高噴消防車的消防炮控制系統設計

鐘婷　鄧成中

關鍵詞：噴射角度；消防炮；無線擴頻模塊LoRa；手持控制器；直流無刷電機；高噴消防車

中圖分類號：TU998.13+1 文獻標識碼：A

0引言

隨著我國社會經濟的高速發展，高層與大空間的建筑拔地而起，該類建筑人員密集，空間復雜，一旦發生火災很難進行疏散。為了應對高大建筑的消防問題，舉高噴射消防車、墻壁破拆消防車和舉高多劑聯用消防車等[1] 應運而生。但由于這些消防車臂架完全超過了消防人員的視野范圍，消防人員并不能很好地控制消防炮的角度位置與角度變化，使得滅火時浪費了大量的滅火劑，并延長了滅火時間。此外，進行滅火操作時消防人員需要近距離操作，這給消防人員增加了危險性[2]。因此，研究能夠遠距離操作觀察消防炮水流噴射角度的消防炮，對于改進舉高消防車有著重要意義[3]。

本文設計了一種通過無線操作器實現遠距離、可視化角度滅火[4] 的消防炮。介紹了控制消防炮水平旋轉和俯仰旋轉的驅動電路與電機、消防炮噴射水流角度檢測以及無線遙控和控制電路的設計。

1 系統總體設計

圖1 所示為該系統框架，主要由消防炮主控制器、無線擴頻模塊LoRa（遠距離無線電）、水平和俯仰直流電機、消防炮角度位置檢測和系統電源等組成。圖2 所示為手持操作器框架，其組成包括電源管理模塊、從機控制器、OLED（有機發光二極管）屏顯示器模塊、無線擴頻模塊LoRa 和按鍵控制模塊等[5]。消防炮主控制器通過無線擴頻模塊接受來自手持操作器的按鍵命令，采用直流無刷電機驅動芯片DRV8316 三相集成式 FET（場效應晶體管） 電機驅動器驅動水平和俯仰直流電機，進而實現消防炮的轉動控制。角度傳感器將炮管的相對角度轉化為電壓信號，輸入給主控制器的AD 采樣，控制器通過換算炮管角度傳感器電壓信號識別出消防炮的角度位置，利用無線擴頻模塊LoRa 發送給顯示器OLED 屏顯示當前角度。該系統的優勢主要體現在以下3 個方面。

（1）使用直流無刷電機，調速性能好且啟動后工作轉速恒定，適用于高噴消防車進行大流量噴灑。直流無刷電機采用半導體開關器件實現電子換向，相較于直流有刷電機的物理電刷換向器，其既有直流電機啟動和過載能力強、輸出力矩大和調速方便的優點，又克服了直流有刷電動機由于機械換向所帶來的一系列缺點。

（2）角度傳感器采用多圈精密電位器，配合蝸桿齒輪等機械結構可實現其使用范圍內采。

（3）基于無線擴頻模塊LoRa [6] 的通信方式進行角度信息的接收，可實現長距離擴頻通信，具有極強的抗干擾性，適用于舉高噴射消防車這種遠距離控制。

2 系統硬件設計

2.1 主控制器

本文選擇國產高性能的GD32VF103C8T6 作為主控制器， 主頻可達到108 MHz， 它是基于RISC-V 內核的32 位通用微控制器，在給用戶提供豐富外設的同時，也體現了其高性能和低功耗。因其FLASH（閃存）訪問零等待，效率也能實現最大化，不僅指令執行速度快、實時性好，而且功耗也極低。其擁有32 KB 的SRAM（靜態隨機存儲器）以及高達128 KB 的片上FLASH，豐富的外設包括2 個基礎定時器、1 個PWM（脈沖寬度調制）高級定時器和4 個通用16 位定時器等。GD32VF103C8T6 系統架構如圖3 所示[7]。

