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1、.地下隧道消防巡检机器人一、 绪论隧道包括公路、铁路、城市地铁隧道等，当隧道发生火灾时，由于隧道建筑结构复杂、空间环境相对封闭，隧道内的温度能很快达到1000左右，从而使混凝土失去应有的结合力产生爆裂，最终会一层一层地穿透整个隧道的混凝土拱顶结构。巡检是保证地下隧道环境消防安全性的主要手段之一，目前传统的地下隧道巡检手段，多依赖管理员巡视结合火灾自动探测系统探测实现。由于隧道内环境变化快，火灾自动探测系统存在漏报和误报等显现，人工巡检工作不可缺失。隧道火灾的早期预警和救援非常重要，但由于隧道路程长，封闭性强，结构复杂，无线通信效果差，一旦发生事故，讲对巡检人员的人身安全造成极大的威胁。同时人工
2、巡检受心理素质、业务水平和工作经验等因素影响，导致人工巡检效果存在劳动强度大、工作效率低、巡检质量不稳定和成本高等明显不足，因此，使用机器人替代人工成为隧道巡检自动化的研究方向之一。根据题目的要求，确定如下方案：在现有玩具电动车的基础上，加装温湿度、加速度、超声波传感器及危险品探测器，实现对电动车的速度、位置、运行状况的实时测量，并将传感数据数据传送至单片机进行处理，然后由单片机根据所检测的各种数据实现对巡检车的智能控制。这种方案能实现对电动车的运动状态进行实时控制，控制灵活、可靠，精度高，可满足对系统的各项要求。本设计采用MSP430F149单片机。以MSP430F149为控制核心，利用超声
3、波传感器检测道路上的障碍，控制电动小汽车的自动避障，捕获多种安全相关信息，并监控火灾的发生。MSP430系列单片机是TI公司的产品，它的快闪微控制器的功耗最低。MSP430F149是一款16位单片机，它的易用性和多功能性受到了广大使用者的好评，它是第三代单片机的代表。二、 地下隧道消防巡检机器人总体设计方案2.1 地下隧道消防巡检机器人系统组成地下隧道消防巡检机器人由传感器信息单元、运动控制单元和后场显示终端三部分组成。传感器信息单元具有传感器信息采集与传输功能，负责将各个检测传感器采集的信息打包，经过无线传输至后场显示终端；现实终端具有信息接收、信息处理、信息存储、信息上传、命令控制、操作输
4、入和图形显示等功能。传感器信息单元可灵活删减，操作简捷。运动控制单元主要用于巡检机器人运动控制，并具有控制音视频信息采集启动和关闭功能。后场显示终端具有现场信息采集、处理和存储功能，运动控制功能和现场音视频信息显示功能。系统组成如图1所示： 图1 地下隧道消防巡检机器人系统组成图2.2 传感器信息单元地下隧道消防巡检机器人涉及传感器类型和数量较多，系统检测可分为环境、音视频、危险气体和辅助等四大类信息，数量多达10余个，详细信息见表1。环境类信息包含温度、气压、湿度和烟感四种传感器，温度和烟感传感器用于周边环境火灾探测，气压传感器可检测环境气压变化，可以通过学习法进行高度测量，推估巡检机器人所
5、处的高度信息；音视频类信息包括自然光视频、红外视频和现场音频信息，自然光和红外视频信息实时传输巡检视频，采用独立传输方式，仅由运动控制单元进行开关控制；危险气体信息包括可燃气体、氧气和二氧化碳浓度信息，用于检测周边环境气体安全性，预测爆炸危险的可能性。表1 传感器信息单元参数表检测源传感器类型数量用途环境信息温度4个 探测环境温度信息气压1个 探测气压变化信息湿度1个 探测环境湿度信息 烟感 1个 探测环境烟雾信息音视频信息自然光1个捕获周边自然光视频信息红外 1个捕获红外自然光视频信息拾音器1个捕获现场声音信息 危险气体信息可燃气体 1个 获取现场可燃气体浓度信息氧气1个获取现场氧气浓度信息
