火災(zāi)預(yù)警及輔助逃生門鎖系統(tǒng)的設(shè)計

張 偉， 陳雪芯，張麗紅，高 強， 王祥龍，宋小康，張佳豪

(西安文理學(xué)院 機械與材料工程學(xué)院，西安 710065)

隨著社會經(jīng)濟的不斷發(fā)展，建筑正在朝著高層化、密集化的趨勢發(fā)展[1]．雖然高層建筑與超高層建筑提高了土地利用率，但也給火災(zāi)消防帶來了難題．由于高層建筑樓層較多且空間狹小、人員流動大、管線設(shè)備復(fù)雜，高層建筑發(fā)生火災(zāi)時的人員疏散及救火都十分困難[2]．此外，高層建筑燃燒時會產(chǎn)生煙囪效應(yīng)，煙霧毒氣大且排煙困難，火源的所在位置也影響著火災(zāi)蔓延程度與逃生路線的選擇[3]．

當(dāng)高層建筑發(fā)生火災(zāi)時，如何在火災(zāi)初期及時預(yù)警，并迅速找到最佳的逃生方案幫助受困者進行自救就顯得尤為重要．

國外消防逃生裝置很多，有逃生滑梯、緩降器、消防梯等裝置，但大部分不適合家庭使用，存在很多問題，甚至?xí)觿』馂?zāi)的傷亡．國內(nèi)消防產(chǎn)品主要有消火栓、滅火器等，但主要用于公共消防，供專業(yè)人員使用，需要經(jīng)過專業(yè)培訓(xùn)才能操作[4]．國內(nèi)市場在家庭消防產(chǎn)品方面存在空缺．

本文基于無線通信WiFi技術(shù)和多傳感器融合技術(shù)，設(shè)計了一款火災(zāi)預(yù)警及逃生門鎖系統(tǒng)，它通過監(jiān)測每層每戶的數(shù)據(jù)實現(xiàn)火災(zāi)預(yù)警功能，并且根據(jù)采集到的數(shù)值通過語音播報給受困者提供逃生路線[5-6]．本系統(tǒng)經(jīng)由硬件制作及運行測試，達到了預(yù)期的效果，可以實現(xiàn)所有預(yù)期功能．將本產(chǎn)品應(yīng)用到高層建筑中，可提高火災(zāi)預(yù)警的準(zhǔn)確性與及時性，實現(xiàn)在火災(zāi)來臨時幫助被困人員及時進行自救，預(yù)期可以有效降低了高層建筑火災(zāi)死傷率．

1 總體方案論述

火災(zāi)預(yù)警及逃生門鎖系統(tǒng)主要由：門鎖端、門把手端和物業(yè)終端三部分構(gòu)成，系統(tǒng)整體網(wǎng)絡(luò)圖如圖1所示．

圖1 系統(tǒng)整體網(wǎng)絡(luò)圖

門鎖端主要用于感知火情及火災(zāi)預(yù)警，通過多傳感器網(wǎng)絡(luò)收集氣體參數(shù)，檢測到火情的門鎖會通過語音模塊和LED模塊警示用戶，與此同時會將火勢信息通過WiFi模塊發(fā)送到物業(yè)終端．物業(yè)終端主要作為中樞，負責(zé)將接收到的各個門鎖端的信息進行處理，并反饋至房間門鎖端及把手端．門鎖與把手之間為可拆卸結(jié)構(gòu)，當(dāng)用戶卸下把手后，把手即脫離于門鎖端，形成把手端，供用戶握持進行逃生．把手端主要負責(zé)為用戶提供逃生方案，通過與逃生門上的門鎖端WiFi交互進行定位、導(dǎo)航逃生．

1.1 系統(tǒng)的主要功能

火災(zāi)預(yù)警及逃生門鎖系統(tǒng)包括如下功能：(1) 通過采集各門鎖端的氣體參數(shù)，對高層建筑每層每戶進行實時監(jiān)測，確定火源及火勢情況；(2)由物業(yè)終端匯總整合后的信息反饋至門鎖端，實現(xiàn)火災(zāi)預(yù)警，幫助受困者實現(xiàn)火災(zāi)初期及時的滅火及自救；(3)通過處理、分析收集到的火情數(shù)據(jù)，為受困者制定逃生方案；(4)把手端化身電子導(dǎo)航，為受困者規(guī)劃路徑并語音播報．

