基于云構(gòu)架無線智能消防小車的設(shè)計(jì)

何偉宏，鄭首易，楊智棠，曹展豪，陳富豪

（1.中山大學(xué)南方學(xué)院，廣州 510970；2.廣東工業(yè)大學(xué)，廣州 510463）

基于云構(gòu)架無線智能消防小車的設(shè)計(jì)

何偉宏1，鄭首易2，楊智棠1，曹展豪1，陳富豪1

（1.中山大學(xué)南方學(xué)院，廣州 510970；2.廣東工業(yè)大學(xué)，廣州 510463）

針對重大型火災(zāi)中消防人員不方便進(jìn)入火場進(jìn)行準(zhǔn)確地勘察和及時(shí)搶救滅火的問題，設(shè)計(jì)一種基于云構(gòu)架的無線智能消防小車，利用火焰?zhèn)鞲衅魈綔y火源，處理器輸出PMW波控制直流電機(jī)對小車進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，通過藍(lán)牙通信技術(shù)遠(yuǎn)程遙控技術(shù)遙控小車到達(dá)起火點(diǎn)，檢測并顯示火場溫度和煙霧濃度，探測火場環(huán)境，經(jīng)過無線通信上傳云端，通過云端判斷是否執(zhí)行滅火動(dòng)作。最后，進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明，該方案的可行性；智能消防小車在各種環(huán)境中的有效通信距離大于20m；其為今后智能消防小車應(yīng)提供必要的基礎(chǔ)。

云架構(gòu)；智能小車；無線通信；藍(lán)牙技術(shù)

0 引言

智能小車在軍事、工業(yè)制造、生活服務(wù)等行業(yè)廣泛的應(yīng)用，使得國內(nèi)外許多科研機(jī)構(gòu)開始關(guān)注智能小車自動(dòng)控制領(lǐng)域[1]。智能小車能夠利用傳感器采集周圍環(huán)境信息，具有感知周圍作業(yè)環(huán)境功能，并具有一定的自適應(yīng)能力，能夠根據(jù)給定的指令完成與之相對應(yīng)動(dòng)作的綜合體[2]。云計(jì)算[3]與物聯(lián)網(wǎng)[4]各自具備很多優(yōu)勢，如果把云計(jì)算與物聯(lián)網(wǎng)結(jié)合起來構(gòu)造成物聯(lián)網(wǎng)云[5]，我們可以看出，云計(jì)算其實(shí)就相當(dāng)于一個(gè)人的大腦，而物聯(lián)網(wǎng)就是其眼睛、鼻子、耳朵和四肢等；當(dāng)嵌入式智能小車[6]與云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)融合起來，將具備人的部分功能。

該文模擬消防小車、探測小車設(shè)計(jì)的構(gòu)建與基本模型。采用8位嵌入式[7]處理器作為控制核心，采用模塊化的軟硬件設(shè)計(jì)[8]，實(shí)現(xiàn)了火場環(huán)境偵查、數(shù)據(jù)云端接收顯示、小車遙控三大功能。最后通過相關(guān)實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證該方案的可行性；并對小車在不同環(huán)境下的通信質(zhì)量進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析。結(jié)果表明，智能消防小車[9]在各種環(huán)境中的有效通信距離大于20m。其為今后智能消防小車應(yīng)用于實(shí)際消防滅火提供了實(shí)施和設(shè)計(jì)上的準(zhǔn)備。

1 總體設(shè)計(jì)方案

1.1 云架構(gòu)設(shè)計(jì)

如圖1所示本系統(tǒng)云架構(gòu)[10]由三個(gè)部分組成：小車節(jié)點(diǎn)、云服務(wù)器[11]、用戶端。小車作為動(dòng)態(tài)節(jié)點(diǎn)是用來感知環(huán)境數(shù)據(jù)，小范圍滅火功能，靜態(tài)節(jié)點(diǎn)感知全局環(huán)境數(shù)據(jù)；云服務(wù)器接收到各個(gè)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)與處理數(shù)據(jù)，為用戶提供預(yù)警；用戶端一般由移動(dòng)終端、顯示屏組成，為用戶提供直觀的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)查詢、預(yù)警信息顯示，提供小車遠(yuǎn)程控制指令信息，達(dá)到遠(yuǎn)程消防監(jiān)控制信息的實(shí)時(shí)交互。其中智能消防小車是本系統(tǒng)的基礎(chǔ)。

1.2 小車總體設(shè)計(jì)

智能消防小車總體設(shè)計(jì)方案示意圖如圖2所示由移動(dòng)端和下位機(jī)兩部分組成，移動(dòng)端用于遙控智能車和顯示接收到的傳感器信息，下位機(jī)用于采集傳感器數(shù)據(jù)和實(shí)現(xiàn)無線數(shù)據(jù)傳輸和控制，包括電機(jī)驅(qū)動(dòng)、溫度傳感器、藍(lán)牙透傳[12]三個(gè)模塊。移動(dòng)端和下位機(jī)獨(dú)立工作，并實(shí)行無線雙工通訊。用戶在上位機(jī)可以通過發(fā)送數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)遙控功能，通過接受數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)探測功能。