6、 二氧化碳1个获取现场二氧化碳浓度信息辅助信息 超声波1个 探测行进障碍距离信息加速度1个探测巡检机构运动状态 图2 传感器信息单元结构图2.3 运动控制单元整个系统运动机构是在现有玩具电动车的基础上改造，即采用凌阳科技大学计划简易智能电动车和控制板改造。简易智能电动车自带80C51单片机进行智能控制。开始由手动启动小车，并复位，当经过规定的起始黑线，由超声波传感器和红外光电传感器检测，通过单片机控制小车开始记数显示并避障、调速；系统的自动避障功能通过超声波传感器正前方检测和红外光电传感器左右侧检测，由单片机控制实现；在电动车进驶过程中，采用双极式H型PWM脉宽调制技术，以提高系统的静动态性能
7、；采用动态共阴显示行驶时间和里程。系统原理图如图3所示。图3 简易智能电动车系统原理图运动控制单元MSP430F149与80C51单片机之间通过串口通信并结合驱动电路，控制H桥的工作进而控制电机的正反转，进而控制小车后轮正转、小车后轮反转、小车前轮左偏和小车前轮右偏，实现小车的前后左右四方向动作。 图4 简易智能电动车实物三、 地下隧道消防巡检机器人硬件设计由于采用现场具有智能控制运动机构改造，传感器信息单元和运动控制单元实际上可由一块电路板设计，主控单片机采用MSP430F149，它有6组I/O口，可以作为数据地址总线。这里，把P3口扩展为与蓝牙芯片CC2540相连的地址总线，P5口扩展为数
8、据和控制总线。P6口扩展为与传感器相连的数据总线。串口RXD和TXD组成与智能电动车80C51模块相连的数据总线，并且扩展了与各传感器相连的总线信号和一些模块的使能信号。3.1蓝牙模块CC2540 CC2540是一个超低消耗功率的真正系统单晶片，它整合了包含微控制器、主机端及应用程式在一个元件上。 CC2540结合一个优异的无线射频传送接收器及一个工业标准的加强型8051微控制器， 它包括连接类比及数位感应器的周边，内建可程式的快闪记忆体， 精确的无线射频讯号强度指示，全速USB 2.0界面，内建AES-128加密引擎。CC2540可让强固的主控或从属式节点以很低的成本建立起来，它具有很低的睡
9、眠模式功率消耗及不同工作模式间短暂的转换时间，适用于需要超低消耗功率的系统。数字信号存储在RAM（容量为32KB）中，供MSP430F149处理器调用和处理，MSP430F149将处理后的数据从编码接口输出到其他设备，信号发过程是信号收的逆过程，此外，还包括时钟和电源管理模块以及多个通用I/O口，供不同的外设使用。的主机接口可以提供双工的通用串口。CC2540 蓝牙低能耗片上系统的外围电路图和蓝牙模块图分别如图5和图6所示。 图5 外围电路图 图6 蓝牙模块图3.2 系统时钟设计本系统采用了2个时钟，MSP430F149的晶振电路主要提供给MSP430F149两个时钟源，这两个时钟分别供单片机
10、工作在待机低功耗模式和报警工作状态。个为3.6864MHz的高频时钟，用于报警状态下的信息高速处理，以及串口波特率时钟源。另个为32.768KHz的低频时钟，用于内部定时器的时钟源，并且同时提供给实时时钟模块作为基准时钟。当系统处于活动状态时，采用高频时钟作为主时钟，可以缩短消息处理时间，减小数据包的延时。单片机处理完消息后转入低功耗状态，高步时钟关闭，此时低频时钟仍旧工作，并且提供给定时器作为定时时钟源，以保证不会因为进入低功耗而且定时器停止。采用两个时钟协调工作可以使单片机的功耗降得更低，使单片机在绝大部分时间内均处于低功耗模式下，大大降低了单片机以及系统的功耗，加大了本系统在地下隧道巡检
11、独立供电应用时长。MSP430单片机使用3.3V电压供电，外接高速时钟（8MHz）和低速晶体（32.768KHz）以满足不同的功耗应用。单片机的P6.6和P6.7端口模拟I2C接口，连接湿度传感器HYT-271；P6端口连接数字温度传感器TSic-506F，用来采集数字量的温度信息；另外带有中断功能的P4.0和P4.1两个端口连接两个按键，通过按键可以模拟中断事件的发生来触发报警信息的发送。单片机其余的I/O口分别连接串口电平转换芯片MAX3232、时钟芯片DSl302、FLASH存储器、声光报警电路等；暂时未使用的I/O引脚通过扩展头引出，方便系统的功能扩展。MSP430单片机内部有上电探测
