桂林理工大学

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智能巡检安全卫士

申报人：李强 申报日期：2025-05-29

基本情况

2025年批次
智能巡检安全卫士 学生申报
创新训练项目
工学
自动化类
学生来源于教师科研项目选题
一年期
“智能巡检安防卫士”项目，以STM32微处理器为核心，打造自动巡检灭火机器人，应对火灾风险攀升难题。其功能完备，自动巡逻靠红外、超声波传感精准循迹避障；远程控制经WiFi与APP相连，随心掌控运动与灭火；WiFi通讯保障指令、数据畅传；火焰监测实时精准，自动灭火迅速有力；电机驱动灵活调控车速、转向与灭火强度。创新上，高度集成智能规划路径、多传感融合精准定位、智能避障高效寻源、远程控制实时洞察、可扩展适配多元场景。预期成果为成功制出高性能实物，验证功能，守护安全。
获得2024电子设计大赛广西区一等奖，2024年全国三维数字化创新设计大赛省级二等奖，2024睿抗机器人开发大赛省级三等奖，2024年大创国家级立项等奖项。
主要从事自动化控制系统的设计与研究工作，在指导大学生学科竞赛方面经验丰富
参与方案讨论以及技术指导。
区级

项目成员

序号 学生 所属学院 专业 年级 项目中的分工 成员类型
李强 机械与控制工程学院 自动化 2023 总体方案设计
韦文智 机械与控制工程学院 机械电子工程 2022 程序设计
刘子成 机械与控制工程学院 机械设计制造及其自动化（中外合作办学） 2023 控制方案设计
钟世杰 机械与控制工程学院 自动化 2023 产品结构设计
曾佳凤 环境科学与工程学院 水文与水资源工程（创新班） 2023 实验测试

