魏金靈，王樹(shù)亮，鄧心怡

（1.杭州蕭山技師學(xué)院，浙江杭州， 311200；2.浙江省送變電工程有限公司，浙江杭州， 311200）

0 引言

消防安全關(guān)乎人們生命財(cái)產(chǎn)，因不可控因素，樓宇火災(zāi)時(shí)有發(fā)生，給國(guó)家和人民帶來(lái)了一定的損失。當(dāng)下樓宇消防的管理規(guī)定已日益完善，從總控管理室到各樓道辦公室的消防管道、火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)能較好地發(fā)現(xiàn)火源并撲滅火災(zāi)。火災(zāi)防控?zé)o小事，既要見(jiàn)微知著的良好習(xí)慣，又要不斷日益智能化的可靠滅火設(shè)備[1]。針對(duì)原消防管道噴灑滅火不精準(zhǔn)等問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)了智能樓宇云臺(tái)滅火裝置，云臺(tái)消防滅火裝置在原樓宇消防管理體系裝置的前提下能夠匹配已有系統(tǒng)，預(yù)防火源并定點(diǎn)滅火，保衛(wèi)人們生命財(cái)產(chǎn)安全[2]。

1 云臺(tái)滅火裝置系統(tǒng)設(shè)計(jì)

云臺(tái)滅火裝置采用220V市電供電，并經(jīng)過(guò)內(nèi)部開(kāi)關(guān)電源實(shí)現(xiàn)降壓給控制、執(zhí)行線(xiàn)路供電工作，系統(tǒng)核心控制器是宏晶STC8G2K64S4芯片，具備多數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和執(zhí)行力，可提高控制算法執(zhí)行速度與裝置的控制效果。云臺(tái)定位由兩個(gè)舵機(jī)組成X、Y雙軸定位系統(tǒng)，通過(guò)底板安裝與運(yùn)動(dòng)控制程序可實(shí)現(xiàn)空間定位能力，系統(tǒng)中水槍部分提供接口，只對(duì)電磁閥控制，再由電磁閥控制水槍開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)出水滅火功能。

為了提高裝置的穩(wěn)定性及運(yùn)行能力，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面具備溫度檢測(cè)和光強(qiáng)度檢測(cè)的反饋。其中光強(qiáng)度檢測(cè)反饋用于實(shí)時(shí)反映裝置輻射區(qū)域內(nèi)光強(qiáng)的變化，用于校準(zhǔn)云臺(tái)滅火裝置的定位精度，溫度檢測(cè)用于輔助判斷火源大小及火災(zāi)極端的保護(hù)措施，使云臺(tái)滅火裝置能夠正常工作。系統(tǒng)是采集串口端的定位數(shù)據(jù)，并運(yùn)算處理得出空間定位數(shù)據(jù)調(diào)動(dòng)舵機(jī)云臺(tái)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)工作的，空間定位的數(shù)據(jù)由上位機(jī)軟件通過(guò)視覺(jué)等方式獲取，系統(tǒng)裝置用于通訊處理并執(zhí)行。WiFi通訊模塊的設(shè)定讓裝置預(yù)備廣域網(wǎng)交互能力，可使用手機(jī)等遠(yuǎn)程控制裝置動(dòng)作執(zhí)行，用于設(shè)備調(diào)試及特殊情況應(yīng)用。

2 機(jī)械三維模型設(shè)計(jì)

■2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

云臺(tái)滅火裝置能夠滿(mǎn)足空間區(qū)域移動(dòng)及定位能力，常用直流電機(jī)機(jī)構(gòu)需要反饋閉環(huán)控制，由舵機(jī)構(gòu)成的云臺(tái)控制器具備精度可靠、控制簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)，其結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。裝置通過(guò)固定底板在對(duì)垂直墻面安裝使用，整體由Z軸旋轉(zhuǎn)舵機(jī)和Y軸舵機(jī)構(gòu)成，X軸舵機(jī)控制云臺(tái)裝置橫向掃描定位，Y軸舵機(jī)在X軸基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)縱向掃描定位，加裝在Y軸旋轉(zhuǎn)舵機(jī)支架上的水槍可以結(jié)合空間旋轉(zhuǎn)加水壓力實(shí)現(xiàn)定點(diǎn)滅火功能。

