小型智能巡檢消防一體車設(shè)計方案

摘 要：隨著信息化與自動化技術(shù)的發(fā)展，智能電力設(shè)備控制中心、信息技術(shù)中心、智能倉庫等無人值守的工作場合越來越多，原有的人工定期巡檢、固定攝像頭等隱患排查方式和時效性存在一定局限，部分狹小區(qū)域是監(jiān)控盲區(qū)，火災(zāi)隱患亟需關(guān)注與解決。該文研發(fā)的小型智能消防巡檢一體車方案是基于Arduino開發(fā)板，利用智能循跡避障算法在既定線路巡檢，利用紅外熱能成像進行火災(zāi)隱患偵測，綜合處理超聲波、煙霧與紅外傳感器的數(shù)據(jù)，及時發(fā)現(xiàn)火災(zāi)隱患或火情并利用搭載的滅火設(shè)備進行預(yù)處理，并將問題及時反饋到控制終端，再由偵測信息下發(fā)指令控制一體車，對問題區(qū)域進行再排查和再處理。經(jīng)過實驗測試，一體車較好地完成遠程遙控、自動循跡避障、自主消防滅火的功能，具有較好的實用推廣價值。

關(guān)鍵詞：智能巡檢;紅外熱成像;智能循跡避障;自主滅火;Arduino

中圖分類號：TP242 文獻標(biāo)志碼：A 文章編號：2095-2945（2024）22-0032-06

Abstract： With the development of information and automation technology， there are more and more unattended workplaces such as intelligent power equipment control center， information technology center， intelligent warehouse and so on. The original manual regular inspection， fixed cameras and other hidden trouble detection methods and timeliness have some limitations， some narrow areas are monitoring blind areas， fire hidden dangers need to be paid attention to and solved. The scheme of the small intelligent fire inspection integrated vehicle developed in this paper is based on the Arduino development board， which uses the intelligent tracking and obstacle avoidance algorithm to patrol the given lines， uses infrared thermal imaging to detect fire hidden dangers， comprehensively processes the data of ultrasonic， smoke and infrared sensors， discovers the fire hidden danger or fire situation in time and uses the fire extinguishing equipment to carry out pre-processing， and feedback the problem to the control terminal in time. Then， the all-in-one vehicle is controlled by the detection information， and the problem area is checked and processed again. Through the experimental test， the all-in-one vehicle has completed the functions of remote control， automatic tracking and obstacle avoidance， independent fire fighting and fire fighting， which has a good practical value.

Keywords： intelligent inspection; infrared thermal imaging; intelligent tracking and obstacle avoidance; autonomous fire fighting; Arduino

近年來，無人值守的電力設(shè)備控制中心，例如配網(wǎng)變電站、牽引變電站等越發(fā)普及，城市架空電纜落地工程快速推進，智能化地下管廊逐步普及，但因人工巡檢、隱患排查力度的不足或者較為狹窄的區(qū)域防火滅火安全問題亟需解決[1-3]。經(jīng)調(diào)研，目前相關(guān)控制中心及設(shè)備的消防安全問題主要依靠熱成像攝像機、消防噴淋系統(tǒng)以及人工排查的方法進行解決處理，對可能出現(xiàn)的火災(zāi)隱患和小型火情的敏感程度不強，容易產(chǎn)生更大的火災(zāi)隱患。

本文開發(fā)了一種基于Arduino開發(fā)的小型智能消防巡檢一體車，集成了智能遙控、自動循跡避障、高效消防滅火等功能，解決了人工巡檢能力不足及人工探查困難的狹小空間防火滅火的消防問題。本設(shè)計方案的實施，將對保障電力設(shè)備、輸電、通信線路的安全運行具有積極的作用，也能有效緩解消防人力配置不足的狀況，使相關(guān)領(lǐng)域的實時消防監(jiān)控[4]成為可能。

