隧道懸掛式軌道滅火機(jī)器人遠(yuǎn)程控制和監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研發(fā)

侯天陽(yáng)，舒啟林

(沈陽(yáng)理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110159)

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)建設(shè)的飛速發(fā)展，隧道交通已經(jīng)變得越來(lái)越重要，而針對(duì)隧道消防安全問(wèn)題，目前的研究仍存在不足[1]。周慶等研究發(fā)現(xiàn)，在很多封閉環(huán)境，消防人員很難接近火源，若不能及時(shí)撲滅火源，大量濃煙在隧道內(nèi)積聚，將嚴(yán)重危及滅火人員和周?chē)用竦纳c財(cái)產(chǎn)安全，因此第一時(shí)間發(fā)現(xiàn)火情是控制和消滅火災(zāi)的最佳時(shí)機(jī)[2]。鮑明松等設(shè)計(jì)的消防偵查滅火機(jī)器人雖然可以進(jìn)入火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)，但應(yīng)用場(chǎng)景為隧道內(nèi)時(shí)，該履帶式滅火機(jī)器人的效率低下，不能滿(mǎn)足時(shí)效性的要求[3]。在隧道監(jiān)測(cè)與控制方面，曹曉鈺等基于STM32主芯片設(shè)計(jì)了隧道內(nèi)實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)，但該設(shè)計(jì)僅用于監(jiān)視，并未真正實(shí)現(xiàn)控制功能[4]。

本文以隧道懸掛式軌道滅火機(jī)器人為載體，以隧道內(nèi)滅火為應(yīng)用場(chǎng)景，基于物聯(lián)網(wǎng)[5-6]，將軟件與硬件結(jié)合起來(lái)，對(duì)隧道懸掛式軌道滅火機(jī)器人遠(yuǎn)程控制和環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的核心技術(shù)進(jìn)行研究，使用懸掛式軌道滅火機(jī)器人進(jìn)行遠(yuǎn)程滅火并對(duì)環(huán)境溫濕度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，以提高火災(zāi)監(jiān)測(cè)救援的效率。

1 隧道消防遠(yuǎn)程控制和監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1.1 隧道懸掛式軌道滅火機(jī)器人

利用物聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程控制懸掛式軌道滅火機(jī)器人，可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)滅火，提高隧道的安全性。其中：懸掛式軌道滅火機(jī)器人(圖1)懸掛在隧道上部的滑軌內(nèi)；滑軌固定在隧道的頂部?jī)蓚?cè)。懸掛式軌道滅火器人所處環(huán)境一旦出現(xiàn)火情，報(bào)警系統(tǒng)會(huì)立即啟動(dòng)，并將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳向客戶(hù)端；客戶(hù)端可以根據(jù)隧道的長(zhǎng)度控制懸掛式軌道滅火機(jī)器人沿著滑動(dòng)軌道快速移動(dòng)；滅火機(jī)器人通過(guò)控制器調(diào)整火災(zāi)控制執(zhí)行器的側(cè)噴嘴位置和姿勢(shì)，進(jìn)行滅火，從而保證隧道滅火的及時(shí)、順利進(jìn)行。隧道懸掛式軌道滅火機(jī)器人在隧道內(nèi)的懸掛位置如圖2所示。

圖1 懸掛式軌道滅火機(jī)器人

圖2 機(jī)器人在隧道內(nèi)的懸掛位置

1.2 隧道消防遠(yuǎn)程控制和監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

隧道消防遠(yuǎn)程控制和監(jiān)測(cè)系統(tǒng)基于物聯(lián)網(wǎng)，對(duì)滅火機(jī)器人進(jìn)行控制并進(jìn)行環(huán)境監(jiān)測(cè)。相應(yīng)的物聯(lián)網(wǎng)框架由以下四部分組成：控制系統(tǒng)、監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、服務(wù)器云平臺(tái)系統(tǒng)、個(gè)人電腦(Personal Computer,PC)端或手機(jī)端。物聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)描述的是物聯(lián)網(wǎng)各部分的關(guān)聯(lián)關(guān)系，它是技術(shù)實(shí)施和系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的前提和基礎(chǔ)。對(duì)隧道現(xiàn)場(chǎng)的環(huán)境監(jiān)測(cè)過(guò)程可以描述為以隧道環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為主線(xiàn)的物聯(lián)網(wǎng)基本架構(gòu)(圖3)，即“物聯(lián)感知層-數(shù)據(jù)傳輸層-分析處理層-應(yīng)用服務(wù)層”。

