基于Cortex的消防裝備模擬訓練系統的設計與實現

秦鵬宇

摘要：隨著社會快速發展，系統性、行業性火災風險持續增加，對人們生命財產安全造成嚴重威脅。為此，全國各地先后新建、改建消防綜合訓練基地，以提升復雜災情條件下消防救援隊伍滅火救援綜合能力。然而傳統實戰訓練演練雖能有效提高消防救援隊伍整體救援能力，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，構建出一套消防裝備模擬訓練系統，測試結果顯示，基于Cortex的消防裝備模擬訓練系統穩定性較強，訓練成本低、效率高。

關鍵詞：Cortex;消防裝備模擬訓練系統;系統設計

中圖分類號：TP311.5? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ?文章編號：2096-1227（2022）05-0019-03

近年來，我國火災事故發生率仍處于高位運行，消防救援隊伍承擔“全災種、大應急”職能任務十分艱巨。研究表明，提升消防救援隊伍滅火救援能力對減少火災事故帶來的生命財產損失具有重要意義，故如何才能有效提升消防隊伍整體救援能力，逐漸成為相關部門重點關注的內容之一[1]。傳統訓練模式雖在提高消防救援能力方面具有一定效果，但由于現實火災現場復雜，易出現突發事件，傳統實戰訓練無法模擬出更多類型的火災現場，不利于訓練的有效進行[2]。因此，本文基于Cortex構建消防裝備模擬訓練系統，并對其實踐應用效果進行測試評估。

1? 消防裝備模擬訓練系統方案設計

1.1? 系統簡介

本文設計消防裝備模擬訓練系統，市場實用性廣，設計規范性強，操作仿真度高，可適用于多種類型工廠的消防管理。本文設計消防設備模擬訓練系統涉及軟件和硬件技術兩部分設計，硬件系統基于實物高仿真設計，配合廠區模型化虛擬現實軟件平臺使用。該系統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服等5種設備。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、高仿真機械面板、電器元件驅動模塊5部分組成，此操作面板上設置的起落支架腿啟動和屈伸控制搖桿，與實際車型完全相同，操作指示燈則采用高亮LED，此外，該操作面板還設置了探明與水閥開關金屬按鈕等配置。②消防車臂架炮遙控面板具備無線遙控功能，集成Wi-Fi傳輸與通信模塊，可實現臂架炮左右旋轉方向和臂架起落的遠程操控，且內部設置H-Link無線收發裝置，可為通信傳輸的信號強度和數據質量提供保障。③消防車駕駛室操作面板設計為密閉箱體，操作面板完全依照實際面板進行設置，機械操作部件均設置于密閉箱體上方，箱體內則由信號監控單元、信號采集處理單元及控制系統3部分組成。④消防車水泵操作面板主要負責對虛擬平臺的指令進行接收，操作面板內部主要由STM主控模塊和串口通信模塊組成，前者用于收集外設面板信息，后者則用于接收與發送上位機指令，此外，該操作面板還增設電源穩定模塊，以便于對設備的電壓分配和輸出控制進行有效管理。⑤虛擬消防體驗服內置半導體加熱器、制冷風機、電源管理器及溫度傳感器，人員穿戴體驗服時，可通過控制上位機鍵盤在虛擬環境中完成虛擬人物移動，上位機還會根據虛擬場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服，以此調節體驗服溫度，讓人員感受到真實的溫度變化。

1.2? 系統理論基礎

本文設計的消防裝備模擬訓練系統理論基礎為ARM Cortex-M4內核處理技術和虛擬現實技術。ARM Cortex-M4架構處理器集32位控制和數字信號處理技術于一體，具有高效、易于控制、信號處理能力強等特點。此外，還具備高速運算、低功耗控制等功能，目前該處理器已經在工業自動化、汽車電子、家用電器等領域中得到廣泛使用。虛擬現實技術則是一種借助必要硬件傳感器設備，實現仿真模擬的軟硬件設備、技術及方法的集成，人員利用該技術，即可在計算機創建的三維模型場景下獲得視、聽、嗅等多種感官信息，產生逼真的現實感覺。

