醫(yī)院智能火災機器人的設計

肖福娟，侯甲童

（1.山東藥品食品職業(yè)學院，山東威海 264210；2.哈爾濱理工大學榮成學院，山東威海 264300）

0 引言

近年來，火災救援機器人得到越來越廣泛的研究。對于易發(fā)生火災，但是不易展開救援的場合，尤其是易燃、易爆的地方，研究者們開展了救援機器人的結構、控制系統(tǒng)等方面的研究[1-2]。安裝空間小、工作范圍大的軌道式機器人具有移動速度快的特點，適合隧道的救援環(huán)境，已有專門的排煙機器人設計[3-5]。倉庫中的火情在起始階段不易被發(fā)現(xiàn)，后期滅火困難，因此研究者們開始研究采用視覺方式檢測火災的機器人，同時借助多種傳感器進行火災的排查[6-7]。此外，全向輪的消防機器人也被用于空間狹小的火情偵察和滅火[8]。以上幾種機器人均適用于人員較少的地方，火災排查和滅火往往不需要進行復雜的避障和靈活控制等操作，簡單的定點滅火即可滿足需求。

目前，火災機器人的適用范圍還比較窄，且智能化程度較低，往往不能滿足復雜情況下城市火災的滅火需要，如醫(yī)院等人流密集場所的火災[9-10]。在這些場所，火災機器人既需要識別火災，又需要及時開展滅火。另外，火災機器人在遇到患者、醫(yī)療器械等障礙物時需要避障，同時根據(jù)現(xiàn)場情況需由人為遠程控制進行定點滅火，難度較大。因此，為了保障醫(yī)院等場所的消防安全，及時開展滅火救援，醫(yī)院智能火災機器人的研究迫在眉睫。本文設計一款基于Arduino的醫(yī)院智能火災機器人，可自動識別火災、發(fā)送報警信息并自主滅火，還可遠程控制進行特定區(qū)域的滅火。

1 需求分析

在醫(yī)院環(huán)境中，需要及時發(fā)現(xiàn)火情、上報火情、現(xiàn)場處理火情，因此醫(yī)院智能火災機器人就需要具備火災巡檢、火災報警、及時滅火3個方面的功能，并根據(jù)實際情況，在人員控制下前往指定區(qū)域工作。

一般門診、科室、病房的清潔程度很高，環(huán)境較為友好，可以在醫(yī)院現(xiàn)有的基礎上，劃定預設路線，機器人按照預定路線進行火災巡檢。然而醫(yī)院內人員或移動的醫(yī)療設備較多，在遇到障礙物時，機器人需自主避障，避讓障礙物后需重新尋找路線行進。在某些重點區(qū)域需要進行火災檢測和滅火，人員不方便到達時，可以采用無線通信的方式控制機器人來完成任務。

2 總體方案設計

本文設計的火災機器人由上位機、下位機2個部分組成。上位機由手機端的App實現(xiàn)，上位機與下位機之間采用藍牙無線通信技術進行信息交互。下位機采用Arduino UNO R3作為核心開發(fā)板，采用ATMEGA328P作為主控芯片。下位機接受上位機的控制，并能自動完成火災巡檢、火災報警、自主滅火、行進與避障等工作。

火災機器人可實現(xiàn)紅外循跡、超聲波避障、藍牙控制、照明、火災報警和滅火等功能，結構圖如圖1所示?；馂臋C器人實物圖如圖2所示，包括機器人主體和滅火模塊控制電路板。其中，機器人主體集成了循跡、避障、照明、藍牙模塊，滅火模塊控制電路板集成了溫度傳感器、煙霧探測器、報警模塊等。

圖1 醫(yī)院智能火災機器人結構圖

圖2 醫(yī)院智能火災機器人實物圖

3 關鍵器件選型與硬件設計

醫(yī)院環(huán)境中的設備使用尤其強調穩(wěn)定性、可靠性，以盡可能地降低設備故障率，即使出現(xiàn)故障，也要快速定位問題，使設備恢復工作。采用模塊化的器件選型、硬件設計以及后續(xù)模塊化的軟件設計，將大大提高火災機器人的穩(wěn)定性和可靠性，并提高其維護的效率，從而滿足實際需求。

3.1 循跡模塊選型與電路設計

為檢測是否發(fā)生火災，火災機器人應前往各處進行巡回檢查。巡回檢查時，可按照設定路徑循跡行走進行現(xiàn)場火災檢測。紅外循跡是使用最廣泛的循跡方式，其原理是紅外線發(fā)射管發(fā)出紅外線，當紅外線接收管接收到反射的光線時，就認為檢測到白線，然后輸出高電平；當發(fā)射管發(fā)出的光線不能被接收時，就認為檢測到黑線，輸出低電平[11]。本研究選用四路循跡模塊，如圖3所示。利用該模塊，可實現(xiàn)火災機器人在醫(yī)院內部進行火災巡檢，并快速到達火災現(xiàn)場滅火。

