劉少剛，周釗，張書宇，趙丹，郭云龍，李曉偉

1. 哈爾濱工程大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001

2. 哈爾濱第一機(jī)器制造集團(tuán)有限公司 機(jī)械制造分公司，黑龍江 哈爾濱 150056

森林滅火航彈智能觀瞄投放控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

劉少剛1，周釗1，張書宇2，趙丹1，郭云龍1，李曉偉1

1. 哈爾濱工程大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001

2. 哈爾濱第一機(jī)器制造集團(tuán)有限公司 機(jī)械制造分公司，黑龍江 哈爾濱 150056

研制出一種森林滅火航彈智能觀瞄投放控制系統(tǒng)，提高森林滅火航彈的滅火效率。文中以工控機(jī)為控制系統(tǒng)核心，通過(guò)RS232-CAN轉(zhuǎn)換器向CAN總線分布式通訊節(jié)點(diǎn)實(shí)時(shí)地發(fā)布控制命令以及接收反饋數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)森林滅火航彈智能觀瞄投放控制系統(tǒng)的高效實(shí)時(shí)可靠運(yùn)行。文中描述了控制系統(tǒng)的硬件構(gòu)成以及軟件實(shí)現(xiàn)流程，并且對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行了相關(guān)功能的調(diào)試實(shí)驗(yàn)，經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，設(shè)計(jì)的森林滅火航彈智能觀瞄投放控制系統(tǒng)可以正常運(yùn)行，完成相應(yīng)的控制功能。

森林滅火航彈；智能觀瞄；CAN總線；分布式通訊節(jié)點(diǎn)；人機(jī)交互界面；控制系統(tǒng)

在森林火災(zāi)消防領(lǐng)域中，以樹冠火的危害最大，也最難撲滅。由于樹冠火的特殊性，到目前為止，世界上還沒(méi)有能夠?qū)ζ溥M(jìn)行遠(yuǎn)程迅疾壓制性撲救的消防設(shè)備。樹冠火多發(fā)生在樹脂成分較多的針葉林，遇到大風(fēng)天氣由樹冠火產(chǎn)生的氣旋形成的火旋風(fēng)可將燃燒的樹枝、樹皮刮到幾十米、數(shù)百米甚至幾公里遠(yuǎn)的前方形成新的火點(diǎn)。所以，一旦發(fā)生并蔓延，森林里用于防火的隔離帶根本起不到防火作用。而現(xiàn)有滅火裝備和方法又都無(wú)法直接將其撲滅，因此樹冠火往往成為釀成重特大森林火災(zāi)的最重要因素[1]。

應(yīng)用森林滅火航彈進(jìn)行森林滅火是一種全新的森林滅火方法，旨在解決目前森林消防滅火領(lǐng)域危害最大的樹冠火撲滅問(wèn)題，改變目前基層森林消防官兵手持風(fēng)力滅火機(jī)在火場(chǎng)內(nèi)部冒著生命危險(xiǎn)與森林火災(zāi)搏斗的狀況[2]。對(duì)于難以接近的森林火災(zāi)可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程高效滅火，使我國(guó)遠(yuǎn)程森林消防滅火設(shè)施達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。

應(yīng)用森林滅火航彈進(jìn)行滅火的過(guò)程中，需要用直升機(jī)掛載森林滅火航彈到火場(chǎng)上空進(jìn)行投放，本系統(tǒng)主要作用是保證森林滅火航彈能夠在火場(chǎng)上空準(zhǔn)確位置投放，使森林滅火航彈達(dá)到最佳的滅火效果。

1 智能觀瞄投放控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

森林滅火航彈智能觀瞄投放控制系統(tǒng)主要由3部分結(jié)構(gòu)組成：上位機(jī)（工控機(jī)）、RS232-CAN轉(zhuǎn)換器、下位機(jī)（CAN總線分布式通訊節(jié)點(diǎn)），總體結(jié)構(gòu)組成如圖1所示。上位機(jī)（工控機(jī)）主要是用來(lái)運(yùn)行人機(jī)交互界面以及連接外部監(jiān)控設(shè)備，實(shí)現(xiàn)森林滅火航彈智能觀瞄投放控制系統(tǒng)的可視化操作控制，是本系統(tǒng)的核心組成部分。RS232-CAN轉(zhuǎn)換器主要作用是在CAN總線協(xié)議和RS232協(xié)議之間進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，它的性能直接影響著系統(tǒng)的效率[3]。下位機(jī)（CAN總線分布式通訊節(jié)點(diǎn)）的主要功能是驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行投彈，包括多個(gè)掛接在CAN總線上面的CAN總線節(jié)點(diǎn)，每個(gè)CAN總線節(jié)點(diǎn)控制一個(gè)投彈機(jī)構(gòu)，各CAN總線節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)功能完全一致，是本系統(tǒng)的具體投彈執(zhí)行控制部分。

