基于Arduino的消防偵查小車設(shè)計

楊鎧睿 姜銳函 徐紅梅

摘要：針對發(fā)生火災(zāi)或煤氣泄漏時因火勢兇猛或有毒氣體濃度過高導(dǎo)致救援人員不能及時進(jìn)入現(xiàn)場的問題，設(shè)計一種基于Arduino單片機(jī)的偵查小車。小車能夠不受惡劣環(huán)境影響，通過自動循跡或遠(yuǎn)程遙控的方法迅速進(jìn)入現(xiàn)場，利用煙霧傳感器測量現(xiàn)場煙霧濃度，通過WiFi模塊將內(nèi)部情況傳回控制端，為救援人員快速制定救援方案提供準(zhǔn)確信息，在保障救援人員安全的同時提高救援效率。

關(guān)鍵詞：Arduino;WiFi模塊;紅外傳感器;煙霧傳感器

中圖分類號：TP319 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

隨著社會的高速發(fā)展，城市中火災(zāi)頻繁發(fā)生，危害人民的生命財產(chǎn)安全，同時也給消防人員帶來了巨大的挑戰(zhàn)。發(fā)生火災(zāi)時現(xiàn)場環(huán)境復(fù)雜，且存在大量燃燒產(chǎn)生的有毒氣體，對救援人員的人身安全造成威脅，影響救援效率。為此設(shè)計一款以Arduino單片機(jī)為核心的偵查小車，使其能夠進(jìn)入存在較大危險的場景，實時探測內(nèi)部情況并傳回控制端;同時設(shè)計一款控制界面，能夠通過WiFi連接遠(yuǎn)程控制小車，確保偵查過程的可靠性。智能偵查小車為救援人員快速制定救援方案提供了準(zhǔn)確信息，使得救援更具針對性，大大提高救援效率。

1偵查小車整體設(shè)計

小車由Arduino單片機(jī)、驅(qū)動模塊、循跡模塊、避障模塊、傳感器模塊、WiFi模塊、攝像模塊組成，具有自動避障、自動循跡、實時傳輸內(nèi)部環(huán)境情況檢測氣體和煙霧濃度是否正常等功能。偵查小車系統(tǒng)總體框圖如圖1所示。

小車以Arduino單片機(jī)為核心，處理相關(guān)信息;以L293D芯片為驅(qū)動，控制小車的移動和轉(zhuǎn)向;通過紅外避障模塊檢測小車四周是否有障礙，紅外循跡模塊可以使小車沿著特定的路線前進(jìn);MQ-5煙霧傳感器，提供內(nèi)部環(huán)境可燃?xì)怏w的濃度情況;云臺的攝像頭觀察火場四周環(huán)境;通過自主設(shè)計的上位機(jī)顯示內(nèi)部氣體濃度情況和攝像頭拍攝到的畫面，并可以實現(xiàn)控制小車的運動以及云臺的方向;WiFi模塊實時進(jìn)行上位機(jī)與單片機(jī)的信息交互;采用履帶行動，可以較好地適應(yīng)各種地面，越過障礙物;外部罩有防火材料制作的外殼，可以保障內(nèi)部器件的正常運作。

2偵查小車硬件部分設(shè)計

2.1驅(qū)動模塊

本文選擇Arduino單片機(jī)作為小車的核心處理器，因為Arduino編程的開發(fā)環(huán)境簡潔，庫函數(shù)豐富，易于使用。同時Arduino是開源硬件，便于功能的擴(kuò)展，節(jié)約學(xué)習(xí)成本。

Arduino單片機(jī)的I/O端口驅(qū)動能力有限，為提高小車行進(jìn)速度和在上坡等復(fù)雜地形有足夠動力，采用L293D作為驅(qū)動模塊來驅(qū)動電機(jī)，以PWM方式控制電機(jī)轉(zhuǎn)速從而控制小車行進(jìn)方向和速度。