1 總體設(shè)計方案

本文設(shè)計的智能巡檢消防一體車采用Arduino Mega 2560作為全車核心處理控制器，車體結(jié)構(gòu)采用金屬支架，行進方式選用麥克納姆輪，供電方式為鋰電池，利用穩(wěn)壓模塊穩(wěn)定并輸出不同模塊所需驅(qū)動電壓，采用四路L298N作為驅(qū)動模塊，使用ESP32Wi-Fi模塊以及藍牙模塊ZS-040進行數(shù)據(jù)傳輸和一體車控制，使用五路TCRT5000循跡模塊與HC-SR04進行智能循跡避障，使用紅外成像MLX90640、溫度傳感模塊DS18B20、有害氣體MQ系列氣體檢測模塊協(xié)同進行火災(zāi)隱患或火情的偵測;使用車載機械臂投放消防彈的方法進行有效的火災(zāi)控制。一體車總體設(shè)計結(jié)構(gòu)如圖1所示。

從圖1可以看出，電池經(jīng)穩(wěn)壓模塊將輸出電壓穩(wěn)定后，通過不同電壓輸出端口向主控制器及全車所有模塊供電。主控制器與電機驅(qū)動模塊及通信模塊直接相連，達到遠程控制一體車進行各種軌跡行進的目的;主控制器同時接收并處理循跡模塊、超聲波避障模塊、氣體檢測模塊、測溫模塊收集的信息，達到一體車自動循跡避障，并在避障過后回到原線路上的功能，以實現(xiàn)在既定線路上穩(wěn)定巡檢的功能。一體車在巡檢的同時，可實時監(jiān)測環(huán)境溫度變化情況以及各有害氣體濃度，當(dāng)相關(guān)參數(shù)指標(biāo)超過預(yù)設(shè)報警值時，探測信號轉(zhuǎn)化為電信號，給滅火模塊一個觸發(fā)高電平，啟動滅火模塊，并向操作終端反饋監(jiān)測和執(zhí)行情況信息。

2 功能模塊設(shè)計

2.1 主控制器

主控制器作為一體車最重要的組成部分，具有收集、處理、分析數(shù)據(jù)并向相關(guān)模塊下達指令的功能。本文所設(shè)計的一體車，使用Arduino Mega 2560 作為主控制器，它是基于ATmega2560的微控制板（圖2），有處理速度快、存儲大、功耗低及可靠性高的優(yōu)點。

2.2 電源模塊

電源模塊作為全車的“心臟”，需要向各組成部分供電，本設(shè)計電池選用12 V鋰電池。由于各模塊所需電源電壓不同，故采用了多接口LM2596直流穩(wěn)壓模塊進行電壓調(diào)整輸出，其開關(guān)頻率高、輸出電流大、接口多、實用性較強，其電路原理如圖3所示。

2.3 驅(qū)動模塊

一體車電機驅(qū)動設(shè)計采用四路L298N驅(qū)動模塊，通過開發(fā)板輸出的PWM信號進行脈寬調(diào)制，達到控制輸出電壓電流的目的，實現(xiàn)一體車速度的控制。車體上共安裝4個GA-25直流減速電機，電機的正負極與驅(qū)動板相連接，開發(fā)板輸出的PWM信號與驅(qū)動板上的4個使能端（EN1、EN2、EN3、EN4）相連，達到控制一體車行進的目的。

2.4 通信模塊

考慮到Wi-Fi通信與藍牙通信在單一使用時都具有一定缺陷，本設(shè)計采用二者兼?zhèn)涞姆桨?，在Wi-Fi信號良好并且所需通信距離較長時，使用ESP32Wi-Fi模塊與一體車進行通信;在Wi-Fi信號不好且通信距離較短時，采用ZS-040藍牙模塊進行通信。ESP32Wi-Fi模塊（圖4）普適性好、體積小，便于攜帶，可以裝配信號放大器，在一體車上使用效果良好;ZS-040藍牙模塊（圖5）成本低，連接穩(wěn)定，多種終端可連。一體車通信功能中，藍牙通信的優(yōu)先級更高，只有在藍牙與主控制器斷開連接時，Wi-Fi模塊才會與主控制器通信。

