高曉靈，陳世義，唐紅濤，周 林

(武漢理工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，湖北 武漢 430070)

隨著人們生活水平的提高，消防安全的意識(shí)不斷完善，商業(yè)建筑和工業(yè)建筑對(duì)于防火閉門器的需求不斷增長(zhǎng)。防火閉門器功能類似一個(gè)彈簧液壓器，通過一定的機(jī)械結(jié)構(gòu)，開門時(shí)能存儲(chǔ)彈簧壓縮的能量，關(guān)門時(shí)，只要一點(diǎn)力使它釋放彈簧存儲(chǔ)的能量就能夠達(dá)到關(guān)門的效果[1-2]。它主要應(yīng)用于商業(yè)建筑和公共建筑，實(shí)際作用是發(fā)生火災(zāi)時(shí)用來隔絕火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)，限制建筑物的通風(fēng)，有效減小火勢(shì)。步入21世紀(jì)以來，在許多公共建筑中的各個(gè)重要關(guān)口的門上，都有必要配置閉門器來隔絕煙霧和防止火災(zāi)的擴(kuò)散，然而很多建筑并沒有安裝。因此，閉門器無論是翻新還是安裝在新的門上，都有巨大的潛在市場(chǎng)[3]。

目前在防火閉門器的控制領(lǐng)域大多還停留在單純的機(jī)械與簡(jiǎn)單電路控制階段，而遠(yuǎn)程控制才剛剛起步。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)閉門器的遠(yuǎn)程控制展開研究，取得了一些成果[4-5]，但大多沒有以移動(dòng)客戶端作為控制平臺(tái)，難以隨時(shí)隨地監(jiān)控閉門器的狀態(tài)，導(dǎo)致突發(fā)火災(zāi)時(shí)，由于種種原因沒來得及關(guān)門，造成不必要的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。因此本設(shè)計(jì)將閉門器與移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)結(jié)合，利用移動(dòng)客戶為操作平臺(tái)，研發(fā)了一套能在移動(dòng)端遠(yuǎn)程監(jiān)控的防火閉門器系統(tǒng)，推動(dòng)了閉門器領(lǐng)域的升級(jí)，促進(jìn)了遠(yuǎn)程智能化控制的完善。

1 閉門器系統(tǒng)的總體方案設(shè)計(jì)

筆者以閉門器為控制對(duì)象，利用Android移動(dòng)客戶端[6]作為操作控制平臺(tái)，通過WiFi傳輸[7]控制命令和數(shù)據(jù)信息，利用STM32單片機(jī)芯片為核心的控制電路處理WiFi傳輸?shù)臄?shù)據(jù)后，實(shí)現(xiàn)對(duì)閉門器的遠(yuǎn)程智能控制[8]，實(shí)時(shí)獲取閉門器的狀態(tài)，將其反饋到移動(dòng)客戶端并顯示。

閉門器系統(tǒng)包括移動(dòng)客戶端的控制界面設(shè)計(jì)、手機(jī)與WiFi模塊通信，串口/WiFi模塊配置，單片機(jī)控制電路，閉門器硬件等。系統(tǒng)的總體控制方案如圖1所示。

圖1 閉門器總體控制方案

閉門器端，主要分為閉門器本體和輔助部件。其中，底座和滑塊構(gòu)成閉門器本體，連桿、滑槽和固定裝置構(gòu)成輔助部件?？刂颇K主要由電源模塊供電，WiFi模塊通過串口來傳送數(shù)據(jù)到單片機(jī)電路，單片機(jī)根據(jù)接收的信息來改變輸出端口的電平，最后控制繼電器的通斷電。移動(dòng)客戶端的開發(fā)要求為操作者提供一個(gè)良好的人機(jī)交互界面以及與WiFi模塊的實(shí)時(shí)通信，最終實(shí)現(xiàn)在移動(dòng)端遠(yuǎn)程監(jiān)控閉門器。

2 閉門器基本結(jié)構(gòu)

閉門器基本結(jié)構(gòu)主要分為閉門器本體、連桿、滑槽和固定裝置，總體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 閉門器的總體結(jié)構(gòu)

