高曉靈,陳世義,唐紅濤,周 林
(武漢理工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院,湖北 武漢 430070)
隨著人們生活水平的提高,消防安全的意識不斷完善,商業(yè)建筑和工業(yè)建筑對于防火閉門器的需求不斷增長。防火閉門器功能類似一個彈簧液壓器,通過一定的機(jī)械結(jié)構(gòu),開門時能存儲彈簧壓縮的能量,關(guān)門時,只要一點力使它釋放彈簧存儲的能量就能夠達(dá)到關(guān)門的效果[1-2]。它主要應(yīng)用于商業(yè)建筑和公共建筑,實際作用是發(fā)生火災(zāi)時用來隔絕火災(zāi)現(xiàn)場,限制建筑物的通風(fēng),有效減小火勢。步入21世紀(jì)以來,在許多公共建筑中的各個重要關(guān)口的門上,都有必要配置閉門器來隔絕煙霧和防止火災(zāi)的擴(kuò)散,然而很多建筑并沒有安裝。因此,閉門器無論是翻新還是安裝在新的門上,都有巨大的潛在市場[3]。
目前在防火閉門器的控制領(lǐng)域大多還停留在單純的機(jī)械與簡單電路控制階段,而遠(yuǎn)程控制才剛剛起步。國內(nèi)外學(xué)者對閉門器的遠(yuǎn)程控制展開研究,取得了一些成果[4-5],但大多沒有以移動客戶端作為控制平臺,難以隨時隨地監(jiān)控閉門器的狀態(tài),導(dǎo)致突發(fā)火災(zāi)時,由于種種原因沒來得及關(guān)門,造成不必要的人員傷亡和財產(chǎn)損失。因此本設(shè)計將閉門器與移動互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)結(jié)合,利用移動客戶為操作平臺,研發(fā)了一套能在移動端遠(yuǎn)程監(jiān)控的防火閉門器系統(tǒng),推動了閉門器領(lǐng)域的升級,促進(jìn)了遠(yuǎn)程智能化控制的完善。
筆者以閉門器為控制對象,利用Android移動客戶端[6]作為操作控制平臺,通過WiFi傳輸[7]控制命令和數(shù)據(jù)信息,利用STM32單片機(jī)芯片為核心的控制電路處理WiFi傳輸?shù)臄?shù)據(jù)后,實現(xiàn)對閉門器的遠(yuǎn)程智能控制[8],實時獲取閉門器的狀態(tài),將其反饋到移動客戶端并顯示。
閉門器系統(tǒng)包括移動客戶端的控制界面設(shè)計、手機(jī)與WiFi模塊通信,串口/WiFi模塊配置,單片機(jī)控制電路,閉門器硬件等。系統(tǒng)的總體控制方案如圖1所示。
圖1 閉門器總體控制方案
閉門器端,主要分為閉門器本體和輔助部件。其中,底座和滑塊構(gòu)成閉門器本體,連桿、滑槽和固定裝置構(gòu)成輔助部件??刂颇K主要由電源模塊供電,WiFi模塊通過串口來傳送數(shù)據(jù)到單片機(jī)電路,單片機(jī)根據(jù)接收的信息來改變輸出端口的電平,最后控制繼電器的通斷電。移動客戶端的開發(fā)要求為操作者提供一個良好的人機(jī)交互界面以及與WiFi模塊的實時通信,最終實現(xiàn)在移動端遠(yuǎn)程監(jiān)控閉門器。
閉門器基本結(jié)構(gòu)主要分為閉門器本體、連桿、滑槽和固定裝置,總體結(jié)構(gòu)如圖2所示。
圖2 閉門器的總體結(jié)構(gòu)
滑塊固定在滑槽里,滑槽固定在門框上。由滑塊連接的連桿與門板相連,開門時門板帶動連桿,連桿帶動滑塊運動。閉門器底座由電磁鐵、凸臺、彈簧、吸板和固定塊等組成,如圖3所示。
圖3 閉門器本體的底座
閉門器滑塊中有一個小凹槽,當(dāng)滑塊滑動到某個位置時,凹槽和凸臺咬合,就能保持閉門器的常開。當(dāng)需要關(guān)門時,遠(yuǎn)程控制發(fā)出指令,控制繼電器失電,使得電磁鐵失去吸力,從而松掉底座上面的鐵板。與鐵板相連的凸臺在彈簧力的作用下會往上運動,使得它脫離凹槽,滑塊可以在滑槽滑動,從而使得門關(guān)閉。另外,閉門器底座的凸臺右側(cè)并不是完全垂直的,有一定的角度,這樣是當(dāng)人使用不大的外力時,也可以使凸臺和滑塊脫離咬合狀態(tài),這樣就能實現(xiàn)外力關(guān)門的功能。閉門器滑塊和凸臺的咬合示意圖如圖4所示。
圖4 閉門器滑塊和凸臺咬合示意圖
本研究設(shè)計了一個以單片機(jī)芯片為控制核心,用串口/WiFi模塊來通信,以繼電器為閉門器的動作發(fā)生器的控制模塊。單片機(jī)芯片選用STM32單片機(jī)芯片,與51單片機(jī)芯片相比,功能更加強(qiáng)大,一次能處理32位的數(shù)據(jù),處理速度快,還具有更快的實施應(yīng)用和聯(lián)網(wǎng)設(shè)備同步通信的響應(yīng)速度。WiFi模塊選用的是USR-215WiFi模塊,它與一般WiFi模塊相比,體積小功率低,只需要簡單配置,即可實現(xiàn)UART設(shè)備聯(lián)網(wǎng)功能。
控制模塊的控制原理是WiFi模塊接收到從手機(jī)APP上發(fā)來的信號,經(jīng)過WiFi模塊處理后,按要求通過串口發(fā)送字符串”close”或”open”,然后配置STM32f103c8t6芯片串口1與一個D0腳,通過串口1接收串口信號,處理后給出改變該D0口電平,以此電平信號來改變繼電器的線圈得電、失電狀態(tài),從而控制外圍電路的開斷情況。控制原理如圖5所示。
