灾后环境检测智能车的设计与实现(附件)【字数：10244】
摘 要科技的发展带来社会的进步的同时也带来了一些安全隐患，由火灾可能引发的爆炸、建筑物二次坍塌、有毒物质泄漏等情况，因为存在着危害营救人员生命安全的可能，或因坍塌导致施救人员无法深入现场探测或救援，这就需要用到救灾机器人。目前的救灾领域机器人，或是安装位置固定，无法移动，或是体积庞大，无法深入到小的空间中，或是检测数据单一，只能针对具体环境。本课题设计的灾后环境检测智能车具有体积小、功能全面、坚固耐用、操作简单等特点，可以深入灾后环境检测温度、有害气体浓度和环境内具体结构，在很大程度上保证救护人员的安全。本课题设计的灾后环境检测智能车主要由Arduino主控板、避障模块、温湿度检测模块、空气质量检测模块、WiFi模块及手机APP控制等部分组成。能够检测环境内的温湿度、空气质量、能够自动躲避障碍物、通过摄像头实时检测环境内的具体情况，更大程度地保证了人们在探测不同环境下的安全性和准确性。系统测试表明，本系统可以实现智能车的人为控制、WiFi无线控制、温湿度测量、空气质量检测和自动躲避障碍物等功能，极大地保护了救护人员的安全，功能全面、实用性强、坚固耐用、性价比高、操作简单等特点使其具有巨大的价值和前景。
目 录
第1章 绪论 1
1.1研究背景 1
1.2国内外研究现状 1
1.2.1国外研究现状 1
1.2.2国内研究现状 1
1.3研究目的与意义 2
1.3.1研究目的 2
1.3.2研究意义 2
1.4全文组织结构 2
第2章 系统总体结构设计 3
2.1系统需求分析 3
2.1.1系统概述和产品特点 3
2.1.2系统功能需求 4
2.2系统总体设计方案 4
2.3系统的器件选则 5
第3章 系统硬件设计 7
3.1灾后环境检测智能车总体框图设计 7
3.2Arduino最小系统 8
3.3智能车驱动电路 8
3.4WiFi模块设计 9
3.5温湿度检测模块设计 10 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: #351916072#
3.6空气质量检测模块设计 10
3.7避障模块设计 10
第4章 系统软件设计 11
4.1 软件总体设计思路 11
4.2 主程序 11
4.3 WiFi模块子程序 12
4.4 智能车驱动子程序 14
4.5 温湿度检测子程序 14
4.6空气质量检测子程序 16
4.7避障模块子程序 17
第5章 实物制作与调试 18
5.1 电路的焊接 18
5.2 程序的烧写 18
5.3 WiFi模块的调试 20
5.4 智能车移动相关调试 20
5.5 温湿度检测模块的调试 21
5.6空气质量检测模块的调试 22
5.7避障模块的调试 23
5.8出现的问题及解决方法 23
第6章 总结与展望 23
6.1 总结 24
6.2 展望 24
附录 25
参考文献 26
致 谢 27
第1章 绪论
1.1研究背景
科技变革带动世界的发展，同时也带来了很多的隐患。因为不正确使用各种器械而引起的灾害越来越多，由灾后环境有很多不确定性，各种环境监测设备也相继问世。目前，市场上存在的大部分设备都需要近距离检测才能得出结论，而灾后环境存在着各种不稳定因素，不能贸然进入。
随着电子行业、计算机行业的飞速发展, 智能产品在当今社会显得日趋重要, 它是今后发展的重要方向之一, 可以在事先预定的程序下执行一系列的命令, 便可以完成预期所要达到的目标。智能小车的设想在此情况下便应用而生。通过人为控制智能车进入受灾后的环境进行观察和检测，能很大程度上保证救护人员的安全。随着科技的发展，各种检测设备的体积越来越小、质量也越来越好，因此，通过智能车携带设备来进行检测也成为一种潮流。
针对火灾可能引发的爆炸、建筑物二次坍塌、有毒物质泄漏等情况，因为存在着危害营救人员生命安全的可能，或因坍塌导致施救人员无法深入现场探测或救援，这种情况下，火灾后环境检测智能车具有体积小、功能全面、坚固耐用、操作简单等特点，可以深入火灾环境检测温度、有害气体浓度和环境内具体结构，在很大程度上保证救护人员的安全。
1.2国内外研究现状
早期对火灾的检测方法主要基于接触式探测。此类探测技术利用传感器探测周围的温度或空气浓度触发报警装置, 原理简单, 易于工程实现;同时也存在发现火情滞后、适用范围空间小、漏报误报率高等缺点。基于红外技术传感器利用红外光谱特性, 进行检测报警, 此类传感器精度较低, 检测范围有限, 安装成本高, 不宜大范围推广。探测时, 通常利用烟雾报警传感器,、有害气体传感器,、温湿度传感器,和红外探测器等多种方式.每种方式都有它的特点, 在某些情况下具备较高的探测精度, 但是每种传感器都有其缺陷[13]。
1.2.1国外研究现状
国外对于环境检测智能车的研究正在迅速发展，通过控制智能车深入现场近距离勘察，从而分析残留墙体是否稳定和发生倒塌的可能性；通过自身携带的不同类型的探测传感器，测量硫化氢、一氧化碳等气体和挥发性有机物的浓度和环境内温度，从而分析出现场环境危险情况下的数据，保证了工作人员的生命安全，同时大大加快了工作进度，体现出了明显的优势。但是，也反映了智能车存在的一些问题，如防震能力、防水能力、耐热及其他抗恶劣环境能力的不足，还包括机器人对自身状态的感知及对环境描述方法的短板[46]。
1.2.2国内研究现状
当火灾发生时，火灾探测传感器可以通过处理电路将检测对象燃烧产生的某些特征因子或火灾所改变的环境因子转换成可使用的信号，并将相应的信号传送给系统，最后进行分析。
相比较于某些发达国家，我国在火灾搜救方面的研究与开发虽然工作起步较晚，但是发展极为迅猛，近年来，越来越多的国内高校、科研院所在积极开展该领域的研究工作。比如华志祥、吕红设计了一种火灾探测系统，基于物联网平台，前端设备采用天线和接收器。天线接收火灾辐射信号，接收器对信号进行初步处理，并进行ZigBee网络的数据传输，建立了火灾实时检测系统，具有实时更新的优点 [7]。它具有实时更新的好处，但是必须提前搭建，不能灵活的探测，成本太高。钱善华、葛世荣等人设计了一款救灾机器人由导航定位、通讯系统、控制方式、移动机构、探测技术和能源供给几个部分所组成[8]，可以灵活的进入各种人类无法探索的地方进行救援，具有体积小、操作智能、实时上传环境信息等优点，但是它不能检测环境内的温度和有毒气体浓度，需要救护人员自行探测。石梓含提出一个火灾智能车的概念，从技术上和智能车的实际需求上做出了改变，可以实现对火灾的预防、定位和扑灭以及救助财务和人员的实际功能[9]。但是却忽略了经济价值，该概念过于庞大，耗费的资金也很大，不适合大面积使用。李飞与陈喆设计的智能车运用超声波传感器和红外线来检测建筑物内部的环境信息, 控制器做出准确、合理和快速的决策, 使智能车能够快速的检测出环境内的火灾程度，但是它不能直观地反馈环境内温度和有害气体浓度，存在一定的风险[10]。侯晓霞和张顺设计的智能消防车采用STM32单片机来控制整个系统，具有实时监控、远程操控和适应复杂地形的能力,实现了智能救援、安全救援的功能，为火灾现场提供了有效的救援，但是它成本相对较高，操作过程繁琐，无法做到大面积使用[11]。章程设计制作的蛇形微型探测机器人可解决废墟中难以解救伤员、废墟下伤员生命体征及伤势不能确定等问题,适合在水下、地下管道、凹凸不平的地面等特殊环境下工作[12]。