高噴消防車的消防炮控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

鐘婷　鄧成中

關(guān)鍵詞：噴射角度；消防炮；無線擴(kuò)頻模塊LoRa；手持控制器；直流無刷電機(jī)；高噴消防車

中圖分類號(hào)：TU998.13+1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

0引言

隨著我國社會(huì)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，高層與大空間的建筑拔地而起，該類建筑人員密集，空間復(fù)雜，一旦發(fā)生火災(zāi)很難進(jìn)行疏散。為了應(yīng)對(duì)高大建筑的消防問題，舉高噴射消防車、墻壁破拆消防車和舉高多劑聯(lián)用消防車等[1] 應(yīng)運(yùn)而生。但由于這些消防車臂架完全超過了消防人員的視野范圍，消防人員并不能很好地控制消防炮的角度位置與角度變化，使得滅火時(shí)浪費(fèi)了大量的滅火劑，并延長了滅火時(shí)間。此外，進(jìn)行滅火操作時(shí)消防人員需要近距離操作，這給消防人員增加了危險(xiǎn)性[2]。因此，研究能夠遠(yuǎn)距離操作觀察消防炮水流噴射角度的消防炮，對(duì)于改進(jìn)舉高消防車有著重要意義[3]。

本文設(shè)計(jì)了一種通過無線操作器實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離、可視化角度滅火[4] 的消防炮。介紹了控制消防炮水平旋轉(zhuǎn)和俯仰旋轉(zhuǎn)的驅(qū)動(dòng)電路與電機(jī)、消防炮噴射水流角度檢測以及無線遙控和控制電路的設(shè)計(jì)。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

圖1 所示為該系統(tǒng)框架，主要由消防炮主控制器、無線擴(kuò)頻模塊LoRa（遠(yuǎn)距離無線電）、水平和俯仰直流電機(jī)、消防炮角度位置檢測和系統(tǒng)電源等組成。圖2 所示為手持操作器框架，其組成包括電源管理模塊、從機(jī)控制器、OLED（有機(jī)發(fā)光二極管）屏顯示器模塊、無線擴(kuò)頻模塊LoRa 和按鍵控制模塊等[5]。消防炮主控制器通過無線擴(kuò)頻模塊接受來自手持操作器的按鍵命令，采用直流無刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片DRV8316 三相集成式 FET（場效應(yīng)晶體管） 電機(jī)驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)水平和俯仰直流電機(jī)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)消防炮的轉(zhuǎn)動(dòng)控制。角度傳感器將炮管的相對(duì)角度轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)，輸入給主控制器的AD 采樣，控制器通過換算炮管角度傳感器電壓信號(hào)識(shí)別出消防炮的角度位置，利用無線擴(kuò)頻模塊LoRa 發(fā)送給顯示器OLED 屏顯示當(dāng)前角度。該系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在以下3 個(gè)方面。

（1）使用直流無刷電機(jī)，調(diào)速性能好且啟動(dòng)后工作轉(zhuǎn)速恒定，適用于高噴消防車進(jìn)行大流量噴灑。直流無刷電機(jī)采用半導(dǎo)體開關(guān)器件實(shí)現(xiàn)電子換向，相較于直流有刷電機(jī)的物理電刷換向器，其既有直流電機(jī)啟動(dòng)和過載能力強(qiáng)、輸出力矩大和調(diào)速方便的優(yōu)點(diǎn)，又克服了直流有刷電動(dòng)機(jī)由于機(jī)械換向所帶來的一系列缺點(diǎn)。

（2）角度傳感器采用多圈精密電位器，配合蝸桿齒輪等機(jī)械結(jié)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)其使用范圍內(nèi)采。

（3）基于無線擴(kuò)頻模塊LoRa [6] 的通信方式進(jìn)行角度信息的接收，可實(shí)現(xiàn)長距離擴(kuò)頻通信，具有極強(qiáng)的抗干擾性，適用于舉高噴射消防車這種遠(yuǎn)距離控制。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 主控制器