圖3 以隧道環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為主線(xiàn)的物聯(lián)網(wǎng)基本架構(gòu)

(1) 物聯(lián)感知層：在隧道環(huán)境中，根據(jù)隧道內(nèi)溫度的變化實(shí)時(shí)感知火源情況。通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)接收隧道現(xiàn)場(chǎng)傳感器、監(jiān)控?cái)z像頭等感知設(shè)備反饋的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)整體環(huán)境監(jiān)測(cè)要素的互聯(lián)互感與數(shù)據(jù)采集，以確保對(duì)隧道環(huán)境多源信息的實(shí)時(shí)獲取。

(2) 數(shù)據(jù)傳輸層：將隧道內(nèi)環(huán)境數(shù)據(jù)、設(shè)備運(yùn)行參數(shù)等上傳到服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)對(duì)隧道現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的穩(wěn)定傳輸與運(yùn)用。

(3) 分析處理層：針對(duì)信號(hào)強(qiáng)度低、存在遮擋與覆蓋的隧道特殊環(huán)境，分析處理層能實(shí)時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)校驗(yàn)和平滑，及時(shí)跟蹤數(shù)據(jù)的變化，并能在數(shù)據(jù)超出設(shè)定范圍時(shí)中斷對(duì)原始數(shù)據(jù)的采集。

(4) 應(yīng)用服務(wù)層：利用監(jiān)控設(shè)備提供隧道的實(shí)時(shí)全息數(shù)字化展示、可視化管理、環(huán)境實(shí)時(shí)監(jiān)控等服務(wù)，在多種可視化終端上實(shí)現(xiàn)對(duì)隧道環(huán)境現(xiàn)場(chǎng)透明化、實(shí)時(shí)化和準(zhǔn)確的管理與控制。

2 隧道消防遠(yuǎn)程控制和監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的運(yùn)行

在隧道消防遠(yuǎn)程控制和監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，用戶(hù)客戶(hù)端指電腦或手機(jī)瀏覽器；服務(wù)器包括隧道內(nèi)的服務(wù)器和云端服務(wù)器；隧道客戶(hù)端為滅火機(jī)器人及其搭載的溫濕度傳感器、攝像頭等硬件設(shè)備?？蛻?hù)端-服務(wù)器-客戶(hù)端結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 客戶(hù)端-服務(wù)器-客戶(hù)端結(jié)構(gòu)

現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備之間的通信通過(guò)訪(fǎng)問(wèn)終端服務(wù)器的云平臺(tái)來(lái)實(shí)現(xiàn)。滅火機(jī)器人搭載的溫濕度傳感器和攝像頭用于檢測(cè)及收集實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)通過(guò)服務(wù)器實(shí)時(shí)反饋給PC或手機(jī)客戶(hù)端瀏覽器，從而達(dá)到在客戶(hù)端上展示視頻信息、發(fā)送控制命令以及進(jìn)行遠(yuǎn)程操作的目的。

在監(jiān)測(cè)過(guò)程中，現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)系統(tǒng)通過(guò)所搭載溫濕度傳感器、攝像頭等硬件設(shè)備，將現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸給STM32F103開(kāi)發(fā)板；開(kāi)發(fā)板通過(guò)搭建的物聯(lián)網(wǎng)框架將數(shù)據(jù)傳輸給用戶(hù)客戶(hù)端，并能通過(guò)網(wǎng)頁(yè)端顯示數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)傳輸層通過(guò)以太網(wǎng)傳輸數(shù)據(jù)，能夠確保數(shù)據(jù)的安全性、完整性和準(zhǔn)確性。

