云台灭火装置在楼宇消防系统中的应用及可行性分析

魏金灵，王树亮，邓心怡

（1.杭州萧山技师学院，浙江杭州， 311200；2.浙江省送变电工程有限公司，浙江杭州， 311200）

0 引言

消防安全关乎人们生命财产，因不可控因素，楼宇火灾时有发生，给国家和人民带来了一定的损失。当下楼宇消防的管理规定已日益完善，从总控管理室到各楼道办公室的消防管道、火灾监控系统能较好地发现火源并扑灭火灾。火灾防控无小事，既要见微知著的良好习惯，又要不断日益智能化的可靠灭火设备[1]。针对原消防管道喷洒灭火不精准等问题，本文设计了智能楼宇云台灭火装置，云台消防灭火装置在原楼宇消防管理体系装置的前提下能够匹配已有系统，预防火源并定点灭火，保卫人们生命财产安全[2]。

1 云台灭火装置系统设计

云台灭火装置采用220V市电供电，并经过内部开关电源实现降压给控制、执行线路供电工作，系统核心控制器是宏晶STC8G2K64S4芯片，具备多数据存储和执行力，可提高控制算法执行速度与装置的控制效果。云台定位由两个舵机组成X、Y双轴定位系统，通过底板安装与运动控制程序可实现空间定位能力，系统中水枪部分提供接口，只对电磁阀控制，再由电磁阀控制水枪开关实现出水灭火功能。

为了提高装置的稳定性及运行能力，在系统设计方面具备温度检测和光强度检测的反馈。其中光强度检测反馈用于实时反映装置辐射区域内光强的变化，用于校准云台灭火装置的定位精度，温度检测用于辅助判断火源大小及火灾极端的保护措施，使云台灭火装置能够正常工作。系统是采集串口端的定位数据，并运算处理得出空间定位数据调动舵机云台机构实现工作的，空间定位的数据由上位机软件通过视觉等方式获取，系统装置用于通讯处理并执行。WiFi通讯模块的设定让装置预备广域网交互能力，可使用手机等远程控制装置动作执行，用于设备调试及特殊情况应用。

2 机械三维模型设计

■2.1 结构设计

云台灭火装置能够满足空间区域移动及定位能力，常用直流电机机构需要反馈闭环控制，由舵机构成的云台控制器具备精度可靠、控制简单的优点，其结构图如图2所示。装置通过固定底板在对垂直墙面安装使用，整体由Z轴旋转舵机和Y轴舵机构成，X轴舵机控制云台装置横向扫描定位，Y轴舵机在X轴基础上实现纵向扫描定位，加装在Y轴旋转舵机支架上的水枪可以结合空间旋转加水压力实现定点灭火功能。

图2 云台结构示意图

装置优点在于结构简单并维护、安装方便，在控制器执行控制时不需要反馈，只要将运算好的脉冲送至双自由度舵机执行机构即可实现功能。

■2.2 三维建模

云台结构分析中，Z轴舵机优先度要高于Y轴，在实际应用中会出现奇角，通过程序调整可以规避，装置中的多装置主从机通信在不同空间安装也可实现盲区识别问题。图3模型结构图中说明云台灭火装置的安装示意图及模型结构图，要通过实时数据调整与空间定位中运动结构能力极限进行安装位置的调整，在针对特殊使用场合可将Z轴旋转舵机改为360°具备平台周旋转能力提高检测范围能力，Y轴纵向控制能力要受到机械结构限制，只能以画半圆的方式移动。

图3 云台模型结构图

3 电气控制线路

■3.1 控制器与信号采集

楼宇消防云台灭火装置可以采集温度、光强数据，输出脉冲控制舵机空间定位，能够与电脑定位数据通信，并可远程挂网控制，其控制器原理如图4所示。装置使用控制器是国产STC中8位单片机系列的高进度、高速处理芯片，其内部集成化好，摈除了常见MCU中的复位与晶振电路，简化了结构并提高了运行效率。

图4 控制器原理图

信号采集由温度传感器和光强传感器组成，均为提高装置定位能力反馈辅助作用，使用工业传感器芯片及敏感元件组成，且通信方式为I2C和单总线数字化通信方式。温度传感器是DS18B20，温度检测范围广泛且集成度好，满足楼宇火灾检测的范围要求，通信稳定不容易跳动。光照度传感器是BH1750，具备高中低三种通讯方式，光照度检测Lx快速稳定，I2C通信与MCU控制器高速采集，内部数字量转化处理简单清晰。

■3.2 舵机控制电路

舵机用于双轴自由度定位，如图5所示，为提高控制器对舵机控制能力，使用三极管构成推挽电路。MCU控制器编程开启内部硬件寄存器，输出固定脉冲频率的硬件PWM脉冲，调节高电平时间实现舵机转动角度的控制，舵机频率与时间给定是通用性20ms。由于舵机惯性会导致运行瞬间电流加大，因此在舵机控制器的供电两端加装了电容分担启动电流负担。