圖3 循跡模塊

循跡模塊電路原理圖如圖4所示，其所用的4個紅外傳感器分別與Arduino UNO R3主控制板上的A1、A2、A3和A4端口相連。機器人走直線時，紅外循跡模塊中間的2個部分始終在黑線上，如果其中任何一個部分出現(xiàn)偏移，機器人會自動修正；如果最外側的傳感器檢測到黑線，則機器人會以更快的速度修正到黑線上。

圖4 循跡、避障、藍牙模塊電路原理圖

3.2 避障模塊選型與電路設計

火災機器人進行火災巡回檢查時，可能會遇到障礙物，如何及時進行避障很重要。本研究采用超聲波進行避障。超聲波避障是利用超聲波在環(huán)境中遇到某個物體時發(fā)生反射的原理進行避障[12-13]。本研究選用的避障模塊SR-04如圖5所示，該模塊帶有2個超聲波探頭，一個用來發(fā)射超聲波，另一個用來接收反射回來的超聲波，測量距離的范圍最大可達5 m。在遇到人員障礙或者醫(yī)療設備阻擋時，火災機器人可以繞過障礙物，繼續(xù)按照預定軌跡前進。

圖5 避障模塊

避障模塊電路原理圖如圖4所示，其工作原理是利用Arduino UNO R3主控制板上的引腳13向該模塊的TRIG引腳施加一個至少為10μs的脈沖信號，用來觸發(fā)該模塊的距離檢測功能。成功觸發(fā)該模塊后，該模塊內產(chǎn)生8個40 kHz的超聲波脈沖給Arduino UNO R3，并自動判斷是否還有超聲波信號。當檢測到返回信號時，計算出距離并進行避障。

3.3 藍牙模塊選型與電路設計

火災機器人在循跡行走、避障、滅火等過程中，如遇到緊急情況，可由人員進行無線控制，并對緊急情況進行處理。本文采用藍牙通信的方式對火災機器人進行控制信息的傳輸。藍牙模塊選擇JDY09 4.0（如圖6所示），該模塊適用于遙控機器人、智能家居等方面，具有成本低、功耗小、靈敏度高等特點，可以作為與其他醫(yī)療設備或輔助設備的連接端口，在后續(xù)的使用中開發(fā)擴展功能。當現(xiàn)場設備發(fā)生故障或有火災隱患時，火災機器人能及時收到信息并前往處理。

圖6 藍牙模塊

藍牙模塊電路圖如圖4所示，JDY09的RXD和TXD分別連接Arduino UNO R3主控制板的TX和RX，該模塊自帶的發(fā)光二極管用來顯示該模塊是否已連接，未連接時發(fā)光二極管閃爍，連接后常亮。

3.4 滅火模塊選型與電路設計

滅火模塊采用STC89C52作為主控芯片，實現(xiàn)醫(yī)院的火災報警和滅火功能。滅火模塊結構圖如圖7所示。

圖7 滅火模塊結構圖

火災發(fā)生時，空氣中的煙霧濃度增大，溫度升高。在此種情況下，快速有效的煙霧濃度和溫度值檢測成為火災救援的關鍵。本研究選用MQ-2煙霧探測器（如圖8所示）進行環(huán)境中煙霧濃度的檢測，當傳感器接觸到煙霧時會引起傳感器的半導體表面的電導率發(fā)生變化，煙霧濃度越高，電導率也就越高，輸出的電阻就越低[14]。

圖8 MQ-2煙霧探測器

本研究采用DS18B20溫度傳感器進行溫度檢測（如圖9所示）。DS18B20是數(shù)字溫度傳感器，測溫范圍廣，最高可達125℃[15-16]。當檢測到環(huán)境溫度大于設定溫度時，傳感器會啟動報警，并根據(jù)判斷進行下一步動作。

圖9 DS18B20溫度傳感器

滅火模塊的電路原理圖如圖10所示。MQ-2煙霧探測器的輸出引腳連接到ADC0832模數(shù)轉換器的CH0引腳，由ADC0832模數(shù)轉換器對輸入的信號進行AD轉換。DS18B20溫度傳感器的DQ引腳連接STC89C52單片機的P1.0，直接將數(shù)字量傳送給STC89C52單片機。

