基于STM32單片機的微型智能消防車的設計

王曉鵬 丁學文 王敏軍 段揚揚 李寶盛 彭志輝

摘要：在復雜的消防場景下，如充滿有毒物質、易燃易爆物質等的火災現(xiàn)場，要提高救援效率、有效保證消防人員生命安全和人民的財產(chǎn)安全無疑是一個很大的挑戰(zhàn)。針對此類問題設計了一款微型智能無人消防車。該智能消防車采用STM32單片機作為控制核心，融合了圖像處理技術、多傳感器融合技術和無線通信技術，可實現(xiàn)火焰識別、自動消防、有害氣體和可燃氣體檢測、實時控制和監(jiān)控，具有很好的適用性和可執(zhí)行性。

關鍵詞：STM32；智能消防；環(huán)境檢測；遠程監(jiān)控

中圖分類號：TP391.4文獻標志碼：A文章編號：1008-1739（2021）20-62-4

0引言

近年來隨著科技的飛速發(fā)展，單片機的應用正在不斷深入，同時帶動傳統(tǒng)控制檢測技術日益更新。智能微型無人消防車是無人員投入火災現(xiàn)場必備的終端設備，是一種代替人員進入火災現(xiàn)場滅火的設備。隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展，生產(chǎn)性車間、廠房越來越多，其發(fā)生火災時的情況復雜，滅火工作的危險性越來越高。一些工廠發(fā)生火災時，容易產(chǎn)生有毒有害氣體，有的甚至存有易燃易爆物質，對救援工作的展開提出不小的挑戰(zhàn)，在這樣危險的環(huán)境中難以保證消防人員和遇難人員的生命安全。

在此背景下，進行用于滅火搶險的微型智能消防車的創(chuàng)新設計是必要的，旨在盡量減少消防員進入火場的次數(shù)，并提高火場救援效率，因此進行了基于圖像處理技術、無線通信技術的微型智能消防車的系統(tǒng)設計。

1系統(tǒng)總體構成及設計

智能消防車采用STM32F405RGT6單片機作為微控制器、英飛凌公司的BTN7971B作為電機的驅動芯片，這2款芯片性能可靠，可以有效保證智能消防車的穩(wěn)定運行。火焰?zhèn)鞲衅骱蛨D像處理技術相結合控制智能消防車消防動作的執(zhí)行。智能消防車應用了多傳感器融合技術，使得智能消防車具備了環(huán)境檢測能力。通過開發(fā)嵌入式系統(tǒng)快速識別火焰并準確控制消防水泵，實現(xiàn)消防車的高度智能化和自動化。其系統(tǒng)組成框圖如圖1所示。

2硬件電路設計

硬件模塊主要包括STM32F405RGT6主控、電機驅動電路、控制信號處理電路、圖像信號處理電路、消防動作機構、環(huán)境檢測機構及電源管理電路等。

2.1電機驅動部分

電機驅動電路主要由4片BTN7971驅動芯片、緩沖芯片、直流電機、正交編碼器等組成。2片BTN7971驅動芯片可構成H橋，滿足電機對轉速和轉向調整的需求。緩沖芯片用于保護主控電路。正交編碼器用于獲取電機轉速信息。電機驅動部分框圖如圖2所示。

2.2控制信號接收和發(fā)送部分

控制信號接收和發(fā)送部分主要由AS69無線射頻模塊等構成。該無線射頻模塊可實現(xiàn)全雙工通信，消防車接收到控制信號之后，由主控芯片根據(jù)接收到的控制信號輸出PWM控制信號和其他控制信號控制智能消防車的動作狀態(tài)等。控制信號接收和發(fā)送部分框圖如圖3所示。

2.3圖像處理部分

圖像處理部分主要由圖像獲取、圖像處理及圖像傳輸?shù)炔糠纸M成。圖像處理部分通過OSD模塊將OPENMV模塊和主控需要發(fā)送的內容進行圖像疊加后傳輸給無線圖傳發(fā)送模塊，通過控制端的液晶顯示器進行顯示。圖像處理部分框圖如圖4所示。

2.4消防機構部分

消防動作部分由回流水泵、噴水槍以及二軸云臺等構成。其中水泵和噴水槍提供消防時所需的消防液，二軸云臺的動作由PWM信號進行控制，保證水泵的動作和攝像頭的視線不存在盲區(qū)。水泵的工作由NMOS管進行驅動，根據(jù)工作需求可通過PWM信號來控制水泵輸出的水流大小。水泵和云臺根據(jù)單片機發(fā)送的控制指令進行運作，從而完成消防動作。

