CN113350718A - 基于fpga的遥控超声波灭火平台 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了基于FPGA的遥控超声波灭火平台，包括小车控制模块、避障模块、驱动模块、火源探测模块和超声灭火模块，采用遥控或者自主避障的方式使小车移动至火源附近，并对火源采用低频超声波灭火，灭火效率高，无需人员抵近火源，有效保障了人身安全，而且低频超声波灭火几乎没有场合限制，特别对输油气站等对防燃防爆要求很高的场合尤其适用。
Description
技术领域
本发明涉及消防设备技术领域，特别涉及基于FPGA的遥控超声波灭火平台。
背景技术
随着科技的发展，精密仪器和电子产品在生产和使用过程中，火灾隐患不可避免。目前针对这类特殊场合的灭火装置价格昂贵且具有一定的使用寿命，甚至会对产品造成二次伤害。而对于输油气站场来说，其本身属于易燃易爆场所，对于防燃防爆有着很高的要求，同时火灾隐患在带来极大的社会经济危害的同时，也带来了巨大的人身安全风险。
传统的灭火装置在处理火灾就会面对一些问题。传统灭火气体系统如哈龙系列，二氧化碳常用于针对电气设备等一系列特殊场合。然而，密闭空间里气体灭火系统的误动作会威胁到火场内人员的生命安全。而传统灭火器大多为高压容器，因此存放的条件较高，不可挤压，不可碰撞，在高温下易发生膨胀爆炸；同时，传统的救火方式效率并不高，并不能快速有效的控制火情，所使用的灭火器中的某些灭火介质本身就是有毒有害物，使用这些物质进行灭火还会造成严重的污染。不同的灭火器内部填充有不同物质，因此对应某种火势需要使用对应的灭火器，如干粉灭火器和二氧化碳灭火器不能扑灭金属物火灾，电气火灾不能使用泡沫灭火器，如果使用错误的灭火器还会造成二次损害，给文博，精密仪器造成不可逆的损害。
发明内容
本发明实施例提供了基于FPGA的遥控超声波灭火平台，用以解决现有技术中灭火方式效率不高且适用范围有限的问题。
一方面，本发明实施例提供了基于FPGA的遥控超声波灭火平台，包括：小车控制模块、避障模块、驱动模块、火源探测模块和超声灭火模块，小车控制模块、避障模块、驱动模块、火源探测模块和超声灭火模块均基于FPGA芯片开发；
小车控制模块，用于根据选定的小车工作模式对小车进行行动控制，小车的工作模式包括遥控模式和避障模式，在遥控模式下，小车控制模块根据接收的遥控指令产生相应的控制指令；
避障模块，用于在小车处于避障模式下时，产生相应的控制指令；
驱动模块，用于响应小车控制模块或避障模块产生的控制指令，对小车的行动进行控制；
火源探测模块，用于确定火源是否存在；
超声灭火模块，用于在火源探测模块确定存在火源时，产生超声波，进行灭火作业。
在一种可能的实现方式中，小车控制模块包括：红外解码模块和状态判断模块；
红外解码模块，用于接收红外遥控器发出的红外信号，将该红外信号解码；
状态判断模块，用于根据解码后的信号作出相应的判断，输出对应的控制指令。
在一种可能的实现方式中，避障模块与多个超声波传感器连接，超声波传感器安装在小车上，用于检测小车附近障碍物的距离，避障模块根据小车与附近障碍物的距离确定相应的避障策略，产生相应的控制指令。
在一种可能的实现方式中，避障模块根据超声波传感器发射和接收超声波的时间差确定小车附近障碍物的距离；
在确定超声波传感器发射和接收超声波的时间差后，如果连续多次确定的时间差都大于设定值，避障模块确定小车与障碍物的距离过近。
在一种可能的实现方式中，驱动模块与驱动电机连接，驱动模块包括：左轮占空比模块、右轮占空比模块、左轮驱动子模块、右轮驱动子模块、总驱动子模块和直流驱动模块；
左轮占空比模块，用于根据控制指令中左轮的控制数据确定控制左轮的 PWM信号的占空比；左轮驱动子模块，用于根据左轮占空比模块确定占空比产生相应的PWM信号；
右轮占空比模块，用于根据控制指令中右轮的控制数据确定控制右轮的 PWM信号的占空比；右轮驱动子模块，用于根据右轮占空比模块确定占空比产生相应的PWM信号；
总驱动子模块，用于根据左轮驱动子模块和右轮驱动子模块产生的PWM信号进行整合，获得相应的PWM信号；
直流驱动模块，用于产生驱动驱动电机的驱动信号；
驱动电机在总驱动子模块产生的PWM信号和直流驱动模块产生的驱动信号控制下，带动小车行动。
在一种可能的实现方式中，还包括：温度测量模块和显示模块；
温度测量模块与温度传感器连接，用于测量小车附近环境中的温度；