隧道消防遠(yuǎn)程控制和監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通過(guò)客戶(hù)端來(lái)遠(yuǎn)程控制滅火機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)?，F(xiàn)場(chǎng)有多種設(shè)備，數(shù)據(jù)量龐大，應(yīng)采取設(shè)定初值的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，即所檢測(cè)的溫濕度數(shù)據(jù)達(dá)到一定限值時(shí)，系統(tǒng)應(yīng)啟用中斷程序，自動(dòng)發(fā)送一段已設(shè)置的指令，用以提醒操作人員手動(dòng)操控隧道懸掛式軌道滅火機(jī)器人。當(dāng)操作人員按下操作按鈕時(shí)，客戶(hù)端和服務(wù)器能夠進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通信?？蛻?hù)端和服務(wù)器是通過(guò)寫(xiě)入Socket(它是一種底層鏈接)字節(jié)流進(jìn)行通信的[7]。在操作人員按下操作按鈕時(shí)，系統(tǒng)會(huì)利用所配備的設(shè)備將Socket指令發(fā)送到本地路由器，對(duì)本地路由器進(jìn)行配置，并通過(guò)485總線(xiàn)傳輸用于控制機(jī)器人的行動(dòng)指令，從而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制滅火機(jī)器人的移動(dòng)和滅火動(dòng)作。

本文整體系統(tǒng)的設(shè)計(jì)以Wifi模塊作為通信模塊。該模塊的主要功能是將傳感設(shè)備、控制設(shè)備和監(jiān)測(cè)設(shè)備接入互聯(lián)網(wǎng)[8]。采用AT(Attention)指令對(duì)Wifi模塊進(jìn)行的初始化實(shí)驗(yàn)證明，Wifi模塊能夠?qū)?shù)據(jù)進(jìn)行雙向傳輸。本文將網(wǎng)絡(luò)調(diào)試助手的服務(wù)端用搭建的服務(wù)器取代，利用客戶(hù)端瀏覽器發(fā)送相應(yīng)的控制指令，并通過(guò)服務(wù)器向Wifi模塊發(fā)送數(shù)據(jù)；通過(guò)Keil5將控制指令轉(zhuǎn)化成控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)的程序，實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)PC端或手機(jī)端對(duì)懸掛式軌道滅火機(jī)器人的遠(yuǎn)程控制。基于物聯(lián)網(wǎng)搭建的滅火機(jī)器人控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 滅火機(jī)器人控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

物聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行過(guò)程如圖6所示。物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的互聯(lián)和通信非常重要。物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)需以無(wú)線(xiàn)通信方式收集和傳輸環(huán)境溫濕度信息，而隧道失火情況不可預(yù)測(cè)，在預(yù)先分配各種火災(zāi)探測(cè)傳感器的情況下，應(yīng)對(duì)物聯(lián)網(wǎng)通信路由進(jìn)行優(yōu)化，使物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)能有效、及時(shí)地接收網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)。

圖6 物聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行過(guò)程

3 隧道懸掛式軌道滅火機(jī)器人的通信

3.1 通信實(shí)現(xiàn)

本文利用Java軟件的Socket長(zhǎng)鏈接技術(shù)實(shí)現(xiàn)客戶(hù)端-服務(wù)器-客戶(hù)端結(jié)構(gòu)的通信，首先利用IDEA軟件，以Tomcat打開(kāi)Application Servers的方式啟動(dòng)服務(wù)器；然后輸入瀏覽器的地址，顯示遠(yuǎn)程調(diào)試助手界面；最后打開(kāi)由上位機(jī)設(shè)置的串口調(diào)試助手，使串口調(diào)試助手通過(guò)上位機(jī)將參數(shù)設(shè)置成客戶(hù)端模式。

完成基本的軟件及硬件配置后，點(diǎn)擊鏈接服務(wù)器按鈕，通信系統(tǒng)通過(guò)Tomcat將以.jsp文件提交的信息傳輸給客戶(hù)端，指定窗口顯示“服務(wù)器啟動(dòng)、開(kāi)始鏈接服務(wù)器、客戶(hù)端向服務(wù)器發(fā)起鏈接、服務(wù)端收到客戶(hù)端鏈接”。這說(shuō)明客戶(hù)端瀏覽器與搭建的服務(wù)器鏈接成功。此時(shí)，瀏覽器界面跳轉(zhuǎn)到鏈接成功界面(該界面上有6個(gè)控制按鈕和一個(gè)刷新界面按鈕)。