圖2 云臺(tái)結(jié)構(gòu)示意圖

裝置優(yōu)點(diǎn)在于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單并維護(hù)、安裝方便，在控制器執(zhí)行控制時(shí)不需要反饋，只要將運(yùn)算好的脈沖送至雙自由度舵機(jī)執(zhí)行機(jī)構(gòu)即可實(shí)現(xiàn)功能。

■2.2 三維建模

云臺(tái)結(jié)構(gòu)分析中，Z軸舵機(jī)優(yōu)先度要高于Y軸，在實(shí)際應(yīng)用中會(huì)出現(xiàn)奇角，通過(guò)程序調(diào)整可以規(guī)避，裝置中的多裝置主從機(jī)通信在不同空間安裝也可實(shí)現(xiàn)盲區(qū)識(shí)別問(wèn)題。圖3模型結(jié)構(gòu)圖中說(shuō)明云臺(tái)滅火裝置的安裝示意圖及模型結(jié)構(gòu)圖，要通過(guò)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)調(diào)整與空間定位中運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)能力極限進(jìn)行安裝位置的調(diào)整，在針對(duì)特殊使用場(chǎng)合可將Z軸旋轉(zhuǎn)舵機(jī)改為360°具備平臺(tái)周旋轉(zhuǎn)能力提高檢測(cè)范圍能力，Y軸縱向控制能力要受到機(jī)械結(jié)構(gòu)限制，只能以畫(huà)半圓的方式移動(dòng)。

圖3 云臺(tái)模型結(jié)構(gòu)圖

3 電氣控制線(xiàn)路

■3.1 控制器與信號(hào)采集

樓宇消防云臺(tái)滅火裝置可以采集溫度、光強(qiáng)數(shù)據(jù)，輸出脈沖控制舵機(jī)空間定位，能夠與電腦定位數(shù)據(jù)通信，并可遠(yuǎn)程掛網(wǎng)控制，其控制器原理如圖4所示。裝置使用控制器是國(guó)產(chǎn)STC中8位單片機(jī)系列的高進(jìn)度、高速處理芯片，其內(nèi)部集成化好，擯除了常見(jiàn)MCU中的復(fù)位與晶振電路，簡(jiǎn)化了結(jié)構(gòu)并提高了運(yùn)行效率。

圖4 控制器原理圖

信號(hào)采集由溫度傳感器和光強(qiáng)傳感器組成，均為提高裝置定位能力反饋輔助作用，使用工業(yè)傳感器芯片及敏感元件組成，且通信方式為I2C和單總線(xiàn)數(shù)字化通信方式。溫度傳感器是DS18B20，溫度檢測(cè)范圍廣泛且集成度好，滿(mǎn)足樓宇火災(zāi)檢測(cè)的范圍要求，通信穩(wěn)定不容易跳動(dòng)。光照度傳感器是BH1750，具備高中低三種通訊方式，光照度檢測(cè)Lx快速穩(wěn)定，I2C通信與MCU控制器高速采集，內(nèi)部數(shù)字量轉(zhuǎn)化處理簡(jiǎn)單清晰。

■3.2 舵機(jī)控制電路

舵機(jī)用于雙軸自由度定位，如圖5所示，為提高控制器對(duì)舵機(jī)控制能力，使用三極管構(gòu)成推挽電路。MCU控制器編程開(kāi)啟內(nèi)部硬件寄存器，輸出固定脈沖頻率的硬件PWM脈沖，調(diào)節(jié)高電平時(shí)間實(shí)現(xiàn)舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)角度的控制，舵機(jī)頻率與時(shí)間給定是通用性20ms。由于舵機(jī)慣性會(huì)導(dǎo)致運(yùn)行瞬間電流加大，因此在舵機(jī)控制器的供電兩端加裝了電容分擔(dān)啟動(dòng)電流負(fù)擔(dān)。

