智能消防洒水车的设计

本设计是一整套城市智能洒水车模拟系统，它主要包括智能洒水车，自动加水系统以及监控台三大部分。

具有自动加水，指定路段洒水以及实时监控等功能。

本设计以TI公司的MSP430F247单片机为中央控制核心，采用彩色CCD摄像头UM-800C采集图像以及识别路径、路标，光电开关检测洒水车的车速，水位开关检测洒水车的载水量，红外线接收管识别红绿灯，一个直流减速电机为主要驱动力，三个水泵驱动洒水车的加水以及洒水，采用DSRC无线定位原理实时监控洒水车的行驶位置以及洒水车的状态。

本设计改变了现有洒水系统的单一模式，大大提高了洒水的灵活性和实时性，适应性强，简单、方便、经济、可靠。

关键字：智能洒水车自动加水实时监控 DSRC无线定位系统
1 任务 (2)
1.1基本要求 (2)
1.2发挥部分 (2)
2 方案设计与论证 (3)
2.1任务分析 (3)
2.2处理器的选择方案与比较 (3)
2.3路面监测方案与比较 (3)
2.4洒水路段和花池的识别方案与比较 (3)
2.5数据无线传输方案与比较 (3)
3 总体设计结构框图 (4)
3.1洒水车的总体结构 (4)
3.2加水系统的总体结构 (4)
4 系统的电路设计 (5)
4.1系统的电路图设计 (5)
4.2硬件部分的实现 (5)
4.2.1MSP430F247单片机 (5)
4.2.2图像采集 (5)
4.2.3电机驱动，水泵的驱动电路设计 (7)
4.2.4转向舵机的驱动 (8)
4.2.5洒水车测速电路 (9)
4.2.6障碍物检测电路 (10)
4.2.7315M无线发射接收模块 (10)
4.2.8洒水车警示音的发声模块控制电路 (11)
5 系统软件的设计(功能的实现) (12)
5.1路面图像检测与处理 (12)
5.1.1定位行驶 (12)
5.1.2岔路口识别与转向控制 (13)
5.1.3路标的识别与洒水控制 (13)
5.1.4红绿灯的识别与控制 (14)
5.2碍物的识别与控制 (14)
5.3车载水量的检测 (15)
5.4数据的无线发送与接收，数据的编码解码 (15)
5.5监控软件与DSRC无线定位原理 (16)
6 功能测试与分析 (17)
6.1自动识别道路及自动加水功能测试 (17)
6.2岔路口识别功能的测试 (17)
6.3在洒水路段洒水功能的测试 (17)
6.4红路灯检测功能的测试 (17)
6.5障碍物检测功能的测试 (18)
6.6无线监控功能的测试 (18)
7 结束语 (18)
附录 (19)
附录1:电路图 (19)
附录2：实物图 (20)
智能消防洒水车的设计
1 任务
设计并制作城市智能洒水车，洒水车从车库出发，行驶到加水站处停车，加水装置自动给洒水车加满水，然后洒水车自动沿模拟的城市道路行驶，行驶过程中洒水车自动识别岔路口选择正确路线，自动识别指定的路段并喷洒路面，自动识别路边的花池并浇水，途中遇到障碍物时自动停车。