2.2 無線擴頻模塊

采用SX1262 擴頻無線數字收發芯片實現發射與接收，它最大的優點是超遠距離傳輸、抗干擾性強和低功耗，可以最大限度地降低電流消耗；工作電壓為1.8 ～ 3.7 V， 靈敏度為-148 dBm， 工作頻率為470 MHz ～ 510 MHz，最大發射功率高達+22 dBm [2]。

圖4 所示為SX1262 應用原理， 主控制器GD32VF103C8T6 通過SPI（ 包括接口SCLK、SDI、SDO、nSCS）串行接口對SX1262 進行配置、管理以及數據收發；BUSY 引腳為忙狀態指示，在MCU（微控制器）發送數據之前，需要檢測BUSY引腳狀態指示，以便當操作器發出按鍵指令時，與消防炮控制器相連的SX1262 芯片接收到命令，即控制消防炮做出相應的動作。

2.3 直流電機驅動電路

炮體的水平回轉和垂直俯仰運動，需要通過電機來控制。本系統選用的是24 V 直流無刷電機[8]，主控制器通過直流無刷電機驅動芯片DRV8316T 三相集成式 FET 電機驅動器構成的電路控制消防炮直流電機轉動，進而實現水平回轉和垂直俯仰運動，對準著火點進行滅火。

DRV8316 是TEXAS INSTRUMENTS（德州儀器）公司推出的三相集成式 FET 電機驅動器。其特點是將3 個1/2H 橋集成在芯片內部，使電機系統更高效、更可靠；工作電壓在4.5～35 V，更值得關注的是內部FET 的 RDS（ON）（導通電阻）為95 mΩ， 峰值電流可以達到8 A； DRV8316 還內置3.3 V、30 mA LDO（ 低壓差線性穩壓器） 和3.3 V/5 V、200 mA 降壓穩壓器，可供其他外設電源使用；DRV8316 還集成多種保護特性，防止出現故障事件，可以保護器件、電機和系統，其硬件電路[9] 如圖5 所示。

由主控制器發出驅動芯片的控制信號，SPI（包括接口SCLK、SDI、SDO、nSCS）直接與主控制器通信，通過SPI 接口配置器件，讀出故障狀態；當DRVOFF 引腳被拉高時，內置的6 個金屬—氧化物半導體場效應晶體管（MOSFET）都會被關斷，電機停止轉動；SOA、SOB、SOC 引腳由電流檢測放大器輸出，與主控制器AD 相連；將檢測到的故障信號通過軟件編程后返回給主控制器，可以實時監控驅動芯片的狀態，保證在驅動模塊出現故障時立即拉低PWM 信號，使系統停機，保障人身和設備安全。當nSLEEP 引腳被拉低時，芯片進入低功耗睡眠模式。

電機供電電壓為24 V，CP 與VM 之間接自舉電容；AVDD 和AGND 是LDO 內部3.3 V 穩壓器輸出引腳；SW_BK、GND_BK、FB_BK 引腳與外部電感和電容構成一個降壓電路可給霍爾傳感器供電。

2.4 消防炮角度檢測

消防炮極限位置的檢測是檢測炮管轉動角度的最大限度。如圖6 所示，直流電機、控制電路、角度傳感器、金屬齒輪以及輸出軸等裝置安裝在防護殼體內。直流電機通過金屬齒輪帶動角度傳感器轉動，使炮管也隨之轉動，其中電位器的輸出軸與帶動炮管的蝸輪蝸桿連接，即可進行水平或俯仰方向的轉動。角度傳感器將炮管的相對角度轉化為電壓信號，輸入給主控制器的AD 采樣。控制器根據炮管角度傳感器電壓信號通過換算也可以識別出消防炮的角度位置。

多圈精密電位器的原理：將電阻絲在骨架上繞制成環狀，通過多圈轉動的機械角度，使阻值產生變化，即將機械位移轉換為與之成線性或任意函數關系的電阻或電壓輸出[10]。將電位器用作分壓器，電位器接線示意如圖7 所示，圖中1 腳接電源輸入端；3 腳接地；2 腳接電壓輸出端。當調動電位器的轉柄時，動觸點在電阻體上滑動，此時在電位器的輸出端可獲得電位器外加電壓和與可動臂轉角成一定關系的輸出電壓。