圖10 滅火模塊電路原理圖

3.5 報警模塊選型與電路設計

當檢測到現(xiàn)場發(fā)生火災時，首先進行本地聲光報警，同時通過遠程通信的方式進行火災情況報警。本研究采用SIM800L實現(xiàn)遠程通信并進行火災報警（如圖11所示）。該模塊可用鋰電池供電，也可用5 V供電。該模塊尺寸小巧，可支持多種網(wǎng)絡，串口為晶體管-晶體管邏輯（transistor-transistor logic，TTL）電平，可直接與STC89C52單片機相連。

圖11 報警模塊

報警模塊電路原理圖如圖12所示，STC89C52單片機的P3.0和P3.1引腳連接報警模塊，當溫度傳感器或煙霧探測器檢測到環(huán)境中的情況并返回給單片機時，報警模塊會給預先設定的手機號碼發(fā)送短信。

圖12 報警模塊電路原理圖

在發(fā)光二極管報警電路中，發(fā)光二極管的陰極由STC89C52單片機引腳控制，在需要燈光報警時，由單片機的引腳P2.4輸出低電平，發(fā)光二極管亮，顯示燈光報警。蜂鳴器由PNP三極管S9012驅動，當需要聲音報警時，由單片機的引腳P2.0輸出低電平，引發(fā)蜂鳴器發(fā)出報警。

4 軟件設計

模塊化的軟件設計可以在醫(yī)院環(huán)境的現(xiàn)場調試中縮短調試周期，使火災機器人盡早投入使用，且在后續(xù)的擴展應用中，具有很高的兼容性，便于升級改造。

4.1 滅火主程序設計

首先，對LCD1602顯示屏進行初始化設置，顯示設定的安全值、實時的溫度值、煙霧濃度值；然后，STC89C52單片機對溫度傳感器采集到的溫度值和經(jīng)ADC0832模數(shù)轉換器轉換過的煙霧信號進行處理。單片機在得到溫度與煙霧濃度的數(shù)據(jù)后進入判斷子程序，判斷采集到的溫度值與煙霧濃度值是否超過設定的安全值。若檢測到的數(shù)值中有一項的數(shù)值超過設定的安全值，或者2項都超過安全值，首先單片機控制發(fā)光二極管和蜂鳴器進行聲光報警，然后報警模塊接收到單片機發(fā)出的信號，向預設的手機號碼發(fā)送短信報警，最后水泵噴水滅火。若二者中的任意一項都沒有超過設定的安全值，則實時的環(huán)境溫度值和煙霧濃度值會在LCD1602顯示屏上顯示出來。滅火程序設計流程圖如圖13所示。

圖13 滅火程序設計流程圖

4.2 循跡程序設計

火災機器人的循跡程序設計流程圖如圖14所示。循跡程序運行時，首先，初始化機器人的各個傳感器、工作狀態(tài)和延遲功能等。如果黑線位于機器人的中間，機器人會向前行進。機器人向前行進時，右邊的紅外傳感器檢測到黑線，表明機器人應向右轉向，程序將通過差速控制機器人向右轉，反之則控制機器人向左轉。

圖14 循跡程序設計流程圖

紅外循跡示意圖如圖15所示，紅色燈亮代表紅外傳感器檢測到黑線，對應的紅外傳感器為低電平，紅外管亮。

圖15 紅外循跡示意圖

4.3 超聲波避障程序設計

火災機器人使用避障模塊和車輛底盤前部的舵機探測在行駛中是否存在障礙物。在行進過程中，機器人可能會遇到不同方向的障礙物，通常是左側、右側和前方。在舵機的驅動下，避障模塊可以連續(xù)檢測到左、前和右方向上的障礙物。當障礙物出現(xiàn)時，機器人根據(jù)這3個方向判斷與障礙物的距離，從而做出自動避開障礙物的決定。為了讓機器人采取有效行動避開障礙物，有必要在這3個方向開發(fā)避障算法，以準確評估障礙物的位置信息。避障程序設計流程圖如圖16所示。

圖16 避障程序設計流程圖

5 運行與調試

5.1 避障功能調試

避障模塊運行結果如圖17所示，舵機云臺搭載避障模塊，不間斷地檢測前方障礙物，檢測范圍達到180°。在1.5 m的范圍內，當檢測到障礙物時，返回遮擋信號，火災機器人主動轉向進行避障，然后按避障后的方向繼續(xù)行進。多次調試后發(fā)現(xiàn)，機器人對于1.5 m的距離非常敏感，在（1.5±0.1）m的范圍內，可以精確識別障礙物，與文獻[17]對比，這一指標具有優(yōu)勢。在機器人循跡的行進過程中，若遇到障礙物，則減速繞行。在繞行的過程中，若存在另一個障礙物，如墻壁等，如果避障模塊未能及時旋轉至新的行進方向，則不能檢測到墻壁，就會在繞行的過程中撞擊到墻壁，待該模塊旋轉檢測到障礙物后，再重新規(guī)劃避障路線。

