遠(yuǎn)程遙控消防機(jī)器人

陳新欣 葉承龍 陳嘉茂 朱春熙 李慧琪

摘? 要：設(shè)計(jì)一款具備遠(yuǎn)程遙控功能的消防機(jī)器人，采用STM32F103RCT6單片機(jī)作為主控芯片，使用ESP8266 Wi-Fi 模塊實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)無線操控，通過攝像頭、煙霧濃度傳感器、雨量傳感器和溫濕度傳感器實(shí)時(shí)反饋現(xiàn)場環(huán)境情況。它集遠(yuǎn)程通信、傳感器技術(shù)、微處理器技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)于一體，相對于傳統(tǒng)的救援方式，該遠(yuǎn)程操控方案將救援人員和危險(xiǎn)環(huán)境脫離，更有效地保證了救援人員的人身安全。

關(guān)鍵詞：遠(yuǎn)程遙控? 消防機(jī)器人? 單片機(jī)? Wi-Fi 模塊

中圖分類號(hào)：TP242 ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-098X（2021）04（c）-0165-05

Remote Control Fire Robot

CHEN Xinxin? YE Chenglong? CHEN Jiamao? ZHU Chunxi? LI Huiqi

（Guang Dong Polytechnic College， Zhaoqing， Guangdong province， 526110? China）

Abstract： Remote control fire robot design a fire robot with remote control function， using STM32F103RCT6 microcontroller as the main control chip， using esp8266 WiFi module to achieve remote real-time wireless control， through the camera， smoke concentration sensor， rainfall sensor and temperature and humidity sensor real-time feedback of the scene environment. It integrates remote communication， sensor technology， microprocessor technology， automatic control technology and motion control technology. Compared with the traditional rescue mode， our remote control scheme separates the rescue personnel from the dangerous environment and more effectively ensures the personal safety of the rescue personnel.

Key Words： Remote control; Fire fighting robot; Single chip; Wi-Fi module

1? 引言

本文設(shè)計(jì)的遠(yuǎn)程遙控消防機(jī)器人采用STM32 F103RCT6作為主控芯片，搭載攝像頭圖傳模塊、滅火裝置、運(yùn)動(dòng)裝置、照明燈、煙霧傳感器、空氣質(zhì)量傳感器、溫濕度傳感器，能夠?qū)崟r(shí)傳送救援區(qū)的現(xiàn)場圖像以及環(huán)境數(shù)據(jù)，有需要時(shí)實(shí)施遠(yuǎn)程滅火救援。在極端高溫危險(xiǎn)的火災(zāi)現(xiàn)場，消防機(jī)器人可以代替消防員進(jìn)入滅火現(xiàn)場進(jìn)行滅火作業(yè)，以及實(shí)時(shí)采集火災(zāi)現(xiàn)場的相關(guān)數(shù)據(jù)，方便指揮人員及時(shí)了解災(zāi)區(qū)最新情況。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。該系統(tǒng)具有以下功能：能夠利用Wi-Fi實(shí)施遠(yuǎn)程操控（運(yùn)動(dòng)部分和機(jī)械臂）;智能搜索火源并滅火;實(shí)時(shí)視頻傳送;現(xiàn)場全方位智能救援;現(xiàn)場實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)反饋（溫濕度、雨量、煙霧濃度、空氣質(zhì)量）;救援現(xiàn)場燈光提示。

系統(tǒng)功能流程如圖2所示。

遠(yuǎn)程遙控消防機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)端和控制端外觀如圖3和圖4所示。

手持遙控控制端由按鍵狀態(tài)控制燈、控制按鍵、主控電路、安卓端顯示裝置以及電源組成?？刂贫说闹骺仉娐芬許TC89C52為主控芯片，通過ESP8266Wi-Fi模塊連接網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，以8V直流電源進(jìn)行供電[1]?？刂贫说陌存I對應(yīng)的是每一項(xiàng)獨(dú)立的功能控制，信號(hào)燈主要用于觀察控制端的控制信號(hào)是否正常發(fā)送出去。安卓端顯示屏主要用于顯示機(jī)器人傳輸?shù)膱D傳畫面以及反饋救援現(xiàn)場的實(shí)時(shí)環(huán)境數(shù)據(jù)。

機(jī)器人滅火工作狀態(tài)和實(shí)時(shí)傳輸視頻如圖5和圖6所示。

2? 環(huán)境檢測

環(huán)境檢測框架如圖7所示，由電源、跨陣M4繼電器、煙霧濃度傳感器、雨量傳感器、空氣傳感器、溫濕度傳感器組成。

空氣質(zhì)量傳感器QS-01（Air Quality Sensor）也叫空氣環(huán)境綜合監(jiān)測儀，常用于監(jiān)測空氣中的污染物濃度情況，是空氣凈化器及新風(fēng)系統(tǒng)的重要組成部分[2]。主要監(jiān)測空氣中的溫度、濕度、氣壓、光照、PM2.5、PM10、TVOC等數(shù)值，還有氧氣（O2）、二氧化碳（CO2）、一氧化碳（CO）、甲醛（CH2O）等氣體濃度。

雨量傳感器采用高品質(zhì)FR-04雙面材料，大面積5.0cm×4.0cm，并用鍍鎳處理表面，具有對抗氧化、導(dǎo)電性及壽命方面更優(yōu)越的性能[3]。

