大型建筑的火災(zāi)疏散與助援系統(tǒng)設(shè)計

謝偉鋒，斯 凱，范祥祥

（湖州師范學(xué)院 信息工程學(xué)院，浙江 湖州 313000）

0 引 言

火災(zāi)會對人類社會造成巨大傷害，2021年全國共接報火災(zāi)數(shù)量[1]為74.8 萬起，傷亡達(dá)到4 212 人。由于層數(shù)多、結(jié)構(gòu)復(fù)雜等原因，大型高層建筑的火災(zāi)逃生難度較高[2-4]。此外，由于人員數(shù)量、分布信息不詳細(xì)以及火源位置、空間氧含量和空氣溫度等火情信息不明了對火災(zāi)救援造成極大阻礙[5-6]。因此，本文提出一套可以動態(tài)指示人員疏散并生成火情熱力圖輔助消防救援的系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)主要由多個傳感器節(jié)點(diǎn)、引導(dǎo)節(jié)點(diǎn)、數(shù)據(jù)匯總節(jié)點(diǎn)、攝像頭節(jié)點(diǎn)、路由器、網(wǎng)關(guān)和云服務(wù)器組成，如圖1所示。傳感器節(jié)點(diǎn)用于獲取環(huán)境信息，通過無線模塊向數(shù)據(jù)匯總節(jié)點(diǎn)匯總數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)匯總節(jié)點(diǎn)通過串口將信息傳給網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，再由網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)將環(huán)境數(shù)據(jù)打包并上傳至云服務(wù)器。攝像頭節(jié)點(diǎn)自動獲取進(jìn)出的人員數(shù)量，再通過WiFi 中繼路由器連接進(jìn)局域網(wǎng)并通過網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)將數(shù)據(jù)上傳至云服務(wù)器。若發(fā)生火災(zāi)，云服務(wù)器通過分析計算各節(jié)點(diǎn)的火情以及各區(qū)域人員分布，將每個節(jié)點(diǎn)的最佳逃生方向傳回網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)解析數(shù)據(jù)并發(fā)送給數(shù)據(jù)匯總節(jié)點(diǎn)，并由數(shù)據(jù)匯總節(jié)點(diǎn)將方向信息分發(fā)給引導(dǎo)節(jié)點(diǎn)。引導(dǎo)節(jié)點(diǎn)根據(jù)信息指示出最佳逃生方向，幫助逃生者高效逃出火場。同時，云服務(wù)器端生成火情圖和人員分布地圖，輔助消防人員進(jìn)行救援。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

2 硬件設(shè)計

2.1 傳感器節(jié)點(diǎn)

傳感器節(jié)點(diǎn)主要由STM32 最小系統(tǒng)、傳感器模塊、通信模塊和電源模塊組成，主要完成環(huán)境數(shù)據(jù)的獲取和發(fā)送。

傳感器節(jié)點(diǎn)的核心芯片選用STM32F103C8T6，主頻可以達(dá)到72 MHz。該芯片可實(shí)現(xiàn)傳感器數(shù)據(jù)的快速讀取和與通信模塊的高速通信且穩(wěn)定可靠[7]。由該芯片構(gòu)成的最小系統(tǒng)電路組成如圖2所示。