圖1 智能觀瞄投放控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)組成

圖2 智能觀瞄投放控制系統(tǒng)人機(jī)交互界面

2 工控機(jī)軟、硬件選擇設(shè)計(jì)

2.1 工控機(jī)的選擇

工控機(jī)是整個(gè)控制系統(tǒng)的核心控制部分，需要帶有觸摸式控制面板，可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的可視化操作控制，主要功能是發(fā)送控制命令以及連接外部監(jiān)控設(shè)備。根據(jù)功能以及使用環(huán)境，工控機(jī)需要具有控制穩(wěn)定性、快速高效性、便攜性等性能，采用威強(qiáng)鋁質(zhì)堅(jiān)固型工業(yè)平板電腦UPC-V312-D525。

2.2 人機(jī)交互界面

本系統(tǒng)的人機(jī)交互界面是利用Microsoft Visual C++ 6.0軟件進(jìn)行編寫的，Microsoft Visual C++ 6.0是一種面向?qū)ο蟮目梢暬_發(fā)工具，提供了良好的界面設(shè)計(jì)能力，它具有功能強(qiáng)大、簡(jiǎn)便易用和代碼執(zhí)行速度快等特點(diǎn)[4]。文中使用MSComm串口通信控件與RS232-CAN轉(zhuǎn)換器進(jìn)行串口通信，MSComm控件是Microsoft公司提供的串行通信編程的ActiveX控件，它為應(yīng)用程序提供了通過(guò)串行接口收發(fā)數(shù)據(jù)的簡(jiǎn)便方法。MSComm控件提供了2種處理通信問(wèn)題的方法：1）事件驅(qū)動(dòng)方式；2）查詢方式。事件驅(qū)動(dòng)方式可靠性高，程序響應(yīng)快，是處理串口交互作用的一種非常有效的方法，它使用OnComm事件和CommEvent屬性捕捉并檢查通訊事件和錯(cuò)誤的值，發(fā)生通訊事件和錯(cuò)誤時(shí)，將觸發(fā)OnComm事件，CommEvent屬性的值也將被改變，應(yīng)用程序檢查CommEvent屬性的值并作出相應(yīng)的反應(yīng)，文中將采用事件驅(qū)動(dòng)方式來(lái)實(shí)現(xiàn)串口通信[5-7]。本文所設(shè)計(jì)的人機(jī)交互界面如圖2所示，人機(jī)交互界面工作流程圖如圖3所示。

圖3 人機(jī)交互界面工作流程

3 RS232-CAN轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)

3.1 RS232-CAN轉(zhuǎn)換器硬件設(shè)計(jì)

RS232-CAN轉(zhuǎn)換器硬件主要包括微處理器、CAN總線控制器、CAN總線收發(fā)器等。微處理器選擇抗干擾微處理器STC89C52RC，CAN總線控制器選擇飛利浦的獨(dú)立CAN總線控制器SJA1000，CAN總線收發(fā)器選擇廣泛使用的CAN總線收發(fā)器PCA82C250，外部接口主要包括與上位機(jī)通訊的RS232串口以及與CAN總線通訊的CAN總線接口，主要硬件電路如圖4所示。

圖4 RS232-CAN轉(zhuǎn)換器主要硬件電路

3.2 RS232-CAN轉(zhuǎn)換器軟件設(shè)計(jì)

整個(gè)軟件控制流程如圖5所示。

圖5 RS232-CAN轉(zhuǎn)換器軟件控制流程

RS232-CAN轉(zhuǎn)換器在CAN總線協(xié)議和RS232協(xié)議之間進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換要使用外部中斷0以及串行口中斷，軟件控制首先要進(jìn)行微處理器初始化MCU_Init()以及CAN總線控制器初始化Peli_Init()[8-9]。