1.2 系統(tǒng)工作方式

當(dāng)發(fā)生火災(zāi)時，火源附近的門鎖通過多傳感器系統(tǒng)模塊采集煙霧、氣體的參數(shù)值，并將其與系統(tǒng)設(shè)置的閾值進行比較．當(dāng)超過閾值，微處理器此時會判斷有火災(zāi)發(fā)生，隨即將火情數(shù)據(jù)通過WiFi模塊發(fā)送給物業(yè)終端的總處理器．物業(yè)端通過將采集到的數(shù)據(jù)進行匯總，并將信息反饋至各個門鎖端，起到對各層用戶的預(yù)警功能．此時，門鎖端會通過語音模塊向用戶告知火情來臨并為用戶制定逃生方案．

若可以逃生，門把手上綠光閃爍，用戶可將門把手卸下，把手在與原先門鎖WiFi 斷開連接同時自動與附近逃生門上門鎖的WiFi連接，終端根據(jù)門把手產(chǎn)生WiFi信號的強弱來判斷用戶的位置，物業(yè)終端結(jié)合當(dāng)前火情的位置給出用戶的逃生路線，門把手會有語音提示來幫助用戶進行逃生．

若火勢較大且無法逃生，此時門把手上紅光閃爍，語音模塊會提示用戶原地等待救援，同時定位模塊會由WiFi模塊將用戶的受困位置發(fā)送至物業(yè)終端，便于搜救．

2 系統(tǒng)設(shè)計

2.1 系統(tǒng)的材料選擇

目前市場上已有的門把手多采用鋁合金和不銹鋼材質(zhì)及電鍍工藝，未采用防火涂料，無法規(guī)避常規(guī)火災(zāi)中500℃～800℃高溫對系統(tǒng)的燒毀，造成受困者因為把手溫度過高無法開門逃生的人員傷亡現(xiàn)象．為了實現(xiàn)隔火、絕熱的作用，通過對現(xiàn)有的防火涂料進行分析、研究，發(fā)現(xiàn)綠色防火隔熱材料，如阻燃和隔熱型混合水性聚氨酯涂料、水性超薄型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料或高端泡沐陶瓷材料[7-8]作為防火涂料，可以實現(xiàn)門把手的隔火、絕熱．此外，還需對電力系統(tǒng)及線路進行保護，可采用多層涂料，內(nèi)層采用多孔材料，中層采用陶瓷防火材料，外層采用燃燒蒸發(fā)材料進行防護，可通過新型的阻燃劑改善復(fù)合涂層的防火性能[9-10]．

2.2 系統(tǒng)的機械設(shè)計

機械設(shè)計方面，對普通門鎖進行改造，重構(gòu)了把手端各模塊的布局，門把手的機械結(jié)構(gòu)如圖2所示．通過如圖3所示的連接改裝件，增加了門鎖端和把手端間的可拆卸功能．在正常工作時，將門把手順時針旋轉(zhuǎn)90°后完成日常的開門動作；當(dāng)火災(zāi)發(fā)生時，將把手逆時針旋轉(zhuǎn)至死點位置后可卸下，受困者手持門把手進行逃生，此時把手端開始電子導(dǎo)航為其提供逃生路線．

圖2 門把手機械結(jié)構(gòu)圖

在布局方面，把手端采用滑蓋設(shè)計，將內(nèi)部空間掏空并采用如圖4所示的分層式結(jié)構(gòu)，將各模塊的元件全部置于狹小的空間中，通過滑蓋裝置，將原本封閉的空間變成半開放式的空間，由干電池進行供電．方便維修，易拆卸．

圖4 門把手內(nèi)部安裝圖

2.3 系統(tǒng)的硬件設(shè)計

本系統(tǒng)采用STM32F103C8T6微控制器作為主控模塊，由MR628語音模塊和ESP8266無線通信模塊、火焰?zhèn)鞲衅鳌Q-2煙霧傳感器模塊、CO傳感器模塊和RGB燈模塊組成．通過火焰?zhèn)鞲衅鳌Q-2煙霧傳感器和MQ-9一氧化碳傳感器采集氣體的參數(shù)值，并將其發(fā)送至微控制器端與預(yù)設(shè)的閾值進行比對．當(dāng)檢測到超過閾值時，微處理器會將火災(zāi)數(shù)據(jù)通過WiFi模塊發(fā)送至物業(yè)終端的總處理器，與此同時 RGB燈模塊上的LED燈會閃爍、語音模塊提示用戶火災(zāi)來臨，把手會為用戶制定相應(yīng)的逃生方案．系統(tǒng)的硬件設(shè)計圖如圖5所示，系統(tǒng)的總體思路圖如圖6所示.

