基于無線通信的智能火災(zāi)疏散系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析

楊帆

摘要：本文分析了智能火災(zāi)疏散系統(tǒng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)需求，探討了無線通信的智能火災(zāi)疏散系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，研究了軟硬件設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)方法，以期為相關(guān)系統(tǒng)開發(fā)設(shè)計(jì)提供參考。

關(guān)鍵詞：無線通信;智能火災(zāi)疏散系統(tǒng);系統(tǒng)設(shè)計(jì)

中圖分類號：TN92 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號：1007-9416（2020）01-0127-02

0 引言

隨著無線通信技術(shù)的快速發(fā)展，其通信效率及穩(wěn)定性顯著提升，可以滿足智能火災(zāi)疏散系統(tǒng)的基本通信需求?；跓o線通信技術(shù)的便捷性，目前采用無線通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)的智能火災(zāi)疏散系統(tǒng)越來越多，其研究和應(yīng)用受到了相關(guān)行業(yè)領(lǐng)域的廣泛關(guān)注。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)開發(fā)過程中，應(yīng)充分發(fā)揮無線通信技術(shù)優(yōu)勢，確保系統(tǒng)各項(xiàng)功能的完善性。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)需求分析

目前關(guān)于無線智能火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)、疏散系統(tǒng)等的研究較多，而且逐步進(jìn)入應(yīng)用階段，能夠在火情實(shí)時(shí)監(jiān)測的基礎(chǔ)上，為實(shí)際救援逃生提供多方面支持，是一種新型高科技保安系統(tǒng)。對于高層建筑、大型商場等火災(zāi)疏散難度較高的應(yīng)用場景，智能火災(zāi)疏散系統(tǒng)可以有效提升實(shí)際救援逃生的效率。目前其無線監(jiān)測信號范圍可以達(dá)到數(shù)百千米，能夠滿足大多數(shù)建筑的監(jiān)測需求。但是從已經(jīng)投入應(yīng)用的研究成果來看，無線智能火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)產(chǎn)品較多，而疏散系統(tǒng)產(chǎn)品則較少。這主要是由于疏散系統(tǒng)相比于報(bào)警系統(tǒng)功能需求更加復(fù)雜，需要在動(dòng)態(tài)監(jiān)測火情狀況、預(yù)測火勢蔓延趨勢的基礎(chǔ)上，結(jié)合實(shí)際建筑場景，快速規(guī)劃科學(xué)的逃生路線，從而為火災(zāi)現(xiàn)場的人員逃生提供支持。此外，也需要滿足系統(tǒng)穩(wěn)健性、容錯(cuò)性等方面的性能需求，確保其功能作用可以正常發(fā)揮[1]。

2 基于無線通信的智能火災(zāi)疏散系統(tǒng)總體架構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

基于無線智能火災(zāi)疏散系統(tǒng)的功能及性能需求，在系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中，可采用三級架構(gòu)模式，即終端節(jié)點(diǎn)層、中繼模塊層、系統(tǒng)總控層。系統(tǒng)總體功能目標(biāo)是在火災(zāi)等緊急情況下，為樓宇內(nèi)部人員快速疏散逃生提供智能化指示，包括基本地圖顯示功能、逃生路線規(guī)劃功能、聲光指引功能等。在三層架構(gòu)模式下，終端節(jié)點(diǎn)層主要由傳感器節(jié)點(diǎn)組成，根據(jù)建筑結(jié)構(gòu)，將傳感器布置在各個(gè)重要節(jié)點(diǎn)，用于采集和監(jiān)控火情，第一時(shí)間獲取火災(zāi)發(fā)生信息。中繼模塊層主要采用無線通信技術(shù)，建立終端節(jié)點(diǎn)設(shè)備與系統(tǒng)總控制模塊的連接，實(shí)時(shí)反饋現(xiàn)場信息。然后由總控制模塊采用智能算法，對現(xiàn)場火情進(jìn)行分析和預(yù)測，自動(dòng)完成逃生路線規(guī)劃等工作，將結(jié)果反饋到用戶手機(jī)APP，指導(dǎo)人員逃生。根據(jù)實(shí)際使用需求，總控制模塊具體包括同樓層自救、疏散指引、不同樓層自救、疏散指引等功能?？梢愿鶕?jù)火情分布情況，制定多路徑分散疏散指示，配合消防救援行動(dòng)，盡可能提升人員逃生率[2]。