圖2 STM32 最小系統(tǒng)電路原理圖

傳感器模塊包括火焰?zhèn)鞲衅鳌熿F傳感器、氧氣濃度傳感器和溫度傳感器，用于實(shí)現(xiàn)環(huán)境數(shù)據(jù)的采集，電路組成如圖3（a）所示。火焰?zhèn)鞲衅鞑捎肒Y-026 型遠(yuǎn)紅外火焰?zhèn)鞲衅髂K，可以探測波長在760～1 100 nm 范圍內(nèi)的火源，內(nèi)部設(shè)有比較器和電位器用于調(diào)節(jié)靈敏度，電源輸入為5 V，輸出為TTL 數(shù)字電平，探測到火焰為高，反之為低。煙霧傳感器采用MQ-2 型煙霧傳感器，可以探測環(huán)境中的可燃性氣體和煙霧，電源輸入為5 V，信號輸出為TTL 數(shù)字電平。溫度傳感器采用MAX6675 熱電偶傳感器，該模塊為3.3 V 供電，通信協(xié)議為SPI，數(shù)據(jù)刷新周期為250 ms，可以探測空氣溫度的上限為1 000 ℃。氧氣傳感器采用的是JXM-O2 模塊，該模塊可以測得空氣中的氧氣含量，量程為0～30%，精度為±3%，數(shù)據(jù)輸出模式設(shè)置為自動上報，通信協(xié)議為USART。

圖3 傳感器和通信模塊電路原理圖

通信模塊為2.4 GHz 無線通信模塊NRF24L01，用于上傳傳感器數(shù)據(jù)，電路圖如圖3（b）所示。該模塊發(fā)送的數(shù)據(jù)包容量為32 B，可以滿足環(huán)境信息的發(fā)送需求；該模塊可配置40 位收發(fā)地址，且成本低，可以滿足大量傳感器節(jié)點(diǎn)接入系統(tǒng)[8]。傳感器節(jié)點(diǎn)采用220 V 市電和備用電池兩種供電方式。正常工作時，節(jié)點(diǎn)采用AC 220 V～DC 5 V 電源配置器供電，220 V電源切斷后采用自身鋰電池供電。AC 220 V～DC 5 V 電源配置器輸出5 V 直流電壓，為火焰?zhèn)鞲衅骱蜔熿F傳感器供電，再經(jīng)過AMS1117-3.3 V 線性降壓至3.3 V 給單片機(jī)及通信模塊供電。同時，使用4056 充電芯片為1 節(jié)2 800 mAh-3.7 V 的18650 鋰電池充電。為避免鋰電池被過充過放，該鋰電池采用XB7608AJ 充電保護(hù)芯片。當(dāng)因發(fā)生火災(zāi)且切斷AC 220 V 供電時，模塊的DC 5 V 電源由基于TPS55340 的升壓的鋰電池電路提供，保證在切斷220 V 電源后模塊正常工作。電源模塊的電路如圖4所示。

圖4 電源模塊電路原理圖

2.2 攝像頭節(jié)點(diǎn)

攝像頭節(jié)點(diǎn)采用的是恒華析數(shù)的D4 雙目客流量統(tǒng)計攝像頭，可以實(shí)現(xiàn)進(jìn)出客流的統(tǒng)計。在該系統(tǒng)中，在預(yù)先分好的區(qū)域交界點(diǎn)安放攝像頭可以檢測到通過界點(diǎn)的人數(shù)。該攝像頭通過自帶的WiFi 中繼器將數(shù)據(jù)傳至大樓的局域網(wǎng)中，并通過網(wǎng)關(guān)將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)至云服務(wù)器，服務(wù)器即可計算分析出大樓整體的人員分布情況。

2.3 引導(dǎo)節(jié)點(diǎn)

引導(dǎo)節(jié)點(diǎn)由STM32 最小系統(tǒng)、通信模塊、LED 模組和電源模塊組成，其主要功能是通過改變指示燈指示的方向，引導(dǎo)逃生者以最短的路徑逃生。該節(jié)點(diǎn)的STM32 最小系統(tǒng)、通信模塊和電源模塊電路與傳感器節(jié)點(diǎn)相同。此外，該節(jié)點(diǎn)增加了LED 燈板模組，燈珠使用的是WS2812，該燈珠可多個串聯(lián)，可通過編程控制燈的顏色和亮滅[9]，LED 燈模組電路如圖5所示，并構(gòu)成如圖6所示的消防指示燈。單片機(jī)可以按照服務(wù)器傳回的信息控制不同區(qū)域的LED 模組發(fā)光，并在指示燈上顯示出不同的安全方向，以此引導(dǎo)逃生者快速逃生。

