CN108922304A - 一种多人灭火训练使用的仿真火焰交互装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多人灭火训练使用的仿真火焰交互装置，将显像板设置在壳体内部；显像板、显像模块、音效模块、控制模块均进行电性连接；控制模块通过与环境信号接收模块、光频信号接收模块及炎光控制模块之间的电性连接；环境信号接收模块、光频信号接收模块输出电信号给予控制模块；控制模块通过电性连接控制显像模块；显像模块电性连接显像板并输出；控制模块电性连接驱动电路模块，运动模块；驱动电路模块驱动运动模块；控制模块电性连接音效模块；音效模块与音效放音模块、交互语音逻辑电性连接；采用了内投影式火焰仿真技术，具有仿真火焰流畅、能耗极低；功耗小和静音功能的特征。

Description

一种多人灭火训练使用的仿真火焰交互装置

技术领域

本发明涉及消防安全训练装置，尤其涉及一种多人灭火训练使用的仿真火焰交互装置。所涉及的是应用于消防安全训练以及消防科普教学中所用到的仿真火焰交互装置。特别是涉及到其可通过串联信号的方式组成理论上的无限量台数菊花链式的大型火场仿真，以供受训群体进行大型的多人配合消防训练以及科普活动中多人同时进行交互灭火学习。同时，本发明专利还涉及到一项火焰仿真技术，首次在消防虚拟训练中的应用。

背景技术

目前，由于社会对于减灾防灾的社会需求，造成了虚拟消防训练和科普的实际需求，从而延伸出虚拟消防灭火训练器，虚拟消防灭火训练器的主体是虚拟仿真火焰交互装置，一般基本分为三个部分：火焰仿真部分、交互接收处理部分和运输箱体，按照其主体火焰仿真部分分类在本技术领域中主要有三种

1、气流仿真火焰：此技术旨在利用气流的流动，带动轻质材料做无序运动，仿真火焰的燃烧动作，配合红色和黄色灯光照射在材料上，形成漫反射，仿真火焰的色彩。此类仿真火焰的主要部件就是鼓风机，目前市场上主要有风轮式贯通风机和增压式涵道风机两种为主要设备，配合大功率彩色LED透镜组合作为火焰色彩，片状或者桶状白色或者红色轻质绢绸作为火焰仿真体。形成宽度在500-1200mm宽幅的仿真火焰交互装置。

a)优点：具有交互真实感，火焰运动形态最为真实，比较适合空旷的室内进行训练；

b)缺点：风机噪音过大，受环境影响较大，尤其强光和有风的环境中，无法使用。由于风机电机耗电量较大(我们的前一代产品的功耗为750W)，即使配置了大功率电瓶(锂电池配置价格非常高)，使用的时间也是有限的，一般不超过一个小时。

2、屏幕仿真火焰：此技术旨在利用液晶屏显示，通过模型动画进行火焰仿真，其主要的火焰仿真设备为电脑主机和较大的液晶显示屏幕，接受部分与屏幕进行分体装配。

a)优点：适用于较小的室内进行科普使用，固定后维护比较简单；

b)缺点：由于其火焰的仿真是靠模型动画生成的，具有不可避免的循环播放状态，造成火焰仿真度较差，有些产品甚至会有火焰卡动的现象，体验感极差。由于屏幕加主机的结构造成此技术主要只能用于固定的室内。由于屏幕和交互传感器的限制，在强光环境下，容易失灵，无法正常使用。这种技术由于用电量较大(1000W左右)，很难支持移动式应用。

3、LED显收一体化仿真火焰：由LED显示点阵和底部的接收传感器形成一体化显收装置，通过LED显像由仿真火焰算法生成的火焰点阵。由于LED点阵的计算量较小，所以不需要PC机渲染，只需要ESP32单片机即可进行仿真。这样既降低了设备成本，又可以借助LED的高亮度，有效的抗光，能够在有遮挡的户外进行交互训练。

a)优点：一体化设备，便于移动和进行户外体验。由于使用了单片机控制，使得开机和关机时有较快的速度，并且硬件的成本较低，与LED的较高成本形成互补，总体没有增加过高的硬件成本，而解决了前两项技术中的低抗光性。

b)缺点：由于使用的是间距较大的LED点阵(LED点阵间距越小，LED的密度就越大，价格成指数级增加)，形成的仿真火焰较为不真实。同时由于适应于户外环境中的LED本身的功耗相对较大(常用尺寸功耗为150-250W，尚低于前两个技术的实际功耗，与本专利中的技术相比而言)，制约了其便携移动性和户外体验场所。

以上的火焰仿真装置，都没有级联技术的支持，只能面向单人进行训练交互，不支持多人以团队方式进行训练交互。据网络搜索，国内外尚无发现有可级联组合的供多人进行配合灭火体验训练的相类似技术和产品。