圖5 舵機(jī)控制電路圖

■3.3 串口數(shù)據(jù)通信

串口數(shù)據(jù)通信一是將上位機(jī)裝置的視覺(jué)等處理后的定位數(shù)據(jù)送至滅火裝置中執(zhí)行定位滅火，二是可實(shí)現(xiàn)主從機(jī)通信對(duì)多個(gè)滅火裝置聯(lián)動(dòng)控制。圖6上位機(jī)通信電路圖將單片機(jī)串口的TTL信號(hào)通過(guò)MAX232芯片實(shí)現(xiàn)了電腦端口的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化，電腦端口的相關(guān)坐標(biāo)數(shù)據(jù)可由此電路對(duì)單片機(jī)控制器完成定位控制。

圖6 上位機(jī)通信電路圖

多個(gè)裝置之間通信是要使用485差分信號(hào)通信的方式實(shí)現(xiàn)的，由一主多從構(gòu)成，從機(jī)具備專(zhuān)屬地址，主機(jī)通過(guò)對(duì)目標(biāo)裝置地址的訪(fǎng)問(wèn)實(shí)現(xiàn)控制對(duì)從機(jī)的控制。裝置控制器中是執(zhí)行的基于485硬件結(jié)構(gòu)Mudbus RTU的通信，其數(shù)據(jù)傳輸具備準(zhǔn)確率高，執(zhí)行高效的優(yōu)點(diǎn)，且數(shù)據(jù)設(shè)備之間互不干擾。

圖7 485通信圖

■3.4 WiFi遠(yuǎn)程通信模塊

在正常使用時(shí)，裝置只需要與電腦中的攝像頭定位完成數(shù)據(jù)交互即可，涉及遠(yuǎn)程遙控就需要使用WiFi模塊完成網(wǎng)絡(luò)連接與穿透，將本裝置掛靠到廣域網(wǎng)絡(luò)上，并通過(guò)手機(jī)中IP地址訪(fǎng)問(wèn)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制裝置的功能。圖8是基于有人WiFi 232模塊實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信的原理圖，有指示燈可以指示網(wǎng)絡(luò)的連接狀況，并且與單片機(jī)控制器采用串口通信方式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互，配置協(xié)議及網(wǎng)絡(luò)路由器即可網(wǎng)絡(luò)穿透，操作簡(jiǎn)單，性能強(qiáng)大。

圖8 WiFi模塊原理圖

■3.5 系統(tǒng)輔助電路設(shè)計(jì)

輔助電路由電源電路和信號(hào)濾波、按鍵及數(shù)碼管顯示組成，開(kāi)關(guān)電源將市電轉(zhuǎn)換為5V電源供電，按鍵和數(shù)碼管可對(duì)工作模式切換與調(diào)整，并實(shí)時(shí)顯示狀態(tài)。結(jié)合裝置的各組成電路完成云臺(tái)滅火裝置的系統(tǒng)電路框架，并由控制器邏輯程序?qū)崿F(xiàn)模塊間協(xié)調(diào)作用，將串口送入的視覺(jué)等信號(hào)處理的坐標(biāo)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為空間坐標(biāo)調(diào)動(dòng)云臺(tái)裝置實(shí)現(xiàn)火源定點(diǎn)滅火的功能。

4 算法執(zhí)行與優(yōu)化

云臺(tái)滅火裝置系統(tǒng)核心程序是數(shù)據(jù)通信處理，和舵機(jī)云臺(tái)定位控制。裝置控制器不能單獨(dú)控制，必須要接收上位機(jī)電腦發(fā)送的視覺(jué)等會(huì)傳感器檢測(cè)到火源后生成的圖像坐標(biāo)數(shù)據(jù)才可以正常執(zhí)行工作，其系統(tǒng)流程圖如圖9所示。程序中串口數(shù)據(jù)采集部分采用數(shù)據(jù)校驗(yàn)通信方式，確保上位機(jī)與裝置之間數(shù)據(jù)交互的準(zhǔn)確性，實(shí)時(shí)將圖像坐標(biāo)數(shù)據(jù)送至內(nèi)部程序處理，分支處有對(duì)外界控制信號(hào)的檢測(cè)，手機(jī)等外界裝置連接WiFi掛靠廣域網(wǎng)的IP可對(duì)舵機(jī)云臺(tái)裝置直接作用控制，用于處理的角度校準(zhǔn)及后期維護(hù)使用。

