基于STM32的高速隧道危化品运输实时监控系统

曹晓钰，孙宁

（南京林业大学，江苏 南京 210037）

危化品运输的安全性目前是社会关注的热点问题[1]，高速公路隧道运输过程中环境封闭、通风不畅，一旦发生泄漏、燃爆等事故，其影响危害极大且难以控制。为了保障危化品从业者和公众的安全,应对危化品运输加强管理[2]。目前，文献[3]中采用北斗导航系统来设计危险品道路运输监控系统，实现对危化品车辆的动态监管，但针对危化品运输过程中道路状态和货物信息研究的相对较少。文献[4]构想基于“物联网”实现危化品运输的监控，架构先进、具备泛在通信能力，但并未对道路环境做到切实监控。

文中设计基于STM32的高速公路隧道危化品运输实时监控系统，通过硬件模块对运输过程中的危化品性质状态、道路、车辆等实时监控。数据经处理后通过无线通信传递，及时告知驾驶人联系消防等多个部门，以此减少隧道内运输危化品事故的发生，并确保危化品的安全运输和有效管理[5]。

1 系统设计

系统设计如图1所示，该系统主要包含STM32处理器模块、监控设备和车载终端等组成部分，通过无线通信网络进行数据传输，实时监控危化品运输。当车辆在隧道运送危化品时，监控设备与传感器实时监控、定位，车载监测终端负责采集车辆运行工况，并将收集的信息上传到处理器，处理器对数据分析处理后经GPRS模块发送至上位机管理系统，管理人员及时提醒驾驶人或向其他部门发送警报。

图1 系统设计图

2 硬件电路设计

基于STM32的高速公路隧道危化品运输实时监控系统的硬件包括供电模块、处理器模块、无线通信模块、摄像头模块、GPS模块、传感器模块等。硬件单元以STM32主处理器模块为核心，其他模块与处理器串口连接作为辅助，实时监控高速公路隧道危化品的运输。

2.1 供电模块

供电模块如图2所示，考虑到系统中各硬件电路模块的运行需要3.3～5.5 V电压，因此必须将电池输出的12 V电压分别降压。系统使用LM2596稳压芯片控制的电源管理电路完成稳压调节，能够将电流波动较大的输出电压控制在一个固定值附近，保证电路的通畅。该模块电路简洁安全，具备稳定的运行性能和较强的输出电流驱动能力，可以为微型控制器的稳定、可靠工作提供强有力的保证[6]。

图2 供电模块

2.2 处理器模块

该系统的核心硬件为STM32处理器，通过处理器分析处理运输车辆的运行状态以及危化品性质状态等，实现高速公路隧道危化品的安全运输。

STM32系列具有超前的体系结构，简单易用、低风险，可以与所有的ARM工具和软件兼容。STM32F103系列是STM32系列的扩展，内置高速存储器,包括可灵活配置的I/O管脚及功能丰富的片上外设，工作的时钟频率达到72 MHz，具有同类产品中最高的性能[7]。如图3所示，该系统选用STM32F103RE作为处理器模块的主控芯片，满足危化品运输的监管需求。

图3 STM32电路

2.3 无线通信模块

无线通信模块选择GM33，通过GPRS网络进行数据传输。GM33模块硬件接口友好，包括1个天线接口、1个SIM卡座接口和1个44引脚的ZIF(Zero Insertion Force)插座[8]。如图4所示，该模块通过公众GSM/GPRS移动网络，以PPP协议、UPD协议等方式与其他模块进行数据交换与传递。

图4 无线通信模块电路

2.4 摄像头模块

运输车辆的监控主要以摄像头为设备基础，对车辆进行直观捕捉及分析，从而监控驾驶人及车辆运行状态等，最终视频画面通过GPRS网络在上位机管理系统实时显示。

如图5所示，摄像头模块采用型号为OV7670的CMOS图像传感器对实时图像进行采集和传输[9]。该模块本身集成了稳定的电压源和镜头，采用QVGA模式和RAW输出格式，帧率最高为30 frame/s，像素时钟高达24 MHz[10]。其器件的性能参数几乎不会影响测量精度，确保了系统测量精度的稳定性。

图5 摄像头模块电路

2.5 GPS模块

该模块采用的GPS模块为NEO-6M，其拥有50个可以接收GPSL1波段信号的接收通道，定位精度高达2 m，输出信号速率达到5 Hz。具有体积小、功耗低、定位精确和输出速率快等优点[11]。如图6所示，NEO-6M模块与外部设备之间的通信接口采用UART(串行端口)模式，并采用NMEA-0183协议输出GPS位置数据，并使用UBX协议作为控制协议[12]。

图6 GPS模块电路

2.6 传感器模块

如图7所示，传感器模块中采用MPU-6050作为姿态传感器对运输车辆的加速度和角速度等实时监测。MPU-6050是世界上第一个集成6轴的运动处理组件，具有3个16位高精度ADC。它解决了将陀螺仪和加速器组合在一起的时基差异问题，其不仅性能高而且具备低成本和低功耗等优点[13]。

图7 姿态传感器电路

在运输车辆中放置温度传感器来实时监控危化品的温度，并发送温度信息至车载终端[14]。如图8所示，该模块选用DS18B20对危化品温度实时监测。其作为最常用的数字温度传感器，具有节省硬件资源、抗干扰能力强等优点，适用于各种小型空间设备的数字测温。

图8 温度传感器电路

3 系统软件设计

软件设计选用Visual Basic 6.0软件，搭建高速公路隧道危化品运输实时监控系统的界面。

如图9所示，软件主界面由危化品性质状态、运输道路条件、驾驶人行车状态、运输车辆、天气状况、个性化设置和问题反馈7个区域组成。

图9 软件主界面

如图10所示，软件的核心在于危化品运输监控。软件设置用户权限，普通用户可以使用危化品运输状态，运输道路条件等功能，管理员在此基础上可使用驾驶人行车状态，运输车辆等模块。

图10 系统软件流程图

危化品的性质状态界面如图11所示，该界面可以查询到相应车辆所运输危化品的相关信息。传感器模块经数据处理后通过GPRS网络传送相关信息至上位机，从而实时监控危化品状态[15]。

图11 危化品性质状态界面

如图12所示，系统车载单元等对运输道路条件实时采样并同步上传至本界面。一方面，可实现对隧道坡度与坡度方向、路面平整度等关键道路的实时查询，从而对该高速公路隧道区段有更直观地把控；另一方面，管理人员可以通过无线信息传输网络获取道路交通动态，对突发事故紧急处理，及时联系应急管理等其他部门，保障运输安全[16]。

图12 运输道路条件界面

基于智能摄像头设计的隧道区段监测，其视频图像经GPRS模块及时准确地传送到上位机管理系统。如图13所示，界面设有隧道相关的监控画面。管理员可以实时查看道路情况，为隧道异常交通状况和其安全管理提供帮助[17]。

图13 隧道区段监测界面

如图14所示，在界面中，能够实时查询监控到运输车辆[18]，准确把握车辆的相关信息。同时加强监测危化品运输车辆，及时发现问题，排除安全隐患，使车辆保持最佳的运输状态，以防发生交通事故，确保运输安全性。

图14 运输车辆界面

4 结束语

文中以STM32主处理器为核心，通过硬件模块完成对运输车辆、道路条件等信息的采集，实现对高速公路隧道危化品运输的实时监控。该系统结构简单，在一定程度上保障了危化品的运输安全，可以应用在实践中。