显示模块，用于显示温度测量模块测量的温度。
在一种可能的实现方式中，温度测量模块包括：信号产生模块和温度子模块；
信号产生模块，用于产生采样使能信号；
温度子模块，用于在采样使能信号的控制下接收温度传感器发送的信号，并确定温度。
在一种可能的实现方式中，火源探测模块与火源探测传感器连接，用于探测小车附近是否存在火焰；
超声灭火模块，用于在火源探测模块确定存在火焰时，根据温度测量模块确定的温度确定是否需要灭火，当确定需要灭火时，超声灭火模块产生超声波，以进行灭火作业。
在一种可能的实现方式中，超声灭火模块包括：超声灭火控制模块、超声产生模块和二极管；
超声灭火控制模块，用于确定是否需要灭火，并产生相应的灭火控制信号；
灭火控制信号用于控制二极管的通断，当灭火控制信号表示需要灭火时，二极管导通，将超声灭火电源模块和超声产生模块连接；
超声产生模块，用于在与超声灭火电源模块连接后产生超声波。
在一种可能的实现方式中，还包括：速度测量模块和显示模块；
速度测量模块与速度传感器连接，用于测量小车的行动速度；
显示模块用于显示速度测量模块测量的速度。
本发明中的基于FPGA的遥控超声波灭火平台，具有以下优点：
1、采用遥控的方式对小车进行控制，使人员远离危险区域，保障人员安全；
2、利用低频超声波灭火，无需其他灭火介质，适用范围广泛，且灭火效率高，成本低，安全环保；
3、采用FPGA作为核心芯片，方便后期维护升级，且具有良好的通用拓展性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的基于FPGA的遥控超声波灭火平台总体功能模块图；
图2为本发明实施例中时钟模块的示意图；
图3为本发明实施例中时钟模块的内部功能示意图；
图4为本发明实施例中小车控制模块的示意图；
图5为本发明实施例中小车控制模块的内部功能示意图；
图6为本发明实施例中红外解码模块的工作流程示意图；
图7为本发明实施例中避障模块的示意图；
图8为本发明实施例中避障模块的工作流程示意图；
图9为本发明实施例中行为选择模块的示意图；
图10为本发明实施例中行为选择模块的内部功能示意图；
图11为本发明实施例中驱动模块的示意图；
图12为本发明实施例中驱动模块的内部功能示意图；
图13为本发明实施例中驱动子模块的工作流程示意图；
图14为本发明实施例中温度测量模块的示意图；
图15为本发明实施例中温度测量模块的内部功能示意图；
图16为本发明实施例中温度测量模块的工作流程示意图；
图17为本发明实施例中速度测量模块的示意图；
图18为本发明实施例中速度测量模块的内部功能示意图；
图19为本发明实施例中速度测量模块的工作流程示意图；
图20为本发明实施例中火源探测模块的示意图；
图21为本发明实施例中火源探测模块内部的状态机示意图；
图22为本发明实施例中超声灭火模块的示意图；
图23为本发明实施例中超声灭火模块的内部功能示意图；
图24为本发明实施例中超声灭火模块的工作流程示意图；
图25为本发明实施例中超声灭火模块的组成示意图；
图26为本发明实施例中显示模块的示意图。
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。
现有技术中，一旦发生火灾，采用的灭火方式是通过水、干粉、泡沫、二氧化碳等介质进行灭火，这些灭火方式在适用场合上存在诸多限制，例如：干粉和二氧化碳灭火介质不能用于金属物火灾，泡沫灭火介质不能用于电气火灾，水不能用于电子、电气火灾，而二氧化碳灭火介质不能用于封闭空间的火灾。不仅如此，传统的灭火方式需要人员靠近火源，不但威胁人员生命安全，而且灭火效率也不高。
针对现有技术中的问题，本发明提供了基于FPGA的遥控超声波灭火平台，包括小车控制模块、避障模块、驱动模块、火源探测模块和超声灭火模块，采用遥控或者自主避障的方式使小车移动至火源附近，并对火源采用低频超声波灭火，灭火效率高，无需人员抵近火源，有效保障了人身安全，而且低频超声波灭火几乎没有场合限制，特别对输油气站等对防燃防爆要求很高的场合尤其适用。
图1为本发明实施例提供的基于FPGA的遥控超声波灭火平台的总体功能模块示意图。本发明实施例提供的基于FPGA的遥控超声波灭火平台，包括：小车控制模块、避障模块、驱动模块、火源探测模块和超声灭火模块，小车控制模块、避障模块、驱动模块、火源探测模块和超声灭火模块均基于FPGA芯片开发；
