音乐烟花喷泉智能控制系统设计

王彬 吴明晖 周围

摘  要： 我國是烟花生产和消费大国，传统烟花的主要成分是黑色火药，在生产、运输、储存和燃放过程中危险性大，爆炸事故频发，给社会造成很大的损失;同时传统烟花燃放时效果单一，不能满足特点场合的需求。金属粉末在一定物理环境下可以实现燃烧，并可产生绚丽的色彩，如果以金属粉末替代目前传统的火药作为烟花的燃放材料，通过可控的喷射装置形成音乐烟花喷泉效果，具有不可估量的社会意义和广阔的市场前景。但要实现金属粉末的喷泉燃放，需要针对金属粉末的燃烧控制方法、喷射装备控制、音频采集等技术开展理论和实验研究。本文主要在燃放设备的新型机构、音频采集、烟花机联机智能控制等方面进行了探索和实验研究。为烟花机的智能燃放提供控制基础。

关键词： 音频采集;DMA传输;STM32F407微控制器;烟花喷泉

中图分类号： TP353;TP368    文献标识码： B    DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2020.07.040

本文著录格式：王彬，吴明晖，周围. 音乐烟花喷泉智能控制系统设计[J]. 软件，2020，41（07）：197-200

Design of Intelligent Control System for Music Fireworks Fountain

WANG Bin¹， WU Ming-hui¹， ZHOU Wei²

（School of Mechanical and Vehicle Engineering， School of Shanghai University of Engineering Sciences， Shanghai 201611， China;2. Military Representative Office of the Army Equipment Department in Xiangtan District，Xiangtan City， Hunan Province 411100， China）

【Abstract】： China is a big country in the production and consumption of fireworks. The main component of traditional fireworks is black powder， which is dangerous during production， transportation， storage and discharge， and frequent explosion accidents cause great losses to the society. At the same time， the effect of traditional fireworks when they are discharged Single， can not meet the needs of characteristic occasions. Metal powder can be burned in a certain physical environment， and it can produce gorgeous colors. If metal powder is used to replace the current traditional gunpowder as a fireworks display material， the effect of music fireworks fountains can be formed by a controllable spray device. Significance and broad market prospects. However， in order to realize the fountain discharge of metal powder， theoretical and experimental research needs to be carried out on metal powder combustion control methods， injection equipment control， audio acquisition and other technologies. This paper mainly explores and experimentally studies the new mechanism of the discharge equipment， audio acquisition， and online intelligent control of the fireworks machine. Provide a control basis for the intelligent firing of firework machines.

【Key words】： Audio acquisition; DMA transmission; STM32F407 microcontroller; Fireworks fountain

0  引言

“人间巧艺夺天工，炼药燃灯清昼同。”这是元朝词人赵孟頫的千古名诗《赠放烟火者》中描写燃放烟花的热闹场景。烟花是灿烂的，它像一个不可思议的戏法师，把化学成分变换成五彩缤纷的火焰，给暗沉的天空绣上了一朵朵绚丽的花，为我们带来勃勃生机。

放烟花是我国古老的民俗活动，早在唐代诗人苏味道的《正月十五日》里就有记载：“火树银花”，宋代有“火药什戏”，明代有“木架烟花”^[1]。烟花主要由火药、效果药、氧化剂和可燃剂等成分组成。通过效果药在化学反应中产生出的声、光、焰色、烟雾等烟火效应，让人们得到“美”的享受。但烟花并不是完美无暇的，目前市面上主流烟花产品点燃后会产生NO_X、SO₂等污染环境的有害气体，根据相关文献^[2-3]调研，在燃放烟花的节日期间，空气质量明显下降，空气中的有毒有害气体浓度大幅提高。同时，由于火药的存在烟花在生产、运输过程中都有高危险性，烟花爆炸伤人的事件时有发生。此外传统的烟花只能实现一定时间、一定高度的燃放，这在某些表演场合往往达不到使用需求。

