劉承云

摘要：為解決高層建筑火災(zāi)被困人員的逃生問題，本文設(shè)計(jì)了一種高層建筑火災(zāi)逃生控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)以單片機(jī)為控制核心，采用太陽能供電模塊提供電能，結(jié)合無線通信模塊來傳送指令;通過拉力傳感器檢測(cè)人員進(jìn)出情況，使用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)載人裝置運(yùn)行，從而提高火災(zāi)逃生的安全性與高效性。

關(guān)鍵詞：高層建筑火災(zāi)逃生;單片機(jī);太陽能;無線通信;拉力傳感器

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，高層建筑已逐漸成為城市居民住宅的主流。但是在高層住宅建筑中，除步行樓梯和指示燈外，其它的逃生輔助設(shè)備非常少見。高層建筑由于其結(jié)構(gòu)特征與容納人員較多，導(dǎo)致火災(zāi)逃生成為當(dāng)今社會(huì)公共安全的重大問題?，F(xiàn)有的火災(zāi)逃生技術(shù)包括緩降繩索設(shè)備、逃生滑道設(shè)備及升降機(jī)械類設(shè)備。通過分析發(fā)現(xiàn)存在以下不足：緩降繩索設(shè)備在使用時(shí)，纜繩容易出現(xiàn)翻轉(zhuǎn)、碰撞和纏繞，或因逃生人員下降過程中身體晃動(dòng)而與墻體碰撞，以及下降速度難以精確控制，易導(dǎo)致其受到二次傷害[1]。逃生滑道設(shè)備通常僅能滿足單人使用，逃生效率較低;并且老人、孕婦及嬰幼兒因身體狀況的特殊性難以使用，存在一定的使用局限性。升降機(jī)械類設(shè)備通常由建筑內(nèi)的公共區(qū)域電源供電，火災(zāi)時(shí)若發(fā)生電路故障便無法正常使用，穩(wěn)定性和可靠性較差。

一、系統(tǒng)概述

本設(shè)計(jì)主要由單片機(jī)、太陽能供電模塊、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)、載人裝置、無線通信模塊組建而成。當(dāng)發(fā)生火災(zāi)時(shí)，逃生人員在安全指示燈的引導(dǎo)下，到達(dá)每層樓的逃生口并啟動(dòng)控制開關(guān)。無線通信模塊向總控單片機(jī)STC89C52發(fā)出工作指令，總控單片機(jī)通過電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行，使載人裝置以預(yù)定速度移動(dòng)至指定樓層[2]。拉力傳感器檢測(cè)人員進(jìn)出情況，通過無線通信模塊發(fā)送運(yùn)行和復(fù)位指令，完成裝置工作的循環(huán)過程。太陽能供電模塊為系統(tǒng)提供電能。

二、硬件設(shè)計(jì)

（一）載人裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

該部分由吊籠、單片機(jī)、拉力傳感器、無線發(fā)射模塊以及鋼纜組成。在建筑頂部安裝步進(jìn)電機(jī)和鋼纜收放器，步進(jìn)電機(jī)的機(jī)軸與鋼纜收放器相關(guān)聯(lián)，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)鋼纜收放器收放鋼纜;導(dǎo)向輪安裝在樓房頂部與升降通道的交界處;鋼纜一端連接在鋼纜收放器上，另一端繞過導(dǎo)向輪連接在載人裝置的上端。拉力傳感器安裝在吊籠與鋼纜之間，用于檢測(cè)人員進(jìn)出吊籠情況[3]。本系統(tǒng)選用由合金材料構(gòu)成的拉力傳感器，具有較高的抗扭強(qiáng)度和良好的抗偏載能力。為降低信號(hào)傳輸中的干擾，采用電流模擬信號(hào)作為載體，將由拉力傳感器檢測(cè)到的信號(hào)經(jīng)過信號(hào)放大、濾波處理。再通過A/D轉(zhuǎn)換器使得單片機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行采樣、量化。最后通過無線發(fā)送模塊將相關(guān)指令傳至樓頂處的無線接收模塊。在建筑的外側(cè)設(shè)有自頂向下的升降通道，每層設(shè)置逃生口。載人裝置設(shè)在升降通道內(nèi)，可沿升降通道做豎直方向上的往復(fù)移動(dòng)[4]。吊籠外部固接有與滑槽相配合的導(dǎo)向滑塊，導(dǎo)向滑塊與滑槽相配合而安裝在樓房的升降通道內(nèi)，吊籠側(cè)壁上設(shè)有朝向各樓層逃生口的入口，實(shí)現(xiàn)逃生人員的進(jìn)出。

（二）步進(jìn)電機(jī)的選擇

本系統(tǒng)要求載人裝置根據(jù)控制端的相應(yīng)指令完成上升、下降與暫停工作。由于步進(jìn)電機(jī)可以實(shí)現(xiàn)快速啟動(dòng)、停止和反轉(zhuǎn)，并且具有控制性好、運(yùn)行過程中不受負(fù)載變化的影響、只存在周期性誤差而無累積誤差等特點(diǎn)，故選擇步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)載人裝置的運(yùn)行。