RS232-CAN轉(zhuǎn)換器利用串行口中斷與上位機(jī)進(jìn)行通訊，當(dāng)接收到上位機(jī)控制命令時(shí)，微處理器調(diào)用串行中斷服務(wù)程序UART_SER (void) interrupt 4進(jìn)行處理，通過(guò)CAN總線發(fā)送數(shù)據(jù)函數(shù)Peli_TXD(void)向CAN總線上寫入控制命令。RS232-CAN轉(zhuǎn)換器利用外部中斷0與CAN總線進(jìn)行通訊，當(dāng)微處理器接收CAN總線通訊節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)時(shí)調(diào)用外部中斷服務(wù)程序Peli_RXD(void) interrupt 0進(jìn)行處理，通過(guò)向串行口發(fā)送緩沖器SBUF寫入數(shù)據(jù)將下位機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)傳送給上位機(jī)進(jìn)行處理[10-11]。RS232-CAN轉(zhuǎn)換器具體的串行中斷服務(wù)程序如下：

RS232-CAN轉(zhuǎn)換器在本系統(tǒng)中主要作用有：1）通過(guò)RS232串口接收上位機(jī)發(fā)布的控制命令，然后將控制命令經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換通過(guò)CAN總線發(fā)送到指定的通訊節(jié)點(diǎn)；2）通過(guò)CAN總線接收通訊節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換通過(guò)RS232串口發(fā)送給上位機(jī)。

4 CAN總線分布式通訊節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

4.1 CAN總線分布式通訊節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)

CAN總線分布式通訊節(jié)點(diǎn)主要包括掛接在CAN總線上面的各CAN總線節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)電路硬件主要包括微處理器、CAN總線控制器、CAN總線收發(fā)器、繼電器等。微處理器選擇抗干擾微處理器STC89C52RC；CAN總線控制器選擇飛利浦的獨(dú)立CAN總線控制器SJA1000；CAN總線收發(fā)器選擇廣泛使用的CAN總線收發(fā)器PCA82C250；繼電器主要任務(wù)是執(zhí)行投彈的控制命令，選擇JQC-3F-C小型中功率電磁繼電器。外部接口主要包括與CAN總線通訊的CAN總線接口，主要硬件電路如圖6所示。

圖6 CAN總線分布式通訊節(jié)點(diǎn)主要硬件電路

4.2 CAN總線分布式通訊節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)整個(gè)軟件控制流程如圖7所示。

圖7 CAN總線分布式通訊節(jié)點(diǎn)軟件控制流程

CAN總線分布式通訊節(jié)點(diǎn)進(jìn)行CAN總線通訊時(shí)使用外部中斷0，軟件控制首先要進(jìn)行微處理器初始化MCU_Init()以及CAN總線控制器初始化Peli_Init()。CAN總線分布式通訊節(jié)點(diǎn)利用外部中斷0與CAN總線進(jìn)行通訊，當(dāng)某個(gè)CAN節(jié)點(diǎn)微處理器接收到上位機(jī)投彈控制命令時(shí)調(diào)用外部中斷服務(wù)程序Peli_RXD(void) interrupt 0進(jìn)行處理，MCU通過(guò)置位相應(yīng)的控制位使繼電器閉合，執(zhí)行投彈操作，并且將投彈成功的狀態(tài)反饋給上位機(jī)。CAN總線分布式通訊節(jié)點(diǎn)外部中斷服務(wù)程序如下：

CAN總線分布式通訊節(jié)點(diǎn)的主要作用是執(zhí)行上位機(jī)的投彈命令并且將投彈成功的信號(hào)反饋給上位機(jī)。森林滅火航彈投彈機(jī)構(gòu)核心部件是電磁鐵，主要工作原理是通過(guò)電磁鐵的吸合和斷開實(shí)現(xiàn)投彈和機(jī)構(gòu)復(fù)位。每個(gè)CAN總線分布式通訊節(jié)點(diǎn)均帶有繼電器，通過(guò)繼電器的閉合和斷開來(lái)控制電磁鐵吸合和斷開，從而實(shí)現(xiàn)投彈和復(fù)位。當(dāng)相應(yīng)的CAN總線分布式通訊節(jié)點(diǎn)接收到投彈命令時(shí)，微處理器控制繼電器閉合實(shí)現(xiàn)投彈，并且將投彈成功的信號(hào)反饋給上位機(jī)；當(dāng)相應(yīng)的CAN總線分布式通訊節(jié)點(diǎn)接收到復(fù)位命令時(shí)，微處理器控制繼電器斷開實(shí)現(xiàn)復(fù)位，為下一次投彈做準(zhǔn)備。