指导教师

序号 教师姓名 所属学院 是否企业导师 教师类型
马文铭 机械与控制工程学院 否

立项依据

在我国经济蓬勃发展与社会加速转型的进程中，城镇化建设浪潮汹涌澎湃，建筑数量呈指数级攀升，火灾风险亦随之水涨船高，防控局势愈发险峻。就近期而言，2023 年 12 月 1 日至 2024 年 1 月 31 日，广西地区火灾警报频传，共计 3259 起火灾肆虐，无情吞噬 12 条生命，致使 13 人受伤，直接财产损失高达 3497.9 万元，令人痛心疾首。回溯往昔，江西新余的特别重大火灾事故如噩梦般降临，39 人不幸罹难、9 人重伤，伤痛至今难以抚平；河南南阳方城县独树镇英才学校的重大火灾事故更是令人扼腕叹息，13 名天真无邪的儿童消逝于火海，1 名儿童受伤，这些惨痛悲剧犹如一声声沉重的警钟，醒目地揭示出既有火灾防控架构的脆弱与应急处置流程的滞后，直指体系核心漏洞与机制沉疴。
当火灾无情爆发，人力扑救在其狰狞面目下尽显窘迫之态。火灾现场仿若炼狱，高温似猛兽咆哮、浓烟如恶魔弥漫，火势以惊人速度疯狂蔓延，形成一道道难以逾越的险阻。以楼道电动车起火为例，仅仅 104 秒，局部空间温度便如脱缰野马飙升至 284℃，滚滚烟气温度也冲破 80℃大关，这般极端险恶之境，人员贸然深入无疑于羊入虎口，根本无法及时精准触及火源实施扑救，人员伤亡与财产损毁遂成定局，损失惨重超乎想象。
随着人们的安全意识的提高，许多建筑物都内置防火系统。普遍防火系统一旦出发高温或者烟雾报警，防火系统会在第一时间在大范围降下水或者其他灭火剂以达到灭火的目的。这样的防火系统适合大部分建筑物防火设计，少部分如储存不能沾水的货物的仓库就不行了。即便是灭掉火源，依旧会导致大量乃至全部货物损失。而自动灭火小车可以解决这类问题，自动灭火小车平时会在仓库内的指定路线巡逻，一旦检测出火苗就会在第一时间消灭；若不在火苗不在巡逻路线上，而仓库内其他地方有高温火灾烟雾报警，可以操纵自动灭火小车去指定地点灭火。因此自动灭火小车特点是的检测范围广，灭火剂的用计量少，可以大大的减少货物损失。 
1．自动巡逻
红外传感器接收信号并将信号转发给单片机，单片机接收到信号后对所接收到的信号进行处理判断小车是否偏离行驶路线，若小车行驶路径产生偏移则向电机驱动芯片发送纠正的信号使得小车回到所规定好的路线之上，同超声波扫描路线中是否操作障碍物，若有障碍物就避开障碍物并回到路线上继续运动，以此循环往复，最终达到所要求的小车循迹功能。
2．远程控制
App通过WiFi发送信号给单片机，单片机接收到WiFi信号后对所接收到的信号进行处理小车的运动状态，如小车的转向和停止等。
3．WiFi通讯
在通过WiFi模块与单片机建立联系的前提下，WiFi模块接收来控制信号并将所接收到的信号以无线传输的方式转发给单片机，单片机接收蓝牙模块转发的信号后，对该信号进行处理，向电机驱动芯片发送信号控制智能车的转向、加速、减速、刹车。同时实现数据传输。
4．自动灭火
单片及接收到火焰的信息后，小车将自动运动，将车头对准火焰处且保持适当距离后，驱动风扇电机灭火。
5. 电机驱动
电机带动小车车轮和小风扇，从而实现对小车的车速和转向的控制与小风扇灭火效果。
6．火焰实时监测
小车巡逻过程中，对火焰进行实时监测，并随时检测环境温度，异常情况随时报警。 
不管什么时候防的火灭火问题，国内国外的重视程度都很高，无论是防火措施，或是灭火剂材料一直在发展。随着近几年社会和经济高速发展，建筑物的增加同时内部结构也愈加复杂，同时气候变得反复无常，火灾的发生概率增大，因此人们对防火或灭火相关技术的关注也日益提高。
如今国外的防火或者灭火措施比较注重户外，以美国或澳洲等地区为例，其虽占地面积大，但人口较少，荒地占据大量面积，且近几年来气候变化无常，高温而干燥，容易导致户外火灾。而且人们较少住在层楼，所以生活火灾隐患较少，因此国外更注重户外火灾防护或者灭火材料的发展。
