基于北斗定位技術的森林防火滅火機器人研究

彭臻妍　黃家暉　廖展豪　李曉欽　區浩輝

摘要：本設計為基于北斗定位技術的以STM32為主控芯片的森林防火滅火機器人，這種機器人產品通常由驅動、紅外、超聲波、溫度等基礎模塊以及WIFI232模塊、北斗模塊和無線通信模塊組成。其中，通信模塊由兩塊NRF24L01無線模塊所組成，一塊用作接收，另一塊用作發射。驅動模塊由L298P型號的驅動芯片和電動馬達所構成，HJ-IR2紅外傳感器則是紅外傳感器模塊的關鍵組件。機器人通過北斗定位技術實現精準防火滅火。

關鍵詞：北斗定位；超聲波傳感器；無線通信模塊；森林防火滅火機器人

引言

隨著物聯網技術的迅猛發展，機器人制造產業成為該領域的典型代表之一，涌現出了大量新興產業。例如可以幫助人們減輕家務的掃地機器人，可以代替導盲犬或在復雜地形幫助尋路的導航機器人，極大提升了人們的生活便利性。國內對于森林防火愈加重視，我國對于森林火災的防火措施重點集中在預防森林火災。通過王小菲，馬華衛，李元旭等人的文獻資料可以清晰發現，我國對于森林防火依然缺少充足的應對措施。本設計為基于北斗定位技術的森林防火滅火機器人，可實現簡單防火滅火。

一、總體設計

在本項目中，森林防火智能小車需要能實現尋線巡邏，判斷是否有障礙并且自動避障。同時，在巡邏中能判斷周圍是否有溫度異常區域，向溫度異常區域噴灑水來解決溫度異常現象。當無法解決或智能小車缺少蓄水時，便會進一步判斷是否生成火災。當火情已經出現且智能小車無法撲滅時，小車自動將北斗定位信息上傳云平臺。小車還會結合自身電量決定是否要繼續尋跡或返航。該機器人的工作運行圖以及各個模塊的相互關系如圖1、2、3所示：

二、硬件模塊設計

（一）智能小車實現避障

該模塊在智能森林防火小車中起到規避障礙物的基礎功能。其中運用HC-SR04型號的超聲波主要發揮了測距和避障功能，超聲波模塊通過發射超聲波脈沖并接收其反射波來獲得障礙物與小車之間的距離。該模塊由超聲波發射器和超聲波接收器，從而實現了探測距離的能力，可探測距離為：2cm-450cm。在實際情況中，該探測距離足夠應付各種復雜情況。在智能小車中，HC-SR04超聲波模塊被安裝在小車的前部，可以實時監測小車前方的障礙物距離。當超聲波模塊探測到障礙物時，它會立即發送信號給控制系統，控制系統根據接收到的距離信息來判斷是否需要進行避障動作，同時也在智能小車左右兩邊均安裝超聲波模塊，在麥克納姆輪的幫助下可以實現復雜地形的避障動作。

（二）通信模塊

在智能森林防火小車中，NRF24L01無線通信模塊可以起到將小車內部的各種傳感器數據（如溫度、濕度、煙霧濃度等）通過無線方式傳輸到系統設定的平臺，實現對森林火情的實時監測和數據采集。

NRF24L01是一種低成本、低功耗的2.4GHz無線通信模塊，可用于實現短距離的無線數據傳輸。其具有多信道選擇功能，可避免與其他無線設備的干擾。支持高速的數據傳輸，最大傳輸速率可達2Mbps，適用于快速傳輸數據的場景。而且NRF24L01模塊設計為低功耗，可在待機模式下實現極低的功耗，適用于森林日常巡邏的長時間工作。通信模塊支持多種通信模式和網絡拓撲，可以滿足不同應用場景的需求。

（三）電機驅動模塊

該智能小車采用L298N模塊作為電機驅動模塊[1]，可以方便控制小車的前后直流電機。L298N模塊內部包含4通道邏輯驅動電路和橋電路，一個模塊[2]就可以很方便同時驅動2個電機。控制端引腳與單片機的PC0～PC3、PC6～PC12、PD2端口相連，通過控制電流方向來實現小車的前進、后退或停車。采用PWM軟件調速可以調節小車左右輪的速度和轉動方向，從而實現對小車行駛方向的精確控制。

三、軟件設計

設計一個微信小程序，實現在微信中打開北斗工具箱小程序，可以展示當前小車的連接狀態，中間有一個連接小車的按鈕，點擊則會連接小車，連接小車之后，按下方的導航界面，則會跳轉到路線規劃界面，展示出騰訊地圖，可以在界面進行路線規劃，如圖4所示。

（一）微信小程序前端開發

微信小程序（Wechat Mini Program）是一款由騰訊公司推出的應用程序，可在微信軟件中運行，是一種不需下載安裝即可使用的應用，它是基于微信客戶端的輕量級應用，利用微信提供的基礎能力，實現了極致的用戶體驗，用完即走。微信小程序借助微信龐大的生態圈系統，擁有微信搜索、公眾號跳轉、小程序菜單等多個入口，用戶接入成本極低。其采用了MINA開發框架，視圖層包括WXML和WXSS文件，通過騰訊地圖的API，實現在頁面上展示地圖，如圖5所示。[3]

（二）微信小程序后端開發

使用的技術包括 Spring Boot 框架，用于構建微服務應用程序，并與阿里云等云服務提供商集成，以實現高可用性和可擴展性。這些后端服務通常包括用戶認證、數據存儲、與第三方服務的集成（如支付、地理位置、消息推送等）以及與微信小程序前端的交互接口。通過這些后端服務，可以實現微信小程序的功能，包括但不限于用戶管理、數據存儲和業務邏輯處理[4]。

四、系統測試結果

該機器人使用超聲波及紅外避障模塊，檢測障礙物信息，進行避障操作，其中火焰傳感器模塊使得機器人具備識別感應火焰操作，實現精準定位火焰位置，機器人通過超聲波模塊進行避障，利用舵機實現搖擺灑水滅火，機器人速度的控制精度和穩定性較高，測試如圖6、7所示。

結語

本設計為基于北斗定位技術的以STM32為主控芯片的森林防火滅火機器人，它主要利用現今先進的物聯網技術，將較高性能、較低功耗的STM32芯片和多樣傳感器及硬件模塊進行融合，實時檢測火焰，使小車能夠完成簡單的運動、避障和防火滅火操作。同時，小車的結構簡單，采用螺絲將各模塊固定在車身上，易于安裝和操作，具有較強的實際應用意義。

參考文獻

[1]曾維鵬，張逢春.基于藍牙手機的遙控小車的設計與制作[J].電子制作，2016（19）：8+34.

[2]柳葉.基于微信小程序的校園導航系統的設計與實現[J].測繪與空間地理信息，2021，44（11）：84-86.

[3]范光明.基于微信小程序的行車記錄系統的設計與實現[D].吉林大學，2019.

[4]王奎，程科，李肇基，等.基于STM8l平臺的智能云窗控制系統設計[D].江蘇科技大學計算機科學與工程學院，2017.

作者簡介：彭臻妍（2004- ），女，漢族，湖南澧縣人，本科，研究方向：電氣工程及其自動化。