CN111790086B - 一种车载无线控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种车载无线控制系统，属于电子技术领域，包括车载子系统和远程无线控制系统，所述车载子系统与远程无线控制系统无线连接，所述车载子系统用于自动巡航行走和检测火焰并灭火，或者接收远程无线控制系统的控制指令运动和检测火焰并灭火。通过设置灭火装置和火焰检测在灭火车上，然后使用远程无线控制系统远程无线控制灭火车远程运动，对火灾进行灭火处理，实现不需要人员进入火灾现场，即可对火灾进行远程灭火，有利于减少火灾造成的人员伤亡和经济损失。

Description

一种车载无线控制系统

技术领域

本发明涉及电子技术领域，尤其涉及一种车载无线控制系统。

背景技术

随着科技的发展和社会的进步，在过去的几十年里，大量的高楼大厦、核工厂和化学实验室等不断出现，当发生火灾时，不仅难于进行灭火，而且其中的很多危险因素都直接威胁着消防队员的生命安全和社会自然的和谐。所以智能灭火小车作为消防领域中的一只新兴的力量应运而生。该小车可以在没有人或者没有人注意的时候发现火源，找到火源，并且灭掉火源，从而保障人们的生命财产安全。另外，该小车能够在高温、强热辐射、浓烟、地形复杂、障碍物多、化学腐蚀、易燃易爆等恶劣环境中进行火场侦察、化学危险品探测、灭火、冷却、洗消、破拆、救人、启闭阀门、搬移物品、堵漏等作业，代替消防队员完成一些危险的工作，从而减少不必要的伤亡。

发明内容

本发明的目的在于提供一种车载无线控制系统，解决背景技术中存在的技术问题。

一种车载无线控制系统，包括车载子系统和远程无线控制系统，所述车载子系统与远程无线控制系统无线连接，所述车载子系统用于自动巡航行走和检测火焰并灭火，或者接收远程无线控制系统的控制指令运动和检测火焰并灭火。

车载子系统包括灭火模块、自动巡航模块、火焰检测模块、动力模块、控制模块和无线车载通信模块，所述灭火模块、自动巡航模块、火焰检测模块、动力模块和无线车载通信模块均与控制模块连接，所述控制模块经无线车载通信模块与远程无线控制系统连接，所述灭火模块用于对检测的火焰进行灭火，所述自动巡航模块用于供控制模块提供运动方向，火焰检测模块用于检测火焰，所述动力模块用于带动灭火车移动，所述控制模块用于输出运动方向和灭火控制指令，并接受运动方向信息和远程无线控制系统的远程控制信息，无线车载通信模块用于接收远程无线控制系统的控制指令信息并传给控制模块，并把灭火车的运动状态数据传给远程无线控制系统。

火焰检测模块的检测火焰的过程为，火焰检测模块设置三个火焰传感器，分别设置在灭火车的三个方向，初始化火焰传感器输出端所连接的GPIO口，使能其端口时钟，配置引脚为上拉输入模式，读取三个火焰传感器的值，即可获取三个火焰传感器电平状态，然后判断电平，低电平时为检测到火焰，确定火焰的方向。

远程无线控制系统包括控制通信模块和控制子系统，所述控制子系统经控制通信模块与车载子系统连接，控制通信模块与无线车载通信模块无线连接。

控制子系统包括初始化配置模块、反馈信息显示模块、模式选择模块和遥控模块；上位机初始化配置模块，初始化配置模块包括资源名称控件、打开按钮、停止按钮和显示控件，反馈信息显示模块由显示控件组成，模式选择模块包括自动巡航按钮、无线遥控模式按钮和模式切换按钮，遥控模块包括前进按钮、后退按钮、左转按钮、右转按钮、停车按钮和灭火按钮。

灭火模块灭火过程为：执行火焰检测程序判断是否发现火焰以及火焰方向，若中间发现火焰，则启动蜂鸣器报警并向远程无线控制系统反馈信息，然后启动灭火模块灭火并继续检测火焰直到火焰被成功吹灭，然后关闭蜂鸣器并向远程无线控制系统反馈信息，若左侧或者右侧发现火焰，小车会先执行左转或者右转直到中间检测到火焰，然后才开始执行灭火操作。