圖9 系統(tǒng)流程圖

定位坐標(biāo)數(shù)據(jù)是由前端攝像頭采集經(jīng)過(guò)電腦端處理生成的，外界環(huán)境的變化會(huì)引起數(shù)據(jù)波動(dòng)。本裝置提供的溫度、光強(qiáng)傳感器可對(duì)外界環(huán)境檢測(cè)并反饋，將數(shù)據(jù)補(bǔ)償給受到干擾的圖像坐標(biāo)數(shù)據(jù)，穩(wěn)定定位數(shù)據(jù)。將定位數(shù)據(jù)與實(shí)際舵機(jī)旋轉(zhuǎn)角度匹配，將差值填充給輸出脈沖的高電平脈寬，實(shí)現(xiàn)隨坐標(biāo)數(shù)據(jù)變化而變化的固定頻率下脈寬變化的PWM信號(hào)。最后舵機(jī)識(shí)別到信號(hào)完成角度旋轉(zhuǎn)，同時(shí)根據(jù)火源的有效面積開(kāi)啟水槍電磁閥實(shí)現(xiàn)定點(diǎn)滅火功能。

5 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與結(jié)果分析

樓宇消防云臺(tái)滅火裝置以紅色模擬火焰取得試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示，視覺(jué)處理分析使用上位機(jī)處理完成，攝像頭對(duì)紅色閾值提取，將空間中的物體位置轉(zhuǎn)換為圖像坐標(biāo)像素的形式，并經(jīng)過(guò)串口與云臺(tái)滅火裝置數(shù)據(jù)通信。裝置控制器結(jié)合環(huán)境信息反饋對(duì)定位數(shù)據(jù)補(bǔ)償轉(zhuǎn)換，并驅(qū)動(dòng)舵機(jī)云臺(tái)與水槍電磁閥實(shí)現(xiàn)控制，其實(shí)驗(yàn)如圖10 裝置實(shí)驗(yàn)?zāi)M所示，能夠較好地追蹤并定位模擬火源的位置。

圖1 云臺(tái)滅火裝置系統(tǒng)圖

表1 定位滅火試驗(yàn)表

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圖10 裝置實(shí)驗(yàn)?zāi)M圖

溫度與光照補(bǔ)償對(duì)裝置的穩(wěn)定性起到了關(guān)鍵作用，隨著日照變化，攝像頭數(shù)據(jù)反饋的目標(biāo)坐標(biāo)值偏移幅度較大，光照度的反饋能夠有效地補(bǔ)充數(shù)據(jù)坐標(biāo)缺失，根據(jù)對(duì)定位準(zhǔn)確度的實(shí)際試驗(yàn)，裝置定位準(zhǔn)確率在極限位置時(shí)偏值較大，說(shuō)明奇點(diǎn)對(duì)裝置有一定影響，可以通過(guò)多個(gè)裝置角度通訊互補(bǔ)解決問(wèn)題，并提高定位精度。

6 結(jié)束語(yǔ)

本云臺(tái)滅火裝置通過(guò)樣機(jī)設(shè)計(jì)制作提出的在樓宇消防系統(tǒng)中輔助滅火裝置的可行性做了分析，并通過(guò)數(shù)據(jù)驗(yàn)證了裝置的功能。在實(shí)際使用中如何進(jìn)一步提高定位精度與水壓力之間的結(jié)合使用還需要深度思考分析[3]。綜上所示，本文敘述的云臺(tái)滅火裝置能夠有效地與消防平臺(tái)數(shù)據(jù)通信對(duì)接，云臺(tái)滅火裝置能夠?qū)崿F(xiàn)火源的定位并開(kāi)啟水泵有效滅火，裝置具備一定的實(shí)用性，結(jié)合樓宇消防管道實(shí)現(xiàn)消防滅火管控能力。