圖1 系統(tǒng)云架構(gòu)示意圖

圖2 小車總體設(shè)計(jì)方案示意圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 8位嵌入式處理器

小車的硬件電路以8位嵌入式處理器STC89C52RC為控制核心，具有8K字節(jié)RAM，32個(gè)I/O口，最高工作頻率為35MHz[13]。具有豐富的中斷資源，其中含有兩個(gè)外部中斷、兩個(gè)定時(shí)器中斷和一個(gè)串口中斷，使用串口中斷可以十分方便地接受到移動(dòng)端的信號時(shí)，迅速做出響應(yīng)。

8位嵌入式的最小系統(tǒng)由單片機(jī)以及復(fù)位電路和晶振電路等組成，復(fù)位電路為最小系統(tǒng)提供復(fù)位信號，在上電或者程序跑飛等情況下，通過復(fù)位電路復(fù)位系統(tǒng)。晶振電路為最小系統(tǒng)提供時(shí)鐘信號。單片機(jī)的EA引腳接高電平，表示程序從內(nèi)部ROM開始執(zhí)行。8位嵌入式最小系統(tǒng)電路圖3所示。

2.2 穩(wěn)壓電源模塊

如圖4所示該模塊為各個(gè)模塊提供工作電壓，本設(shè)計(jì)采用AMS1117穩(wěn)壓芯片[14]為核心搭建穩(wěn)壓電路，在穩(wěn)壓芯片的輸出端需要并聯(lián)一個(gè)22uF的輸出電容，在器材不足時(shí)，最小可以使用10uF的電容代替。在穩(wěn)壓芯片輸入端可以考慮添加旁路電容，預(yù)防外圍電路的噪聲干擾被耦合進(jìn)入電路。

圖3 嵌入式處理器系統(tǒng)電路

圖4 穩(wěn)壓電源模塊電路

2.3 消防傳感器連接

如表1所示本系統(tǒng)具有溫度、火焰、聲音等傳感器，火焰?zhèn)鞲衅骱吐曇魝鞲衅鬏敵龅男盘枮殚_關(guān)量，可以直接通過單片機(jī)的I/O口進(jìn)行讀操作，而溫度傳感器采用 DS18B20單總線數(shù)字溫度計(jì)[15]，讀取或?qū)懭隓S18B20僅需要一根總線，要求外接一個(gè)約 4.7k Ω的上拉電阻，當(dāng)總線閑置時(shí)，其狀態(tài)為高電平。此外DS18B20是溫度-電流傳感器，對于提高系統(tǒng)抗干擾能力有很大的幫助。

表1 傳感器

2.4 消防硬件設(shè)計(jì)

消防模塊由L9110芯片電路驅(qū)動(dòng)螺旋槳風(fēng)扇，可輕松吹滅20cm內(nèi)的火焰。L9110是為控制和驅(qū)動(dòng)電機(jī)設(shè)計(jì)的兩通道推挽式功率放大專用集成電器器件，將分離電路集成在單片IC中，使外圍器件成本降低,整機(jī)可靠性提高，同時(shí)它具有較低的輸出飽和壓降；內(nèi)置的反向沖擊電流使它在直流電機(jī)的使用上安全可靠。

2.5 無線通信方案

無線通訊模塊采用藍(lán)牙轉(zhuǎn)串口模塊HC-05，可以將接收到的藍(lán)牙數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為串口輸出，也可以將接收到的串口數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為藍(lán)牙數(shù)據(jù)輸出，在本設(shè)計(jì)中利用該模塊作為處理器與Android App溝通的“橋梁”十分符合需求。而且可以通過AT指令，將模塊調(diào)整為與8位嵌入式處理器相同的波特率，并與8位嵌入式處理器的串口進(jìn)行連接，這樣便可以將處理器的串口數(shù)據(jù)以無線方式發(fā)送出去。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 移動(dòng)端設(shè)計(jì)

移動(dòng)端的Android App遙控器可以通過Android手機(jī)的藍(lán)牙模塊與下位機(jī)進(jìn)行無線的數(shù)據(jù)傳輸。在藍(lán)牙連接后，通過移動(dòng)端界面上的按鈕監(jiān)聽器，分別實(shí)現(xiàn)小車運(yùn)動(dòng)和打開滅火器等無線遙控操作。當(dāng)監(jiān)聽到按鍵按下時(shí)，藍(lán)牙遙控器發(fā)送數(shù)據(jù)啟動(dòng)相應(yīng)的遙控功能，當(dāng)監(jiān)聽到按鍵松開時(shí)，藍(lán)牙遙控器發(fā)送數(shù)據(jù)停止相應(yīng)的遙控功能。移動(dòng)端的遙控功能算法見算法1所示的偽代碼。

