基于嵌入式控制器的智能多模消防水炮控制系統(tǒng)設(shè)計

徐 健，楊亞琴，查 兵

（1.九江職業(yè)技術(shù)學(xué)院，九江 332007；2.九江學(xué)院，九江 332005）

0 引言

近年來，隨著城市化進(jìn)程的飛速發(fā)展，城市建筑物呈現(xiàn)出高層化、密集化、多樣化等特點，直接導(dǎo)致了消防工作危險性和難度不斷加大。如何能夠快速有效的執(zhí)行消防救援同時保障消防人員安全顯得尤為重要，在眾多消防裝備中流量大、射程遠(yuǎn)的消防水炮已成為一種撲救大型及危險火災(zāi)的重要滅火裝備。傳統(tǒng)消防水炮分為手動和電動控制兩種模式，為了適應(yīng)不同的環(huán)境需要，通常將兩種模式結(jié)合，設(shè)置模式切換功能。

本文介紹的智能多模消防水炮采用電動控制，同時具備面板按鍵線控和遠(yuǎn)距離遙控模式，能夠適應(yīng)多種應(yīng)用場合。可實現(xiàn)消防水炮噴射方向的全方位調(diào)整以及水流噴射模式的切換(直流/噴霧)，具備多角度智能自擺，能根據(jù)實際情況設(shè)定水炮自擺角度范圍，實現(xiàn)自動作業(yè)。較之常見的水力自擺式消防水炮，具備體積重量小，自擺角度多級可調(diào)，受水流影響小，精度較高，安全可靠，適應(yīng)范圍廣等優(yōu)點。能夠大為簡化消防人員的操作，有效提高消防滅火工作效率，同時保障安全。

1 水炮控制系統(tǒng)的整體硬件設(shè)計

控制系統(tǒng)是消防水炮的重要組成部分，由驅(qū)動模塊、方向定位模塊、變流模塊，液晶顯示模塊、上/下位機(jī)控制電路等構(gòu)成。

驅(qū)動模塊主要是為方向定位、變流模塊提供動力，考慮到本設(shè)備經(jīng)常應(yīng)用在消防車輛上，故選擇直流電機(jī)驅(qū)動。方向定位模塊由水平定位裝置和垂直定位裝置配合完成，由兩個定位系統(tǒng)的直流電機(jī)驅(qū)動。當(dāng)需要對水炮炮口的指向進(jìn)行定位的時候，分別控制水平和垂直兩部分定位系統(tǒng)，調(diào)整水炮的水平和垂直方位，完成水炮的空間定位。變流模塊由一獨立直流電機(jī)控制，當(dāng)需要變換水炮的噴水模式時，電機(jī)帶動變流裝置，實現(xiàn)水流噴射模式的切換：直流或噴霧模式。液晶顯示模塊實現(xiàn)電源狀態(tài)、電池電量、工作狀態(tài)和自擺角度等信號的顯示。

綜合考慮各種控制形式的優(yōu)缺點，結(jié)合消防現(xiàn)場的實際情況，智能多模消防水炮的控制系統(tǒng)采用基于LPC2131 ARM處理器為核心的兩級分布式控制的方法，上下位機(jī)之間通過無線系統(tǒng)傳遞命令，即下位機(jī)按照上位機(jī)發(fā)出的指令驅(qū)動相應(yīng)的模塊實現(xiàn)動作。

在本控制系統(tǒng)中，上位機(jī)和下位機(jī)都是基于ARM控制模塊而設(shè)計的，ARM控制模塊以LPC2131處理器為核心，為其他模塊提供控制信號，完成方向定位、變流、自擺角度控制等操作。上位機(jī)是以LPC2131處理器為核心的遙控器系統(tǒng)，主要由ARM控制模塊、鍵盤模塊以及無線發(fā)射模塊構(gòu)成，其作用是通過各功能鍵向下位機(jī)發(fā)送指令，實現(xiàn)對遙控消防水炮的直流電機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)距離控制。下位機(jī)安裝于水炮附近，內(nèi)部集成有三個直流電機(jī)(兩個定位系統(tǒng)電機(jī)，一個變流系統(tǒng)電機(jī))的驅(qū)動電路、直流電源接口和控制電路。下位機(jī)控制電路由ARM控制模塊、無線接收模塊、電機(jī)驅(qū)動模塊組成，其作用是根據(jù)上位機(jī)傳送的參數(shù)和指令進(jìn)行動作，控制兩個定位電機(jī)和一個變流電機(jī)，進(jìn)行炮口的空間定位和水流噴射模式的切換。圖1為消防水炮控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)。

