基于Cortex的消防装备模拟训练系统的设计与实现

秦鹏宇

摘要：随着社会快速发展，系统性、行业性火灾风险持续增加，对人们生命财产安全造成严重威胁。为此，全国各地先后新建、改建消防综合训练基地，以提升复杂灾情条件下消防救援队伍灭火救援综合能力。然而传统实战训练演练虽能有效提高消防救援队伍整体救援能力，但其依然存在弊端。为有效解决这些弊端，基于集成Cortex嵌入式技术，构建出一套消防装备模拟训练系统，测试结果显示，基于Cortex的消防装备模拟训练系统稳定性较强，训练成本低、效率高。

关键词：Cortex;消防装备模拟训练系统;系统设计

中图分类号：TP311.5       文献标识码：A       文章编号：2096-1227（2022）05-0019-03

近年来，我国火灾事故发生率仍处于高位运行，消防救援队伍承担“全灾种、大应急”职能任务十分艰巨。研究表明，提升消防救援队伍灭火救援能力对减少火灾事故带来的生命财产损失具有重要意义，故如何才能有效提升消防队伍整体救援能力，逐渐成为相关部门重点关注的内容之一[1]。传统训练模式虽在提高消防救援能力方面具有一定效果，但由于现实火灾现场复杂，易出现突发事件，传统实战训练无法模拟出更多类型的火灾现场，不利于训练的有效进行[2]。因此，本文基于Cortex构建消防装备模拟训练系统，并对其实践应用效果进行测试评估。

1  消防装备模拟训练系统方案设计

1.1  系统简介

本文设计消防装备模拟训练系统，市场实用性广，设计规范性强，操作仿真度高，可适用于多种类型工厂的消防管理。本文设计消防设备模拟训练系统涉及软件和硬件技术两部分设计，硬件系统基于实物高仿真设计，配合厂区模型化虚拟现实软件平台使用。该系统共包括消防车驾驶室操作面板、消防车臂架炮遥控面板、消防车驾驶室操作面板、消防车水泵操作面板及消防体验服等5种设备。①消防车驾驶操作面板由电源控制模块、串口通信模块、STM主控模块、高仿真机械面板、电器元件驱动模块5部分组成，此操作面板上设置的起落支架腿启动和屈伸控制摇杆，与实际车型完全相同，操作指示灯则采用高亮LED，此外，该操作面板还设置了探明与水阀开关金属按钮等配置。②消防车臂架炮遥控面板具备无线遥控功能，集成Wi-Fi传输与通信模块，可实现臂架炮左右旋转方向和臂架起落的远程操控，且内部设置H-Link无线收发装置，可为通信传输的信号强度和数据质量提供保障。③消防车驾驶室操作面板设计为密闭箱体，操作面板完全依照实际面板进行设置，机械操作部件均设置于密闭箱体上方，箱体内则由信号监控单元、信号采集处理单元及控制系统3部分组成。④消防车水泵操作面板主要负责对虚拟平台的指令进行接收，操作面板内部主要由STM主控模块和串口通信模块组成，前者用于收集外设面板信息，后者则用于接收与发送上位机指令，此外，该操作面板还增设电源稳定模块，以便于对设备的电压分配和输出控制进行有效管理。⑤虚拟消防体验服内置半导体加热器、制冷风机、电源管理器及温度传感器，人员穿戴体验服时，可通过控制上位机键盘在虚拟环境中完成虚拟人物移动，上位机还会根据虚拟场景中虚拟人员与火源之间的相互距离，将温度信息传输至体验服，以此调节体验服温度，让人员感受到真实的温度變化。

1.2  系统理论基础

本文设计的消防装备模拟训练系统理论基础为ARM Cortex-M4内核处理技术和虚拟现实技术。ARM Cortex-M4架构处理器集32位控制和数字信号处理技术于一体，具有高效、易于控制、信号处理能力强等特点。此外，还具备高速运算、低功耗控制等功能，目前该处理器已经在工业自动化、汽车电子、家用电器等领域中得到广泛使用。虚拟现实技术则是一种借助必要硬件传感器设备，实现仿真模拟的软硬件设备、技术及方法的集成，人员利用该技术，即可在计算机创建的三维模型场景下获得视、听、嗅等多种感官信息，产生逼真的现实感觉。

