地下隧道消防巡檢機(jī)器人-初稿3

1、地下隧道消防巡檢機(jī)器人一、 緒論隧道包括公路、鐵路、城市地鐵隧道等，當(dāng)隧道發(fā)生火災(zāi)時(shí)，由于隧道建筑結(jié)構(gòu)復(fù)雜、空間環(huán)境相對封閉，隧道內(nèi)的溫度能很快達(dá)到1000左右，從而使混凝土失去應(yīng)有的結(jié)合力產(chǎn)生爆裂，最終會(huì)一層一層地穿透整個(gè)隧道的混凝土拱頂結(jié)構(gòu)。巡檢是保證地下隧道環(huán)境消防安全性的主要手段之一，目前傳統(tǒng)的地下隧道巡檢手段，多依賴管理員巡視結(jié)合火災(zāi)自動(dòng)探測系統(tǒng)探測實(shí)現(xiàn)。由于隧道內(nèi)環(huán)境變化快，火災(zāi)自動(dòng)探測系統(tǒng)存在漏報(bào)和誤報(bào)等顯現(xiàn)，人工巡檢工作不可缺失。隧道火災(zāi)的早期預(yù)警和救援非常重要，但由于隧道路程長，封閉性強(qiáng)，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，無線通信效果差，一旦發(fā)生事故，講對巡檢人員的人身安全造成極大的威脅。同時(shí)人工巡

2、檢受心理素質(zhì)、業(yè)務(wù)水平和工作經(jīng)驗(yàn)等因素影響，導(dǎo)致人工巡檢效果存在勞動(dòng)強(qiáng)度大、工作效率低、巡檢質(zhì)量不穩(wěn)定和成本高等明顯不足，因此，使用機(jī)器人替代人工成為隧道巡檢自動(dòng)化的研究方向之一。根據(jù)題目的要求，確定如下方案：在現(xiàn)有玩具電動(dòng)車的基礎(chǔ)上，加裝溫濕度、加速度、超聲波傳感器及危險(xiǎn)品探測器，實(shí)現(xiàn)對電動(dòng)車的速度、位置、運(yùn)行狀況的實(shí)時(shí)測量，并將傳感數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)傳送至單片機(jī)進(jìn)行處理，然后由單片機(jī)根據(jù)所檢測的各種數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)對巡檢車的智能控制。這種方案能實(shí)現(xiàn)對電動(dòng)車的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，控制靈活、可靠，精度高，可滿足對系統(tǒng)的各項(xiàng)要求。本設(shè)計(jì)采用MSP430F149單片機(jī)。以MSP430F149為控制核心，利用超聲波

3、傳感器檢測道路上的障礙，控制電動(dòng)小汽車的自動(dòng)避障，捕獲多種安全相關(guān)信息，并監(jiān)控火災(zāi)的發(fā)生。MSP430系列單片機(jī)是TI公司的產(chǎn)品，它的快閃微控制器的功耗最低。MSP430F149是一款16位單片機(jī)，它的易用性和多功能性受到了廣大使用者的好評，它是第三代單片機(jī)的代表。二、 地下隧道消防巡檢機(jī)器人總體設(shè)計(jì)方案2.1 地下隧道消防巡檢機(jī)器人系統(tǒng)組成地下隧道消防巡檢機(jī)器人由傳感器信息單元、運(yùn)動(dòng)控制單元和后場顯示終端三部分組成。傳感器信息單元具有傳感器信息采集與傳輸功能，負(fù)責(zé)將各個(gè)檢測傳感器采集的信息打包，經(jīng)過無線傳輸至后場顯示終端；現(xiàn)實(shí)終端具有信息接收、信息處理、信息存儲(chǔ)、信息上傳、命令控制、操作輸入

