音樂煙花噴泉智能控制系統(tǒng)設(shè)計

王彬 吳明暉 周圍

摘? 要： 我國是煙花生產(chǎn)和消費(fèi)大國，傳統(tǒng)煙花的主要成分是黑色火藥，在生產(chǎn)、運(yùn)輸、儲存和燃放過程中危險性大，爆炸事故頻發(fā)，給社會造成很大的損失;同時傳統(tǒng)煙花燃放時效果單一，不能滿足特點(diǎn)場合的需求。金屬粉末在一定物理環(huán)境下可以實(shí)現(xiàn)燃燒，并可產(chǎn)生絢麗的色彩，如果以金屬粉末替代目前傳統(tǒng)的火藥作為煙花的燃放材料，通過可控的噴射裝置形成音樂煙花噴泉效果，具有不可估量的社會意義和廣闊的市場前景。但要實(shí)現(xiàn)金屬粉末的噴泉燃放，需要針對金屬粉末的燃燒控制方法、噴射裝備控制、音頻采集等技術(shù)開展理論和實(shí)驗(yàn)研究。本文主要在燃放設(shè)備的新型機(jī)構(gòu)、音頻采集、煙花機(jī)聯(lián)機(jī)智能控制等方面進(jìn)行了探索和實(shí)驗(yàn)研究。為煙花機(jī)的智能燃放提供控制基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞： 音頻采集;DMA傳輸;STM32F407微控制器;煙花噴泉

中圖分類號： TP353;TP368 ???文獻(xiàn)標(biāo)識碼： B??? DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2020.07.040

本文著錄格式：王彬，吳明暉，周圍. 音樂煙花噴泉智能控制系統(tǒng)設(shè)計[J]. 軟件，2020，41（07）：197-200

Design of Intelligent Control System for Music Fireworks Fountain

WANG Bin¹， WU Ming-hui¹， ZHOU Wei²

（School of Mechanical and Vehicle Engineering， School of Shanghai University of Engineering Sciences， Shanghai 201611， China;2. Military Representative Office of the Army Equipment Department in Xiangtan District，Xiangtan City， Hunan Province 411100， China）

【Abstract】： China is a big country in the production and consumption of fireworks. The main component of traditional fireworks is black powder， which is dangerous during production， transportation， storage and discharge， and frequent explosion accidents cause great losses to the society. At the same time， the effect of traditional fireworks when they are discharged Single， can not meet the needs of characteristic occasions. Metal powder can be burned in a certain physical environment， and it can produce gorgeous colors. If metal powder is used to replace the current traditional gunpowder as a fireworks display material， the effect of music fireworks fountains can be formed by a controllable spray device. Significance and broad market prospects. However， in order to realize the fountain discharge of metal powder， theoretical and experimental research needs to be carried out on metal powder combustion control methods， injection equipment control， audio acquisition and other technologies. This paper mainly explores and experimentally studies the new mechanism of the discharge equipment， audio acquisition， and online intelligent control of the fireworks machine. Provide a control basis for the intelligent firing of firework machines.

【Key words】： Audio acquisition; DMA transmission; STM32F407 microcontroller; Fireworks fountain

0? 引言

“人間巧藝奪天工，煉藥燃燈清晝同。”這是元朝詞人趙孟頫的千古名詩《贈放煙火者》中描寫燃放煙花的熱鬧場景。煙花是燦爛的，它像一個不可思議的戲法師，把化學(xué)成分變換成五彩繽紛的火焰，給暗沉的天空繡上了一朵朵絢麗的花，為我們帶來勃勃生機(jī)。

放煙花是我國古老的民俗活動，早在唐代詩人蘇味道的《正月十五日》里就有記載：“火樹銀花”，宋代有“火藥什戲”，明代有“木架煙花”^[1]。煙花主要由火藥、效果藥、氧化劑和可燃劑等成分組成。通過效果藥在化學(xué)反應(yīng)中產(chǎn)生出的聲、光、焰色、煙霧等煙火效應(yīng)，讓人們得到“美”的享受。但煙花并不是完美無暇的，目前市面上主流煙花產(chǎn)品點(diǎn)燃后會產(chǎn)生NO_X、SO₂等污染環(huán)境的有害氣體，根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)^[2-3]調(diào)研，在燃放煙花的節(jié)日期間，空氣質(zhì)量明顯下降，空氣中的有毒有害氣體濃度大幅提高。同時，由于火藥的存在煙花在生產(chǎn)、運(yùn)輸過程中都有高危險性，煙花爆炸傷人的事件時有發(fā)生。此外傳統(tǒng)的煙花只能實(shí)現(xiàn)一定時間、一定高度的燃放，這在某些表演場合往往達(dá)不到使用需求。