3.2 執(zhí)行程序設(shè)計(jì)強(qiáng)。

4 測試結(jié)果

將小車置于室外（空曠）、室外（灌木叢）、室內(nèi)（隔墻有障礙物）、室內(nèi)（隔墻無障礙物）等四種環(huán)境進(jìn)行多次測試，圖2為有效通信距離測試的結(jié)果?？梢缘贸觯诳諘绾褪彝猸h(huán)境下消防智能小車無線通信距離最大；在有障礙物的室內(nèi)通信距離最小，約20m。

圖4 小車系統(tǒng)通訊距離測試結(jié)果

核心處理器主要負(fù)責(zé)傳感器數(shù)據(jù)的讀取，以及和上位機(jī)的數(shù)據(jù)交互。在串口初始化完畢之后，將串口中斷和總中斷打開，進(jìn)入程序循環(huán)部分，在循環(huán)部分負(fù)責(zé)采集傳感器的數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)通過串口發(fā)送出去，這樣便可以不斷刷新上位機(jī)的數(shù)據(jù)。同時(shí)，在串口中斷中接收到數(shù)據(jù)后，先儲(chǔ)存好接收到的串口數(shù)據(jù)，再對該數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷，接收到不同的數(shù)據(jù)應(yīng)該做出相應(yīng)的響應(yīng)，實(shí)現(xiàn)小車運(yùn)動(dòng)、滅火等遠(yuǎn)程控制。具體偽代碼見算法2，其中Ui為驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇二元信號；t為溫度，h為火焰；L為光

5 結(jié)語

本文介紹了一種基于云架構(gòu)的無線智能消防小車的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。以8位嵌入式處理器為控制核心構(gòu)建了基于云構(gòu)建的智能消防小車。能較好的完成火場探測、藍(lán)牙遙控、遙控滅火等功能，實(shí)現(xiàn)了火場環(huán)境偵查、數(shù)據(jù)云端接收預(yù)警的目標(biāo)。由該智能消防小車作為一種無生命載體，可以在高溫、有毒、缺氧和濃煙等各種危險(xiǎn)復(fù)雜的環(huán)境行動(dòng)，它不僅可以為消防人員提供有效的現(xiàn)場數(shù)據(jù)，為指揮員制定消防方案提供了依據(jù)，大大的減少人員的傷亡的概率，實(shí)用性較強(qiáng)，有著廣泛的應(yīng)用前景。

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Cloud Architecture;Intelligent Vehicle;Wireless Communication;Bluetooth Technology

Design of Wireless Intelligent Fire Vehicle Based on Cloud Architecture

HE Wei-hong1,ZHENG Shou-yi2，YANG Zhi-tang1，CAO Zhan-hao1，CHEN Fu-hao1
（1.Nanfang College，Sun Yat-sen University,Guangzhou 510970；2.Guangdong University of Technology,Guangzhou 510463）

According to actual condition that it is inconvenient for firemen to get into the fire to carry out an accurate investigation,rescue people and put out fire in time in the large fire,designs a wireless intelligent fire vehicle based on cloud architecture.It can detect the fire source using a flame sensor,and its CPU could output the PMW signal to control the DC-motor and drive the vehicle.Uses the Bluetooth communication technology and remote control technology,to control the vehicle to arrive at the Fire Points,measure and display the fire field temperature and smoke concentration to detect the fire environment.The result data of detection will upload to the Cloud terminal by wireless communication,and the Cloud terminal will decide whether to carry out fire fighting actions.Finally,carries related out experiments.Result shows that the project is feasible;the effective communication distance of intelligent fire vehicle in a variety of environments is greater than 20m;and it shall provide the necessary foundation for future intelligent fire vehicle.

1007-1423（2016）19-0050-04

10.3969/j.issn.1007-1423.2016.19.013

廣東高校2015年重大項(xiàng)目青年創(chuàng)新人才類項(xiàng)目（自然科學(xué)類）（No.2015KQNCX228）

book=51,ebook=54

何偉宏（1988-），男，湖南郴州人，碩士，研究方向?yàn)榍度胧较到y(tǒng)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

鄭首易（1993-），男，廣西欽州人，在讀碩士研究生，研究方向?yàn)槲锫?lián)網(wǎng)技術(shù)、智能控制與智能信息處理

楊智棠（1996-），男，廣東陸豐人，在讀本科生，研究方向?yàn)槲锫?lián)網(wǎng)技術(shù)、智能控制技術(shù)與無線通信技術(shù)

曹展豪（1996-），男，廣東廣州人，在讀本科生，研究方向?yàn)槲锫?lián)網(wǎng)技術(shù)、智能控制技術(shù)與無線通信技術(shù)

陳富豪，男，廣東陽江市人，在讀本科生，研究方向?yàn)橐苿?dòng)互聯(lián)網(wǎng)、智能控制技術(shù)

2016-06-28

2016-07-10