小车控制模块，用于根据选定的小车工作模式对小车进行行动控制，小车的工作模式包括遥控模式和避障模式，在遥控模式下，小车控制模块根据接收的遥控指令产生相应的控制指令；
避障模块，用于在小车处于避障模式下时，产生相应的控制指令；
驱动模块，用于响应小车控制模块或避障模块产生的控制指令，对小车的行动进行控制；
火源探测模块，用于确定火源是否存在；
超声灭火模块，用于在火源探测模块确定存在火源时，产生超声波，进行灭火作业。
示例性地，FPGA是指现场可编程门阵列，是在PAL、GAL等可编程器件的基础上进一步发展的产物。在本发明的实施例中，FPGA芯片选用Altera公司的Cyclone IVE系列的EP4CE6芯片作为系统的主控芯片，该芯片包含6272个逻辑单元，270kbits的嵌入式存储器，15个乘法器，2个通用PLL，10个全局网络时钟，8个用户I/O块，最大支持179个用户I/O。
而在小车的板载硬件上，除FPGA芯片意外，还包括由七段阴极数码管、蜂鸣器、按键模块、12864液晶接口、LDO电源、发光二极管模块、电源滤波退耦电路和下载拓展电路组成的附属硬件，保证FPGA芯片可以成功运作。
采用上述技术方案，本发明实施例提供的基于FPGA的遥控超声波灭火平台，具有以下优点：
1、利用低频超声波灭火，在保证灭火效果的同时，更加环保，对于设备的损伤小；
2、采用FPGA作为系统功能实现的平台，拓展性更好，同时可以通过升级软件的方式实现功能升级，若结合图像识别算法可以实现移动平台上对于实时性强、功耗低的要求；
3、设计了遥控灭火平台，使操作人员可以远离灭火现场，增加了灭火人员的安全保障。
图2至图3为本发明实施例中时钟模块的示意图。在一种可能的实施例中，还可以包括：时钟模块。时钟模块，用于产生时钟信号，供小车控制模块、避障模块、驱动模块、火源探测模块和超声灭火模块使用。
示例性地，时钟模块包含多个分频器，分频器用于将输入的基准时钟信号进行分频处理，获得各个模块需要的频率的时钟信号。
在本发明的实施例中，分频器的数量为三个，输入的基准时钟信号频率为100MHz，该基准时钟信号经过分频器D2的100倍分频后，获得频率为1MHz 的时钟信号，该时钟信号供避障模块和火源探测模块使用。同理，基准时钟信号经过分频器D3和D1分频后，分别得到频率为10KHz和10MHz的时钟信号，频率为10KHz的时钟信号供驱动模块和超声灭火模块使用。而基准时钟信号则供小车控制模块使用。
图4至图6为本发明实施例中小车控制模块的示意图。在一种可能的实施例中，小车控制模块，可以包括：红外解码模块和状态判断模块。红外解码模块，用于接收红外遥控器发出的红外信号，将该红外信号解码。状态判断模块，用于根据解码后的信号作出相应的判断，输出对应的控制指令。
示例性地，红外遥控器使用型号为WD6122的芯片作为红外发射芯片，该芯片是通用红外遥控器发射集成电路，采用CMOS工艺制造，其特点主要为低压CMOS工艺制造，工作范围宽，通过外部接法最多可产生65536种用户码，可通过SEL管脚选择，最多可支持128+6条指令。而红外解码模块则与红外接收头连接，该红外接收头采用VS1838B，其内部集成了监测、放大、滤波、解调等一系列电路处理输出基带信号，作为接收器接收红外遥控器按键按下后经过转换的信号。
在本发明的实施例中，红外解码模块通过有限状态机FSM来实现解码操作。在DATA_STATE(数据获取)状态，最重要的就是判断这一比特的数据是0还是1，因为PPM调制，0码和1码调制后波形的高电平持续时间不同，在此处设计了一个计数器来计数高电平持续时间，通过计数器所计数的大小来判断该位是0还是1。
红外解码模块解码后得到用户键码，状态判断模块则根据用户键码作出相应判断，并输出相应的控制指令。
图7至图8为本发明实施例中避障模块的示意图。在一种可能的实施例中，避障模块与多个超声波传感器连接，超声波传感器安装在小车上，用于检测小车附近障碍物的距离，避障模块根据小车与附近障碍物的距离确定相应的避障策略，产生相应的控制指令。
示例性地，采用3个超声波传感器分别来探测小车正前方、左侧与右侧是否存在障碍物，并以此来进行避障操作。根据所选择超声波传感器的使用手册，要使得超声波传感器工作，主控芯片需要提供一个trig触发信号，之后超声波传感器会发送回来一个持续时间T的高电平，根据此持续时间T可以与设定阈值进行比较从而完成避障操作。
