基于云构架无线智能消防小车的设计

何伟宏，郑首易，杨智棠，曹展豪，陈富豪

（1.中山大学南方学院，广州 510970；2.广东工业大学，广州 510463）

基于云构架无线智能消防小车的设计

何伟宏1，郑首易2，杨智棠1，曹展豪1，陈富豪1

（1.中山大学南方学院，广州 510970；2.广东工业大学，广州 510463）

针对重大型火灾中消防人员不方便进入火场进行准确地勘察和及时抢救灭火的问题，设计一种基于云构架的无线智能消防小车，利用火焰传感器探测火源，处理器输出PMW波控制直流电机对小车进行驱动，通过蓝牙通信技术远程遥控技术遥控小车到达起火点，检测并显示火场温度和烟雾浓度，探测火场环境，经过无线通信上传云端，通过云端判断是否执行灭火动作。最后，进行相关实验。结果表明，该方案的可行性；智能消防小车在各种环境中的有效通信距离大于20m；其为今后智能消防小车应提供必要的基础。

云架构；智能小车；无线通信；蓝牙技术

0 引言

智能小车在军事、工业制造、生活服务等行业广泛的应用，使得国内外许多科研机构开始关注智能小车自动控制领域[1]。智能小车能够利用传感器采集周围环境信息，具有感知周围作业环境功能，并具有一定的自适应能力，能够根据给定的指令完成与之相对应动作的综合体[2]。云计算[3]与物联网[4]各自具备很多优势，如果把云计算与物联网结合起来构造成物联网云[5]，我们可以看出，云计算其实就相当于一个人的大脑，而物联网就是其眼睛、鼻子、耳朵和四肢等；当嵌入式智能小车[6]与云计算、物联网融合起来，将具备人的部分功能。

该文模拟消防小车、探测小车设计的构建与基本模型。采用8位嵌入式[7]处理器作为控制核心，采用模块化的软硬件设计[8]，实现了火场环境侦查、数据云端接收显示、小车遥控三大功能。最后通过相关实验，验证该方案的可行性；并对小车在不同环境下的通信质量进行了实验与结果分析。结果表明，智能消防小车[9]在各种环境中的有效通信距离大于20m。其为今后智能消防小车应用于实际消防灭火提供了实施和设计上的准备。

1 总体设计方案

1.1 云架构设计

如图1所示本系统云架构[10]由三个部分组成：小车节点、云服务器[11]、用户端。小车作为动态节点是用来感知环境数据，小范围灭火功能，静态节点感知全局环境数据；云服务器接收到各个节点数据进行存储与处理数据，为用户提供预警；用户端一般由移动终端、显示屏组成，为用户提供直观的实时数据查询、预警信息显示，提供小车远程控制指令信息，达到远程消防监控制信息的实时交互。其中智能消防小车是本系统的基础。

1.2 小车总体设计

智能消防小车总体设计方案示意图如图2所示由移动端和下位机两部分组成，移动端用于遥控智能车和显示接收到的传感器信息，下位机用于采集传感器数据和实现无线数据传输和控制，包括电机驱动、温度传感器、蓝牙透传[12]三个模块。移动端和下位机独立工作，并实行无线双工通讯。用户在上位机可以通过发送数据实现遥控功能，通过接受数据实现探测功能。

图1 系统云架构示意图

图2 小车总体设计方案示意图

2 系统硬件设计

2.1 8位嵌入式处理器

小车的硬件电路以8位嵌入式处理器STC89C52RC为控制核心，具有8K字节RAM，32个I/O口，最高工作频率为35MHz[13]。具有丰富的中断资源，其中含有两个外部中断、两个定时器中断和一个串口中断，使用串口中断可以十分方便地接受到移动端的信号时，迅速做出响应。

8位嵌入式的最小系统由单片机以及复位电路和晶振电路等组成，复位电路为最小系统提供复位信号，在上电或者程序跑飞等情况下，通过复位电路复位系统。晶振电路为最小系统提供时钟信号。单片机的EA引脚接高电平，表示程序从内部ROM开始执行。8位嵌入式最小系统电路图3所示。

2.2 稳压电源模块

如图4所示该模块为各个模块提供工作电压，本设计采用AMS1117稳压芯片[14]为核心搭建稳压电路，在稳压芯片的输出端需要并联一个22uF的输出电容，在器材不足时，最小可以使用10uF的电容代替。在稳压芯片输入端可以考虑添加旁路电容，预防外围电路的噪声干扰被耦合进入电路。

图3 嵌入式处理器系统电路

图4 稳压电源模块电路

2.3 消防传感器连接

如表1所示本系统具有温度、火焰、声音等传感器，火焰传感器和声音传感器输出的信号为开关量，可以直接通过单片机的I/O口进行读操作，而温度传感器采用 DS18B20单总线数字温度计[15]，读取或写入DS18B20仅需要一根总线，要求外接一个约 4.7k Ω的上拉电阻，当总线闲置时，其状态为高电平。此外DS18B20是温度-电流传感器，对于提高系统抗干扰能力有很大的帮助。

表1 传感器

2.4 消防硬件设计

消防模块由L9110芯片电路驱动螺旋桨风扇，可轻松吹灭20cm内的火焰。L9110是为控制和驱动电机设计的两通道推挽式功率放大专用集成电器器件，将分离电路集成在单片IC中，使外围器件成本降低,整机可靠性提高，同时它具有较低的输出饱和压降；内置的反向冲击电流使它在直流电机的使用上安全可靠。