因此本文以金屬粉末替代傳統(tǒng)的火藥作為煙花的燃放材料，設(shè)計了一種無火藥煙花機(jī)，并對煙花控制系統(tǒng)進(jìn)行了研究。控制系統(tǒng)是集無線通信技術(shù)、電機(jī)驅(qū)動、音頻處理和多傳感器技術(shù)的復(fù)雜系統(tǒng)集成，是實(shí)現(xiàn)煙花音樂噴泉燃放的關(guān)鍵，也是實(shí)現(xiàn)無火藥燃放的難點(diǎn)所在。

1 ?煙花機(jī)工作原理

以研究煙花無火藥燃放為目標(biāo)，設(shè)計了煙花機(jī)總體機(jī)械結(jié)構(gòu)，機(jī)械結(jié)構(gòu)主要包括可變溫的螺桿輸送裝置以及煙花噴射裝置。機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖1所示。

首先要將金屬粉末放置在送料口中，金屬耗材靠重力自然下降進(jìn)入送料螺桿，送料螺桿通過傳動鏈條由送料電機(jī)帶動旋轉(zhuǎn)，根據(jù)螺旋輸送原理，金屬耗材將被逐漸送入到加熱管;然后在加熱輸送管中，控制系統(tǒng)會根據(jù)耗材的不同特性將耗材加熱到設(shè)定溫度（此時的耗材隔絕緣氧氣不會燃燒）;最后耗材繼續(xù)螺旋輸送到達(dá)出風(fēng)口，伴隨著離心風(fēng)機(jī)吹出的高速氣流耗材向上運(yùn)動，與氧氣作用燃燒，產(chǎn)生煙花的效果。

要實(shí)現(xiàn)煙花耗材的穩(wěn)定輸送、均勻加熱、飽滿燃放，這離不開智能控制系統(tǒng)，智能控制系統(tǒng)包括無線通訊、音頻采集、上位機(jī)控制以及下位機(jī)控制四部分。

2 ?煙花機(jī)無線控制

無線控制采用了較為成熟的2.4G無線通訊技術(shù)。應(yīng)用了一款工作于2.4 GHz頻段、2 Mbps高速率、低功耗的收發(fā)芯片（nRF24L01），該芯片抗干擾能力強(qiáng)，適合工作于電磁環(huán)境較為復(fù)雜的控制場合。nRF24L01共有三種工作模式，在控制當(dāng)中我們選擇nRF24L01工作在Enhanced ShockBurstTM模式^[4]，這種收發(fā)模式下，nRF24L01會自動處理字頭和CRC校驗(yàn)碼。煙花機(jī)的遠(yuǎn)程控制由圖2的遙控終端實(shí)現(xiàn)。遙控終端采用STM32開發(fā)，其功能一方面是可以與上位機(jī)通訊，將上位機(jī)的信息以無線的形式傳輸給各臺煙花機(jī);另一方面遙控終端本身也可以遙控?zé)熁C(jī)，其內(nèi)部裝有3.7 V的鋰電池，可獨(dú)立供電。遙控終端提高了煙花機(jī)控制的便捷性與多樣性。終端會接收各煙花機(jī)的數(shù)據(jù)，一一顯示他們的溫度數(shù)據(jù)、狀態(tài)準(zhǔn)備數(shù)據(jù)（如圖中OLED顯示），并通過運(yùn)算處理控制各個煙花機(jī)的工作狀態(tài)。在溫度或狀態(tài)異常的情況下，監(jiān)控終端會迅速報警。整個控制單元實(shí)現(xiàn)了對各煙花機(jī)的實(shí)時控制與數(shù)據(jù)傳輸。

3 ?音頻采集模塊

煙花噴泉可以根據(jù)音樂節(jié)奏改變?nèi)挤判Ч娙鎮(zhèn)渎?、光、色、形，可激發(fā)人們的歡快、愉悅的情緒，并從煙花噴泉中獲得美的享受。煙花噴泉控制難點(diǎn)在于音樂節(jié)奏采集，這里主要由音樂提取模塊來完成。

音樂采集模塊主要集成在圖2的遠(yuǎn)程遙控終端中，采用的是慧凈電子生產(chǎn)的聲音傳感器模塊，如圖3所示。該模塊集成了鉭電容、高靈敏度咪頭以及可調(diào)節(jié)放大音頻倍數(shù)的運(yùn)放，可將采集到的音樂信號進(jìn)行濾波，放大一定的倍數(shù)并轉(zhuǎn)換成模擬量，然后由單片機(jī)AD采樣。