1、必要脈沖數(shù)和驅(qū)動(dòng)脈沖數(shù)計(jì)算

參照建筑物高度的指標(biāo)數(shù)據(jù)，本文選定高度為70m的建筑。裝置載重量m為200Kg（含載人裝置），設(shè)置額定下降速度v為1m/s。三相六拍步進(jìn)電機(jī)的步進(jìn)角為θ=360°/（50×6）=1.2°，運(yùn)行頻率f=3000HZ，計(jì)算步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速n：

2、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)力矩的計(jì)算

載人裝置勻速運(yùn)行過程中所需功率P：P=F×v=mg×v=2000W由電機(jī)額定功率計(jì)算公式，得到實(shí)際所需額定力矩M：

3、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的確定

計(jì)算結(jié)果表明，必要的電機(jī)力矩為31.8[N·m]。選擇扭矩為50[N·m]，工作電壓為80-350V的130BYG350-280三相高壓步進(jìn)電機(jī)。根據(jù)上述結(jié)果可得，該電機(jī)可提供的最大功率為Pmax：

（三）驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)

由于步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電流較大，電流的通斷導(dǎo)致電磁干擾，影響單片機(jī)的正常工作。因此，本系統(tǒng)通過ULN2003A達(dá)林頓芯片驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)，引腳與步進(jìn)電機(jī)連線示意圖。ULN2003A系列驅(qū)動(dòng)器的左邊1～8為輸入端，接單片機(jī)P2口的輸出端，驅(qū)動(dòng)信號(hào)由P2口的P2.0至P2.3輸出，右側(cè)9～16為輸出端引腳，接步進(jìn)電機(jī)，引腳9接5V電源，該驅(qū)動(dòng)器提供的電流最高為0.5A。

（四）無線通信模塊設(shè)計(jì)

無線通信模塊分為無線發(fā)送、無線接收模塊，均選用APC200A-43模塊，其抗干擾性和靈敏度較高，適合于強(qiáng)干擾的惡劣環(huán)境中使用，支持一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的通信。無線發(fā)送模塊由看門狗芯片MAX813、電壓轉(zhuǎn)換芯片、光電耦合器、APC200A-43無線模塊、RS485芯片、報(bào)警指示燈及濾波電路等組成。工作過程中，通過按下控制器的啟動(dòng)與停止按鈕來為單片機(jī)提供高低電平，單片機(jī)通過RS485芯片把啟動(dòng)或停止信號(hào)傳給無線發(fā)送模塊。無線接收模塊主要由DC/DC電源轉(zhuǎn)換模塊，APC200A-43無線模塊，RS485芯片，指示燈及控制電路和濾波電路等組成。工作過程中，無線接收模塊收到無線發(fā)送模塊傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，通過RS485芯片傳給總控單片機(jī)，經(jīng)總控單片機(jī)處理后，控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行。

三、軟件設(shè)計(jì)

裝置上電啟動(dòng)?？偪貑纹瑱C(jī)進(jìn)行初始化，接收到開始指令信號(hào)后，載人裝置下降至目標(biāo)樓層。當(dāng)拉力傳感器檢測(cè)到拉力增大并穩(wěn)定數(shù)秒時(shí)，總控單片機(jī)通過電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊控制步進(jìn)電機(jī)，使得載人裝置按照預(yù)定速度下落;若此時(shí)無拉力增大，則裝置復(fù)位至初始位置。當(dāng)載人裝置下降至距地面安全距離時(shí)開始制動(dòng)，落地后裝置平穩(wěn)停止數(shù)秒。當(dāng)拉力傳感器檢測(cè)到拉力減小并穩(wěn)定數(shù)秒時(shí)，總控單片機(jī)通過復(fù)位電路模塊驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)，使得載人裝置上升至初始位置;若此時(shí)無拉力減小，則裝置繼續(xù)延時(shí)等待。

四、結(jié)語：

該系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單、安全性高、適用范圍廣泛的優(yōu)勢(shì)。單片機(jī)作為步進(jìn)電機(jī)的控制核心，精確控制下降、落地速度;安裝于升降通道的載人裝置，運(yùn)行穩(wěn)定性高;采用太陽能供電，確保電力中斷時(shí)的安全運(yùn)行?？蓱?yīng)用于小區(qū)居民樓等高層建筑。

參考文獻(xiàn)：

[1]陳震.基于FDS的高層建筑火災(zāi)疏散系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].北京工業(yè)大學(xué)，2015.

[2]張瑜，袁樹杰.高層建筑火災(zāi)逃生椅的設(shè)計(jì)[J].安全，2018，39（1）：19-22.

[3]吳鴻雁，吳碩.支持高層建筑火災(zāi)逃生訓(xùn)練的虛擬環(huán)境模型研究[J].合肥師范學(xué)院學(xué)報(bào)，2015，33（3）：126-129.