2.2 關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)用

（1）無線通信技術(shù)，各系統(tǒng)模塊之間均采用無線通信技術(shù)進(jìn)行信息傳輸，以滿足現(xiàn)場參數(shù)動(dòng)態(tài)采集、人員逃生移動(dòng)的使用需求。同時(shí)為了保證無線通信系統(tǒng)的穩(wěn)健性，需要設(shè)置備用供電系統(tǒng)，如果因火災(zāi)發(fā)生導(dǎo)致樓宇供電系統(tǒng)癱瘓，需要啟動(dòng)備用供電系統(tǒng)，確保系統(tǒng)通信的正常連接。（2）分層處理技術(shù)，在上述三級系統(tǒng)結(jié)構(gòu)下，每個(gè)層次的模塊都具有分層處理功能，在此基礎(chǔ)上通過系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)，匯總現(xiàn)場信息及處理結(jié)果，完成疏散路徑指示工作，確保系統(tǒng)運(yùn)行效率。（3）動(dòng)態(tài)監(jiān)測及規(guī)劃技術(shù)，考慮到樓宇火災(zāi)蔓延速度較快，現(xiàn)場火情不斷變化，已規(guī)劃的安全逃生線路也會(huì)發(fā)生變化。因此需要采用智能算法，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)監(jiān)測及規(guī)劃，持續(xù)為使用者提供最佳的逃生方案。（4）系統(tǒng)設(shè)備自維護(hù)技術(shù)，在智能火災(zāi)疏散系統(tǒng)的應(yīng)用過程中，也需要對系統(tǒng)設(shè)備狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)備故障隱患，并采取維護(hù)措施，從而保證系統(tǒng)在發(fā)生火災(zāi)時(shí)能夠正常使用[3]。

2.3 系統(tǒng)運(yùn)行原理

基于無線通信的智能火災(zāi)疏散系統(tǒng)，其終端節(jié)點(diǎn)層、中繼模塊層、系統(tǒng)總控層的模塊均采用無線通信方式。具體采用NRF24L01無線通信模塊，具有通信覆蓋范圍大、數(shù)據(jù)傳輸可靠的優(yōu)點(diǎn)。在各個(gè)模塊間基于包協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，可降低系統(tǒng)模塊間的耦合度。同時(shí)為每個(gè)模塊預(yù)留接口，可以為系統(tǒng)二次開發(fā)、系統(tǒng)升級和維護(hù)提供方便。在終端節(jié)點(diǎn)層的通信過程中，主要采用STC89C52芯片控制傳感器，通過設(shè)置無線收發(fā)模塊，完成與中級模塊層的信息交互，主要發(fā)送傳感器采集數(shù)據(jù)以及本節(jié)點(diǎn)檢測結(jié)果，接收后臺(tái)控制指令。中繼模塊層負(fù)責(zé)處理一片區(qū)域內(nèi)的節(jié)點(diǎn)信息，主動(dòng)對節(jié)點(diǎn)進(jìn)行掃描，采用TM4C123G微控制器主板，同樣采用無線通信方式，并將數(shù)據(jù)匯總結(jié)果傳送至系統(tǒng)總控制模塊。由系統(tǒng)總控制模塊處理匯總的信息數(shù)據(jù)，完成智能分析和規(guī)劃工作，并將結(jié)果反饋給用戶終端設(shè)備。