3.2 通信實(shí)驗(yàn)

(1) 用網(wǎng)絡(luò)調(diào)試助手設(shè)置好IP地址和端口號(hào)(與Java軟件中設(shè)置的內(nèi)容相同)。隧道環(huán)境監(jiān)測(cè)需要將隧道環(huán)境數(shù)據(jù)傳遞到用戶(hù)客戶(hù)端，在通信實(shí)驗(yàn)時(shí)，可采用網(wǎng)絡(luò)調(diào)試助手將一段數(shù)字如“1234”傳輸?shù)椒?wù)器，若服務(wù)器的運(yùn)行串口顯示出客戶(hù)端收到服務(wù)器返回的“1234”，則說(shuō)明服務(wù)器返回成功。在數(shù)據(jù)傳輸?shù)椒?wù)器后，服務(wù)器利用Socket長(zhǎng)鏈接功能再將數(shù)據(jù)傳遞到Web的JSP(Java Server Pages)動(dòng)態(tài)頁(yè)面上[9]，點(diǎn)擊“0”刷新數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)“1234”就呈現(xiàn)在界面上，表明客戶(hù)端與瀏覽器鏈接的模擬實(shí)驗(yàn)取得成功。

(2) 點(diǎn)擊任意按鈕，如點(diǎn)擊“1”按鍵，并預(yù)設(shè)按鍵數(shù)據(jù)為“001”?？蛻?hù)端瀏覽器將數(shù)據(jù)傳遞給搭建的服務(wù)器，服務(wù)器界面顯示“服務(wù)器：001”。在客戶(hù)端收到服務(wù)器的返回?cái)?shù)據(jù)“001”后，服務(wù)器通過(guò)以太網(wǎng)模塊將數(shù)據(jù)傳輸?shù)酱谡{(diào)試助手中。此時(shí)，客戶(hù)端瀏覽器、搭建的服務(wù)器和串口調(diào)試助手會(huì)形成一個(gè)完整的系統(tǒng)。這證明軟件與硬件STM32F103開(kāi)發(fā)板的鏈接成功。實(shí)驗(yàn)中多次點(diǎn)擊不同按鈕，相應(yīng)數(shù)據(jù)全部發(fā)送成功。

(3) 為說(shuō)明JSP的典型應(yīng)用，本文建立了JSP的運(yùn)行環(huán)境(只需安裝支持JSP的Web服務(wù)器或應(yīng)用服務(wù)器即可),并以JSWDK12作為Web服務(wù)器。該服務(wù)器本身能支持JSP，不需另加JSP引擎。遠(yuǎn)程操控助手界面如圖7所示。

圖7 遠(yuǎn)程操控助手界面

(4) 在用Socket長(zhǎng)鏈接功能在手機(jī)端或PC端實(shí)現(xiàn)服務(wù)器的啟動(dòng)以及遠(yuǎn)程控制時(shí)，本文首先利用JSP和HTML(Hyper Text Markup Language)編寫(xiě)制作網(wǎng)頁(yè)界面，然后通過(guò)點(diǎn)擊客戶(hù)端按鈕進(jìn)行數(shù)據(jù)的無(wú)線(xiàn)傳輸，完成遠(yuǎn)程控制。相應(yīng)的客戶(hù)端控制界面如圖8所示。利用手機(jī)端或PC端可以給Wifi模塊發(fā)送相關(guān)的控制指令。實(shí)驗(yàn)中，設(shè)置的指令“1”為打開(kāi)應(yīng)急燈；“2”為關(guān)閉應(yīng)急燈；“3”為打開(kāi)報(bào)警器；“4”為關(guān)閉報(bào)警器；“5”為步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)，滅火機(jī)器人向左移動(dòng)；“6”為步進(jìn)電機(jī)反轉(zhuǎn)，滅火機(jī)器人向右移動(dòng);“7”為滅火機(jī)器人停止移動(dòng)。至此，手機(jī)端或PC端利用物聯(lián)網(wǎng)無(wú)線(xiàn)控制硬件的系統(tǒng)功能已基本實(shí)現(xiàn)。