2.2紅外傳感器

避障模塊和循跡模塊采用紅外傳感器，原理圖如圖2所示，圖中A為紅外管，B為光敏三極管。該模塊有三個引腳，VCC接+5V電源，GND接電源負(fù)極，OUT為信號輸出端。在小車的前端安裝兩個朝向前方的紅外傳感器作為避障模塊，避障模塊的工作原理是：前方有障礙時，紅外管發(fā)出的紅外線被障礙反射，反射回的紅外線使光敏三極管導(dǎo)通，a點輸出電壓為低電平;當(dāng)前方?jīng)]有障礙時紅外線不會反射，此時光敏三極管截止，a點輸出電壓為高電平，由此可以根據(jù)輸出電平判斷前方是否有障礙。

在小車的前端安裝兩個朝向地面的紅外傳感器作為循跡模塊，小車循跡的功能是在如圖3所示的黑色軌道上實現(xiàn)的。尋跡模塊的工作原理是：當(dāng)小車在軌道上行駛時，紅外管發(fā)出的光被白色地面反射使光敏三極管導(dǎo)通，a點輸出電壓為低電平;當(dāng)小車偏離軌道時，左側(cè)或右側(cè)的紅外管發(fā)出的紅外線被黑色軌跡吸收，導(dǎo)致光敏三極管截止，a點輸出電壓為高電平。單片機(jī)實時檢測兩個傳感器的輸出電壓，并根據(jù)輸出電壓調(diào)整小車運動方向。

2.3煙霧傳感器

小車采用MQ-5傳感器，主要檢測空氣中的液化氣、甲烷等可燃?xì)怏w含量。工作流程是將傳感器模擬信號進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換為數(shù)字電壓信號，再通過WiFi傳輸至終端。為實現(xiàn)精準(zhǔn)A/D轉(zhuǎn)換，根據(jù)如圖4所示MQ-5傳感器的靈敏度特性曲線，分析傳感器參數(shù)與氣體濃度的關(guān)系。圖中橫坐標(biāo)為氣體濃度，縱坐標(biāo)為傳感器在不同濃度氣體中的電阻值與傳感器在潔凈空氣中的電阻值之比。由圖可以看出，空氣中可燃?xì)怏w的濃度越高，傳感器的電導(dǎo)率越大。為實現(xiàn)電導(dǎo)與輸出電壓的轉(zhuǎn)換，設(shè)計如圖5所示電路，煙霧濃度發(fā)生變化時，輸出電壓Uo將隨傳感器的電導(dǎo)變化。

由于氣敏元件內(nèi)阻很小，在剛接通時難以達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，所以在使用MQ-5模塊時，需預(yù)熱一段時間再開始測量，以減少誤差。

2.4WiFi模塊

WiFi模塊使用ESP8266芯片，因為ESP8266芯片高度集成，僅需極少的外部電路即可實現(xiàn)所需功能，從而減小小車體積。通過WiFi連接可以控制小車的行進(jìn)，同時小車也能夠傳回現(xiàn)場的畫面和有毒氣體濃度。

3偵查小車軟件部分設(shè)計

利用Visual Basic軟件制作如圖6所示控制界面。

在控制界面可以切換小車的行進(jìn)方式，有手動遙控和自動循跡兩種方式。控制界面上顯示火場的實時煙霧濃度和攝像機(jī)拍攝的現(xiàn)場畫面，同時還可以遙控搭載攝像頭的云臺的角度，便于消防人員詳細(xì)觀察火場內(nèi)部情況。

4總結(jié)

本文設(shè)計了一種基于Arduino單片機(jī)的消防偵查小車，裝載L239D驅(qū)動芯片、MQ-5煙霧傳感器以及ESP8266芯片，能夠通過WiFi遠(yuǎn)程遙控小車進(jìn)入火場，并且實時傳回現(xiàn)場畫面和煙霧濃度，必要時小車還可以利用紅外傳感器進(jìn)行自動循跡避障。在一定程度上保障了消防人員的安全，同時提高了救援效率。