12、复位电路，可以在上电时产生一个POR信号使系统复位。本系统设计的复位电路可以实现系统掉电自动复位和手动复位两种功能，而且使上电复位更加可靠。由于MSP430单片机是低电平复位，所以在正常工作时需要将复位引脚通过上拉电阻R4上拉成高电平。电容C2是利用电容电压不能突变，硬件上电后形成一个较宽的低电平脉冲以保证有效复位，增加了上电复位的可靠性。电源稳定后要经过一定时间的延时，复位信号才被撤销，防止电源开关或电源插头分合过程中引起抖动而影响复位。当电源电压瞬间下降时，为了保证系统有效复位，增加二极管Dl保证电容迅速放电，产生低电平复位信号。当程序跑飞而看门狗又失效时可以通过按键KEY RST手动复位
13、。3.3 传感器信息单元设计MSP430F148芯片自带12位模数转换模块，通过其P6数据管脚复用可以直接最为A/D转换器模拟输入通道。由于传感器数量较多，在输入前通过多路开关芯片CD4051进行通道选择。其中湿度传感器输出为I2C接口数字信号，应用较为简洁。通过数据线、地址线和控制线与蓝牙芯片CC2540相连。其中双向的系统数据线用于在CC2540和微控制器间传递数据。系统地址总线的低8位用于解析到达CC2540的I/O、存储器空间和附属的BOOT PROM的传输路径。P4.0口连接可燃气体探测器、氧气、二氧化碳和烟雾传感器，以上传感器均自带AD转换电路，只需少需外围电路改造即可直接读数使用
14、，实际工作中四种传感器接口预留，受智能小车载重能力所限，仅选用烟雾传感器。P1口连接FLASH存储器AT45DB021，所有的编程操作都是针对于页的，擦除操作可以作用于芯片、扇区、块或页，该存储空间用于地下隧道消防巡检机器人存储数据使用。P2口用于运动驱动电路控制和与简易智能电动车自带80C51单片机通信使用，实现隧道消防巡检机器人运动机构控制。因视频传输电路通信链路与控制链路独立，视频传输延迟较大，同步问题突出，方案后期添加了加速度传感器和超声波测距传感器，用于地下隧道消防巡检机器人碰撞检测，超声波探障原理如图7、图8和图9所示所示。 图7 超声波探障碍反射波接收 图8 坑道障碍反射波接收
15、图8 墙体障碍反射波接收在实践中发现，为了适应应用环境的电磁干扰问题，系统设计中，应充分考虑提高系统抗干扰能力，从而避免在设计完成后再进行抗干扰补救措施。系统抗干扰设计的基本原则是：抑制干扰源，切断干扰传播路径，提高敏感器件的抗干扰性能。具体设计措施如下：1）对于各接口电路部分均采用了光耦隔离器件；2）对于模拟电路和数字电路部分均进行了地隔离；3）对于电源部分，我们采用了几组电源模块，这样就从源头上进行了隔离；4）进行了良好的接地处理，也增强了系统的抗干扰能力和测量精度。核心电路系统框图见图9所示。 图9 隧道消防巡检机器人控制电路图四、 地下隧道消防巡检机器人软件设计4.1地下隧道消防巡检机
16、器人软件设计原则如果说硬件电路设计是整个系统的基础，那软件设计则是整个控制系统的灵魂。本论文软件采用模块化设计思想，对各个模块进行分析，并给出具体流程图。如何设计一套完整的、可靠的监控与操作系统是变电站巡检机器人能否正常工作的关键，在设计软件过程中必须遵循以下原则：1）可靠性。系统功能模块越多，本系统仅传感器单元共有四类，涉及10余个传感器，其可靠性越难保证。在设计整个系统的软件时，必须保证系统的可靠性，尽可能避免一切故障，防止程序发生跑飞和死机的现象。2）可移植性。生命周期长、兼容性高。即使更改系统控制芯片，不需重新编写代码，可以提高代码效率。3）可扩展性。在功能上性能可靠、易于维护。在结构
