楊珂泉　魏勝利

摘要：通過對現(xiàn)有自動滅火小車的研究，設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)了一種使用手機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制的多功能滅火小車。滅火小車以Ardui-no單片機(jī)作為控制核心，手機(jī)和滅火小車通過藍(lán)牙進(jìn)行通信。滅火小車具有循跡滅火（按照規(guī)定路線尋找火源并滅火）和避障滅火（自由巡航式滅火）兩種不同的滅火模式。手機(jī)端的APP能夠隨時控制小車的行駛方向和滅火裝置的開關(guān)，同時還能夠隨時在兩種滅火模式中切換，使小車變得更加人性化、智能化。相比于其他滅火小車，本設(shè)計(jì)方案機(jī)動性更強(qiáng)，體積小、功耗低，更加適應(yīng)復(fù)雜多變的火場，具有一定的實(shí)用價值。

關(guān)鍵詞：滅火小車；循跡滅火；避障滅火；Arduino單片機(jī)；藍(lán)牙技術(shù)

中圖分類號：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-3044（2017）18-0073-03

1概述

消防安全一直是我們生活的重中之重，每年因火災(zāi)造成的損失非常慘重。當(dāng)火災(zāi)發(fā)生時如何快速發(fā)現(xiàn)和滅火一直是人們研究的重點(diǎn)。很多發(fā)達(dá)國家都非常重視滅火裝置的應(yīng)用和發(fā)展。我國已經(jīng)意識到這點(diǎn)，正在努力的探索中?，F(xiàn)有的大部分滅火機(jī)器人工作形態(tài)單一、只能應(yīng)對個別環(huán)境下的滅火工作。例如，在崔清宇、時澤宇設(shè)計(jì)的智能滅火小車中僅僅能實(shí)現(xiàn)小車能夠避障前行并滅火；在劉天宇設(shè)計(jì)的藍(lán)牙智能小車系統(tǒng)中只能夠?qū)崿F(xiàn)用手機(jī)APP控制小車的前進(jìn)方向?？紤]到火場的復(fù)雜性，結(jié)合現(xiàn)有滅火機(jī)器人的優(yōu)點(diǎn)，本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種基于Arduino單片機(jī)并通過藍(lán)牙實(shí)現(xiàn)手機(jī)控制的多功能滅火小車。能夠隨時切換不同工作模式，應(yīng)對復(fù)雜多變的火場情況，更加高效地完成滅火工作。

2體設(shè)計(jì)

滅火小車整體由MCU、藍(lán)牙模塊、火焰探測模塊、紅外避障模塊、紅外循跡模塊、滅火模塊、電機(jī)驅(qū)動模塊、電源模塊組成。MCU由Arduino單片機(jī)擔(dān)任。通過手機(jī)APP控制小車，能夠?qū)崿F(xiàn)小車的前進(jìn)、后退、停止、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、開關(guān)滅火裝置、循跡滅火、自動巡航式滅火等功能。藍(lán)牙模塊通過與手機(jī)端上的藍(lán)牙進(jìn)行匹配，接收從手機(jī)端發(fā)送過來的動作指令，再把指令傳遞給單片機(jī)，單片機(jī)通過分析處理接收到的指令來運(yùn)行不同的子程序，從而實(shí)現(xiàn)小車的不同功能。手機(jī)端的APP功能界面和滅火小車的整體結(jié)構(gòu)如圖1和圖2所示。

3硬件電路的設(shè)計(jì)

3.1主控芯片

在該設(shè)計(jì)方案中，紅外避障與循跡模塊需要用到5路數(shù)字輸入輸出口進(jìn)行高低電平信號采集，底盤電機(jī)驅(qū)動也需要用到4路PWM的數(shù)字信號引腳，還有其它部分的傳感器也需要占用大量數(shù)字輸入輸出口。經(jīng)過對比選擇，選用Arduino Mega2560作為核心處理器。它采用USB接口的核心電路板，具有多達(dá)54路數(shù)字輸入輸出，特別適合需要大量10接口的設(shè)計(jì)。同時作為一個開源的硬件平臺，Arduino內(nèi)部封裝了很多函數(shù)和大量的傳感器函數(shù)庫，使電子設(shè)計(jì)的人可以很快創(chuàng)造出由屬于自己的作品。

