基于STM32單片機(jī)的微型智能消防車的設(shè)計(jì)

王曉鵬 丁學(xué)文 王敏軍 段揚(yáng)揚(yáng) 李寶盛 彭志輝

摘要：在復(fù)雜的消防場(chǎng)景下，如充滿有毒物質(zhì)、易燃易爆物質(zhì)等的火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)，要提高救援效率、有效保證消防人員生命安全和人民的財(cái)產(chǎn)安全無疑是一個(gè)很大的挑戰(zhàn)。針對(duì)此類問題設(shè)計(jì)了一款微型智能無人消防車。該智能消防車采用STM32單片機(jī)作為控制核心，融合了圖像處理技術(shù)、多傳感器融合技術(shù)和無線通信技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)火焰識(shí)別、自動(dòng)消防、有害氣體和可燃?xì)怏w檢測(cè)、實(shí)時(shí)控制和監(jiān)控，具有很好的適用性和可執(zhí)行性。

關(guān)鍵詞：STM32；智能消防；環(huán)境檢測(cè)；遠(yuǎn)程監(jiān)控

中圖分類號(hào)：TP391.4文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：1008-1739（2021）20-62-4

0引言

近年來隨著科技的飛速發(fā)展，單片機(jī)的應(yīng)用正在不斷深入，同時(shí)帶動(dòng)傳統(tǒng)控制檢測(cè)技術(shù)日益更新。智能微型無人消防車是無人員投入火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)必備的終端設(shè)備，是一種代替人員進(jìn)入火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)滅火的設(shè)備。隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，生產(chǎn)性車間、廠房越來越多，其發(fā)生火災(zāi)時(shí)的情況復(fù)雜，滅火工作的危險(xiǎn)性越來越高。一些工廠發(fā)生火災(zāi)時(shí)，容易產(chǎn)生有毒有害氣體，有的甚至存有易燃易爆物質(zhì)，對(duì)救援工作的展開提出不小的挑戰(zhàn)，在這樣危險(xiǎn)的環(huán)境中難以保證消防人員和遇難人員的生命安全。

在此背景下，進(jìn)行用于滅火搶險(xiǎn)的微型智能消防車的創(chuàng)新設(shè)計(jì)是必要的，旨在盡量減少消防員進(jìn)入火場(chǎng)的次數(shù)，并提高火場(chǎng)救援效率，因此進(jìn)行了基于圖像處理技術(shù)、無線通信技術(shù)的微型智能消防車的系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

1系統(tǒng)總體構(gòu)成及設(shè)計(jì)

智能消防車采用STM32F405RGT6單片機(jī)作為微控制器、英飛凌公司的BTN7971B作為電機(jī)的驅(qū)動(dòng)芯片，這2款芯片性能可靠，可以有效保證智能消防車的穩(wěn)定運(yùn)行?；鹧?zhèn)鞲衅骱蛨D像處理技術(shù)相結(jié)合控制智能消防車消防動(dòng)作的執(zhí)行。智能消防車應(yīng)用了多傳感器融合技術(shù)，使得智能消防車具備了環(huán)境檢測(cè)能力。通過開發(fā)嵌入式系統(tǒng)快速識(shí)別火焰并準(zhǔn)確控制消防水泵，實(shí)現(xiàn)消防車的高度智能化和自動(dòng)化。其系統(tǒng)組成框圖如圖1所示。

2硬件電路設(shè)計(jì)

硬件模塊主要包括STM32F405RGT6主控、電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路、控制信號(hào)處理電路、圖像信號(hào)處理電路、消防動(dòng)作機(jī)構(gòu)、環(huán)境檢測(cè)機(jī)構(gòu)及電源管理電路等。