17、上备留相应的接口，方便系统以后的升级和功能扩展。如烟雾、氧气、二氧化碳和可燃气体传感器可以选配设计。4.2地下隧道消防巡检机器人程序结构流程图程序结构流程图重点对系统的四个主要程序结构进行了描述，分别为（1）程序主流程图（图 10）；（2）数据采集流程图（图11 ）；（3）数据处理流程图（图12 ）；（4）路径处理流程图（图13 ）。 图10 程序主流程图图11 数据采集流程图图12 数据处理流程图图13 探障与路径处理流程图地下隧道消防巡检机器人系统报警系统按照传感器类分为温度监测、危险气体检测、路障探测和音视频显示等系统，以温度监测系统为例进行阐述，如图14所示。图14 模拟温度监测系统界
18、面图界面主要包含四个功能区：（1）左上模块显示列表区；（2）左下传感器模块显示列表区；（3）消息命令发送按钮区；（4）传感器数据处理区。（1）左上模块显示列表区主要用来显示温度传感器模ID、阀值、模块参数修改。双击列表的某一项，它就弹出对应模块的参数对话框如下图15。注意：模块ID编号只能是四位，输入多于四位，取前四位作为模块的ID。图15 模块参数设定（2）左下模块点显示列表区主要用来显示模块点的ID、模块点的阀值、修改点的阀值。双击列表的某一项，它就弹出对应点修改的参数对话框如图16。图16 点阀值修改对话框（3）消息命令发送按钮区主要用来发送各种消息命令。它分为主功能消息按钮和次功能消息
19、按钮。主功能消息按钮就是发送主要消息的按钮，次功能按钮是主功能消息的一个子功能。主功能消息按钮如图17所示：图17 主功能按钮区主功能消息按钮主要分为：参数设置、路径绘制、监控、数据分析、报警记录、退出系统。参数设置主要用来对采集数据参数设定，有两种参数设定方式：用户和管理员，单击参数设定弹出如下的两种参数设置对话框，如图18。 图18 用户参数设置 当此对话框按确认时，数据处理显示区就会显示相应的查询结果的图形显示（图19）。图19 查询结果图形显示报警记录主要用来查询报警记录，单击它，首先弹出一个对话框（图20），它包含记录显示，输入查询条件按钮、查询结果显示按钮、返回按钮。当单击输入查询
20、条件按钮，弹出查询条件输入对话框，如图21所示。单击查询结果显示时，记录显示会根据查询输入的条件输出相应的结果，如图22所示。返回按钮是返回主界面程序。 图20 报警记录显示对话框图 图21 查询条件输入对话框图22 查询结果显示五、 总结与展望 通过本项目的实施，本人熟悉了多款MCU单片机芯片、电路原理图和PCB图的绘制方法、多种传感器的使用方法和蓝牙通信协议。借助现有智能小车运动机构，基本完成地下隧道消防巡检机器人方案，并编写了上层应用程序，对单片机嵌入式系统设计有了更深入的理解。但由于本人水平所限，本论文在研发后期发现如下问题：1） RS232通信抗扰能力差系统蓝牙打开后MSP430F1
21、49和80C51之间串口通信受到明显的干扰，采取调整蓝牙模块与串口之间的位置，加大二者之间的距离，同时对串口通信外围电路进行了重新设计，加强滤波电容布置，具体电路图如图23所示。 图23串口电路设计2）气压传感器零漂和误差问题没有有效克服方案设计初期采用了气压传感器MS5611-BA3，它提供SPI接口和I2C总线两种接口。10cm的高分辨率使得它更适合于高度测量和气压测量。该传感器在测量气压的同时具有温度测量的功能。通讯协议简单，不需要装置内部编程存储器。小尺寸，便于集成应用。添加气压传感器目的是为了方便估算隧道消防巡检机器人高度估算，但在实际应用中发现，仅仅通过气压传感器很难估算实际高度，每日气压均有不同，使用时须记录初始值作为相对高度的起点，加之隧道内气压变化因素加大，导致误差较大。通过本项目的实施，本人对单片机嵌入式系统设计有了浓厚的兴趣，本人会在以后的时间内加强相关知识学习，继续完善地下隧道消防巡检机器人设计，争取早日把地下隧道消防巡检机器人做到实用的水平，同时感谢老师的指导和同学们的帮助！: