徐 健，杨亚琴，查 兵

（1.九江职业技术学院，九江 332007；2.九江学院，九江 332005）

0 引言

近年来，随着城市化进程的飞速发展，城市建筑物呈现出高层化、密集化、多样化等特点，直接导致了消防工作危险性和难度不断加大。如何能够快速有效的执行消防救援同时保障消防人员安全显得尤为重要，在众多消防装备中流量大、射程远的消防水炮已成为一种扑救大型及危险火灾的重要灭火装备。传统消防水炮分为手动和电动控制两种模式，为了适应不同的环境需要，通常将两种模式结合，设置模式切换功能。

本文介绍的智能多模消防水炮采用电动控制，同时具备面板按键线控和远距离遥控模式，能够适应多种应用场合。可实现消防水炮喷射方向的全方位调整以及水流喷射模式的切换(直流/喷雾)，具备多角度智能自摆，能根据实际情况设定水炮自摆角度范围，实现自动作业。较之常见的水力自摆式消防水炮，具备体积重量小，自摆角度多级可调，受水流影响小，精度较高，安全可靠，适应范围广等优点。能够大为简化消防人员的操作，有效提高消防灭火工作效率，同时保障安全。

1 水炮控制系统的整体硬件设计

控制系统是消防水炮的重要组成部分，由驱动模块、方向定位模块、变流模块，液晶显示模块、上/下位机控制电路等构成。

驱动模块主要是为方向定位、变流模块提供动力，考虑到本设备经常应用在消防车辆上，故选择直流电机驱动。方向定位模块由水平定位装置和垂直定位装置配合完成，由两个定位系统的直流电机驱动。当需要对水炮炮口的指向进行定位的时候，分别控制水平和垂直两部分定位系统，调整水炮的水平和垂直方位，完成水炮的空间定位。变流模块由一独立直流电机控制，当需要变换水炮的喷水模式时，电机带动变流装置，实现水流喷射模式的切换：直流或喷雾模式。液晶显示模块实现电源状态、电池电量、工作状态和自摆角度等信号的显示。

综合考虑各种控制形式的优缺点，结合消防现场的实际情况，智能多模消防水炮的控制系统采用基于LPC2131 ARM处理器为核心的两级分布式控制的方法，上下位机之间通过无线系统传递命令，即下位机按照上位机发出的指令驱动相应的模块实现动作。

在本控制系统中，上位机和下位机都是基于ARM控制模块而设计的，ARM控制模块以LPC2131处理器为核心，为其他模块提供控制信号，完成方向定位、变流、自摆角度控制等操作。上位机是以LPC2131处理器为核心的遥控器系统，主要由ARM控制模块、键盘模块以及无线发射模块构成，其作用是通过各功能键向下位机发送指令，实现对遥控消防水炮的直流电机进行远距离控制。下位机安装于水炮附近，内部集成有三个直流电机(两个定位系统电机，一个变流系统电机)的驱动电路、直流电源接口和控制电路。下位机控制电路由ARM控制模块、无线接收模块、电机驱动模块组成，其作用是根据上位机传送的参数和指令进行动作，控制两个定位电机和一个变流电机，进行炮口的空间定位和水流喷射模式的切换。图1为消防水炮控制系统总体结构。

图1 消防水炮控制系统总体结构

2 控制系统的多模实现

消防水炮控制系统具有三种控制模式：手动、按键线控和无线遥控。后两种控制形式为并行运行模式，无线遥控信号与按键信号一致，均可实现控制消防水炮的上下、左右和前后（直流/喷雾）的运行状态。控制系统根据按键或者遥控信号分别驱动水平、垂直和前后这三组电机，做出相应的控制动作，使消防水炮按要求运行。

无线遥控部分考虑到实际火灾现场环境较为恶劣，在设计中应充分考虑其抗干扰能力和传输距离等参数，综合各项因素后决定采用射频通信。在相同的电压条件下，无线电的频率越高，其传输的距离也越远，抗干扰能力也越强；同样，发射功率越大，其抗干扰能力和传输距离也会相应增强。在调制方式方面，干扰一般是影响信号的幅度，而对其频率基本无影响，因此移频键控(FSK)较振幅键控(ASK)具有较好的抗干扰性能力和电声指标。

且实际消防作业中的控制距离一般均在200m范围内，因此本设计中无线遥控方案采用FSK调制方式下的TDA5101/TDA5211的发送/接收模块。其结构如图2所示。

3 控制系统的软件设计

图2 无线遥控系统结构

整个控制系统的软件设计主要包括两大部分：上位机控制系统程序模块和下位机控制系统程序模块。上位机程序模块主要用于进行键盘按键的连续扫描，确认键值后通过无线发射模块TDA5101向下位机发送控制指令，下位机程序模块通过无线接收模块TDA5211接收上位机发送来的指令，调用相应的直流电机控制子程序，对水炮系统的各驱动电机进行综合控制。

整个软件部分采用动态分时扫描的执行原则，按键或遥控信号的扫描每50ms执行1次, 判断是否有新的信号出现。当出现新的控制信号时执行相应的运动，出现限位信号时执行相应的停止控制。当按键或遥控信号为自摆时，水炮在水平方向以限位开关为中点按照一定的角度摆动，自摆分为3个档位，在自摆过程中能够同时响应垂直和前后的控制信号。控制系统软件流程如图3所示。

图3 控制系统软件流程图

4 整合调试

在系统测试过程中，针对自摆过程中的角度限位问题，设计初期采用建立转速-时间表，通过查表来控制角度，其精度较差且在实际工作时电机转速会在一定区间变化，造成误差较大，影响实际操作效果。后期采用分布式光电传感器来控制角度限位，较好解决了该问题。同时，根据实际消防救援的特点和需要，将线控按键扫描和遥控按键扫描优先级进行适当调整，使按键线控模式优先，保障了操作的合理性和便利性。

通过对控制系统的软硬件进行整合调试，智能多模消防水炮控制系统在按键线控模式和无线遥控模式下各模块均能够即时响应各类按键控制信号，遥控模式下最大控制距离达到200m以上，水炮的各功能部件工作正常，满足设计要求。

5 结束语

与传统手动/电动控制消防水炮相比，本文所设计的智能多模消防水炮不仅具有手动、按键线控和无线遥控3种控制模式，同时具备多角度自摆功能，较好的满足了不同情况下消防救援的需要。多种模式确保了该消防水炮具有高效、安全可靠、自动化水平高和减少操作人员操作强度等性能，能够在有效消灭火灾的同时保护消防救援人员的人身安全。

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