因此本文以金属粉末替代传统的火药作为烟花的燃放材料，设计了一种无火药烟花机，并对烟花控制系统进行了研究。控制系统是集无线通信技术、电机驱动、音频处理和多传感器技术的复杂系统集成，是实现烟花音乐喷泉燃放的关键，也是实现无火药燃放的难点所在。

1  烟花机工作原理

以研究烟花无火药燃放为目标，设计了烟花机总体机械结构，机械结构主要包括可变温的螺杆输送装置以及烟花喷射装置。机械结构如图1所示。

首先要将金属粉末放置在送料口中，金属耗材靠重力自然下降进入送料螺杆，送料螺杆通过传动链条由送料电机带动旋转，根据螺旋输送原理，金属耗材将被逐渐送入到加热管;然后在加热输送管中，控制系统会根据耗材的不同特性将耗材加热到设定温度（此时的耗材隔绝缘氧气不会燃烧）;最后耗材继续螺旋输送到达出风口，伴随着离心风机吹出的高速气流耗材向上运动，与氧气作用燃烧，产生烟花的效果。

要实现烟花耗材的稳定输送、均匀加热、饱满燃放，这离不开智能控制系统，智能控制系统包括无线通讯、音频采集、上位机控制以及下位机控制四部分。

2  烟花机无线控制

无线控制采用了较为成熟的2.4G无线通讯技术。应用了一款工作于2.4 GHz频段、2 Mbps高速率、低功耗的收发芯片（nRF24L01），该芯片抗干扰能力强，适合工作于电磁环境较为复杂的控制场合。nRF24L01共有三种工作模式，在控制当中我们选择nRF24L01工作在Enhanced ShockBurstTM模式^[4]，这种收发模式下，nRF24L01会自动处理字头和CRC校验码。烟花机的远程控制由图2的遥控终端实现。遥控终端采用STM32开发，其功能一方面是可以与上位机通讯，将上位机的信息以无线的形式传输给各台烟花机;另一方面遥控终端本身也可以遥控烟花机，其内部装有3.7 V的锂电池，可独立供电。遥控终端提高了烟花机控制的便捷性与多样性。终端会接收各烟花机的数据，一一显示他们的温度数据、状态准备数据（如图中OLED显示），并通过运算处理控制各个烟花机的工作状态。在温度或状态异常的情况下，监控终端会迅速报警。整個控制单元实现了对各烟花机的实时控制与数据传输。

3  音频采集模块

烟花喷泉可以根据音乐节奏改变燃放效果。喷泉兼备声、光、色、形，可激发人们的欢快、愉悦的情绪，并从烟花喷泉中获得美的享受。烟花喷泉控制难点在于音乐节奏采集，这里主要由音乐提取模块来完成。

音乐采集模块主要集成在图2的远程遥控终端中，采用的是慧净电子生产的声音传感器模块，如图3所示。该模块集成了钽电容、高灵敏度咪头以及可调节放大音频倍数的运放，可将采集到的音乐信号进行滤波，放大一定的倍数并转换成模拟量，然后由单片机AD采样。

要实现良好的音乐喷泉效果，需要对音频采集速度进行优化，主要方式是提高AD采样速度。因此控制单元调用了STM32单片机中的DMA外设（Direct Memory Access直接存储访问）。DMA是一种CPU不参与传送的操作，完全由硬件执行数据交换的工作方式。省去了CPU取指令、取数据、送数据等操作。DMA传输方式能满足高速I/O设备的要求，也有利于CPU效率的发挥。DMA为采样频率高、连续输出数据的AD采集提供了更高效的方法，DMA数据传输的功能框图如图4所示。在传输完成后，通过USB总线发送到上位机。

4  上位机软件设计

上位机开发基于LabVIEW（Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench）。LabVIEW的数据采集和仪器控制两大基本功能是其核心技术，是目前发展最快、功能最强大的图形化软件开发集成环境^[5]。

