用于冶炼厂化学试剂仓库的远程无人灭火机器人的设计与实现

纪 翔，刘广桥*

（兰州城市学院 培黎石油工程学院，甘肃 兰州 730070）

对于冶炼厂仓库存储易燃物品的扑救，消防员需要根据冶炼厂燃烧物的性质用各种工具去选择灭火方式，目前能够有效代替消防员人工灭火的设备并不多。现有灭火机器人的功能还不完善，缺少视频传输功能，无法观察火灾现场的真实情况，一旦发生意外，消防员难于逃出现场；救援人员不了解灭火现场的情况也很难进入现场，这对展开救援行动和灭火行动造成很大的不便，存在很大的盲目性，也威胁着救援人员的生命安全。另外，灭火机器人不具有语音功能，则无法实现与火灾现场被困人员进行交流。因此，此灭火机器人更加准确地了解火灾现场的真实火情，让救援人员根据火势的发展情况制定最合理的救援方案，才能企业的损失降到最低。

1 设计功能

设计用于冶炼厂化学试剂仓库的远程灭火机器人，涉及单片机控制，远程通信，机械设计，无线充电，化学材料学等多个领域[1]。它的意义在于通过视频对火源实时监测，检视火灾现场的环境，完成灭火救援工作的同时对消防人员的生命安全进行保障。通过灭火机器人代替消防人员完成一些存在安全隐患的行动，工作过程中可操控机器人行驶到无线充电平台实现远程操控充电[2]。即使机器人处于低电量状态，太阳能电池板可将现场明火的光能转化为电能为其充电。其优势表现在第一时间启动并到达火灾现场施行小规模灭火，对火灾的发展态势进行正确的评估和判断，为后续救援人员制定救援方案和实行救援行动提供帮助[3]。其次，可以通过语音和视频功能和被困人员进行交流，在了解火灾真实情况的同时对被困人员进行情绪上的安抚和逃生指导，这相比于传统意义上的喊话或对讲机来说，更方便，更准确。

2 设计原理图

当火灾发生时，通过检测系统发出警报传递给中央控制系统，控制系统发出指令，动力系统完成一系列的操作达成指令目标。

3 系统组成

3.1 远程控制系统

通过手机APP接入互联网与灭火机器人通过路由器接入互联网，实现物联网的控制方式，控制机器人主要由单片机和物联网模块组成。该系统核心是用户终端安卓系统和HC-05蓝牙传输系统组成。使用STC89C51单片机芯片作为系统的中央控制系统模块。各传感器的输出信号通过转换单元送给单片机，利用单片机程序控制各类外设实现机器人的各种指令与动作。灭火机器人控制流程图如图1所示：

图1 灭火机器人控制流程图

3.2 视频交互系统

通过手机终端由负责人或值班人员进行实时监控，360°旋转检测四周环境，对机器人前行做出应变，对火源随时进行检测，可与被控人员视频通话交流。

3.3 传感器系统

利用红外技术实现机器人测速，也可通过红外的搜索和跟踪系统，搜索和跟踪目标，火焰烟雾传感器用于检测定位火灾位置，发出报警。

3.4 机械组成

包括履带底盘，金属外壳，灭火器，灭火球，弹射架，水箱，水泵，电池，电机，开关等组成，实现硬件与软件相互兼容控制。

4 设计内容

（1）电机驱动：蓝牙芯片连接机器人，通过APP的前后左右操作按键，PWM模块驱动直流电机实现机器人的行动；L298模块驱动喷杆与灭火器转向。继电器主要控制水泵、灭火器开关。用户终端发出指令后，由蓝牙模块接收到信息指令，通过单片机程序宏处理后，PWM模块接受到单片机指令，驱动直流电机完成机器人行动状态。

（2）短信报警：当机器人处于布防状态时，传感器探测到烟雾或火焰超出阈值，信号进入单片机程序轨道，从而驱动GSM模块发送报警信号，从而实现远程报警功能，与用户终端完成通信过程。

（3）超声波报警：由超声波模块、共阳数码管、蜂鸣器、自锁开关等电子元件组成。超声波将遇到障碍物产生反射信号转换为数字信号，将距离显示在三级数码管上。当达到设定的报警值时，超声波开始报警提示操控者已到最后的后退距离。

（4）高温报警降温：主要由三级数码管、温度敏感器、蜂鸣器、电子半导体制冷模块，电机风扇模块组成。温度传感器将采集的信号转换为电信号显示在三级数码管上，温度超过设定的额定临界温度时，蜂鸣器内的三极管放大电流驱动触发继电器开关，降温装置开始工作。

5 功能实现

（1）视频操控：操作时可视频360°旋转检测四周环境，对机器人前行做出应变，对冶炼厂化学试剂燃点随时进行检测，也可与被控人员视频通话交流，指导被困人员如何逃生自救。

（2）短信报警：机器人在感应到烟雾、明火或火灾现场伤员时，通过单片机和SIM卡以短信的方式将火灾信息发送给用户。当机器人后退时，自身也不间断提醒操控者后方安全距离。

（3）可实现远程操控充电：操控机器人行驶到无线充电平台，平台检测到会自动充电，离开自动断电。即使机器人处于低电量状态，机器人上面的太阳能板可将现场明火的光能转化为电能进行充电，延长现场作业的时间。

（4）三种灭火方式供用户选择：搭载灭火性液体加增压水泵喷射，搭载干粉灭火器，搭载可弹射性的灭火球。通过遥控均可以控制喷射（弹射）的角度和高度，实现精准灭火，喷射距离达到10m。

（5）定位终端基于GPS技术：用单独的GPS接收机获得移动实体的位置信息，然后通过蜂窝网，以GPRS形式传输GPS信息，从而实现远程监控和定位，发生火灾也会将火灾位置发送给119请求出动灭火。

（6）重力感应设计：考虑到灭火时的操作性要求，设计的APP也进行重力感应操控机器人的前进后退问题。

履带式机器人采用金属材料制成，外侧包覆高温绝热材料，内部安装高温检测装置和水循环散热装置，具有高温工作环境能力和高温自动保护功能。

（7）灭火机器人采用履带结构，越障能力、地形适应能力强，可原地转弯，适用于复杂环境，尤其在爬楼梯、越障等方面较为突出，能在火灾现场处理复杂情况。

（8）自我牺牲精神，当冶炼厂存储仓库发生火情灭火机器人不能完成时，可以多搭载几颗灭火球进入火灾现场，通过现场高温将灭火球引爆起到灭火的作用，灭火机器人会受损，但金属外壳可以防止内部结构受损。

6 结论

当冶炼厂化学试剂仓库发生火灾时，远程无人灭火机器人通过火焰报警器或烟雾报警器检测，通过SIM卡以短信方式告知用户，由用户通过手机APP遥控机器人，第一时间进行报警、施救等措施。摄像头360°观测机器人周围环境，观察火灾现场，找准火源，对准火源利用有效液体或者二氧化碳进行选择性灭火。