3.2藍(lán)牙模塊

藍(lán)牙部分采用HC-06藍(lán)牙模塊實(shí)現(xiàn)。將它的TXD接MCU的RX端，它的RXD端接MCU的TX端。藍(lán)牙模塊與手機(jī)配對以后完全就當(dāng)是一個固定波特率的串口使用。通過串口的AT命令集對藍(lán)牙和小車模塊進(jìn)行配置。通過手機(jī)APP發(fā)送串口數(shù)據(jù)，利用藍(lán)牙與單片機(jī)保持通信，通過設(shè)置“按鈕名稱”和程序中相應(yīng)的“發(fā)送內(nèi)容”就能夠?qū)崿F(xiàn)不同按鈕發(fā)出不同指令。HC-06原理圖如圖3所示。

3.3火焰探測模塊

火焰探測模塊由三個火焰?zhèn)鞲衅鹘M成放置在小車車頭的左、中、右三個位置。火焰?zhèn)鞲衅骺梢詸z測火焰或者波長在760納米-110納米范圍內(nèi)的光源。探測角度在60度左右，對火焰光譜特別靈敏?；鹧?zhèn)鞲衅饔蠨O數(shù)字端口和A0模擬端口，本設(shè)計(jì)采用火焰?zhèn)鞲衅鞯腁0端口，遠(yuǎn)紅外火焰探頭將外界紅外光的強(qiáng)弱變化轉(zhuǎn)化為電流的變化，反映為0-255范圍內(nèi)數(shù)值的變化。紅外光越弱，數(shù)值越??；反之則越大。這些數(shù)值輸入到MCU中，MCU根據(jù)信號變化做出相應(yīng)處理。

3.4紅外循跡模塊

在循跡方面主要采用比較常用的“紅外探測法”。紅外探測法，即利用紅外線在不同顏色的物理表面具有不同的反射性質(zhì)的特點(diǎn)確定行走的路線。在小車行駛過程中不斷向地面發(fā)射紅外光，地面不同的顏色對紅外光的反射和吸收不同，紅外接收管接收到的光的強(qiáng)度就不同，從而確定行走的路線。目前該系統(tǒng)的紅外循跡只能工作在比較理想的情況下，路徑只識別黑色和白色兩種。循跡模塊由安裝在車底盤的紅外傳感器組成，每一路的傳感器的紅外發(fā)射管不斷發(fā)出紅外線，當(dāng)發(fā)出的紅外線沒有被反射回來或反射回來但強(qiáng)度不夠大時，紅外接收管一直處于關(guān)斷狀態(tài)，此時的TTL輸出為高電平，相應(yīng)指示二極管一直處于熄滅狀態(tài)；當(dāng)紅外線被反射回來且強(qiáng)度足夠大，紅外接收管導(dǎo)通，此時的TTL輸出端為低電平，指示二極管被點(diǎn)亮。

單片機(jī)根據(jù)不同的電平變化對小車的前進(jìn)方向做出調(diào)整，使小車能夠正確按照指定的方向運(yùn)行。

3.5滅火模塊

滅火模塊主要由一個舵機(jī)和滅火裝置組成，放置在小車的正前方，根據(jù)單片機(jī)的發(fā)出的指令，舵機(jī)能夠左轉(zhuǎn)和右轉(zhuǎn)，當(dāng)舵機(jī)轉(zhuǎn)到相應(yīng)位置時，滅火裝置啟動開始滅火操作。滅火裝置由單片機(jī)控制輸出信號，在程序中輸出一個低電平0時，就可以啟動滅火裝置。設(shè)定相應(yīng)的滅火工作延時，當(dāng)?shù)竭_(dá)時間后舵機(jī)回到原來位置滅火裝置停止工作，小車?yán)^續(xù)工作。

4功能設(shè)計(jì)