滑塊固定在滑槽里，滑槽固定在門框上。由滑塊連接的連桿與門板相連，開門時(shí)門板帶動(dòng)連桿，連桿帶動(dòng)滑塊運(yùn)動(dòng)。閉門器底座由電磁鐵、凸臺(tái)、彈簧、吸板和固定塊等組成，如圖3所示。

圖3 閉門器本體的底座

閉門器滑塊中有一個(gè)小凹槽，當(dāng)滑塊滑動(dòng)到某個(gè)位置時(shí)，凹槽和凸臺(tái)咬合，就能保持閉門器的常開。當(dāng)需要關(guān)門時(shí)，遠(yuǎn)程控制發(fā)出指令，控制繼電器失電，使得電磁鐵失去吸力，從而松掉底座上面的鐵板。與鐵板相連的凸臺(tái)在彈簧力的作用下會(huì)往上運(yùn)動(dòng)，使得它脫離凹槽，滑塊可以在滑槽滑動(dòng)，從而使得門關(guān)閉。另外，閉門器底座的凸臺(tái)右側(cè)并不是完全垂直的，有一定的角度，這樣是當(dāng)人使用不大的外力時(shí)，也可以使凸臺(tái)和滑塊脫離咬合狀態(tài)，這樣就能實(shí)現(xiàn)外力關(guān)門的功能。閉門器滑塊和凸臺(tái)的咬合示意圖如圖4所示。

圖4 閉門器滑塊和凸臺(tái)咬合示意圖

3 閉門器控制模塊設(shè)計(jì)

本研究設(shè)計(jì)了一個(gè)以單片機(jī)芯片為控制核心，用串口/WiFi模塊來通信，以繼電器為閉門器的動(dòng)作發(fā)生器的控制模塊。單片機(jī)芯片選用STM32單片機(jī)芯片，與51單片機(jī)芯片相比，功能更加強(qiáng)大，一次能處理32位的數(shù)據(jù)，處理速度快，還具有更快的實(shí)施應(yīng)用和聯(lián)網(wǎng)設(shè)備同步通信的響應(yīng)速度。WiFi模塊選用的是USR-215WiFi模塊，它與一般WiFi模塊相比，體積小功率低，只需要簡(jiǎn)單配置，即可實(shí)現(xiàn)UART設(shè)備聯(lián)網(wǎng)功能。

控制模塊的控制原理是WiFi模塊接收到從手機(jī)APP上發(fā)來的信號(hào)，經(jīng)過WiFi模塊處理后，按要求通過串口發(fā)送字符串”close”或”open”，然后配置STM32f103c8t6芯片串口1與一個(gè)D0腳，通過串口1接收串口信號(hào)，處理后給出改變?cè)揇0口電平，以此電平信號(hào)來改變繼電器的線圈得電、失電狀態(tài)，從而控制外圍電路的開斷情況?？刂圃砣鐖D5所示。

圖5 控制模塊的控制原理圖

硬件電路中的電源模塊為整個(gè)控制電路供電，它是一個(gè)220 VAC轉(zhuǎn)5 VDC的電源模塊。其5 V輸出作為兩個(gè)部分使用，一部分作為繼電器的驅(qū)動(dòng)電源，另一部分是通過一個(gè)3.3 V穩(wěn)壓模塊將5 V轉(zhuǎn)為3.3 V，給WiFi模塊以及STM32f103c8t6芯片供電(所有模塊共一個(gè)地線)。

WiFi模塊及其外圍電路如圖6所示，通過WiFi接收來自手機(jī)APP的信號(hào)，處理后，通過其自帶的串口引腳(5腳-RXD、6腳-TXD)輸出信號(hào)，將其引腳與處理芯片的串口(PA9腳-RXD、PA10腳-TXD)連接，使其信號(hào)發(fā)送到芯片。

經(jīng)過芯片處理后，通過設(shè)定的D0口(PB0)、輸出電平信號(hào)，若為高電平(對(duì)應(yīng)close)則繼電器失電，外圍電路斷開，防火門關(guān)閉。

繼電器及其驅(qū)動(dòng)電路如圖7所示。繼電器配置的驅(qū)動(dòng)電路，根據(jù)芯片的D0口的輸出電平來動(dòng)作，若繼電器失電，與其連接的電磁鐵失去吸力，在彈簧力的作用下帶動(dòng)凸臺(tái)上升，從而門由開啟狀態(tài)變?yōu)殛P(guān)閉。