圖1 消防水炮控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

2 控制系統(tǒng)的多模實現(xiàn)

消防水炮控制系統(tǒng)具有三種控制模式：手動、按鍵線控和無線遙控。后兩種控制形式為并行運行模式，無線遙控信號與按鍵信號一致，均可實現(xiàn)控制消防水炮的上下、左右和前后（直流/噴霧）的運行狀態(tài)。控制系統(tǒng)根據(jù)按鍵或者遙控信號分別驅(qū)動水平、垂直和前后這三組電機(jī)，做出相應(yīng)的控制動作，使消防水炮按要求運行。

無線遙控部分考慮到實際火災(zāi)現(xiàn)場環(huán)境較為惡劣，在設(shè)計中應(yīng)充分考慮其抗干擾能力和傳輸距離等參數(shù)，綜合各項因素后決定采用射頻通信。在相同的電壓條件下，無線電的頻率越高，其傳輸?shù)木嚯x也越遠(yuǎn)，抗干擾能力也越強(qiáng)；同樣，發(fā)射功率越大，其抗干擾能力和傳輸距離也會相應(yīng)增強(qiáng)。在調(diào)制方式方面，干擾一般是影響信號的幅度，而對其頻率基本無影響，因此移頻鍵控(FSK)較振幅鍵控(ASK)具有較好的抗干擾性能力和電聲指標(biāo)。

且實際消防作業(yè)中的控制距離一般均在200m范圍內(nèi)，因此本設(shè)計中無線遙控方案采用FSK調(diào)制方式下的TDA5101/TDA5211的發(fā)送/接收模塊。其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

3 控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計

圖2 無線遙控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

整個控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計主要包括兩大部分：上位機(jī)控制系統(tǒng)程序模塊和下位機(jī)控制系統(tǒng)程序模塊。上位機(jī)程序模塊主要用于進(jìn)行鍵盤按鍵的連續(xù)掃描，確認(rèn)鍵值后通過無線發(fā)射模塊TDA5101向下位機(jī)發(fā)送控制指令，下位機(jī)程序模塊通過無線接收模塊TDA5211接收上位機(jī)發(fā)送來的指令，調(diào)用相應(yīng)的直流電機(jī)控制子程序，對水炮系統(tǒng)的各驅(qū)動電機(jī)進(jìn)行綜合控制。

整個軟件部分采用動態(tài)分時掃描的執(zhí)行原則，按鍵或遙控信號的掃描每50ms執(zhí)行1次, 判斷是否有新的信號出現(xiàn)。當(dāng)出現(xiàn)新的控制信號時執(zhí)行相應(yīng)的運動，出現(xiàn)限位信號時執(zhí)行相應(yīng)的停止控制。當(dāng)按鍵或遙控信號為自擺時，水炮在水平方向以限位開關(guān)為中點按照一定的角度擺動，自擺分為3個檔位，在自擺過程中能夠同時響應(yīng)垂直和前后的控制信號。控制系統(tǒng)軟件流程如圖3所示。

圖3 控制系統(tǒng)軟件流程圖

4 整合調(diào)試

在系統(tǒng)測試過程中，針對自擺過程中的角度限位問題，設(shè)計初期采用建立轉(zhuǎn)速-時間表，通過查表來控制角度，其精度較差且在實際工作時電機(jī)轉(zhuǎn)速會在一定區(qū)間變化，造成誤差較大，影響實際操作效果。后期采用分布式光電傳感器來控制角度限位，較好解決了該問題。同時，根據(jù)實際消防救援的特點和需要，將線控按鍵掃描和遙控按鍵掃描優(yōu)先級進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，使按鍵線控模式優(yōu)先，保障了操作的合理性和便利性。

通過對控制系統(tǒng)的軟硬件進(jìn)行整合調(diào)試，智能多模消防水炮控制系統(tǒng)在按鍵線控模式和無線遙控模式下各模塊均能夠即時響應(yīng)各類按鍵控制信號，遙控模式下最大控制距離達(dá)到200m以上，水炮的各功能部件工作正常，滿足設(shè)計要求。

5 結(jié)束語

與傳統(tǒng)手動/電動控制消防水炮相比，本文所設(shè)計的智能多模消防水炮不僅具有手動、按鍵線控和無線遙控3種控制模式，同時具備多角度自擺功能，較好的滿足了不同情況下消防救援的需要。多種模式確保了該消防水炮具有高效、安全可靠、自動化水平高和減少操作人員操作強(qiáng)度等性能，能夠在有效消滅火災(zāi)的同時保護(hù)消防救援人員的人身安全。

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