2.5 无线通信方案

无线通讯模块采用蓝牙转串口模块HC-05，可以将接收到的蓝牙数据转换为串口输出，也可以将接收到的串口数据转换为蓝牙数据输出，在本设计中利用该模块作为处理器与Android App沟通的“桥梁”十分符合需求。而且可以通过AT指令，将模块调整为与8位嵌入式处理器相同的波特率，并与8位嵌入式处理器的串口进行连接，这样便可以将处理器的串口数据以无线方式发送出去。

3 系统设计

3.1 移动端设计

移动端的Android App遥控器可以通过Android手机的蓝牙模块与下位机进行无线的数据传输。在蓝牙连接后，通过移动端界面上的按钮监听器，分别实现小车运动和打开灭火器等无线遥控操作。当监听到按键按下时，蓝牙遥控器发送数据启动相应的遥控功能，当监听到按键松开时，蓝牙遥控器发送数据停止相应的遥控功能。移动端的遥控功能算法见算法1所示的伪代码。

3.2 执行程序设计强。

4 测试结果

将小车置于室外（空旷）、室外（灌木丛）、室内（隔墙有障碍物）、室内（隔墙无障碍物）等四种环境进行多次测试，图2为有效通信距离测试的结果。可以得出，在空旷和室外环境下消防智能小车无线通信距离最大；在有障碍物的室内通信距离最小，约20m。

图4 小车系统通讯距离测试结果

核心处理器主要负责传感器数据的读取，以及和上位机的数据交互。在串口初始化完毕之后，将串口中断和总中断打开，进入程序循环部分，在循环部分负责采集传感器的数据，并将数据通过串口发送出去，这样便可以不断刷新上位机的数据。同时，在串口中断中接收到数据后，先储存好接收到的串口数据，再对该数据进行判断，接收到不同的数据应该做出相应的响应，实现小车运动、灭火等远程控制。具体伪代码见算法2，其中Ui为驱动风扇二元信号；t为温度，h为火焰；L为光

5 结语

本文介绍了一种基于云架构的无线智能消防小车的设计与实现。以8位嵌入式处理器为控制核心构建了基于云构建的智能消防小车。能较好的完成火场探测、蓝牙遥控、遥控灭火等功能，实现了火场环境侦查、数据云端接收预警的目标。由该智能消防小车作为一种无生命载体，可以在高温、有毒、缺氧和浓烟等各种危险复杂的环境行动，它不仅可以为消防人员提供有效的现场数据，为指挥员制定消防方案提供了依据，大大的减少人员的伤亡的概率，实用性较强，有着广泛的应用前景。

[1]冯华勇.基于智能小车的模糊寻迹控制[J].制造业自动化,2010,32(10)：49-51.

[2]余瑶,曾迪.基于模糊神经网络系统的智能小车避障[J].数字通信,2014,41(3)：84-85.

[3]XU Xun.From Cloud Computing to Cloud Manufacturing[J].Intenational Journal of Robotics and Computer Integrated Manufacturing, 2012,28：75-86

[4]Michael C,Markus I,Roger R.The Internet of Things[J].McKinsey Quarterly,2010(2)：1-9.

[5]苑敏.物联网与云计算的融合——物联网云的构建[J].中国新通信,2013,03：10-11.

[6]董宗祥,石红瑞,杨杰.嵌入式智能小车测控系统的设计与实现[J].计算机测量与控制,2010,18(2)：357-358.

[7]冉全,吕贇.轻量级GUI在8位嵌入式系统中的应用研究[J].微计算机信息,2008,11：19-20.

[8]衣静轩,樊同亮.基于单片机的智能防灾救灾车设计与实现[J].信息通信,2016,3：93-95.

[9]韩超,邹金慧.智能消防小车的设计[J].云南大学学报(自然科学版),2009,31(S2)：236-240.

[10]刘鹏,吴艳艳,孟炎.构建一个云架构的安全监控预警平台[J].网络安全技术与应用,2011,1：77-79.

[11]秦志光,吴世坤,熊虎.云存储服务中数据完整性审计方案综述[J].信息网络安全,2014,07：1-6.

[12]钱志鸿,刘丹.蓝牙技术数据传输综述[J].通信学报,2014,33(4)：143-151.

[13]颜增显,闫秀燕.基于单片机STC89C52智能小车设计[J].火力与指挥控制,2011,12：198-201.

[14]郑晓庆,杨日杰,杨立永,赵轩坤.多路输出DC－DC电路设计[J].国外电子测量技术,2012,31(9)：31-33.

[15]汤锴杰,栗灿,王迪,张琴.基于 DS18B20的数字式温度采集报警系统设计[J].传感器与微系统,2014,33(3)：99-102.

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

广东高校2015年重大项目青年创新人才类项目（自然科学类）（No.2015KQNCX228）

book=51,ebook=54

何伟宏（1988-），男，湖南郴州人，硕士，研究方向为嵌入式系统、物联网技术

郑首易（1993-），男，广西钦州人，在读硕士研究生，研究方向为物联网技术、智能控制与智能信息处理

杨智棠（1996-），男，广东陆丰人，在读本科生，研究方向为物联网技术、智能控制技术与无线通信技术

曹展豪（1996-），男，广东广州人，在读本科生，研究方向为物联网技术、智能控制技术与无线通信技术

陈富豪，男，广东阳江市人，在读本科生，研究方向为移动互联网、智能控制技术

2016-06-28

2016-07-10