基于新能源的火警巡逻小车的设计

摘要：随着火灾事故的频发，火灾防控成为一项重要任务。本文设计了一种基于新能源的智能火警巡逻小车，从而实现火灾的早期预警和扑救。该小车采用太阳能供电，通过红外传感器、超声波传感器和电机驱动电路实现自主巡逻和路径规划。DHT11温湿度传感器、MQ-5可燃气体传感器和火焰传感器实时监测环境参数，并通过TFTLCD显示屏和蜂鸣器提供现场报警和提示。WIFI模块将数据传输至手机，实现远程监控和控制。STM32单片机控制各个模块，处理传感器数据，并根据预设阈值进行报警和控制操作，例如打开风扇、窗户、水泵等。该火警巡逻小车能够有效实现火灾早期预警和扑救，提高火灾防控能力，保障人民生命财产安全。

关键词：新能源；STM32单片机；传感器模块；报警

1 设计背景及目的

由于天然气的普及程度越来越高，发生泄漏的事故也随之增多。随着科技的进步，家用电器的种类和数量持续增长，导致电气火灾成为生活中的一大隐患。据统计，全球每年大约有700万起火灾，造成七万人死亡，财产损失总额高达24.3亿元人民币。面对这样频繁的火灾事故，人们的生命和财产安全受到了前所未有的威胁。因此，我们需要采取有效措施来预防火灾，保障人民群众的生命安全。我们设计了一款新型的火警巡逻小车。它能够进行巡逻并检测火灾隐患，一旦发现异常情况，便会将数据实时传输至手机上，实现早期预警。这种早期的预警机制能够有效减少人员伤亡及财产损失。大大降低了火灾中人员伤亡的概率。随着时代的发展，传统小车向智能小车的转变已成为当下消防工作的主要发展方向。

2 基本设计思路

本火警巡逻小车是一款实用性的智能安防设备，该小车通过红外传感模块，能够准确检测出小车行驶的路线，并借助电机驱动电路，实现对电机的精确控制，确保小车在复杂环境中稳定行驶。在小车行驶过程中，超声波模块发挥着至关重要的作用。它能够实时检测前方障碍物的距离，使小车在遇到障碍时能够及时调整行驶方向，避免发生碰撞，确保安全行驶。小车在行驶过程中实时检测温湿度、危险气体、烟雾浓度以及火焰强度。通过DHT11温湿度传感器采集环境的温度、湿度，通过MQ-5气体传感器检测环境的危险气体浓度，通过火焰传感器检测火焰强度。并其使得到的数据在TFTLCD显示屏上显示，并设定最大值如果得到的数据即将产生风险则打开风扇模块，开启窗户降低气体浓度并触发蜂鸣器开始报警，开启水泵浇灭火源。以此来实现出现火灾的防范。所收集的数据会通过WIFI向手机传递信息，在手机端控制模式的切换来对各个模块进行控制。并采用太阳能充电为整个装置提供电量，提高续航能力。

3硬件设计

（1）太阳能充电模块：

CN3791能够自动调整太阳能电池板的工作点，以确保即使在输入电源电流输出能力降低的情况下，也能最大限度地从太阳能电池板提取能量。这对于太阳能供电系统来说非常重要，因为它可以提高整体的能效和系统性能。该芯片独立管理单节锂电池的充电过程，支持多种充电模式，如涓流、恒流和恒压充电，适合锂电池充电管理。CN3791采用PWM（脉冲宽度调制）降压模式，有助于提高能量转换效率。它能够处理4.5V到28V的宽输入电压范围，这意味着它可以适应多种不同的输入电源，包括不同类型的太阳能电池板。

（2） DHT11温湿度检测模块

DHT11温湿度传感器：能够测量环境温度，测量范围通常在0°C至50°C之间。能够测量环境相对湿度，测量范围通常在20%至90%RH（相对湿度）之间。通过单总线数字接口输出测量数据，便于与微控制器（如Arduino、STM32等）连接和通信。DHT11的接口协议简单，不需要复杂的编程或额外的校准步骤，易于集成到各种项目中。具有一定的抗干扰能力，能够在多种环境中稳定工作。相比其他高精度温湿度传感器，DHT11的成本较低，适合预算有限的项目。

（3）硬件设计

为了平衡成本、可靠性和性能，本设计在满足功能和实时性的前提下，尽可能地将硬件功能用软件实现。这种做法虽然会增加CPU负担和响应时间，但可以简化硬件结构，提高电路可靠性，并方便系统升级。可靠性设计，减少故障风险。