4.1循跡滅火功能

在循跡滅火模式下，按下手機(jī)APP中“循跡滅火”按鈕，手機(jī)通過藍(lán)牙發(fā)出相對應(yīng)的信號，位于小車上的藍(lán)牙模塊收到信號后傳送給單片機(jī)，單片機(jī)根據(jù)程序內(nèi)容來執(zhí)行相對應(yīng)的指令。循跡滅火功能是小車?yán)脙蓚€循跡傳感器根據(jù)鋪設(shè)的黑白線前進(jìn)。在如圖4所示的情況下，黑色路線被探頭1檢測到，則意味著小車偏移到路線右側(cè)，此時小車左轉(zhuǎn)。反之，如果黑色路線被傳感器2檢測到，則意味著小車已經(jīng)偏移到路線左側(cè)，此時小車右轉(zhuǎn)。當(dāng)分布在左、中、右三個方向的火焰?zhèn)鞲衅鳈z測到火焰時，小車立即停止前進(jìn)，舵機(jī)轉(zhuǎn)向相對應(yīng)的方向，滅火裝置啟動，延時滅火一段時間后，舵機(jī)回到原來位置，火焰?zhèn)鞲衅骼^續(xù)判斷火焰是否熄滅，如果未熄滅，小車前進(jìn)一段距離后停下繼續(xù)滅火。直到熄滅線路上所有火焰。程序流程圖如圖5所示。

4.2巡航滅火功能

目前，循跡滅火模式在實(shí)際應(yīng)用時有很大限制，因?yàn)樵趯?shí)際情況下，不可能有設(shè)計(jì)好的黑白路徑可供使用。因此，巡航滅火模式實(shí)際應(yīng)用價值更大，而循跡滅火模式通常用來對系統(tǒng)進(jìn)行測試。巡航滅火也是我們重點(diǎn)研究的內(nèi)容。巡航滅火功能主要用于不知道房間內(nèi)是否起火或者火源位置不確定，讓智能小車在自主巡邏過程中能夠準(zhǔn)確發(fā)現(xiàn)火源地并順利避開障礙物到達(dá)火源地完成快速滅火工作。巡航滅火模式采用三個紅外避障傳感器和三個火焰?zhèn)鞲衅髯鳛橹饕ぷ髂K。

三個火焰?zhèn)鞲衅鞣謩e安裝在小車的左前、正前和右前方，以小車車頭左右方向?yàn)閄軸，三個火焰?zhèn)鞲衅鞣謩e位于30°、90°和150°三個位置，因?yàn)榛鹧鎮(zhèn)鞲衅魈綔y夾角為60°，這樣放置剛好可以覆蓋前方180°，避免探測死角。

在實(shí)驗(yàn)環(huán)境下，火焰?zhèn)鞲衅麟x火焰的距離和對應(yīng)的測量電壓如表1所示。

調(diào)節(jié)火焰?zhèn)鞲衅鞯臋z測閥值，其最遠(yuǎn)探測距離可以達(dá)到90cm-100cm，可以根據(jù)實(shí)際情況調(diào)節(jié)小車的滅火距離。

在巡航滅火模式下，采用表2所示的路徑巡航測量。根據(jù)三個火焰?zhèn)鞲衅鳈z測到火焰信號的大小確定小車的行進(jìn)方向。在以后會采用更加智能的巡航測量。小車轉(zhuǎn)向度數(shù)根據(jù)小車轉(zhuǎn)向時車速不同來調(diào)節(jié)。

避障程序由三個紅外避障傳感器的數(shù)字輸出信號為主要參數(shù)，在巡航模式中，小車主要遵循“左轉(zhuǎn)法則”，即小車前進(jìn)過程中延左側(cè)旋轉(zhuǎn)，直到火焰探測器探測到火源，啟動滅火子程序，滅火完成后繼續(xù)進(jìn)入巡航程序。流程圖如圖6所示。

4.3手動控制滅火功能

此功能利用手機(jī)APP上的按鈕來控制小車的前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、停止和滅火裝置的開關(guān)。當(dāng)房間發(fā)生火災(zāi)，可利用手機(jī)遠(yuǎn)程控制小車前進(jìn)到火焰面前，然后開啟滅火裝置，滅火完成后關(guān)閉滅火裝置，再繼續(xù)控制小車前往其他火源地點(diǎn)，直到完成所有滅火工作。

5總結(jié)

基于Arduino單片機(jī)的藍(lán)牙多功能滅火小車，能夠通過手機(jī)APP遠(yuǎn)程控制小車，并能夠順利完成多種功能的滅火操作。是在現(xiàn)有的智能小車的基礎(chǔ)上的一點(diǎn)改進(jìn)，具有一定的實(shí)用價值和發(fā)展前景。