音樂煙花噴泉智能控制系統設計

王彬 吳明暉 周圍

摘? 要： 我國是煙花生產和消費大國，傳統煙花的主要成分是黑色火藥，在生產、運輸、儲存和燃放過程中危險性大，爆炸事故頻發，給社會造成很大的損失;同時傳統煙花燃放時效果單一，不能滿足特點場合的需求。金屬粉末在一定物理環境下可以實現燃燒，并可產生絢麗的色彩，如果以金屬粉末替代目前傳統的火藥作為煙花的燃放材料，通過可控的噴射裝置形成音樂煙花噴泉效果，具有不可估量的社會意義和廣闊的市場前景。但要實現金屬粉末的噴泉燃放，需要針對金屬粉末的燃燒控制方法、噴射裝備控制、音頻采集等技術開展理論和實驗研究。本文主要在燃放設備的新型機構、音頻采集、煙花機聯機智能控制等方面進行了探索和實驗研究。為煙花機的智能燃放提供控制基礎。

關鍵詞： 音頻采集;DMA傳輸;STM32F407微控制器;煙花噴泉

中圖分類號： TP353;TP368 ???文獻標識碼： B??? DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2020.07.040

本文著錄格式：王彬，吳明暉，周圍. 音樂煙花噴泉智能控制系統設計[J]. 軟件，2020，41（07）：197-200

Design of Intelligent Control System for Music Fireworks Fountain

WANG Bin¹， WU Ming-hui¹， ZHOU Wei²

（School of Mechanical and Vehicle Engineering， School of Shanghai University of Engineering Sciences， Shanghai 201611， China;2. Military Representative Office of the Army Equipment Department in Xiangtan District，Xiangtan City， Hunan Province 411100， China）

【Abstract】： China is a big country in the production and consumption of fireworks. The main component of traditional fireworks is black powder， which is dangerous during production， transportation， storage and discharge， and frequent explosion accidents cause great losses to the society. At the same time， the effect of traditional fireworks when they are discharged Single， can not meet the needs of characteristic occasions. Metal powder can be burned in a certain physical environment， and it can produce gorgeous colors. If metal powder is used to replace the current traditional gunpowder as a fireworks display material， the effect of music fireworks fountains can be formed by a controllable spray device. Significance and broad market prospects. However， in order to realize the fountain discharge of metal powder， theoretical and experimental research needs to be carried out on metal powder combustion control methods， injection equipment control， audio acquisition and other technologies. This paper mainly explores and experimentally studies the new mechanism of the discharge equipment， audio acquisition， and online intelligent control of the fireworks machine. Provide a control basis for the intelligent firing of firework machines.

【Key words】： Audio acquisition; DMA transmission; STM32F407 microcontroller; Fireworks fountain

0? 引言

“人間巧藝奪天工，煉藥燃燈清晝同。”這是元朝詞人趙孟頫的千古名詩《贈放煙火者》中描寫燃放煙花的熱鬧場景。煙花是燦爛的，它像一個不可思議的戲法師，把化學成分變換成五彩繽紛的火焰，給暗沉的天空繡上了一朵朵絢麗的花，為我們帶來勃勃生機。

放煙花是我國古老的民俗活動，早在唐代詩人蘇味道的《正月十五日》里就有記載：“火樹銀花”，宋代有“火藥什戲”，明代有“木架煙花”^[1]。煙花主要由火藥、效果藥、氧化劑和可燃劑等成分組成。通過效果藥在化學反應中產生出的聲、光、焰色、煙霧等煙火效應，讓人們得到“美”的享受。但煙花并不是完美無暇的，目前市面上主流煙花產品點燃后會產生NO_X、SO₂等污染環境的有害氣體，根據相關文獻^[2-3]調研，在燃放煙花的節日期間，空氣質量明顯下降，空氣中的有毒有害氣體濃度大幅提高。同時，由于火藥的存在煙花在生產、運輸過程中都有高危險性，煙花爆炸傷人的事件時有發生。此外傳統的煙花只能實現一定時間、一定高度的燃放，這在某些表演場合往往達不到使用需求。

因此本文以金屬粉末替代傳統的火藥作為煙花的燃放材料，設計了一種無火藥煙花機，并對煙花控制系統進行了研究。控制系統是集無線通信技術、電機驅動、音頻處理和多傳感器技術的復雜系統集成，是實現煙花音樂噴泉燃放的關鍵，也是實現無火藥燃放的難點所在。

1 ?煙花機工作原理

以研究煙花無火藥燃放為目標，設計了煙花機總體機械結構，機械結構主要包括可變溫的螺桿輸送裝置以及煙花噴射裝置。機械結構如圖1所示。

首先要將金屬粉末放置在送料口中，金屬耗材靠重力自然下降進入送料螺桿，送料螺桿通過傳動鏈條由送料電機帶動旋轉，根據螺旋輸送原理，金屬耗材將被逐漸送入到加熱管;然后在加熱輸送管中，控制系統會根據耗材的不同特性將耗材加熱到設定溫度（此時的耗材隔絕緣氧氣不會燃燒）;最后耗材繼續螺旋輸送到達出風口，伴隨著離心風機吹出的高速氣流耗材向上運動，與氧氣作用燃燒，產生煙花的效果。