洒水车完成任务后回到车库停车。

整个过程洒水车自动完成，不需人为控制。

下面是一张模拟的城市道路地图，具体参数如图1所示：
任务具体要求如下：
1.1基本要求
1 发动洒水车，洒水车从车库A处出发，行驶到加水处B,停车。

2 加水处的加水装置自动感应洒水车并给洒水车加满水，水不能溢出。

3 洒水车按地图中箭头标识的路线行驶，在岔路口C、D、H、J处自动识别正确路线。

可以设置洒水路段，洒水车行驶途中识别洒水路段并喷洒路面。

4 洒水车工作完成后，自动进入车库。

等待下次工作。

1.2发挥部分
1 识别沿途的花池1，花池2并浇水。

2 行驶过程遵守交通规则，在岔路口D、J红绿灯处遇到红灯时停车等待。

途中遇到车辆、行人等障碍物时停车，障碍消除后继续行驶。

3 制作监控中心，实时监控洒水车的行驶速度，车载水量，工作状态等。

4 其它
2 方案设计与论证
2.1任务分析
有任务要求可知：洒水车要解决的问题有道路识别、岔路口的识别、花池的识别的。

自动加水，喷洒路面，喷灌花池，车载水量检测，障碍物检测，红绿灯检测，洒水车状态的监控等。

针对这些问题我们制定了以下的方案，并作较优方案的选择。

2.2处理器的选择方案与比较
本系统所要实现的功能较多，最好采用可编程的器件才能易于实现。

方案一：采用目前流行的可编程器件EDA技术实现本系统的功能。

方案二：采用DSP处理器，DSP（digital signal processor）是一种独特的微处理器，是以数字信号来处理大量信息的器件。

其工作原理是接收模拟信号，转换为0或1的数字信号，再对数字信号进行修改、删除、强化，并在其他系统芯片中把数字数据解译回模拟数据或实际环境格式。

它不仅具有可编程性，而且其实时运行速度可达每秒钟数以千万条复杂指令程序，远远超过通用微处理器，是数字化电子世界中日益重要的电脑芯片。

方案三：采用MSP430F247单片机实现，用程序流程来实现洒水车的各个功能。

方案比较：虽然利用DSP比较容易实现各种传感器信号的采集和处理，但为了体现本次TI杯电子设计竞赛的精神，我们采用方案三，选择TI公司出品的MSP430系列16位超低功耗单片机MSP430F247，处理速度较快，并且成本低廉。

采用msp430F247单片机作为控制器能够满足设计要求。

并采用我们较为熟悉的C语言对程序进行编写。

2.3路面监测方案与比较
方案一：在模拟的城市道路上铺设引导线，采用光电传感器构成“线型检测阵列”，来寻引导线。

这种方案简单可靠，且经济。

方案二：采用黑白摄像头作为寻线传感器，图像采集信息量大。

方案比较：虽然采用光电传感器构成“线型检测阵列”的方案简单易行，但是单个线型检测阵列所能确定的引导线信息较少，在遭遇弯路与交叉路时，很难做到准确寻线。

于是我们选择摄像头作为寻线传感器。

一方面摄像头所能探测的赛道信息远多于“线型检测阵列”所能探测的的信息，便于对控制算法进行优化；另一方面摄像头对其成像范围的调整十分灵活，可以提供足够远的预判距离识别道路，并能识别交叉路。

2.4洒水路段和花池的识别方案与比较
方案一：在洒水路段的边沿以及花池的边沿做黑色字母标记，如：A、B、C、D等。

当摄像头采集到所做的标记信息的时候，洒水车自动洒水或者自动给花池浇水，摄像头每20ms 发送一帧信号，所以其稳定性较好。

方案二：在洒水路段的边沿以及花池的边沿做红外线装置，当洒水车检测到红外时，洒水车自动洒水或者自动给花池浇水，但红外线易受光线、热源的影响，所以其稳定性一般方案三：在洒水路段的边沿以及花池的边沿放一块磁钢，在洒水车上安装霍尔传感器，当洒水车检测到磁钢的时候，洒水车自动洒水或者自动给花池浇水。

由于洒水车受光线亮度的影响，小车行驶的路线有微小的变动，所以其稳定性差。

方案比较：根据任务要求，洒水路段可以设置，洒水车应该能够识别每个路段和每个花池，因此选择方案一比较合适。

2.5数据无线传输方案与比较
方案一：采用FSK方式调制载波传输，发射电路采用变容二极管直接调频的西勒电路，可以获得叫大的频偏。

接收电路采用低噪声高频晶体管2SC763的共射极谐振放大电路，解调器采用摩托罗拉的单片继承窄带FM解调芯片MC361构成解调电路。

这种传输方式传输距离比较远。

缺点是抗干扰能力不是很高。

方案二：采用红外无线传输，采用红外发射管发射和红外接收管接收,优点是误码率低,传输可靠,抗干扰能力高,由于红外无线传输为直线传输,具有信息的保密性,试用与进距离无障碍的无线数据传输。

方案三：采用声表滤波器315MHZ高频无线传输,这种滤波器体积小，重量轻，中心频率
可做的很高，相对带宽较宽，具有理想矩形系数的选频特性。

采用ICRF002美国Micrel 公司推出的单片集成电路，可完成接收及解调。

方案比较：选用方案三，通过软件的编码解码，实现数据的无线传输。

3 总体设计结构框图 3.1洒水车的总体结构
洒水车的总体结构如图3.1
图3.1 洒水车系统的总体结构
3.2加水系统的总体结构
图
3.2 加水系统的总体结构
4 系统的电路设计
4.1系统的电路图设计
系统总图见附件1。

4.2硬件部分的实现
4.2.1 MSP430F247单片机
MSP430系列单片机的迅速发展和应用范围的不断扩大，主要取决于以下的特点：强大的处理能力 MSP430F247单片机是一个16位的单片机，采用了精简指令集（RISC）结构，具有丰富的寻址方式（7 种源操作数寻址、4种目的操作数寻址）、简洁的27条内核指令以及大量的模拟指令；大量的寄存器以及片内数据存储器都可参加多种运算；还有高效的查表处理指令；有较高的处理速度，在 8MHz 晶体驱动下指令周期为125ns。

