摘要：设计一款具备远程遥控功能的消防机器人，采用STM32F103RCT6单片机作为主控芯片，使用ESP8266 Wi-Fi模块实现远程实时无线操控，通过摄像头、烟雾浓度传感器、雨量传感器和温湿度传感器实时反馈现场环境情况。它集远程通信、传感器技术、微处理器技术、自动控制技术、运动控制技术于一体，相对于传统的救援方式，该远程操控方案将救援人员和危险环境脱离，更有效地保证了救援人员的人身安全。

关键词：远程遥控；消防机器人；单片机；Wi-Fi模块

1、引言

本文设计的远程遥控消防机器人采用STM32F103RCT6作为主控芯片，搭载摄像头图传模块、灭火装置、运动装置、照明灯、烟雾传感器、空气质量传感器、温湿度传感器，能够实时传送救援区的现场图像以及环境数据，有需要时实施远程灭火救援。在极端高温危险的火灾现场，消防机器人可以代替消防员进入灭火现场进行灭火作业，以吸实时采集火灾现场的相关数据，方便指挥人员及时了解灾区最新情况。系统结构图如图1所示。该系统具有以下功能：能够利用Wi-Fi实施远程操控（运动部分和机械臂）；智能搜索火源并灭火；实时视频传送；现场全方位智能救援；现场实时数据反馈（温湿度雨量、烟雾浓度、空气质量）；救援现场灯光提示。

系统功能流程如图2所示。

远程遥控消防机器人的运动端和控制端外观如图3和图4所示。

手持遥控控制端由按键状态控制灯、控制按键、主控电路、安卓端显示装置以及电源组成。控制端的主控电路以STC89C52为主控芯片，通过ESP8266Wi-Fi模块连接网络进行数据传输，以8V直流电源进行供电^[1]。控制端的按键对应的是每一项独立的功能控制，信号灯主要用于观察控制端的控制信号是否正常发送出去。安卓端显示屏主要用于显示机器人传输的图传画面以及反馈救援现场的实时环境数据。

机器人灭火工作状态和实时传输视频如图5和图6所示。

2、环境检测

环境检测框架如图7所示，由电源、跨阵M4继电器、烟雾浓度传感器、雨量传感器、空气传感器、温湿度传感器组成。

空气质量传感器QS-01（Air Quality Sensor）也叫空气环境综合监测仪，常用于监测空气中的污染物浓度情况，是空气净化器及新风系统的重要组成部分^[2]。主要监测空气中的温度、湿度、气压、光照、PM2.5、PM10、TVOC等数值，还有氧气（O₂）、二氧化碳（C0₂）、一氧化碳（CO）、甲醛（CH_2O）等气体浓度。

雨量传感器采用高品质FR-04双面材料，大面积5.0emX4.0cm，用镀镍处理表面，具有对抗氧化、导电性及寿命方面更优越的性能^[3]。

3、灭火装置

灭火装置主要实现检测火源和消灭火源两大功能。火焰检测采用双路火焰传感器设计，如图8所示为检测装置。通过交叉定位确定火焰位置，大大地提高了灭火的精度。当两个火焰传感器同时检测到火焰并且达到控制器设置的阈值时，水泵自动启动喷水进行灭火作业。

本次设计采用的传感器为红外火焰传感器。该传感器主要由火焰光线敏感元件构成，可以根据温度的近红外波长域以及紫外光域的辐射强度检测火焰的存在，它可以检测火焰或者波长在760~1100nm范围内的火源，当传感器的探测角为60°左右时对火焰的检测特别灵敏^[4]。

4、图像与数据传输

机器人的图像传输模块由两个摄像头组成，一个摄像头用于观测小车周围的情况，辅助小车的正常行使，另一个摄像头用于观察作业前方的实时情况，方便救援人员进行救援作业。摄像头通过网络把拍摄到的画面实时传输到遥控控制端的显示屏上。

机器人的数据收集模块由各传感器组成，检测模块把检测到的环境数据（温度湿度雨量、氧气浓度、二氧化碳浓度、一氧化碳浓度）实时反馈到遥控控制端^[5]。消防人员可以通过控制端及时了解救援区域的环境情况。

5、机器人的机械臂与运动控制

运动部分由L298N电机驱动模块驱动直流电机，12V直流电源供电。通过同时给两个电机输人高电平控制小车前进或后退，通过单独给其中一个电机高电平实现小车左转或者右转^[6]。

机械臂部分由L298N驱动器驱动一个双轴直流电机实现机械臂的纵向升降，由两个TB6560步进电机驱动模块分别控制转轴步进电机以及丝杠伸缩步进电机实现机械臂的水平旋转以及机械臂的伸缩，图9为伸缩装置结构图。其中L298电机驱动模块和TB6560均由12V直流电源供电。

6、系统程序设计

本文介绍的远程遥控消防机器人采用C语言作为编程语言，主要由机械臂控制、机器人运动控制、照明灯控制、图像传输与数据收集、灭火装置控制五大部分组成，远程遥控消防机器人主要通过软件实现以下预期效果：手持遥控控制端通过ESP8266Wi-Fi模块远程控制机器人的运动方向和启停、机械臂的水平旋转角度和纵向升降、灭火装置和照明灯的启停，实时把灾区的视频图像以及传感器测量的环境数据反馈到控制终端的显示屏上。主程序流程图如图10所示。

7、结语

本设计以STM32F103RCT6为远程遥控消防机器人运动端的主控制芯片，通过ESP8266WiFi模块实现远程遥控，控制小车的运动状态，通过摄像头实时视频传输，寻找火源并灭火，在灭火的过程中，烟雾传感器、雨量传感器和温湿度传感器实时监测现场环境并反馈相关数据，同时通过语音对讲和被困人员沟通，了解现场情况，为实施现场救援提供必要的准备。

该远程遥控消防机器人轻便、快捷、智能，在未来的救援过程中，能发挥巨大的作用，适用多种救援现场，可实时反馈和检测相关环境数据，为救援节约宝贵时间。

参考文献

[1] 荆珂，李芳.单片机原理及应用-基于Keil C与Proteus[M].北京：机械工业出版社，2016.

[2] 赵琪.一种新型履带式消防机器人的控制系统设计[D].南昌：南昌大学，2020.

[3] 靳雪琛.一种可视化智能消防救援决策平台的研究[D].太原：中北大学，2020.

[4] 钱金星.基于STM32的消防小车设计[D].苏州：苏州大学，2020.

[5] 陈新欣.基于STM32的示教型送餐机器人的设计[J].科技创新导报，2019，16（15）：13-15.

[6] 阮毅，杨影，陈伯时.电力拖动自动控制系统-运动控制系统[M].北京：机械工业出版社，2016.