3 基于無線通信的智能火災(zāi)疏散系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

3.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

在硬件設(shè)計(jì)方面，系統(tǒng)終端節(jié)點(diǎn)包含的硬件設(shè)備主要包括溫度傳感器、煙霧傳感器等火災(zāi)現(xiàn)場傳感器設(shè)備，并設(shè)置有燈光、聲音報(bào)警指引單元。終端節(jié)點(diǎn)層采用STC89C52芯片控制無線收發(fā)模塊，無線芯片采用NRF24L01型號，設(shè)計(jì)有直流供電模塊。中繼模塊層主控板為TM4C123G微控制器，連接終端節(jié)點(diǎn)層的NRF24L01無線芯片，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)收發(fā)及中繼傳輸功能。并與系統(tǒng)總控層無線模塊連接，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)匯總及傳輸功能。在系統(tǒng)總控層，需要設(shè)計(jì)總控臺(tái)硬件設(shè)備系統(tǒng)，包括微處理器、顯示屏幕、報(bào)警裝置、直流供電模塊等。在系統(tǒng)硬件的設(shè)計(jì)和選擇過程中，需要充分考慮硬件設(shè)備自身的運(yùn)行可靠性，并對各硬件設(shè)備進(jìn)行妥善連接，確保系統(tǒng)各項(xiàng)功能的正常使用。此外，在硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中，也需要考慮后續(xù)系統(tǒng)升級的需要，確保系統(tǒng)可擴(kuò)展性，為新模塊的接入提供方便。

3.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

（1）通信協(xié)議包。在無線傳輸方式下，系統(tǒng)的無線模塊每次可以發(fā)送32Byte的數(shù)據(jù)，將信息包總長度定義為32Byte，并分為兩種類型，即狀態(tài)包與命令包。根據(jù)信息包的長度及標(biāo)志位，對信息包進(jìn)行傳輸校驗(yàn)，從而降低丟包率和誤碼率。其中狀態(tài)包主要由終端節(jié)點(diǎn)、中繼節(jié)點(diǎn)發(fā)出，將自身狀態(tài)信息發(fā)送給上一層系統(tǒng)模塊。命令包主要由系統(tǒng)主控制模塊發(fā)出，根據(jù)狀態(tài)監(jiān)測及分析處理結(jié)果，下達(dá)相應(yīng)的指令。在通信協(xié)議包中，通過設(shè)計(jì)包長度位，確定數(shù)據(jù)包實(shí)際填充長度。通過設(shè)計(jì)包標(biāo)志位，代表包的類別，PF=1時(shí)為狀態(tài)包，目標(biāo)節(jié)點(diǎn)為中繼模塊或系統(tǒng)主控制模塊，PF=2時(shí)為命令包，目標(biāo)節(jié)點(diǎn)為中繼模塊或終端節(jié)點(diǎn)。此外，還設(shè)計(jì)有目標(biāo)地址位及傳送地址位，分別顯示數(shù)據(jù)包的接收設(shè)備地址或發(fā)送設(shè)備地址。通過合理設(shè)計(jì)通信協(xié)議包，不僅能夠確保信息傳輸?shù)目煽啃?，還有利于提升通信效率。

（2）上位機(jī)系統(tǒng)。在上位機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中，整體采用WPF框架結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)界面較為美觀，可以為用戶操作提供方便，符合界面友好性設(shè)計(jì)要求。上位機(jī)系統(tǒng)軟件主要采用Framework45框架結(jié)構(gòu)，可以移植到多種操作系統(tǒng)下運(yùn)行。無線智能火災(zāi)疏散系統(tǒng)需要與樓宇監(jiān)控系統(tǒng)集成，由于多數(shù)樓宇監(jiān)控系統(tǒng)都采用專用計(jì)算機(jī)完成數(shù)據(jù)分析和處理工作，其成本較高，需要專人維護(hù)。在設(shè)計(jì)無線智能火災(zāi)疏散系統(tǒng)時(shí)，可以采用通用計(jì)算機(jī)，在常用的Windows系統(tǒng)下運(yùn)行軟件，從而節(jié)省系統(tǒng)建設(shè)投入。由于軟件操作功能簡單，用戶可以快速掌握其使用方法。另外，在上位機(jī)WPF框架下，采用數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)方式運(yùn)行，如果數(shù)據(jù)發(fā)生變化，程序需要作出反饋和響應(yīng)。主要通過線程對COM接口進(jìn)行監(jiān)控，在接口接收到數(shù)據(jù)時(shí)完成前臺(tái)響應(yīng)。若接收到的數(shù)據(jù)包為異常包，則發(fā)出警報(bào)，提醒監(jiān)控人員數(shù)據(jù)異常。

