彭臻妍　黃家暉　廖展豪　李曉欽　區(qū)浩輝

摘要：本設(shè)計(jì)為基于北斗定位技術(shù)的以STM32為主控芯片的森林防火滅火機(jī)器人，這種機(jī)器人產(chǎn)品通常由驅(qū)動(dòng)、紅外、超聲波、溫度等基礎(chǔ)模塊以及WIFI232模塊、北斗模塊和無(wú)線通信模塊組成。其中，通信模塊由兩塊NRF24L01無(wú)線模塊所組成，一塊用作接收，另一塊用作發(fā)射。驅(qū)動(dòng)模塊由L298P型號(hào)的驅(qū)動(dòng)芯片和電動(dòng)馬達(dá)所構(gòu)成，HJ-IR2紅外傳感器則是紅外傳感器模塊的關(guān)鍵組件。機(jī)器人通過(guò)北斗定位技術(shù)實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)防火滅火。

關(guān)鍵詞：北斗定位；超聲波傳感器；無(wú)線通信模塊；森林防火滅火機(jī)器人

引言

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的迅猛發(fā)展，機(jī)器人制造產(chǎn)業(yè)成為該領(lǐng)域的典型代表之一，涌現(xiàn)出了大量新興產(chǎn)業(yè)。例如可以幫助人們減輕家務(wù)的掃地機(jī)器人，可以代替導(dǎo)盲犬或在復(fù)雜地形幫助尋路的導(dǎo)航機(jī)器人，極大提升了人們的生活便利性。國(guó)內(nèi)對(duì)于森林防火愈加重視，我國(guó)對(duì)于森林火災(zāi)的防火措施重點(diǎn)集中在預(yù)防森林火災(zāi)。通過(guò)王小菲，馬華衛(wèi)，李元旭等人的文獻(xiàn)資料可以清晰發(fā)現(xiàn)，我國(guó)對(duì)于森林防火依然缺少充足的應(yīng)對(duì)措施。本設(shè)計(jì)為基于北斗定位技術(shù)的森林防火滅火機(jī)器人，可實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單防火滅火。

一、總體設(shè)計(jì)

在本項(xiàng)目中，森林防火智能小車需要能實(shí)現(xiàn)尋線巡邏，判斷是否有障礙并且自動(dòng)避障。同時(shí)，在巡邏中能判斷周圍是否有溫度異常區(qū)域，向溫度異常區(qū)域噴灑水來(lái)解決溫度異?，F(xiàn)象。當(dāng)無(wú)法解決或智能小車缺少蓄水時(shí)，便會(huì)進(jìn)一步判斷是否生成火災(zāi)。當(dāng)火情已經(jīng)出現(xiàn)且智能小車無(wú)法撲滅時(shí)，小車自動(dòng)將北斗定位信息上傳云平臺(tái)。小車還會(huì)結(jié)合自身電量決定是否要繼續(xù)尋跡或返航。該機(jī)器人的工作運(yùn)行圖以及各個(gè)模塊的相互關(guān)系如圖1、2、3所示：

二、硬件模塊設(shè)計(jì)

（一）智能小車實(shí)現(xiàn)避障

該模塊在智能森林防火小車中起到規(guī)避障礙物的基礎(chǔ)功能。其中運(yùn)用HC-SR04型號(hào)的超聲波主要發(fā)揮了測(cè)距和避障功能，超聲波模塊通過(guò)發(fā)射超聲波脈沖并接收其反射波來(lái)獲得障礙物與小車之間的距離。該模塊由超聲波發(fā)射器和超聲波接收器，從而實(shí)現(xiàn)了探測(cè)距離的能力，可探測(cè)距離為：2cm-450cm。在實(shí)際情況中，該探測(cè)距離足夠應(yīng)付各種復(fù)雜情況。在智能小車中，HC-SR04超聲波模塊被安裝在小車的前部，可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)小車前方的障礙物距離。當(dāng)超聲波模塊探測(cè)到障礙物時(shí)，它會(huì)立即發(fā)送信號(hào)給控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)根據(jù)接收到的距離信息來(lái)判斷是否需要進(jìn)行避障動(dòng)作，同時(shí)也在智能小車左右兩邊均安裝超聲波模塊，在麥克納姆輪的幫助下可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜地形的避障動(dòng)作。

（二）通信模塊

在智能森林防火小車中，NRF24L01無(wú)線通信模塊可以起到將小車內(nèi)部的各種傳感器數(shù)據(jù)（如溫度、濕度、煙霧濃度等）通過(guò)無(wú)線方式傳輸?shù)较到y(tǒng)設(shè)定的平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)對(duì)森林火情的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和數(shù)據(jù)采集。

NRF24L01是一種低成本、低功耗的2.4GHz無(wú)線通信模塊，可用于實(shí)現(xiàn)短距離的無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸。其具有多信道選擇功能，可避免與其他無(wú)線設(shè)備的干擾。支持高速的數(shù)據(jù)傳輸，最大傳輸速率可達(dá)2Mbps，適用于快速傳輸數(shù)據(jù)的場(chǎng)景。而且NRF24L01模塊設(shè)計(jì)為低功耗，可在待機(jī)模式下實(shí)現(xiàn)極低的功耗，適用于森林日常巡邏的長(zhǎng)時(shí)間工作。通信模塊支持多種通信模式和網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，可以滿足不同應(yīng)用場(chǎng)景的需求。