发明内容

本发明的目的是根据上述现有技术的不足之处，本发明目的实现一种多人灭火训练使用的仿真火焰交互装置，其特征在于，包括壳体、显像板、显像模块、音效模块、控制模块、驱动电路模块，运动模块、音效放音模块、交互语音；所述的显像板设置在壳体内部；所述的显像板、显像模块、音效模块、控制模块均进行电性连接；所述的控制模块通过与环境信号接收模块、光频信号接收模块及炎光控制模块之间的电性连接；所述的环境信号接收模块、光频信号接收模块输出电信号给予所述的控制模块；所述的控制模块通过电性连接控制所述的显像模块；所述的显像模块电性连接显像板并输出；所述的控制模块电性连接驱动电路模块，运动模块；所述的驱动电路模块驱动运动模块；所述的控制模块电性连接音效模块；所述的音效模块与音效放音模块、交互语音逻辑电性连接。

进一步，所述的控制模块还包括控制芯片；控制芯片的PWM9输入端与所述的环境信号接收模块的DT端连接；控制芯片的PWM10输入端与所述的环境信号接收模块的DT端连接CR端连接，控制芯片的IN1端与环境信号传感器的OUT端相连接；控制芯片的D10～D17输出端连接控制继电器的IN端；控制继电器的输出端NO端连接炎光发生装置；控制芯片的模拟输出端A0～A7连接光敏二极管；控制芯片的输出端PWM0端与步进电机的PWM端相连接；控制芯片的输出端GND端与步进电机的F00端相连接；控制芯片RX、TX端分别与TF卡RX、TX端相连接。

进一步，所述的音效放音模块还包括二级功放，二级功放的R-IN端与TF卡的DACR端相连；二级功放的L-IN端与TF卡的DACL端相连；所述的二级功放的的输出端R+、R-分别与第一音效喇叭相连接；所述的二级功放的的输出端L+、L-分别与第二音效喇叭相连接。

进一步，所述的运动模块还包括火焰运动仿真装置、步进电机；在步进电机上设置一传动轴；传动轴的一端连接步进电机，传动轴的另一端设置在所述的壳体的右侧边缘上；在传动轴上设置若干个火焰运动仿真装置；火焰运动仿真装置还包括了若干个扇形叶片；且叶片上下对称。

进一步，所述的显像模块还包括仿真焰心显像材料；在所述的显像板的外侧设置仿真焰心显像材料，用于显示仿真火焰。

进一步，所述的控制模块还包括光频信号接收模块，光频信号接收模1与总线通讯信号电性连接；1-N个总线通讯信号用于1-N个多人灭火训练使用的仿真火焰交互装置进行串联；第一个多人灭火训练使用的仿真火焰交互装置的控制芯片的A0状态输出，A7状态输出连接第一个总线通讯信号；第一个总线通讯信号串联第N个多人灭火训练使用的仿真火焰交互装置；第一个多人灭火训练使用的仿真火焰交互装置的控制芯片的D10状态系数输入；D17状态系数输入连接第N个总线通讯信号。

进一步，所述的控制芯片为Mega2560R3芯片；所述的控制芯片的电源为5V，所述的D10～D17输出端为+5V以及模拟输出端A0～A7为0V-5V。

进一步，所述的步进电机的电源为正极+12V；负极为-12V。

本发明的技术效果在于步进电机配合小功耗LED灯，配合新型显像模块、音效模块，具有仿真火焰流畅、能耗极低的特征，正常态火焰仿真过程中，功耗仅为55W左右，峰值功耗不超过65W。这样在进行户外训练时就不需要载重大型锂电池进行供电，即使使用800W左右的便携式锂电池即可供应10小时以上的训练和科普交互活动，完全满足全天的训练时长。

本发明具有功耗小和静音功能。大型风机的现场交互训练时噪音为85-100分贝，从而无法听清交互时的语音提示和火场音效仿真，更为指导人员造成了教学上的困扰，而本发明交互时基本噪音≤26分贝，指导人员可以通过音量调节在不同的场合进行语音提示和火场音效仿真声音的调控以便于适应训练和科普环境。

本发明由于采用了内投影式火焰仿真技术，避免了外界强光、大风等干扰因素对交互过程的干扰，同时由于内投影结构的封闭性特性，本装置可以达到IP67级防水，相对于现有技术中的第1、2种来说具有环境要求低，适应性强，可在四面通风的非直射阳光环境中交互的最大优势。

