曹璇　房治學(xué)　陳拓　陳鑫輝

摘 要：針對(duì)火情易發(fā)地火災(zāi)預(yù)測(cè)的需求，提出了一種智能消防小車(chē)設(shè)計(jì)方案。該方案首先采用TCRL5000紅外反射器設(shè)計(jì)線路識(shí)別電路，PWM技術(shù)調(diào)控舵機(jī)，實(shí)現(xiàn)智能消防小車(chē)循跡功能；其次利用DS18B20單總線通信采集溫度數(shù)據(jù)存儲(chǔ)至寄存器中，數(shù)模轉(zhuǎn)換電路計(jì)算MQ-2電壓獲取環(huán)境煙霧濃度；最后通過(guò)Wi-Fi模塊將采集到的溫度與煙霧濃度發(fā)送到上位機(jī)，系統(tǒng)判斷是否需要發(fā)出預(yù)警，提醒小車(chē)附近人員以此預(yù)防火情。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該智能消防小車(chē)能夠按預(yù)設(shè)路線正確行駛，完成數(shù)據(jù)采集與發(fā)送、警報(bào)提醒任務(wù)。

關(guān)鍵詞：紅外循跡；溫度檢測(cè)；煙霧檢測(cè)；電機(jī)驅(qū)動(dòng)

中圖分類(lèi)號(hào)：TN401? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? 文章編號(hào)：1671-0797（2023）09-0048-04

DOI：10.10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2023.09.014

0? ? 引言

火災(zāi)是對(duì)公共安全和社會(huì)發(fā)展危害最大的災(zāi)害之一，人們有時(shí)無(wú)法及時(shí)發(fā)現(xiàn)火災(zāi)隱患，導(dǎo)致原本可控的火情最后造成慘重的損失。因此，為預(yù)防火災(zāi)，并能夠及時(shí)警示人們，本項(xiàng)目設(shè)計(jì)了一款智能消防小車(chē)[1-2]。該方案基于LK32T102，利用溫度檢測(cè)、煙霧檢測(cè)、紅外檢測(cè)、Wi-Fi模塊外圍電路，完成智能消防小車(chē)信息采集，數(shù)據(jù)傳輸至上位機(jī)。智能消防小車(chē)能讓人們第一時(shí)間知曉火情信息，預(yù)防火災(zāi)，將火災(zāi)帶來(lái)的損失和危害降到最低。

本裝置主要包括驅(qū)動(dòng)電路、電源模塊（LM2596S）、紅外循跡模塊、溫度檢測(cè)模塊（DS18B20，測(cè)溫范圍為-55～125 ℃，精度為±0.5 ℃）、煙霧檢測(cè)模塊（MQ-2，對(duì)天然氣、液化石油等煙霧氣體敏感）、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、Wi-Fi模塊。紅外循跡模塊通過(guò)判斷兩側(cè)接收的紅外線強(qiáng)度改變電阻，從而改變反饋給單片機(jī)IO口的電壓，判斷智能消防小車(chē)是否按照預(yù)設(shè)線路行進(jìn)；溫度檢測(cè)模塊DS18B20傳感器采集溫度，將環(huán)境的溫度信息轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，并以串行數(shù)據(jù)流的形式反饋給單片機(jī)；煙霧檢測(cè)模塊MQ-2傳感器采集煙霧濃度[3]，通過(guò)改變電路中的電導(dǎo)率，將環(huán)境氣體的濃度信息反饋給單片機(jī)；電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊使用A4950控制電機(jī)的正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)速度，實(shí)現(xiàn)小車(chē)的不同行進(jìn)姿態(tài)；Wi-Fi模塊將單片機(jī)處理完成的數(shù)據(jù)發(fā)送到上位機(jī)[4]，用于提醒人們智能消防小車(chē)所處的環(huán)境信息。

1? ? 硬件電路設(shè)計(jì)

1.1? ? 電路架構(gòu)

智能消防小車(chē)主要由LK32T102單片機(jī)、電源電路、Wi-Fi模塊、驅(qū)動(dòng)電路、煙霧檢測(cè)模塊、溫度檢測(cè)模塊、紅外模塊組成，如圖1所示。

電源降壓與穩(wěn)壓電路主要由兩塊12 V鋰電池提供電壓，再由LM2596S和AMS1117-3.3芯片轉(zhuǎn)化為5 V和3.3 V電壓，為單片機(jī)和整個(gè)消防小車(chē)系統(tǒng)供電[5]；消防小車(chē)使用紅外模塊尋找路線軌跡；將傳感器的各類(lèi)參數(shù)通過(guò)Wi-Fi模塊顯示在上位機(jī)上；使用煙霧檢測(cè)傳感器和溫度傳感器模塊采集周?chē)鸁熿F濃度和環(huán)境溫度；驅(qū)動(dòng)電路用于控制消防小車(chē)運(yùn)動(dòng)。

