一種基于電力載波技術的智能消防疏散指示燈的應用設計方案

黃日財

（廣州番禺職業技術學院，廣東 廣州 511483）

隨著城市化建設進程的不斷加速，各類建筑如高層建筑、商業中心和公共場所迅速增多。然而，建筑內部結構多樣，火災等緊急情況下的疏散問題日益突顯。在此背景下，疏散指示燈作為疏散系統關鍵組成部分，能夠有效引導人們迅速脫離危險[1]。

傳統疏散指示燈存在布線成本高、獨立工作等問題。而基于電力載波技術的數字型疏散指示燈則具備巨大潛力。電力載波技術已在多領域成功應用，通過現有電力線路傳輸數據，降低成本，提高可靠性。此技術低成本、高可靠性、易擴展性等優勢也在照明領域得到展現[2]。

基于電力載波技術的數字型疏散指示燈可實時調整設置，適應不同情況，實現與消防電力線路融合[3]。這項技術為消防安全領域注入了新的活力。智能疏散指示燈的出現，有望進一步提升火災疏散的效率和人員安全。雖然還需克服一些技術難題，但這種技術對于現代化建筑消防系統的發展具有積極意義。在未來，或許可以期待在電力載波技術的推動下，數字型疏散指示燈在各類建筑中得到廣泛應用，為火災疏散提供更可靠和智能化的解決方案。

1 智能消防疏散指示燈的設計

現階段，電力線載波通信技術尚未應用在消防領域。基于電力載波技術的智能應急疏散指示燈是一種具有智能指引（光與聲）、實時通訊功能的消防疏散電力載波指示燈，可以指引逃生人員能夠準確、有序、安全地逃生，防止逃生人員向危險區域疏散、逃生，保障了人們的生命安全。

該研究不僅可以促進我們對電力線載波通信技術的了解與應用，對未來消防領域和電力載波技術發展有著重要意義，還可以推動建筑物智能化系統發展。

1.1 智能應急疏散指示燈結構設計

基于電力載波技術的智能應急疏散指示燈由LED 燈板、語音模塊、電力載波模塊、不間斷電池組和繼電控制回路組成，設計思路為開發電力載波模塊控制繼電控制回路，設計程序使繼電控制回路指令疏散指示LED 燈板顯示消防疏散方向和指令語音模塊發出消防疏散指示語音，同時不間斷電池組給繼電控制回路提供不間斷電源，可以通過上位機軟件與電力載波模塊通訊，實現智能指引、實時通訊的功能。如圖1所示。

1.2 電力載波模塊應用設計

電力載波模塊由通訊處理模塊和電力載波芯片構成。如圖2 所示，通訊處理模塊包括功率發送電路、濾波放大電路和耦合電路，用于將電力載波模塊調制的信號經過放大、濾波通過耦合電路加載到電力線上，同時來自電力線的載波信號經耦合電路送到接收濾波放大電路，經窄帶濾波和信號放大后加到電力載波芯片。

圖2 電力載波模塊實物（CCO 模組和STA 模組）

電力載波芯片配合通訊處理模塊與外圍電路構成高性能、小體積的電力載波模塊與電力線電連接，本方案電力載波芯片采用海思PLC-IoT 芯片Hi3921，其CPU 采用高性能ARM Cortex M3 處理器，工作頻率200 MHz，片內FLASH，512KB，片內SRAM：256KB，搭載物聯網開源操作系統LiteOS。

其中，Lite OS 開源操作系統是一種輕量級、高效和開源的物聯網操作系統，具有良好的可移植性、多任務支持、安全性和網絡協議兼容性，支持多種通信協議，包括IPv4、IPv6、6LoWPAN、CoAP 等。這使得物聯網設備可以通過各種通信方式實現互聯，并與云平臺或其他設備進行數據交換和遠程控制；支持安全機制和隱私保護功能，包括數據加密、身份認證、訪問控制等。這些特點有助于保護物聯網設備和數據的安全性，防止惡意攻擊和數據泄露。

同時，該電力載波芯片組具備超強抗噪聲、抗衰減性能，可快速組建PLC IoT 網絡，支撐大規模節點樹形網絡和mesh 網絡，提供穩定、可靠、高速的電力線載波通信性能。處理器Cortex M3 的UART 接口連接外圍電路，如圖3 所示。

組網及控制測試：

配置完成白名單及頻段等參數后，可通過CCO（中心節點）轉發命令至STA（遠程設備節點），實現查詢和設置遠程節點的參數，并可發送數據，實現控制及狀態查詢。如下所示：

（1）指令AT+IOPARAM 設置GPIO 初始配置

格式：AT+IOPARAM

STA 模組響應格式為：

+IOPARAM：＜pin＞，＜type＞，＜state＞，＜pwm_freq＞，＜pwm_ctl_mode＞，＜pwm_adjust_time＞

響應反饋：OK/ERROR；其中：設置＜type＞：引腳類型1：GPIO 電平模式；type 引腳類型為GPIO 電平模式時，0：低電平；1：高電平。

（2）指令AT+IOCTRL 進行遠程控制GPIO 狀態：（注：本測試STA 的MAC 為30：95：58：7d：11：50）

格式：AT+IOCTRL=＜mac＞，＜pin>；響應：+IOCTRL：＜mac>，＜pin＞，＜state＞，OK/ERROR

其中：＜mac＞：遠程控制目的地址；＜pin＞：引腳編號，可設置為0-5，16-18，19，20。其中0-5，16-18 可設置為GPIO 電平模式和PWM 模式。其中19，20 只能設置為GPIO 電平模式；＜state＞：引腳狀態值。