上位机的主要作用是：对音乐采集模块采集到的信号进行滤波处理，并将音乐频率转换成相关控制指令。上位机软件系统采用模块化编程思想，可分为：音乐数据采集模块、数据滤波预处理模块、音乐频率图形显示模块、主控制模块、数据存储模块等，各功能模块结构如图5所示。

烟花机的上位机界面如图6所示。上位机界面是方便人机交互的界面，根据功能主要分为端口号选择、烟花机高度控制模块、音乐控制模块和图形显示模块。端口号选择为上位机与遥控终端通讯提供了桥梁，高度控制模块主要是在非音乐喷泉情况下使用，包含燃放参数设置、参与燃放的机器勾选以及温度实时显示;音乐控制模块包含音乐数据采集按键、声音底噪滤波处理、音频信号幅值调整;图形显示模块主要为滤波后的音乐节奏显示。

整个烟花机的音乐喷泉燃放控制结构如图7所示，先由音乐提取模块对环境中的声音进行采集，然后经过上位机的决策与协调控制单元的处理，将一定指令的信息发送给烟花机。在燃放过程中，烟花机喷射风机的转速、加热温度和输送电机转速始终由上位机来设定，直至噴泉燃放任务结束。

5  下位机软件设计

烟花机的下位机软件流程如图8所示。当烟花机启动，无线模块会等待无线指令传输。一旦烟花机接收到指令，主控板上的STM32单片机会对指令进行解析，并执行相关代码。

6  实验与结论

本文录制了一段播放音乐中的烟花燃放视频，由于不能视频播放，笔者截取了在缓和、欢快以及高亢音乐节奏下的烟花燃放高度，不同音乐节奏下的烟花效果如图9所示。视频表明智能系统控制响应迅速，烟花喷泉符合音乐节奏变化。

本文完成了智能化的控制系统的设计，对控制系统的软件结构做了详细的设计，提高了燃放效果。对音频提取和2.4G无线遥控终端的设计展开分析，介绍了各模块的功能。软件部分基于嵌入式C语言和LabVIEW设计，烟花机主控板和远程终端遥控系统采用嵌入式C语言编程，通过试验调试，实现了两者之间的数据交换和相关模块的远程无线控制。上位机基于LabVIEW设计，实现了音乐喷泉效果。总体来说，烟花机各控制部分可以稳定运行，满足设计要求。

参考文献

1. 刘玉海， 刘士林. 无烟烟花药剂组分对喷花燃放效果影响的研究[J]. 火炸药学报， 2002（4）： 78-79.

2. 潘功配. 烟花科学的过去、现在与未来[J]. 花炮科技与市场， 2001（4）： 6-9.

3. 陈睿. 稳态燃烧烟雾机控制系统设计[D]. 南京林业大学， 2009.

4. 胡武扬， 段富海， 董科锐. 基于LabVIEW的舵机自动加载测试系统软件设计[J]. 软件， 2015， 36（5）： 24-29.

5. 张锐， 王剑平， 杨晓洪. 基于改进SRUKF的感应电机直接转矩控制[J]. 软件， 2018， 39（4）： 56-62.

6. 张姣姣， 王铭， 刘耀， 等. 一种智能模拟量采集板卡的设计[J]. 软件， 2018， 39（12）： 116-119.

7. 陈鹏伟， 刘向军， 刘洋. 基于Simulink的无刷直流电机自抗扰控制系统的仿真[J]. 软件， 2012， 33（9）： 81-84.

8. Energy; New Findings from University of Pisa Describe Advances in Energy （Cogging Torque Reduction in Brushless Motors by a Nonlinear Control Technique）[J]. Energy Weekly News， 2019

9. Sung-An Kim， Soo-Keun Park， Yun-Hyun Cho. Design of brushless DC motor with weight reduction and performance improvements considering twelve step control[J]. International Journal of Applied Electromagnetics and Mechanics， 2018， 59（2）.

10. 丁月林. 基于STM32 的低功耗温湿度采集器实现[J]. 软件， 2015， 36（5）： 84-88.