2.5 電源設計電路

系統電路板正常情況下需要的工作電壓有：直流電機工作電壓為24 V、主控制器3.3 V、精密多圈電位器5 V、無線收發模塊3.3 V。圖8 為電源設計電路，系統通過開關穩壓芯片78L05，將24 V輸入電源轉換為+5 V，供給電位器；再將5 V 電源通過線性穩壓芯片AMS1117-3.3 V（輸出電壓為3.3 V 的正向低壓差穩壓芯片）穩壓得到+3.3 V 電源，供給主控制器和無線收發模塊。

3 系統軟件設計

高噴消防車的消防炮控制系統軟件設計包括消防炮主控制器和手持操作器兩個部分，其程序由主程序控制模塊、通信控制模塊、外圍硬件控制程序模塊和中斷程序模塊4 個部分組成。系統主控制器工作流程如圖9 所示，主程序控制模塊對各個模塊進行初始化；等待操作器發出命令，消防炮的動作受手持操作器按鍵指令控制，當系統收到操作器的命令，水平或俯仰電機會按照相應指令動作，再繼續等待下一個按鍵命令狀態。

手持操作器工作流程如圖10 所示，主程序控制模塊同樣對各個模塊進行初始化，等待按鍵輸入，通過無線模塊向消防炮主控制器發送操作指令；收到SX1262 中斷，OLED 屏顯示出當前消防炮角度信息等。

針對SX1262 芯片，本文選擇的是LoRa 調制解調，其具有隱性和顯性兩種數據包格式，采用數據包格式增加了信號的覆蓋范圍和無線通信鏈路的魯棒性。不同的數據包格式都有其優點，本文選擇的是顯性模式。具體參數需要進行程序中參數的設置，以下是根據實際需求設置的收發端各個模塊的關鍵參數：

G_LoRaConfig.LoRa_Freq=Fre[0]； // 中心頻率470 MHz

G_LoRaConfig.BandWidth=LORA_BW_125；//BW=125 kHz

G_LoRaConfig.SpreadingFactor=LORA_SF7； //SF=7

G_LoRaConfig.CodingRate=LORA_CR_4_6；//CR=4/6

G_LoRaConfig.PowerCfig=22； // 最大輸出功率可達22 dBmG_LoRaConfig.HeaderType=LORA_PACKET_EXPLICIT；// 包頭格式設置，顯性包頭：LORA_PACKET_EXPLICIT；隱性包頭：LORA_PACKET_IMPLICIT； 若設置為顯性包頭， 發送端會將PalyLoad 長度、編碼率、CRC 等加入包頭中發送給接收端

G_LoRaConfig.CrcMode=LORA_CRC_ON；//CRC 校驗開啟：LORA_CRC_ON；關閉：LORA_CRC_OFF

G_LoRaConfig.InvertIQ=LORA_IQ_NORMAL；

G_LoRaConfig.PreambleLength=8；// 前導碼長度

G_LoRaConfig.PayloadLength=10；// 數據包長

4 結論

本文針對高噴消防車的消防炮設計了一款基于國產高性能的GD32VF103C8T6 單片機和無線擴頻模塊SX1262 的可遠距離進行無線數據傳輸并可視水流噴射角度的消防炮系統。該系統能實現消防炮水流噴射角度的檢測，同時增加了無線擴頻模塊SX1262，實現角度數據的遠距離收發，從而達到消防炮水流噴射角度信號傳輸回手持操作器的OLED 屏上進行顯示，使操作更加人性化。該系統運用了傳輸距離遠、傳輸數據可靠穩定、功耗低的LoRa 無線擴頻通信技術，將其應用于高噴消防車，能給消防人員帶來極大的好處和便利。