5 智能觀瞄投放控制系統(tǒng)調(diào)試實(shí)驗(yàn)

智能觀瞄投放控制系統(tǒng)調(diào)試實(shí)驗(yàn)主要是測(cè)試人機(jī)交互界面、RS232-CAN轉(zhuǎn)換器以及CAN總線分布式控制系統(tǒng)之間的通訊狀況，在單擊人機(jī)交互界面上初始化、投彈、復(fù)位等按鈕時(shí)，CAN總線分布式通訊節(jié)點(diǎn)能夠快速做出相應(yīng)的動(dòng)作以及反饋數(shù)據(jù)，人機(jī)交互界面根據(jù)反饋的數(shù)據(jù)判斷命令執(zhí)行情況。智能觀瞄投放控制系統(tǒng)調(diào)試實(shí)驗(yàn)需要1臺(tái)工控機(jī)、1個(gè)RS232-CAN轉(zhuǎn)換器以及2個(gè)CAN總線分布式通訊節(jié)點(diǎn)，工控機(jī)和RS232-CAN轉(zhuǎn)換器利用1根RS232串口線進(jìn)行通訊，RS232-CAN轉(zhuǎn)換器和CAN總線分布式通訊節(jié)點(diǎn)利用CAN總線進(jìn)行通訊，智能觀瞄投放控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)如圖8所示。

智能觀瞄投放控制系統(tǒng)調(diào)試實(shí)驗(yàn)主要測(cè)試了系統(tǒng)兩方面的性能：1）人機(jī)交互界面顯示從外部監(jiān)控設(shè)備獲取的視頻信號(hào)；2）人機(jī)交互界面穩(wěn)定可靠地與CAN總線分布式通訊節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通訊、數(shù)據(jù)交換以及發(fā)布命令，CAN總線分布式通訊節(jié)點(diǎn)可以準(zhǔn)確地執(zhí)行命令。

圖8 智能觀瞄投放控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

智能觀瞄投放控制系統(tǒng)調(diào)試實(shí)驗(yàn)主要涉及到以上2個(gè)方面，首先完成整體系統(tǒng)的安裝工作。當(dāng)單擊人機(jī)交互界面上面靜態(tài)視頻信號(hào)和動(dòng)態(tài)視頻信號(hào)時(shí)，人機(jī)交互界面上的視頻框出現(xiàn)相應(yīng)的視頻信號(hào)，當(dāng)單擊斷開信號(hào)按鈕時(shí)，視頻框里的視頻信號(hào)消失，如圖9（a）所示。然后單擊人機(jī)交互界面上面初始化按鈕，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行初始化，人機(jī)交互界面上面投彈指示燈會(huì)全部變成綠色，然后單擊開始投彈按鈕。當(dāng)單擊投彈1按鈕時(shí)，相應(yīng)的CAN總線分布式通訊節(jié)點(diǎn)上面的繼電器閉合，人機(jī)交互界面上的投彈指示燈會(huì)變成紅色，投彈成功。當(dāng)單擊人機(jī)交互界面上面復(fù)位按鈕時(shí)，CAN總線分布式通訊節(jié)點(diǎn)上的繼電器全部復(fù)位。如圖9（b）所示。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，在單擊人機(jī)交互界面上功能按鈕時(shí)，CAN總線分布式通訊節(jié)點(diǎn)都會(huì)快速準(zhǔn)確地做出相應(yīng)的動(dòng)作，并且將執(zhí)行命令的情況實(shí)時(shí)快速地反饋給上位機(jī)，在遇到通訊錯(cuò)誤時(shí)，CAN總線也會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)誤指示。整個(gè)系統(tǒng)基本達(dá)到控制需求，能夠完成投彈任務(wù)，調(diào)試實(shí)驗(yàn)如圖9所示。

圖9 智能觀瞄投放控制系統(tǒng)調(diào)試實(shí)驗(yàn)

6 結(jié)束語(yǔ)