圖5 系統(tǒng)硬件設(shè)計圖

圖6 系統(tǒng)總體電路圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

軟件部分分為前端(即傳感器網(wǎng)絡(luò)端)及后端(即物業(yè)終端)，后端處理經(jīng)由前端傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，判斷用戶當(dāng)前的信息并給受困者提供最適合逃生方案．每層樓兩邊各有一個逃生門及逃生通道，前端通過WiFi測距實現(xiàn)定位，并將位置信息傳遞給后端．

用戶拆下把手開始逃生時，把手與原先門鎖的WiFi斷開連接，隨機與附近的逃生門上的門鎖WiFi進行連接．把手端導(dǎo)航時的路徑規(guī)劃的優(yōu)先級如下：

(1)語音模塊會優(yōu)先選擇距離用戶最近的一條逃生通道進行導(dǎo)航；

(2)當(dāng)該條通道被毀壞時，會提供第二條逃生通道，以此類推，直至沒有逃生通道；

(3)當(dāng)逃生通道均被毀壞時，會告知用戶原地等待救援，與此同時微處理器會根據(jù)WiFi的連接狀態(tài)將用戶位置范圍告知物業(yè)終端，方便救援人員搜救．

結(jié)合高層建筑著火的特點可知，當(dāng)火災(zāi)發(fā)生時的逃生路線規(guī)劃如下：

(1)受困人員由所處房間出發(fā)，經(jīng)由走廊到達最近的逃生通道，再由逃生通道到達第一層即視為成功逃生；

(2)若火源在用戶所處樓層之下，且火勢已將通往下層的逃生通道阻斷，則應(yīng)當(dāng)朝火源相反的頂層逃亡，爭取救援時間；

(3)若逃生通道均被阻斷，則受困人員原地等待救援．

系統(tǒng)的流程框圖如圖7所示.

圖7 系統(tǒng)程序流程框圖

4 實驗測試

為了檢測門鎖功能的實現(xiàn)程度，按比例搭建了實驗環(huán)境．制作了一個440 mm×200 mm×220 mm的高層建筑模型，其3D仿真圖及實物圖見圖8和圖9．該建筑共設(shè)有三層，每層共有十間房間，經(jīng)過測量每間房面積為0.003 7 m2，每間房體積為0.065 4 m3．假設(shè)每間房為獨立的單元，將其以[3.71:104]比例代替100 m2的實物房間進行模擬實驗．每層左右兩側(cè)各設(shè)有對應(yīng)的逃生門以及逃生通道，逃生門上同樣配有本門鎖系統(tǒng)．該模型第一層對應(yīng)高層建筑的中下部樓層，第二層對于中間樓層，第三層對應(yīng)中高樓層．在不同樓層的不同位置分別安放門鎖，通過點燃不同材質(zhì)的物品模擬火災(zāi)時的煙霧，在密閉的實驗室內(nèi)進行氣體濃度的檢測與測試．

火災(zāi)一般可分為正常期、陰燃期、發(fā)展期和燃燒期四個階段．在陰燃期以后燃燒材料會隨著溫度升高開始分解，氣體的種類和濃度都會發(fā)生變化．通過測量氣體的濃度變化，以及種類變化，根據(jù)演變氣體特征來檢測火情的發(fā)生[3]．已知傳感器系統(tǒng)可檢測的各類的氣體閾值為表1所示，其中CO為火災(zāi)預(yù)測的理想氣體[11]．質(zhì)量濃度的計算公式如式(1)，根據(jù)式(1)計算得到CO的可檢測濃度范圍如式(2)和式(3)所示，分別表示下限和上限.

質(zhì)量濃度(mg/m3)=體積濃度(ppm)×分子量/24.5

(1)

CO可檢測濃度范圍：

10×28/24.5≈11.43 mg/m3

(2)

1 000×28/24.5≈1 142.90 mg/m3

(3)

圖8 三層仿真高層建筑3D圖

圖9 三層仿真建筑模型

表1 傳感器檢測各類氣體的閾值范圍 單位：ppm

在CO可檢測的氣體濃度范圍下，按照高層建筑模型和實物房間的比例進行相應(yīng)的氣體煙霧濃度的模擬，以此來進行火災(zāi)仿真與實驗．在密閉的實驗室及規(guī)定的氣體濃度閾值條件下，通過下述實驗，來論證本方案的可行性和門鎖各項功能的實現(xiàn)程度．

實驗一是對門鎖預(yù)警功能的檢測，其結(jié)果如表2所示．實驗二是對門鎖的逃生方案制定及定位功能的檢測，結(jié)果見表3．實驗三是對門鎖導(dǎo)航功能的檢測，結(jié)果見表4．