在本发明的实施例中，超声波传感器采用HC-SR04超声波测距模块，其可提供2cm-700cm的非接触式距离感测功能，测距精度可达0.3cm。该模块包括了超声波发射器、接收器与控制电路。传感器的基本工作原理是：控制口发一个10μs以上的高电平，就可以在接收口等待高电平输出。一有输出就可以开定时器计时，当此口变为低电平时就可以读定时器的值，此时就为此次测距的时间，方可算出距离。如此不断的周期测，就可以实现移动测量。
超声波传感器测距的具体工作流程为：
(1)采用IO触发测距，给至少10μs的高电平信号；
(2)模块自动发送8个40khz的方波，自动检测是否有信号返回；
(3)有信号返回，通过IO输出一高电平，高电平持续的时间就是超声波从发射到返回的时间。测试距离＝(高电平时间*声速(340M/S))/2。
在一种可能的实施例中，避障模块根据超声波传感器发射和接收超声波的时间差确定小车附近障碍物的距离。在确定超声波传感器发射和接收超声波的时间差后，如果连续多次确定的时间差都大于设定值，避障模块确定小车与障碍物的距离过近。
示例性地，在对持续时间T，即时间差的高电平进行处理的时候，由于小车运行过程当中，超声波传感器还有小车都会出现一定程度上的抖动，会影响小车的运行情况，为了提升小车的稳定性，在避障模块中添加了防抖动的功能，其判断逻辑为：如果在连续多次，例如两次得到的持续时间T都超过设定阈值，那么就向上一层返回这个数值。如果没有大于设定阈值，相当于整个小车所探测到持续时间T不做出改变。
图9至图10为本发明实施例中行为选择模块的示意图。在一种可能的实施例中，还可以包括：行为选择模块。行为选择模块将小车当前的工作模式设定为最高优先级，当接收小车控制模块和避障模块发送的控制指令后，行为选择模块仅将最高优先级对应的控制指令发送给驱动模块。
示例性地，在本平台的设计中，由于采用模块化的设计，同一时间会有多个行为出现，如避障模块、小车控制模块都有行为输出，因此需要选择其中一个行为作为当前工作模式的行为来控制小车的行动。在本发明实施例中，设计了一个行为选择模块来进行判断，通过该模块让对应工作模式的优先级达到最高，进而启动对应的行为事件。此模块中最核心的是一个数据选择器，选择的依据就是miniCarMode信号，而此信号是由红外遥控器产生的一个控制工作模式信号。
图11至图13为本发明实施例中驱动模块的示意图。在一种可能的实施例中，驱动模块与驱动电机连接，驱动模块包括：左轮占空比模块、右轮占空比模块、左轮驱动子模块、右轮驱动子模块、总驱动子模块和直流驱动模块。左轮占空比模块，用于根据控制指令中左轮的控制数据确定控制左轮的PWM信号的占空比；左轮驱动子模块，用于根据左轮占空比模块确定占空比产生相应的 PWM信号。右轮占空比模块，用于根据控制指令中右轮的控制数据确定控制右轮的PWM信号的占空比；右轮驱动子模块，用于根据右轮占空比模块确定占空比产生相应的PWM信号。总驱动子模块，用于根据左轮驱动子模块和右轮驱动子模块产生的PWM信号进行整合，获得相应的PWM信号。直流驱动模块，用于产生驱动驱动电机的驱动信号。驱动电机在总驱动子模块产生的PWM信号和直流驱动模块产生的驱动信号控制下，带动小车行动。
示例性地，驱动模块是小车控制的核心，该模块的主要用于将主控芯片产生一系列指令输出至驱动电机的驱动电路，由该模块产生驱动电机的行为操作(正转、反转、停止等)。
在本发明的实施例中，使用的驱动电机是直流电机，同时使用总驱动子模块模块来输出不同占空比的信号，对小车左右轮进行驱动，使用差速法来实现小车的转向(例如：小车左轮转速快而右轮转速慢，此时小车将向右转)。左轮驱动子模块、右轮驱动子模块、总驱动子模块主要是通过改变方波的占空比，使得驱动电机上的平均接通时间从0-100％的变化，以达到调整驱动段集速度的目的。在驱动模块中调用了左轮驱动子模块、右轮驱动子模块用以分别控制左右轮的转速。输入信号PWM_Mark_Space_Ratio是占空比，范围为0-100。
在本发明的实施例中，在左轮驱动子模块和右轮驱动子模块内部设计了一个计数器从0-99计数，并将此计数器与输入占空比信号 PWM_Mark_Space_Ratio进行比较，若其小于占空比，输出信号为高电平，反之则为低电平，计数器计数到99后自动清零，产生下一个脉冲。
