基于嵌入式系统的灭火机器人设计.pdf

Science and Technology&Innovation科技与创新2023 年 第 19 期55文章编号：2095-6835（2023）19-0055-03基于嵌入式系统的灭火机器人设计姚 康（广西民族大学电子信息学院，广西 南宁 530006）摘要：随着城市人口密度的持续增长，高层建筑得到普及，针对高层火灾问题，结合传感器技术和电机控制技术等相关技术的应用，设计了一种基于嵌入式系统的灭火机器人。该设计以 STM32F103 芯片为控制核心，主要设计了硬件系统、火焰识别、寻墙避障、喷水和远程启动等部分。机器人通过手机启动，经过多个光电传感器的配合实现对墙体的循迹和避障，期间可以进行火焰识别并进行喷水熄灭。经过 120 次现场调试，完成度高达 99.17%，调试结果表明，该系统的准确性和实用性均满足了使用要求。关键词：STM32F103；寻墙避障；灭火；声音启动中图分类号：TP273文献标志码：ADOI：10.15913/ki.kjycx.2023.19.017火灾一直是威胁人们生命财产安全的一大隐患，随着城镇化的不断推进，高层建筑不断增多，室内火灾在所有火灾中的占比越来越大，且目前高层建筑灭火的主要手段仍是消防员人工灭火，这种灭火方式无论在实时性还是安全性方面都不太可观。因此，研究并设计一台可以远程启动的家用灭火机器人是市场的迫切需求。1硬件系统设计灭火机器人硬件系统分为 3 部分：第一部分是灭火机器人硬件主体，由 STM32F103 核心板、车模及电源模块组成；第二部分是传感器部分，由 Wi-Fi 模块、光电传感器和火焰传感器组成；第三部分是电机控制部分1。硬件系统结构如图 1 所示。图 1硬件系统结构图1.1机器人硬件主体为了使灭火机器人具有较好的实用性，该设计的主 控 芯 片 选 用 以 AR M Co r t e x-M 3 为 内 核 的STM32F103C8T6，它是 32 位单片机，具有 72 MHz的主频，可以很好地满足灭火机器人对速度和精度的要求；它具有 64 kB 的程序存储器，无需外扩就可满足程序的完整烧录；该单片机在 80 时仍可正常工作，适合火灾这类高温场合；37 个 GPIO（General-Purpose Input/Output，通用型输入输出端口）为外设提供充足接口。综合多方面因素，STM32F103C8T6 是控制芯片的不二之选。电源和稳压模块组成电源模块。为了给各电机提供足够的电压，灭火机器人的电源由串联的 4 节 18650电池组成，电源主要为单片机、传感器和电机驱动模块供电，为32单片机和传感器供电的一路通过XL4015稳压模块稳压至 5 V，为电机驱动模块供电的一路通过XL4016E1 稳压模块稳压至 12 V。车模采用四驱差速结构，底盘为防火的铝合金材质，驱动电机采用驱动能力较强的 520 直流减速电机，可载重 6 kg 左右，除去各类模块，灭火机器人可以载5 kg 的水。1.2各类传感器灭火机器人共用到 3 种传感器，分别是 Wi-Fi 模块、光电传感器、火焰传感器，它们均由单片机的 5 V端口供电2。光电传感器原理如图 2 所示。光电传感器采用收发一体的 NPN（Negative-Positive-Negative，晶体三极管）常开型光电开关。相比于红外传感器和灰度传感器，它受可见光的影响小，具有较强的抗干扰能力，同时检测距离可以通过滑动变阻器进行调节，最远检测距离为 80 cm。光电传感器火焰传感器电机驱运模块（L298N 芯片）机械系统模块（四驱运动系统）电源模块（12 V 锂电池）主控制板（STM32F103单片机）灭火器人硬件主体Wi-Fi 模块科技与创新Science and Technology&Innovation562023 年 第 19 期图 2光电传感器原理图火焰传感器原理如图 3 所示。利用红外线接收管捕捉火焰中的红外波长来检测火焰，可以检测火焰或者波长在 7601 100 nm 范围内的光源，探测角度达60。该传感器使用宽电压 LM393 比较器，信号干净、波形好、驱动能力强，配可调精密电位器调节灵敏度3。模块在环境火焰光谱或者光源达不到设定阈值时，DO（Digital Output，数字输出信号）口输出高电平，当外界环境火焰光谱超过设定阈值时，模块 DO 输出低电平；模块数字量输出 DO 可以与单片机直接相连，通过单片机来检测高低电平，由此来检测环境的改变。图 3火焰传感器原理图Wi-Fi 模块采用 ESP8266 无线模块。该模块体积小、功耗低、可靠性高，通过 ESP8266 的软路由模式，完成服务器在 32 单片机上的建立，进而实现手机端与 MCU（Microcontroller Unit，微控制单元）之间的通信4。1.3电机控制模块该设计一共使用了 5 个直流 12 V 电机，包含 4 个520 驱动电机和 1 个水泵，均由 L298N 模块驱动5。