1.2? ? 電源模塊

電源模塊為單片機(jī)最小系統(tǒng)，為Wi-Fi模塊、溫度傳感器模塊、紅外循跡模塊、煙霧檢測(cè)模塊提供直流電源。LM2596S與AMS1117模塊是業(yè)內(nèi)較為常用的電源變換芯片模塊，具有批量大、成本低的特點(diǎn)，適合作為本智能消防小車(chē)的電源來(lái)使用。通過(guò)LM2596S與AMS1117模塊將12 V電池降壓至5 V和3.3 V兩種電壓。

1.3? ? 紅外循跡模塊

傳感器的紅外發(fā)射二極管不斷發(fā)射紅外線，當(dāng)發(fā)射出的紅外線沒(méi)有被反射回來(lái)或被反射回來(lái)但強(qiáng)度不夠大時(shí)，光敏三極管處于關(guān)斷狀態(tài)，此時(shí)模塊輸出端為低電平，指示二極管處于熄滅狀態(tài)；當(dāng)發(fā)射出的紅外線在檢測(cè)范圍內(nèi)遇到障礙物，紅外線被反射至傳感器接收頭，紅外循跡模塊TCRL5000接收到的信號(hào)經(jīng)過(guò)處理，通過(guò)斯密特反相器緩沖74HC14，經(jīng)過(guò)插針連接器傳遞到單片機(jī)引腳[6]，由單片機(jī)獲取到的電壓值判斷智能消防小車(chē)的工作狀態(tài)，調(diào)整移動(dòng)方向，規(guī)避障礙物。紅外循跡模塊電路如圖2所示。

1.4? ? 溫度檢測(cè)模塊

溫度檢測(cè)模塊使用DS18B20傳感器，主要由溫度傳感器、配置寄存器、異常溫度觸發(fā)器等器件組成，相比于熱敏電阻、熱電偶等傳統(tǒng)的感溫元器件，它具有數(shù)值化、高精度、強(qiáng)穩(wěn)定性、體積小等特點(diǎn)，僅需一個(gè)控制信號(hào)就可以和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行通信，能充分滿足本智能消防小車(chē)采集溫度的要求。采集溫度時(shí)，模塊電路中R11上拉電阻給芯片DQ引腳拉高電位，電容C5用于降低交流脈沖，提高平滑直流輸出，如圖3所示。

1.5? ? 煙霧檢測(cè)模塊

煙霧檢測(cè)模塊采用MQ-2型傳感器采集煙霧濃度，其電導(dǎo)率隨著氣體濃度的增大而增大，且能夠快速地響應(yīng)煙霧濃度的變化，不易受外界因素干擾。定義煙霧傳感器MQ-2輸出引腳為SMOKE，SMOKE引腳的電流輸出隨煙霧濃度變化而變化，讀取煙霧檢測(cè)模塊的輸出電壓值來(lái)判斷當(dāng)前的煙霧濃度，如圖4所示。

2? ? 控制程序設(shè)計(jì)

2.1? ? 主程序設(shè)計(jì)

主函數(shù)首先完成單片機(jī)的IO端口配置、模塊初始化、溫度信號(hào)采集、煙霧濃度采集，然后以循跡行進(jìn)為主體，在定時(shí)器中斷位溢出，進(jìn)程自增，完成相應(yīng)的進(jìn)程操作，傳感器獲取到數(shù)據(jù)，判斷數(shù)據(jù)是否超出預(yù)設(shè)值并做出動(dòng)作，將數(shù)據(jù)通過(guò)ESP8266模塊傳輸?shù)缴衔粰C(jī)。流程圖如圖5所示。

2.2? ? 方向控制程序

舵機(jī)控制需要20 ms的時(shí)基脈沖，脈沖高電平部分為0.5～2.5 ms范圍。通過(guò)對(duì)定時(shí)器時(shí)鐘源分頻計(jì)算得出定時(shí)器自動(dòng)重裝載值，計(jì)算得出單片機(jī)定時(shí)器計(jì)數(shù)寄存器捕獲值，計(jì)算公式如下：

ARR=（Ｔ×ｃｌｋ）／（ｐｓｃ＋１）-1（1）

CRRx=duty_circle×ARR（2）

式中：ARR為自動(dòng)重裝載值；T為輸入方波周期；CLK為該單片機(jī)時(shí)鐘頻率；PSC為預(yù)分頻值；CRRx為寄存器捕獲值；duty_circle為舵機(jī)輸入波形占空。