2.5 超聲波避障模塊

超聲波避障模塊設(shè)計采用的型號為HC-SR04（圖6），包含控制電路、超聲波發(fā)生器、接收器3個部分。該模塊自動發(fā)出8個40 KHz方波，并自動檢測反射信號，當(dāng)接收器收集到反射信號，由此可以計算得出所測距離。

2.6 循跡模塊

一體車設(shè)計采用五路TCRT5000循跡模塊（圖7），包括紅外發(fā)射器和3.5 mm封裝光電晶體管，其特點是集成度高、體積小且對紅外反射信號接收靈敏，并且配備LED燈，能在陰暗環(huán)境下完成循跡功能。

2.7 消防模塊

2.7.1 測溫模塊

一體車采用溫度傳感器與紅外測溫模塊結(jié)合的設(shè)計方案。溫度傳感器為DS18B20（圖8）采用數(shù)字單總線設(shè)計，溫度上升，模塊電壓上升，返回16位二進制溫度數(shù)值，反饋給主控制器，當(dāng)檢測到的環(huán)境溫度有起火可能時，更加靈敏的紅外測溫模塊MLX90640（圖9）介入，通過攝像頭拍攝紅外成像照片，反饋至上位機處理，2個模塊綜合使用下，探測溫度范圍可達300 ℃。

2.7.2 氣體傳感器模塊

MQ系列氣體傳感器使用在清潔空氣中電導(dǎo)率較低的二氧化錫作為氣敏材料，可以測量空氣中二氧化碳、氮氧化物、苯類等氣體。其特點是價格低、壽命長、靈敏度較高，可以用于對起火隱患的判斷。

2.7.3 滅火模塊

設(shè)計所采用的滅火模塊是高轉(zhuǎn)速風(fēng)扇與冷卻劑噴灑裝置結(jié)合方式，當(dāng)檢測到溫度、有害氣體濃度達到預(yù)警閾值，滅火模塊啟動，完成自處理滅火作業(yè)。

3 系統(tǒng)控制設(shè)計

一體車硬件模塊安裝、接線調(diào)試完成之后，需要對相關(guān)程序進行編寫和燒錄，本設(shè)計主要采用C語言及相關(guān)Arduino庫語言，在Arduino_IDE環(huán)境下進行編寫，各模塊需要進行初始化，定義輸入輸出引腳，區(qū)分處理數(shù)字信號和模擬信號。相關(guān)程序上載完成后，一體車相關(guān)功能待命，首先設(shè)置控制終端，在終端上鍵入控制信號指令，通信模塊與終端相連用于收發(fā)指令信號，藍牙通信優(yōu)先級更高，當(dāng)藍牙斷連時，自動切換Wi-Fi通信。遙控一體車至既定線路起點，一體車開始自動循跡，在循跡的過程中自動智能避障，實時監(jiān)測環(huán)境溫度與有害氣體濃度，當(dāng)相關(guān)參數(shù)達到報警值，一體車通過通信模塊向終端報警，并自行開始滅火作業(yè)，在滅火作業(yè)完成后，再次檢測相關(guān)火災(zāi)參數(shù)，并向終端報告滅火情況。系統(tǒng)實現(xiàn)的流程圖如圖10所示。

本次小型智能消防巡檢一體車采用了相關(guān)系統(tǒng)控制的創(chuàng)新設(shè)計，主要有以下方面。

3.1 行進驅(qū)動方式

一體車采用麥克納姆輪，麥克納姆輪以其橫向運動的特性而聞名。通過適當(dāng)控制每個車輪的角速度，實現(xiàn)了一體車的全方位運動，以達到在狹小空間內(nèi)靈活行動的目標(biāo)，可以完成的動作包括但不限于前進、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、向左平移、向右平移以及順、逆時針原地掉頭等，一體車的各種運動狀態(tài)分析見表1。

