基于2.4GHz無線技術(shù)的樓宇火災(zāi)逃生消防安全教育體驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用

摘 "要：通過2.4 GHz無線控制，結(jié)合聲、光、電技術(shù)設(shè)計(jì)模擬樓宇火災(zāi)逃生體驗(yàn)系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用火焰發(fā)生器、煙霧發(fā)生器、應(yīng)急燈照明控制模塊和聲光報(bào)警模塊實(shí)現(xiàn)火災(zāi)模擬環(huán)境，體驗(yàn)者可以在模擬火災(zāi)樓宇場(chǎng)景中進(jìn)行消防逃生演練；通過電梯操作提示模塊、逃生物品選擇模塊、逃生限高警示模塊和消防隔離門提示模塊規(guī)范體驗(yàn)者的逃生行為，并采用監(jiān)控抓拍及數(shù)據(jù)LED顯示系統(tǒng)對(duì)體驗(yàn)者的錯(cuò)誤行為進(jìn)行記錄與反饋顯示。利用STM32F411CEU6微處理器對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行控制，通過2.4 GHz無線數(shù)據(jù)傳送技術(shù)將體驗(yàn)者的錯(cuò)誤行為數(shù)據(jù)傳于LED屏幕顯示，讓體驗(yàn)者在仿真火災(zāi)環(huán)境中得到良好的火災(zāi)逃生訓(xùn)練與消防教育。

關(guān)鍵詞：樓宇火災(zāi)；消防教育；2.4 GHz；無線控制；STM32

中圖分類號(hào)：TU892 " " "文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A " " " " "文章編號(hào)：2095-2945（2025）10-0034-05

Abstract： A simulated building fire escape experience system is designed through 2.4 GHz wireless control and combining sound， light and electricity technologies. The system uses a flame generator， smoke generator， emergency light lighting control， and modular sound and light alarm modules to realize a fire simulation environment. Experiences can conduct fire escape drills in simulated fire building scenarios; The escape behavior of the experimenter is regulated through the elevator operation prompt module， the escape article selection module， the escape height limit prompt module， and the fire isolation door prompt module， and the monitoring capture and data LED display system is used to record and display feedback the wrong behavior of the experimenter. The STM32F411CEU6 microprocessor is used to control the entire system， and 2.4 GHz wireless data transmission technology is used to transmit data of the experimenter's wrong behavior and display it on the LED screen， allowing the experimenter to get good fire escape training and fire protection education in a simulated fire environment.

Keywords： building fire; fire education; 2.4 GHz; wireless control; STM32

據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，在每年火災(zāi)發(fā)生的傷亡事故中，多數(shù)是因?yàn)槿狈馂?zāi)逃生知識(shí)或錯(cuò)誤的逃生方式所引起。近年來，國(guó)家針對(duì)消防教育采取了一系列措施，要求所有市或縣區(qū)建立各類消防教育館及開展一系列消防教育培訓(xùn)，以不斷地加強(qiáng)和提高人們的消防安全意識(shí)。調(diào)查發(fā)現(xiàn)，很多消防教育館（中心）還是以傳統(tǒng)的圖文、視頻、簡(jiǎn)單實(shí)物或VR等方式為主開展消防主題教育，而對(duì)于樓宇火災(zāi)消防教育，由于缺乏有效的真實(shí)火情場(chǎng)景演示或出于安全原因，只能通過一些圖文視頻進(jìn)行火災(zāi)逃生消防教育，往往導(dǎo)致火災(zāi)安全逃生教育效果不理想[1-2]。

針對(duì)樓宇火災(zāi)逃生消防安全教育，筆者聯(lián)合南京火眼金睛信息科技有限公司，聯(lián)合開發(fā)一套基于2.4 GHz無線技術(shù)的樓宇火災(zāi)模擬逃生消防教育體驗(yàn)系統(tǒng)，該系統(tǒng)仿真了樓宇火災(zāi)發(fā)生的真實(shí)場(chǎng)景，讓體驗(yàn)者在接近真實(shí)的火災(zāi)場(chǎng)景元素構(gòu)成的環(huán)境中，真實(shí)體驗(yàn)火災(zāi)逃生過程，快速學(xué)習(xí)和掌握正確的樓宇逃生技能，達(dá)到了很好的火災(zāi)消防安全教育效果[3-5]。

1 "火災(zāi)逃生體驗(yàn)系統(tǒng)簡(jiǎn)介

1.1 "系統(tǒng)的構(gòu)架設(shè)計(jì)