2.1電機(jī)驅(qū)動(dòng)部分

電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路主要由4片BTN7971驅(qū)動(dòng)芯片、緩沖芯片、直流電機(jī)、正交編碼器等組成。2片BTN7971驅(qū)動(dòng)芯片可構(gòu)成H橋，滿足電機(jī)對(duì)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向調(diào)整的需求。緩沖芯片用于保護(hù)主控電路。正交編碼器用于獲取電機(jī)轉(zhuǎn)速信息。電機(jī)驅(qū)動(dòng)部分框圖如圖2所示。

2.2控制信號(hào)接收和發(fā)送部分

控制信號(hào)接收和發(fā)送部分主要由AS69無線射頻模塊等構(gòu)成。該無線射頻模塊可實(shí)現(xiàn)全雙工通信，消防車接收到控制信號(hào)之后，由主控芯片根據(jù)接收到的控制信號(hào)輸出PWM控制信號(hào)和其他控制信號(hào)控制智能消防車的動(dòng)作狀態(tài)等?？刂菩盘?hào)接收和發(fā)送部分框圖如圖3所示。

2.3圖像處理部分

圖像處理部分主要由圖像獲取、圖像處理及圖像傳輸?shù)炔糠纸M成。圖像處理部分通過OSD模塊將OPENMV模塊和主控需要發(fā)送的內(nèi)容進(jìn)行圖像疊加后傳輸給無線圖傳發(fā)送模塊，通過控制端的液晶顯示器進(jìn)行顯示。圖像處理部分框圖如圖4所示。

2.4消防機(jī)構(gòu)部分

消防動(dòng)作部分由回流水泵、噴水槍以及二軸云臺(tái)等構(gòu)成。其中水泵和噴水槍提供消防時(shí)所需的消防液，二軸云臺(tái)的動(dòng)作由PWM信號(hào)進(jìn)行控制，保證水泵的動(dòng)作和攝像頭的視線不存在盲區(qū)。水泵的工作由NMOS管進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，根據(jù)工作需求可通過PWM信號(hào)來控制水泵輸出的水流大小。水泵和云臺(tái)根據(jù)單片機(jī)發(fā)送的控制指令進(jìn)行運(yùn)作，從而完成消防動(dòng)作。

2.5電源部分

電源部分由高倍率鋰電池、穩(wěn)壓輸出模塊及保護(hù)電路等組成。為使車輛工作穩(wěn)定，穩(wěn)壓輸出部分將外設(shè)供電與主控供電分離。主控采用AMS1117穩(wěn)壓進(jìn)行供電，外設(shè)則采用XL4005穩(wěn)壓進(jìn)行供電，XL4005可輸出5 A電流，且輸出電壓連續(xù)可調(diào)。保護(hù)電路由NMOS管構(gòu)成防反接和過壓保護(hù)電路。電源部分框圖如圖5所示。

2.6檢測(cè)部分

檢測(cè)部分由車身自檢部分和環(huán)境檢測(cè)部分構(gòu)成，其中車身自檢部由分電量檢測(cè)、溫度檢測(cè)等部分組成。環(huán)境檢測(cè)部分由MQ氣體傳感器及溫濕度傳感器等組成，用于實(shí)現(xiàn)環(huán)境中有害氣體及易燃易爆氣體等檢測(cè)，使用單片機(jī)的ADC外設(shè)采集傳感器輸出信號(hào)，完成傳感器數(shù)據(jù)的采集。

3軟件設(shè)計(jì)

軟件開發(fā)環(huán)境是KEIL5 MDK和OPENMV軟件，用C語言和python語言進(jìn)行程序的編寫，通過ST-LINK工具進(jìn)行軟件功能調(diào)試。此智能消防車主要由無線通信機(jī)構(gòu)、消防動(dòng)作機(jī)構(gòu)和環(huán)境監(jiān)測(cè)機(jī)構(gòu)3個(gè)部分協(xié)作完成消防任務(wù)。無線通信系統(tǒng)負(fù)責(zé)傳輸控制信號(hào)、圖像數(shù)據(jù)和傳感器環(huán)境采集信息。通過將攝像頭采集到的圖像信息進(jìn)行二值化濾波運(yùn)算、火焰特征提取等處理進(jìn)行火焰識(shí)別，獲取火焰位置后，由STM32單片機(jī)控制消防機(jī)構(gòu)動(dòng)作從而消滅火焰。智能消防車程序流程如圖6所示，控制端程序流程如圖7所示。

