无线遥控火灾救援探测装置研究

吕彬彬 王宪磊 苏冬冬 冀 恩 方衍义 李永健 张洪舰

（塔里木大学机械电气化工程学院，新疆 阿拉尔 843300）

无线遥控火灾救援探测装置研究

吕彬彬 王宪磊 苏冬冬 冀 恩 方衍义 李永健 张洪舰

（塔里木大学机械电气化工程学院，新疆 阿拉尔 843300）

近年来旋翼无人飞行器的应用日趋广泛，其中四旋翼具有灵活性高，可以垂直升降，多角度操控，搭载多个传感器等优点，是近来研究的热门对象。针对火灾中常常需要消防人员进入火灾现场寻找是否有被困人员，文章主要研究小型四旋翼在狭小空间自主飞行，完成特定任务，能将空间内的被控人员信息传回接收装置并显示，方便消防人员判断处理。采用的飞行器结构简单，可操控性高，使用灵活，试验机验证了装置的可行性，并且该装置还预留了wifi视频接口便于以后升级，可以添加摄像头，增加摄影功能等。

无线遥控；火灾；飞行器；探测；壁障

1 引言

我国人口众多，由于自然因素或人为误操作导致火灾现象频繁发生。在火灾现场中常常有人因吸入烟雾而昏迷。而且火灾现场情况复杂消防人员在烟雾中会看不清被困人员，导致被困人员的救援延时。或者现场没有被困人员而消防人员还要进入现场，既耽误了应有的火灾救援时间，还有可能对消防人员安全造成不必要的伤害。

本文设计一种小型四轴无线遥控飞行装置，可按照指令进入火灾现场，检测现场是否有人，并把信息传回遥控装置，便于救援人员判断火灾现场被控人员情况，实施相应的救援方案。

2 探测装置核心元件

该探测装置需要用到飞行器，采用四轴飞行器。四轴飞行器相对于传统的飞行器来说，有结构简单，体积小，重量轻，噪声小等优点，对承力结构没有什么太大的要求。而且多旋翼能保证飞行的动力，空气动力学性质可以有简单的模型代替，便于控制。四轴飞行器也有较好的飞行性能和垂直起降功能。还可外接多种传感器，拥有很强的扩展性和适应性，可以挑战多种复杂的环境实现不同的实用要求。

3 探测装置系统方案

该装置主要以STM32单片机为控制核心，加以电源电路、电机驱动电路，人体红外感应模块以及超声波传感器模块等构成。消防人员无线遥控装置使探测装置进入火灾现场。装置进入火灾现场后能智能躲避现场的壁障，并通过人体红外传感器采集被困人员信息，将信息送给单片机进行分析处理然后将火灾现场被困人员信息传回接收装置并显示，易于消防员了解火灾现场被困人员情况，便于下一步救援措施的制定。整个系统的设计以单片机为核心，利用了多种传感器，将软件和硬件相结合。

4 探测装置硬件设计

该火灾救援探测装置主要由飞行器模块，人体感应模块，超声波模块，电源模块，蓝牙模块等组成。

4.1 机架构成

机架是十字状，各种模块固定在机架上。电机采用空心杯牌的无刷直流电机，固定在四个端点上。旋转浆固定在电机上，正浆反浆交替安装。机架鸟瞰如图1所示，机架近景如图2所示。

图1 机架鸟瞰图

4.2 红外线传感器模块设计

人体红模块外传感器，由集成比较器芯片LM393，1个红外接收头（光敏二极管），2个滤波电容，2个上拉电阻2个限流电阻，2个LED指示灯，1个10K的电位器组成。反向输入端为设定的阀值，通过电位器来调节阀值。当没有感应到红外线时，正向输入端IN1+为高电平，反向输入端IN1-电压（阀值）低于正向输入端IN1+电压；输出端OUT1没有输出；当红外接收管感应到红外线时，正向输入端IN1+输入的电压快速降低，反向输入端IN1-电压高于正向输入端IN1+电压，输出管饱和，所以输出端OUT1输出低电平。