4、和圖形顯示等功能。傳感器信息單元可靈活刪減，操作簡捷。運(yùn)動(dòng)控制單元主要用于巡檢機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制，并具有控制音視頻信息采集啟動(dòng)和關(guān)閉功能。后場顯示終端具有現(xiàn)場信息采集、處理和存儲(chǔ)功能，運(yùn)動(dòng)控制功能和現(xiàn)場音視頻信息顯示功能。系統(tǒng)組成如圖1所示： 圖1 地下隧道消防巡檢機(jī)器人系統(tǒng)組成圖2.2 傳感器信息單元地下隧道消防巡檢機(jī)器人涉及傳感器類型和數(shù)量較多，系統(tǒng)檢測可分為環(huán)境、音視頻、危險(xiǎn)氣體和輔助等四大類信息，數(shù)量多達(dá)10余個(gè)，詳細(xì)信息見表1。環(huán)境類信息包含溫度、氣壓、濕度和煙感四種傳感器，溫度和煙感傳感器用于周邊環(huán)境火災(zāi)探測，氣壓傳感器可檢測環(huán)境氣壓變化，可以通過學(xué)習(xí)法進(jìn)行高度測量，推估巡檢機(jī)器人所處

5、的高度信息；音視頻類信息包括自然光視頻、紅外視頻和現(xiàn)場音頻信息，自然光和紅外視頻信息實(shí)時(shí)傳輸巡檢視頻，采用獨(dú)立傳輸方式，僅由運(yùn)動(dòng)控制單元進(jìn)行開關(guān)控制；危險(xiǎn)氣體信息包括可燃?xì)怏w、氧氣和二氧化碳濃度信息，用于檢測周邊環(huán)境氣體安全性，預(yù)測爆炸危險(xiǎn)的可能性。表1 傳感器信息單元參數(shù)表檢測源傳感器類型數(shù)量用途環(huán)境信息溫度4個(gè) 探測環(huán)境溫度信息氣壓1個(gè) 探測氣壓變化信息濕度1個(gè) 探測環(huán)境濕度信息 煙感 1個(gè) 探測環(huán)境煙霧信息音視頻信息自然光1個(gè)捕獲周邊自然光視頻信息紅外 1個(gè)捕獲紅外自然光視頻信息拾音器1個(gè)捕獲現(xiàn)場聲音信息 危險(xiǎn)氣體信息可燃?xì)怏w 1個(gè) 獲取現(xiàn)場可燃?xì)怏w濃度信息氧氣1個(gè)獲取現(xiàn)場氧氣濃度信息

6、二氧化碳1個(gè)獲取現(xiàn)場二氧化碳濃度信息輔助信息 超聲波1個(gè) 探測行進(jìn)障礙距離信息加速度1個(gè)探測巡檢機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)狀態(tài) 圖2 傳感器信息單元結(jié)構(gòu)圖2.3 運(yùn)動(dòng)控制單元整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)是在現(xiàn)有玩具電動(dòng)車的基礎(chǔ)上改造，即采用凌陽科技大學(xué)計(jì)劃簡易智能電動(dòng)車和控制板改造。簡易智能電動(dòng)車自帶80C51單片機(jī)進(jìn)行智能控制。開始由手動(dòng)啟動(dòng)小車，并復(fù)位，當(dāng)經(jīng)過規(guī)定的起始黑線，由超聲波傳感器和紅外光電傳感器檢測，通過單片機(jī)控制小車開始記數(shù)顯示并避障、調(diào)速；系統(tǒng)的自動(dòng)避障功能通過超聲波傳感器正前方檢測和紅外光電傳感器左右側(cè)檢測，由單片機(jī)控制實(shí)現(xiàn)；在電動(dòng)車進(jìn)駛過程中，采用雙極式H型PWM脈寬調(diào)制技術(shù)，以提高系統(tǒng)的靜動(dòng)態(tài)性能；