圖5 控制模塊的控制原理圖
硬件電路中的電源模塊為整個控制電路供電,它是一個220 VAC轉(zhuǎn)5 VDC的電源模塊。其5 V輸出作為兩個部分使用,一部分作為繼電器的驅(qū)動電源,另一部分是通過一個3.3 V穩(wěn)壓模塊將5 V轉(zhuǎn)為3.3 V,給WiFi模塊以及STM32f103c8t6芯片供電(所有模塊共一個地線)。
WiFi模塊及其外圍電路如圖6所示,通過WiFi接收來自手機(jī)APP的信號,處理后,通過其自帶的串口引腳(5腳-RXD、6腳-TXD)輸出信號,將其引腳與處理芯片的串口(PA9腳-RXD、PA10腳-TXD)連接,使其信號發(fā)送到芯片。
經(jīng)過芯片處理后,通過設(shè)定的D0口(PB0)、輸出電平信號,若為高電平(對應(yīng)close)則繼電器失電,外圍電路斷開,防火門關(guān)閉。
繼電器及其驅(qū)動電路如圖7所示。繼電器配置的驅(qū)動電路,根據(jù)芯片的D0口的輸出電平來動作,若繼電器失電,與其連接的電磁鐵失去吸力,在彈簧力的作用下帶動凸臺上升,從而門由開啟狀態(tài)變?yōu)殛P(guān)閉。
圖6 WiFi模塊及其外圍電路
圖7 繼電器及其驅(qū)動電路
閉門器軟件控制的實現(xiàn)分為Android移動客戶端的開發(fā)和控制模塊中的STM32單片機(jī)的程序開發(fā)?;赪iFi模塊通信服務(wù)端的數(shù)據(jù)傳輸,Android移動客戶端能向控制模塊發(fā)送遠(yuǎn)程控制指令,從而實現(xiàn)閉門器的遠(yuǎn)程智能控制。單片機(jī)程序主要包括功能模塊的數(shù)據(jù)初始化配置和處理相應(yīng)的移動客戶端發(fā)出的指令,然后輸出高低電平來控制閉門器。
為了實現(xiàn)移動客戶端和WiFi模塊的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)接收以及指令發(fā)送,通信采用Socket編程,通信協(xié)議為TCP協(xié)議,利用該函數(shù)與協(xié)議完成發(fā)送指令以及數(shù)據(jù)接收的功能。在信息傳輸?shù)倪^程中有通信服務(wù)的建立、數(shù)據(jù)的交換和通信連接的釋放3個主要階段。
Android客戶端界面如圖8所示。主界面為控制界面,能實時監(jiān)控常開閉門器,該界面設(shè)有閉門器當(dāng)前狀態(tài)欄和故障信息欄。連接界面通過輸入IP地址能實現(xiàn)與WiFi模塊的通信,擴(kuò)展界面能完成一些個性化設(shè)置并支持第三方擴(kuò)展功能。
圖8 Android客戶端界面
編寫STM32單片機(jī)程序使其能讀取WiFi模塊通過串口傳輸?shù)腁PP操作指令,并將該指令以高低電平的形式輸出。
在單片機(jī)程序設(shè)計中,遵循程序設(shè)計思路的一般規(guī)律,采用模塊化設(shè)計思想對程序進(jìn)行分模塊設(shè)計。程序的編寫主要包括串口的初始化配置,UART模塊的配置,波特率參數(shù)的設(shè)定,串口數(shù)據(jù)傳輸過程中中斷配置和一些外設(shè)引腳的設(shè)置等。相應(yīng)的部分程序如下:
int main(void)
{
Rx_Count = 0;
memcpy(ReceiveDate,"0x00",1024);
SystemInit(); //系統(tǒng)時鐘配置
Init_NVIC(); //中斷向量表注冊函數(shù)
Init_LED(); //各個外設(shè)引腳配置
Init_Usart(); //串口引腳配置
Usart_Configuration(115200); //串口配置;設(shè)置波特率為115200
JDQ = 0;
while(1) {
if(Rx_Count)
{
if(strcmp(open,(const char*)ReceiveDate)==0)
{
JDQ = 1;
}
if(strcmp(close,(const char*)ReceiveDate)==0)
{
JDQ = 0;
}
memcpy(ReceiveDate,"0x00",1024);
Rx_Count = 0;
}
Delay_Ms(200);
}
}
針對閉門器監(jiān)控系統(tǒng)做整體設(shè)計架構(gòu)并對其做詳細(xì)分析,完成了基于移動互聯(lián)網(wǎng)閉門器系統(tǒng)的硬件和軟件設(shè)計,主要有閉門器的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計,硬件電路設(shè)計,Android客戶端的開發(fā)以及單片機(jī)程序的編寫。調(diào)試結(jié)果達(dá)到了預(yù)期的效果,在手機(jī)移動客戶端上對閉門器實現(xiàn)遠(yuǎn)程控制以及狀態(tài)的監(jiān)控,完成了單個的點對點控制。本文進(jìn)行的基于移動互聯(lián)網(wǎng)的防火閉門器結(jié)構(gòu)和監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計,不僅僅是對閉門器領(lǐng)域的升級,更是對智能化管理的促進(jìn)和完善。