圖5 WS2812 LED 燈板模組電路原理圖

圖6 消防指示燈燈結(jié)構(gòu)示意圖

2.4 數(shù)據(jù)匯總節(jié)點(diǎn)

數(shù)據(jù)匯總節(jié)點(diǎn)由STM32 最小系統(tǒng)、通信模塊和電源模塊組成，電路結(jié)構(gòu)與傳感器節(jié)點(diǎn)基本相同，不同點(diǎn)在于該節(jié)點(diǎn)使用兩個通信模塊（一收一發(fā)）。數(shù)據(jù)匯總節(jié)點(diǎn)的主要功能是匯總傳感器節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，并通過串口連接的ESP8266 網(wǎng)關(guān)模塊將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)至云服務(wù)器，在發(fā)生火災(zāi)時將云服務(wù)器傳回的方向信息分發(fā)給引導(dǎo)節(jié)點(diǎn)。

3 軟件設(shè)計

3.1 傳感器節(jié)點(diǎn)及引導(dǎo)節(jié)點(diǎn)程序設(shè)計

傳感器節(jié)點(diǎn)主要功能是檢測環(huán)境數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)上傳至數(shù)據(jù)匯總節(jié)點(diǎn)。在上電后，模塊進(jìn)入初始化階段，接著模塊通過SPI 協(xié)議獲取MAX6675 的溫度數(shù)據(jù)，通過串口獲取氧含量模塊的氧氣濃度數(shù)據(jù)，通過高低電平獲取環(huán)境中煙霧和火光信息。隨后，將各數(shù)據(jù)打包成一個數(shù)據(jù)包，發(fā)送給數(shù)據(jù)匯總節(jié)點(diǎn)。傳感器節(jié)點(diǎn)的每個通信模塊被配置了一個唯一的地址，該節(jié)點(diǎn)持續(xù)廣播最新的環(huán)境信息。該流程如圖7（a）所示。引導(dǎo)節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)的功能是指示本節(jié)點(diǎn)的安全方向。每個引導(dǎo)節(jié)點(diǎn)配置有唯一的地址，當(dāng)系統(tǒng)初始化后進(jìn)入接收模式，節(jié)點(diǎn)持續(xù)監(jiān)聽是否有數(shù)據(jù)傳來，若接收到數(shù)據(jù)則更新指示燈指示的方向，流程如圖7（b）所示。

圖7 傳感器節(jié)點(diǎn)和引導(dǎo)節(jié)點(diǎn)流程

3.2 數(shù)據(jù)匯總節(jié)點(diǎn)程序設(shè)計

數(shù)據(jù)匯總節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)三個功能，分別是輪詢各個傳感器節(jié)點(diǎn)獲取數(shù)據(jù)、與網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)交換數(shù)據(jù)以及將安全方向指令輪發(fā)給引導(dǎo)節(jié)點(diǎn)。在初始化后，將用于接收的設(shè)備號歸零（設(shè)置為第一個接收地址），判斷是否輪詢過所有節(jié)點(diǎn)，若沒有則開始輪詢設(shè)備，若已經(jīng)輪詢過所有節(jié)點(diǎn)，則將所有數(shù)據(jù)和接收完畢標(biāo)志號發(fā)送給網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)。當(dāng)節(jié)點(diǎn)在輪詢設(shè)備時，首先打開定時器，然后開始接收傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)，若在10 ms 內(nèi)沒有接收到數(shù)據(jù)則開始等待下一個傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)。當(dāng)所有傳感器節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)接收完畢并轉(zhuǎn)發(fā)至網(wǎng)關(guān)后，開始等待接收網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)傳回的安全方向數(shù)據(jù)。當(dāng)接到安全數(shù)據(jù)后，節(jié)點(diǎn)無線模塊轉(zhuǎn)換成發(fā)送模式，將數(shù)據(jù)依次傳回引導(dǎo)節(jié)點(diǎn)，發(fā)送過程與接收時類似。最后清零設(shè)備號，循環(huán)以上過程，流程如圖8所示。