近几年，我国学者对灭火开展了诸多研究。2018年，史兵等人针对室内移动灭火机器人，提出了一种基于无线传感器网络且具有远程网络控制功能的系统架构，能通过网络客户端实现远程控制；2020年，覃思结合水专业提资，对自动跟踪定位射流灭火系统进行电气设计，实现该系统与常规火灾报警联动控制系统的兼容及集中管理,保障糖厂全方位火灾自动报警系统的可靠性；2021,李宁等人针对古建筑的不可再生性,结合如今发展迅速的物联网技术,采用物联网节点、机器人以及无人机从监测、预警和灭火三个方面构建了针对古建筑的防火灭火系统；2022年，冯淑琪等人据共建综合管廊的运营特点，深圳地铁共建综合管廊消防灭火系统采用自动与手动灭火相结合的方式，选用超细干粉自动灭火系统和手提灭火器灭火；2023年，郭元海针对某集装箱码头岸桥在温控和灭火系统方面存在的不足进行分析，并提出相应优化措施，为港口岸桥温控和灭火系统的优化工作提供参考；2023年，Yuefu Chen分析灭火救援行动在实际应用中遇到的问题，并提供改进和优化的建议,以提升多旋翼无人机在消防救援中的效能；2023年，Tareq Khan开发装置使用热相机探测火灾,使用红绿蓝相机探测常见物体，并使用基于深度学习的算法实现等。以上主要针对的是大范围且固定灭火消防或者对其的研究深化。
关于灭火小车火灾机器人的研究也有，如2020年，吴继侠等人采用STM32单片机,通过Openmv图像采集模块、NRF24L01无线通信模块、多通道温度检测传感器、多通道火焰检测传感器、灭火泵、电源电路和电机驱动模块组成智能灭火小车；2021年，廖斌等人结合传感器知识综合运用，通过在主控芯片添加电机驱动、灰度传感器模块、火焰识别模块、超声波测距模块及蓝牙导航模块,并且使用PID自动控制算法，能够准确实现循迹灭火功能；2022年，张泳钢等人以STC89C52单片机为系统控制处理器，采用红外传感获取轨道及障碍物的信息,来对小车的方向和速度进行控制；2022年，徐崇奇等人研究设计并制作了以STM32为核心板的智能火灾监测及灭火小车系统，其采用履带式底盘，可在丘陵等地形复杂的环境中前行，在合理有效避障的过程中检测火源并进行初步灭火，利用透射模块将北斗定位发送至阿里云平台，实现火情信息的实时监测传输等。
如今，随着社会发展，智能灭火的研究和应用得到了广泛的关注，未来将会更加智能与便利，为防火灭火事业做出更大的贡献。 
1. 创新点
(1)以STM32微控制器为核心，融合火焰、红外、超声波测距等多类传感器技术，构建起智能 “神经中枢”。凭借先进算法，机器人自主判别火源方位、巧妙规划最优路径、敏捷避开障碍并精准实施灭火，大幅提升火灾处置智能化层级，引领行业智能化革新潮流。
(2)多传感器融合技术：创新性地整合温度、火焰、红外、超声波测距等多元传感器数据。经复杂算法融合处理，突破单一传感器局限，实现火源位置高精度定位，为灭火策略制定提供坚实精准的数据基石，全面增强灭火决策科学性与精准度。
(3)智能避障与路径规划：运用超声波测距传感器搭建智能避障体系，在复杂环境中为机器人赋予敏锐感知与快速反应能力，确保行驶安全无虞、避障精准高效。同时，依托前沿路径规划算法，机器人依据实时环境数据自主生成并动态优化至火源最优路径，依火势与现场状况灵活调整策略，极大提升灭火效率，为应急救援争分夺秒。
(4)远程控制：匠心独运地打造远程控制功能模块，借手机APP或专业远程设备，用户与机器人实时互联。全方位掌控机器人运行参数、灭火进程详情，远程精准下达运动指令与灭火操作，跨越时空界限实现灭火全程无缝指挥，为远程应急处置赋予全新可能。
(5)可扩展性与灵活性：在硬件架构上精心预留多元扩展接口，依实际灭火场景与任务需求，便捷嵌入新型传感器与功能模块，如有毒气体检测、热成像辅助等，实现功能定制拓展。配合软件算法迭代优化，持续提升机器人智能化深度与灭火性能极限，从容应对不断演变的火灾挑战。。
2. 项目特色
(1) 具有自动监测火情并自动灭火的功能。
(2) 具有远程报警和监控功能。 
1. 智能巡检安防卫士的课题研究的基本路线如下图2所示：
图2 课题研究的基本技术路线图
1．控制系统硬件设计