在本发明的实施例中，采用L293D芯片构成的驱动电路来驱动小车的四个直流驱动电机。L293D是一款单片集成的高电压、高电流、4通道电机驱动，设计用于连接标准DTL或TTL逻辑电平，驱动电感负载(诸如继电线圈、DC和步进电机)和开关功率晶体管等等。为了简化为双桥应用，L293D每个通道对都配备了一个使能输入端。L293D逻辑电路具有独立的供电输入，可在更低的电压下工作。此外，L293D还内置了箝位二极管。L293D适用于频率达5kHz 的开关应用，其工作电压为4.5-36V；单通道输出电流600mA；峰值输出电压 1.2A。一个芯片可以驱动两台直流电机。
图14至图16为本发明实施例中温度测量模块的示意图。在一种可能的实施例中，还可以包括：温度测量模块和显示模块。温度测量模块与温度传感器连接，用于测量小车附近环境中的温度。显示模块，用于显示温度测量模块测量的温度。
示例性地，温度测量模块可以测量小车周围所处的环境，判断该环境是否处于小车正常运行环境，若超出设定温度，则会通过蜂鸣器报警，红色发光二级管闪烁来表示报警状态。
在本发明的实施例中，该模块主要由以下几个模块构成：信号产生模块、温度子模块、第一转换模块和第二转换模块。在最关键的温度子模块，采用有限状态机FSM实现温度数据的接收，在有限状态机中采用延时法来实现对于数据位0和1的判断。因为每一位数据都以50μs低电平时隙开始，高电平的长短定了数据位是0还是1，就从高电平开始延时40μs，之后再对数据采样，得到0 表示接收数据0，得到1表示接收数据1。
温度传感器的型号为DHT-11，其特点主要有以下几点：
1)相对湿度和温度测量；
2)全部校准，数字输出；
3)无需外部器件，稳定性高；
4)超长的信号传输距离，能耗低。
其采用串行接口(单线双向)，传感器上的DATA引脚用于主控芯片与 DHT-11之间的通讯和同步，采用单总线的数据格式，一次通讯时间4ms左右，数据分为小数部分和整数部分，一次完整的数据传输位宽为40bit，高位先出。数据格式：8bit湿度整数+8bit湿度小数+8bit温度整数+8bit温度小数+8bit校验位。其中，校验位为前面4个8位数据相加所得结果的末8位。
在一种可能的实施例中，温度测量模块包括：信号产生模块和温度子模块。信号产生模块，用于产生采样使能信号。温度子模块，用于在采样使能信号的控制下接收温度传感器发送的信号，并确定温度。
示例性地，使用温度传感器采集数据时，温度采样频率为1S一次，根据温度传感器的数据手册使用有限状态机FSM编写采样使能信号sample_en，方便于后续采样。
图17至图19为本发明实施例中速度测量模块的示意图。在一种可能的实施例中，还可以包括：速度测量模块。速度测量模块与速度传感器连接，用于测量小车的行动速度。显示模块用于显示速度测量模块测量的速度。
示例性地，速度测量模块可以实时的采集左右轮的速度，该模块的设计主要根据速度传感器所传给主控芯片的信号来进行速度的确定。本发明的实施例中，速度传感器使用20格栅盘，当小车的车轮以固定速度转动时，速度传感器会产生固定周期的矩形脉冲，在单位时间内对脉冲个数计数，假定计数结果为 cnt，那么单位时间内小车走过的距离为：
上式中：r为小车的车轮半径，故小车的速度v＝Dcm/s。
本发明的实施例中，该模块主要由速度子模块和转换模块两部分组成，速度子模块包括第一速度子模块和第二速度子模块，分别用于测量左轮和右轮的速度，转换模块包括第三转换模块和第四转换模块，分别用于将左轮的速度和右轮的速度转换为十进制码。首先根据速度传感器产生的脉冲信号进行处理，内部通过一个计数器来实现对单位时间内脉冲个数的记录，之后将数据进行运算处理，得到小车的速度(单位厘米/秒)，此时得到的数是二进制数，再经过一个二进制转BCD码的数据转换模块将速度数据和转换成BCD码输出给显示模块以显示。
速度传感器采用HC-020K测速传感器，该传感器是一款宽电压、高分辨率、短响应时间的传感器模块。
图20至图21为本发明实施例中火源探测模块的示意图。在一种可能的实施例中，火源探测模块与火源探测传感器连接，用于探测小车附近是否存在火焰。超声灭火模块，用于在火源探测模块确定存在火焰时，根据温度测量模块确定的温度确定是否需要灭火，当确定需要灭火时，超声灭火模块产生超声波，以进行灭火作业。
示例性地，火源探测模块的功能是通过火源探测传感器检测小车附近的火焰，同时将火源探测传感器检测到的火焰温度进行转化并传输给超声灭火模块进行判断。在该模块中同样设置了状态机实现传感器与FPGA芯片之间的数据通讯过程。