1.3  系统设计

依照功能性质，可将本文设计消防装备模拟训练系统分为虚拟设备操作面板群和虚拟场景体验服2个部分，具体设计方案见图1、图2。前者根据消防车型的不同，又分为JP16驾驶室模拟面板、JP16臂架炮操作器、JP56驾驶室模拟面板及JP56水泵操作器;虚拟场景体验服则是充分利用虚拟现实技术，人员穿戴体验服后，便能在虚拟场景中模拟火场冷热变化。

依照结构，可将本文设计消防装备模拟训练系统分为硬件底层、驱动中间层及软件平台上层。硬件底层由机械操作元件、通用性STM32F407最小系统单板、继电器驱动单板等硬件组成，以直接执行相关指令为主要任务，在硬件底层作用下，数字信号可被转化为模拟信号，其能通过电压变化量对外部机械设备的状态进行有效控制，或能将机械设备的状态变化信息直接传输到驱动中间层;驱动中间层则位于硬件底层与软件上层之间，具有向硬件底层提供正常工作动力的功能，并将底层硬件工作状态信息传输到上层;软件上层平台则是以虚拟现实地理信息系统为基础，构建工厂实地模型，将工厂地理条件和周边环境状态真实展现出来，同时可设计出各种类型火灾突发场景，以便人员能够依照以往消防经验进行消防训练。此外，该层也用于制定与硬件底层设备相关的训练课件，结合使用现有设备完成消防训练讲解与实训。

1.4  关键器件选型

本文设计消防装备模拟训练系统主要涉及电子器件与机械器件两部分，电子器件在底层硬件和驱动中间层应用较多，涉及多种集成芯片和分立元件。机器器件则多为操作面板所需的机械摇杆、旋钮等外部设备。

电子器件选型方面，该系统微控芯片选用以ARM Cortex-M4内核架构的STM32F407vgt处理器，具备高效数字信号处理运算能力，工作频率可达168 MHz，另外，该处理器还可利用自适应实时储存加速功能，对程序执行速度进行有效提升。该系统串行通信芯片选用以SSOP-28封装的FT232RL高速通信芯片，此芯片无需外部晶振电路，内部集成自用时钟振荡源，且具备低功耗工作模式，进入低功耗模式后可将供电电流调节至15mA，休眠状态下则能将工作电流调节至70μA，从而确保电路在相对恶劣的环境下，依然能够正常运行。该系统无线通信模块则选用HLK-RM04嵌入式UART-ETH-WIFI模块，此模块可用UART口与微控芯片完成连接，进而实现微控芯片串行数据的收发，同时在内置TCP/IP协议的作用下，模块内数据转化为以太网或Wi-Fi协议格式数据，并将其传输至无线接收单元的过程也能得以实现。无线模块结构单元结构见图1。该系统稳压降压芯片则选用LM2596开关电压调节器，该调节器具有极好的线性输出电压和带负荷能力，且能使用更小规格的滤波元件，从而能对电路板布局与走线设计进行有效简化。

机械器件选型方面，本文设计系统中使用摇杆、按钮、旋钮开关等机械器件，均购于施耐德公司，该公司生产机械器件质量优异，电气性能稳定，耐久度高，耐用性强，相比其他电气产品故障率更低。

2  系统硬件电路设计

2.1  微控芯片驱动电路

控制单元选用STM32F407VGT6高速芯片，该芯片不仅具有体积小、功耗低、性能高等特点，还具有极高的数据处理能力，另外，系统Cortex-M4高速主控单元采取独立分离设计，系统稳定性、维护性及兼容性得以提升，设计成本得以降低。

2.2  电源模块

本文设计系统以24V直流电为输入供电接口，为满足不同单元电路板的电压供电需求，故该系统以AMS1117系列线性降压芯片为基础，设置电压调节模块，电源降压设计图见图2。

