劉艷峰

（甘肅省太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室酒泉職業(yè)技術(shù)學(xué)院，甘肅酒泉，735000）

0 引言

隨著我國(guó)煤礦開采深度的增加和機(jī)械化程度的提高，礦山火災(zāi)事故也呈明顯上升趨勢(shì)。煤礦火災(zāi)事故嚴(yán)重威脅著煤礦工人的生命安全，同時(shí)也是制約煤礦安全生產(chǎn)的重要因素。隨著煤礦消防安全設(shè)備技術(shù)的發(fā)展，礦井智能消防車越來(lái)越受到重視。礦井智能消防車是一種具有高度智能化、自動(dòng)化的消防車。由于消防滅火救援任務(wù)的特殊性和復(fù)雜性，使得現(xiàn)有消防系統(tǒng)難以滿足實(shí)際需要，而利用消防裝備進(jìn)行火災(zāi)自動(dòng)探測(cè)是實(shí)現(xiàn)高效、快速撲滅火災(zāi)事故的有效手段之一。我國(guó)已在一些地區(qū)建立了具有一定規(guī)模的礦井消防隊(duì)，為保障礦井安全發(fā)揮了積極作用。然而，由于種種原因，目前還存在著不少問題，影響到消防工作水平的進(jìn)一步提高。

為了能夠有效地預(yù)防和控制火災(zāi)發(fā)生，本文設(shè)計(jì)了一種以STM32 單片機(jī)為控制核心，具有火災(zāi)檢測(cè)、自動(dòng)避障、自動(dòng)滅火、實(shí)時(shí)信息采集和報(bào)警功能的滅火系統(tǒng)。該系統(tǒng)有效提高了礦井的消防安全，減少了礦井事故的發(fā)生，為礦井消防安全工作提供了技術(shù)支撐。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

■1.1 系統(tǒng)硬件總體設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)框架如圖1 所示。系統(tǒng)以STM32 單片機(jī)為主控制器，采用模塊化設(shè)計(jì)思想，主要包括電源模塊、超聲波模塊、傳感器采集模塊、滅火模塊、顯示模塊和報(bào)警模塊等。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

其中電源模塊負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)所需電能供給，傳感器采集模塊和超聲波模塊相互配合實(shí)現(xiàn)小車的前進(jìn)、后退等操作，同時(shí)采集火災(zāi)信號(hào)、溫度、一氧化碳和甲烷等火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境參數(shù)，并將其傳送給主控制器。主控制器對(duì)接收到的環(huán)境信號(hào)進(jìn)行處理分析，達(dá)到對(duì)火災(zāi)進(jìn)行判斷的目的。如果檢測(cè)到有火災(zāi)時(shí)，主控制器發(fā)出報(bào)警信號(hào)提醒工作人員及時(shí)采取措施滅火，同時(shí)發(fā)出控制信號(hào)控制滅火模塊進(jìn)行自動(dòng)滅火。顯示模塊用來(lái)實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前被測(cè)環(huán)境溫度、一氧化碳和甲烷等參數(shù)值；報(bào)警模塊在檢測(cè)到有火災(zāi)時(shí)或者被測(cè)環(huán)境參數(shù)超過閾值時(shí)，發(fā)出報(bào)警信號(hào)，以便消防人員及時(shí)作出反應(yīng)，保證消防工作順利開展。

■1.2 主控制器模塊

智能消防車的主控制器以STM32F103C8T6 單片機(jī)為核心。STM32F103C8T6 處理器是ST 公司推出的基于ARM Cortex-M3 內(nèi)核的單片機(jī)，具有32 位處理能力，多達(dá)72MHz 的時(shí)鐘頻率。擁有64KB Flash 存儲(chǔ)器和20KB RAM 容量，電源電壓為2V～3.6V。支持多種外設(shè)，包括計(jì)時(shí)器、ADC、CAN、USART、SPI 等，可以滿足大多數(shù)應(yīng)用場(chǎng)合的需求。在本設(shè)計(jì)中，充分利用了STM32F103C8T6單片機(jī)豐富的外設(shè)資源和良好的擴(kuò)展能力。最小系統(tǒng)電路圖如圖2 所示。