（3）控制軟件。在系統(tǒng)控制軟件設(shè)計(jì)方面，需要實(shí)現(xiàn)疏散逃生路徑規(guī)劃的核心功能。本次設(shè)計(jì)采用基于寬度的優(yōu)先遍歷最短路徑（BFS）算法作為逃生路徑規(guī)劃算法。在系統(tǒng)遍歷前，通過生成起點(diǎn)集，縮短遍歷時(shí)間，快速找到有效的節(jié)點(diǎn)路徑，從而提高路徑規(guī)劃算法執(zhí)行效率，滿足火災(zāi)疏散路徑規(guī)劃的實(shí)際應(yīng)用要求。如果節(jié)點(diǎn)發(fā)生異常，可以采用經(jīng)過無向圖修正的鄰接矩陣，繼續(xù)完成路徑規(guī)劃任務(wù)，以滿足實(shí)時(shí)規(guī)劃和調(diào)節(jié)需求。在系統(tǒng)運(yùn)行過程中，總控制模塊接收到中繼模塊層發(fā)送的信息后，執(zhí)行一系列判斷和操作指令，然后調(diào)用疏散逃生路徑規(guī)劃算法，完成路徑規(guī)劃工作。最后在地形圖上顯示路徑規(guī)劃結(jié)果，并使用高亮箭頭指示人員逃生。同時(shí)總控制模塊會(huì)生成相應(yīng)的控制指令，發(fā)送給樓宇聲光指引裝置，為樓宇內(nèi)的人員提供多重指示，最大化的提高疏散逃生效率。

3.3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)效果

為驗(yàn)證上述無線智能火災(zāi)疏散系統(tǒng)的實(shí)用性，在本次研究過程中，主要針對商場、學(xué)校、高層建筑等人員密集場所，對系統(tǒng)運(yùn)行效果進(jìn)行仿真試驗(yàn)。其中指示系統(tǒng)簡化為燈光引導(dǎo)，主要驗(yàn)證通信功能可靠性及路徑規(guī)劃算法運(yùn)行效率。從仿真試驗(yàn)結(jié)果來看，無線智能火災(zāi)疏散系統(tǒng)能夠保證火災(zāi)疏散過程中的通信穩(wěn)定性，第一時(shí)間對現(xiàn)場火情做出響應(yīng)，根據(jù)現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集結(jié)果，快速完成疏散路徑規(guī)劃任務(wù)，并以燈光形式進(jìn)行指示。在上位機(jī)系統(tǒng)測試過程中發(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)反應(yīng)較為靈敏，而且可以在多種操作系統(tǒng)下部署軟件，通過預(yù)留接口，滿足系統(tǒng)擴(kuò)展需求。因此，本次設(shè)計(jì)的無線智能火災(zāi)疏散系統(tǒng)可以滿足樓宇火災(zāi)疏散的實(shí)際應(yīng)用需求，系統(tǒng)功能、性能較為完善，建設(shè)成本低，具有普遍適用性?？梢詫⒅悄芑馂?zāi)疏散系統(tǒng)與火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)配合使用，進(jìn)一步提高樓宇安全保障水平。

4 結(jié)語

綜上所述，基于無線通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)的智能火災(zāi)疏散系統(tǒng)運(yùn)行效率高、適用范圍廣，可以為火災(zāi)發(fā)生時(shí)的人員疏散逃生提供有力支持。通過采用本次研究提出的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及軟硬件實(shí)現(xiàn)方案，可以確保系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)健性，各層次功能劃分清晰，模塊間的耦合度低，而且可以為系統(tǒng)升級維護(hù)提供方便，具有較強(qiáng)的應(yīng)用參考價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

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