圖17 避障模塊運行結果

5.2 循跡功能調試

循跡模塊運行結果如圖18所示，循跡的黑線使用的是黑色膠帶，寬約3.5 cm。火災機器人通過四路循跡模塊的4個紅外傳感器檢測黑線，根據(jù)設計的運行程序，4個傳感器的高低電平邏輯關系對應行進的方向。經(jīng)過調試發(fā)現(xiàn)，在0.5 m/s的速度之內，機器人可以無偏差地沿著預定軌跡行進，這一指標優(yōu)于文獻[18]中的最大速度。若機器人行進速度超過0.5 m/s，左右銳角的循跡會產(chǎn)生軌跡的偏移，無法完成正確的循跡，這是由行進速度過快，機器人無法及時調整偏轉角度導致。

圖18 循跡模塊運行結果

5.3 照明功能調試

照明模塊運行結果如圖19所示。使用不同顏色的照明光來對應舵機的轉角，可以較為明確地指示機器人接下來的行進方向，便于確認所轉向角度是否合理。本系統(tǒng)采用舵機搭載的RGB三色LED，可根據(jù)舵機轉過的角度執(zhí)行對應的照明顯示程序，發(fā)出不同顏色的光。根據(jù)設計與調試時的現(xiàn)象，當舵機轉向45°時，三色LED全亮，為白色；當轉向135°時，藍色LED亮，顯示藍色光。照明功能較好地實現(xiàn)了轉向功能的指示。

圖19 照明模塊運行結果

5.4 火災檢測、報警、滅火功能調試

當實時檢測到的環(huán)境溫度值超過設定的閾值50℃或檢測到的煙霧濃度值超過設定的安全值500 ppm（1 ppm=1×10-6）時，蜂鳴器和發(fā)光二極管會發(fā)出本地的聲光報警，通過報警模塊發(fā)送火災信息，之后水泵開始工作，噴水滅火。MQ-2煙霧探測器也可檢測揮發(fā)性氣體的濃度，當無火災發(fā)生時，若環(huán)境中的可揮發(fā)性氣體濃度過高，也會引發(fā)報警。但若此時溫度并無異常，人員接收到報警信息后，可根據(jù)具體情況進行處理。

5.5 藍牙控制調試

藍牙模塊可以被設置為主機或者從機的工作方式。在使用藍牙模塊前，通過數(shù)據(jù)線將計算機與藍牙模塊相連接，使用串口助手軟件，對藍牙模塊的工作方式進行設置。串口助手發(fā)送AT+ROLE指令，返回OK則表示設置成功。其中，Param為1時為主機工作方式，為0時為從機工作方式。本設計中，藍牙模塊被設置為從機工作方式。

藍牙模塊的從機工作方式設置完畢后，使用亞博智能科技有限公司的Android App控制機器人運行，并采用串口通信進行信息傳輸。App共分為2個操作界面，一個為模式選擇界面，如圖20所示；另一個為行進控制界面，如圖21所示。人員可通過App發(fā)出串口指令，控制機器人運行。App右上角可顯示機器人供電鋰電池的電量，并且行進控制界面可顯示超聲波避障的距離。

圖20 模式選擇界面

圖21 行進控制界面

6 結語

本文設計的具有超聲波避障、紅外循跡、滅火、報警、手機App控制等功能的醫(yī)院智能火災機器人以Arduino UNO R3為核心開發(fā)板，使用ATMEGA328P作為主控芯片來實現(xiàn)避障、循跡、藍牙控制、照明等功能，滅火與報警功能則使用STC89C52作為主控芯片。經(jīng)運行調試后，機器人滿足醫(yī)院內基本使用需求，且操作簡單、控制靈活、運行時可靠性高。本機器人雖然在醫(yī)院等場合較為適用，但尚存在不足之處：（1）行進速度較為緩慢，沒有實現(xiàn)快速移動；（2）目前采用電池供電，每次運行的時間較短；（3）沒有和現(xiàn)有的醫(yī)療設備相關聯(lián)，在醫(yī)療設備發(fā)生故障有火災隱患時，無法及時發(fā)現(xiàn)。以上不足之處，將在后續(xù)的研究中進行完善。