这些特点保证了可编制出高效率的源程序。

MSP430单片机引脚图如图4.1所示
图4.1 MSP430F247单片机最小系统电路图
4.2.2图像采集
图4.2 CCD图象传感器
LM1881视频同步信号分离芯片可从摄像头信号中提取信号的同步时序信息，如行同步脉冲，场同步脉冲，奇、偶场信息等。

LM1881的连线图如图4.3
图4.3 LM1881 信号连接原理图
引脚2为视频信号输入端，摄像头信号即由此输入LM1881。

引脚1为行同步信号输出端，它输出的信号波形只是输入的摄像头信号在黑屏电位之下的波形的简单复制（对比图中b和a）。

引脚3为场同步信号输出端，当摄像头信号的场同步脉冲到来时，该端将变为低电平，一般维持230us，然后重新变回高电平（如图中的c）。

引脚7为奇-偶场同步信号输出端，当摄像头信号处于奇场时，该端为高电平，当处于偶场时，为低电平。

奇-偶场的交替处与场同步信号的下降沿同步，也就是和场同步脉冲后的上升沿同步（如图4.4中的d）。

事实上，我们不仅可以用场同步信号作为换场的标志，也可以用奇-偶场间的交替作为换场的标志。

图4.4 LM1881信号时序图
摄像头采集图像的电路图如图4.5
注：其中t为正脉冲宽度（ms）；θ为转动角度；当左转时取加法计算，右转时取减法计算结果。

图4.8 舵机驱动PWM波形
光纤式光电开关采用塑料或玻璃光纤传感器来引导光线，以实现被检测物体不在相近区域的检测。

通常光纤传感器分为对射式和漫反射式。

其实物图如图4.11所示
图4.11
4.2.6 障碍物检测电路
反射型红外传感器是也称为光电开关（如图4.12），是一种集发射器和接收器于一体的传感器，多用于检测障碍物。

其原理是由传感器辐发射出来的调制红外光束被物体反射回来，当被检测物体的表面光亮或其反光率比较高时，反射式的红外传感器反应是非常灵敏和可靠的。

这种传感器体积小，易安装，且输出信号易于采集和处理。

如图4.14:
图4.14 315M发射模块的电路图
接收模块为超再生接收板。

超再生式接收机具有电路简单、性能适中、成本低廉。

超再生接收模块的电路图如图4.15所示：
图4.15 超再生接收模块的电路
接收模块采用SMD贴片工艺制造生产，为超再生接收方式，它内含放大整形及解码电路，使用极为方便。

接收电路自身辐射极小，加上电路模块背面网状接地铜箔的屏蔽作用，可以减少自身振荡的泄漏和外界干扰信号的侵入。

接收电路采用高精度带骨架的铜芯电感将频率调整到315M后封固，这与采用可调电容调整接收频率的电路相比，温度、湿度稳定性及抗机械振动性能都有极大改善。

可调电容调整精度较低，只有3/4圈的调整范围，而可调电感可以做到多圈调整。

4.2.8 洒水车警示音的发声模块控制电路
洒水车警示音的发声模块控制电路如图4.16
4
5
6
Title
Nu mber R
Size B
Date:14-Nov -200
8Sheet o f File:
C:\PROGRAM FILE S\PROT EL 99SE 汉化版\EXAMPLES\BA Drawn By:
112233445
5
CKO888
MUSIC
NPN
VCC
0.1u F
SPEAKER
VCC
P2.4
图4.16 洒水车警示音的发声模块控制电路
采用单片机的I/O 驱动洒水车警示音的发声模块。

当P2.4为高电平时洒水车便发出清脆的警示音乐。

5 系统软件的设计(功能的实现) 5.1路面图像检测与处理
5.1.1定位行驶
我们在道路中央铺设黑色引导线，利用黑白摄像头采集图像，识别黑线的位置坐标。

我们以黑线左边缘（或右边缘）的位置来代表黑线的位置，并根据左边缘的图像坐标来
控制舵机的转角。

摄像头采集的图象如图5.1所示。

图5.1 摄像头采集的图像
若摄像头所用镜头为非广角镜头，单行图像数据的图像坐标与该行的世界坐标间是线性变换关系，该行任意两像素图像坐标的差值（指列值的差，因为它们行值差为零）乘以某比例常数就得到了两像素世界坐标的差值，即对应的两采样点间的距离，如公式
ΔXworld=K×ΔXimage=K × (line2-line1)
我们用反馈控制的方式控制舵机转角。