圖8 數(shù)據(jù)匯總節(jié)點(diǎn)流程

3.3 云服務(wù)器程序設(shè)計

服務(wù)器總體程序設(shè)計如圖9所示。在服務(wù)器啟動后，進(jìn)行系統(tǒng)初始化，包括初始化MQTT 并驗(yàn)證MQTT 終端，啟動網(wǎng)頁服務(wù)器等相關(guān)任務(wù)。然后服務(wù)器開始等待接收Topic中轉(zhuǎn)服務(wù)器接收到的數(shù)據(jù)，監(jiān)聽網(wǎng)關(guān)上傳的數(shù)據(jù)，當(dāng)接收到接收完畢標(biāo)志號時停止接收。然后開始解析接收到的傳感器信息，找出最短路徑并存入數(shù)據(jù)庫。接著分析接收到的數(shù)據(jù)并輸出判斷結(jié)果，再將各節(jié)點(diǎn)應(yīng)該指示的安全方向傳回ESP8266 網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)。最后同步更新網(wǎng)頁端實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)可視化。一個周期結(jié)束后，再次回到Topic 接收數(shù)據(jù)環(huán)節(jié)。

圖9 云服務(wù)器軟件流程

各個節(jié)點(diǎn)到安全出口的最短路徑生成需要在系統(tǒng)運(yùn)行之前將整個大樓的每個房間、走廊、樓梯等作為圖的節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)信息包括該點(diǎn)的三維坐標(biāo)、類型以及相連的節(jié)點(diǎn)索引。再將各個節(jié)點(diǎn)加載到三維坐標(biāo)中，計算出每個相通節(jié)點(diǎn)的路徑長度。若遭到火災(zāi)，將無法通行的節(jié)點(diǎn)從圖中刪除，然后計算節(jié)點(diǎn)到所有的安全逃生出口的距離，選擇可以通行且最短的安全出口作為本節(jié)點(diǎn)的最佳逃生路徑，并將各條最短路徑轉(zhuǎn)換成各指示節(jié)點(diǎn)指示的方向。圖10為一個最短路徑的三維示意圖。

圖10 最短路徑示意圖

為了幫助消防隊(duì)員救援被困人員，服務(wù)器根據(jù)傳感器位置及回傳數(shù)據(jù)生成火情地圖并在Web 端顯示，如圖11所示。火情圖將展示各個區(qū)域的溫度分布、氧氣含量分布、人員分布、是否起火以及是否有濃煙等信息。因?yàn)殚W燃和爆燃的條件和溫度與氣體含量有關(guān)[10]，這樣的地圖可以幫助消防員提前預(yù)知前往環(huán)境的狀況，避免突發(fā)險情。

圖11 火場溫度熱力示意圖

4 結(jié) 語

本文設(shè)計一套在大型建筑火災(zāi)中幫助人員疏散和救援的系統(tǒng)，該系統(tǒng)由傳感器節(jié)點(diǎn)、攝像頭節(jié)點(diǎn)、數(shù)據(jù)匯總節(jié)點(diǎn)、引導(dǎo)節(jié)點(diǎn)和服務(wù)器端及Web 終端組成。該系統(tǒng)可根據(jù)傳感器和攝像頭獲取建筑物內(nèi)部環(huán)境和人員信息，由服務(wù)器分析出火災(zāi)發(fā)展態(tài)勢和人員分布情況，反饋回引導(dǎo)節(jié)點(diǎn)；同時在Web 端生成火情熱力圖，從而達(dá)到科學(xué)高效疏散人群并實(shí)現(xiàn)火情數(shù)據(jù)可視化幫助救援的目的。該系統(tǒng)在大型建筑消防系統(tǒng)研究方面有一定應(yīng)用價值。