要實現煙花耗材的穩定輸送、均勻加熱、飽滿燃放，這離不開智能控制系統，智能控制系統包括無線通訊、音頻采集、上位機控制以及下位機控制四部分。

2 ?煙花機無線控制

無線控制采用了較為成熟的2.4G無線通訊技術。應用了一款工作于2.4 GHz頻段、2 Mbps高速率、低功耗的收發芯片（nRF24L01），該芯片抗干擾能力強，適合工作于電磁環境較為復雜的控制場合。nRF24L01共有三種工作模式，在控制當中我們選擇nRF24L01工作在Enhanced ShockBurstTM模式^[4]，這種收發模式下，nRF24L01會自動處理字頭和CRC校驗碼。煙花機的遠程控制由圖2的遙控終端實現。遙控終端采用STM32開發，其功能一方面是可以與上位機通訊，將上位機的信息以無線的形式傳輸給各臺煙花機;另一方面遙控終端本身也可以遙控煙花機，其內部裝有3.7 V的鋰電池，可獨立供電。遙控終端提高了煙花機控制的便捷性與多樣性。終端會接收各煙花機的數據，一一顯示他們的溫度數據、狀態準備數據（如圖中OLED顯示），并通過運算處理控制各個煙花機的工作狀態。在溫度或狀態異常的情況下，監控終端會迅速報警。整個控制單元實現了對各煙花機的實時控制與數據傳輸。

3 ?音頻采集模塊

煙花噴泉可以根據音樂節奏改變燃放效果。噴泉兼備聲、光、色、形，可激發人們的歡快、愉悅的情緒，并從煙花噴泉中獲得美的享受。煙花噴泉控制難點在于音樂節奏采集，這里主要由音樂提取模塊來完成。

音樂采集模塊主要集成在圖2的遠程遙控終端中，采用的是慧凈電子生產的聲音傳感器模塊，如圖3所示。該模塊集成了鉭電容、高靈敏度咪頭以及可調節放大音頻倍數的運放，可將采集到的音樂信號進行濾波，放大一定的倍數并轉換成模擬量，然后由單片機AD采樣。

要實現良好的音樂噴泉效果，需要對音頻采集速度進行優化，主要方式是提高AD采樣速度。因此控制單元調用了STM32單片機中的DMA外設（Direct Memory Access直接存儲訪問）。DMA是一種CPU不參與傳送的操作，完全由硬件執行數據交換的工作方式。省去了CPU取指令、取數據、送數據等操作。DMA傳輸方式能滿足高速I/O設備的要求，也有利于CPU效率的發揮。DMA為采樣頻率高、連續輸出數據的AD采集提供了更高效的方法，DMA數據傳輸的功能框圖如圖4所示。在傳輸完成后，通過USB總線發送到上位機。

4 ?上位機軟件設計

上位機開發基于LabVIEW（Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench）。LabVIEW的數據采集和儀器控制兩大基本功能是其核心技術，是目前發展最快、功能最強大的圖形化軟件開發集成環境^[5]。

上位機的主要作用是：對音樂采集模塊采集到的信號進行濾波處理，并將音樂頻率轉換成相關控制指令。上位機軟件系統采用模塊化編程思想，可分為：音樂數據采集模塊、數據濾波預處理模塊、音樂頻率圖形顯示模塊、主控制模塊、數據存儲模塊等，各功能模塊結構如圖5所示。

煙花機的上位機界面如圖6所示。上位機界面是方便人機交互的界面，根據功能主要分為端口號選擇、煙花機高度控制模塊、音樂控制模塊和圖形顯示模塊。端口號選擇為上位機與遙控終端通訊提供了橋梁，高度控制模塊主要是在非音樂噴泉情況下使用，包含燃放參數設置、參與燃放的機器勾選以及溫度實時顯示;音樂控制模塊包含音樂數據采集按鍵、聲音底噪濾波處理、音頻信號幅值調整;圖形顯示模塊主要為濾波后的音樂節奏顯示。

整個煙花機的音樂噴泉燃放控制結構如圖7所示，先由音樂提取模塊對環境中的聲音進行采集，然后經過上位機的決策與協調控制單元的處理，將一定指令的信息發送給煙花機。在燃放過程中，煙花機噴射風機的轉速、加熱溫度和輸送電機轉速始終由上位機來設定，直至噴泉燃放任務結束。

5 ?下位機軟件設計

煙花機的下位機軟件流程如圖8所示。當煙花機啟動，無線模塊會等待無線指令傳輸。一旦煙花機接收到指令，主控板上的STM32單片機會對指令進行解析，并執行相關代碼。

6 ?實驗與結論

本文錄制了一段播放音樂中的煙花燃放視頻，由于不能視頻播放，筆者截取了在緩和、歡快以及高亢音樂節奏下的煙花燃放高度，不同音樂節奏下的煙花效果如圖9所示。視頻表明智能系統控制響應迅速，煙花噴泉符合音樂節奏變化。

本文完成了智能化的控制系統的設計，對控制系統的軟件結構做了詳細的設計，提高了燃放效果。對音頻提取和2.4G無線遙控終端的設計展開分析，介紹了各模塊的功能。軟件部分基于嵌入式C語言和LabVIEW設計，煙花機主控板和遠程終端遙控系統采用嵌入式C語言編程，通過試驗調試，實現了兩者之間的數據交換和相關模塊的遠程無線控制。上位機基于LabVIEW設計，實現了音樂噴泉效果。總體來說，煙花機各控制部分可以穩定運行，滿足設計要求。

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