彭臻妍　黃家暉　廖展豪　李曉欽　區(qū)浩輝

摘要：本設(shè)計為基于北斗定位技術(shù)的以STM32為主控芯片的森林防火滅火機器人，這種機器人產(chǎn)品通常由驅(qū)動、紅外、超聲波、溫度等基礎(chǔ)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(fā)射。驅(qū)動模塊由L298P型號的驅(qū)動芯片和電動馬達(dá)所構(gòu)成，HJ-IR2紅外傳感器則是紅外傳感器模塊的關(guān)鍵組件。機器人通過北斗定位技術(shù)實現(xiàn)精準(zhǔn)防火滅火。

關(guān)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(lián)網(wǎng)技術(shù)的迅猛發(fā)展，機器人制造產(chǎn)業(yè)成為該領(lǐng)域的典型代表之一，涌現(xiàn)出了大量新興產(chǎn)業(yè)。例如可以幫助人們減輕家務(wù)的掃地機器人，可以代替導(dǎo)盲犬或在復(fù)雜地形幫助尋路的導(dǎo)航機器人，極大提升了人們的生活便利性。國內(nèi)對于森林防火愈加重視，我國對于森林火災(zāi)的防火措施重點集中在預(yù)防森林火災(zāi)。通過王小菲，馬華衛(wèi)，李元旭等人的文獻(xiàn)資料可以清晰發(fā)現(xiàn)，我國對于森林防火依然缺少充足的應(yīng)對措施。本設(shè)計為基于北斗定位技術(shù)的森林防火滅火機器人，可實現(xiàn)簡單防火滅火。

一、總體設(shè)計

在本項目中，森林防火智能小車需要能實現(xiàn)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(qū)域，向溫度異常區(qū)域噴灑水來解決溫度異?，F(xiàn)象。當(dāng)無法解決或智能小車缺少蓄水時，便會進(jìn)一步判斷是否生成火災(zāi)。當(dāng)火情已經(jīng)出現(xiàn)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(jié)合自身電量決定是否要繼續(xù)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(guān)系如圖1、2、3所示：

二、硬件模塊設(shè)計

（一）智能小車實現(xiàn)避障

該模塊在智能森林防火小車中起到規(guī)避障礙物的基礎(chǔ)功能。其中運用HC-SR04型號的超聲波主要發(fā)揮了測距和避障功能，超聲波模塊通過發(fā)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(fā)射器和超聲波接收器，從而實現(xiàn)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(yīng)付各種復(fù)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(jiān)測小車前方的障礙物距離。當(dāng)超聲波模塊探測到障礙物時，它會立即發(fā)送信號給控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)根據(jù)接收到的距離信息來判斷是否需要進(jìn)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(xiàn)復(fù)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(nèi)部的各種傳感器數(shù)據(jù)（如溫度、濕度、煙霧濃度等）通過無線方式傳輸?shù)较到y(tǒng)設(shè)定的平臺，實現(xiàn)對森林火情的實時監(jiān)測和數(shù)據(jù)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(xiàn)短距離的無線數(shù)據(jù)傳輸。其具有多信道選擇功能，可避免與其他無線設(shè)備的干擾。支持高速的數(shù)據(jù)傳輸，最大傳輸速率可達(dá)2Mbps，適用于快速傳輸數(shù)據(jù)的場景。而且NRF24L01模塊設(shè)計為低功耗，可在待機模式下實現(xiàn)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(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，可以滿足不同應(yīng)用場景的需求。

（三）電機驅(qū)動模塊

該智能小車采用L298N模塊作為電機驅(qū)動模塊[1]，可以方便控制小車的前后直流電機。L298N模塊內(nèi)部包含4通道邏輯驅(qū)動電路和橋電路，一個模塊[2]就可以很方便同時驅(qū)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(xiàn)小車的前進(jìn)、后退或停車。采用PWM軟件調(diào)速可以調(diào)節(jié)小車左右輪的速度和轉(zhuǎn)動方向，從而實現(xiàn)對小車行駛方向的精確控制。

三、軟件設(shè)計

設(shè)計一個微信小程序，實現(xiàn)在微信中打開北斗工具箱小程序，可以展示當(dāng)前小車的連接狀態(tài)，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(dǎo)航界面，則會跳轉(zhuǎn)到路線規(guī)劃界面，展示出騰訊地圖，可以在界面進(jìn)行路線規(guī)劃，如圖4所示。

（一）微信小程序前端開發(fā)

微信小程序（Wechat Mini Program）是一款由騰訊公司推出的應(yīng)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(yīng)用，它是基于微信客戶端的輕量級應(yīng)用，利用微信提供的基礎(chǔ)能力，實現(xiàn)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(tài)圈系統(tǒng)，擁有微信搜索、公眾號跳轉(zhuǎn)、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(fā)框架，視圖層包括WXML和WXSS文件，通過騰訊地圖的API，實現(xiàn)在頁面上展示地圖，如圖5所示。[3]

（二）微信小程序后端開發(fā)

使用的技術(shù)包括 Spring Boot 框架，用于構(gòu)建微服務(wù)應(yīng)用程序，并與阿里云等云服務(wù)提供商集成，以實現(xiàn)高可用性和可擴展性。這些后端服務(wù)通常包括用戶認(rèn)證、數(shù)據(jù)存儲、與第三方服務(wù)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(wù)，可以實現(xiàn)微信小程序的功能，包括但不限于用戶管理、數(shù)據(jù)存儲和業(yè)務(wù)邏輯處理[4]。

四、系統(tǒng)測試結(jié)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(jìn)行避障操作，其中火焰?zhèn)鞲衅髂K使得機器人具備識別感應(yīng)火焰操作，實現(xiàn)精準(zhǔn)定位火焰位置，機器人通過超聲波模塊進(jìn)行避障，利用舵機實現(xiàn)搖擺灑水滅火，機器人速度的控制精度和穩(wěn)定性較高，測試如圖6、7所示。

結(jié)語

本設(shè)計為基于北斗定位技術(shù)的以STM32為主控芯片的森林防火滅火機器人，它主要利用現(xiàn)今先進(jìn)的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，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(jìn)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(jié)構(gòu)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(yīng)用意義。

參考文獻(xiàn)

[1]曾維鵬，張逢春.基于藍(lán)牙手機的遙控小車的設(shè)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(dǎo)航系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[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(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[D].吉林大學(xué)，2019.

[4]王奎，程科，李肇基，等.基于STM8l平臺的智能云窗控制系統(tǒng)設(shè)計[D].江蘇科技大學(xué)計算機科學(xué)與工程學(xué)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。