2.3  面板接口模块

本文设计系统的面板接口模块共涉及繼电器驱动电路、三档摇杆电路、自复位按钮电路、带灯按钮电路及三档旋钮电路，本文以继电器驱动电路为例进行简要说明。继电器以导电线圈电磁感应为工作原理基础，电流通过线圈便可产生感应磁场，此时弹片会在被磁场所吸附，电路通导，但在一般情况下，仅当电流在60mA以上时才能促使继电器线圈吸合。但该系统STM32核心板无法直接提供大于60mA的电流，故需要设置继电器驱动电流实现电流扩流，继电器驱动电路结构见图3。

2.4  温控调节模块

温度控制单元是本文设计系统的设计重点，加热冷却模块、继电器控制模块及传感反馈模块共同组成温控单元，加热冷却模块是由三组半导体加热片和两组冷却风机构成，通过对继电器的通断工作状态进行控制，实现温度调节。继电器控制模块的线圈一侧接直流电源，另一侧接加热片和冷风机，继电器吸合时，加热和制冷装置开启，继电器截断则停止工作。传感反馈模块则采用DS18B20温度传感器，其可对体验服温度进行实时监测，温度相关信号信息也可直接反馈到STM32核心板。

3  系统软件实现

3.1  开发环境

本文设计系统STM32程序开发环境选用单片机C语言平台，该平台支持ARM系列所有内核处理器的程序开发。基于该平台集成环境开发ARM处理器，通常需进行以下几个步骤：①创建新工程，选择目标芯片，设置配置;②新建程序文件，编写C或汇编源文件;③编译应用程序，生成可下载执行文件;④修改源程序中错误;⑤利用外部调试器下载调试。

3.2  驱动软件设计

驱动软件设计主要涉及驱动软件结构、STM32F407标准外设库及用户自定义应用程序3部分内容。驱动软件结构的设计以现有底层硬件为基础，可确保STM32核心板之间、各通信模块之间实现有效通信和相关数据的有效处理，另外，本文设计选用低耦合、高内聚的设计模式，以提高系统维护性。标准外设库文件中，每个外部接入设备均有一个源代码文件和一个头文件，其中头文件便包含需要使用PPP外设固件的所有功能。用户自定义应用程序则是透过标准外设库提供的接口，对外设配置和功能进行设计。

3.3  上位机软件设计

本文以微软Windows系统为平台，以Microsoft Visual Studio 2019为开发平台，对系统上位机软件进行设计，设计该软件的主要为让底层硬件和计算机之间的互动通信问题得以有效解决。另外，在该软件设计中还特地增加DLL动态链接库技术对源程序进行封装处理，以提高系统兼容性和保密性。

4  系统集成与测试

JP16驾驶室操作面板。测试员操作上车操作台，即可实现车辆启动前上车臂架伸展。JP16臂架炮仿真操作面板。测试员打开操作面板中臂架炮控制开关，控制面板即可实现臂架炮左右旋转和起落。JP56驾驶室操作面板。测试员通过驾驶室面板电源开关，即可启动下车操作，控制二档旋钮，即可调整至下车状态，操作完毕后，运行指示灯点亮，控制面板左侧三档摇杆，即可实现对消防车直腿的伸缩控制。JP56水泵仿真操作面板。面板操作指示灯点亮后，消防车水泵启动，操作水泵臂架炮面板，测试员即可对臂架炮左右旋转和上下臂架起落进行控制。消防员虚拟体感服。测试员穿戴体感服后，控制虚拟场景中人物进入火场，人物靠近火源时，测试员感到体感服发热，人物远离火源时，测试员感到体感服温度降低。

5  结语

本文设计消防装备模拟训练系统，以Cortex-M4内核技术为基础，联合运用计算机仿真技术和人机交互技术，大幅度提升虚拟训练体验感，可有效提高消防救援队伍整体救援能力，对促进我国消防安全事业发展起到积极作用。

参考文献：

[1]王晓萍，刘克敏，尤静，等.某炮模拟训练系统中三维视景的设计与实现[J].火力与指挥控制，2020，45（2）：150-154.

[2]谢宜，宋振海，付建.基于仿真平台的SE/AIP训练模拟器设计与实现[J].计算机仿真，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