本文選擇國產(chǎn)高性能的GD32VF103C8T6 作為主控制器， 主頻可達(dá)到108 MHz， 它是基于RISC-V 內(nèi)核的32 位通用微控制器，在給用戶提供豐富外設(shè)的同時(shí)，也體現(xiàn)了其高性能和低功耗。因其FLASH（閃存）訪問零等待，效率也能實(shí)現(xiàn)最大化，不僅指令執(zhí)行速度快、實(shí)時(shí)性好，而且功耗也極低。其擁有32 KB 的SRAM（靜態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器）以及高達(dá)128 KB 的片上FLASH，豐富的外設(shè)包括2 個(gè)基礎(chǔ)定時(shí)器、1 個(gè)PWM（脈沖寬度調(diào)制）高級(jí)定時(shí)器和4 個(gè)通用16 位定時(shí)器等。GD32VF103C8T6 系統(tǒng)架構(gòu)如圖3 所示[7]。

2.2 無線擴(kuò)頻模塊

采用SX1262 擴(kuò)頻無線數(shù)字收發(fā)芯片實(shí)現(xiàn)發(fā)射與接收，它最大的優(yōu)點(diǎn)是超遠(yuǎn)距離傳輸、抗干擾性強(qiáng)和低功耗，可以最大限度地降低電流消耗；工作電壓為1.8 ～ 3.7 V， 靈敏度為-148 dBm， 工作頻率為470 MHz ～ 510 MHz，最大發(fā)射功率高達(dá)+22 dBm [2]。

圖4 所示為SX1262 應(yīng)用原理， 主控制器GD32VF103C8T6 通過SPI（ 包括接口SCLK、SDI、SDO、nSCS）串行接口對(duì)SX1262 進(jìn)行配置、管理以及數(shù)據(jù)收發(fā)；BUSY 引腳為忙狀態(tài)指示，在MCU（微控制器）發(fā)送數(shù)據(jù)之前，需要檢測BUSY引腳狀態(tài)指示，以便當(dāng)操作器發(fā)出按鍵指令時(shí)，與消防炮控制器相連的SX1262 芯片接收到命令，即控制消防炮做出相應(yīng)的動(dòng)作。

2.3 直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

炮體的水平回轉(zhuǎn)和垂直俯仰運(yùn)動(dòng)，需要通過電機(jī)來控制。本系統(tǒng)選用的是24 V 直流無刷電機(jī)[8]，主控制器通過直流無刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片DRV8316T 三相集成式 FET 電機(jī)驅(qū)動(dòng)器構(gòu)成的電路控制消防炮直流電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)水平回轉(zhuǎn)和垂直俯仰運(yùn)動(dòng)，對(duì)準(zhǔn)著火點(diǎn)進(jìn)行滅火。

DRV8316 是TEXAS INSTRUMENTS（德州儀器）公司推出的三相集成式 FET 電機(jī)驅(qū)動(dòng)器。其特點(diǎn)是將3 個(gè)1/2H 橋集成在芯片內(nèi)部，使電機(jī)系統(tǒng)更高效、更可靠；工作電壓在4.5～35 V，更值得關(guān)注的是內(nèi)部FET 的 RDS（ON）（導(dǎo)通電阻）為95 mΩ， 峰值電流可以達(dá)到8 A； DRV8316 還內(nèi)置3.3 V、30 mA LDO（ 低壓差線性穩(wěn)壓器） 和3.3 V/5 V、200 mA 降壓穩(wěn)壓器，可供其他外設(shè)電源使用；DRV8316 還集成多種保護(hù)特性，防止出現(xiàn)故障事件，可以保護(hù)器件、電機(jī)和系統(tǒng)，其硬件電路[9] 如圖5 所示。

