大型展覽中心應急照明及疏散指示系統方案研究

王子健

（上海寶冶集團有限公司，上海 200000）

由于大型展覽中心場館中擺設展品較多，人流量較大，因此加大了秩序管理難度。一旦場館中出現火災安全問題，很難指揮場館人員有序疏散。所以，在創辦展覽活動的同時，必須考慮場館安全疏散問題，保障場館中人員的人身安全。應急照明及疏散指示系統是一種在特殊環境有效管控應急光源照明，且具有一定疏散指揮作用的綜合系統，目前該系統在地鐵、機場等場所安全管理中有所應用，在大型展覽中心應用較少。該文將根據大型展覽中心場館的安全管控要求，選取STM32系列單片機作為核心處理器，提出應急照明及疏散指示系統方案研究。

1 大型展覽中心應急疏散最優路徑

1.1 最優路徑問題

大型展覽中心應急疏散的最優路徑，除了考慮逃離安全出口的距離以外，還需要綜合考慮場館內的其他因素，例如場館內的能見度、煙霧濃度、擁堵情況以及火勢蔓延狀況等。這些因素均會對現場有序疏散造成較大影響。為了縮短現場人員疏散時間，需要根據人員當前所處位置的動態變化情況，實時調整最佳疏散路徑，為不同區域內的參展人員提供更可靠的疏散路徑指揮方案。

1.2 動態路徑算法設計

Dijkstra算法是一種計算最短路徑的經典算法，該算法建立在圖論學基礎上，將最短路徑求解問題采取抽象處理，構建網絡模型。其中，模型的邊為實際路線，分析路線的影響參數，將其作為模型權值，用于計算動態路徑。通過對比分析，找到最優路徑。目前，該算法的應用方案較為成熟，在地鐵、機場等環境應急疏散最優路徑計算中有所應用。對該文研究的大型展覽中心應急疏散，同樣可以采用已經成熟的動態路徑算法，參考文獻[9]，設計如圖1所示的動態路徑算法流程。

圖1 動態路徑算法流程

該算法應用期間，首先將每個現場疏散人員設定為1個節點，獲取各個節點所處位置、環境信息。然后采取動態權值計算，執行Dijkstra算法，為各人員計算最優疏散路徑，按照此路徑快速撤離現場。為了應對現場突發事故及現場環境變化，導致該疏散路徑不滿足最優要求。因此，該算法設置了動態分析時間間隔30 s。每間隔30 s，判斷人員是否疏散，如果未能到達疏散安全出口（終點），則重新獲取節點所處位置、環境信息，按照上述流程重新規劃最優路徑。如果已經逃離現場，則結束算法。

2 大型展覽中心應急照明及疏散指示系統總體設計

該系統選取STM32系列單片機作為控制器，控制傳感器采集大型展覽中心各個場館環境信息，作為應急照明燈控制、現場疏散指揮參考依據。該系統主要采用節點控制的方式，較為全面的獲取場館現場環境及人群疏散情況信息，通過主節點將系統控制命令下發至從節點，以此控制傳感器、報警電路、外圍電路作業狀態，從而實現預期操控功能。圖2為系統總體架構。

圖2 系統總體框架結構設計

該設計方案將系統拆分為2個部分，分別是主節點控制模塊、從節點控制模塊，2個模塊之間通過CAN接口建立連接。其中，主節點控制模塊由主控器MCU（STM32單片機）、報警電路、電源、時鐘電路、CD存儲、LCD顯示、串口電路、按鍵以及CAN接口組成，負責從控制器的操控，根據從控制器發送來的節點信息，計算最優疏散路徑，下達疏散指示燈作業命令。

從節點控制模塊由從控器MCU（STM32單片機）、報警電路、電源、CAN接口、外圍電路、JTAG接口、疏散指示燈以及傳感器組成，負責采集場館內環境信息和人群疏散節點信息，根據接收到的操控命令，控制場館內的疏散指示燈的亮/滅。其中，逃離出口線路人群較為密集處的指示燈保持休眠狀態，最優逃離路徑的指示燈將被點亮。

3 系統硬件設計

3.1 主從節點硬件實物連接

按照系統總體架構設計方案，利用CAN總線，連接主節點硬件與從節點硬件，實物連接如圖3所示。

圖3 主從節點硬件實物連接

該連接圖中，按照系統架構設計方案，將各個功能器件焊接在電路板上，同時將各個功能模塊組裝到一起，形成應急照明及疏散指示系統。該系統支持逃離應急照明需求，根據指示燈的照明，指引逃離方向，從而快速逃離場館。

3.2 主節點硬件設計

系統主節點模塊的核心控制器為STM32F103RCT6，根據系統架構設計方案，為該模塊配備作業電路，包括控制器電路、CAN通信電路、液晶顯示電路、存儲電路、JTAG接口電路以及電源電路。其中，控制器電路的設計，分為復位電路、時鐘電路2個部分，前者利用NRST引腳控制系統復位狀態，后者利用2個不同頻率的外部晶振控制信號頻率。CAN通信電路的設計，由于STM32芯片集成了該電路，因此只需為其配備外圍接口電路即可，關于該電路的設計，選取TJA1050作為接口連接工具，利用收發器轉化信息，然后將信息發送至CAN通信端口。液晶顯示電路選取TFT-LCD液晶顯示屏作為電路硬件，采用80并口方式與主節點控制器連接。存儲電路的開發，選取SD卡作為系統存儲器，按照SDIO協議，存儲節點采集信息。

