火灾现场的高温、有毒气体、复杂地形等极端环境，对消防人员生命安全构成严重威胁，传统消防机器人普遍存在环境检测维度单一、无线通信稳定性差、控制模式僵化、人机交互不直观等痛点。基于 Arduino UNO 单片机与 LabVIEW 开发平台，打造一款集多参数环境感知、双模控制（自动 / 手动）、远距离无线传输、智能避障、精准灭火于一体的新一代消防机器人，重点强化 LabVIEW 在上位机测控、数据可视化、交互逻辑优化等方面的核心优势，满足现代消防 “远程化、智能化、精准化” 作业需求。
系统总体设计
系统采用 “上位机集中管控 + 下位机分布式执行” 架构，LabVIEW 作为上位机核心开发环境，承担指令下发、数据处理、状态监控、人机交互等关键任务，与 Arduino 下位机构成高效协同体系。
（一）核心架构分工
层级 | 核心硬件 / 平台 | 核心功能 | LabVIEW 关联作用 |
上位机 | LabVIEW 2024+ | 指令编辑与下发、多参数实时可视化、控制模式切换、数据存储与分析、报警联动 | 全流程测控中枢，提供图形化编程与可视化界面 |
下位机 | Arduino UNO、传感器阵列、L298P 驱动器、APC220 无线模块 | 环境数据采集、运动执行、避障反馈、灭火动作响应 | 接收 LabVIEW 指令，执行底层控制并上传数据 |
（二）LabVIEW 核心功能模块
多通道数据采集与实时处理模块：支持 CO 浓度、粉尘浓度、温湿度、光照强度 5 类环境参数的同步采集，通过 LabVIEW 的 DAQmx 驱动与串口通信库，实现数据采样率动态可调（最高 10Hz），并内置数字滤波算法（滑动平均 + 中值滤波），有效剔除火灾现场电磁干扰导致的异常数据。
图形化人机交互模块：采用 LabVIEW 前面板设计可视化操控界面，包含：
五组仪表盘实时显示环境参数数值，精度达 0.01 级；
动态波形图绘制 CO 浓度、温度等关键参数变化曲线（支持 500s 历史数据回溯）；
布尔按钮 + 旋钮组合控件，实现前进 / 后退 / 转向 / 调速 / 灭火等操作，支持自定义快捷键；
状态指示灯与报警弹窗，当 CO 浓度超标（＞100mg/m³）或通信中断时自动触发声光报警。
双模控制逻辑模块：通过 LabVIEW 条件结构与事件结构，实现人工控制与自动控制的无缝切换：
人工模式：支持 5 档调速（0.15-0.55m/s），遥控距离最远 300m，指令响应延迟＜100ms；
自动模式：结合下位机传感器数据，LabVIEW 通过状态机逻辑下发避障、路径优化指令，无需人工干预即可完成火灾现场侦察与灭火作业。
无线通信与数据存储模块：基于 LabVIEW 的 VISA 串口库，与 APC220 无线模块建立稳定通信链路，支持数据帧校验（帧头 0x55 + 命令码 + 操作码），确保指令传输可靠性；同时自动存储环境数据至 CSV 文件，支持与 Excel、MATLAB 联动分析，为火灾现场复盘提供数据支撑。
LabVIEW优势
（一）图形化编程降低开发复杂度
LabVIEW 采用 G 语言可视化编程，无需复杂代码编写，通过拖拽函数模块、搭建数据流框图，即可完成上位机控制逻辑开发。例如，运动控制模块仅需通过 “串口写入”“条件判断”“数值转换” 等基础模块组合，即可实现 5 档调速与方向控制，开发周期较传统文本编程缩短 40%，工程师可快速迭代优化控制算法。
（二）多维度数据可视化与交互优化
LabVIEW 提供丰富的 UI 控件与数据显示组件，本案例中：
采用 “仪表盘 + 波形图 + 状态条” 组合，直观呈现火灾现场多参数动态；
支持自定义控件样式，将灭火按钮、模式切换键设计为大尺寸图标，适配消防人员穿戴防护装备时的操作需求；
内置数据回放功能，可通过 LabVIEW 的波形图表控件回溯历史数据曲线，便于分析火灾蔓延规律。
（三）高可靠性的通信与控制逻辑
LabVIEW 通过串口通信协议优化，实现上下位机数据帧的精准解析与校验，针对火灾现场电磁干扰，设计 “三次重发 + 超时断开” 机制，通信成功率达 99.8%；
采用 “顺序结构 + While 循环 + 事件结构” 的混合编程模式，确保指令下发、数据采集、界面刷新并行执行，无卡顿延迟，满足实时控制需求；
支持多任务并发处理，可同时完成环境监测、运动控制、灭火操作、数据存储四大任务，任务调度优先级可通过 LabVIEW 的优先级设置功能灵活调整。
（四）扩展性强，适配多场景升级
LabVIEW 支持与各类硬件模块无缝对接，本案例可通过扩展以下功能实现场景升级：
接入网络模块，实现 LabVIEW 上位机远程 Web 访问，支持多终端协同控制；
集成机器视觉库（NI Vision），通过摄像头实时传输火灾现场图像，实现火焰识别与自动定位；
新增 GPS 定位模块，在 LabVIEW 界面显示机器人实时位置，结合地图控件实现路径规划可视化。
性能测试
（一）核心性能指标
测试项目 | 测试结果 | LabVIEW 关联作用 |
环境检测精度 | 温度 ±0.5℃、湿度 ±2% RH、CO 浓度 ±1mg/m³ | 数据滤波与校准算法保障检测精度 |
无线通信距离 | 最远 300m（无遮挡），通信延迟＜100ms | 串口通信协议优化与帧校验机制 |
控制响应速度 | 指令下发至动作执行≤50ms | 并行编程与事件驱动机制 |
连续工作时间 | ＞4 小时（锂电池供电） | LabVIEW 低功耗运行优化 |
（二）实际应用场景
该机器人已在模拟化工园区火灾场景中完成测试，可替代消防人员进入有毒气体泄漏、高温密闭空间，通过 LabVIEW 上位机远程控制：
实时传回 CO 浓度、温度等关键参数，当检测到 CO 浓度超标时自动报警；
自动避障模块配合 LabVIEW 路径规划逻辑，成功越过 5.3cm 高障碍物，爬上 30° 斜坡；
灭火模块响应时间＜1s，可精准对准火焰喷射灭火剂，灭火成功率达 92%。