與其他火災(zāi)不同，樓宇火災(zāi)通常發(fā)生在人們所居住或工作的樓宇環(huán)境下，處于火情中的逃生者在逃離火場(chǎng)的過程中，通常會(huì)受到周圍環(huán)境的干擾，誤導(dǎo)逃生者選擇錯(cuò)誤的逃生路線和逃生手段，或者貪戀財(cái)物等因素，導(dǎo)致錯(cuò)過最佳逃生時(shí)間造成生命財(cái)產(chǎn)的損失[6-7]。圖1為樓宇火災(zāi)逃生模擬體驗(yàn)系統(tǒng)構(gòu)架設(shè)計(jì)，通過（刷卡或遙控器）無線開啟整個(gè)系統(tǒng)模塊，此時(shí)中央控制器（主控）發(fā)出命令，開啟火災(zāi)環(huán)境實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)，樓宇內(nèi)著火點(diǎn)產(chǎn)生模擬火焰與大量煙霧，所有應(yīng)急燈和火災(zāi)報(bào)警器開啟。火災(zāi)逃生語音提示系統(tǒng)播報(bào)逃生方法與注意事項(xiàng)，逃生者在逃生過程中若觸發(fā)逃生選擇提示系統(tǒng)任何模塊，其錯(cuò)誤逃生行為及觸發(fā)次數(shù)均傳送至中央控制器，并被視頻監(jiān)控系統(tǒng)抓拍，所有數(shù)據(jù)傳送至LED屏進(jìn)行顯示，同時(shí)語音播報(bào)系統(tǒng)播報(bào)相關(guān)警告給逃生者。整個(gè)體驗(yàn)系統(tǒng)運(yùn)行結(jié)束后，LED記錄屏將所有錯(cuò)誤逃生行為和次數(shù)反饋給逃生體驗(yàn)者。體驗(yàn)系統(tǒng)的所有模塊均由220 V供電，信號(hào)的控制、數(shù)據(jù)的傳輸均采用2.4 G無線通信技術(shù)，真實(shí)模擬了樓宇火災(zāi)逃生的場(chǎng)景，對(duì)于火災(zāi)消防體驗(yàn)者起到深刻教育警示的作用。

1.2 "系統(tǒng)的工作流程

樓宇火災(zāi)逃生消防安全教育體驗(yàn)系統(tǒng)的工作流程如圖2所示，整個(gè)系統(tǒng)由系統(tǒng)初始化、火災(zāi)環(huán)境實(shí)現(xiàn)控制、逃生選擇提示控制、數(shù)據(jù)采集與顯示控制和系統(tǒng)環(huán)境自檢與結(jié)束5個(gè)環(huán)節(jié)組成。

1）系統(tǒng)初始化。系統(tǒng)在上電啟動(dòng)后，內(nèi)部指令自動(dòng)化運(yùn)行，對(duì)單片機(jī)最小系統(tǒng)的引腳、寄存器變量等初始化配置，并對(duì)系統(tǒng)傳感器、無線模塊、顯示單元等硬件初始化配置，等待系統(tǒng)啟動(dòng)命令。

2）火災(zāi)環(huán)境實(shí)現(xiàn)控制。通過人為刷卡或遙控器將啟動(dòng)系統(tǒng)，中央控制器發(fā)送無線啟動(dòng)命令：煙霧機(jī)開始發(fā)煙（15 s后自動(dòng)結(jié)束）、火焰機(jī)產(chǎn)生模擬火焰、應(yīng)急照明燈開啟、火災(zāi)報(bào)警器發(fā)出火情警報(bào)，溫度加熱模塊將防火門面及門把手自動(dòng)加熱至75 ℃左右。同時(shí)，系統(tǒng)顯示屏啟動(dòng)、語音播放提示系統(tǒng)開始工作，整個(gè)樓宇實(shí)現(xiàn)了火災(zāi)模擬環(huán)境。

3）逃生選擇提示控制。系統(tǒng)啟動(dòng)后，數(shù)據(jù)記錄和監(jiān)控抓拍系統(tǒng)開始運(yùn)行，系統(tǒng)針對(duì)逃生物品選擇模塊、逃生限高警示模塊、電梯逃生使用模塊及隔離防火門警示模塊的錯(cuò)誤逃生行為進(jìn)行數(shù)據(jù)記錄和抓拍圖像進(jìn)行系統(tǒng)無線上傳。