本发明采用了全铝合金加钢化玻璃材质外壳，相对于前三种技术来说，是单机重量最轻的，配合本单位的铝合金轮式拉杆便携箱后，可以轻便的进行移动训练和科普教学。

附图说明

图1是本发明的立体示意图。

图2是本发明的主视方向的示意图。

图3是本发明的模块连接示意图。

图4是本发明的炎光控制电路连接示意图。

图5是本发明的环境信号接受电路连接示意图。

图6是本发明的光频信号接受电路连接示意图。

图7是本发明的驱动控制电路连接示意图。

图8是本发明的音效功放电路连接示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

结合附图1、附图2、附图3所示，本实施例提供了一种多人灭火训练使用的仿真火焰交互装置，包括壳体1、显像板2、显像模块3、音效模块4、控制模块5、驱动电路模块6，运动模块7、音效放音模块8、交互语音逻辑9；显像板2设置在壳体1内部；显像板2、显像模块3、音效模块4、控制模块5均进行电性连接；控制模块5通过与环境信号接收模块10、光频信号接收模块11、及炎光控制模块12之间的电性连接；环境信号接收模块10、光频信号接收模块11输出电信号给予控制模块5；控制模块5通过电性连接控制显像模块3；显像模块3电性连接显像板2并输出；控制模块5电性连接驱动电路模块6，运动模块7；驱动电路模块6驱动运动模块7；控制模块7电性连接音效模块4；音效模块4与音效放音模块8、交互语音逻辑9电性连接。上述的电性连接关系实现了多人灭火训练使用的仿真火焰交互装置了本发明的控制电路，实现了本发明的功能，具有组成完整的多功能、多配置、多人协同、模块化组成的仿真火焰交互装置。

结合附图4、附图5、附图6、附图7、附图8所示，控制模块5还包括控制芯片51；控制芯片51的PWM9输入端与环境信号接收模块10的DT端连接；控制芯片51的PWM10输入端与环境信号接收模块10的CR端连接，控制芯片51的IN1端与环境信号传感器52的OUT端相连接；控制芯片51的D10～D17输出端连接控制继电器53的IN端；控制继电器53的输出端NO端连接炎光发生装置54；控制芯片51的模拟输出端A0～A7连接光敏二极管55；控制芯片51的输出端PWM0端与步进电机56的PWM端相连接；控制芯片51的输出端GND端与步进电机56的F00端相连接；控制芯片51的RX、TX端分别与TF卡57的RX、TX端相连接。

上述的电性连接构成了控制芯片51控制环境信号接收模块10、与环境信号传感器52、光敏二极管55、步进电机56等部件之间的控制关系，形成了本发明的控制连接关系

结合附图8所示，音效放音模块8还包括二级功放81，二级功放81的R-IN端与TF卡57的DACR端相连；二级功放81的L-IN端与TF卡57的DACL端相连；二级功放81的的输出端R+、R-分别与第一音效喇叭相82连接；二级功放82的的输出端L+、L-分别与第二音效喇叭83相连接。

结合附图2所示，运动模块7还包括火焰运动仿真装置71、步进电机56；在步进电机56上设置一传动轴57；传动轴57的一端连接步进电机56，传动轴57的另一端设置在壳体1的右侧边缘上；在传动轴57上设置若干个火焰运动仿真装置71；火焰运动仿真装置71还包括了若干个扇形叶片72；且叶片72上下对称。

结合附图2所示，显像模块3还包括仿真焰心显像材料31；在显像板2的外侧设置仿真焰心显像材料31，用于显示仿真火焰。

结合附图3所示，所述的控制模块5还包括光频信号接收模块11，光频信号接收模块11与总线通讯信号58电性连接；1-N个总线通讯信号58用于1-N个多人灭火训练使用的仿真火焰交互装置进行串联；第一个多人灭火训练使用的仿真火焰交互装置的控制芯片51的A0状态输出，A7状态输出连接第一个总线通讯信号58；第一个总线通讯信号58串联第N个多人灭火训练使用的仿真火焰交互装置；第一个多人灭火训练使用的仿真火焰交互装置的控制芯片52的D10状态系数输入；D17状态系数输入连接第N个总线通讯信号58。

上述的控制芯片51为Mega2560R3芯片；控制芯片51的电源为5V，所述的D10～D17输出端为+5V以及模拟输出端A0～A7为0V-5V。步进电机56的电源为正极+12V；负极为-12V。

上述的技术方案实现了人灭火训练使用的仿真火焰交互装置，较原有的技术方案来讲，步进电机配合LED灯，配合新型显色碳酸胺脂模型，具有仿真火焰流畅、能耗极低的特征，正常态火焰仿真过程中，功耗仅为55W左右，峰值功耗不超过65W。这样在进行户外训练时就不需要载重大型锂电池进行供电，即使使用800W左右的便携式锂电池即可供应10小时以上的训练和科普交互活动，完全满足全天的训练时长。