但是存在着材质上的问题，同时控制起来也较为麻烦。王艳新、唐文秀等人提出了一种室内火灾救援机器人。针对火灾环境下图像检测仪器不能正常工作的问题，设计了一种可以通过压力充气的方式稀释烟雾来成像的系统，具有良好的应用前景。基于DS理论和粗糙集理论，提出了救援救灾机器人目标识别和多传感器数据融合技术，为救援救灾机器人的自动避障提供了一种全面和准确的决策方法[13]。但是该设计存在误判的可能性，不能实时准确的判断环境内的信息。
目 录
第1章 绪论 1
1.1研究背景 1
1.2国内外研究现状 1
1.2.1国外研究现状 1
1.2.2国内研究现状 1
1.3研究目的与意义 2
1.3.1研究目的 2
1.3.2研究意义 2
1.4全文组织结构 2
第2章 系统总体结构设计 3
2.1系统需求分析 3
2.1.1系统概述和产品特点 3
2.1.2系统功能需求 4
2.2系统总体设计方案 4
2.3系统的器件选则 5
第3章 系统硬件设计 7
3.1灾后环境检测智能车总体框图设计 7
3.2Arduino最小系统 8
3.3智能车驱动电路 8
3.4WiFi模块设计 9
3.5温湿度检测模块设计 10 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: #351916072#
3.6空气质量检测模块设计 10
3.7避障模块设计 10
第4章 系统软件设计 11
4.1 软件总体设计思路 11
4.2 主程序 11
4.3 WiFi模块子程序 12
4.4 智能车驱动子程序 14
4.5 温湿度检测子程序 14
4.6空气质量检测子程序 16
4.7避障模块子程序 17
第5章 实物制作与调试 18
5.1 电路的焊接 18
5.2 程序的烧写 18
5.3 WiFi模块的调试 20
5.4 智能车移动相关调试 20
5.5 温湿度检测模块的调试 21
5.6空气质量检测模块的调试 22
5.7避障模块的调试 23
5.8出现的问题及解决方法 23
第6章 总结与展望 23
6.1 总结 24
6.2 展望 24
附录 25
参考文献 26
致 谢 27
第1章 绪论
1.1研究背景
科技变革带动世界的发展，同时也带来了很多的隐患。因为不正确使用各种器械而引起的灾害越来越多，由灾后环境有很多不确定性，各种环境监测设备也相继问世。目前，市场上存在的大部分设备都需要近距离检测才能得出结论，而灾后环境存在着各种不稳定因素，不能贸然进入。
随着电子行业、计算机行业的飞速发展, 智能产品在当今社会显得日趋重要, 它是今后发展的重要方向之一, 可以在事先预定的程序下执行一系列的命令, 便可以完成预期所要达到的目标。智能小车的设想在此情况下便应用而生。通过人为控制智能车进入受灾后的环境进行观察和检测，能很大程度上保证救护人员的安全。随着科技的发展，各种检测设备的体积越来越小、质量也越来越好，因此，通过智能车携带设备来进行检测也成为一种潮流。
针对火灾可能引发的爆炸、建筑物二次坍塌、有毒物质泄漏等情况，因为存在着危害营救人员生命安全的可能，或因坍塌导致施救人员无法深入现场探测或救援，这种情况下，火灾后环境检测智能车具有体积小、功能全面、坚固耐用、操作简单等特点，可以深入火灾环境检测温度、有害气体浓度和环境内具体结构，在很大程度上保证救护人员的安全。
1.2国内外研究现状