1.3? 系統設計

依照功能性質，可將本文設計消防裝備模擬訓練系統分為虛擬設備操作面板群和虛擬場景體驗服2個部分，具體設計方案見圖1、圖2。前者根據消防車型的不同，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;虛擬場景體驗服則是充分利用虛擬現實技術，人員穿戴體驗服后，便能在虛擬場景中模擬火場冷熱變化。

依照結構，可將本文設計消防裝備模擬訓練系統分為硬件底層、驅動中間層及軟件平臺上層。硬件底層由機械操作元件、通用性STM32F407最小系統單板、繼電器驅動單板等硬件組成，以直接執行相關指令為主要任務，在硬件底層作用下，數字信號可被轉化為模擬信號，其能通過電壓變化量對外部機械設備的狀態進行有效控制，或能將機械設備的狀態變化信息直接傳輸到驅動中間層;驅動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力的功能，并將底層硬件工作狀態信息傳輸到上層;軟件上層平臺則是以虛擬現實地理信息系統為基礎，構建工廠實地模型，將工廠地理條件和周邊環境狀態真實展現出來，同時可設計出各種類型火災突發場景，以便人員能夠依照以往消防經驗進行消防訓練。此外，該層也用于制定與硬件底層設備相關的訓練課件，結合使用現有設備完成消防訓練講解與實訓。

1.4? 關鍵器件選型

本文設計消防裝備模擬訓練系統主要涉及電子器件與機械器件兩部分，電子器件在底層硬件和驅動中間層應用較多，涉及多種集成芯片和分立元件。機器器件則多為操作面板所需的機械搖桿、旋鈕等外部設備。

電子器件選型方面，該系統微控芯片選用以ARM Cortex-M4內核架構的STM32F407vgt處理器，具備高效數字信號處理運算能力，工作頻率可達168 MHz，另外，該處理器還可利用自適應實時儲存加速功能，對程序執行速度進行有效提升。該系統串行通信芯片選用以SSOP-28封裝的FT232RL高速通信芯片，此芯片無需外部晶振電路，內部集成自用時鐘振蕩源，且具備低功耗工作模式，進入低功耗模式后可將供電電流調節至15mA，休眠狀態下則能將工作電流調節至70μA，從而確保電路在相對惡劣的環境下，依然能夠正常運行。該系統無線通信模塊則選用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，進而實現微控芯片串行數據的收發，同時在內置TCP/IP協議的作用下，模塊內數據轉化為以太網或Wi-Fi協議格式數據，并將其傳輸至無線接收單元的過程也能得以實現。無線模塊結構單元結構見圖1。該系統穩壓降壓芯片則選用LM2596開關電壓調節器，該調節器具有極好的線性輸出電壓和帶負荷能力，且能使用更小規格的濾波元件，從而能對電路板布局與走線設計進行有效簡化。

機械器件選型方面，本文設計系統中使用搖桿、按鈕、旋鈕開關等機械器件，均購于施耐德公司，該公司生產機械器件質量優異，電氣性能穩定，耐久度高，耐用性強，相比其他電氣產品故障率更低。

2? 系統硬件電路設計

2.1? 微控芯片驅動電路

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，還具有極高的數據處理能力，另外，系統Cortex-M4高速主控單元采取獨立分離設計，系統穩定性、維護性及兼容性得以提升，設計成本得以降低。

2.2? 電源模塊

本文設計系統以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，故該系統以AMS1117系列線性降壓芯片為基礎，設置電壓調節模塊，電源降壓設計圖見圖2。

2.3? 面板接口模塊

本文設計系統的面板接口模塊共涉及繼電器驅動電路、三檔搖桿電路、自復位按鈕電路、帶燈按鈕電路及三檔旋鈕電路，本文以繼電器驅動電路為例進行簡要說明。繼電器以導電線圈電磁感應為工作原理基礎，電流通過線圈便可產生感應磁場，此時彈片會在被磁場所吸附，電路通導，但在一般情況下，僅當電流在60mA以上時才能促使繼電器線圈吸合。但該系統STM32核心板無法直接提供大于60mA的電流，故需要設置繼電器驅動電流實現電流擴流，繼電器驅動電路結構見圖3。