圖2 單片機(jī)最小系統(tǒng)電路圖

■1.3 電源模塊

礦井智能滅火系統(tǒng)使用鋰電池進(jìn)行供電，由于鋰電池的輸出電壓為5V，STM32 單片機(jī)、火焰?zhèn)鞲衅?、DS18B20溫度傳感器、MQ-7 一氧化碳傳感器、MQ-4 甲烷傳感器等工作電壓均為3.3V，所以需要經(jīng)過降壓模塊把5V 的直流電壓降為3.3V 的直流電壓。降壓模塊選用SC662K 線性穩(wěn)壓器。該芯片具有低功耗和高精度特性，能夠在礦井下的復(fù)雜環(huán)境中穩(wěn)定工作。同時(shí)該模塊還提供了多種保護(hù)功能：過流保護(hù)、短路保護(hù)等。電路圖如圖3 所示。

圖3 電源模塊電路圖

■1.4 電機(jī)驅(qū)動(dòng)部分

電機(jī)驅(qū)動(dòng)部分采用L298N 芯片。L298N 芯片是一款雙通道H 橋驅(qū)動(dòng)芯片，主要用于實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)和舵機(jī)等的驅(qū)動(dòng)和控制。可承受高電壓，輸出大電流。它的工作電壓為6V～46V，最大驅(qū)動(dòng)電流可達(dá)3A。L298N 芯片具有較強(qiáng)的驅(qū)動(dòng)能力和邏輯控制能力，是一款多功能的控制芯片。此外，L298N 芯片還具有反饋檢測(cè)、電流檢測(cè)等功能，可以滿足多種應(yīng)用需求。它的優(yōu)勢(shì)在于可以驅(qū)動(dòng)大功率電機(jī)，并且可實(shí)現(xiàn)多種控制。電路圖如圖4 所示。

圖4 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路圖

■1.5 火災(zāi)檢測(cè)模塊

火災(zāi)檢測(cè)模塊選用火焰?zhèn)鞲衅??；鹧鎮(zhèn)鞲衅鲗⒈粶y(cè)火源發(fā)出的光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，再經(jīng)A/D 轉(zhuǎn)換處理后輸出數(shù)字信號(hào)，最終輸入到單片機(jī)。當(dāng)單片機(jī)接收到該數(shù)字信號(hào)時(shí)通過與預(yù)設(shè)的閾值進(jìn)行比較，從而判斷被測(cè)火源燃燒狀態(tài)信息。其特點(diǎn)是靈敏度可調(diào)、驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)、安裝方便。在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)使用時(shí)可以根據(jù)需要調(diào)節(jié)靈敏度，并可對(duì)多種環(huán)境條件下的火源做高精度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。電路圖如圖5 所示。

圖5 火災(zāi)檢測(cè)電路圖

■1.6 滅火模塊

滅火模塊主要由舵機(jī)、水泵和水罐組成。其中，水罐用于儲(chǔ)存消防用水；水泵把水罐中的水抽出通過加壓，使其成為高壓氣體進(jìn)入到噴頭內(nèi)并噴出，從而形成水霧覆蓋在待滅火源上，達(dá)到撲滅火災(zāi)的目的；舵機(jī)用來(lái)驅(qū)動(dòng)噴頭進(jìn)行旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)以改變噴射角度，進(jìn)而調(diào)節(jié)水流方向。電路圖如圖6所示。

