施趙媛，吳　偉，袁　奎，張　藝

(安慶師范大學 計算機與信息學院, 安徽 安慶 246133)

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樓宇火災監(jiān)測與應急疏散系統(tǒng)設計

施趙媛，吳偉，袁奎，張藝

(安慶師范大學 計算機與信息學院, 安徽 安慶 246133)

摘要：針對火災事故，設計了樓宇火災監(jiān)測與應急疏散系統(tǒng)，與現(xiàn)有的火災監(jiān)測裝置相比較，本系統(tǒng)通過在各樓層合理分布煙霧、溫濕度及火焰?zhèn)鞲衅鞴?jié)點，采集到的數(shù)據(jù)通過ZigBee無線傳感網(wǎng)絡傳輸?shù)胶笈_，火災發(fā)生后通過數(shù)據(jù)分析得出疏散路徑，通過語音提示及時進行人員智能疏散，從而可減少人員傷亡。

關鍵詞：煙霧、溫濕度、火焰、紅外等傳感器；無線組網(wǎng)；應急疏散

DOI：10.13757/j.cnki.cn34-1150/n.2016.02.016

火災是威脅公眾安全和社會發(fā)展的主要災害之一，給人們的生命財產(chǎn)安全帶來嚴重的威脅[1]。每年在高層樓宇、酒店、超市、影劇院、體育館等人員密集場所發(fā)生的火災不計其數(shù)，而由于人員慌亂、擁擠而阻塞疏散通道導致人員傷亡則是災難發(fā)生的重要因素。調(diào)查研究發(fā)現(xiàn)，火災中應急疏散環(huán)節(jié)尤為重要[2]。應急疏散環(huán)節(jié)包括火災檢測與警報、安全的疏散路徑指引等?，F(xiàn)在多數(shù)樓宇建筑內(nèi)均配備有火災檢測報警裝置，實時檢測火災[3-4]，而對于突發(fā)火災后的應急疏散系統(tǒng)的研究與應用較少。

火災檢測系統(tǒng)的組網(wǎng)分為有線與無線兩種，近年來隨著射頻技術的不斷發(fā)展，火災的無線檢測系統(tǒng)開始被研究與應用，應用到的無線通信組網(wǎng)技術[4-5]主要包括WI-FI、紅外線 (IrDA)[5]、超寬帶 (UWB)、藍牙[6]及ZigBee[7]，其中ZigBee射頻通信技術因低功耗、低成本、低時延、低復雜度、網(wǎng)絡容量大[8]等特性在研究及工業(yè)領域中應用較廣?；诖?，本文給出了一種在樓宇中采用2.4GHz頻段的ZigBee無線組網(wǎng)設備的無線火災檢測與應急疏散系統(tǒng)的設計方案。

本系統(tǒng)基于ZigBee技術，通過在樓宇的不同區(qū)域合理布置一定數(shù)目的煙霧、溫濕度、火焰?zhèn)鞲衅鲗怯钍欠癜l(fā)生火災進行實時感知，采集到的數(shù)據(jù)通過基于ZigBee的無線網(wǎng)絡傳輸?shù)娇刂破?，通過設定系統(tǒng)閾值，一旦出現(xiàn)火災，自動報警，并通過實時數(shù)據(jù)得出最佳疏散路徑，并通過語音模塊向火災中的遺留人員進行實時播報，從而減少人員傷亡。

1系統(tǒng)方案

系統(tǒng)參照物聯(lián)網(wǎng)基本層次模型，包括感知層、網(wǎng)絡層、平臺層和應用層，煙霧、溫濕度、火焰、紅外傳感器實時監(jiān)測樓宇內(nèi)環(huán)境參數(shù)，組成系統(tǒng)的感知層；ZigBee無線傳感網(wǎng)絡及網(wǎng)關組成系統(tǒng)網(wǎng)絡層；SQL-Server服務器和ISS信息服務器構成系統(tǒng)的平臺層；后臺應用軟件、自動警報模塊、應急疏散語音提醒模塊構成系統(tǒng)的應用層。

2系統(tǒng)網(wǎng)絡結構

本系統(tǒng)的無線傳感網(wǎng)絡采用低功耗的ZigBee協(xié)議，組建無線傳感網(wǎng)絡。系統(tǒng)通過布在各個樓層的各類傳感器模塊對樓宇進行實時火災檢測，如圖1所示。

整個無線網(wǎng)絡中包括傳感器節(jié)點、路由器節(jié)點和協(xié)調(diào)器，傳感器節(jié)點通過路由器節(jié)點向協(xié)調(diào)器發(fā)送信息，協(xié)調(diào)器通過與控制器和網(wǎng)關連接到外網(wǎng)，實現(xiàn)對樓宇環(huán)境的實時網(wǎng)絡監(jiān)測。