7、采用動(dòng)態(tài)共陰顯示行駛時(shí)間和里程。系統(tǒng)原理圖如圖3所示。圖3 簡易智能電動(dòng)車系統(tǒng)原理圖運(yùn)動(dòng)控制單元MSP430F149與80C51單片機(jī)之間通過串口通信并結(jié)合驅(qū)動(dòng)電路，控制H橋的工作進(jìn)而控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，進(jìn)而控制小車后輪正轉(zhuǎn)、小車后輪反轉(zhuǎn)、小車前輪左偏和小車前輪右偏，實(shí)現(xiàn)小車的前后左右四方向動(dòng)作。 圖4 簡易智能電動(dòng)車實(shí)物三、 地下隧道消防巡檢機(jī)器人硬件設(shè)計(jì)由于采用現(xiàn)場具有智能控制運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)改造，傳感器信息單元和運(yùn)動(dòng)控制單元實(shí)際上可由一塊電路板設(shè)計(jì)，主控單片機(jī)采用MSP430F149，它有6組I/O口，可以作為數(shù)據(jù)地址總線。這里，把P3口擴(kuò)展為與藍(lán)牙芯片CC2540相連的地址總線，P5口擴(kuò)展為數(shù)據(jù)

8、和控制總線。P6口擴(kuò)展為與傳感器相連的數(shù)據(jù)總線。串口RXD和TXD組成與智能電動(dòng)車80C51模塊相連的數(shù)據(jù)總線，并且擴(kuò)展了與各傳感器相連的總線信號和一些模塊的使能信號。3.1藍(lán)牙模塊CC2540 CC2540是一個(gè)超低消耗功率的真正系統(tǒng)單晶片，它整合了包含微控制器、主機(jī)端及應(yīng)用程式在一個(gè)元件上。 CC2540結(jié)合一個(gè)優(yōu)異的無線射頻傳送接收器及一個(gè)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的加強(qiáng)型8051微控制器， 它包括連接類比及數(shù)位感應(yīng)器的周邊，內(nèi)建可程式的快閃記憶體， 精確的無線射頻訊號強(qiáng)度指示，全速USB 2.0界面，內(nèi)建AES-128加密引擎。CC2540可讓強(qiáng)固的主控或從屬式節(jié)點(diǎn)以很低的成本建立起來，它具有很低的睡眠

9、模式功率消耗及不同工作模式間短暫的轉(zhuǎn)換時(shí)間，適用于需要超低消耗功率的系統(tǒng)。數(shù)字信號存儲(chǔ)在RAM（容量為32KB）中，供MSP430F149處理器調(diào)用和處理，MSP430F149將處理后的數(shù)據(jù)從編碼接口輸出到其他設(shè)備，信號發(fā)過程是信號收的逆過程，此外，還包括時(shí)鐘和電源管理模塊以及多個(gè)通用I/O口，供不同的外設(shè)使用。的主機(jī)接口可以提供雙工的通用串口。CC2540 藍(lán)牙低能耗片上系統(tǒng)的外圍電路圖和藍(lán)牙模塊圖分別如圖5和圖6所示。 圖5 外圍電路圖 圖6 藍(lán)牙模塊圖3.2 系統(tǒng)時(shí)鐘設(shè)計(jì)本系統(tǒng)采用了2個(gè)時(shí)鐘，MSP430F149的晶振電路主要提供給MSP430F149兩個(gè)時(shí)鐘源，這兩個(gè)時(shí)鐘分別供單片機(jī)工

10、作在待機(jī)低功耗模式和報(bào)警工作狀態(tài)。個(gè)為3.6864MHz的高頻時(shí)鐘，用于報(bào)警狀態(tài)下的信息高速處理，以及串口波特率時(shí)鐘源。另個(gè)為32.768KHz的低頻時(shí)鐘，用于內(nèi)部定時(shí)器的時(shí)鐘源，并且同時(shí)提供給實(shí)時(shí)時(shí)鐘模塊作為基準(zhǔn)時(shí)鐘。當(dāng)系統(tǒng)處于活動(dòng)狀態(tài)時(shí)，采用高頻時(shí)鐘作為主時(shí)鐘，可以縮短消息處理時(shí)間，減小數(shù)據(jù)包的延時(shí)。單片機(jī)處理完消息后轉(zhuǎn)入低功耗狀態(tài)，高步時(shí)鐘關(guān)閉，此時(shí)低頻時(shí)鐘仍舊工作，并且提供給定時(shí)器作為定時(shí)時(shí)鐘源，以保證不會(huì)因?yàn)檫M(jìn)入低功耗而且定時(shí)器停止。采用兩個(gè)時(shí)鐘協(xié)調(diào)工作可以使單片機(jī)的功耗降得更低，使單片機(jī)在絕大部分時(shí)間內(nèi)均處于低功耗模式下，大大降低了單片機(jī)以及系統(tǒng)的功耗，加大了本系統(tǒng)在地下隧道巡檢獨(dú)