圖8 客戶(hù)端的控制界面

(5) 通過(guò)Java語(yǔ)言搭建服務(wù)器，利用Web和HTML制作系統(tǒng)的前端網(wǎng)頁(yè)，并以Wifi模塊實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)和指令的無(wú)線(xiàn)傳輸?？蛻?hù)端以表單形式將數(shù)據(jù)和指令發(fā)送到服務(wù)器，服務(wù)器接收數(shù)據(jù)和指令并通過(guò)網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)串口形式將之傳輸?shù)絊TM32F103開(kāi)發(fā)板，開(kāi)發(fā)板根據(jù)接收的信息向應(yīng)急燈、報(bào)警器和步進(jìn)電機(jī)發(fā)送控制指令，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)從客戶(hù)端瀏覽器到服務(wù)器再到開(kāi)發(fā)板的正向傳輸。在溫濕度傳感器將采集的數(shù)據(jù)通過(guò)Wifi模塊發(fā)送到服務(wù)器后，服務(wù)器能根據(jù)相應(yīng)的指令，把這些數(shù)據(jù)反饋到客戶(hù)端瀏覽器，實(shí)現(xiàn)基于物聯(lián)網(wǎng)對(duì)滅火機(jī)器人的控制。

(6) 為了測(cè)試所設(shè)計(jì)隧道懸掛式軌道滅火機(jī)器人遠(yuǎn)程控制和監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的性能，本文首先啟動(dòng)系統(tǒng)的服務(wù)器，進(jìn)入登錄界面；然后輸入賬號(hào)、密碼和選定區(qū)域的名稱(chēng)；再點(diǎn)擊鏈接服務(wù)器按鈕；最后，服務(wù)器會(huì)收到相應(yīng)的消息，指定窗口中顯示服務(wù)器已收到客戶(hù)端鏈接內(nèi)容，數(shù)據(jù)接收成功。這說(shuō)明系統(tǒng)通過(guò)手機(jī)端或PC端無(wú)線(xiàn)控制硬件的功能已經(jīng)實(shí)現(xiàn)。

(7) 在驗(yàn)證系統(tǒng)對(duì)隧道內(nèi)環(huán)境溫濕度的監(jiān)測(cè)功能時(shí)，首先鏈接服務(wù)器，然后打開(kāi)隧道懸掛式軌道滅火機(jī)器人遠(yuǎn)程控制和監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)界面，界面中THI(溫濕度指數(shù))位置會(huì)顯示現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試數(shù)據(jù)(溫度：8 ℃，濕度：60%)。若對(duì)現(xiàn)場(chǎng)溫濕度數(shù)據(jù)進(jìn)行持續(xù)觀察，并嘗試改變現(xiàn)場(chǎng)的溫濕度，則溫度和濕度數(shù)據(jù)會(huì)及時(shí)地被返給服務(wù)器，同時(shí)，服務(wù)器能成功地通過(guò)指定界面實(shí)時(shí)接收并顯示現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)(圖9)。

圖9 服務(wù)器通過(guò)指定界面接收并顯示的現(xiàn)場(chǎng)返回溫濕度數(shù)據(jù)

4 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的隧道懸掛式軌道滅火機(jī)器人遠(yuǎn)程控制和監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，不僅實(shí)現(xiàn)了對(duì)滅火機(jī)器人運(yùn)行狀態(tài)的多參數(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，而且實(shí)現(xiàn)了利用客戶(hù)端對(duì)機(jī)器人的遠(yuǎn)程控制。本文方法融合了機(jī)器人技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)和計(jì)算機(jī)軟件開(kāi)發(fā)技術(shù)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明了所設(shè)計(jì)系統(tǒng)在隧道滅火中的實(shí)用性。