圖1系統(tǒng)ZigBee網(wǎng)絡節(jié)點分布圖

2.1系統(tǒng)組網(wǎng)

本系統(tǒng)的網(wǎng)絡整體結構中包括控制器、協(xié)調(diào)器、路由器節(jié)點和傳感器終端節(jié)點，如圖2所示。

圖2系統(tǒng)組網(wǎng)網(wǎng)絡結構圖

控制器是整個監(jiān)控網(wǎng)絡的終端，負責整個網(wǎng)絡中各個節(jié)點的聯(lián)動、復位、啟動報警及應急疏散模塊等操作。通過路由器轉發(fā)來的傳感器實時采集數(shù)據(jù)，控制器能夠了解到系統(tǒng)的實時情況。

協(xié)調(diào)器是系統(tǒng)中的匯聚節(jié)點，每個監(jiān)測的網(wǎng)絡中都配備一個協(xié)調(diào)器節(jié)點，負責網(wǎng)絡的組建，與樓宇中每一層的路由器節(jié)點相連并通信；還負責實時管理監(jiān)測網(wǎng)絡中的傳感器節(jié)點，一旦發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)的傳感器節(jié)點感應到火災發(fā)生，立即向控制器節(jié)點通信，啟動后臺報警與應急疏散模塊。

路由器節(jié)點作為系統(tǒng)網(wǎng)絡的中繼節(jié)點，通過路由器節(jié)點轉發(fā)傳感器節(jié)點采集到的信息，最終傳輸給協(xié)調(diào)器節(jié)點。每個路由器節(jié)點根據(jù)路由協(xié)議，分析鄰近節(jié)點信息表和路由表，發(fā)現(xiàn)較短的路徑并將接收到的消息轉發(fā)給下一跳路由器節(jié)點。

傳感器節(jié)點作為整個網(wǎng)絡的終端節(jié)點，主要負責煙霧、溫度和火焰的探測，并實時向路由器節(jié)點發(fā)送狀態(tài)，及時報告險情。

2.2網(wǎng)絡布置的實施方案設計

一個ZigBee網(wǎng)絡能夠容納的最大節(jié)點數(shù)目是65 000[9]，若設網(wǎng)絡中每個路由器節(jié)點最多能夠連接的傳感器節(jié)點數(shù)目為m，而每個路由器最多能連接的其他路由器節(jié)點數(shù)目為n，各路由器之間在轉發(fā)信息時最多能路由的跳數(shù)為w，則m、n及w需滿足以下關系：

(1+n2+n3+…+nw-1)(n+m)<65 000

其中m越大，即系統(tǒng)中分布的傳感器節(jié)點越多，則采集的數(shù)據(jù)準確性越高；n越大，網(wǎng)絡的健壯性越好；w越大，整個網(wǎng)絡所能覆蓋的范圍也就越大。然而m、n和w的取值是互相限制的，故需要根據(jù)樓宇的結構和規(guī)模，綜合考慮網(wǎng)絡的各項性能要求，選取合適的網(wǎng)絡參數(shù)。

當樓宇面積較小時，一般只需1-2個路由器即可；若樓層較低，傳感器節(jié)點只需要2-3跳路由器即可連接到協(xié)調(diào)器節(jié)點，故只需建立1個小型的ZigBee網(wǎng)絡，在每一層設置1個路由器節(jié)點，該層的傳感器節(jié)點采集的信息通過該路由器節(jié)點傳輸、鄰樓層的路由器節(jié)點的中繼最終與協(xié)調(diào)器節(jié)點相連，協(xié)調(diào)器節(jié)點將傳感器節(jié)點的信息傳給控制器，從而實現(xiàn)整個樓宇的火災監(jiān)測。當樓宇面積較大，樓層較多時，需要更多的傳感器節(jié)點對整個環(huán)境中的參數(shù)進行采集，另外，每層需要更多的路由器實現(xiàn)整個樓層的覆蓋，中繼轉發(fā)跳數(shù)也會增加。

3系統(tǒng)工作過程

系統(tǒng)工作流程如圖3所示，火災檢測模塊實時監(jiān)測火災情況，數(shù)據(jù)通過ZigBee無線傳感網(wǎng)絡傳輸給附近節(jié)點，檢測結果，若未發(fā)生火災則繼續(xù)監(jiān)測，一旦傳感器檢測數(shù)據(jù)超標，判定為發(fā)生火災，立刻執(zhí)行以下操作：

