā)場(chǎng)景，以便人員能夠依照以往消防經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行消防訓(xùn)練。此外，該層也用于制定與硬件底層設(shè)備相關(guān)的訓(xùn)練課件，結(jié)合使用現(xiàn)有設(shè)備完成消防訓(xùn)練講解與實(shí)訓(xùn)。

1.4? 關(guān)鍵器件選型

本文設(shè)計(jì)消防裝備模擬訓(xùn)練系統(tǒng)主要涉及電子器件與機(jī)械器件兩部分，電子器件在底層硬件和驅(qū)動(dòng)中間層應(yīng)用較多，涉及多種集成芯片和分立元件。機(jī)器器件則多為操作面板所需的機(jī)械搖桿、旋鈕等外部設(shè)備。

電子器件選型方面，該系統(tǒng)微控芯片選用以ARM Cortex-M4內(nèi)核架構(gòu)的STM32F407vgt處理器，具備高效數(shù)字信號(hào)處理運(yùn)算能力，工作頻率可達(dá)168 MHz，另外，該處理器還可利用自適應(yīng)實(shí)時(shí)儲(chǔ)存加速功能，對(duì)程序執(zhí)行速度進(jìn)行有效提升。該系統(tǒng)串行通信芯片選用以SSOP-28封裝的FT232RL高速通信芯片，此芯片無(wú)需外部晶振電路，內(nèi)部集成自用時(shí)鐘振蕩源，且具備低功耗工作模式，進(jìn)入低功耗模式后可將供電電流調(diào)節(jié)至15mA，休眠狀態(tài)下則能將工作電流調(diào)節(jié)至70μA，從而確保電路在相對(duì)惡劣的環(huán)境下，依然能夠正常運(yùn)行。該系統(tǒng)無(wú)線通信模塊則選用HLK-RM04嵌入式UART-ETH-WIFI模塊，此模塊可用UART口與微控芯片完成連接，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)微控芯片串行數(shù)據(jù)的收發(fā)，同時(shí)在內(nèi)置TCP/IP協(xié)議的作用下，模塊內(nèi)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為以太網(wǎng)或Wi-Fi協(xié)議格式數(shù)據(jù)，并將其傳輸至無(wú)線接收單元的過(guò)程也能得以實(shí)現(xiàn)。無(wú)線模塊結(jié)構(gòu)單元結(jié)構(gòu)見圖1。該系統(tǒng)穩(wěn)壓降壓芯片則選用LM2596開關(guān)電壓調(diào)節(jié)器，該調(diào)節(jié)器具有極好的線性輸出電壓和帶負(fù)荷能力，且能使用更小規(guī)格的濾波元件，從而能對(duì)電路板布局與走線設(shè)計(jì)進(jìn)行有效簡(jiǎn)化。

機(jī)械器件選型方面，本文設(shè)計(jì)系統(tǒng)中使用搖桿、按鈕、旋鈕開關(guān)等機(jī)械器件，均購(gòu)于施耐德公司，該公司生產(chǎn)機(jī)械器件質(zhì)量?jī)?yōu)異，電氣性能穩(wěn)定，耐久度高，耐用性強(qiáng)，相比其他電氣產(chǎn)品故障率更低。

2? 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

2.1? 微控芯片驅(qū)動(dòng)電路

控制單元選用STM32F407VGT6高速芯片，該芯片不僅具有體積小、功耗低、性能高等特點(diǎn)，還具有極高的數(shù)據(jù)處理能力，另外，系統(tǒng)Cortex-M4高速主控單元采取獨(dú)立分離設(shè)計(jì)，系統(tǒng)穩(wěn)定性、維護(hù)性及兼容性得以提升，設(shè)計(jì)成本得以降低。

2.2? 電源模塊

本文設(shè)計(jì)系統(tǒng)以24V直流電為輸入供電接口，為滿足不同單元電路板的電壓供電需求，故該系統(tǒng)以AMS1117系列線性降壓芯片為基礎(chǔ)，設(shè)置電壓調(diào)節(jié)模塊，電源降壓設(shè)計(jì)圖見圖2。