表2 門鎖預(yù)警功能實驗結(jié)果

由表2實驗結(jié)果可知，當(dāng)氣體的濃度在閾值范圍內(nèi)時，門鎖預(yù)警功能正常，可以檢測到火情的發(fā)生；當(dāng)未在閾值范圍內(nèi)時，火勢過大會導(dǎo)致門鎖內(nèi)部損壞從而出現(xiàn)未預(yù)警的情況．在極少數(shù)情況下，門鎖會由于周遭CO氣體濃度升高而出現(xiàn)錯誤預(yù)警的情況．雖然未發(fā)生火情，但是由于CO氣體對人體有害，預(yù)警可以起到警示作用．

分析表3實驗結(jié)果可知，當(dāng)在閾值范圍內(nèi)時，物業(yè)端可以接收到用戶位置信息且與用戶實際所處位置相符合，此時門把手指定的逃生方案與實際火勢情況相吻合：當(dāng)超出閾值時，因火勢較大造成傳感器內(nèi)部損壞，使得門鎖定位功能受到影響，出現(xiàn)把手端方案規(guī)劃錯誤的現(xiàn)象．

表3 門鎖定位功能實驗結(jié)果

分析表4實驗結(jié)果可知，當(dāng)把手開始導(dǎo)航時，可以根據(jù)實際火情為用戶導(dǎo)航進行逃生，但經(jīng)由多次實驗發(fā)現(xiàn)，若火勢較大可能存在傳感器受損影響導(dǎo)航，使得把手出現(xiàn)錯誤導(dǎo)航的情況．

表4 門鎖導(dǎo)航功能實驗結(jié)果

圖10 門鎖功能成功率柱形圖

對上述試驗數(shù)據(jù)進行擬合與分析后可知，在氣體濃度閾值范圍內(nèi)，門鎖的預(yù)警、定位及導(dǎo)航功能在火情發(fā)展的四個階段內(nèi)成功率如圖10所示．當(dāng)氣體濃度超出閾值范圍后，門鎖部分功能會受到影響；當(dāng)溫度過高時會致使門鎖結(jié)構(gòu)損壞，造成失靈現(xiàn)象．針對這一問題進行改進，即當(dāng)把手檢測到氣體濃度超出閾值后，會閃爍紅光并通過發(fā)出警報警示用戶；當(dāng)門鎖內(nèi)部結(jié)構(gòu)受高溫影響損壞時，門鎖同樣會立即發(fā)出警告警示用戶，用戶可在原地等在救援.與此同時，門鎖將結(jié)構(gòu)損壞的信息和當(dāng)前用戶所處位置等數(shù)據(jù)發(fā)送至物業(yè)端．通過多次試驗，當(dāng)氣體濃度超出閾值后或溫度過高致使結(jié)構(gòu)損壞時，門鎖均能發(fā)出警報提前提示用戶原地等待救援，物業(yè)端可接收門鎖端的數(shù)據(jù)．

通過上述三個實驗可知，門鎖實現(xiàn)了火災(zāi)預(yù)警、導(dǎo)航及路徑規(guī)劃的功能．

5 總結(jié)與展望

針對高層建筑火災(zāi)時逃生自救的問題，本文設(shè)計了一款基于無線通信WiFi 技術(shù)和多傳感器網(wǎng)絡(luò)的火災(zāi)預(yù)警及逃生門鎖系統(tǒng)，可實現(xiàn)輔助受困人員在火災(zāi)來臨時進行及時的自救．通過搭建硬件電路、軟件調(diào)試，對門鎖進行了多次、多組實驗．由實驗結(jié)果可知，該方案可行，門鎖可以實現(xiàn)火災(zāi)預(yù)警、定位及導(dǎo)航功能，且現(xiàn)有的電子器件和技術(shù)能夠滿足本款門鎖量產(chǎn)的需求．

將本產(chǎn)品應(yīng)用到高層建筑中，可提高火災(zāi)預(yù)警的準(zhǔn)確性與及時性，實現(xiàn)火災(zāi)初期及時預(yù)警火情并輔助被困人員進行自救．可以有效地降低高層建筑火災(zāi)死傷率，拯救民眾生命及財產(chǎn)．在后續(xù)的性能優(yōu)化中，可以針對門鎖的導(dǎo)航功能建立更全面的、基于BIM的動態(tài)火災(zāi)逃生路徑規(guī)劃方法來更精準(zhǔn)地對受困人員進行路徑規(guī)劃[12]．由此，可以預(yù)見本款產(chǎn)品的應(yīng)用前景和市場需求．同時文中模型是按比例縮小的，主要是對公寓住宅模式進行模擬，與普通住宅模式還有一些差距.后續(xù)將進一步優(yōu)化模型，提高產(chǎn)品的普及性與可靠性．