JTAG接口電路的開發，由于STM32芯片內部集成了關于該電路的調試接口，并配備了外接電阻，因此，直接將JTAG芯片與STM32芯片接口連接即可。電源電路的開發，采用USB供電模式，選擇3.3 V/5 V兩種供電電壓，分別為不同功能模塊提供作業電壓。其中，電壓轉換處理，利用AS1117芯片操控。

3.3 從節點硬件設計

系統的從節點硬件開發以疏散指示燈控制電路、通信接口電路以及傳感器控制電路為主，該文對這3種電路的設計方案進行介紹。

該系統選取DS18B20傳感器、MQ-2傳感器、MQ-7傳感器作為溫度、煙霧、CO信息采集工具，在從節點控制器的驅動下開始作業。這些傳感器的作業原理相似，都是利用內部組成結構中的敏感元件識別信息，根據元件的電導率變化情況，生成電壓數據，經過轉化處理，得到模擬信號。

從節點硬件的通信接口分為2個部分，分別是CAN總線、JTAG接口。其中，CAN總線硬件電路的設計與主節點硬件設計方案相同，JTAG芯片與STM32控制器接口連接，按照JTAG通信協議，控制從節點硬件模塊中各個傳感器數據的輸入與輸出。

該系統選擇蜂鳴器作為報警器，當系統檢測煙霧、溫度、CO超標時，開啟蜂鳴器作業模式，起到警告作用。與此同時，系統根據節點信息，計算最佳逃離路徑，將由指示燈作為路徑及方向指引。其中，指示燈的硬件電路開發，將燈的接口直接與控制器的I/O口連接，運用電平加以控制，設置高電平為“亮”，低電平為“滅”。

4 系統軟件設計

4.1 系統主節點軟件設計

根據系統作業原理，設計系統主節點軟件作業流程。主節點經過初始化處理后，將根據信息需求下達場館信息采集命令，然后分析采集到的數據信息，以火災特征作為判斷標準，對當前環境是否發生火災進行判斷，并下達相應作業命令。圖4為系統主節點軟件流程。

圖4 系統主節點軟件流程設計

該流程中，核心處理器向從節點處理器發送作業命令，從節點處理器開始驅動信息采集裝置，然后將采集到的信息返回至主節點處理器，當其接收到應答后，通過CAN接收從節點報文。綜合分析報文數據信息，判斷當前場館內是否發生火災，如果發生火災，則報警，計算最短逃離路徑。按照生成的路徑，控制指示燈的亮/滅作業狀態。其中，涉及的信息將被存儲至SD卡中。

4.2 系統從節點軟件設計

從節點軟件開發，以配合主節點作業的現場設備控制為主，除了信息采集以外，還包括疏散指示燈的亮/滅控制。圖5為系統從節點軟件流程設計方案。

圖5 系統從節點軟件流程設計

該設計方案中，從節點初始化結束后，利用CO、溫度、煙霧傳感器分別采集場館環境信息，對獲取的信號采取A/D轉換處理、信號處理，發送至主節點控制器。判斷當前采集到的數據是否達到閾值，如果達到閾值，就判斷當前場館內發生火災，反之，未發生火災。此部分信息將以報文的方式，通過CAN總線發送至控制中心，由控制器下達疏散等作業控制命令。其中，火災情況下緊急疏散燈將被點亮，按照Dijkstra算法生成逃離路徑，控制疏散燈點亮線路。

5 系統測試分析

5.1 系統內容與方法

場館環境信息采集精度測試：以場館溫度、CO濃度、煙霧濃度作為測試指標，運用系統采集數據，與實際數據進行對比。要求精度不低于95%。

緊急疏散指示燈、報警、最佳逃離路徑測試：模擬不同場館環境，測試環境指標，同時記錄緊急疏散指示燈、報警器作業狀態，判斷火災情況下生成的逃離路徑是否為最佳。

5.2 測試結果分析

按照系統測試內容與方法，分別進行2組試驗，測試中布設4個測試節點，測試結果見表1和表2。

表1中，各項指標測試精度均在97.70%以上，符合系統開發要求。

表1 場館環境信息采集精度測試

表2中，系統能夠根據采集到的場館環境信息，準確判斷火災是否生成，有效控制報警器、應急疏散指示燈，生成最佳逃離路徑。

表2 應急疏散指示燈、報警、最佳逃離路徑測試

6 結語

該文圍繞大型展覽中心火災應急照明及疏散指示控制系統的設計方法進行探究，根據展覽場館火災檢測需求，選取溫度、CO濃度、煙霧濃度作為檢測指標，合理選取檢測傳感器，搭建系統框架結構。依據系統作業原理，開發系統軟件作業流程。系統測試結果顯示，該系統在場館中的信息檢測精度在97.70%以上，并且可以針對不同環境，有效控制報警器、應急疏散指示燈。