本系统硬件结构主要由STM32主控板、wifi模块、温度传感器模块、电机驱动模块、超声波避障模块和红外循迹模块等组成。自动灭火小车控制系统硬件总体结构框图如图3所示。
图3 自动灭火小车控制系统硬件总体结构框图
本设计的自动灭火车控制系统硬件选型具体为：
(1) STM32 主控板
以 STM32F103C8T6 芯片为控制核心，集成了工作频率为72MHz的高性能 ARM Cortex -M3 32位RISC内核、高速嵌入式存储器(最高128字节的闪存和最高 20k 字节的 SRAM)，以及连接到两条 APB 总线的大量增强型I/O和外设。STM32F103C8T6提供两个12位 ADC、三个通用16位定时器和一个PWM定时器，以及标准和高级通信接口:最多两个I2C和SPI、三个USARTS、一个USB和一个CAN。STM32F103C8T6采用2.0至3.6V电源供电。芯片具有高性能、低成本、低功耗的优点。
(2) 火焰传感器模块
本设计选用4线火焰传感器模块，其可以检测火焰或者波长在760纳米~1 100纳米范围内的光源，打火机测试火焰距离为80cm,对火焰越大，测试距离越远；探测角度60度左右， 对火焰光谱特别灵敏；比较器输出，信号干净，波形好，驱动能力强，超过15mA；配可调精密电位器调节灵敏度等。
(3) 温度传感器模块
本设计选用DHT11温湿度模块，它凭借内置的电容式感温与湿度敏感元件，精准捕捉周围环境温湿度变化。其优势显著，采用数字输出形式，无需复杂信号转换，直接输出精准稳定的温湿度数值，能高效满足智能家居、农业温室、工业仓储等多领域对温湿度监测的需求。
(4) HC-SR0超声波模块、
HC-SR04 超声波模块是广泛应用的测距利器，其核心由两个压电陶瓷超声传感器及配套外围信号处理电路构成。一个作为发射器，以 40kHz 谐振频率稳定输出超声波；另一个充当接收器，凭借高灵敏度捕捉反射回来的超声波，二者协同，为精准测距奠定基础。可提供2cm-400cm 的非接触式距离感测功能，测距精度可达高3mm。
(5) 红外循迹避障模块
本设计选用红外寻迹-循迹-避障传感器模块，其当模块检测到前方障碍物信号时，电路板上绿色指示灯点亮电平，同时OUT端C ]持续输出低电平信号,该模块检测距离2~30cm,检测角度35°，检测距离可以通过电位器进行调节，顺时针调电位器,检测距离增加;逆时针调电位器，检测距离减少；传感器主动红外线反射探测,因此目标的反射率和形状是探测距离的关键。
(6) 电机驱动模块
TB6612 是一款性能卓越的双路 H 桥型直流电机驱动芯片，在电机驱动领域应用广泛。它基于双路 H 桥架构，具备驱动两个直流电机的能力，可精准控制电机转速与方向。通过对相应引脚设置不同电平，能灵活切换电机正反转；运用脉冲宽度调制（PWM）技术向特定引脚输入信号，以调节占空比，进而精准调控电机转速，使其适配复杂多变的工作场景，满足智能小车、小型机器人及自动化设备等对电机精细驱动的需求。
(7)ESP8266wifi模块
ESP8266是一款超低功耗的UART-WiFi透传模块，拥有业内极富竞争力的封装尺寸和超低能耗技术，专为移动设备和物联网应用设计，可将用户的物理设备连接到Wi-Fi无线网络上，进行互联网或局域网通信，实现联网功能。其支持STA/AP/STA+AP三种工作模式；内置TCP/IP协议栈，支持多路TCP Client连接；支持UART/GPIO数据通信接口；支持Smart Link智能联网功能；内置32位MCU，可兼作应用处理器。
2．系统软件设计
(1)编程语言选择
本次设计选用C语言作为主要的编程语言。C语言在实际应用中，由于其程序语言比较简洁，体现出显著的便利性，可以借助C语言开展编程工作，确保能够实现更为丰富的程序功能操作。C语言具有多种运算符类型，不但具有算术运算符，还有赋值、关系、逻辑等运算符，正是因为这些运算符的存在，使C语言的表达形式变得多种多样，编程人员需要充分掌握正确的运算符使用方法，才可以提升运算成功率，而这一特点也是C语言能够深受重视的关键原因。而且其具有强大可移植性，适合用于嵌入式开发。