圖6 滅火模塊電路圖

■1.7 超聲波避障模塊

選用HC-SR04 超聲波測(cè)距模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)避障功能，其主要原理是：通過單片機(jī)發(fā)送觸發(fā)信號(hào)控制超聲波模塊工作，超聲波模塊被觸發(fā)后，會(huì)自動(dòng)發(fā)送8 個(gè)40kHz 的方波，并且自動(dòng)檢測(cè)是否有信號(hào)返回，發(fā)射出去的脈沖方波傳播到物體上，反射回來(lái)的脈沖方波被模塊接收，超聲波模塊通過引腳輸出一個(gè)高電平。高電平持續(xù)的時(shí)間等于脈沖方波發(fā)射到返回的時(shí)間。通過高電平持續(xù)的時(shí)間乘以聲速再除以2就可以計(jì)算出距離。該模塊特點(diǎn)是：測(cè)量范圍廣，可測(cè)量2cm～4m 的距離；測(cè)量精度高，誤差在3mm 以內(nèi)；價(jià)格低廉，是一款性價(jià)比高的產(chǎn)品。電路圖如圖7 所示。

圖7 超聲波模塊電路圖

■1.8 檢測(cè)模塊

檢測(cè)模塊檢測(cè)的環(huán)境參數(shù)主要為溫度、一氧化碳和甲烷，通過溫度傳感器和氣體檢測(cè)傳感器來(lái)實(shí)現(xiàn)。檢測(cè)模塊把檢測(cè)到的數(shù)據(jù)送到單片機(jī)進(jìn)行處理，并在顯示模塊進(jìn)行顯示。溫度檢測(cè)采用DS18B20 溫度傳感器，一氧化碳檢測(cè)采用MQ-7 一氧化碳傳感器，甲烷檢測(cè)采用MQ-4 氣體傳感器。原理圖分別如圖8～圖10 所示。

圖8 甲烷檢測(cè)電路圖

圖9 一氧化碳檢測(cè)電路圖

圖10 溫度檢測(cè)電路圖

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

■2.1 主程序設(shè)計(jì)

首先，對(duì)STM32F103C8T6的系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行初始化。包括串口初始化、定時(shí)器初始化、引腳初始化、各個(gè)模塊初始化。初始化完成后，小車通過超聲波避障模塊執(zhí)行前進(jìn)、后退等操作，同時(shí)在小車運(yùn)動(dòng)過程中，完成火災(zāi)信號(hào)采集、環(huán)境參數(shù)采集。如果檢測(cè)到有火源時(shí)，系統(tǒng)執(zhí)行滅火程序進(jìn)行滅火。如果檢測(cè)到的環(huán)境參數(shù)超過閾值，進(jìn)行報(bào)警處理并顯示。上述采集工作完成之后，再次進(jìn)入到下一個(gè)循環(huán)進(jìn)行采集。主程序流程圖如圖11 所示。

圖11 主程序流程圖

■2.2 超聲波避障模塊子程序設(shè)計(jì)

避障模塊子程序流程如圖12 所示，首先進(jìn)行初始化，礦井智能消防車開始前進(jìn)并且檢測(cè)障礙物，如果沒有檢測(cè)到障礙物，小車?yán)^續(xù)前進(jìn)；如果檢測(cè)到障礙物，小車左轉(zhuǎn)或者右轉(zhuǎn)45 度前進(jìn)；小車再次檢測(cè)障礙物，以確定是否避開障礙物，如果再次檢測(cè)到障礙物，小車?yán)^續(xù)左轉(zhuǎn)或者右轉(zhuǎn)45 度前進(jìn)；如果沒有檢測(cè)到障礙物，小車?yán)^續(xù)行駛。

圖12 超聲波避障模塊子程序流程圖

■2.3 滅火模塊子程序設(shè)計(jì)