火源探测传感器选用DS18B20温度传感器，是一种常用的数字温度传感器，其输出的是数字信号，具有体积小，硬件开销低，抗干扰能力强，精度高，接线方便，封装成后可应用于多种场合的特点。
图22至图25为本发明实施例中超声灭火模块的示意图。在一种可能的实施例中，超声灭火模块可以包括：超声灭火控制模块、超声产生模块和二极管。超声灭火控制模块，用于确定是否需要灭火，并产生相应的灭火控制信号。灭火控制信号用于控制二极管的通断，当灭火控制信号表示需要灭火时，二极管导通，将超声灭火电源模块和超声产生模块连接。超声产生模块，用于在与超声灭火电源模块连接后产生超声波。
示例性地，超声灭火控制模块的主要功能是根据温度测量模块检测到的温度数据来判断是否需要开始灭火，输出灭火控制信号控制灭火。该模块中设计了一个状态机，将温度测量模块中检测到的温度数据temperature与设定值(目前设定为纸张点燃温度183°)进行比较，若大于设定值，则说明当前存在火焰或者火焰未扑灭，则将灭火控制信号start_signal置为高电平；若检测到温度低于设定温度，则将灭火控制信号置为低电平。
灭火控制信号控制的为一个二极管，以控制超声灭火电源模块的接入，高电平时二极管导通，低电平时截止，进而控制超声产生模块的工作。
为了实现超声波灭火的功能，本发明实施例使用通过低频声波与空气的共同作用进行灭火的低频超声灭火模块。超声产生模块包括波形发生器、功率放大器和扬声器，波形发生器在超声灭火电源模块的电源供应下产生低频信号，功率放大器将低频信号放大成较高电压和电流的驱动信号，以驱动扬声器发出低频声波。扬声器设置在声腔内，声腔将低频声波进行定向聚集，对准火源进行灭火。超声灭火电源模块可以采用大容量可充电锂电池供电。
波形发生器由FPGA芯片通过编程实现，功率放大器选择美国NS公司的 LM3886TF高性能音频功率放大器，可以在20Hz-20kHz的情况下提供38W到 82W的输出功率，同时还具有自动抗开关机时的电流冲击的功能，保障设备安全。超声灭火电源模块则选择由GBJ2510和两个10000μF/45V电解电容组成整流模块，LM2596降压模块组成直流降压电路，LM317模块构成稳压模块，采用一块60V/13Ah锂电池串联构成大容量锂电池。
声腔部分主要对扬声器发出的声波进行定向聚集，根据曲面自聚集原理进行设计，通过3D打印成型。
图26为本发明实施例中显示模块的示意图。在本发明的实施例中，显示模块为七段数码管。显示模块是上述各个模块将所得到的处理后数据直观显示出来的模块，该模块所完成的功能是可以通过红外遥控器来进行相应数据的显示与否。该模块可以显示多组不同的数据，包括温度(C/％)、速度(cm/s)、障碍物距离(cm)等。其内部实现主要是通过小车控制模块产生一个片选使能信号，数码管根据这个片选使能信号显示不同的数据。
以某输油站高压配电所发生火灾为例，若采用传统的干粉灭火器需要消防员携带进入火场，除了干粉灭火器会对设备带来损害之外，高压配电所由于高压危险需保持安全距离，所以也给消防员带来了人身安全的威胁，此时即可由消防人员在配电所外遥控小车进入，对于目视范围内的火焰进行灭火，若想灭掉目视范围外的火焰，则可由小车显示温度判断火源，小车自动对火焰进行熄灭，在保证消防员人身安全的同时，也避免了干粉灭火器可能对设备带来的影响。
尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
Claims (10)
1.基于FPGA的遥控超声波灭火平台，其特征在于，包括：小车控制模块、避障模块、驱动模块、火源探测模块和超声灭火模块，所述小车控制模块、避障模块、驱动模块、火源探测模块和超声灭火模块均基于FPGA芯片开发；
所述小车控制模块，用于根据选定的小车工作模式对小车进行行动控制，所述小车的工作模式包括遥控模式和避障模式，在所述遥控模式下，所述小车控制模块根据接收的遥控指令产生相应的控制指令；
所述避障模块，用于在所述小车处于避障模式下时，产生相应的控制指令；
所述驱动模块，用于响应所述小车控制模块或避障模块产生的控制指令，对所述小车的行动进行控制；
所述火源探测模块，用于确定火源是否存在；
所述超声灭火模块，用于在所述火源探测模块确定存在火源时，产生超声波，进行灭火作业。
2.根据权利要求1所述的基于FPGA的遥控超声波灭火平台，其特征在于，所述小车控制模块包括：红外解码模块和状态判断模块；
所述红外解码模块，用于接收红外遥控器发出的红外信号，将该红外信号解码；
