用于冶煉廠化學試劑倉庫的遠程無人滅火機器人的設(shè)計與實現(xiàn)

紀 翔，劉廣橋*

（蘭州城市學院 培黎石油工程學院，甘肅 蘭州 730070）

對于冶煉廠倉庫存儲易燃物品的撲救，消防員需要根據(jù)冶煉廠燃燒物的性質(zhì)用各種工具去選擇滅火方式，目前能夠有效代替消防員人工滅火的設(shè)備并不多。現(xiàn)有滅火機器人的功能還不完善，缺少視頻傳輸功能，無法觀察火災(zāi)現(xiàn)場的真實情況，一旦發(fā)生意外，消防員難于逃出現(xiàn)場；救援人員不了解滅火現(xiàn)場的情況也很難進入現(xiàn)場，這對展開救援行動和滅火行動造成很大的不便，存在很大的盲目性，也威脅著救援人員的生命安全。另外，滅火機器人不具有語音功能，則無法實現(xiàn)與火災(zāi)現(xiàn)場被困人員進行交流。因此，此滅火機器人更加準確地了解火災(zāi)現(xiàn)場的真實火情，讓救援人員根據(jù)火勢的發(fā)展情況制定最合理的救援方案，才能企業(yè)的損失降到最低。

1 設(shè)計功能

設(shè)計用于冶煉廠化學試劑倉庫的遠程滅火機器人，涉及單片機控制，遠程通信，機械設(shè)計，無線充電，化學材料學等多個領(lǐng)域[1]。它的意義在于通過視頻對火源實時監(jiān)測，檢視火災(zāi)現(xiàn)場的環(huán)境，完成滅火救援工作的同時對消防人員的生命安全進行保障。通過滅火機器人代替消防人員完成一些存在安全隱患的行動，工作過程中可操控機器人行駛到無線充電平臺實現(xiàn)遠程操控充電[2]。即使機器人處于低電量狀態(tài)，太陽能電池板可將現(xiàn)場明火的光能轉(zhuǎn)化為電能為其充電。其優(yōu)勢表現(xiàn)在第一時間啟動并到達火災(zāi)現(xiàn)場施行小規(guī)模滅火，對火災(zāi)的發(fā)展態(tài)勢進行正確的評估和判斷，為后續(xù)救援人員制定救援方案和實行救援行動提供幫助[3]。其次，可以通過語音和視頻功能和被困人員進行交流，在了解火災(zāi)真實情況的同時對被困人員進行情緒上的安撫和逃生指導，這相比于傳統(tǒng)意義上的喊話或?qū)χv機來說，更方便，更準確。

2 設(shè)計原理圖

當火災(zāi)發(fā)生時，通過檢測系統(tǒng)發(fā)出警報傳遞給中央控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)發(fā)出指令，動力系統(tǒng)完成一系列的操作達成指令目標。

3 系統(tǒng)組成

3.1 遠程控制系統(tǒng)

通過手機APP接入互聯(lián)網(wǎng)與滅火機器人通過路由器接入互聯(lián)網(wǎng)，實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)的控制方式，控制機器人主要由單片機和物聯(lián)網(wǎng)模塊組成。該系統(tǒng)核心是用戶終端安卓系統(tǒng)和HC-05藍牙傳輸系統(tǒng)組成。使用STC89C51單片機芯片作為系統(tǒng)的中央控制系統(tǒng)模塊。各傳感器的輸出信號通過轉(zhuǎn)換單元送給單片機，利用單片機程序控制各類外設(shè)實現(xiàn)機器人的各種指令與動作。滅火機器人控制流程圖如圖1所示：

圖1 滅火機器人控制流程圖

3.2 視頻交互系統(tǒng)

通過手機終端由負責人或值班人員進行實時監(jiān)控，360°旋轉(zhuǎn)檢測四周環(huán)境，對機器人前行做出應(yīng)變，對火源隨時進行檢測，可與被控人員視頻通話交流。

3.3 傳感器系統(tǒng)

利用紅外技術(shù)實現(xiàn)機器人測速，也可通過紅外的搜索和跟蹤系統(tǒng)，搜索和跟蹤目標，火焰煙霧傳感器用于檢測定位火災(zāi)位置，發(fā)出報警。

3.4 機械組成

包括履帶底盤，金屬外殼，滅火器，滅火球，彈射架，水箱，水泵，電池，電機，開關(guān)等組成，實現(xiàn)硬件與軟件相互兼容控制。

4 設(shè)計內(nèi)容

（1）電機驅(qū)動：藍牙芯片連接機器人，通過APP的前后左右操作按鍵，PWM模塊驅(qū)動直流電機實現(xiàn)機器人的行動；L298模塊驅(qū)動噴桿與滅火器轉(zhuǎn)向。繼電器主要控制水泵、滅火器開關(guān)。用戶終端發(fā)出指令后，由藍牙模塊接收到信息指令，通過單片機程序宏處理后，PWM模塊接受到單片機指令，驅(qū)動直流電機完成機器人行動狀態(tài)。