4.3 红外光电开关ST178进行避障

红外光电开关ST178进行避障，光电开关的工作原理是根据投光器发出的光束，被物体阻断或部分反射，受光器最终据此作出判断反应，是利用被检测物体对红外光速的遮光或反射，当检测到有障碍物的时候，光电对管就能够接受到物体反射的红外光，其物体不限于金属，对所有能反射的光线的物体均能检测。光电对管ST178操作简单实用方便。当有光线反射回来时，输出低电平。当没有光线反射回来的时候，输出高电平。

自动壁障主要依靠5个超声波传感器，检测人数依靠红外人体感应传感器。通过传感器感应外界环境然后传送给STM32，STM32根据超声波传感器的数据自动壁障，把红外人体感应传感器的数据传给上位机。运行简述如下：

（1）进入假象环境（火灾）后，超声波传感器五个方向（前后左右下）传感器不停的检测飞行器四周的距离，红外人体感应传感器开始检测人体。

（2）超声波传感器发现距离小于50cm时即发送警告信号给STM32，红外人体感应传感器感应到人体后发送高电平。

（3）STM32在接收到某个方向有警告的信号后，立即将这个方向上的速度减为0，接收到红外人体感应传感器的高电平后发送给上位机，上位机进行显示人数，再次接受到STM32的数据后累加。

4.4 无线遥控模块选择

无线遥控是利用无线信号在空气中传播可根据无线电波的频率来遥控可穿透一定的障碍物，它的特点是无方向性、可以不面对面控制、距离远、容易受电磁干扰。

5 探测装置软件构成

5.1 上位机

主要是针对装置的需要通过蓝牙与飞行器通信，具有传感器数据的传输，姿态的显示，测试电机及传感器，还可以查看电亮以及其他功能。上位机如图3所示。

图3 上位机

5.2 下位机

下位机主要是STM32里的程序，主要负责姿态的检测及计算，接受命令及传输数据，控制输出。STM32直接控制着电机的旋转，所以飞行器的安全性，可操作性，稳定性等都依靠它。

6 结束语

本文主要是针对建筑物内发生火灾而设计的飞行器探测器，其机械结构简单，可操控性好，具有广阔的应用前景。消防人员无线遥控该装置进入火灾现场，探测装置通过人体红外传感器采集火灾现场被困人员数量，并将信息传回单片机接收装置进行分析处理，并通过数码管显示火灾现场被困人员数量，便于消防员采取不同救援措施提供参考。整个系统的设计以单片机为核心，利用了多种传感器，将软件和硬件相结合，可以为消防员火灾救援提供帮助。该装置扩展性高，以后还可搭载摄像头进行高压巡线，拍摄高处线路的故障图片，还可以对建筑物内进行拍摄，以便给安保人员和警察提供信息参考，有很广泛的应用前景。

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[3] 寇建国.人体红外感应技术在斜井运输管理上的应用[J].山东煤炭科技,2012(6):37-38.

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[5] 闫锦龙.带自动避障系统的智能四轴飞行器的设计[D].合肥:安徽大学,2014.

[6] 黄鹏宇,曾路荣,杨川,等.一种新型灾难救援四轴航拍飞行器设计[J].四川兵工学报,2014,06:124-128.

Wireless remote control fire rescue detection device research

In recent years, the application of rotor unmanned aerial vehicle is getting more and more widely, including four rotor with high flexibility, vertical movements, multi angle control, equipped with multiple sensors and other advantages, is a popular object of recent research. Aiming at the fire often need to fire personnel to enter the scene of the fire to find out whether there is trapped, this paper mainly studies the small four rotor in the autonomous flight of narrow space, to complete a specific task, can be accused of personnel within the space of information back to the receiving device and display, convenient for firemen to judgment processing. The aircraft structure is simple, controllable high, flexible use, verified the feasibility of the testing machine device, and the device also reserved the WiFi video interface to facilitate later upgrade, you can add a camera photography, increase the function etc.

Wireless remote control; fire; aircraft; probe; barrier

TP249

A

1008-1151(2015)01-0021-02

2014-12-01

塔里木大学大学生创新创业训练计划项目（2014045）。

吕彬彬（1990－），男，新疆精河人，塔里木大学机械电气化工程学院学生，研究方向为农业电气化与自动化。

王宪磊（1983－），男，陕西子洲人，塔里木大学机械电气化工程学院讲师，硕士，研究方向为电力系统及其自动化。