所述状态判断模块，用于根据解码后的信号作出相应的判断，输出对应的控制指令。
3.根据权利要求1所述的基于FPGA的遥控超声波灭火平台，其特征在于，所述避障模块与多个超声波传感器连接，所述超声波传感器安装在所述小车上，用于检测所述小车附近障碍物的距离，所述避障模块根据所述小车与附近障碍物的距离确定相应的避障策略，产生相应的控制指令。
4.根据权利要求3所述的基于FPGA的遥控超声波灭火平台，其特征在于，所述避障模块根据所述超声波传感器发射和接收超声波的时间差确定所述小车附近障碍物的距离；
在确定所述超声波传感器发射和接收超声波的时间差后，如果连续多次确定的时间差都大于设定值，所述避障模块确定所述小车与障碍物的距离过近。
5.根据权利要求1所述的基于FPGA的遥控超声波灭火平台，其特征在于，所述驱动模块与驱动电机连接，所述驱动模块包括：左轮占空比模块、右轮占空比模块、左轮驱动子模块、右轮驱动子模块、总驱动子模块和直流驱动模块；
所述左轮占空比模块，用于根据所述控制指令中左轮的控制数据确定控制左轮的PWM信号的占空比；所述左轮驱动子模块，用于根据所述左轮占空比模块确定占空比产生相应的PWM信号；
所述右轮占空比模块，用于根据所述控制指令中右轮的控制数据确定控制右轮的PWM信号的占空比；所述右轮驱动子模块，用于根据所述右轮占空比模块确定占空比产生相应的PWM信号；
所述总驱动子模块，用于根据所述左轮驱动子模块和右轮驱动子模块产生的PWM信号进行整合，获得相应的PWM信号；
所述直流驱动模块，用于产生驱动所述驱动电机的驱动信号；
所述驱动电机在所述总驱动子模块产生的PWM信号和所述直流驱动模块产生的驱动信号控制下，带动所述小车行动。
6.根据权利要求1所述的基于FPGA的遥控超声波灭火平台，其特征在于，还包括：温度测量模块和显示模块；
所述温度测量模块与温度传感器连接，用于测量所述小车附近环境中的温度；
所述显示模块，用于显示所述温度测量模块测量的温度。
7.根据权利要求6所述的基于FPGA的遥控超声波灭火平台，其特征在于，所述温度测量模块包括：信号产生模块和温度子模块；
所述信号产生模块，用于产生采样使能信号；
所述温度子模块，用于在所述采样使能信号的控制下接收所述温度传感器发送的信号，并确定温度。
8.根据权利要求6所述的基于FPGA的遥控超声波灭火平台，其特征在于，所述火源探测模块与火源探测传感器连接，用于探测所述小车附近是否存在火焰；
所述超声灭火模块，用于在所述火源探测模块确定存在火焰时，根据所述温度测量模块确定的温度确定是否需要灭火，当确定需要灭火时，所述超声灭火模块产生超声波，以进行灭火作业。
9.根据权利要求8所述的基于FPGA的遥控超声波灭火平台，其特征在于，所述超声灭火模块包括：超声灭火控制模块、超声产生模块和二极管；
所述超声灭火控制模块，用于确定是否需要灭火，并产生相应的灭火控制信号；
所述灭火控制信号用于控制所述二极管的通断，当所述灭火控制信号表示需要灭火时，所述二极管导通，将超声灭火电源模块和所述超声产生模块连接；
所述超声产生模块，用于在与所述超声灭火电源模块连接后产生超声波。
10.根据权利要求1所述的基于FPGA的遥控超声波灭火平台，其特征在于，还包括：速度测量模块和显示模块；
所述速度测量模块与速度传感器连接，用于测量所述小车的行动速度；
所述显示模块用于显示所述速度测量模块测量的速度。
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|---|---|
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Citations (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN104122894A (zh) * | 2014-07-23 | 2014-10-29 | 苏州蓝萃电子科技有限公司 | 一种基于单片机的循迹小车系统 |
| US20150136430A1 (en) * | 2012-06-07 | 2015-05-21 | Oy Halton Group Ltd. | Fire suppression systems, devices, and methods |