所述灭火模块为灭火器、连水管灭火泵或者风扇。

本发明采用了上述技术方案，本发明具有以下技术效果：

本发明通过设置灭火装置和火焰检测在灭火车上，然后使用远程无线控制系统远程无线控制灭火车远程运动，对火灾进行灭火处理，实现不需要人员进入火灾现场，即可对火灾进行远程灭火，大大的减少了人员的伤亡和经济损失等。

附图说明

图1为本发明系统框图。

图2为本发明系统控制流程图。

图3为本发明系统自动循迹灭火流程图。

图4为本发明系统火焰检测流程图。

图5为本发明系统灭火程序流程图。

图6为本发明系统无线遥控模式程序流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，举出优选实施例，对本发明进一步详细说明。然而，需要说明的是，说明书中列出的许多细节仅仅是为了使读者对本发明的一个或多个方面有一个透彻的理解，即便没有这些特定的细节也可以实现本发明的这些方面。

一种车载无线控制系统，如图1所示，该实施例以实验室小型灭火为实验研究的实施例。主要以STM32F103RCT6核心板为控制核心，结合nRF24L01无线模块、火焰检测模块、红外循迹模块、L298N驱动模块、0.96寸OLED显示模块、风扇灭火模块、有源蜂鸣器报警模块及电源模块组成，各模块与核心板之间的连接关系如图1所示。

两节-电压为3.7V的18650锂电池通过电池盒与电源模块相连输出7.4V、5.0V、3.3V共三路电压给整个系统供电。采用有源蜂鸣器模块作为报警器，采用2个L298N电机驱动模块来控制4个车轮电机，采用0.96寸OLED液晶显示屏实时显示小车信息，采用nRF24L01无线模块和USB转nRF24L01模块实现小车与上位机的无线通信，采用三个火焰传感器构成火焰检测模块以检测小车前方160度范围内是否存在火源，采用5路红外传感器TCRT500构成红外循迹模块来采集路面信息，采用舵机云台加260型电机风扇构成电机灭火模块。

如图2，软件设计流程图，智能消防小车在启动后处于初始化等待模式选择状态，以2秒为间隔不断通过nRF24L01无线通信模块向上位机反馈“Select mode(1:MCU 2:User)”字符串信息。当在上位机按下键盘端的数字按键‘1’时，小车接收指令并反馈“MCUcontrol”字符串信息给上位机后进入自动循迹灭火模式。自动循迹灭火模式下的小车会循着以16mm宽0.16mm厚的单条黑色绝缘胶带布置的黑色轨迹移动，移动时若小车以车头为中线左或者右80度内检测到以蜡烛模拟的火源，小车会先执行停车命令，然后通过舵机控制以风扇模拟的灭火器对准火源方向，启动风扇1秒并吹灭火源，然后继续执行自动循迹灭火程序。若上位机发送“选择模式”指令，小车立即退出自动循迹灭火模式，回到等待模式选择状态。

当在上位机按下键盘端的数字按键‘2’时，小车接收指令并反馈“User control”字符串信息给上位机后进入无线遥控模式。无线模式下，小车的行为均由上位机发出的指令决定，上位机可控制小车的前进、后退、左转、右转、启动风扇、回到等待模式选择状态这六个行为，具体过程如图2所示。

智能消防小车使用风扇吹灭蜡烛火焰来演示灭火这个功能。该电路的设计思路为使用控制芯片的两个GPIO口接入风扇电机两端控制电机的开与关，PWM使能风扇下方的舵机控制风扇的转向。然而STM32的GPIO口供电力不足以直接驱动风扇电机，故外接L9110S芯片驱动模块来间接控制电机，以达到灭火的目的。L9110S驱动电路的VCC接7.4V，GND与单片机共地，IB引脚接单片机PB4，IA引脚接单片机PB5，输出引脚OA、OB分别接风扇电机正负极，这样就可以通过单片机控制风扇电机的转动和停止。

由系统总体设计方案所知，当智能消防小车检测到火焰时，小车要立即报警，而报警又分为反馈信息至上位机与发声报警。发声报警部分通过使能有源蜂鸣器发声实现。该电路的设计方案为：有源蜂鸣器的OUT控制发声管脚与控制核心任意一管脚相连，即可编程控制蜂鸣器发声与否。实物电路连接蜂鸣器模块通过5V供电，采用S8550 PNP三极管驱动，OUT引脚连接单片机的PB13，PB13引脚输出低电平即可驱动蜂鸣器发声。

