徐 健，楊亞琴，查 兵

（1.九江職業(yè)技術學院，九江 332007；2.九江學院，九江 332005）

0 引言

近年來，隨著城市化進程的飛速發(fā)展，城市建筑物呈現(xiàn)出高層化、密集化、多樣化等特點，直接導致了消防工作危險性和難度不斷加大。如何能夠快速有效的執(zhí)行消防救援同時保障消防人員安全顯得尤為重要，在眾多消防裝備中流量大、射程遠的消防水炮已成為一種撲救大型及危險火災的重要滅火裝備。傳統(tǒng)消防水炮分為手動和電動控制兩種模式，為了適應不同的環(huán)境需要，通常將兩種模式結合，設置模式切換功能。

本文介紹的智能多模消防水炮采用電動控制，同時具備面板按鍵線控和遠距離遙控模式，能夠適應多種應用場合?？蓪崿F(xiàn)消防水炮噴射方向的全方位調整以及水流噴射模式的切換(直流/噴霧)，具備多角度智能自擺，能根據(jù)實際情況設定水炮自擺角度范圍，實現(xiàn)自動作業(yè)。較之常見的水力自擺式消防水炮，具備體積重量小，自擺角度多級可調，受水流影響小，精度較高，安全可靠，適應范圍廣等優(yōu)點。能夠大為簡化消防人員的操作，有效提高消防滅火工作效率，同時保障安全。

1 水炮控制系統(tǒng)的整體硬件設計

控制系統(tǒng)是消防水炮的重要組成部分，由驅動模塊、方向定位模塊、變流模塊，液晶顯示模塊、上/下位機控制電路等構成。

驅動模塊主要是為方向定位、變流模塊提供動力，考慮到本設備經(jīng)常應用在消防車輛上，故選擇直流電機驅動。方向定位模塊由水平定位裝置和垂直定位裝置配合完成，由兩個定位系統(tǒng)的直流電機驅動。當需要對水炮炮口的指向進行定位的時候，分別控制水平和垂直兩部分定位系統(tǒng)，調整水炮的水平和垂直方位，完成水炮的空間定位。變流模塊由一獨立直流電機控制，當需要變換水炮的噴水模式時，電機帶動變流裝置，實現(xiàn)水流噴射模式的切換：直流或噴霧模式。液晶顯示模塊實現(xiàn)電源狀態(tài)、電池電量、工作狀態(tài)和自擺角度等信號的顯示。

綜合考慮各種控制形式的優(yōu)缺點，結合消防現(xiàn)場的實際情況，智能多模消防水炮的控制系統(tǒng)采用基于LPC2131 ARM處理器為核心的兩級分布式控制的方法，上下位機之間通過無線系統(tǒng)傳遞命令，即下位機按照上位機發(fā)出的指令驅動相應的模塊實現(xiàn)動作。

在本控制系統(tǒng)中，上位機和下位機都是基于ARM控制模塊而設計的，ARM控制模塊以LPC2131處理器為核心，為其他模塊提供控制信號，完成方向定位、變流、自擺角度控制等操作。上位機是以LPC2131處理器為核心的遙控器系統(tǒng)，主要由ARM控制模塊、鍵盤模塊以及無線發(fā)射模塊構成，其作用是通過各功能鍵向下位機發(fā)送指令，實現(xiàn)對遙控消防水炮的直流電機進行遠距離控制。下位機安裝于水炮附近，內部集成有三個直流電機(兩個定位系統(tǒng)電機，一個變流系統(tǒng)電機)的驅動電路、直流電源接口和控制電路。下位機控制電路由ARM控制模塊、無線接收模塊、電機驅動模塊組成，其作用是根據(jù)上位機傳送的參數(shù)和指令進行動作，控制兩個定位電機和一個變流電機，進行炮口的空間定位和水流噴射模式的切換。圖1為消防水炮控制系統(tǒng)總體結構。

圖1 消防水炮控制系統(tǒng)總體結構

2 控制系統(tǒng)的多模實現(xiàn)