11、立供電應(yīng)用時(shí)長。MSP430單片機(jī)使用3.3V電壓供電，外接高速時(shí)鐘（8MHz）和低速晶體（32.768KHz）以滿足不同的功耗應(yīng)用。單片機(jī)的P6.6和P6.7端口模擬I2C接口，連接濕度傳感器HYT-271；P6端口連接數(shù)字溫度傳感器TSic-506F，用來采集數(shù)字量的溫度信息；另外帶有中斷功能的P4.0和P4.1兩個(gè)端口連接兩個(gè)按鍵，通過按鍵可以模擬中斷事件的發(fā)生來觸發(fā)報(bào)警信息的發(fā)送。單片機(jī)其余的I/O口分別連接串口電平轉(zhuǎn)換芯片MAX3232、時(shí)鐘芯片DSl302、FLASH存儲(chǔ)器、聲光報(bào)警電路等；暫時(shí)未使用的I/O引腳通過擴(kuò)展頭引出，方便系統(tǒng)的功能擴(kuò)展。MSP430單片機(jī)內(nèi)部有上電探測復(fù)

12、位電路，可以在上電時(shí)產(chǎn)生一個(gè)POR信號使系統(tǒng)復(fù)位。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的復(fù)位電路可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)掉電自動(dòng)復(fù)位和手動(dòng)復(fù)位兩種功能，而且使上電復(fù)位更加可靠。由于MSP430單片機(jī)是低電平復(fù)位，所以在正常工作時(shí)需要將復(fù)位引腳通過上拉電阻R4上拉成高電平。電容C2是利用電容電壓不能突變，硬件上電后形成一個(gè)較寬的低電平脈沖以保證有效復(fù)位，增加了上電復(fù)位的可靠性。電源穩(wěn)定后要經(jīng)過一定時(shí)間的延時(shí)，復(fù)位信號才被撤銷，防止電源開關(guān)或電源插頭分合過程中引起抖動(dòng)而影響復(fù)位。當(dāng)電源電壓瞬間下降時(shí)，為了保證系統(tǒng)有效復(fù)位，增加二極管Dl保證電容迅速放電，產(chǎn)生低電平復(fù)位信號。當(dāng)程序跑飛而看門狗又失效時(shí)可以通過按鍵KEY RST手動(dòng)復(fù)位。

13、3.3 傳感器信息單元設(shè)計(jì)MSP430F148芯片自帶12位模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊，通過其P6數(shù)據(jù)管腳復(fù)用可以直接最為A/D轉(zhuǎn)換器模擬輸入通道。由于傳感器數(shù)量較多，在輸入前通過多路開關(guān)芯片CD4051進(jìn)行通道選擇。其中濕度傳感器輸出為I2C接口數(shù)字信號，應(yīng)用較為簡潔。通過數(shù)據(jù)線、地址線和控制線與藍(lán)牙芯片CC2540相連。其中雙向的系統(tǒng)數(shù)據(jù)線用于在CC2540和微控制器間傳遞數(shù)據(jù)。系統(tǒng)地址總線的低8位用于解析到達(dá)CC2540的I/O、存儲(chǔ)器空間和附屬的BOOT PROM的傳輸路徑。P4.0口連接可燃?xì)怏w探測器、氧氣、二氧化碳和煙霧傳感器，以上傳感器均自帶AD轉(zhuǎn)換電路，只需少需外圍電路改造即可直接讀數(shù)使用，