4）數(shù)據(jù)采集與顯示控制。顯示單元采用LED屏顯示，系統(tǒng)啟動(dòng)前期，屏幕顯示“歡迎體驗(yàn)樓宇火災(zāi)逃生體驗(yàn)系統(tǒng)！”，在體驗(yàn)者進(jìn)入火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)逃生過程中，主控系統(tǒng)通過2.4 GHz無線數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，將逃生者所有錯(cuò)誤行為次數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示，并將抓拍的錯(cuò)誤行為圖像進(jìn)行LED屏幕顯示。

5）系統(tǒng)環(huán)境自檢與結(jié)束。在整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中還加入人體紅外檢測(cè)環(huán)節(jié)，實(shí)時(shí)檢測(cè)火災(zāi)環(huán)境中是否還有體驗(yàn)者未離開火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)，若有人員未離開現(xiàn)場(chǎng)，系統(tǒng)將繼續(xù)工作。若所有人員全部離開現(xiàn)場(chǎng)，系統(tǒng)會(huì)在30 s后自動(dòng)終止，設(shè)備及控制模塊恢復(fù)到靜默狀態(tài)，體驗(yàn)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間控制在180 s之內(nèi)[8]。

2 "模塊功能實(shí)現(xiàn)

2.1 "中央控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

樓宇火災(zāi)逃生體驗(yàn)系統(tǒng)中央控制器包含信號(hào)發(fā)射電路，數(shù)據(jù)接收采集電路及數(shù)據(jù)處理與發(fā)送電路。中央處理器采用STM32F411CEU6型單片機(jī)，采用主頻100 MHzCortex-M4內(nèi)核，具有高速執(zhí)行指令和復(fù)雜運(yùn)算的能力，具有高性能、低功耗和抗干擾能力強(qiáng)的特點(diǎn)。無線信號(hào)通信采用HC-12無線串口通信模塊，其支持一對(duì)一、一對(duì)多、多對(duì)一和多對(duì)多的連接特性，有效無線傳輸距離1 000 m。系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集與發(fā)送采用型號(hào)NRF24L01的無線2.4 GHz藍(lán)牙低功耗無線傳輸模塊，其支持六通道數(shù)據(jù)接收，內(nèi)置CRC檢錯(cuò)和重發(fā)丟失數(shù)據(jù)包等功能[9]。中控系統(tǒng)電路控制原理圖如圖3所示。

系統(tǒng)通過外部提供的220 V交流電源，中央控制器及所有模塊內(nèi)部其他元件提供24、5、3.3 V直流穩(wěn)壓電源。分別采用TAS10-24-W2、MP2359、TP362C50S5-1型號(hào)穩(wěn)壓器芯片為系統(tǒng)分別提供24、5及3.3 V直流穩(wěn)壓電源。

中央控制系統(tǒng)中，單片機(jī)通過I/O端發(fā)送命令給HC-12無線串口通信模塊，以載波頻率433 MHz發(fā)射控制信號(hào)至火災(zāi)環(huán)境實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)、逃生選擇提示系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集顯示系統(tǒng)，控制3個(gè)系統(tǒng)中所有相關(guān)模塊啟動(dòng)，使所有觸發(fā)模塊處于正常運(yùn)行狀態(tài)，樓宇模擬火情產(chǎn)生，此時(shí)火災(zāi)逃生體驗(yàn)者可進(jìn)入模擬火場(chǎng)進(jìn)行逃生體驗(yàn)。逃生體驗(yàn)者產(chǎn)生的錯(cuò)誤逃生行為及次數(shù)等數(shù)據(jù)通過433 MHz無線載頻波反饋給中央控制器，并通過2.4 GHz信號(hào)傳送至LED屏幕進(jìn)行顯示。

2.2 "火災(zāi)環(huán)境實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

如圖4所示，火災(zāi)環(huán)境實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)包含了火焰機(jī)控制模塊、煙霧機(jī)控制模塊、逃生應(yīng)急燈控制模塊和消防報(bào)警器控制模塊4個(gè)部分?；鹧鏅C(jī)控制模塊和煙霧機(jī)控制模塊主要利用聲光電技術(shù)，模擬樓宇內(nèi)火災(zāi)發(fā)生時(shí)產(chǎn)生的火焰和煙霧。此時(shí)樓宇內(nèi)所有照明電路被關(guān)閉，同時(shí)打開應(yīng)急照明電路，保證體驗(yàn)者在逃生過程中的應(yīng)急照明。

火災(zāi)環(huán)境實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)均是通過串口通信接收到控制信號(hào)“0”（關(guān)）、“1”（開），啟動(dòng)/關(guān)閉設(shè)備，因此在設(shè)計(jì)時(shí)，采用通用模塊的設(shè)計(jì)理念，通用模塊主要為電源電路、微處理器處理單元、控制電路3部分。