电机驱动电路的设计方案为：采用两个L298N电机驱动模块来控制小车的左前轮、左后轮、右前轮、右后轮四个电机。电机驱动模块的总共四个EN使能端分别接单片机PC6、PC7、PC8、PC9引脚，单片机可通过输出PWM并改变占空比从而改变电机转速。电机驱动模块的两组控制端口IN1、IN2、IN3、IN4分别接到单片机PA8、PA9、PA10、PA11、PB6、PB7、PB8、PB9引脚，单片机即可通过控制这些引脚的高低电平从而控制电机转动的方向。

本次设计采用0.96寸OLED实时显示智能消防小车的参数信息以方便调试，屏幕采用IIC总线通讯的方式，其与核心板的连接电路，GND接GND，VCC接3.3V，SCL引脚接单片机PC15引脚，SDA引脚接单片机PC13引脚。

DC-DC电压转换模块，本系统共需要三路电压，一路3.3V为核心板供电、一路5V为各种传感器供电、一路7.4V为电机供电。为了达到此需求以及降低设计难度，直接采用了现成的以AMS1117-3.3和AMS1117-5.0芯片为核心的多路DC-DC电压转换模块，该芯片具有1％的精度，模块集成了过热保护和限流等保险电路，符合提供稳定电源的要求。该模块有一路输入：直流6V-12V(输入电压必须要比输出电压高1V以上)，三路输入:3.3V、5.0V、DC输出，达到本系统供电需求。

红外循迹电路，红外循迹电路的设计方案为：采用以TCRT5000红外传感器为核心的传感器模块来实现自动循迹灭火模式中循迹功能。模块工作原理为：模块上有五对红外发射接收二极管，上电时每对中的发射二极管不断向地面垂直发射红外线，若射中的是为布置的黑色胶带，则红外线会被吸收，其上的接收二极管接收不到反射红外线，对应的OUT引脚输出低电平，若非黑线则输出高点平。电路设计中把单片机的PC0、PC1、PC2与模块的OUT4、OUT3、OUT2输出端口相连，单片机通过检测这些端口的高低电平从而获取路面信息。

火焰检测电路的设计方案为：采用火焰传感器来检测火焰。设计选用的火焰传感器可以检测火焰或者波长在760纳米～1100纳米范围内的光源。其模块的AO和DO引脚皆为输出引脚，不同之处在于DO引脚输出值只有1或者0，其实0代表检测到火焰，1代表未检测到火焰，通过检测该引脚的高低电平即可简单判断是否发现火焰。而AO引脚输出值为模拟量，该值会随着火焰的大小与距离有规律的变化，单片机可以利用ADC采集该模拟量并通过算法更加准确的计算出火焰的大小以及位置。设计中把单片机的PC10、PC11、PC12设置为GPIO输入口，分别与左中右三个火焰传感器的DO引脚相连以获取火焰信息。

无线遥控电路设计方案为：采用nRF24L01单片射频收发芯片作为无线遥控的通信设备，通过它实现小车控制指令的接收与反馈信息的发送。在智能消防小车上，通过程序将nRF24L01工作模式设置为接收模式，此nRF24L01无线模块通过SPI1总线连接的方式与STM32核心板传输数据，最大速度可以达到10MHz。其中IRQ为中断信号输出引脚，低电平有效。CSN为片选引脚，低电平有效。CE为使能接收或发射引脚，用于RX或TX模式选择。MOSI与SPI1总线的数据输入脚PA7相连，MISO与SPI1总线的数据输出脚PA6相连，SCK与SPI1总线时钟脚PA5相连。采用了USB转nRF24L01模块实现上位机与小车的无线通信，使用时只需将模块与电脑USB端口连接即可，模块理论空旷通信距离为500米(250Kbps)。