图5 舵机控制电路图

■3.3 串口数据通信

串口数据通信一是将上位机装置的视觉等处理后的定位数据送至灭火装置中执行定位灭火，二是可实现主从机通信对多个灭火装置联动控制。图6上位机通信电路图将单片机串口的TTL信号通过MAX232芯片实现了电脑端口的数据转化，电脑端口的相关坐标数据可由此电路对单片机控制器完成定位控制。

图6 上位机通信电路图

多个装置之间通信是要使用485差分信号通信的方式实现的，由一主多从构成，从机具备专属地址，主机通过对目标装置地址的访问实现控制对从机的控制。装置控制器中是执行的基于485硬件结构Mudbus RTU的通信，其数据传输具备准确率高，执行高效的优点，且数据设备之间互不干扰。

图7 485通信图

■3.4 WiFi远程通信模块

在正常使用时，装置只需要与电脑中的摄像头定位完成数据交互即可，涉及远程遥控就需要使用WiFi模块完成网络连接与穿透，将本装置挂靠到广域网络上，并通过手机中IP地址访问实现远程控制装置的功能。图8是基于有人WiFi 232模块实现网络通信的原理图，有指示灯可以指示网络的连接状况，并且与单片机控制器采用串口通信方式实现数据交互，配置协议及网络路由器即可网络穿透，操作简单，性能强大。

图8 WiFi模块原理图

■3.5 系统辅助电路设计

辅助电路由电源电路和信号滤波、按键及数码管显示组成，开关电源将市电转换为5V电源供电，按键和数码管可对工作模式切换与调整，并实时显示状态。结合装置的各组成电路完成云台灭火装置的系统电路框架，并由控制器逻辑程序实现模块间协调作用，将串口送入的视觉等信号处理的坐标数据转换为空间坐标调动云台装置实现火源定点灭火的功能。

4 算法执行与优化

云台灭火装置系统核心程序是数据通信处理，和舵机云台定位控制。装置控制器不能单独控制，必须要接收上位机电脑发送的视觉等会传感器检测到火源后生成的图像坐标数据才可以正常执行工作，其系统流程图如图9所示。程序中串口数据采集部分采用数据校验通信方式，确保上位机与装置之间数据交互的准确性，实时将图像坐标数据送至内部程序处理，分支处有对外界控制信号的检测，手机等外界装置连接WiFi挂靠广域网的IP可对舵机云台装置直接作用控制，用于处理的角度校准及后期维护使用。

图9 系统流程图

定位坐标数据是由前端摄像头采集经过电脑端处理生成的，外界环境的变化会引起数据波动。本装置提供的温度、光强传感器可对外界环境检测并反馈，将数据补偿给受到干扰的图像坐标数据，稳定定位数据。将定位数据与实际舵机旋转角度匹配，将差值填充给输出脉冲的高电平脉宽，实现随坐标数据变化而变化的固定频率下脉宽变化的PWM信号。最后舵机识别到信号完成角度旋转，同时根据火源的有效面积开启水枪电磁阀实现定点灭火功能。

5 实验数据与结果分析

楼宇消防云台灭火装置以红色模拟火焰取得试验数据如表1所示，视觉处理分析使用上位机处理完成，摄像头对红色阈值提取，将空间中的物体位置转换为图像坐标像素的形式，并经过串口与云台灭火装置数据通信。装置控制器结合环境信息反馈对定位数据补偿转换，并驱动舵机云台与水枪电磁阀实现控制，其实验如图10 装置实验模拟所示，能够较好地追踪并定位模拟火源的位置。

图1 云台灭火装置系统图

表1 定位灭火试验表

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图10 装置实验模拟图

温度与光照补偿对装置的稳定性起到了关键作用，随着日照变化，摄像头数据反馈的目标坐标值偏移幅度较大，光照度的反馈能够有效地补充数据坐标缺失，根据对定位准确度的实际试验，装置定位准确率在极限位置时偏值较大，说明奇点对装置有一定影响，可以通过多个装置角度通讯互补解决问题，并提高定位精度。

6 结束语

本云台灭火装置通过样机设计制作提出的在楼宇消防系统中辅助灭火装置的可行性做了分析，并通过数据验证了装置的功能。在实际使用中如何进一步提高定位精度与水压力之间的结合使用还需要深度思考分析[3]。综上所示，本文叙述的云台灭火装置能够有效地与消防平台数据通信对接，云台灭火装置能够实现火源的定位并开启水泵有效灭火，装置具备一定的实用性，结合楼宇消防管道实现消防灭火管控能力。