要實(shí)現(xiàn)良好的音樂噴泉效果，需要對音頻采集速度進(jìn)行優(yōu)化，主要方式是提高AD采樣速度。因此控制單元調(diào)用了STM32單片機(jī)中的DMA外設(shè)（Direct Memory Access直接存儲訪問）。DMA是一種CPU不參與傳送的操作，完全由硬件執(zhí)行數(shù)據(jù)交換的工作方式。省去了CPU取指令、取數(shù)據(jù)、送數(shù)據(jù)等操作。DMA傳輸方式能滿足高速I/O設(shè)備的要求，也有利于CPU效率的發(fā)揮。DMA為采樣頻率高、連續(xù)輸出數(shù)據(jù)的AD采集提供了更高效的方法，DMA數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓δ芸驁D如圖4所示。在傳輸完成后，通過USB總線發(fā)送到上位機(jī)。

4 ?上位機(jī)軟件設(shè)計

上位機(jī)開發(fā)基于LabVIEW（Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench）。LabVIEW的數(shù)據(jù)采集和儀器控制兩大基本功能是其核心技術(shù)，是目前發(fā)展最快、功能最強(qiáng)大的圖形化軟件開發(fā)集成環(huán)境^[5]。

上位機(jī)的主要作用是：對音樂采集模塊采集到的信號進(jìn)行濾波處理，并將音樂頻率轉(zhuǎn)換成相關(guān)控制指令。上位機(jī)軟件系統(tǒng)采用模塊化編程思想，可分為：音樂數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)濾波預(yù)處理模塊、音樂頻率圖形顯示模塊、主控制模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊等，各功能模塊結(jié)構(gòu)如圖5所示。

煙花機(jī)的上位機(jī)界面如圖6所示。上位機(jī)界面是方便人機(jī)交互的界面，根據(jù)功能主要分為端口號選擇、煙花機(jī)高度控制模塊、音樂控制模塊和圖形顯示模塊。端口號選擇為上位機(jī)與遙控終端通訊提供了橋梁，高度控制模塊主要是在非音樂噴泉情況下使用，包含燃放參數(shù)設(shè)置、參與燃放的機(jī)器勾選以及溫度實(shí)時顯示;音樂控制模塊包含音樂數(shù)據(jù)采集按鍵、聲音底噪濾波處理、音頻信號幅值調(diào)整;圖形顯示模塊主要為濾波后的音樂節(jié)奏顯示。

整個煙花機(jī)的音樂噴泉燃放控制結(jié)構(gòu)如圖7所示，先由音樂提取模塊對環(huán)境中的聲音進(jìn)行采集，然后經(jīng)過上位機(jī)的決策與協(xié)調(diào)控制單元的處理，將一定指令的信息發(fā)送給煙花機(jī)。在燃放過程中，煙花機(jī)噴射風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速、加熱溫度和輸送電機(jī)轉(zhuǎn)速始終由上位機(jī)來設(shè)定，直至噴泉燃放任務(wù)結(jié)束。

5 ?下位機(jī)軟件設(shè)計

煙花機(jī)的下位機(jī)軟件流程如圖8所示。當(dāng)煙花機(jī)啟動，無線模塊會等待無線指令傳輸。一旦煙花機(jī)接收到指令，主控板上的STM32單片機(jī)會對指令進(jìn)行解析，并執(zhí)行相關(guān)代碼。

6 ?實(shí)驗(yàn)與結(jié)論

本文錄制了一段播放音樂中的煙花燃放視頻，由于不能視頻播放，筆者截取了在緩和、歡快以及高亢音樂節(jié)奏下的煙花燃放高度，不同音樂節(jié)奏下的煙花效果如圖9所示。視頻表明智能系統(tǒng)控制響應(yīng)迅速，煙花噴泉符合音樂節(jié)奏變化。

本文完成了智能化的控制系統(tǒng)的設(shè)計，對控制系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)做了詳細(xì)的設(shè)計，提高了燃放效果。對音頻提取和2.4G無線遙控終端的設(shè)計展開分析，介紹了各模塊的功能。軟件部分基于嵌入式C語言和LabVIEW設(shè)計，煙花機(jī)主控板和遠(yuǎn)程終端遙控系統(tǒng)采用嵌入式C語言編程，通過試驗(yàn)調(diào)試，實(shí)現(xiàn)了兩者之間的數(shù)據(jù)交換和相關(guān)模塊的遠(yuǎn)程無線控制。上位機(jī)基于LabVIEW設(shè)計，實(shí)現(xiàn)了音樂噴泉效果?？傮w來說，煙花機(jī)各控制部分可以穩(wěn)定運(yùn)行，滿足設(shè)計要求。

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