设定一基准位置，所谓基准位置，就是当黑线相对于赛车处于该位置时，认为赛车与黑线间的位置偏差为零。

我们利用某采样行黑线实际位置与基准位置间的差值（ΔXworld ）来做控制。

若采用线性的控制算法，例如PID 算法，则对舵机的控制量
我们可以直接对黑线实际位置与基准位置间图像坐标的差值（即line2-line1）设计控制算法（公式），其中Pi 、Ii 、Di 可依据反复实验的效果而选定。

程序流程图如图5.2
图5.2 程序流程图
5.1.2岔路口识别与转向控制
根据起始线的特点，可以从左至右扫描一行视频信号的下降沿，并记录下降沿的数目，如果下降沿数大于等于2，则判定为起始线。

但是，视频信号每20ms才得到一次，小车在这段时间内大约已行驶40mm，若只对一行信号进行分析，有可能造成漏判。

实际程序中，利用摄像头进行起始线的判别。

因为起始线位于直道，车体相对赛道一般不会有太大的偏差，而且摄像头采集洒水车前面的信息，精度有保证，所以只需检查摄像头信号中是否有两个上升沿或两个下降沿即可。

交叉线虽然也是一种特殊情况，但由于我们是通过边缘检测法对黑线进行提取的，它并不会被检测到。

事实上，当扫描到一行信号全黑时，因为检测不到下降沿，黑线位置默认为和上一次的位置相同。

5.1.3路标的识别与洒水控制
在洒水区，浇花区的两头放置磁钢，在洒水车车底放置霍尔传感器，通过霍尔传感器检测磁钢来控制洒水车的洒水以及浇花作业。

此部分的程序流程图如图5.3
图5.3 路标的识别程序流程图
5.1.4红绿灯的识别与控制
红外线接收管是一种pn结型半导体元件，当光照射到pn结上时，半导体内电子受到激发，产生电子空穴对,在电场作用下产生电势，将光信号转换成电信号。

程序流程图如图5.4
图5.4 红绿灯的识别程序流程图
5.2碍物的识别与控制
障碍物识别的程序控制如图5.5
图5.5 碍物的识别与控制程序流程
5.3车载水量的检测
加水系统给洒水车加水时，当水加满后，用水位开关动作输出电信号0，代表水满了。

水箱的容量我们已经测得为1.56升。

当洒水车开始洒水时，洒水泵工作，洒水泵的流速是固定的，流速测得为32ML/S。

当洒水时水量是按照32ML/S的速度减少的。

当两个水泵同时开启时，水量按照32ML/S的速度减少。

洒水车会将水量发送给监控中心显示。

程序流程图如图5.6
图5.6
5.4数据的无线发送与接收，数据的编码解码
单片机处于发射状态，用示波器检测数据输出I/O，得到波形后锁定波形，测得信号的
波形如下：开始是9ms低电平，输出1为：输出0为：
输出1信号的周期是400us ，输出0的周期是600us 。

比特率表示经过二进制的数据每秒钟传输多少个比特(bit)来表示，而1比特就是二进制里面的一位，要么是0，要么是1。

本系统数据传输比特率为：
Rb=1/500us=2kbps
本系统发送一次信息量为48*8=384bit 。

若发送一次信息所用的时间约为384*500us+9=200ms 。

误码率测试：发送20次信息，收到信息均无出现误码，误码率几乎为0。

这说明了传输的可靠性是很高的。

洒水车发送，监控主机接收程序流程图如图5.7和图5.8。

图5.7 洒水车数据无线发送程序流程图 图5.8 监控主机接收程序流程图
5.5监控软件与DSRC 无线定位原理
DSRC 无线定位的工作原理如下所述：洒水车所在位置的坐标信息及其ID 码通过预置参数读写接口存储在其数字单元的ROM 中，并被长期保存。

监控中心平常处于扫描工作状态（接收－休眠－接收），消耗电流极小。

当洒水车将要工作时，可按一定的时序并以一定的数据速率不断发射唤醒信号。

监控中心确认洒水车在其信号覆盖区内后，会发射应答信号，收发双方进行无线握手。

握手成功后，洒水车发送所在位置的坐标和ID 数据。

在DSRC 无线定位系统中，最重要的技术指标是定位精度。

只要洒水车进入监控中心的信号覆盖区，监控中心即可接收到坐标数据。

我们设置监控中心中A 点的坐标为0，通过洒水车行驶到图中相应点中的里程数来对洒水车进行精确定位。

众所周知，信号覆盖区的范围与发射机的发射功率、接收机的接收灵敏度、收发天线的波束形状等因素有密切的关系，所以仅仅依据接收机进入覆盖区是否收到信号来确定信标的位置是很难达到定位精度要求的，所以我们作品的定位存在±10cm 的误差。