本文研究了一種森林滅火航彈智能觀瞄投放控制系統(tǒng)，它可以將森林滅火航彈準(zhǔn)確的投放到火場(chǎng)表面，實(shí)現(xiàn)森林滅火航彈投彈的智能化，解決以往森林滅火過(guò)程中資源利用率低的問(wèn)題。文中將CAN總線分布式控制系統(tǒng)應(yīng)用到了森林火災(zāi)領(lǐng)域，使整個(gè)控制系統(tǒng)具有較高的實(shí)時(shí)性、可靠性以及準(zhǔn)確性，在發(fā)生森林火災(zāi)時(shí)，保證森林滅火航彈可以快速地投放到火場(chǎng)上空準(zhǔn)確位置，大大提高森林滅火航彈的滅火效率。本文研究的森林滅火航彈智能觀瞄投放控制系統(tǒng)中有些需要進(jìn)一步研究的方向，例如投彈策略研究、投彈控制算法研究等等。

[1] 鄧波. 智能森林滅火航彈研究[D]. 哈爾濱: 哈爾濱工程大學(xué), 2010: 24-25, 33-34.

[2] 劉少剛, 劉剛, 趙丹, 等. 高層建筑氣動(dòng)消防炮結(jié)構(gòu)研究與動(dòng)力學(xué)仿真分析[J]. 哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報(bào), 2011，32（9）: 1144-1145.

[3] 李智強(qiáng), 王艷芳. 基于CAN總線的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)分布式控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J] . 微特電機(jī), 2009(7): 29-32, 44.

[4] 汪瀅, 孫華軍. 基于VC++串口通信的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J]. 現(xiàn)代電子技術(shù), 2011, 7(34): 19-24.

[5] 章輝, 葉建芳, 葉建威. 基于MSComm控件串口通信的實(shí)現(xiàn)[J]. 電子測(cè)量技術(shù), 2011, 8(34): 126-129.

[6] 尤路, 付永慶, 王詠勝. USB攝像頭平行雙目視覺系統(tǒng)在面積測(cè)量中的應(yīng)用[J]. 應(yīng)用科技, 2008, 35(2): 1-4.

[7] 吳昊天, 張燕林. 基于MSComm 控件的PC與AVR串口通信實(shí)現(xiàn)[J]. 算機(jī)與數(shù)字工程, 2010(4): 176-180.

[8] 李真花, 崔健. CAN總線輕松入門與實(shí)踐[M]. 北京: 北京航空航天大學(xué)出版社, 2011: 60-61.

[9] 牛躍聽, 周立功, 方舟. CAN總線嵌入式開發(fā)—從入門到實(shí)踐[M]. 北京: 北京航空航天大學(xué)出版社, 2012: 59-104.

[10] 汪瞳, 劉玉明, 楊楚平, 等. CAN總線協(xié)議實(shí)現(xiàn)方法研究[J]. 應(yīng)用科技, 2007, 34(7): 56-57.

[11] MATTHEW D. CAN Bus technology enables advanced machinery management[J]. Engineering and Technology for Sustainable World, 2012, 19(5): 10-11.

Design on the intelligent view glance control system of the aerial bomb for forest fire fighting

LIU Shaogang1, ZHOU Zhao1, ZHANG Shuyu2, ZHAO Dan1, GUO Yunlong1, LI Xiaowei1

1. College of Mechanical and Electrical Engineering, Harbin Engineering University, Harbin 150001, China 2. Harbin No.1 Machine Manufacturing Group Co., Ltd, Machinery Branch, Harbin 150056, China

The purpose of this paper is to develop an intelligent view glance control system of the forest fire bomb to improve fire extinguishing efficiency. In this paper, taking industrial computer as the core of control system, through the RS232-CAN converter to release control commands to the CAN bus distributed communication node and receive feedback data real-timely, realize the efficient, real-time and reliable operation of the intelligent view glance control system of the forest fire bomb. This paper describes the hardware constitution and software implementation process of the control system, and conducts the debugging experiment on the related function testing of the control system. The experimental results show that the intelligent view glance control system of the forest fire bomb can work properly, and complete the corresponding control functions.

aerial bomb for forest fire fighting; intelligent view glance; CAN bus; distributed communication node; human-computer interaction interface; control system

TP368.1

A

1009-671X（2014）01-0069-06

10.3969/j.issn.1009-671X.201301004

2013-01-06.

哈爾濱市應(yīng)用技術(shù)研究與開發(fā)項(xiàng)目（2013RFXXJ002）；高等學(xué)校博士學(xué)科點(diǎn)專項(xiàng)科研基金資助項(xiàng)目（20102304110007）.

劉少剛（1962-）, 男，教授，博士生導(dǎo)師.

劉少剛, E-mail: liushaogang@hrbeu.edu.cn.