由主控制器發(fā)出驅(qū)動(dòng)芯片的控制信號(hào)，SPI（包括接口SCLK、SDI、SDO、nSCS）直接與主控制器通信，通過SPI 接口配置器件，讀出故障狀態(tài)；當(dāng)DRVOFF 引腳被拉高時(shí)，內(nèi)置的6 個(gè)金屬—氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管（MOSFET）都會(huì)被關(guān)斷，電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)；SOA、SOB、SOC 引腳由電流檢測放大器輸出，與主控制器AD 相連；將檢測到的故障信號(hào)通過軟件編程后返回給主控制器，可以實(shí)時(shí)監(jiān)控驅(qū)動(dòng)芯片的狀態(tài)，保證在驅(qū)動(dòng)模塊出現(xiàn)故障時(shí)立即拉低PWM 信號(hào)，使系統(tǒng)停機(jī)，保障人身和設(shè)備安全。當(dāng)nSLEEP 引腳被拉低時(shí)，芯片進(jìn)入低功耗睡眠模式。

電機(jī)供電電壓為24 V，CP 與VM 之間接自舉電容；AVDD 和AGND 是LDO 內(nèi)部3.3 V 穩(wěn)壓器輸出引腳；SW_BK、GND_BK、FB_BK 引腳與外部電感和電容構(gòu)成一個(gè)降壓電路可給霍爾傳感器供電。

2.4 消防炮角度檢測

消防炮極限位置的檢測是檢測炮管轉(zhuǎn)動(dòng)角度的最大限度。如圖6 所示，直流電機(jī)、控制電路、角度傳感器、金屬齒輪以及輸出軸等裝置安裝在防護(hù)殼體內(nèi)。直流電機(jī)通過金屬齒輪帶動(dòng)角度傳感器轉(zhuǎn)動(dòng)，使炮管也隨之轉(zhuǎn)動(dòng)，其中電位器的輸出軸與帶動(dòng)炮管的蝸輪蝸桿連接，即可進(jìn)行水平或俯仰方向的轉(zhuǎn)動(dòng)。角度傳感器將炮管的相對(duì)角度轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)，輸入給主控制器的AD 采樣?？刂破鞲鶕?jù)炮管角度傳感器電壓信號(hào)通過換算也可以識(shí)別出消防炮的角度位置。

多圈精密電位器的原理：將電阻絲在骨架上繞制成環(huán)狀，通過多圈轉(zhuǎn)動(dòng)的機(jī)械角度，使阻值產(chǎn)生變化，即將機(jī)械位移轉(zhuǎn)換為與之成線性或任意函數(shù)關(guān)系的電阻或電壓輸出[10]。將電位器用作分壓器，電位器接線示意如圖7 所示，圖中1 腳接電源輸入端；3 腳接地；2 腳接電壓輸出端。當(dāng)調(diào)動(dòng)電位器的轉(zhuǎn)柄時(shí)，動(dòng)觸點(diǎn)在電阻體上滑動(dòng)，此時(shí)在電位器的輸出端可獲得電位器外加電壓和與可動(dòng)臂轉(zhuǎn)角成一定關(guān)系的輸出電壓。

2.5 電源設(shè)計(jì)電路

系統(tǒng)電路板正常情況下需要的工作電壓有：直流電機(jī)工作電壓為24 V、主控制器3.3 V、精密多圈電位器5 V、無線收發(fā)模塊3.3 V。圖8 為電源設(shè)計(jì)電路，系統(tǒng)通過開關(guān)穩(wěn)壓芯片78L05，將24 V輸入電源轉(zhuǎn)換為+5 V，供給電位器；再將5 V 電源通過線性穩(wěn)壓芯片AMS1117-3.3 V（輸出電壓為3.3 V 的正向低壓差穩(wěn)壓芯片）穩(wěn)壓得到+3.3 V 電源，供給主控制器和無線收發(fā)模塊。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