由于各電機參數(shù)不完全一致，實際情況中地面摩擦力不同等因素影響，一體車在輸入信號一致的情況下，不能完全做到沿直線前進的設(shè)想，所以，為保證一體車精準(zhǔn)得沿直線前進，在一體車驅(qū)動控制程序中引入負反饋——速度PID算法，使一體運動達到了預(yù)期的效果。

3.2 智能避障算法設(shè)計

一體車采用智能避障算法，旨在避障之后能夠回到原先既定路線上繼續(xù)行駛，所以需要整車盡可能精確地避開障礙物。一體車共安裝前、左、右3處避障模塊，在循跡過程中，發(fā)現(xiàn)循跡線路上有障礙物時，先減速判斷距離，然后檢測左右空曠部分大小，向空曠一側(cè)進行平移，平移至前方超聲傳感器檢測不到障礙物，然后再向原移動方向平移半個車寬，之后再向前移動至車一側(cè)超聲傳感器檢測不到障礙物后再向前移動半個車長，最后向開始移動的反方向移動相同的距離，回到原先循跡的線上。

如障礙物位于循跡既定路線上，則一體車在平移復(fù)位之后原地旋轉(zhuǎn)，并可以適當(dāng)擴大旋轉(zhuǎn)半徑至找到所循黑線，至此，智能循跡避障準(zhǔn)確實現(xiàn)。一體車實現(xiàn)以上步驟的流程如圖11所示。

3.3 消防模塊算法

消防模塊的算法旨在更加靈敏地判斷篩選火災(zāi)隱患或起火信息。本文設(shè)計的一體車采用了溫度傳感器、紅外成像、氣體檢測模塊3個模塊綜合收集數(shù)據(jù)處理判斷的方法。

溫度作為緩變量，在環(huán)境中變化不夠直接，因此紅外成像持續(xù)拍攝照片傳輸至終端處理的速度緩慢。所以給溫度傳感器設(shè)置一個較低的報警閾值，當(dāng)檢測到環(huán)境溫度超過此閾值，一體車減速前進，并向紅外測溫模塊發(fā)送指令，拍攝熱成像照片傳輸至終端進行處理分析，判斷是否有起火情況。

氣體傳感器起輔助驗證作用，通過預(yù)設(shè)的濃度指標(biāo)判斷火勢大小，決斷一體車是否具有滅火作業(yè)能力，并將相關(guān)信息準(zhǔn)確反映給終端操作人員，便于人員對火災(zāi)情況更好地掌控。滅火流程如圖12所示。

4 測試實驗與功能優(yōu)化

4.1 性能測試實驗

為了解所提出的智能消防巡檢一體車設(shè)計是否能很好地實現(xiàn)預(yù)期目標(biāo)，實際中開展了相關(guān)實驗與測試，測試內(nèi)容如下：①各項基本運動參數(shù)是否滿足要求;②是否實現(xiàn)了智能循跡避障;③數(shù)據(jù)采集和檢測功能是否滿足要求;④是否快速準(zhǔn)確地實現(xiàn)了消防滅火的功能。

4.1.1 運動性能測試

一體車運動性能測試主要包括前進、爬坡、障礙物翻越能力。

1）前進動力測試。在實驗室地面上規(guī)劃測試區(qū)間，使用PWM波分別控制一體車以全脈寬（即十檔全速），50%脈寬（五檔半速），10%脈寬（一檔低速）3種速度情況前進，取多次測試平均值，得出十檔轉(zhuǎn)速下一體車速度為2 m/s;五檔轉(zhuǎn)速下一體車速度為0.9 m/s;一檔速度下一體車速度為0.1 m/s，很好地滿足了設(shè)計需求，且在PI反饋控制下，一體車能很好地沿直線前進，基本沒有左右誤差，測試過程如圖13所示。

2）爬坡能力測試。一體車設(shè)計要求爬坡角度大于等于15°，爬坡速度大于等于0.2 m/s。實際開展了15°、20°、25° 3種情況下的爬坡速度測試，得出當(dāng)一體車設(shè)置為十檔全速行駛的情況下，斜面傾角為15°時，爬坡速度為1 m/s;斜面傾角為20°時，爬坡速度為0.7 m/s;斜面傾角為25°時，爬坡速度為0.3 m/s，滿足設(shè)計要求，測試過程如圖14所示。