系統(tǒng)無線控制器發(fā)送低電平信號(hào)至光耦合器“M_SCREN”接口，如圖5所示，使光耦合器件“1”“2”引腳形成電勢(shì)差，內(nèi)部發(fā)光二極管發(fā)出光線，光敏三極管接收到光線，內(nèi)部導(dǎo)通，也就是光耦合器件的“4”“6”引腳導(dǎo)通，右側(cè)電路形成閉合回路，設(shè)備端得電；R18、R19電阻起到限流作用，二極管U6起到穩(wěn)壓作用。根據(jù)不同的控制對(duì)象選擇R14、R17、R19電阻是否連接?？刂齐娐吠ㄟ^控制各個(gè)模塊電源通/斷實(shí)現(xiàn)。

2.3 "逃生選擇提示系統(tǒng)設(shè)計(jì)

逃生選擇提示系統(tǒng)包括隔離防火門加熱模塊、激光紅外限高模塊、逃生物品選擇模塊、電梯逃生使用模塊及語音播報(bào)提示模塊。當(dāng)逃生系統(tǒng)啟動(dòng)后，中央控制器通過2.4 G無線信號(hào)開啟語音播報(bào)器，全程進(jìn)行語音播放火災(zāi)逃生注意事項(xiàng)。

隔離防火門加熱模塊啟動(dòng)時(shí)，控制鑲嵌在防火門表面的PTC加熱板（400 mm×400 mm）及門把手上PTC迅速加熱至75 ℃左右，通過高溫警示逃生體驗(yàn)者禁止使用[10-11]，如圖6（a）所示1、2、3位置。逃生體驗(yàn)者若打開防火門，則通過2.4 GHz無線觸發(fā)監(jiān)控系統(tǒng)抓拍系統(tǒng)和中央控制器錯(cuò)誤行為模塊。

激光紅外限高模塊是由2組632 nm一字激光指示器和多組柵狀紅外觸發(fā)對(duì)射器組成，安裝在通道兩邊1.1 m左右的高度，如圖6（b）所示?；馂?zāi)發(fā)生時(shí)，通過激光限高指示線提示逃生者，當(dāng)煙霧濃重時(shí)要彎腰逃生，防止煙霧中毒[12-13]。逃生者一旦超過限高高度，則觸發(fā)紅外對(duì)射報(bào)警，并通過2.4 GHz無線觸發(fā)監(jiān)控抓拍系統(tǒng)和中央控制器錯(cuò)誤行為計(jì)數(shù)裝置進(jìn)行抓拍和計(jì)數(shù)。

逃生物品選擇模塊是由“雨傘”“錢包”“手機(jī)”“水”“棉毛巾”“化纖毛巾”組成，如圖7（a）所示。體驗(yàn)者在逃生時(shí)如果選擇正確的物品時(shí)，通過2.4 GHz無線觸發(fā)語音模塊播報(bào)“悅耳”提示音，如果選擇錯(cuò)誤物品時(shí)，則播報(bào)“刺耳”提示音，并觸發(fā)監(jiān)控抓拍系統(tǒng)和中央控制器計(jì)數(shù)裝置；電梯逃生使用模塊用于提示體驗(yàn)者在火災(zāi)發(fā)生時(shí)禁止乘用電梯逃生，體驗(yàn)者如果按下電梯鍵時(shí)，如圖7（b）通過2.4 GHz無線觸發(fā)監(jiān)控抓拍系統(tǒng)和中央控制器計(jì)數(shù)裝置。

2.4 "數(shù)據(jù)采集與顯示系統(tǒng)設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集與顯示系統(tǒng)由監(jiān)控抓拍攝像頭和LED屏顯示屏幕組成?；馂?zāi)逃生體驗(yàn)系統(tǒng)啟動(dòng)后，體驗(yàn)者進(jìn)入火災(zāi)體驗(yàn)系統(tǒng)，其在逃生過程中，所有錯(cuò)誤行為均通過觸發(fā)監(jiān)控抓拍攝像頭進(jìn)行記錄，并在LED屏幕中進(jìn)行循環(huán)顯示。同時(shí)所有發(fā)生火災(zāi)逃生的錯(cuò)誤行為次數(shù)均通過無線觸發(fā)中央控制器單片機(jī)進(jìn)行記錄， 并利用串口通過NRF24L01無線2.4 GHz藍(lán)牙傳輸模塊將所有數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸至LED屏幕進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示（圖8）。