本发明装置具有功耗小和静音功能。大型风机的现场交互训练时噪音为85-100分贝，从而无法听清交互时的语音提示和火场音效仿真，更为指导人员造成了教学上的困扰，而本装置交互时基本噪音≤26分贝，指导人员可以通过音量调节在不同的场合进行语音提示和火场音效仿真声音的调控以便于适应训练和科普环境。

本发明装置由于采用了内投影式火焰仿真技术，避免了外界强光、大风等干扰因素对交互过程的干扰，同时由于内投影结构的封闭性特性，本装置可以达到IP67级防水，相对于现有技术中的第1、2种来说具有环境要求低，适应性强，可在四面通风的非直射阳光环境中交互的最大优势。

本发明装置采用了全铝合金加钢化玻璃材质外壳，相对于前三种技术来说，是单机重量最轻的，配合本单位的铝合金轮式拉杆便携箱后，总重量降低到10KG，可以轻便的进行移动训练和科普教学。

作为本发明优选的实施例，对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明，也是本发明的保护范围。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (8)

1.一种多人灭火训练使用的仿真火焰交互装置，其特征在于，包括壳体、显像板、显像模块、音效模块、控制模块、驱动电路模块，运动模块、音效放音模块、交互语音逻辑；所述的显像板设置在壳体内部；所述的显像板、显像模块、音效模块、控制模块均进行电性连接；所述的控制模块通过与环境信号接收模块、光频信号接收模块及炎光控制模块之间的电性连接；所述的环境信号接收模块、光频信号接收模块输出电信号给予所述的控制模块；所述的控制模块通过电性连接控制所述的显像模块；所述的显像模块电性连接显像板并输出；所述的控制模块电性连接驱动电路模块，运动模块；所述的驱动电路模块驱动运动模块；所述的控制模块电性连接音效模块；所述的音效模块与音效放音模块、交互语音逻辑电性连接。

2.如权利要求1所述的一种多人灭火训练使用的仿真火焰交互装置，其特征在于，所述的控制模块还包括控制芯片；控制芯片的PWM9输入端与所述的环境信号接收模块的DT端连接；控制芯片的PWM10输入端与所述的环境信号接收模块的DT端连接CR端连接，控制芯片的IN1端与环境信号传感器的OUT端相连接；控制芯片的D10～D17输出端连接控制继电器的IN端；控制继电器的输出端NO端连接炎光发生装置；控制芯片的模拟输出端A0～A7连接光敏二极管；控制芯片的输出端PWM0端与步进电机的PWM端相连接；控制芯片的输出端GND端与步进电机的F00端相连接；控制芯片RX、TX端分别与TF卡RX、TX端相连接。

3.如权利要求1所述的一种多人灭火训练使用的仿真火焰交互装置，其特征在于，所述的音效放音模块还包括二级功放，二级功放的R-IN端与TF卡的DACR端相连；二级功放的L-IN端与TF卡的DACL端相连；所述的二级功放的的输出端R+、R-分别与第一音效喇叭相连接；所述的二级功放的的输出端L+、L-分别与第二音效喇叭相连接。

4.如权利要求1所述的一种多人灭火训练使用的仿真火焰交互装置，其特征在于，所述的运动模块还包括火焰运动仿真装置、步进电机；在步进电机上设置一传动轴；传动轴的一端连接步进电机，传动轴的另一端设置在所述的壳体的右侧边缘上；在传动轴上设置若干个火焰运动仿真装置；火焰运动仿真装置还包括了若干个扇形叶片；且叶片上下对称。

5.如权利要求1所述的一种多人灭火训练使用的仿真火焰交互装置，其特征在于，所述的显像模块还包括仿真焰心显像材料；在所述的显像板的外侧设置仿真焰心显像材料，用于显示仿真火焰。

6.如权利要求1所述的一种多人灭火训练使用的仿真火焰交互装置，其特征在于，所述的控制模块还包括光频信号接收模块，光频信号接收模1与总线通讯信号电性连接；1-N个总线通讯信号用于1-N个多人灭火训练使用的仿真火焰交互装置进行串联；第一个多人灭火训练使用的仿真火焰交互装置的控制芯片的A0状态输出，A7状态输出连接第一个总线通讯信号；第一个总线通讯信号串联第N个多人灭火训练使用的仿真火焰交互装置；第一个多人灭火训练使用的仿真火焰交互装置的控制芯片的D10状态系数输入；D17状态系数输入连接第N个总线通讯信号。

7.如权利要求2所述的一种多人灭火训练使用的仿真火焰交互装置，其特征在于，所述的控制芯片为Mega2560R3芯片；所述的控制芯片的电源为5V，所述的D10～D17输出端为+5V以及模拟输出端A0～A7为0V-5V。

8.如权利要求4所述的一种多人灭火训练使用的仿真火焰交互装置，其特征在于，所述的步进电机的电源为正极+12V；负极为-12V。