（2）短信報警：當機器人處于布防狀態(tài)時，傳感器探測到煙霧或火焰超出閾值，信號進入單片機程序軌道，從而驅(qū)動GSM模塊發(fā)送報警信號，從而實現(xiàn)遠程報警功能，與用戶終端完成通信過程。

（3）超聲波報警：由超聲波模塊、共陽數(shù)碼管、蜂鳴器、自鎖開關(guān)等電子元件組成。超聲波將遇到障礙物產(chǎn)生反射信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，將距離顯示在三級數(shù)碼管上。當達到設(shè)定的報警值時，超聲波開始報警提示操控者已到最后的后退距離。

（4）高溫報警降溫：主要由三級數(shù)碼管、溫度敏感器、蜂鳴器、電子半導體制冷模塊，電機風扇模塊組成。溫度傳感器將采集的信號轉(zhuǎn)換為電信號顯示在三級數(shù)碼管上，溫度超過設(shè)定的額定臨界溫度時，蜂鳴器內(nèi)的三極管放大電流驅(qū)動觸發(fā)繼電器開關(guān)，降溫裝置開始工作。

5 功能實現(xiàn)

（1）視頻操控：操作時可視頻360°旋轉(zhuǎn)檢測四周環(huán)境，對機器人前行做出應(yīng)變，對冶煉廠化學試劑燃點隨時進行檢測，也可與被控人員視頻通話交流，指導被困人員如何逃生自救。

（2）短信報警：機器人在感應(yīng)到煙霧、明火或火災(zāi)現(xiàn)場傷員時，通過單片機和SIM卡以短信的方式將火災(zāi)信息發(fā)送給用戶。當機器人后退時，自身也不間斷提醒操控者后方安全距離。

（3）可實現(xiàn)遠程操控充電：操控機器人行駛到無線充電平臺，平臺檢測到會自動充電，離開自動斷電。即使機器人處于低電量狀態(tài)，機器人上面的太陽能板可將現(xiàn)場明火的光能轉(zhuǎn)化為電能進行充電，延長現(xiàn)場作業(yè)的時間。

（4）三種滅火方式供用戶選擇：搭載滅火性液體加增壓水泵噴射，搭載干粉滅火器，搭載可彈射性的滅火球。通過遙控均可以控制噴射（彈射）的角度和高度，實現(xiàn)精準滅火，噴射距離達到10m。

（5）定位終端基于GPS技術(shù)：用單獨的GPS接收機獲得移動實體的位置信息，然后通過蜂窩網(wǎng)，以GPRS形式傳輸GPS信息，從而實現(xiàn)遠程監(jiān)控和定位，發(fā)生火災(zāi)也會將火災(zāi)位置發(fā)送給119請求出動滅火。

（6）重力感應(yīng)設(shè)計：考慮到滅火時的操作性要求，設(shè)計的APP也進行重力感應(yīng)操控機器人的前進后退問題。

履帶式機器人采用金屬材料制成，外側(cè)包覆高溫絕熱材料，內(nèi)部安裝高溫檢測裝置和水循環(huán)散熱裝置，具有高溫工作環(huán)境能力和高溫自動保護功能。

（7）滅火機器人采用履帶結(jié)構(gòu)，越障能力、地形適應(yīng)能力強，可原地轉(zhuǎn)彎，適用于復雜環(huán)境，尤其在爬樓梯、越障等方面較為突出，能在火災(zāi)現(xiàn)場處理復雜情況。

（8）自我犧牲精神，當冶煉廠存儲倉庫發(fā)生火情滅火機器人不能完成時，可以多搭載幾顆滅火球進入火災(zāi)現(xiàn)場，通過現(xiàn)場高溫將滅火球引爆起到滅火的作用，滅火機器人會受損，但金屬外殼可以防止內(nèi)部結(jié)構(gòu)受損。

6 結(jié)論

當冶煉廠化學試劑倉庫發(fā)生火災(zāi)時，遠程無人滅火機器人通過火焰報警器或煙霧報警器檢測，通過SIM卡以短信方式告知用戶，由用戶通過手機APP遙控機器人，第一時間進行報警、施救等措施。攝像頭360°觀測機器人周圍環(huán)境，觀察火災(zāi)現(xiàn)場，找準火源，對準火源利用有效液體或者二氧化碳進行選擇性滅火。