2.3? 面板接口模塊

本文設(shè)計(jì)系統(tǒng)的面板接口模塊共涉及繼電器驅(qū)動(dòng)電路、三檔搖桿電路、自復(fù)位按鈕電路、帶燈按鈕電路及三檔旋鈕電路，本文以繼電器驅(qū)動(dòng)電路為例進(jìn)行簡(jiǎn)要說(shuō)明。繼電器以導(dǎo)電線圈電磁感應(yīng)為工作原理基礎(chǔ)，電流通過(guò)線圈便可產(chǎn)生感應(yīng)磁場(chǎng)，此時(shí)彈片會(huì)在被磁場(chǎng)所吸附，電路通導(dǎo)，但在一般情況下，僅當(dāng)電流在60mA以上時(shí)才能促使繼電器線圈吸合。但該系統(tǒng)STM32核心板無(wú)法直接提供大于60mA的電流，故需要設(shè)置繼電器驅(qū)動(dòng)電流實(shí)現(xiàn)電流擴(kuò)流，繼電器驅(qū)動(dòng)電路結(jié)構(gòu)見圖3。

2.4? 溫控調(diào)節(jié)模塊

溫度控制單元是本文設(shè)計(jì)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)重點(diǎn)，加熱冷卻模塊、繼電器控制模塊及傳感反饋模塊共同組成溫控單元，加熱冷卻模塊是由三組半導(dǎo)體加熱片和兩組冷卻風(fēng)機(jī)構(gòu)成，通過(guò)對(duì)繼電器的通斷工作狀態(tài)進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)溫度調(diào)節(jié)。繼電器控制模塊的線圈一側(cè)接直流電源，另一側(cè)接加熱片和冷風(fēng)機(jī)，繼電器吸合時(shí)，加熱和制冷裝置開啟，繼電器截?cái)鄤t停止工作。傳感反饋模塊則采用DS18B20溫度傳感器，其可對(duì)體驗(yàn)服溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，溫度相關(guān)信號(hào)信息也可直接反饋到STM32核心板。

3? 系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)

3.1? 開發(fā)環(huán)境

本文設(shè)計(jì)系統(tǒng)STM32程序開發(fā)環(huán)境選用單片機(jī)C語(yǔ)言平臺(tái)，該平臺(tái)支持ARM系列所有內(nèi)核處理器的程序開發(fā)。基于該平臺(tái)集成環(huán)境開發(fā)ARM處理器，通常需進(jìn)行以下幾個(gè)步驟：①創(chuàng)建新工程，選擇目標(biāo)芯片，設(shè)置配置;②新建程序文件，編寫C或匯編源文件;③編譯應(yīng)用程序，生成可下載執(zhí)行文件;④修改源程序中錯(cuò)誤;⑤利用外部調(diào)試器下載調(diào)試。

3.2? 驅(qū)動(dòng)軟件設(shè)計(jì)

驅(qū)動(dòng)軟件設(shè)計(jì)主要涉及驅(qū)動(dòng)軟件結(jié)構(gòu)、STM32F407標(biāo)準(zhǔn)外設(shè)庫(kù)及用戶自定義應(yīng)用程序3部分內(nèi)容。驅(qū)動(dòng)軟件結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)以現(xiàn)有底層硬件為基礎(chǔ)，可確保STM32核心板之間、各通信模塊之間實(shí)現(xiàn)有效通信和相關(guān)數(shù)據(jù)的有效處理，另外，本文設(shè)計(jì)選用低耦合、高內(nèi)聚的設(shè)計(jì)模式，以提高系統(tǒng)維護(hù)性。標(biāo)準(zhǔn)外設(shè)庫(kù)文件中，每個(gè)外部接入設(shè)備均有一個(gè)源代碼文件和一個(gè)頭文件，其中頭文件便包含需要使用PPP外設(shè)固件的所有功能。用戶自定義應(yīng)用程序則是透過(guò)標(biāo)準(zhǔn)外設(shè)庫(kù)提供的接口，對(duì)外設(shè)配置和功能進(jìn)行設(shè)計(jì)。