3）障礙物翻越能力測試。一體車裝有機械臂裝置，舵機扭矩為25 kg·cm，全車裝配完成后車輛總重為3 kg，機械臂可以承擔(dān)一體車全部重量，故使用“挖掘機式”翻越障礙的方法，實現(xiàn)了10 cm的障礙翻越功能，測試過程如圖15所示。

4.1.2 智能循跡避障功能測試

為測試智能循跡避障功能，在實驗室內(nèi)鋪設(shè)循跡既定路線，從易至難設(shè)置了幾種實測路線：①大角度轉(zhuǎn)彎;②單一障礙物避障;③路線改變，曲折前進;④多個連續(xù)障礙物銜接路線。測試核心：對于尺寸大小不一，擺放位置不一的各種障礙物能否準(zhǔn)確完成避障;在執(zhí)行避障程序后，一體車能否回到既定線路上。經(jīng)過測試，一體車在執(zhí)行有關(guān)程序后能很好地完成避障，并在避障后回到原先的既定軌跡，完成了預(yù)期目標(biāo)，測試過程如圖16所示。

4.1.3 檢測功能測試

一體車采用溫度傳感器、MQ氣體傳感器、紅外成像模塊，使用ESP32通信進行相關(guān)數(shù)據(jù)傳輸，使采集的數(shù)據(jù)反饋到控制終端。打開終端控制端口，設(shè)置串口為COM3，波特率為9 600，連接測試環(huán)境Wi-Fi，一體車智能控制、自動前進、采集數(shù)據(jù)，并根據(jù)相關(guān)程序完成數(shù)據(jù)圖的繪制，溫度采集圖像繪制如圖17所示。

4.1.4 消防滅火功能測試

在既定線路上及兩側(cè)設(shè)置了火源（蠟燭），智能一體車在相關(guān)模塊的驅(qū)動下，對線路上及附近兩側(cè)的火源能夠做到較好的識別監(jiān)測，并向上位機反饋火情相關(guān)信息（易燃氣體濃度、溫度曲線等）。自動執(zhí)行相關(guān)滅火步驟，對火源及時撲滅，達到了預(yù)期效果。

4.2 功能優(yōu)化

基于電纜溝等狹小空間內(nèi)相關(guān)線纜設(shè)備是黑色，影響循跡模塊工作的情況，本次設(shè)計將集成灰度傳感器的判斷條件修改為相反，模塊在初始化之后將按照白線的目標(biāo)進行循跡，較好地解決了原有問題。

智能循跡避障算法在空間狹窄且障礙物多的地方，原有旋轉(zhuǎn)尋找既定線路的方法不一定能很好地實施，為此設(shè)計增添了在狹小空間的一定范圍內(nèi)利用超聲波測距的方法，全面覆蓋相關(guān)區(qū)域以達到找到線路的設(shè)計，一定程度上優(yōu)化了原算法，彌補了在非正常情況下工作的不足。

5 結(jié)束語

本文設(shè)計的小型智能消防巡檢一體車，通過主控核心對相關(guān)功能模塊進行統(tǒng)一調(diào)配、協(xié)同工作。在經(jīng)過硬件裝配、軟件調(diào)試等多次實驗后，證明了設(shè)計方案的可行性。一體車在有關(guān)場景中進行了測試，較好地完成了遠程遙控、自動循跡避障、自主消防滅火的功能。該設(shè)計應(yīng)用在無人值守變電站等電力電子設(shè)備集中且難以監(jiān)控的狹小空間中進行巡檢消防，一定程度上可提高電氣設(shè)備等的安全程度，有較強的實用價值。

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基金項目：2023年教育部產(chǎn)學(xué)合作項目（230900245113029）;2022年西安交通大學(xué)本科教學(xué)改革項目（2210Y）

*通信作者：遲曉紅（1987-），女，博士，工程師。研究方向為工業(yè)自動化。