高噴消防車的消防炮控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)包括消防炮主控制器和手持操作器兩個(gè)部分，其程序由主程序控制模塊、通信控制模塊、外圍硬件控制程序模塊和中斷程序模塊4 個(gè)部分組成。系統(tǒng)主控制器工作流程如圖9 所示，主程序控制模塊對(duì)各個(gè)模塊進(jìn)行初始化；等待操作器發(fā)出命令，消防炮的動(dòng)作受手持操作器按鍵指令控制，當(dāng)系統(tǒng)收到操作器的命令，水平或俯仰電機(jī)會(huì)按照相應(yīng)指令動(dòng)作，再繼續(xù)等待下一個(gè)按鍵命令狀態(tài)。

手持操作器工作流程如圖10 所示，主程序控制模塊同樣對(duì)各個(gè)模塊進(jìn)行初始化，等待按鍵輸入，通過無線模塊向消防炮主控制器發(fā)送操作指令；收到SX1262 中斷，OLED 屏顯示出當(dāng)前消防炮角度信息等。

針對(duì)SX1262 芯片，本文選擇的是LoRa 調(diào)制解調(diào)，其具有隱性和顯性兩種數(shù)據(jù)包格式，采用數(shù)據(jù)包格式增加了信號(hào)的覆蓋范圍和無線通信鏈路的魯棒性。不同的數(shù)據(jù)包格式都有其優(yōu)點(diǎn)，本文選擇的是顯性模式。具體參數(shù)需要進(jìn)行程序中參數(shù)的設(shè)置，以下是根據(jù)實(shí)際需求設(shè)置的收發(fā)端各個(gè)模塊的關(guān)鍵參數(shù)：

G_LoRaConfig.LoRa_Freq=Fre[0]； // 中心頻率470 MHz

G_LoRaConfig.BandWidth=LORA_BW_125；//BW=125 kHz

G_LoRaConfig.SpreadingFactor=LORA_SF7； //SF=7

G_LoRaConfig.CodingRate=LORA_CR_4_6；//CR=4/6

G_LoRaConfig.PowerCfig=22； // 最大輸出功率可達(dá)22 dBmG_LoRaConfig.HeaderType=LORA_PACKET_EXPLICIT；// 包頭格式設(shè)置，顯性包頭：LORA_PACKET_EXPLICIT；隱性包頭：LORA_PACKET_IMPLICIT； 若設(shè)置為顯性包頭， 發(fā)送端會(huì)將PalyLoad 長度、編碼率、CRC 等加入包頭中發(fā)送給接收端

G_LoRaConfig.CrcMode=LORA_CRC_ON；//CRC 校驗(yàn)開啟：LORA_CRC_ON；關(guān)閉：LORA_CRC_OFF

G_LoRaConfig.InvertIQ=LORA_IQ_NORMAL；

G_LoRaConfig.PreambleLength=8；// 前導(dǎo)碼長度

G_LoRaConfig.PayloadLength=10；// 數(shù)據(jù)包長

4 結(jié)論

本文針對(duì)高噴消防車的消防炮設(shè)計(jì)了一款基于國產(chǎn)高性能的GD32VF103C8T6 單片機(jī)和無線擴(kuò)頻模塊SX1262 的可遠(yuǎn)距離進(jìn)行無線數(shù)據(jù)傳輸并可視水流噴射角度的消防炮系統(tǒng)。該系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)消防炮水流噴射角度的檢測，同時(shí)增加了無線擴(kuò)頻模塊SX1262，實(shí)現(xiàn)角度數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)距離收發(fā)，從而達(dá)到消防炮水流噴射角度信號(hào)傳輸回手持操作器的OLED 屏上進(jìn)行顯示，使操作更加人性化。該系統(tǒng)運(yùn)用了傳輸距離遠(yuǎn)、傳輸數(shù)據(jù)可靠穩(wěn)定、功耗低的LoRa 無線擴(kuò)頻通信技術(shù)，將其應(yīng)用于高噴消防車，能給消防人員帶來極大的好處和便利。