14、實(shí)際工作中四種傳感器接口預(yù)留，受智能小車載重能力所限，僅選用煙霧傳感器。P1口連接FLASH存儲(chǔ)器AT45DB021，所有的編程操作都是針對于頁的，擦除操作可以作用于芯片、扇區(qū)、塊或頁，該存儲(chǔ)空間用于地下隧道消防巡檢機(jī)器人存儲(chǔ)數(shù)據(jù)使用。P2口用于運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)電路控制和與簡易智能電動(dòng)車自帶80C51單片機(jī)通信使用，實(shí)現(xiàn)隧道消防巡檢機(jī)器人運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)控制。因視頻傳輸電路通信鏈路與控制鏈路獨(dú)立，視頻傳輸延遲較大，同步問題突出，方案后期添加了加速度傳感器和超聲波測距傳感器，用于地下隧道消防巡檢機(jī)器人碰撞檢測，超聲波探障原理如圖7、圖8和圖9所示所示。 圖7 超聲波探障礙反射波接收 圖8 坑道障礙反射波接收 圖

15、8 墻體障礙反射波接收在實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)，為了適應(yīng)應(yīng)用環(huán)境的電磁干擾問題，系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，應(yīng)充分考慮提高系統(tǒng)抗干擾能力，從而避免在設(shè)計(jì)完成后再進(jìn)行抗干擾補(bǔ)救措施。系統(tǒng)抗干擾設(shè)計(jì)的基本原則是：抑制干擾源，切斷干擾傳播路徑，提高敏感器件的抗干擾性能。具體設(shè)計(jì)措施如下：1）對于各接口電路部分均采用了光耦隔離器件；2）對于模擬電路和數(shù)字電路部分均進(jìn)行了地隔離；3）對于電源部分，我們采用了幾組電源模塊，這樣就從源頭上進(jìn)行了隔離；4）進(jìn)行了良好的接地處理，也增強(qiáng)了系統(tǒng)的抗干擾能力和測量精度。核心電路系統(tǒng)框圖見圖9所示。 圖9 隧道消防巡檢機(jī)器人控制電路圖四、 地下隧道消防巡檢機(jī)器人軟件設(shè)計(jì)4.1地下隧道消防巡檢機(jī)器

16、人軟件設(shè)計(jì)原則如果說硬件電路設(shè)計(jì)是整個(gè)系統(tǒng)的基礎(chǔ)，那軟件設(shè)計(jì)則是整個(gè)控制系統(tǒng)的靈魂。本論文軟件采用模塊化設(shè)計(jì)思想，對各個(gè)模塊進(jìn)行分析，并給出具體流程圖。如何設(shè)計(jì)一套完整的、可靠的監(jiān)控與操作系統(tǒng)是變電站巡檢機(jī)器人能否正常工作的關(guān)鍵，在設(shè)計(jì)軟件過程中必須遵循以下原則：1）可靠性。系統(tǒng)功能模塊越多，本系統(tǒng)僅傳感器單元共有四類，涉及10余個(gè)傳感器，其可靠性越難保證。在設(shè)計(jì)整個(gè)系統(tǒng)的軟件時(shí)，必須保證系統(tǒng)的可靠性，盡可能避免一切故障，防止程序發(fā)生跑飛和死機(jī)的現(xiàn)象。2）可移植性。生命周期長、兼容性高。即使更改系統(tǒng)控制芯片，不需重新編寫代碼，可以提高代碼效率。3）可擴(kuò)展性。在功能上性能可靠、易于維護(hù)。在結(jié)構(gòu)上