| US20180056103A1 (en) * | 2016-08-25 | 2018-03-01 | University Of Dammam | Systems and methods for sound waves fire extinguishers |
| CN108115697A (zh) * | 2016-11-28 | 2018-06-05 | 深圳市阿童木文化传播有限公司 | 服务机器人及服务机器人的控制方法 |
| KR20190103715A (ko) * | 2018-02-28 | 2019-09-05 | 주식회사 나노메딕스 | 초음파를 이용한 음파소화기 |
| US20200054905A1 (en) * | 2017-03-20 | 2020-02-20 | Oy Halton Group Ltd. | Fire Safety Devices Methods and Systems |
| CN110947137A (zh) * | 2019-12-23 | 2020-04-03 | 江苏农林职业技术学院 | 一种智能灭火车及其控制方法 |
| US20200139169A1 (en) * | 2018-11-07 | 2020-05-07 | Scientific Environmental Design, Inc. | Hvac fire suppression system |
-
2021
- 2021-04-13 CN CN202110391594.3A patent/CN113350718A/zh active Pending
Patent Citations (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20150136430A1 (en) * | 2012-06-07 | 2015-05-21 | Oy Halton Group Ltd. | Fire suppression systems, devices, and methods |
| CN104122894A (zh) * | 2014-07-23 | 2014-10-29 | 苏州蓝萃电子科技有限公司 | 一种基于单片机的循迹小车系统 |
| US20180056103A1 (en) * | 2016-08-25 | 2018-03-01 | University Of Dammam | Systems and methods for sound waves fire extinguishers |
| CN108115697A (zh) * | 2016-11-28 | 2018-06-05 | 深圳市阿童木文化传播有限公司 | 服务机器人及服务机器人的控制方法 |
| US20200054905A1 (en) * | 2017-03-20 | 2020-02-20 | Oy Halton Group Ltd. | Fire Safety Devices Methods and Systems |
| KR20190103715A (ko) * | 2018-02-28 | 2019-09-05 | 주식회사 나노메딕스 | 초음파를 이용한 음파소화기 |
| US20200139169A1 (en) * | 2018-11-07 | 2020-05-07 | Scientific Environmental Design, Inc. | Hvac fire suppression system |
| CN110947137A (zh) * | 2019-12-23 | 2020-04-03 | 江苏农林职业技术学院 | 一种智能灭火车及其控制方法 |
Non-Patent Citations (4)
| Title |
|---|
| 冯正东等编著: "《虚拟机器人》", 30 September 2017, 电子科技大学出版社 * |
| 许挺林编著: "《城市居民消防常识》", 28 February 1998, 贵州科技出版 * |
| 邵欣等编著: "《机器人视觉与传感器技术》", 31 August 2017, 北京航空航天大学出版社 * |
| 郭峰主编: "《我爱发明：青少年科技创新实践与活动》", 28 February 2014, 哈尔滨工程大学出版社 * |
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