基于单片机的灭火智能小车的设计与实现
选题的目的、意义及国内外对本课题涉及问题的研究现状
1.选题的目的和意义：
随着社会的发展，人口越来越多，房屋越来越密集且越来越高层。由于房屋此类现象的产生，当发生较严重火灾时，人员疏散存在困难，室内高温，消防人员救援跟不上火势，势必造成一定的救援人员伤亡。如何改善这种情况，是如今人们需要深思的一个问题。这里，我主要研究的是房屋救援。从大的方向考虑，大致分为两个方向：一是房屋改造；二是提高灭火技术。就目前而言，密集式高层式房屋建造已成为必然趋势，因此不可从房屋改造进行改善，只可通过提高灭火技术进行改善。常见的灭火方式主要有：水基型和二氧化碳等。利用水基型高压灭火的原理是降低着火点的温度至燃点以下。一般这种方式常用于高层建筑，使用范围较广。但是不能扑救液体火灾，在北方冬季室外部分容易冻掉。在灭火时尤其对贵重物品和精密仪器等，会造成水渍损失。二氧化碳灭火器使用的是窒息法，即降低氧浓度，使燃烧不能持续。然而其灭火级别低，宜在相对密闭的空间使用;抗复燃能力差;二氧化碳是一种中等毒性的物质，尤其当浓度达到10%时，人在此环境中停留一分钟，就会失去知觉。而当使用二氧化碳灭火器时，其局部浓度大大超过这一浓度。使用其方法不会造成二次污染。
灭火技术种类有很多，但大都遵循灭火原理进行设计，当前还没有通用有效的灭火技术来改善救援人员的伤亡。在实际灭火操作中，我们需要针对具体起火原因和火灾环境，采用合适类型的灭火技术进行灭火。目前，针对改善救援人员的方案大都倾向于救援智能化。在智能寻迹灭火系统中应用单片机来代替人的思考，还可以实现自动化控制，简化了灭火的工作流程，使单片机代替多余的消防人员，节省了国家不必要的支出，减低了危险。灭火小车是通过电力降低着火点温度进行灭火，减少了对火灾区域人员和财产的损伤，并且能自主控制进行灭火。通过前期对于相关文献的阅读和分析理解，结合灭火小车的特点，拟采用单片机控制小车进行灭火。 2.国内外的研究现状：
目前无论是国内还是国外，火灾救援绝大多数时候仍然是设备辅助人工救援，但是救援人员在救援过程中承担一定的风险以及设备存在一定的缺陷[1]。因此，人们开始人工智能化救援方面的研究。人工智能的研究始于上世纪50年代[2]。而今，人工智能也称为机器智能[3]，已在各个领域得到广泛应用，并且取得了令人瞩目的成就[4]。是一门研究人类智能机理与如何用计算机模拟人类智能活动的学科。目前，人工智能发展正处于第三发展阶段[5]。
火灾救援灭火方面多采用四轮式自主移动方式的人工智能小车。四轮式自主移动机器人具有良好的稳定性、较快的移动速度等优点；四轮式自主机器人能够在保持车体姿态不变的情况下沿平面任意方向做直线运动，理论上可在机器人所在的平面上以任意的角度和速度运动，机动性增强，非常适合在空间有限、狭窄、对机器人的机动性要求高的场所[6-7]。国内比较具有代表性的为清华大学的THMR系列[8]。
国内目前的装备品种单一，作业能力远远落后于高层建筑的高度发展[9]。近年来，我国消防机器人的研制工作工作得到了政府相关部门的支持[10]。1995年上海市科学技术委员会批准公安部上海消防科学研究所着手研制我国第一台消防机器人——自行式消防炮[11]。但我国研制和开发消防机器人在无线遥控领域与技术发达国家还存在一定差距[12]。
国际上，众多国家中，日本投入应用的消防机器人最多[13]。1984年11月，在日本东京的一个电缆隧道内发生了一起火灾后，东京消防部开始对能在恶劣条件下工作的消防机器人进行研究[14]。从1986年日本东京消防厅首次在灭火中采用了“彩虹5号”机器人后，消防机器人就逐渐在灭火救灾领域得到广泛的应用，消防机器人技术也得到快速的发展。截
至目前，消防机器人已经稳步向第三代高端智能机器人前进[15]。目前，世界最新消防机器人为日本用于掌握火灾现场情况的侦察机器人、美国侦察机器人Pandora、挪威形似蟒蛇的消防机器人等。
由以上所述可知，国内外的消防类机器人多用于辅助消防员救援或是侦察火灾现场情况，灭火实则大多数情况下仍为消防人员。灭火物质则是利用泡沫、水等，没有很少用到电力驱动产生风力的发展，并且没有建立一个火灾监控系统网络。相对来说，电力驱动产生风力灭火的灭火智能小车的发展前景很大，而且其不会产生附加气体和人员、财产造成损伤。若建立一个火灾监控系统网络，当火灾发生时立即得知且准备知道火灾位置，为救援工作节约时间。
