遠程遙控消防機器人

陳新欣 葉承龍 陳嘉茂 朱春熙 李慧琪

摘? 要：設計一款具備遠程遙控功能的消防機器人，采用STM32F103RCT6單片機作為主控芯片，使用ESP8266 Wi-Fi 模塊實現遠程實時無線操控，通過攝像頭、煙霧濃度傳感器、雨量傳感器和溫濕度傳感器實時反饋現場環境情況。它集遠程通信、傳感器技術、微處理器技術、自動控制技術、運動控制技術于一體，相對于傳統的救援方式，該遠程操控方案將救援人員和危險環境脫離，更有效地保證了救援人員的人身安全。

關鍵詞：遠程遙控? 消防機器人? 單片機? Wi-Fi 模塊

中圖分類號：TP242 ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-098X（2021）04（c）-0165-05

Remote Control Fire Robot

CHEN Xinxin? YE Chenglong? CHEN Jiamao? ZHU Chunxi? LI Huiqi

（Guang Dong Polytechnic College， Zhaoqing， Guangdong province， 526110? China）

Abstract： Remote control fire robot design a fire robot with remote control function， using STM32F103RCT6 microcontroller as the main control chip， using esp8266 WiFi module to achieve remote real-time wireless control， through the camera， smoke concentration sensor， rainfall sensor and temperature and humidity sensor real-time feedback of the scene environment. It integrates remote communication， sensor technology， microprocessor technology， automatic control technology and motion control technology. Compared with the traditional rescue mode， our remote control scheme separates the rescue personnel from the dangerous environment and more effectively ensures the personal safety of the rescue personnel.

Key Words： Remote control; Fire fighting robot; Single chip; Wi-Fi module

1? 引言

本文設計的遠程遙控消防機器人采用STM32 F103RCT6作為主控芯片，搭載攝像頭圖傳模塊、滅火裝置、運動裝置、照明燈、煙霧傳感器、空氣質量傳感器、溫濕度傳感器，能夠實時傳送救援區的現場圖像以及環境數據，有需要時實施遠程滅火救援。在極端高溫危險的火災現場，消防機器人可以代替消防員進入滅火現場進行滅火作業，以及實時采集火災現場的相關數據，方便指揮人員及時了解災區最新情況。系統結構圖如圖1所示。該系統具有以下功能：能夠利用Wi-Fi實施遠程操控（運動部分和機械臂）;智能搜索火源并滅火;實時視頻傳送;現場全方位智能救援;現場實時數據反饋（溫濕度、雨量、煙霧濃度、空氣質量）;救援現場燈光提示。

系統功能流程如圖2所示。

遠程遙控消防機器人的運動端和控制端外觀如圖3和圖4所示。

手持遙控控制端由按鍵狀態控制燈、控制按鍵、主控電路、安卓端顯示裝置以及電源組成。控制端的主控電路以STC89C52為主控芯片，通過ESP8266Wi-Fi模塊連接網絡進行數據傳輸，以8V直流電源進行供電[1]。控制端的按鍵對應的是每一項獨立的功能控制，信號燈主要用于觀察控制端的控制信號是否正常發送出去。安卓端顯示屏主要用于顯示機器人傳輸的圖傳畫面以及反饋救援現場的實時環境數據。

機器人滅火工作狀態和實時傳輸視頻如圖5和圖6所示。

2? 環境檢測

環境檢測框架如圖7所示，由電源、跨陣M4繼電器、煙霧濃度傳感器、雨量傳感器、空氣傳感器、溫濕度傳感器組成。

空氣質量傳感器QS-01（Air Quality Sensor）也叫空氣環境綜合監測儀，常用于監測空氣中的污染物濃度情況，是空氣凈化器及新風系統的重要組成部分[2]。主要監測空氣中的溫度、濕度、氣壓、光照、PM2.5、PM10、TVOC等數值，還有氧氣（O2）、二氧化碳（CO2）、一氧化碳（CO）、甲醛（CH2O）等氣體濃度。