3.1圖像處理技術(shù)

本設(shè)計(jì)的圖像處理主要有圖像的傳輸、圖像文字的疊加（OSD）及火焰的識(shí)別等。

圖像傳輸選用PANDARC VT58系列圖傳進(jìn)行圖像信號(hào)傳輸，具有輸出功率穩(wěn)定、傳輸距離遠(yuǎn)、電源濾波強(qiáng)等特點(diǎn)，能保證圖像數(shù)據(jù)的穩(wěn)定圖傳。圖像文字疊加采用max7465芯片，stm32f103c8t6單片機(jī)作為控制芯片，將要顯示的文字信息做圖像文字疊加處理后通過圖傳模進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸。

火焰識(shí)別主要是對(duì)火焰的顏色特征、運(yùn)動(dòng)特征、幾何特征做處理，以實(shí)現(xiàn)火焰的識(shí)別。其中顏色特征主要針對(duì)火焰像素點(diǎn)的顏色，主要分布在橙黃色到白色之間，設(shè)置合適的RGB顏色閾值后將圖像做二值化處理，獲取到火焰的大致色域后根據(jù)火焰的面積變化率（受氣流、燃料等影響火焰的面積發(fā)生改變）、輪廓粗糙度（物體輪廓的周長(zhǎng)與其凸殼周長(zhǎng)之比）、相關(guān)性（前后兩幀畫面的相關(guān)性）等特征提取與組合達(dá)到火焰識(shí)別的目的。

3.2 PID自動(dòng)控制算法

PID自動(dòng)控制主要分為位置式PID和增量式PID，可很好地應(yīng)用于小車的調(diào)速，本設(shè)計(jì)采用增量式算法構(gòu)建閉環(huán)控制系統(tǒng)。通過將控制端所要求的速度與當(dāng)前速度進(jìn)行比較，然后分別將它們的誤差輸入給比例環(huán)和積分環(huán)，將二者的輸出結(jié)果進(jìn)行累加，得到最后的PWM信號(hào)輸出，并傳輸給控制對(duì)象。PID自動(dòng)控制算法流程如圖8所示。

4微型智能消防車的應(yīng)用

在充滿汽油的加油站和有毒氣體的化工廠等消防人員無法深入的火災(zāi)場(chǎng)景，微型智能消防車便有了用武之地。微型智能消防車基于遠(yuǎn)程控制和視頻通信的設(shè)計(jì)，使得消防人員可以在數(shù)千米之外的位置遠(yuǎn)程遙控消防車完成消防作業(yè)，避免了火災(zāi)對(duì)消防人員生命安全的威脅。微型智能消防車具備自動(dòng)消防能力，更重要的是微型智能消防車能夠采集并反饋火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)溫度、有毒氣體含量等數(shù)據(jù)，可以為后續(xù)消防救援方案的選擇，提供重要的數(shù)據(jù)支持。

5結(jié)束語

基于STM32的智能消防車將控制與反饋相結(jié)合，構(gòu)成了一個(gè)可靠的閉環(huán)控制系統(tǒng)，在提高消防救援效率的同時(shí)可有效保護(hù)消防人員的生命安全，具有很強(qiáng)的實(shí)用價(jià)值。如今智能算法、環(huán)境感知傳感器等技術(shù)飛速發(fā)展，其中不乏可應(yīng)用于智能消防領(lǐng)域的技術(shù)，希望越來越多的智能消防設(shè)備被研制和應(yīng)用，在民眾歷經(jīng)災(zāi)難時(shí)為他們的生命財(cái)產(chǎn)安全做出更有力的保障。

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