监控中心监控软件运行界面如图5.9
图5.9 监控中心监控软件运行界面
洒水车行驶时，监控软件界面显示洒水车状态为：行驶。

洒水车停车时，监控软件界面显示洒水车状态为：停车。

洒水车在洒水过程中监控软件准确显示车载水量。

监控软件还可以显示通信状态，信号强度。

6 功能测试与分析
6.1自动识别道路及自动加水功能测试
测试过程及结果：将洒水车放到模拟城市道路中的车库里（A处），打开电源。

洒水车所有的指示灯亮3次，同时监控中心接收到洒水车发出的信号，并且显示“洒水车一切正常，通讯状况良好”等信息。

洒水车自动沿引导线行驶，当洒水车行驶到加水站（B处）时，洒水车自动停止，红色指示灯闪3次，加水站检测到洒水车并自动给洒水车加水，同时监控中心显示洒水车的状态为“加水”。

当加满水时，洒水车给加水系统发出一个信号，加水系统停止加水，洒水车绿色指示灯闪3次，同时监控中心上显示洒水车的载水量。

测试结果的分析：洒水车具有很好的道路识别能力，自动加水装置运行正常并很好的实现了自动加水功能。

6.2岔路口识别功能的测试
测试过程及结果：洒水车自动沿引导线行驶，行驶到交叉路口（C处），洒水车自动沿正确道路（CD）行驶，当行驶到红绿灯交叉口（D处）时，洒水车沿正确道路（DE）行驶。

测试结果的分析：洒水车可以识别道路的岔路口，并能选择正确的路线行驶。

6.3在洒水路段洒水功能的测试
测试过程及结果：当洒水车行驶到洒水(E处)时，洒水车自动给路面洒水，同时蓝色指示灯亮，监控中心显示洒水车状态为“洒水”，洒水车将车载水量实时发送到监控中心，监控中心显示车载水量。

洒水车行驶到花池（E处），洒水车同时给花池浇水，当洒水车驶过花池（G处）时，停止浇花。

洒水车行驶到交叉路（D处）时，停止洒水，同时蓝色指示灯灭，监控中心显示洒水车状态为“行驶”。

测试结果的分析：洒水车可以正确识别路标，并在洒水路段洒水、喷灌花池，而且性能可靠，稳定。

6.4红路灯检测功能的测试
测试过程及结果：洒水车行驶到红绿灯交叉口（D处），此时遇到红灯亮，洒水车在停车线内停车，同时监控中心显示洒水车状态为“停止”。

当红灯变为绿灯时，洒水车启动，并
沿正确道路（DE）行驶，同时监控中心显示洒水车状态为“行驶”。

洒水车经（GD）第二次
运行到红绿灯交叉口（D处）,此时遇到绿灯亮，洒水车不停车，继续行驶。

测试结果的分析：洒水车可以遵守红灯停，绿灯行的交通规则，能够准确检测处红绿灯的状态。

6.5障碍物检测功能的测试
测试过程及结果：在路面的任何一个位置上放置障碍物，洒水车检测到障碍物，并及时停车。

移走障碍物洒水车自动发车行驶。

测试结果的分析：洒水车能够准确的检测到障碍物，并能及时刹车。

6.6无线监控功能的测试
测试过程及结果：洒水车发动后，监控软件显示通信状态为良好。

信号强度为当前信号强度值，洒水车行驶时，监控软件界面显示洒水车状态为：行驶。

洒水车停车时，监控软件界面显示洒水车状态为：停车。

加水时监控软件界面显示洒水车状态为：正在加水。

洒水车在洒水过程中监控软件准确显示车载水量。

测试结果的分析：洒水车运行过程中，监控软件可以准确显示洒水车的位置，洒水车状态，车载水量，通讯状态和信号强度。

7 结束语
当今社会人们对都市环境问题的关注程度在逐步加深，作为环保的中心力量，城市洒水车系统的作用日益明显。

本设计采用了DSRC无线定位原理，并通过各种辅助模块实现了洒水车系统高度的智能化与自动化，改变了现有洒水车系统单一的工作模式，融合自动控制和实时监控功能为一体，大大提高了洒水的灵活性和实时性，节省了劳动力，又迎合了当今机械产品智能化的潮流，适应性强，简单、方便、经济、可靠，在环保领域拥有着极强的推广性。

智能消防洒水车的设计
加水系统电路图
附录2：实物图。