自动循迹灭火模块设计

程序开始在轨道中循迹是否发现火焰，对准火焰启动风扇，然后判断火焰是否吹灭。如图2左半边部分的流程。

自动循迹灭火模块主要由黑线检测模块、循迹模块、火焰检测模块、灭火模块这四个模块组成，程序的流程。其中，循迹模块和火焰检测模块是自动循迹灭火模块的核心模块。

1.黑线检测模块，采集路面信息反馈给循迹模块。

2.循迹模块，根据得到的路面信息控制小车的左转、右转、前进、掉头。

3.火焰检测模块，在小车前方进行火焰检测，以检测是否有火焰以及火焰方向。

4.灭火模块，根据火焰检测模块反馈的信息，驱动风扇灭火。

黑线检测模块设计

开始GPIO口初始化读取左中右三个红外传感器模块的值返回发现黑线方向全部发现、左右发现、右中发现、右侧发现、左中发现、左侧发现、中间发现、未发现，具体的程序二进制表示为：111101110100011001010000，如图4所示。

黑线检测程序流程程序主要分为以下几步：

1、初始化红外传感器模块输出端所连接的GPIO口，使能其端口时钟，配置引脚为上拉输入模式，代码如下：

RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOC，ENABLE)；GPIO_InitStructure.GPIO_Pin＝GPIO_Pin_0|GPIO_Pin_1|GPIO_Pin_2；GPIO_InitStructure.GPIO_Mode＝GPIO_Mode_IPU；

GPIO_Init(GPIOC，&GPIO_InitStructure)；

2、读取红外传感器的值，STM32的IDR寄存器中存放了引脚的高低电平状态值，读取该IDR寄存器对应的位即可获取对应引脚的电平状态[10]，红外传感器的引脚为PC0，PC1，PC2，即读取GPIOC的IDR寄存器的第0、1、2位即可获取电平状态，代码如下：

S_Trail_Input＝(((u8)GPIOC->IDR)&0x07)；

3、根据检测到黑线为低电平，未检测到为高电平的原则预先定义好红外传感器可能出现的值方便循迹模块做比较，代码如下：

4、返回发现黑线方向。

循迹模块设计

程序开始，首先根据掉头标志位与循迹标志位的值选择进入掉头模式或者循迹模式。

默认进入循迹模式。循迹模式下首先调用黑线检测函数得到当前路面信息并与预设好的值做对比以判断小车黑线情况，部分代码如下：

若未发现黑线，执行直行命令。

若发现黑线，继续判断是否为中间发现黑线，若是则执行直行命令，否则继续判断是否为左侧或左中测发现黑线，若是则直行左转命令，否则继续判断是否为右侧或者右中侧发现黑线，若是则执行右转命令，若非，即表示发现黑线且三个方向都检测到黑线，检测到掉头黑横线，循迹标志位置0，掉头标志位置1，退出循迹模式。

掉头模式下，小车不断执行左转命令与调用黑线检测函数直到检测到黑线，若检测到黑线，掉头标志位置0，循迹标志位置1，退出掉头模式。代码如下：

开始循迹标志位＝1黑线检测函数是否发现黑线，直行中间发现黑线，直行左侧或左中侧发现黑线，左转右侧或右中测发现黑线，右转前进一小段距离后停止，循迹标志位置0，掉头标志位置1掉头标志位＝1，左转黑线检测函数是否发现黑线，循迹标志位置1掉头标志位置。

火焰检测模块设计火焰检测程序流程序主要分为以下几步：

1、初始化火焰传感器输出端所连接的GPIO口，使能其端口时钟，配置引脚为上拉输入模式，代码如下：

RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOC，ENABLE)；GPIO_InitStructure.GPIO_Pin＝GPIO_Pin_10|GPIO_Pin_11|GPIO_Pin_12；GPIO_InitStructure.GPIO_Mode＝GPIO_Mode_IPU；

GPIO_Init(GPIOC，&GPIO_InitStructure)；

2、读取火焰传感器的值，读取原理与黑线检测模块相同，火焰传感器的引脚PC10，PC11，PC12，即读取GPIOC的IDR寄存器的第10、11、12位即可获取电平状态，代码如下：

Fire_Input＝((GPIOC->IDR>>8)&0x1C)；

3、根据检测到火焰为低电平，未检测到为高电平的原则预先定义好火焰传感器可能出现的值方便灭火模块做比较，代码如下：

4、返回发现火焰方向。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种车载无线控制系统，其特征在于：包括车载子系统和远程无线控制系统，所述车载子系统与远程无线控制系统无线连接，所述车载子系统用于自动巡航行走和检测火焰并灭火，或者接收远程无线控制系统的控制指令运动和检测火焰并灭火；