圖6 WiFi模塊及其外圍電路

圖7 繼電器及其驅(qū)動(dòng)電路

4 閉門器軟件控制的實(shí)現(xiàn)

閉門器軟件控制的實(shí)現(xiàn)分為Android移動(dòng)客戶端的開發(fā)和控制模塊中的STM32單片機(jī)的程序開發(fā)?；赪iFi模塊通信服務(wù)端的數(shù)據(jù)傳輸，Android移動(dòng)客戶端能向控制模塊發(fā)送遠(yuǎn)程控制指令，從而實(shí)現(xiàn)閉門器的遠(yuǎn)程智能控制。單片機(jī)程序主要包括功能模塊的數(shù)據(jù)初始化配置和處理相應(yīng)的移動(dòng)客戶端發(fā)出的指令，然后輸出高低電平來控制閉門器。

為了實(shí)現(xiàn)移動(dòng)客戶端和WiFi模塊的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)接收以及指令發(fā)送，通信采用Socket編程，通信協(xié)議為TCP協(xié)議，利用該函數(shù)與協(xié)議完成發(fā)送指令以及數(shù)據(jù)接收的功能。在信息傳輸?shù)倪^程中有通信服務(wù)的建立、數(shù)據(jù)的交換和通信連接的釋放3個(gè)主要階段。

Android客戶端界面如圖8所示。主界面為控制界面，能實(shí)時(shí)監(jiān)控常開閉門器，該界面設(shè)有閉門器當(dāng)前狀態(tài)欄和故障信息欄。連接界面通過輸入IP地址能實(shí)現(xiàn)與WiFi模塊的通信，擴(kuò)展界面能完成一些個(gè)性化設(shè)置并支持第三方擴(kuò)展功能。

圖8 Android客戶端界面

編寫STM32單片機(jī)程序使其能讀取WiFi模塊通過串口傳輸?shù)腁PP操作指令，并將該指令以高低電平的形式輸出。

在單片機(jī)程序設(shè)計(jì)中，遵循程序設(shè)計(jì)思路的一般規(guī)律，采用模塊化設(shè)計(jì)思想對(duì)程序進(jìn)行分模塊設(shè)計(jì)。程序的編寫主要包括串口的初始化配置，UART模塊的配置，波特率參數(shù)的設(shè)定，串口數(shù)據(jù)傳輸過程中中斷配置和一些外設(shè)引腳的設(shè)置等。相應(yīng)的部分程序如下：

int main(void)

{

Rx_Count = 0;

memcpy(ReceiveDate,"0x00",1024);

SystemInit(); //系統(tǒng)時(shí)鐘配置

Init_NVIC(); //中斷向量表注冊(cè)函數(shù)

Init_LED(); //各個(gè)外設(shè)引腳配置

Init_Usart(); //串口引腳配置

Usart_Configuration(115200); //串口配置；設(shè)置波特率為115200

JDQ = 0;

while(1) {

if(Rx_Count)

{

if(strcmp(open,(const char*)ReceiveDate)==0)

{

JDQ = 1;

}

if(strcmp(close,(const char*)ReceiveDate)==0)

{

JDQ = 0;

}

memcpy(ReceiveDate,"0x00",1024);

Rx_Count = 0;

}

Delay_Ms(200);

}

}

5 結(jié)論

針對(duì)閉門器監(jiān)控系統(tǒng)做整體設(shè)計(jì)架構(gòu)并對(duì)其做詳細(xì)分析，完成了基于移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)閉門器系統(tǒng)的硬件和軟件設(shè)計(jì)，主要有閉門器的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，硬件電路設(shè)計(jì)，Android客戶端的開發(fā)以及單片機(jī)程序的編寫。調(diào)試結(jié)果達(dá)到了預(yù)期的效果，在手機(jī)移動(dòng)客戶端上對(duì)閉門器實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制以及狀態(tài)的監(jiān)控，完成了單個(gè)的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)控制。本文進(jìn)行的基于移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的防火閉門器結(jié)構(gòu)和監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)，不僅僅是對(duì)閉門器領(lǐng)域的升級(jí)，更是對(duì)智能化管理的促進(jìn)和完善。