3? 滅火裝置

滅火裝置主要實(shí)現(xiàn)檢測火源和消滅火源兩大功能?；鹧鏅z測采用雙路火焰?zhèn)鞲衅髟O(shè)計(jì)，如圖8所示為檢測裝置。通過交叉定位確定火焰位置，大大地提高了滅火的精度。當(dāng)兩個(gè)火焰?zhèn)鞲衅魍瑫r(shí)檢測到火焰并且達(dá)到控制器設(shè)置的閾值時(shí)，水泵自動(dòng)啟動(dòng)噴水進(jìn)行滅火作業(yè)。

本次設(shè)計(jì)采用的傳感器為紅外火焰?zhèn)鞲衅?。該傳感器主要由火焰光線敏感元件構(gòu)成，可以根據(jù)溫度的近紅外波長域以及紫外光域的輻射強(qiáng)度檢測火焰的存在，它可以檢測火焰或者波長在760～1100nm范圍內(nèi)的火源，當(dāng)傳感器的探測角為60°左右時(shí)對火焰的檢測特別靈敏[4]。

4? 圖像與數(shù)據(jù)傳輸

機(jī)器人的圖像傳輸模塊由兩個(gè)攝像頭組成，一個(gè)攝像頭用于觀測小車周圍的情況，輔助小車的正常行使，另一個(gè)攝像頭用于觀察作業(yè)前方的實(shí)時(shí)情況，方便救援人員進(jìn)行救援作業(yè)。攝像頭通過網(wǎng)絡(luò)把拍攝到的畫面實(shí)時(shí)傳輸?shù)竭b控控制端的顯示屏上。

機(jī)器人的數(shù)據(jù)收集模塊由各傳感器組成，檢測模塊把檢測到的環(huán)境數(shù)據(jù)（溫度、濕度、雨量、氧氣濃度、二氧化碳濃度、一氧化碳濃度）實(shí)時(shí)反饋到遙控控制端[5]。消防人員可以通過控制端及時(shí)了解救援區(qū)域的環(huán)境情況。

5? 機(jī)器人的機(jī)械臂與運(yùn)動(dòng)控制

運(yùn)動(dòng)部分由L298N電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)，12V直流電源供電。通過同時(shí)給兩個(gè)電機(jī)輸入高電平控制小車前進(jìn)或后退，通過單獨(dú)給其中一個(gè)電機(jī)高電平實(shí)現(xiàn)小車左轉(zhuǎn)或者右轉(zhuǎn)[6]。

機(jī)械臂部分由L298N驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)一個(gè)雙軸直流電機(jī)實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂的縱向升降，由兩個(gè)TB6560步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊分別控制轉(zhuǎn)軸步進(jìn)電機(jī)以及絲杠伸縮步進(jìn)電機(jī)實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂的水平旋轉(zhuǎn)以及機(jī)械臂的伸縮，圖9為伸縮裝置結(jié)構(gòu)圖。其中L298電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊和TB6560均由12V直流電源供電。

6? 系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)

本文介紹的遠(yuǎn)程遙控消防機(jī)器人采用C語言作為編程語言，主要由機(jī)械臂控制、機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制、照明燈控制、圖像傳輸與數(shù)據(jù)收集、滅火裝置控制五大部分組成，遠(yuǎn)程遙控消防機(jī)器人主要通過軟件實(shí)現(xiàn)以下預(yù)期效果：手持遙控控制端通過ESP8266Wi-Fi模塊遠(yuǎn)程控制機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)方向和啟停、機(jī)械臂的水平旋轉(zhuǎn)角度和縱向升降、滅火裝置和照明燈的啟停，實(shí)時(shí)把災(zāi)區(qū)的視頻圖像以及傳感器測量的環(huán)境數(shù)據(jù)反饋到控制終端的顯示屏上。主程序流程圖如圖10所示。

7? 結(jié)語

本設(shè)計(jì)以STM32F103RCT6為遠(yuǎn)程遙控消防機(jī)器人運(yùn)動(dòng)端的主控制芯片，通過ESP8266WiFi模塊實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程遙控，控制小車的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，通過攝像頭實(shí)時(shí)視頻傳輸，尋找火源并滅火，在滅火的過程中，煙霧傳感器、雨量傳感器和溫濕度傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測現(xiàn)場環(huán)境并反饋相關(guān)數(shù)據(jù)，同時(shí)通過語音對講和被困人員溝通，了解現(xiàn)場情況，為實(shí)施現(xiàn)場救援提供必要的準(zhǔn)備。

該遠(yuǎn)程遙控消防機(jī)器人輕便、快捷、智能，在未來的救援過程中，能發(fā)揮巨大的作用，適用多種救援現(xiàn)場，可實(shí)時(shí)反饋和檢測相關(guān)環(huán)境數(shù)據(jù)，為救援節(jié)約寶貴時(shí)間。

參考文獻(xiàn)

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[3] 靳雪琛.一種可視化智能消防救援決策平臺(tái)的研究[D].太原：中北大學(xué)，2020.

[4] 錢金星.基于STM32的消防小車設(shè)計(jì)[D].蘇州：蘇州大學(xué)，2020.

[5] 陳新欣.基于STM32的示教型送餐機(jī)器人的設(shè)計(jì)[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào)， 2019，16（15）：13-15.

[6] 阮毅，楊影，陳伯時(shí).電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)-運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2016.