2.4? 溫控調節模塊

溫度控制單元是本文設計系統的設計重點，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體加熱片和兩組冷卻風機構成，通過對繼電器的通斷工作狀態進行控制，實現溫度調節。繼電器控制模塊的線圈一側接直流電源，另一側接加熱片和冷風機，繼電器吸合時，加熱和制冷裝置開啟，繼電器截斷則停止工作。傳感反饋模塊則采用DS18B20溫度傳感器，其可對體驗服溫度進行實時監測，溫度相關信號信息也可直接反饋到STM32核心板。

3? 系統軟件實現

3.1? 開發環境

本文設計系統STM32程序開發環境選用單片機C語言平臺，該平臺支持ARM系列所有內核處理器的程序開發?；谠撈脚_集成環境開發ARM處理器，通常需進行以下幾個步驟：①創建新工程，選擇目標芯片，設置配置;②新建程序文件，編寫C或匯編源文件;③編譯應用程序，生成可下載執行文件;④修改源程序中錯誤;⑤利用外部調試器下載調試。

3.2? 驅動軟件設計

驅動軟件設計主要涉及驅動軟件結構、STM32F407標準外設庫及用戶自定義應用程序3部分內容。驅動軟件結構的設計以現有底層硬件為基礎，可確保STM32核心板之間、各通信模塊之間實現有效通信和相關數據的有效處理，另外，本文設計選用低耦合、高內聚的設計模式，以提高系統維護性。標準外設庫文件中，每個外部接入設備均有一個源代碼文件和一個頭文件，其中頭文件便包含需要使用PPP外設固件的所有功能。用戶自定義應用程序則是透過標準外設庫提供的接口，對外設配置和功能進行設計。

3.3? 上位機軟件設計

本文以微軟Windows系統為平臺，以Microsoft Visual Studio 2019為開發平臺，對系統上位機軟件進行設計，設計該軟件的主要為讓底層硬件和計算機之間的互動通信問題得以有效解決。另外，在該軟件設計中還特地增加DLL動態鏈接庫技術對源程序進行封裝處理，以提高系統兼容性和保密性。

4? 系統集成與測試

JP16駕駛室操作面板。測試員操作上車操作臺，即可實現車輛啟動前上車臂架伸展。JP16臂架炮仿真操作面板。測試員打開操作面板中臂架炮控制開關，控制面板即可實現臂架炮左右旋轉和起落。JP56駕駛室操作面板。測試員通過駕駛室面板電源開關，即可啟動下車操作，控制二檔旋鈕，即可調整至下車狀態，操作完畢后，運行指示燈點亮，控制面板左側三檔搖桿，即可實現對消防車直腿的伸縮控制。JP56水泵仿真操作面板。面板操作指示燈點亮后，消防車水泵啟動，操作水泵臂架炮面板，測試員即可對臂架炮左右旋轉和上下臂架起落進行控制。消防員虛擬體感服。測試員穿戴體感服后，控制虛擬場景中人物進入火場，人物靠近火源時，測試員感到體感服發熱，人物遠離火源時，測試員感到體感服溫度降低。

5? 結語

本文設計消防裝備模擬訓練系統，以Cortex-M4內核技術為基礎，聯合運用計算機仿真技術和人機交互技術，大幅度提升虛擬訓練體驗感，可有效提高消防救援隊伍整體救援能力，對促進我國消防安全事業發展起到積極作用。

參考文獻：

[1]王曉萍，劉克敏，尤靜，等.某炮模擬訓練系統中三維視景的設計與實現[J].火力與指揮控制，2020，45（2）：150-154.

[2]謝宜，宋振海，付建.基于仿真平臺的SE/AIP訓練模擬器設計與實現[J].計算機仿真，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