(2)程序总体设计
主程序：灭火车端上电后开始进行自动巡逻子程序、操纵运动子程序、火焰检测子程序、温度检测子程序和自动灭火子程序5个模块的初始化，初始化之后按流程执行灭火车各个子程序。自动灭火小车主程序如图4所示。
App操作流程：开启WiFi连接，接收并显示出火焰和温度的各项信息，同时发送命令控制电机运动状态，如小车是自动巡逻还是操纵运动，如果是操作运动，是向前还是向后、向左和向右等等。App操作子程序如图5所示。
图4 智能巡检安防卫士主程序图 图5 App操作流程
3．拟解决的主要问题
(1)实时火焰监测，及时发现火源；
(2)实现机器人灵活的运动控制，及时有效地灭火；
(3)确保及时有效的远程控制与数据传输。
4．预期成果
设计制作出效果达到要求的实物，并通过实验验证基本功能的实现。 
(1)2025年4月，项目前期进行必要的调研，进行项目申请立项，查阅文献资料，确定项目研究方向与目标。合理协调好小组内部的分工，对项目的具体事宜进行必要的分析，积极向老师征求意见。
(2)2025年5月至2025年8月，完成自动灭火小车实物模型的设计制作与整体组装，以及相关的控制系统软硬件设计调试。
(3)2025年9月至2025年12月，完成实物模型的功能测试、调整与改进等工作。
(4)2026年1月至2026年2月，完成撰写论文等工作。
(5)2026年3月至2026年4月，完成项目的验收和结题、答辩等工作。 
我们团队已初步完成对智能巡检安防卫士的初步的仿真设计，队员取得成果如下：
李强：获得2024电子设计大赛广西区一等奖，2024年全国三维数字化创新设计大赛省级二等奖，2024睿抗机器人开发大赛省级三等奖，2024年大创国家级立项等奖项。
韦文智：第十七届“高教杯”成图大赛国赛三等奖、2024年3D年度赛广西赛区特等奖、桂林理工大学功能板大赛校赛二等奖、桂林理工大学3D打印大赛校赛三等奖。
钟世杰：获得2024电子设计大赛广西区成功参与奖，2024睿抗机器人开发大赛省级三等奖，第十届全国应用型人才综合技能大赛“工业美”智能创造创新创意大赛二等奖。
刘子成：会C语言编程与python，能够运用其进行数据分析和算法实现。具备基础的画图能力，熟悉机械设计原理，能使用CAD，creo，sw等软件进行产品设计与绘图，曾获桂林理工大学二等奖学金，第三届“BETT”全国大学生英语词汇大赛国家三等奖，雅思5.5，实用专利“一种柔性仿生电子皮肤感知机构”，“一种新能源汽车碳排放量监测装置”与“一种水下仿生蛇形机器人”。 
我们已经取得了积极进展，但目前缺少经费支持，无法满足后续研发和实验的需要，我们非常渴望获得该大创项目，以便通过该项目的研究进一步提高我们的理论知识和实践能力，取得更优异的成绩。后续我们将选择合适的单片机及其它元器件，确定灭火小车的结构设计以及控制系统的总体 设计方案，制定软硬件设计计划，完成灭火小车硬件系统设计，在此基础上进行软件编程；制作实物模型，并对所设计的软、硬件系统各项功能进行调试和实验研究。 

经费预算

开支科目 预算经费（元） 主要用途 阶段下达经费计划（元）
前半阶段 后半阶段
预算经费总额 8500.00 无 4000.00 4500.00
1. 业务费 4500.00 无 0.00 4500.00
（1）计算、分析、测试费 0.00 无 0.00 0.00
（2）能源动力费 0.00 无 0.00 0.00
（3）会议、差旅费 0.00 无 0.00 0.00
（4）文献检索费 0.00 无 0.00 0.00
（5）论文出版费 4500.00 无 0.00 4500.00
2. 仪器设备购置费 0.00 无 0.00 0.00
3. 实验装置试制费 0.00 无 0.00 0.00
4. 材料费 4000.00 无 4000.00 0.00
结束

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