关于小区消防安全隐患巡查车的方案设计---中期进程一览
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背景

数据统计

据统计数据显示,2019年全年共接报火灾23.3万起,产生亡人1335人,837人受伤,直接财产损失36.12亿元。其中,城乡居民住宅火灾虽然只占总数的44.8%,但全年共造成1045人死亡,占总数的78.3%,远超其他场所亡人的总和。同时,随着我国人口老龄化的加快,火灾亡人的老龄人口所占比重已从2009年的占29%提升至2019年的36.2%,远高于老龄人口占总人口16.2%的比重。而住宅火灾中该比例更达到42.9%,瘫痪、残疾、精神病人等群体的比重达到44.3%(与年龄分别统计)。

由此可知,小区安全隐患对于广大人民群众,尤其是老年人和残疾人士等行动不便的社会群体来说,是生命财产安全的巨大威胁。所以,加强小区消防隐患的排查力度,提高频次,是一项有益且必要的举措。

但对于像楼道杂物堆积排查等工作,工作任务简单但十分费时费力,对于人力资源的消耗很大,很难进行较高频次的巡查工作。故而无法及时的发现,清除隐患。但是如果将工作交给机器来做,就可以既做到更大程度上规避风险,又可以节省人力,可谓是一箭双雕。
鉴于对上述情况的了解,本团队决定设计一款针对小区消防安全隐患的巡查车,以STM32F103ZET6开发板主控,通过借助特殊机械结构与HY-SRF05超声波模块、ATK-OV7725摄像头模块等硬件模块以及相应的算法实现小区楼层的消防通道全面排查。

技术与功能实现

1.攀爬楼梯的机械结构

本车参考其他攀爬楼梯小车的机械结构,进行改进设计。利用MG996 360度舵机对前轮十字架进行控制,负责将小车前半部分架上一级台阶同时,后轮马达给予动力推动小车的前行。通过后轮对垂直楼梯壁的摩擦力和前车架支持力将小车送上楼梯。具体过程,如图示。

攀爬楼梯演示

2.对于检测杂物的要求

本车使用HY-SRF05超声波模块、ATK-OV7725摄像头模块对于杂物进行分析辨识。
HY-SRF05超声波测距模块可提供2cm-450cm的非接触式距离感测功能,测距精度可达到3mm。

HY-SRF05超声波测距模块

ATK-OV7725摄像头模块30W像素高清摄像头,拍摄清晰;自动图像控制功能:自动曝光(AEC)、自动白平衡(AWB)、自动消除灯光条纹等;自带有源晶振,集成FIFO芯片方便MCU读取图像;帮助小车识别道路,检测障碍。 ATK-OV7725摄像头模块

3.对于火源的检测

火焰传感器模块可以检测火焰或波长在760纳米~1100纳米范围内的光源;探测角度60度,打火机测试火焰距离80cm,火焰越大距离越远;灵敏度可调节。
火焰传感器模块

另外配备了MQ-7 一氧化碳传感器模块,该模块有着对CO具有很高的灵敏度和良好的选择性,并且具有信号输出指示、双路信号输出、快速响应恢复等特性。

co传感器模块

4.小车实时位置的监控

小车的监控主要依靠GPS北斗双定位模块ATK1218-BD与wifi模块ATK-ESP8266。

GPS北斗双定位模块兼容3.3V/5V电平,方便连接各种单片机系统;模块自带可充电后备电池,可以掉电保持星历数据;模块核心采用SkyTraq公司的S1216F8-BD模组,具有167个通道,追踪灵敏度高达-165dBm,测量输出频率最高可达20Hz。(最大支持 20Hz 刷新,即每次获取小车位置时间间隔短,定位实时精确)
GPS北斗双定位模块
wifi模块通过路由器连接互联网,手机或电脑通过互联网实现对小车的远程制;默认模式ATK_ESP8266模块作为热点,实现手机或电脑直接与小车通信,实现局域网无线控制;上述两模式还可以共同使用,实现局域网和广域网的无缝切换,方便接受小车反馈的信息。
wifi模块

5.基本的避障

小车避让人体采用人体红外感应模块。模块功能:1.光敏控制:可设置光敏控制,白天或光线强时不感应;2.温度补偿:在夏天当环境温度升高至30~32℃,探测距离稍变短,温度补偿可作一定的性能补偿。可以极好的识别人群,从而使小车避让行人。
人体红外感应模块

6.运动情况

利用ATK-MPU6050加速度传感器模块收集小车运动情况。该模块整合了3轴陀螺仪和3轴加速度传感器; 自带数字运动处理器硬件加速引擎很方便完成运动处理运算;结合WIFI通讯模块可实时传出小车运动情况;

加速度传感器模块及运作流程图

7.主控板

功能强大的主控板STM32F103ZET6
主控板

已取得的成果

电机方面

1.电机的选型驱动电路的设计以及电机的控制系统初步校验完成。

鉴于小车所需要在住宅区工作,以及无刷电机的优点:1. 没有损耗,相比有刷电机寿命大 2. 噪音很小,在楼道中不会产生过大噪音影响居民 。
电机选用mn4006电机
mn4006电机
![![配置的电机驱动程序界面][13]
配置的电机驱动程序界面][13]

2.搭建了测试电机的车模,目前正在测试其转矩、响应速度、死驱电压等。

测试图

硬件方面

模块的测试除了wifi模块之外其他基本完成

人体红外检测模块,一氧化碳检测模块 mpu6050模块 舵机 激光测距模块 超声波测距模块代码,GPS 北斗双定位模块都已经测试完毕。

因为团队中队员有使用其他单片机的经验,所以想用其他单片机做相应的测试,比较一下性能。
1.针对英飞凌TC264D芯片自己绘制最小系统板进行相应的测试
(对于摄像头和IO口的测试)
测试

测试

2.使用GPS北斗双定位系统实现了对于设备的定位
图1

图中是在学校进行的定位测试,如果资金支持,可以选用精确度更高的模块实现更精确的定位。
图2

3.在控制小车转向的舵机选择上,使用了MG996R型号的舵机,配合超声波测距模块,可以实现小车的自主避障

图3

4.使用了18B20数字温度传感器测量环境温度,为火源信息确定提供进一步的信息支持。

图4图5

5.考虑到之后对小车对摄像头获取图像的处理,我们也会尝试使用openmv开展相关工作
图6图7
该模块是专门用于图像识别的嵌入式开发模板,使用python进行开发,适合于短期的开发工作。

6.mpu传输给上位机的波形图
mpu传输给上位机的波形图

车体方面

车模大体结构利用PC材料进行了搭建
图8
图9 图10

软件方面

所有的模块使用的代码已经整合到了一个工程中并合理分配过芯片引脚。
图11
各个模块的代码移植工作已经完成
图12
模块的引脚分配完成。

困难和预期

1.经验不足

最小系统板的测试以及电机的选择和驱动调试都花费了很长时间,最小系统的设计也出现了硬件上的设计问题导致烧坏。

2.经费

经费方面目前报销途径不明确,所有的目前的工作都是队员出钱解决。

3.模块

一些模块在使用时没能达到预期,目前尚未查明问题所在,如测距模块的误差很大

4.预期计划

  1. 确定报销途径
  2. 选择并购买电池
  3. 组建巡查车
  4. 测试机械结构
  5. 测试避障、检测和定位等
  6. 循迹的测试
  7. 实际场景的演练如宿舍

持续更新ing


团队成员:王文晨 胡滎韬 史一凡 祖锦源

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