车载子系统包括灭火模块、自动巡航模块、火焰检测模块、动力模块、控制模块和无线车载通信模块，所述 灭火模块、自动巡航模块、火焰检测模块、动力模块和无线车载通信模块均与控制模块连接，所述控制模块经无线车载通信模块与远程无线控制系统连接，所述灭火模块用于对检测的火焰进行灭火，所述自动巡航模块用于供控制模块提供运动方向，火焰检测模块用于检测火焰，所述动力模块用于带动灭火车移动，所述控制模块用于输出运动方向和灭火控制指令，并接受运动方向信息和远程无线控制系统的远程控制信息，无线车载通信模块用于接收远程无线控制系统的控制指令信息并传给控制模块，并把灭火车的运动状态数据传给远程无线控制系统；

火焰检测模块的检测火焰的过程为，火焰检测模块设置三个火焰传感器，分别设置在灭火车的三个方向，初始化火焰传感器输出端所连接的GPIO口，使能其端口时钟，配置引脚为上拉输入模式，读取三个火焰传感器的值，即可获取三个火焰传感器电平状态，然后判断电平，低电平时为检测到火焰，确定火焰的方向；

远程无线控制系统包括控制通信模块和控制子系统，所述控制子系统经控制通信模块与车载子系统连接，控制通信模块与无线车载通信模块无线连接；

控制子系统包括初始化配置模块、反馈信息显示模块、模式选择模块和遥控模块；上位机初始化配置模块，初始化配置模块包括资源名称控件、打开按钮、停止按钮和显示控件，反馈信息显示模块由显示控件组成，模式选择模块包括自动巡航按钮、无线遥控模式按钮和模式切换按钮，遥控模块包括前进按钮、后退按钮、左转按钮、右转按钮、停车按钮和灭火按钮；

灭火模块灭火过程为：执行火焰检测程序判断是否发现火焰以及火焰方向，若中间发现火焰，则启动蜂鸣器报警并向远程无线控制系统反馈信息，然后启动灭火模块灭火并继续检测火焰直到火焰被成功吹灭，然后关闭蜂鸣器并向远程无线控制系统反馈信息，若左侧或者右侧发现火焰，智能消防小车会先执行左转或者右转直到中间检测到火焰，然后才开始执行灭火操作；

所述灭火模块为灭火器、连水管灭火泵或者风扇；

所述智能消防小车在启动后处于初始化等待模式选择状态，当所述智能消防小车在接收到上位机的指令后进入自动循迹灭火模式，所述智能消防小车利用自动循迹灭火模块开始在轨道中循迹是否发现火焰，对准火焰启动风扇，然后判断火焰是否吹灭；

所述自动循迹灭火模块主要由黑线检测模块、循迹模块、火焰检测模块和灭火模块组成，黑线检测模块采集路面信息反馈给循迹模块；

黑线检测模块的检测流程为:

初始化红外传感器模块输出端所连接的GPIO口，配置引脚为上拉输入模式；

然后读取红外传感器的值，控制模块的IDR寄存器中存放引脚的高低电平状态值，读取IDR寄存器对应的位即可获取对应引脚的电平状态，红外传感器的引脚为PC0，PC1，PC2，即读取GPIOC的IDR寄存器的第0、1、2位即可获取电平状态；

然后根据检测到黑线为低电平，未检测到为高电平的原则预先定义好红外传感器可能出现的值方便循迹模块做比较；然后返回发现黑线方向；

循迹模块的循迹程序开始时，首先根据掉头标志位与循迹标志位的值，选择进入掉头模式或者循迹模式；

在循迹模式下首先调用黑线检测函数得到当前路面信息并与预设好的值做对比以判断小车黑线情况；

若未发现黑线，执行直行命令；

若发现黑线，继续判断是否为中间发现黑线，若是则执行直行命令，否则继续判断是否为左侧或左中测发现黑线，若是则直行左转命令，否则继续判断是否为右侧或者右中侧发现黑线，若是则执行右转命令。

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