竇　杰，周琪璋，宋道榜，陳鎮(zhèn)生，張海龍，曹鵬飛

(蘭州大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730000)

0　引言

隨著近年來微電子機(jī)械系統(tǒng)[1]、無線通信[2]和數(shù)字電子等技術(shù)的發(fā)展，對于無線火災(zāi)自動報(bào)警系統(tǒng)的研究已在國內(nèi)外發(fā)展起來[3]，并走向了實(shí)用化[4]。國外現(xiàn)有的無線報(bào)警系統(tǒng)既可作為火災(zāi)報(bào)警，也可作為安保系統(tǒng)，二者兼用，是一種高科技的無線保安系統(tǒng)[5]。

目前的無線報(bào)警技術(shù)屬于火災(zāi)報(bào)警技術(shù)的第三代也是世界上最先進(jìn)的火災(zāi)報(bào)警技術(shù)[6]。我國在無線火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)發(fā)展方面滯后于國外，但隨著近年來無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展[7]，國內(nèi)部分高校和生產(chǎn)廠商也開始研究無線技術(shù)在火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)中的應(yīng)用[8]。大型城市主從式遙測系統(tǒng)在1996年被提出，其可實(shí)現(xiàn)覆蓋數(shù)百km的監(jiān)測范圍[9]。文獻(xiàn)[10-11]對城市高層建筑火災(zāi)報(bào)警控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)做了研究。隨著通信技術(shù)和互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展普及，越來越多的基于無線通信模塊以及結(jié)合互聯(lián)網(wǎng)+的無線火災(zāi)系統(tǒng)被設(shè)計(jì)出來[12]。

現(xiàn)有的無線火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)具有控制距離遠(yuǎn)、數(shù)據(jù)可監(jiān)控等諸多優(yōu)點(diǎn)[13]，但忽略了火災(zāi)發(fā)生時人們因恐慌等導(dǎo)致的疏散路線不清楚，無法規(guī)避起火點(diǎn)，甚至在陌生復(fù)雜場所內(nèi)有誤入火場的危險(xiǎn)。本文采用優(yōu)化的廣度優(yōu)先搜索算法，智能計(jì)算出逃生路線[14]，并運(yùn)用LED作為燈光線路指引。為保證系統(tǒng)在火場的穩(wěn)健性，提出了3級復(fù)合架構(gòu)系統(tǒng)。

1　系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本文提出的由終端節(jié)點(diǎn)、中繼模塊和總控制模塊組成的3級架構(gòu)火災(zāi)緊急疏散系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)火災(zāi)、恐怖襲擊等緊急情況下的智能快速疏散。通過傳感器節(jié)點(diǎn)探知火災(zāi)發(fā)生位置，根據(jù)不同的火情級別，由總控制模塊自動計(jì)算出樓內(nèi)不同火情現(xiàn)場的最佳處理方案，如同樓層自救、同樓層疏散路線指引和不同樓層間疏散路線指引等。以蜂鳴器、跑馬燈等形式進(jìn)行聲音和光線的多路徑分散疏散指引，并將實(shí)時火情點(diǎn)分布上傳到總控制室以圖形界面顯示，方便后續(xù)消防隊(duì)快速展開救援，實(shí)現(xiàn)科學(xué)、快速的自救、疏散與救援。

1.1　系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

1.1.1無線通信技術(shù)

3級控制系統(tǒng)的信號傳輸部分采用無線通信技術(shù)，保證了整個架構(gòu)的安全性。在火災(zāi)發(fā)生時，絕大多數(shù)供電系統(tǒng)將處于癱瘓狀態(tài)。系統(tǒng)采用備用電池為設(shè)備持續(xù)供電，可以保證各模塊之間通信良好，整個系統(tǒng)在火災(zāi)環(huán)境中不崩潰、不癱瘓。

1.1.23級控制架構(gòu)

為了確保整個系統(tǒng)在復(fù)雜環(huán)境中的可靠性，采用3級控制系統(tǒng)架構(gòu)，該架構(gòu)由終端節(jié)點(diǎn)、中繼控制模塊和總控制模塊3部分組成。

1.1.3分層處理架構(gòu)

復(fù)合型傳感器通過節(jié)點(diǎn)自身分析就可做出相應(yīng)的報(bào)警，并將實(shí)時監(jiān)測的數(shù)據(jù)通過無線通信方式發(fā)送到中繼控制模塊。中繼控制模塊控制本區(qū)域報(bào)警節(jié)點(diǎn)，并將火災(zāi)地點(diǎn)信息發(fā)送至總控臺，總控臺進(jìn)行聯(lián)合分析，實(shí)現(xiàn)各樓層聯(lián)動指示疏散路徑，并為消防隊(duì)救援滅火提供指示。