滅火模塊子程序如圖13所示，首先進(jìn)行初始化，礦井智能消防車在前進(jìn)過程中檢測(cè)火焰信號(hào)，如果沒有檢測(cè)到火焰信號(hào)，小車?yán)^續(xù)前進(jìn)檢測(cè)；如果檢測(cè)到火焰信號(hào)，判斷火焰信號(hào)是否在小車正前方，如果在正前方，報(bào)警并執(zhí)行滅火操作；如果不在正前方，小車調(diào)整位置，直到調(diào)整到在火焰正前方，執(zhí)行滅火操作。最后再次檢測(cè)是否存在火焰信號(hào)，判斷火源是否熄滅，如果檢測(cè)到有火焰信號(hào)，繼續(xù)執(zhí)行滅火操作，直到火源熄滅。

圖13 滅火模塊子程序流程圖

3 測(cè)試與分析

在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下對(duì)礦井智能消防車進(jìn)行了試驗(yàn)研究。點(diǎn)燃蠟燭模擬火災(zāi)發(fā)生時(shí)的場(chǎng)景，并在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中隨機(jī)布置一些障礙，然后對(duì)其各個(gè)模塊的工作性能進(jìn)行測(cè)試。實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果如表1 所示。

表1 各個(gè)模塊測(cè)試結(jié)果

通過測(cè)試結(jié)果可知，礦井智能消防車能夠準(zhǔn)確地探測(cè)到火源并啟動(dòng)滅火設(shè)備進(jìn)行滅火，并且實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)避障、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、報(bào)警等功能。

為了驗(yàn)證火焰檢測(cè)模塊和滅火模塊的準(zhǔn)確性，在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下，通過多次改變蠟燭的位置和改變蠟燭的數(shù)量模擬不同的火源。礦井智能消防車通過避障模塊和火災(zāi)檢測(cè)模塊的配合，在行駛過程中搜尋火源，如果火焰?zhèn)鞲衅鳈z測(cè)到火焰信號(hào)時(shí)，系統(tǒng)控制滅火模塊進(jìn)行噴水操作。對(duì)多次實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，得到實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2 所示。通過表2 可以看出，礦井智能消防車能夠準(zhǔn)確識(shí)別火源并進(jìn)行滅火，具有較高的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。

表2 火焰檢測(cè)和滅火功能準(zhǔn)確性統(tǒng)計(jì)

4 結(jié)論

本設(shè)計(jì)以STM32F103C8T6 單片機(jī)為控制核心，利用超聲波技術(shù)、火災(zāi)檢測(cè)技術(shù)、溫度檢測(cè)技術(shù)和氣體檢測(cè)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了同時(shí)具有自主避障、火災(zāi)探測(cè)、環(huán)境參數(shù)檢測(cè)、顯示和報(bào)警的智能消防小車控制系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：智能消防小車可以在無(wú)人干預(yù)下自動(dòng)完成對(duì)各個(gè)區(qū)域的環(huán)境數(shù)據(jù)采集并將數(shù)據(jù)傳輸給單片機(jī)；系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確地判斷出火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)位置并進(jìn)行快速滅火。該智能消防小車控制系統(tǒng)在滿足使用者基本功能的同時(shí)，更加智能化，稍加改進(jìn)后即可投入市場(chǎng)應(yīng)用。該智能滅火小車適用于大型倉(cāng)庫(kù)、易燃易爆工廠和大型工礦企業(yè)等區(qū)域的火災(zāi)防范，對(duì)提高生產(chǎn)安全具有一定的實(shí)用價(jià)值。

在此研究基礎(chǔ)上，可以加入更多的智能設(shè)計(jì)。首先，可以考慮增加語(yǔ)音控制，可以實(shí)現(xiàn)和被控人員的交流；還可以增加藍(lán)牙無(wú)線傳輸功能，實(shí)現(xiàn)利用手機(jī)控制智能消防車。在環(huán)境參數(shù)檢測(cè)時(shí)會(huì)有一定的誤差，如果加入智能算法，進(jìn)行誤差修正，該智能系統(tǒng)的精確度會(huì)進(jìn)一步提高。