雨量傳感器采用高品質FR-04雙面材料，大面積5.0cm×4.0cm，并用鍍鎳處理表面，具有對抗氧化、導電性及壽命方面更優越的性能[3]。

3? 滅火裝置

滅火裝置主要實現檢測火源和消滅火源兩大功能。火焰檢測采用雙路火焰傳感器設計，如圖8所示為檢測裝置。通過交叉定位確定火焰位置，大大地提高了滅火的精度。當兩個火焰傳感器同時檢測到火焰并且達到控制器設置的閾值時，水泵自動啟動噴水進行滅火作業。

本次設計采用的傳感器為紅外火焰傳感器。該傳感器主要由火焰光線敏感元件構成，可以根據溫度的近紅外波長域以及紫外光域的輻射強度檢測火焰的存在，它可以檢測火焰或者波長在760～1100nm范圍內的火源，當傳感器的探測角為60°左右時對火焰的檢測特別靈敏[4]。

4? 圖像與數據傳輸

機器人的圖像傳輸模塊由兩個攝像頭組成，一個攝像頭用于觀測小車周圍的情況，輔助小車的正常行使，另一個攝像頭用于觀察作業前方的實時情況，方便救援人員進行救援作業。攝像頭通過網絡把拍攝到的畫面實時傳輸到遙控控制端的顯示屏上。

機器人的數據收集模塊由各傳感器組成，檢測模塊把檢測到的環境數據（溫度、濕度、雨量、氧氣濃度、二氧化碳濃度、一氧化碳濃度）實時反饋到遙控控制端[5]。消防人員可以通過控制端及時了解救援區域的環境情況。

5? 機器人的機械臂與運動控制

運動部分由L298N電機驅動模塊驅動直流電機，12V直流電源供電。通過同時給兩個電機輸入高電平控制小車前進或后退，通過單獨給其中一個電機高電平實現小車左轉或者右轉[6]。

機械臂部分由L298N驅動器驅動一個雙軸直流電機實現機械臂的縱向升降，由兩個TB6560步進電機驅動模塊分別控制轉軸步進電機以及絲杠伸縮步進電機實現機械臂的水平旋轉以及機械臂的伸縮，圖9為伸縮裝置結構圖。其中L298電機驅動模塊和TB6560均由12V直流電源供電。

6? 系統程序設計

本文介紹的遠程遙控消防機器人采用C語言作為編程語言，主要由機械臂控制、機器人運動控制、照明燈控制、圖像傳輸與數據收集、滅火裝置控制五大部分組成，遠程遙控消防機器人主要通過軟件實現以下預期效果：手持遙控控制端通過ESP8266Wi-Fi模塊遠程控制機器人的運動方向和啟停、機械臂的水平旋轉角度和縱向升降、滅火裝置和照明燈的啟停，實時把災區的視頻圖像以及傳感器測量的環境數據反饋到控制終端的顯示屏上。主程序流程圖如圖10所示。

7? 結語

本設計以STM32F103RCT6為遠程遙控消防機器人運動端的主控制芯片，通過ESP8266WiFi模塊實現遠程遙控，控制小車的運動狀態，通過攝像頭實時視頻傳輸，尋找火源并滅火，在滅火的過程中，煙霧傳感器、雨量傳感器和溫濕度傳感器實時監測現場環境并反饋相關數據，同時通過語音對講和被困人員溝通，了解現場情況，為實施現場救援提供必要的準備。

該遠程遙控消防機器人輕便、快捷、智能，在未來的救援過程中，能發揮巨大的作用，適用多種救援現場，可實時反饋和檢測相關環境數據，為救援節約寶貴時間。

參考文獻

[1] 荊珂，李芳.單片機原理及應用-基于Keil C與Proteus[M].北京：機械工業出版社，2016.

[2] 趙琪.一種新型履帶式消防機器人的控制系統設計[D].南昌：南昌大學，2020.

[3] 靳雪琛.一種可視化智能消防救援決策平臺的研究[D].太原：中北大學，2020.

[4] 錢金星.基于STM32的消防小車設計[D].蘇州：蘇州大學，2020.

[5] 陳新欣.基于STM32的示教型送餐機器人的設計[J].科技創新導報， 2019，16（15）：13-15.

[6] 阮毅，楊影，陳伯時.電力拖動自動控制系統-運動控制系統[M].北京：機械工業出版社，2016.