1)通過GSM模塊向119發(fā)送火災報警信息，信息中包括火災地址信息，并啟動樓宇中的自動滅火裝置，降低火災進一步擴散的概率；

2)在樓宇中啟動火災警報，警示樓宇中未發(fā)現(xiàn)火災的人員撤離；

3)啟動火災應急模塊。

現(xiàn)對系統(tǒng)中的實時監(jiān)測模塊及應急疏散模塊進行詳細介紹。

3.1火災檢測模塊

火災檢測模塊為系統(tǒng)的主檢測模塊，分布在樓宇各個樓層的適當位置(系統(tǒng)ZigBee網(wǎng)絡節(jié)點分布如圖1所示)?；馂臋z測模塊通過火焰?zhèn)鞲衅鳌熿F傳感器及溫度傳感器進行檢測，火災檢測模塊采用的是CC2530片上系統(tǒng)。CC2530片上系統(tǒng)分析火焰和煙霧傳感器實時采集的數(shù)據(jù)，判斷是否發(fā)生了火災。如果未發(fā)生火災，不執(zhí)行任何操作。

如果發(fā)生火災，發(fā)出警報(警報和觸發(fā)GSM模塊向119發(fā)送火災報警信息)，采取相應的滅火措施，并將火源信息數(shù)據(jù)通過ZigBee無線傳感網(wǎng)絡發(fā)送給附近節(jié)點。

圖3系統(tǒng)工作流程圖

3.2應急疏散引導模塊

當檢測模塊檢測到火災發(fā)生時，應急疏散模塊啟動，對緊急情況進行疏散引導，其具體工作包括檢測火災現(xiàn)場是否有人員及確定安全疏散路徑。ZigBee無線傳感網(wǎng)絡進行數(shù)據(jù)無線傳輸。應急疏散引導模塊在火災發(fā)生時，通過與附近的火災檢測節(jié)點進行通信完成對周圍環(huán)境中的火災參數(shù)溫度、煙霧、火焰及位置信息的檢測與分析，從而得出附近恰當?shù)氖枭⒙肪€。通過在各樓層布置的熱釋紅外傳感器檢測節(jié)點附近是否有人員通過，如果檢測到，記錄人員出現(xiàn)地點，為消防人員提供需救援人員位置，并通過語音模塊給予疏散引導，引導人員到安全區(qū)域，起到疏散引導作用，使火災傷亡情況降到最低。

4系統(tǒng)軟、硬件設計

4.1系統(tǒng)軟件設計

本系統(tǒng)使用支持CC2530及Z-stack協(xié)議棧的IAR作為開發(fā)軟件。它自帶了C或C++集成開發(fā)環(huán)境、中間件、開發(fā)套件、硬件仿真器、實時操作系統(tǒng)、中間件等。ZigBee選用TI公司開發(fā)的Z-stack[3]協(xié)議棧，能很好地支持ZigBee協(xié)議和CC2530。除應用層需要用戶根據(jù)自身需求進行設計開發(fā)外，其他底層幾乎都被封裝，從而大大降低了系統(tǒng)的開發(fā)復雜度，保證了不同設備之間較好的兼容性。

終端節(jié)點負責對樓宇環(huán)境區(qū)域中的溫度、煙霧、火焰、紅外等信息進行控制和傳感器數(shù)據(jù)采集，通過設計各傳感器的閾值，檢測樓宇中是否發(fā)生火災。終端節(jié)點配置的部分代碼如圖4所示。

圖4　終端感應節(jié)點代碼配置示意圖

路由器節(jié)點作為系統(tǒng)中的中繼，對數(shù)據(jù)包的傳輸進行中繼傳輸給協(xié)調(diào)器節(jié)點，路由器中含鄰居節(jié)點的路由表及節(jié)點信息，從而發(fā)現(xiàn)最優(yōu)路徑將接收到的消息轉發(fā)給下一跳路由器節(jié)點或協(xié)調(diào)器節(jié)點。其中系統(tǒng)網(wǎng)絡發(fā)送的數(shù)據(jù)幀內(nèi)容包括頭、尾、網(wǎng)絡驗證信息、設備地址、各傳感器狀態(tài)信息、煙霧濃度、溫度數(shù)據(jù)、校驗位等，對其配置的部分代碼如圖5所示。

圖5數(shù)據(jù)幀格式定義示意圖

各個終端節(jié)點通過中繼路由節(jié)點連接到協(xié)調(diào)器。協(xié)調(diào)器負責組建整個網(wǎng)絡，并將樓宇環(huán)境中的煙霧、有毒氣體濃度及警報信息傳送到控制器節(jié)點，其具體配置代碼如圖6所示。