L298N 电机驱动模块原理如图 4 所示。L298N 模块内含 2 个 H 桥的全桥驱动器，可以承受高电压、大电流，可以通过单片机的 GPIO 口对它进行脉冲宽度调制，一个 L298N 可以同时驱动 2 个直流电机，该灭火机器人设计用到了 3 个 L298N 模块。图 4L298N 电机驱动模块原理图2系统功能方案设计2.1远程控制该灭火机器人设计的初衷就是为了解决灭火的安全问题和时间问题，尽量将火灾消灭在萌芽状态，所以当火灾发生时如何快速做出应对方案就尤为重要。当火灾发生时，用户可以通过手机 APP 启动灭火机器人，进而快速有效地将火熄灭或消减火势。ESP8266 与单片机直接相连，由单片机的 5 V 电源供电，在软路由模式下，利用 ESP8266 建立一个Wi-Fi 热点，经过对该热点的名称、密码和地址等的简单配置后，单片机可以将参数通过串口通信传递给ESP8266 进而传至手机；在 ESP8266 获取了手机控制端的数据后可以通过串口发送给单片机，这样就可以实现单片机与手机间的数据传输6。2.2路径规划以国际灭火机器人赛场为例，为了实现对房间的全面检测，该设计采用右墙循迹法，具体行驶路径如图 5 所示。机器人右侧有 2 个用来检测墙面的光电管，检测距离一远一近；当两者同时测到墙面时，为了防止与墙体发送碰撞，机器人向左行驶，即远离墙体；当两者都检测不到时，机器人向右行驶，即靠近墙体；当只有一个可以检测到时，机器人直行前进。机器人的前端有一个光电管，当检测到墙体时，机器人左转。机器人左侧有一个光电管，用来判定是否进入第 4 个小房间，当机器人灭完第 3 个房间的火焰时，机器人会继续寻右墙行驶，当机器人来到第 4 个房间的门口时，左侧光电管检测不到墙体，继续行驶至机器人检0.1 F100 F0.1 F100 F+12 V+5 V放大器放大器10 K1 K1 K10 K10 KScience and Technology&Innovation科技与创新2023 年 第 19 期57测到墙体时，利用定时器延时 5 s，此时机器人原地左转至左侧传感器再次检测到墙体，这时机器人刚好旋转 180，之后机器人继续沿右墙循迹7。单位：cm图 5灭火机器人行驶路径2.3火焰识别及熄灭该设计的火焰识别采用单个火焰传感器实现，在红外接收头上缠绕一圈电工胶带来提高其抗干扰能力，保证了检测范围和精度。在火焰传感器下方放置喷头，使喷头和火焰传感器中心在铅垂线上且传感器和喷头的朝向一致8。火焰传感器和喷头安装在车体的右后方，当机器人检测到火焰时，机器人停止运动并启动水泵进行喷水，直至火焰传感器检测不到火焰为止。经过 120 次场景测试有 116 次将 4 个房间的火焰熄灭，4 次将 3 个房间的火焰熄灭，综合完成率达到了99.17%。3结束语本文设计的基于嵌入式系统的灭火机器人主要适用于高层建筑，当火灾出现时，可以通过手机端进行灭火机器人的启动，机器人按照程序的设定路径进行巡检，当发现火情时，机器人停止运动并进行喷水灭火，当火焰熄灭后机器人继续运动。该设计提供了一种新的高层楼房灭火措施，在火灾初期效果尤为明显，极大地提高了灭火的实时性和无人化程度，具有很高的应用价值。参考文献：1史兵，段锁林，李菊，等.基于无线传感器网络的室内移动灭火机器人系统设计J.计算机应用，2018，38（1）：284-289.2孙宁，裴文良，闵桂元，等.消防灭火机器人设计及应用J.消防科学与技术，2018，37（7）：942-944.3吴宜勇，郭颖，金嘉谊，等.基于 MSP430 的小车式灭火机器人设计J.国外电子测量技术，2017，36（11）：99-102.4俞仁，赵虹，王政忠，等.基于单片机的灭火机器人控制系统设计J.轻工科技，2019，35（3）：72-74.5贾佳.基于多传感器的智能自主灭火机器人的设计J.自动化与仪表，2020，35（12）：35-39.6刘锴圣，黄民.基于 STM32 的消防灭火机器人控制系统设计与研究J.轻工科技，2018，34（1）：70-71，109.7胡树坤，刘小虎.基于 STM32 的智能灭火机器人设计J.新余学院学报，2017，22（5）：152-156.8盛彬，乔栋.智能灭火机器人自动避障和火焰搜索的设计方案J.电子技术与软件工程，2017（12）：130-131.作者简介：姚康（1998），男，安徽安庆人，在读硕士研究生，研究方向为电力系统调频优化。（编辑：丁琳）（上接第 54 页）4陈庆.数字孪生在数据中心基础设施领域的应用探索J.中国金融电脑，2019（8）：67-71.5武俊红，周兴付.BIM 技术在数字孪生建设工程中的应用浅析J.产城：上半月，2021（6）：33-34.作者简介：武育（1980），男，研究方向为系统集成、智慧园区。（编辑：丁琳）808034462504646461164646