3 "程序設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)的整體采用C語言程序設(shè)計(jì)，系統(tǒng)初始化階段完成上電后，中央控制器進(jìn)行初始化工作：串口初始化usart1_init（）；中斷初始化exit_init（）；定時(shí)器初始化time_init（）I/O；端口初始化P0 = 0x00; 外部設(shè)備初始化BUZZ = 1；AB=1；并通過2.4 G無線模塊發(fā)出工作指令（初始化）SendString（“system wait...＼n”）；noworking（）。

啟動(dòng)階段：如果card==0，代表刷卡成功，系統(tǒng)進(jìn)入工作模式flag_work=ON，開始工作。系統(tǒng)開始工作startwork（），2.4 G無線模塊發(fā)送啟動(dòng)指令SendString（“system working ...＼n”）及數(shù)據(jù)到顯示屏顯示sprintf（buf，“dianti：%dyuanpan：%dxiangao：%d＼n”，（int）elevator，（int）disc，（int）limit）、SendString（buf）、working（elevator/2，disc/2，limit/2），并同時(shí)開啟發(fā)煙機(jī)等設(shè)備；其他設(shè)備啟動(dòng)階段：15 s后，發(fā)煙機(jī)發(fā)出煙霧，報(bào)警器發(fā)出警報(bào)聲，語音播放器播放警示語音。

人員行為監(jiān)測(cè)階段：elevator_exit（）、disc_exit（）、limit_exit（）3個(gè)函數(shù)分為用于人員乘坐電梯、未匍匐前行、物品選擇錯(cuò)誤行為記錄，如果有錯(cuò)誤行為，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)增加：elevator++、limit++、disc++，同時(shí)報(bào)警器發(fā)出1S報(bào)警聲BUZZ=0，然后再通過2.4 G無線模塊發(fā)送實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)到顯示屏顯示。

人員出入監(jiān)測(cè)階段：如果在人員行為監(jiān)測(cè)階段檢測(cè)到人員再次進(jìn)入humman==0，定時(shí)器計(jì)數(shù)初始化times=0；如果定時(shí)器計(jì)數(shù)大于55 s，即timesgt;=WAIT_T

IME*20，系統(tǒng)停止工作flag_work=OFF，系統(tǒng)進(jìn)入等待刷卡啟動(dòng)階段。

該系統(tǒng)的軟件實(shí)現(xiàn)了平板電腦或Android系統(tǒng)的控制，上位機(jī)與下位機(jī)通過2.4 G路由器通信。路由器的每個(gè)數(shù)據(jù)幀尋找一條最佳路徑實(shí)施傳輸，并將所有經(jīng)過的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)而有效地傳送到目的站點(diǎn)。通過專用局域網(wǎng)，路由器與上位機(jī)和下位機(jī)的聯(lián)接使用設(shè)置密碼的賬號(hào)實(shí)施通信，采用UART通信協(xié)議，通信過程中設(shè)置合理的通信參數(shù)：波特率115 200 bps、8 bit（LSB First）數(shù)據(jù)位、1 bit停止位、無奇偶校驗(yàn)位。系統(tǒng)中每個(gè)下位機(jī)模塊設(shè)置唯一固定的地址，方便識(shí)別模塊。

4 "結(jié)論

基于2.4 GHz無線傳輸技術(shù)設(shè)計(jì)的消防教育系統(tǒng)，通過控制火焰機(jī)、煙霧發(fā)生器、消防應(yīng)急燈及火災(zāi)報(bào)警器真實(shí)模擬了樓宇樓道中發(fā)生火災(zāi)時(shí)的場(chǎng)景，體驗(yàn)者在逃生體驗(yàn)過程中，通過利用逃生選擇提示系統(tǒng)、隔離防火門加熱模塊、逃生物品選擇模塊和電梯逃生使用，讓其可以深入體驗(yàn)并學(xué)習(xí)樓宇消防逃生等相關(guān)知識(shí)。監(jiān)控抓拍系統(tǒng)、錯(cuò)誤行為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)結(jié)合LED屏幕顯示系統(tǒng)的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)反饋，有效提高了樓宇火災(zāi)逃生消防教育的學(xué)習(xí)效果，對(duì)于消防安全教育有著重大的意義。通過測(cè)試，該系統(tǒng)的所有無線通信及數(shù)據(jù)采集準(zhǔn)確率達(dá)到99%以上。目前該系統(tǒng)已經(jīng)完成成果轉(zhuǎn)化，應(yīng)用在全國(guó)各地的300多家不同類型的消防教育基地，取得了良好的火災(zāi)消防教育效果。

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