17、備留相應(yīng)的接口，方便系統(tǒng)以后的升級和功能擴(kuò)展。如煙霧、氧氣、二氧化碳和可燃?xì)怏w傳感器可以選配設(shè)計(jì)。4.2地下隧道消防巡檢機(jī)器人程序結(jié)構(gòu)流程圖程序結(jié)構(gòu)流程圖重點(diǎn)對系統(tǒng)的四個(gè)主要程序結(jié)構(gòu)進(jìn)行了描述，分別為（1）程序主流程圖（圖 10）；（2）數(shù)據(jù)采集流程圖（圖11 ）；（3）數(shù)據(jù)處理流程圖（圖12 ）；（4）路徑處理流程圖（圖13 ）。 圖10 程序主流程圖圖11 數(shù)據(jù)采集流程圖圖12 數(shù)據(jù)處理流程圖圖13 探障與路徑處理流程圖地下隧道消防巡檢機(jī)器人系統(tǒng)報(bào)警系統(tǒng)按照傳感器類分為溫度監(jiān)測、危險(xiǎn)氣體檢測、路障探測和音視頻顯示等系統(tǒng)，以溫度監(jiān)測系統(tǒng)為例進(jìn)行闡述，如圖14所示。圖14 模擬溫度監(jiān)測系統(tǒng)界面

18、圖界面主要包含四個(gè)功能區(qū)：（1）左上模塊顯示列表區(qū)；（2）左下傳感器模塊顯示列表區(qū)；（3）消息命令發(fā)送按鈕區(qū)；（4）傳感器數(shù)據(jù)處理區(qū)。（1）左上模塊顯示列表區(qū)主要用來顯示溫度傳感器模ID、閥值、模塊參數(shù)修改。雙擊列表的某一項(xiàng)，它就彈出對應(yīng)模塊的參數(shù)對話框如下圖15。注意：模塊ID編號只能是四位，輸入多于四位，取前四位作為模塊的ID。圖15 模塊參數(shù)設(shè)定（2）左下模塊點(diǎn)顯示列表區(qū)主要用來顯示模塊點(diǎn)的ID、模塊點(diǎn)的閥值、修改點(diǎn)的閥值。雙擊列表的某一項(xiàng)，它就彈出對應(yīng)點(diǎn)修改的參數(shù)對話框如圖16。圖16 點(diǎn)閥值修改對話框（3）消息命令發(fā)送按鈕區(qū)主要用來發(fā)送各種消息命令。它分為主功能消息按鈕和次功能消息按

19、鈕。主功能消息按鈕就是發(fā)送主要消息的按鈕，次功能按鈕是主功能消息的一個(gè)子功能。主功能消息按鈕如圖17所示：圖17 主功能按鈕區(qū)主功能消息按鈕主要分為：參數(shù)設(shè)置、路徑繪制、監(jiān)控、數(shù)據(jù)分析、報(bào)警記錄、退出系統(tǒng)。參數(shù)設(shè)置主要用來對采集數(shù)據(jù)參數(shù)設(shè)定，有兩種參數(shù)設(shè)定方式：用戶和管理員，單擊參數(shù)設(shè)定彈出如下的兩種參數(shù)設(shè)置對話框，如圖18。 圖18 用戶參數(shù)設(shè)置 當(dāng)此對話框按確認(rèn)時(shí)，數(shù)據(jù)處理顯示區(qū)就會(huì)顯示相應(yīng)的查詢結(jié)果的圖形顯示（圖19）。圖19 查詢結(jié)果圖形顯示報(bào)警記錄主要用來查詢報(bào)警記錄，單擊它，首先彈出一個(gè)對話框（圖20），它包含記錄顯示，輸入查詢條件按鈕、查詢結(jié)果顯示按鈕、返回按鈕。當(dāng)單擊輸入查詢條件按鈕，彈出查詢條件輸入對話框，如圖21所示。單擊查詢結(jié)果顯示時(shí)，記錄顯示會(huì)根據(jù)查詢輸入的條件輸出相應(yīng)的結(jié)果，如圖22所示。返回按鈕是返回主界面程序。 圖20 報(bào)警記錄顯示對話框圖 圖21 查詢條件輸入對話框圖22 查詢結(jié)