3.3? 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

本文以微軟Windows系統(tǒng)為平臺(tái)，以Microsoft Visual Studio 2019為開發(fā)平臺(tái)，對(duì)系統(tǒng)上位機(jī)軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)該軟件的主要為讓底層硬件和計(jì)算機(jī)之間的互動(dòng)通信問(wèn)題得以有效解決。另外，在該軟件設(shè)計(jì)中還特地增加DLL動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)技術(shù)對(duì)源程序進(jìn)行封裝處理，以提高系統(tǒng)兼容性和保密性。

4? 系統(tǒng)集成與測(cè)試

JP16駕駛室操作面板。測(cè)試員操作上車操作臺(tái)，即可實(shí)現(xiàn)車輛啟動(dòng)前上車臂架伸展。JP16臂架炮仿真操作面板。測(cè)試員打開操作面板中臂架炮控制開關(guān)，控制面板即可實(shí)現(xiàn)臂架炮左右旋轉(zhuǎn)和起落。JP56駕駛室操作面板。測(cè)試員通過(guò)駕駛室面板電源開關(guān)，即可啟動(dòng)下車操作，控制二檔旋鈕，即可調(diào)整至下車狀態(tài)，操作完畢后，運(yùn)行指示燈點(diǎn)亮，控制面板左側(cè)三檔搖桿，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)消防車直腿的伸縮控制。JP56水泵仿真操作面板。面板操作指示燈點(diǎn)亮后，消防車水泵啟動(dòng)，操作水泵臂架炮面板，測(cè)試員即可對(duì)臂架炮左右旋轉(zhuǎn)和上下臂架起落進(jìn)行控制。消防員虛擬體感服。測(cè)試員穿戴體感服后，控制虛擬場(chǎng)景中人物進(jìn)入火場(chǎng)，人物靠近火源時(shí)，測(cè)試員感到體感服發(fā)熱，人物遠(yuǎn)離火源時(shí)，測(cè)試員感到體感服溫度降低。

5? 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)消防裝備模擬訓(xùn)練系統(tǒng)，以Cortex-M4內(nèi)核技術(shù)為基礎(chǔ)，聯(lián)合運(yùn)用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)和人機(jī)交互技術(shù)，大幅度提升虛擬訓(xùn)練體驗(yàn)感，可有效提高消防救援隊(duì)伍整體救援能力，對(duì)促進(jìn)我國(guó)消防安全事業(yè)發(fā)展起到積極作用。

參考文獻(xiàn)：

[1]王曉萍，劉克敏，尤靜，等.某炮模擬訓(xùn)練系統(tǒng)中三維視景的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].火力與指揮控制，2020，45（2）：150-154.

[2]謝宜，宋振海，付建.基于仿真平臺(tái)的SE/AIP訓(xùn)練模擬器設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].計(jì)算機(jī)仿真，2020，37（7）：20-22.

Design and implementation of Cortex-based firefighting equipment simulation training system

Qin Pengyu

（Haidian District Fire and Rescue Brigade of Beijing，Beijing? 100089）

Abstract：With the rapid development of society， systematic and industrial fire risks continue to increase， posing a serious threat to the safety of people's lives and property. To this end， across the country have new and modified fire comprehensive training base to enhance the fire fighting and rescue team under complex disaster condition’s comprehensive ability. However， although the traditional combat training exercises can effectively improve the overall rescue capability of fire rescue teams， but there are still drawbacks. To effectively address these drawbacks， the article builds a firefighting equipment simulation training system based on integrated Cortex embedded technology， and the test results show that the Cortex-based firefighting equipment simulation training system is more stable， with low training cost and high efficiency.

Keywords：cortex; firefighting equipment simulation training system; system design