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本课题主要研究方法、研究手段和需要重点研究的问题及解
决的思路:
1. 主要研究方法、研究手段
常见的灭火方法主要有水基型、二氧化碳、干粉和泡沫等。由于实际灭火过程中因为受到干扰因素不确定，引起火灾的原因很多，火源种类繁多，造成人员损伤程度不一，给灭火造成了一定程度阻碍。所以在对火灾进行灭火救援时，要尽可能快速有效的灭火，并尽可能的减小对人员和财产的损伤。
相比其他灭火方法，智能化电力降低着火点温度进行灭火的同时，不产生其他附加有害气体，更好的保护了人员和财产，从而获得更好的灭火效果。智能化电力灭火的原理是，建设WIFI智能监控系统监控火源，当发生火灾时将信号发送给灭火智能小车并启动它。灭火智能小车由避障传感器、WIFI接收模块、火焰传感器等组成，由IAP15F61S2单片机作为主控制器进行控制。灭火智能小车的主控制器根据接收到的WIFI信号，进行判断选择路线执行。灭火的方法则是由火焰传感器引导小车定位着火点后，启动小车上的风扇对着火点进行灭火，若灭火不成功，将进行二次灭火。风扇拟采用大功率电机进行制动。其处理的具体步骤如下：
（1） WIFI智能监控系统监控火源，火灾发生发送信号给灭火智能小车； （2） 灭火智能小车根据接收到的WIFI信号，选择最优路线至着火房间； （3） 进入着火房间根据火焰传感器数值定位着火点； （4） 启动灭火智能小车自带风扇进行灭火； （5） 进行二次检测，若灭火失败，再次灭火； （6） 灭火成功后，返回等待地方。 火灾属于较大也较危险的灾害，不能在研究过程中制造火灾进行研究。因此在此项灭火智能小车实现过程中，架设小型灭火场地预备四个房间模拟火灾路况，蜡烛着火模拟房间着火。
2．重点研究的问题及解决问题思路： 在本课题中，采用灭火智能小车电力方法进行灭火。但是灭火智能小车电力方法存在下面几个问题：
(1) 所采用的风扇电机功率大小直接影响灭火效果，若电机过率过小强行加压会使电机
烧坏，但若是电机功率过大则电源和主控制器存在驱动不起电机的问题。因此选择合适的电机与电机模块的搭配是关键。初步设想可采用5V直流电机，电机驱动通过实验择优选用L298N和BTS7960之一，应该可以使电机不过载的情况下工作在最大限度功率下，灭火效果应该较好。
(2) 电源供电的稳定度直接影响了灭火智能小车的运行效果。由于负载较多，采用一个
电源稳压一路输出进行供电，此时若小车5个电机也共用，会造成较多负载电流太小且电压不稳定而造成整个灭火智能小车不能正常工作。初步设想，采用两个电源，并增大电源答疑，一个电源单独给电机供电，一个电源稳压五路输出给传感器和单片机分开供电，应该可以使灭火智能小车得到更好的运行效果。
工作方案及进度计划:
1. 工作方案：
（1） 查阅相关文献资料，了解灭火的原理，分析火灾产生的原因；
（2） 根据灭火的原理，选定灭火方案，选择灭火智能小车所需电子元器件；
（3） 分析灭火智能小车所需各个功能模块的原理，提出各个功能模块的运行流程及
参数要求；
（4） 根据灭火方案，搭建灭火智能小车硬件系统，对微控制器和各个功能模块进行
电路参数分析；
（5） 编写各个功能模块控制程序，整合软件系统程序； （6） 分析测试环境情况，确定小车运行路线；
（7） 让小车多次在测试环境中运行进行调试，评估小车是否达到预期目标。 （8） 实现目标。 2．进度计划：
2014年12月05日-2014年12月28日：论文选题。
2014年01月01日-2015年02月01日：根据任务书，查阅相关文献。
2015年02月01日-2015年02月28日： 收集相关资料，做前期研究，制定完成论文初始方案和实物设计方案。
2015年03月01日-2015年03月10日：论文开题。
2015年03月10日-2015年03月31日：完成论文初稿，初步进行硬件制作和搭建。
2015年04月01日-2015年04月15日：完成论文二稿，对实物进行调试，获取实验数据，完成实物。
2015年04月15日-2015年04月30日：完成论文终稿，整理分析实验数据，修改论文中的格式、文字性等错误。
2015年05月01日： 论文查重检测，准备答辩。