基于Arduino的消防偵查小車設計

楊鎧睿 姜銳函 徐紅梅

摘要：針對發生火災或煤氣泄漏時因火勢兇猛或有毒氣體濃度過高導致救援人員不能及時進入現場的問題，設計一種基于Arduino單片機的偵查小車。小車能夠不受惡劣環境影響，通過自動循跡或遠程遙控的方法迅速進入現場，利用煙霧傳感器測量現場煙霧濃度，通過WiFi模塊將內部情況傳回控制端，為救援人員快速制定救援方案提供準確信息，在保障救援人員安全的同時提高救援效率。

關鍵詞：Arduino;WiFi模塊;紅外傳感器;煙霧傳感器

中圖分類號：TP319 文獻標識碼：A

隨著社會的高速發展，城市中火災頻繁發生，危害人民的生命財產安全，同時也給消防人員帶來了巨大的挑戰。發生火災時現場環境復雜，且存在大量燃燒產生的有毒氣體，對救援人員的人身安全造成威脅，影響救援效率。為此設計一款以Arduino單片機為核心的偵查小車，使其能夠進入存在較大危險的場景，實時探測內部情況并傳回控制端;同時設計一款控制界面，能夠通過WiFi連接遠程控制小車，確保偵查過程的可靠性。智能偵查小車為救援人員快速制定救援方案提供了準確信息，使得救援更具針對性，大大提高救援效率。

1偵查小車整體設計

小車由Arduino單片機、驅動模塊、循跡模塊、避障模塊、傳感器模塊、WiFi模塊、攝像模塊組成，具有自動避障、自動循跡、實時傳輸內部環境情況檢測氣體和煙霧濃度是否正常等功能。偵查小車系統總體框圖如圖1所示。

小車以Arduino單片機為核心，處理相關信息;以L293D芯片為驅動，控制小車的移動和轉向;通過紅外避障模塊檢測小車四周是否有障礙，紅外循跡模塊可以使小車沿著特定的路線前進;MQ-5煙霧傳感器，提供內部環境可燃氣體的濃度情況;云臺的攝像頭觀察火場四周環境;通過自主設計的上位機顯示內部氣體濃度情況和攝像頭拍攝到的畫面，并可以實現控制小車的運動以及云臺的方向;WiFi模塊實時進行上位機與單片機的信息交互;采用履帶行動，可以較好地適應各種地面，越過障礙物;外部罩有防火材料制作的外殼，可以保障內部器件的正常運作。

2偵查小車硬件部分設計

2.1驅動模塊

本文選擇Arduino單片機作為小車的核心處理器，因為Arduino編程的開發環境簡潔，庫函數豐富，易于使用。同時Arduino是開源硬件，便于功能的擴展，節約學習成本。

Arduino單片機的I/O端口驅動能力有限，為提高小車行進速度和在上坡等復雜地形有足夠動力，采用L293D作為驅動模塊來驅動電機，以PWM方式控制電機轉速從而控制小車行進方向和速度。

2.2紅外傳感器

避障模塊和循跡模塊采用紅外傳感器，原理圖如圖2所示，圖中A為紅外管，B為光敏三極管。該模塊有三個引腳，VCC接+5V電源，GND接電源負極，OUT為信號輸出端。在小車的前端安裝兩個朝向前方的紅外傳感器作為避障模塊，避障模塊的工作原理是：前方有障礙時，紅外管發出的紅外線被障礙反射，反射回的紅外線使光敏三極管導通，a點輸出電壓為低電平;當前方沒有障礙時紅外線不會反射，此時光敏三極管截止，a點輸出電壓為高電平，由此可以根據輸出電平判斷前方是否有障礙。

在小車的前端安裝兩個朝向地面的紅外傳感器作為循跡模塊，小車循跡的功能是在如圖3所示的黑色軌道上實現的。尋跡模塊的工作原理是：當小車在軌道上行駛時，紅外管發出的光被白色地面反射使光敏三極管導通，a點輸出電壓為低電平;當小車偏離軌道時，左側或右側的紅外管發出的紅外線被黑色軌跡吸收，導致光敏三極管截止，a點輸出電壓為高電平。單片機實時檢測兩個傳感器的輸出電壓，并根據輸出電壓調整小車運動方向。

2.3煙霧傳感器

小車采用MQ-5傳感器，主要檢測空氣中的液化氣、甲烷等可燃氣體含量。工作流程是將傳感器模擬信號進行A/D轉換，轉換為數字電壓信號，再通過WiFi傳輸至終端。為實現精準A/D轉換，根據如圖4所示MQ-5傳感器的靈敏度特性曲線，分析傳感器參數與氣體濃度的關系。圖中橫坐標為氣體濃度，縱坐標為傳感器在不同濃度氣體中的電阻值與傳感器在潔凈空氣中的電阻值之比。由圖可以看出，空氣中可燃氣體的濃度越高，傳感器的電導率越大。為實現電導與輸出電壓的轉換，設計如圖5所示電路，煙霧濃度發生變化時，輸出電壓Uo將隨傳感器的電導變化。

由于氣敏元件內阻很小，在剛接通時難以達到穩定狀態，所以在使用MQ-5模塊時，需預熱一段時間再開始測量，以減少誤差。

2.4WiFi模塊

WiFi模塊使用ESP8266芯片，因為ESP8266芯片高度集成，僅需極少的外部電路即可實現所需功能，從而減小小車體積。通過WiFi連接可以控制小車的行進，同時小車也能夠傳回現場的畫面和有毒氣體濃度。

3偵查小車軟件部分設計

利用Visual Basic軟件制作如圖6所示控制界面。

在控制界面可以切換小車的行進方式，有手動遙控和自動循跡兩種方式?？刂平缑嫔巷@示火場的實時煙霧濃度和攝像機拍攝的現場畫面，同時還可以遙控搭載攝像頭的云臺的角度，便于消防人員詳細觀察火場內部情況。

4總結

本文設計了一種基于Arduino單片機的消防偵查小車，裝載L239D驅動芯片、MQ-5煙霧傳感器以及ESP8266芯片，能夠通過WiFi遠程遙控小車進入火場，并且實時傳回現場畫面和煙霧濃度，必要時小車還可以利用紅外傳感器進行自動循跡避障。在一定程度上保障了消防人員的安全，同時提高了救援效率。