2.5電源部分

電源部分由高倍率鋰電池、穩(wěn)壓輸出模塊及保護電路等組成。為使車輛工作穩(wěn)定，穩(wěn)壓輸出部分將外設供電與主控供電分離。主控采用AMS1117穩(wěn)壓進行供電，外設則采用XL4005穩(wěn)壓進行供電，XL4005可輸出5 A電流，且輸出電壓連續(xù)可調。保護電路由NMOS管構成防反接和過壓保護電路。電源部分框圖如圖5所示。

2.6檢測部分

檢測部分由車身自檢部分和環(huán)境檢測部分構成，其中車身自檢部由分電量檢測、溫度檢測等部分組成。環(huán)境檢測部分由MQ氣體傳感器及溫濕度傳感器等組成，用于實現(xiàn)環(huán)境中有害氣體及易燃易爆氣體等檢測，使用單片機的ADC外設采集傳感器輸出信號，完成傳感器數(shù)據(jù)的采集。

3軟件設計

軟件開發(fā)環(huán)境是KEIL5 MDK和OPENMV軟件，用C語言和python語言進行程序的編寫，通過ST-LINK工具進行軟件功能調試。此智能消防車主要由無線通信機構、消防動作機構和環(huán)境監(jiān)測機構3個部分協(xié)作完成消防任務。無線通信系統(tǒng)負責傳輸控制信號、圖像數(shù)據(jù)和傳感器環(huán)境采集信息。通過將攝像頭采集到的圖像信息進行二值化濾波運算、火焰特征提取等處理進行火焰識別，獲取火焰位置后，由STM32單片機控制消防機構動作從而消滅火焰。智能消防車程序流程如圖6所示，控制端程序流程如圖7所示。

3.1圖像處理技術

本設計的圖像處理主要有圖像的傳輸、圖像文字的疊加（OSD）及火焰的識別等。

圖像傳輸選用PANDARC VT58系列圖傳進行圖像信號傳輸，具有輸出功率穩(wěn)定、傳輸距離遠、電源濾波強等特點，能保證圖像數(shù)據(jù)的穩(wěn)定圖傳。圖像文字疊加采用max7465芯片，stm32f103c8t6單片機作為控制芯片，將要顯示的文字信息做圖像文字疊加處理后通過圖傳模進行數(shù)據(jù)的傳輸。

火焰識別主要是對火焰的顏色特征、運動特征、幾何特征做處理，以實現(xiàn)火焰的識別。其中顏色特征主要針對火焰像素點的顏色，主要分布在橙黃色到白色之間，設置合適的RGB顏色閾值后將圖像做二值化處理，獲取到火焰的大致色域后根據(jù)火焰的面積變化率（受氣流、燃料等影響火焰的面積發(fā)生改變）、輪廓粗糙度（物體輪廓的周長與其凸殼周長之比）、相關性（前后兩幀畫面的相關性）等特征提取與組合達到火焰識別的目的。

3.2 PID自動控制算法

PID自動控制主要分為位置式PID和增量式PID，可很好地應用于小車的調速，本設計采用增量式算法構建閉環(huán)控制系統(tǒng)。通過將控制端所要求的速度與當前速度進行比較，然后分別將它們的誤差輸入給比例環(huán)和積分環(huán)，將二者的輸出結果進行累加，得到最后的PWM信號輸出，并傳輸給控制對象。PID自動控制算法流程如圖8所示。

4微型智能消防車的應用

在充滿汽油的加油站和有毒氣體的化工廠等消防人員無法深入的火災場景，微型智能消防車便有了用武之地。微型智能消防車基于遠程控制和視頻通信的設計，使得消防人員可以在數(shù)千米之外的位置遠程遙控消防車完成消防作業(yè)，避免了火災對消防人員生命安全的威脅。微型智能消防車具備自動消防能力，更重要的是微型智能消防車能夠采集并反饋火災現(xiàn)場溫度、有毒氣體含量等數(shù)據(jù)，可以為后續(xù)消防救援方案的選擇，提供重要的數(shù)據(jù)支持。

5結束語

基于STM32的智能消防車將控制與反饋相結合，構成了一個可靠的閉環(huán)控制系統(tǒng)，在提高消防救援效率的同時可有效保護消防人員的生命安全，具有很強的實用價值。如今智能算法、環(huán)境感知傳感器等技術飛速發(fā)展，其中不乏可應用于智能消防領域的技術，希望越來越多的智能消防設備被研制和應用，在民眾歷經(jīng)災難時為他們的生命財產(chǎn)安全做出更有力的保障。

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