手機藍牙控制的多功能滅火小車的設計與實現(xiàn)

楊珂泉　魏勝利

摘要：通過對現(xiàn)有自動滅火小車的研究，設計和實現(xiàn)了一種使用手機進行遠程控制的多功能滅火小車。滅火小車以Ardui-no單片機作為控制核心，手機和滅火小車通過藍牙進行通信。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。手機端的APP能夠隨時控制小車的行駛方向和滅火裝置的開關，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，本設計方案機動性更強，體積小、功耗低，更加適應復雜多變的火場，具有一定的實用價值。

關鍵詞：滅火小車；循跡滅火；避障滅火；Arduino單片機；藍牙技術

中圖分類號：TP311 文獻標識碼：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，每年因火災造成的損失非常慘重。當火災發(fā)生時如何快速發(fā)現(xiàn)和滅火一直是人們研究的重點。很多發(fā)達國家都非常重視滅火裝置的應用和發(fā)展。我國已經(jīng)意識到這點，正在努力的探索中?，F(xiàn)有的大部分滅火機器人工作形態(tài)單一、只能應對個別環(huán)境下的滅火工作。例如，在崔清宇、時澤宇設計的智能滅火小車中僅僅能實現(xiàn)小車能夠避障前行并滅火；在劉天宇設計的藍牙智能小車系統(tǒng)中只能夠實現(xiàn)用手機APP控制小車的前進方向?？紤]到火場的復雜性，結合現(xiàn)有滅火機器人的優(yōu)點，本文設計并實現(xiàn)了一種基于Arduino單片機并通過藍牙實現(xiàn)手機控制的多功能滅火小車。能夠隨時切換不同工作模式，應對復雜多變的火場情況，更加高效地完成滅火工作。

2體設計

滅火小車整體由MCU、藍牙模塊、火焰探測模塊、紅外避障模塊、紅外循跡模塊、滅火模塊、電機驅動模塊、電源模塊組成。MCU由Arduino單片機擔任。通過手機APP控制小車，能夠實現(xiàn)小車的前進、后退、停止、左轉、右轉、開關滅火裝置、循跡滅火、自動巡航式滅火等功能。藍牙模塊通過與手機端上的藍牙進行匹配，接收從手機端發(fā)送過來的動作指令，再把指令傳遞給單片機，單片機通過分析處理接收到的指令來運行不同的子程序，從而實現(xiàn)小車的不同功能。手機端的APP功能界面和滅火小車的整體結構如圖1和圖2所示。

3硬件電路的設計

3.1主控芯片

在該設計方案中，紅外避障與循跡模塊需要用到5路數(shù)字輸入輸出口進行高低電平信號采集，底盤電機驅動也需要用到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54路數(shù)字輸入輸出，特別適合需要大量10接口的設計。同時作為一個開源的硬件平臺，Arduino內部封裝了很多函數(shù)和大量的傳感器函數(shù)庫，使電子設計的人可以很快創(chuàng)造出由屬于自己的作品。

3.2藍牙模塊

藍牙部分采用HC-06藍牙模塊實現(xiàn)。將它的TXD接MCU的RX端，它的RXD端接MCU的TX端。藍牙模塊與手機配對以后完全就當是一個固定波特率的串口使用。通過串口的AT命令集對藍牙和小車模塊進行配置。通過手機APP發(fā)送串口數(shù)據(jù)，利用藍牙與單片機保持通信，通過設置“按鈕名稱”和程序中相應的“發(fā)送內容”就能夠實現(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?；鹧?zhèn)鞲衅骺梢詸z測火焰或者波長在760納米-110納米范圍內的光源。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，本設計采用火焰?zhèn)鞲衅鞯腁0端口，遠紅外火焰探頭將外界紅外光的強弱變化轉化為電流的變化，反映為0-255范圍內數(shù)值的變化。紅外光越弱，數(shù)值越小；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的特點確定行走的路線。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，當發(fā)出的紅外線沒有被反射回來或反射回來但強度不夠大時，紅外接收管一直處于關斷狀態(tài)，此時的TTL輸出為高電平，相應指示二極管一直處于熄滅狀態(tài)；當紅外線被反射回來且強度足夠大，紅外接收管導通，此時的TTL輸出端為低電平，指示二極管被點亮。

單片機根據(jù)不同的電平變化對小車的前進方向做出調整，使小車能夠正確按照指定的方向運行。

3.5滅火模塊

滅火模塊主要由一個舵機和滅火裝置組成，放置在小車的正前方，根據(jù)單片機的發(fā)出的指令，舵機能夠左轉和右轉，當舵機轉到相應位置時，滅火裝置啟動開始滅火操作。滅火裝置由單片機控制輸出信號，在程序中輸出一個低電平0時，就可以啟動滅火裝置。設定相應的滅火工作延時，當?shù)竭_時間后舵機回到原來位置滅火裝置停止工作，小車繼續(xù)工作。

4功能設計

4.1循跡滅火功能

在循跡滅火模式下，按下手機APP中“循跡滅火”按鈕，手機通過藍牙發(fā)出相對應的信號，位于小車上的藍牙模塊收到信號后傳送給單片機，單片機根據(jù)程序內容來執(zhí)行相對應的指令。循跡滅火功能是小車利用兩個循跡傳感器根據(jù)鋪設的黑白線前進。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，此時小車左轉。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，此時小車右轉。當分布在左、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，舵機轉向相對應的方向，滅火裝置啟動，延時滅火一段時間后，舵機回到原來位置，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，循跡滅火模式在實際應用時有很大限制，因為在實際情況下，不可能有設計好的黑白路徑可供使用。因此，巡航滅火模式實際應用價值更大，而循跡滅火模式通常用來對系統(tǒng)進行測試。巡航滅火也是我們重點研究的內容。巡航滅火功能主要用于不知道房間內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確發(fā)現(xiàn)火源地并順利避開障礙物到達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為X軸，三個火焰?zhèn)鞲衅鞣謩e位于30°、90°和150°三個位置，因為火焰?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。

在實驗環(huán)境下，火焰?zhèn)鞲衅麟x火焰的距離和對應的測量電壓如表1所示。

調節(jié)火焰?zhèn)鞲衅鞯臋z測閥值，其最遠探測距離可以達到90cm-100cm，可以根據(jù)實際情況調節(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方向。在以后會采用更加智能的巡航測量。小車轉向度數(shù)根據(jù)小車轉向時車速不同來調節(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“左轉法則”，即小車前進過程中延左側旋轉，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APP上的按鈕來控制小車的前進、后退、左轉、右轉、停止和滅火裝置的開關。當房間發(fā)生火災，可利用手機遠程控制小車前進到火焰面前，然后開啟滅火裝置，滅火完成后關閉滅火裝置，再繼續(xù)控制小車前往其他火源地點，直到完成所有滅火工作。

5總結

基于Arduino單片機的藍牙多功能滅火小車，能夠通過手機APP遠程控制小車，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上的一點改進，具有一定的實用價值和發(fā)展前景。