（三）電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊

該智能小車采用L298N模塊作為電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊[1]，可以方便控制小車的前后直流電機(jī)。L298N模塊內(nèi)部包含4通道邏輯驅(qū)動(dòng)電路和橋電路，一個(gè)模塊[2]就可以很方便同時(shí)驅(qū)動(dòng)2個(gè)電機(jī)?？刂贫艘_與單片機(jī)的PC0～PC3、PC6～PC12、PD2端口相連，通過(guò)控制電流方向來(lái)實(shí)現(xiàn)小車的前進(jìn)、后退或停車。采用PWM軟件調(diào)速可以調(diào)節(jié)小車左右輪的速度和轉(zhuǎn)動(dòng)方向，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)小車行駛方向的精確控制。

三、軟件設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)一個(gè)微信小程序，實(shí)現(xiàn)在微信中打開北斗工具箱小程序，可以展示當(dāng)前小車的連接狀態(tài)，中間有一個(gè)連接小車的按鈕，點(diǎn)擊則會(huì)連接小車，連接小車之后，按下方的導(dǎo)航界面，則會(huì)跳轉(zhuǎn)到路線規(guī)劃界面，展示出騰訊地圖，可以在界面進(jìn)行路線規(guī)劃，如圖4所示。

（一）微信小程序前端開發(fā)

微信小程序（Wechat Mini Program）是一款由騰訊公司推出的應(yīng)用程序，可在微信軟件中運(yùn)行，是一種不需下載安裝即可使用的應(yīng)用，它是基于微信客戶端的輕量級(jí)應(yīng)用，利用微信提供的基礎(chǔ)能力，實(shí)現(xiàn)了極致的用戶體驗(yàn)，用完即走。微信小程序借助微信龐大的生態(tài)圈系統(tǒng)，擁有微信搜索、公眾號(hào)跳轉(zhuǎn)、小程序菜單等多個(gè)入口，用戶接入成本極低。其采用了MINA開發(fā)框架，視圖層包括WXML和WXSS文件，通過(guò)騰訊地圖的API，實(shí)現(xiàn)在頁(yè)面上展示地圖，如圖5所示。[3]

（二）微信小程序后端開發(fā)

使用的技術(shù)包括 Spring Boot 框架，用于構(gòu)建微服務(wù)應(yīng)用程序，并與阿里云等云服務(wù)提供商集成，以實(shí)現(xiàn)高可用性和可擴(kuò)展性。這些后端服務(wù)通常包括用戶認(rèn)證、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、與第三方服務(wù)的集成（如支付、地理位置、消息推送等）以及與微信小程序前端的交互接口。通過(guò)這些后端服務(wù)，可以實(shí)現(xiàn)微信小程序的功能，包括但不限于用戶管理、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和業(yè)務(wù)邏輯處理[4]。

四、系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果

該機(jī)器人使用超聲波及紅外避障模塊，檢測(cè)障礙物信息，進(jìn)行避障操作，其中火焰?zhèn)鞲衅髂K使得機(jī)器人具備識(shí)別感應(yīng)火焰操作，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)定位火焰位置，機(jī)器人通過(guò)超聲波模塊進(jìn)行避障，利用舵機(jī)實(shí)現(xiàn)搖擺灑水滅火，機(jī)器人速度的控制精度和穩(wěn)定性較高，測(cè)試如圖6、7所示。

結(jié)語(yǔ)

本設(shè)計(jì)為基于北斗定位技術(shù)的以STM32為主控芯片的森林防火滅火機(jī)器人，它主要利用現(xiàn)今先進(jìn)的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，將較高性能、較低功耗的STM32芯片和多樣傳感器及硬件模塊進(jìn)行融合，實(shí)時(shí)檢測(cè)火焰，使小車能夠完成簡(jiǎn)單的運(yùn)動(dòng)、避障和防火滅火操作。同時(shí)，小車的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，采用螺絲將各模塊固定在車身上，易于安裝和操作，具有較強(qiáng)的實(shí)際應(yīng)用意義。

參考文獻(xiàn)

[1]曾維鵬，張逢春.基于藍(lán)牙手機(jī)的遙控小車的設(shè)計(jì)與制作[J].電子制作，2016（19）：8+34.

[2]柳葉.基于微信小程序的校園導(dǎo)航系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].測(cè)繪與空間地理信息，2021，44（11）：84-86.

[3]范光明.基于微信小程序的行車記錄系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].吉林大學(xué)，2019.

[4]王奎，程科，李肇基，等.基于STM8l平臺(tái)的智能云窗控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D].江蘇科技大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院，2017.

作者簡(jiǎn)介：彭臻妍（2004- ），女，漢族，湖南澧縣人，本科，研究方向：電氣工程及其自動(dòng)化。