消防水炮控制系統(tǒng)具有三種控制模式：手動、按鍵線控和無線遙控。后兩種控制形式為并行運行模式，無線遙控信號與按鍵信號一致，均可實現(xiàn)控制消防水炮的上下、左右和前后（直流/噴霧）的運行狀態(tài)。控制系統(tǒng)根據(jù)按鍵或者遙控信號分別驅動水平、垂直和前后這三組電機，做出相應的控制動作，使消防水炮按要求運行。

無線遙控部分考慮到實際火災現(xiàn)場環(huán)境較為惡劣，在設計中應充分考慮其抗干擾能力和傳輸距離等參數(shù)，綜合各項因素后決定采用射頻通信。在相同的電壓條件下，無線電的頻率越高，其傳輸?shù)木嚯x也越遠，抗干擾能力也越強；同樣，發(fā)射功率越大，其抗干擾能力和傳輸距離也會相應增強。在調制方式方面，干擾一般是影響信號的幅度，而對其頻率基本無影響，因此移頻鍵控(FSK)較振幅鍵控(ASK)具有較好的抗干擾性能力和電聲指標。

且實際消防作業(yè)中的控制距離一般均在200m范圍內，因此本設計中無線遙控方案采用FSK調制方式下的TDA5101/TDA5211的發(fā)送/接收模塊。其結構如圖2所示。

3 控制系統(tǒng)的軟件設計

圖2 無線遙控系統(tǒng)結構

整個控制系統(tǒng)的軟件設計主要包括兩大部分：上位機控制系統(tǒng)程序模塊和下位機控制系統(tǒng)程序模塊。上位機程序模塊主要用于進行鍵盤按鍵的連續(xù)掃描，確認鍵值后通過無線發(fā)射模塊TDA5101向下位機發(fā)送控制指令，下位機程序模塊通過無線接收模塊TDA5211接收上位機發(fā)送來的指令，調用相應的直流電機控制子程序，對水炮系統(tǒng)的各驅動電機進行綜合控制。

整個軟件部分采用動態(tài)分時掃描的執(zhí)行原則，按鍵或遙控信號的掃描每50ms執(zhí)行1次, 判斷是否有新的信號出現(xiàn)。當出現(xiàn)新的控制信號時執(zhí)行相應的運動，出現(xiàn)限位信號時執(zhí)行相應的停止控制。當按鍵或遙控信號為自擺時，水炮在水平方向以限位開關為中點按照一定的角度擺動，自擺分為3個檔位，在自擺過程中能夠同時響應垂直和前后的控制信號?？刂葡到y(tǒng)軟件流程如圖3所示。

圖3 控制系統(tǒng)軟件流程圖

4 整合調試

在系統(tǒng)測試過程中，針對自擺過程中的角度限位問題，設計初期采用建立轉速-時間表，通過查表來控制角度，其精度較差且在實際工作時電機轉速會在一定區(qū)間變化，造成誤差較大，影響實際操作效果。后期采用分布式光電傳感器來控制角度限位，較好解決了該問題。同時，根據(jù)實際消防救援的特點和需要，將線控按鍵掃描和遙控按鍵掃描優(yōu)先級進行適當調整，使按鍵線控模式優(yōu)先，保障了操作的合理性和便利性。

通過對控制系統(tǒng)的軟硬件進行整合調試，智能多模消防水炮控制系統(tǒng)在按鍵線控模式和無線遙控模式下各模塊均能夠即時響應各類按鍵控制信號，遙控模式下最大控制距離達到200m以上，水炮的各功能部件工作正常，滿足設計要求。

5 結束語

與傳統(tǒng)手動/電動控制消防水炮相比，本文所設計的智能多模消防水炮不僅具有手動、按鍵線控和無線遙控3種控制模式，同時具備多角度自擺功能，較好的滿足了不同情況下消防救援的需要。多種模式確保了該消防水炮具有高效、安全可靠、自動化水平高和減少操作人員操作強度等性能，能夠在有效消滅火災的同時保護消防救援人員的人身安全。

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