圖6協(xié)調(diào)器節(jié)點配置部分示意圖

4.2系統(tǒng)硬件設計

4.2.1CC2530

目前，市場上ZigBee芯片提供商( 2.4GHz)主要有FREESCALE、JENNICTI/CHIPCON、EMBER(ST)等。整合ZigBee技術的形式主要有3種：1)ZigBeeRF+MCU,2)集成片上系統(tǒng)SOC,3)單芯片內(nèi)置ZigBee協(xié)議棧+外掛芯片?；诔杀?、與Zigbee協(xié)議棧的結合度、技術成熟度等的考慮，本系統(tǒng)選用集成ZigBee和RF4CE的片上系統(tǒng)(SoC)的CC2530 ，它用于2.4GHz的IEEE802.15.4協(xié)議，能夠以較低成本組成強大的網(wǎng)絡節(jié)點，另外它具備性能良好的RF無線收發(fā)器，配備增強型8051CPU。

4.2.2傳感器

為監(jiān)測樓宇中的環(huán)境指數(shù)，在樓宇中需安裝幾種傳感器節(jié)點，包括煙霧傳感器、火焰?zhèn)鞲衅鳌貪穸葌鞲衅骱蜔後尲t外傳感器。煙霧傳感器采用的是MQ2型，該體傳感器所使用的氣敏材料是電導率較低的二氧化錫(SnO2)。當傳感器所處環(huán)境中存在煙霧或者可燃氣體時，傳感器的電導率隨空氣中可燃氣體濃度的增加而增大。根據(jù)電路圖7，傳感器電阻的變化使得其電壓值VRL改變，從而監(jiān)測樓宇環(huán)境中的煙霧濃度。

圖7　煙霧傳感器電路圖

火焰?zhèn)鞲衅鞯碾娐啡鐖D8所示，其中模塊的數(shù)字輸出DO直接與單片機相連，通過單片機監(jiān)測輸出的高低電平，由此來監(jiān)測樓宇環(huán)境中的火焰光譜或者光源是否超過設定的閾值。一旦發(fā)現(xiàn)電平變化，即采取相應的報警與疏散措施。

圖8火焰?zhèn)鞲衅麟娐穲D

溫濕度傳感器使用DHT11，溫濕度傳感器與MCU的連接如圖9所示，DATA用于DHT11與微處理器MCU直接的通信與同步，使用單總線數(shù)據(jù)格式。設置波特率為9 600，通過串口發(fā)送溫濕度數(shù)據(jù)。

圖9　溫濕度傳感器電路圖

5總結

以低功耗、低成本、高擴展性、較強自組網(wǎng)功能為原則，設計了基于ZigBee無線傳輸協(xié)議和CC2350核心芯片的樓宇火災監(jiān)測與應急疏散系統(tǒng)，在傳統(tǒng)火災檢測系統(tǒng)的基礎上，將有線的傳感網(wǎng)絡無線化，增加了系統(tǒng)的數(shù)據(jù)分析模塊，通過語音播報實現(xiàn)智能的應急疏散。本系統(tǒng)可在樓宇現(xiàn)有的智能消防系統(tǒng)基礎上進行升級。

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SystemofBuildingFireMonitoringandEmergencyEvacuation

SHIZhao-yuan,WUWei,YUANKui,ZHANGYi

(SchoolofComputerandInformation,AnqingNormalUniversity,Anqing,Anhui246133，China)

Abstract:Systemofbuildingfiremonitoringandemergencyevacuationforthefireaccidentisdesigned.Comparedwiththeexistingfiremonitoringdevices,thesystemfirstlycollectstheenvironmentdatebyseveralsensorswhichdistributeineachlayer,thentransmitsthedatethroughtheZigbeenetworktotheconsole.Iffireaccidentbreaksout,systemwillconcludeevacuationpaththroughanalyzingthedate.What’smore,itwilldothetimelyevacuationbythevoicemoduleswhichcanreducecasualties.

Keywords:smokesensor;temperatureandhumiditysensors;flamesensor;infraredsensor;wirelessnetworking;emergencyevacuation

* 收稿日期：2015-05-22

基金項目：安徽省教育廳項目(AQKJ2015B008)和安慶師范學院青年基金項目(KJ201406)。

作者簡介：施趙媛，女，安徽安慶人，碩士，安慶師范大學計算機與信息學院教師，研究方向為無線通信與物聯(lián)網(wǎng)相關技術。 E-mail: shizy123@126.com

中圖分類號：TP332.1

文獻標識碼：A

文章編號：1007-4260(2016)02-0066-06

網(wǎng)絡出版時間：2016-06-08 12:57網(wǎng)絡出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/34.1150.N.20160608.1257.016.html