根据可靠性设计理论，系统采用芯片数量越少，平均无故障时间越长，且总线干扰的可能性也越小。因此，本设计力求在满足功能的同时，减少芯片和线路数量，并选用功能先进的插件器件，从而在组件数、电路板空间、功耗、抗干扰和系统成本等方面都得到显著改善。硬件架构，以STM32为核心。系统以STM32F103C8T6单片机为中央处理单元，结合WIFI模块、蜂鸣器报警、OLED液晶显示、火焰传感器、按键设置等功能模块，实现火灾监测、预警和控制。设计原则，指导电路实现。基于以上设计思路，确定了系统的硬件原理图，并实现了WIFI、温度采集、风扇、继电器等控制功能。

4 软件设计

软件部分的主要任务是完成对整个设计的流程进行处理。首先STM32单片机进行引脚的配置，配置各个模块使用的引脚后来进行初始化。在小车上电后，红外检测模块进行检测得到的数据控制两侧电机的运转，从而修正小车行进的方向。通过传感器来实时地收集并计算室内可燃性气体的浓度、室内的温湿度、火焰、光照等。在实际应用中，单片机会把气体浓度值和室内的温湿度显示在一个TFTLCD显示屏上。如果室内的可燃性气体浓度超过了用户预先设定的浓度，单片机会自动启动排气扇、电机阀门打开窗户以此降低气体浓度。火焰传感器检测到火焰自动打开水泵消灭火源。通过WIFI模块将收集的数据传递到手机上，以便人们及时采取相应措施。本设计还可以检测环境的光线强度，若光线较暗则会自动打开照明灯。

5 小结

本设计旨在解决火灾早期预警和扑救问题，开发了一种基于新能源的智能火警巡逻小车。

主要特点：太阳能供电，绿色环保、多传感器协同，实现全方位火灾监测、软硬件协同设计，简化电路，提高可靠性、远程监控和控制，提高响应效率。

优势：自动巡逻，实时监测火灾隐患、早期预警，减少人员伤亡和财产损失、快速扑救，控制火势蔓延。

未来展望：人工智能识别火灾隐患、智能路径规划，提高效率、多传感器融合，提高准确性、更先进的灭火技术。

总结： 该小车为火灾防控提供了一种新的解决方案，具有广阔的应用前景。

参考文献

[1]吴叶兰，王坚，王小艺，连晓峰.微机原理及接口技术.北京.机械工业出版社.2009，7

[2]Keil Software.KEIL Uvioion2入门教程.2001

[3]康光华.电子技术基础（第四版）.北京： 高等教育出版社，2001

[4]孙立功，刘跃敏.电子技术.北京：高等教育出版社.2010，12

[5]马冬梅， 《单片机的 C语言应用程序设计》，北京：北京航空航天大学出版社， 2000

[6]童诗白，华成英.模拟电子基础（第三版）.北京：高等教育出版社，2001

[7]李珍， 付植桐，《单片机原理与应用技术》[，北京： 清华大学出版社， 2003

[8]张友德，赵志英，涂时亮.单片微型机原理、应用与试验（第三版）.上海：复旦大学出版社，2002.

[9]徐德明.整体智能厨房控制及其故障诊断系统的设计与实现.硕士学位论文.湖南：中南大学，2007

[10]李科杰﹒现代传感技术﹒北京：电子工业出版社，2005﹒348

[11]Lenz，J.;Edelstein，S.，Magnetic sensors and their applications，IEEE Sen-sors Journal， Vol.6，No.3，2006

[12]Bryzek，J.Impact of MEMS Technology on society.Sensors and Actuators，Vol.A56，Nos.1-2，aug.1996

[13]MacDonald，G，A.A Review of Low Cost Accelerometers for Vehicle Dynamics.Sen-Sors and Actuators ，Vol.A21，Nos.1-3，1990

[14]王芳，马幼军，蒋国平.智能化住宅防盗防火报警系统设计.传感器技术，2002.21（10）：25～27

[15]熊光明，郭立军﹒基于单片微机的火灾报警系统设计及应用﹒微型机与应用﹒2002.6（11）：23～34

基金项目和编号：宿州学院资助2024年省级大学生创新创业训练计划项目 S202410379054 项目名称：基于新能源的火警巡逻小车的设计