測試：查詢到CCO 模組對STA 模組GPIO 的控制狀態后，發送以下指令格式：

格式：AT+IOCTRL=＜mac＞，＜pin＞，＜state＞，即AT+IOCTRL=＜3095587d1150＞，＜19>，＜1＞。響應：OK/ERROR

設置模組的GPIO_19、GPIO_20 引腳為電平模式控制，通過該引腳控制指示燈反向及語音命令。

（3）指令AT+SEND 進行字符數據發送：

格式：AT+SEND=＜mac＞，＜len＞，＜data＞，[flag]，

測試：AT+SEND=3095587d1150，5，"12345"；STA響應反饋：OK 或ERROR。通過AT+SEND 指令實現CCO 模組與STA 模組點對點數據相互發送及接收。

（4）Mac 與安裝物理地址解析：

通過白名單與Mac 地址匹配地址文件，可對應相關STA 模型的實際物理位置，如將MAC 為30：95：58：7d：11：50 的STA 定義為“一樓電梯前室”疏散指示燈。

1.3 語音模塊應用設計

語音模塊基于WTN6 系列CMOS 語音芯片，實際應用時消防廣播揚聲器額定功率多為3 W，需增加功放芯片。

1.3.1 WTN6096 語音芯片

WTN6 系列為多功能，低功耗，高性能的CMOS語音芯片。音頻采樣率目前最高可達32 kHz，16 級音量控制，兩種音頻輸出方式PWM 輸出和DAC 輸出。精準的±1%內部震蕩，不需要加外部震蕩，具備超低功耗待機。工作電壓為2.4 ～5.2 V，12 位PWM 純音頻輸出，可直接驅動8 Ω/0.5 W 喇叭和蜂鳴器，DAC音頻輸出，可外接功放。同時具備串口控制模式：數脈沖，按鍵，一線串口，兩線串口。

音模塊基于WTN6096 CMOS 語音芯片，采用16位DSP 語音芯片、內部振蕩32 MHz，16 位的PWM 解碼，直接驅動8R 0.5W 喇叭（因消防廣播揚聲器多為3W 左右功率揚聲器，外罩功放芯片，功放芯片為WT4890）。語音腳本編寫有“此處方向有危險，請勿向左”“此處方向有危險，請勿向右”“這里是安全出口”等。

1.3.2 WT8871 功放芯片

WT8871 是一款無FM 干擾、具有AB 類和D 類模式的功率放大器。該功放芯片可通過MODE 功能鍵可對功放進行AB 類D 類的選擇。其應用電路簡單，只需極少數外圍器件，集成反饋電阻；輸出不需要外接耦合電容或上舉電容和緩沖網絡。WT8871 采用ESOP 封裝，適合用于小音量、小體重的便攜系統中，可以通過控制進入休眠模式，從而減少功耗。WT8871內部具有過熱自動關斷保護機制；工作穩定，增益帶寬積高達2.5 MHz，并且單位增益穩定。反饋電阻內置，通過配置外圍參數可以調整放大器的電壓增益及最佳音質效果，方便應用。

1.4 繼電器模塊應用設計

繼電控制回路模塊和不間斷電池組采用常規技術。繼電控制回路采用1 路繼電器模塊-易驅型，繼電器工作電壓根據繼電控制回路所需電壓大小選擇，本設計使用3 V 繼電器模塊，具有插針與端子雙接口設計，控制端設有SIN 信號、電源DC-和電源DC+，被控制端設有常開端、公共端和常閉端。

2 疏散指示燈在高層建筑的使用思考

2.1 既有建筑應急疏散指示燈改造應用

基于電力載波技術智能疏散指示燈：可在傳統的三線制（相線、中性線、保護線）疏散指示燈的結構拓撲基礎上，不改變原有的電氣線路，通過更換原有的傳統疏散指示燈，通過現有電力線實現智能疏散指示燈與控制主機實時通訊，即可實現疏散指示燈的聯網、通訊、調整方向、故障上報、智能指引等功能。在不改變原有疏散指示燈電氣線路的基礎上，通過更換原有的燈具即可實現升級。如圖4、圖5 所示。

圖5 智能疏散指示燈（左右調向測試）

2.2 新建建筑的應用

基于電力載波技術的智能消防疏散指示燈是一種創新的應用設計，它利用電力線路作為通信介質，實現消防疏散指示燈的智能化控制和管理。該設計具有多項優勢，包括低成本、可靠性高、擴展性強和易于集成等特點。通過將電力載波通信模塊嵌入疏散指示燈中，可以實現對燈具的遠程控制、監測和故障診斷。同時，結合物聯網技術和智能算法，疏散指示燈可以與其他智能設備進行互聯互通，提供更智能、高效的疏散指示功能。這種應用設計為建筑物的消防安全提供了重要保障，并為應急疏散提供了更可靠、便捷的指引，從而提高了人員安全和建筑管理的水平。