2.3? ? 溫度檢測(cè)程序

DS18B20獲取到的數(shù)據(jù)以補(bǔ)碼形式存儲(chǔ)，單片機(jī)獲取到寄存器高8位，判斷高8位的值大于7，則表示為正溫度，若溫度為負(fù)，則需先將補(bǔ)碼數(shù)據(jù)減一后取反，以獲取負(fù)溫度的絕對(duì)值。將寄存器高8位與低8位合并為一個(gè)16位數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)化為16位數(shù)據(jù)后，根據(jù)溫度換算公式轉(zhuǎn)化為攝氏溫度，對(duì)溫度保留兩位小數(shù)并四舍五入。

2.4? ? 煙霧濃度檢測(cè)程序

讀取MQ-2煙霧傳感模塊輸出引腳SMOKE的電壓值，分析氣體傳感器敏感體表面電阻變化，進(jìn)而計(jì)算得出當(dāng)前環(huán)境煙霧濃度值，計(jì)算公式如下：

C=10^{（lgR-n）/m?}（3）

式中：C為煙霧濃度；R為煙霧檢測(cè)模塊中氣體傳感器敏感體表面電阻；m、n為常量。

當(dāng)煙霧濃度超過(guò)預(yù)設(shè)煙霧濃度值的5%時(shí)，蜂鳴器自動(dòng)報(bào)警。

3? ? 測(cè)試驗(yàn)證

通過(guò)電腦熱點(diǎn)與小車(chē)（圖6）配對(duì)，連接網(wǎng)絡(luò)，在上位機(jī)中設(shè)置對(duì)應(yīng)的IP地址與端口，若有數(shù)據(jù)傳輸?shù)狡聊簧蟿t為成功。

對(duì)Wi-Fi模塊ESP8266進(jìn)行測(cè)試，按照芯片手冊(cè)的指令集，通過(guò)TTL串口助手，發(fā)送指令給ESP8266，按照流程匹配，連接Wi-Fi，測(cè)試與上位機(jī)之間的通信。溫度檢測(cè)模塊DS18B20，測(cè)試時(shí)序邏輯是否可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的通信。煙霧濃度檢測(cè)模塊，通過(guò)返回給IO口的電壓，經(jīng)過(guò)算法處理后讀取到數(shù)據(jù)。機(jī)械溫度計(jì)和便攜式氣體檢測(cè)儀器測(cè)量當(dāng)前環(huán)境溫度和煙霧氣體濃度，作為參照值來(lái)測(cè)試消防小車(chē)溫度系統(tǒng)與煙霧濃度采集數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。溫度轉(zhuǎn)化之后延時(shí)時(shí)間不夠，導(dǎo)致溫度保持在85 ℃。調(diào)整時(shí)序延時(shí)，除去異常數(shù)據(jù)后，智能消防小車(chē)溫度系統(tǒng)與煙霧系統(tǒng)具有較高精度，相比測(cè)機(jī)械溫度計(jì)采集的溫度平均誤差在±0.5 ℃，煙霧系統(tǒng)濃度平均誤差在±10-5（±10 ppm）以?xún)?nèi)。測(cè)量結(jié)果如表1所示。

4? ? 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)設(shè)計(jì)紅外循跡模塊、溫度檢測(cè)模塊、煙霧檢測(cè)模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊等電路模塊，研制了智能消防小車(chē)。智能消防小車(chē)能按照規(guī)劃路線正常行駛，且上位機(jī)可正常接收智能消防小車(chē)采集的煙霧、濃度等環(huán)境參數(shù)，當(dāng)溫度和煙霧濃度存在異常時(shí)，能迅速發(fā)出警報(bào)，提醒人們及時(shí)對(duì)火災(zāi)進(jìn)行干預(yù)處理。智能消防小車(chē)可以根據(jù)場(chǎng)景規(guī)劃最優(yōu)路線，按照規(guī)定路線巡查，因而能廣泛應(yīng)用于倉(cāng)庫(kù)、工廠、車(chē)站等場(chǎng)所，具有良好的應(yīng)用推廣價(jià)值。

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收稿日期：2023-02-08

作者簡(jiǎn)介：曹璇（1995—），女，浙江金華人，助理工程師，研究方向：智能應(yīng)用設(shè)計(jì)。

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然基金（62104267）；浙江省大學(xué)生新苗人才計(jì)劃（2022R474A001）；國(guó)家級(jí)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)學(xué)院建設(shè)校級(jí)教改研究項(xiàng)目（CY20221101）；2022年金華市科技局研究項(xiàng)目（20224014）