早期对火灾的检测方法主要基于接触式探测。此类探测技术利用传感器探测周围的温度或空气浓度触发报警装置, 原理简单, 易于工程实现;同时也存在发现火情滞后、适用范围空间小、漏报误报率高等缺点。基于红外技术传感器利用红外光谱特性, 进行检测报警, 此类传感器精度较低, 检测范围有限, 安装成本高, 不宜大范围推广。探测时, 通常利用烟雾报警传感器,、有害气体传感器,、温湿度传感器,和红外探测器等多种方式.每种方式都有它的特点, 在某些情况下具备较高的探测精度, 但是每种传感器都有其缺陷[13]。
1.2.1国外研究现状
国外对于环境检测智能车的研究正在迅速发展，通过控制智能车深入现场近距离勘察，从而分析残留墙体是否稳定和发生倒塌的可能性；通过自身携带的不同类型的探测传感器，测量硫化氢、一氧化碳等气体和挥发性有机物的浓度和环境内温度，从而分析出现场环境危险情况下的数据，保证了工作人员的生命安全，同时大大加快了工作进度，体现出了明显的优势。但是，也反映了智能车存在的一些问题，如防震能力、防水能力、耐热及其他抗恶劣环境能力的不足，还包括机器人对自身状态的感知及对环境描述方法的短板[46]。
1.2.2国内研究现状
当火灾发生时，火灾探测传感器可以通过处理电路将检测对象燃烧产生的某些特征因子或火灾所改变的环境因子转换成可使用的信号，并将相应的信号传送给系统，最后进行分析。
相比较于某些发达国家，我国在火灾搜救方面的研究与开发虽然工作起步较晚，但是发展极为迅猛，近年来，越来越多的国内高校、科研院所在积极开展该领域的研究工作。比如华志祥、吕红设计了一种火灾探测系统，基于物联网平台，前端设备采用天线和接收器。天线接收火灾辐射信号，接收器对信号进行初步处理，并进行ZigBee网络的数据传输，建立了火灾实时检测系统，具有实时更新的优点 [7]。它具有实时更新的好处，但是必须提前搭建，不能灵活的探测，成本太高。钱善华、葛世荣等人设计了一款救灾机器人由导航定位、通讯系统、控制方式、移动机构、探测技术和能源供给几个部分所组成[8]，可以灵活的进入各种人类无法探索的地方进行救援，具有体积小、操作智能、实时上传环境信息等优点，但是它不能检测环境内的温度和有毒气体浓度，需要救护人员自行探测。石梓含提出一个火灾智能车的概念，从技术上和智能车的实际需求上做出了改变，可以实现对火灾的预防、定位和扑灭以及救助财务和人员的实际功能[9]。但是却忽略了经济价值，该概念过于庞大，耗费的资金也很大，不适合大面积使用。李飞与陈喆设计的智能车运用超声波传感器和红外线来检测建筑物内部的环境信息, 控制器做出准确、合理和快速的决策, 使智能车能够快速的检测出环境内的火灾程度，但是它不能直观地反馈环境内温度和有害气体浓度，存在一定的风险[10]。侯晓霞和张顺设计的智能消防车采用STM32单片机来控制整个系统，具有实时监控、远程操控和适应复杂地形的能力,实现了智能救援、安全救援的功能，为火灾现场提供了有效的救援，但是它成本相对较高，操作过程繁琐，无法做到大面积使用[11]。章程设计制作的蛇形微型探测机器人可解决废墟中难以解救伤员、废墟下伤员生命体征及伤势不能确定等问题,适合在水下、地下管道、凹凸不平的地面等特殊环境下工作[12]。但是存在着材质上的问题，同时控制起来也较为麻烦。王艳新、唐文秀等人提出了一种室内火灾救援机器人。针对火灾环境下图像检测仪器不能正常工作的问题，设计了一种可以通过压力充气的方式稀释烟雾来成像的系统，具有良好的应用前景。基于DS理论和粗糙集理论，提出了救援救灾机器人目标识别和多传感器数据融合技术，为救援救灾机器人的自动避障提供了一种全面和准确的决策方法[13]。但是该设计存在误判的可能性，不能实时准确的判断环境内的信息。
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