1.1.4自動巡檢功能

系統(tǒng)待機(jī)時，為保證對突發(fā)情況的及時響應(yīng)和自身系統(tǒng)的維護(hù)監(jiān)測，中繼模塊響應(yīng)總控制臺的指令對各樓層部件進(jìn)行巡檢，并將結(jié)果反饋給總控制臺進(jìn)行綜合分析。

1.1.5分散處理技術(shù)

充分利用終端節(jié)點(diǎn)和中繼控制模塊控制芯片的計(jì)算能力，分級處理數(shù)據(jù)，減小了主控的處理壓力。同一片防火區(qū)域采用一個中繼節(jié)點(diǎn)進(jìn)行分散控制。在單一節(jié)點(diǎn)掉線或者單一中繼掉線的情況下，不影響其他節(jié)點(diǎn)的運(yùn)行。

1.1.6可擴(kuò)展接口

為應(yīng)對系統(tǒng)升級和擴(kuò)展，預(yù)留可擴(kuò)展接口，接口可以實(shí)現(xiàn)城市火警聯(lián)網(wǎng)[15]，以便消防部門監(jiān)控整個城市的所有火警系統(tǒng)的運(yùn)行情況。此外，可以利用大數(shù)據(jù)技術(shù)對消防工作進(jìn)行綜合分析。

1.2　系統(tǒng)原理及架構(gòu)

系統(tǒng)整體由終端節(jié)點(diǎn)、中繼控制模塊和總控制臺3部分組成，模塊之間全部采用無線通信，無線通信模塊型號為NRF24L01，傳輸可靠、距離遠(yuǎn)。各個模塊之間采用包協(xié)議進(jìn)行信息傳輸，有效地降低了每個系統(tǒng)之間的耦合度。在每部分留有接口，使得系統(tǒng)再次開發(fā)的難度降低。整個設(shè)計(jì)具有易維護(hù)、易排障等特點(diǎn)。系統(tǒng)模塊框圖如圖1所示。

圖1　系統(tǒng)總體架構(gòu)

終端節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示，主要由傳感器數(shù)據(jù)采集、信號放大處理、微處理器數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)傳輸以及電池供電單元等部分組成。每個節(jié)點(diǎn)模塊均采用STC89C52芯片對傳感器進(jìn)行控制，利用無線收發(fā)模塊與中繼模塊進(jìn)行信息交換。終端節(jié)點(diǎn)主要完成傳感器的數(shù)據(jù)采集、處理、發(fā)送本節(jié)點(diǎn)檢測結(jié)果與接收后臺指令等任務(wù)。

圖2　終端節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)

中繼模塊主要處理一片區(qū)域所有節(jié)點(diǎn)的信息，承擔(dān)對這一區(qū)域的所有節(jié)點(diǎn)進(jìn)行掃描、信息匯總和處理的任務(wù)。采用一塊TM4C123G系列微控制器作為主控板，利用無線收發(fā)模塊與每個節(jié)點(diǎn)進(jìn)行信息交換。將匯總結(jié)果傳輸?shù)街骺啬K，進(jìn)行分析和處理，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3　中繼模塊結(jié)構(gòu)

總控制臺是本系統(tǒng)的中樞，將所有的中繼模塊信息進(jìn)行匯總?？偪刂婆_模塊承擔(dān)著所有的算法運(yùn)算和整個系統(tǒng)的節(jié)點(diǎn)控制任務(wù)、存儲整個系統(tǒng)的節(jié)點(diǎn)路徑、聯(lián)動公式和信息綜合處理等任務(wù)，其原理如圖4所示。

圖4　總控制模塊結(jié)構(gòu)

2　系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

對于系統(tǒng)硬件的設(shè)計(jì)與連接參照圖1的3級架構(gòu)圖。終端節(jié)點(diǎn)參照圖2的終端節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)圖進(jìn)行設(shè)計(jì)，其控制芯片為STC89C52芯片，無線芯片為NRF24L01。各元器件連接圖如圖5所示。中繼模塊參考圖3中繼控制模塊結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，采用一塊TM4C123GH6PM微控制器與NRF24L01無線模塊相連接，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的接收、發(fā)送和中繼傳輸，其連接圖如圖6所示。此連接圖同樣適用于總控的無線模塊連接，實(shí)現(xiàn)總控的數(shù)據(jù)收發(fā)。

圖5　終端節(jié)點(diǎn)硬件連接

圖6　中繼模塊硬件連接

3　系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1　通信協(xié)議包設(shè)計(jì)

由于無線模塊一次可以發(fā)送32 Byte，所以一個包的總長度定為32 Byte。包結(jié)構(gòu)分為狀態(tài)包和命令包。利用包長度和標(biāo)志位進(jìn)行包傳輸校驗(yàn)，可以有效地減低丟包、錯誤包等問題。設(shè)計(jì)出的基礎(chǔ)包結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7　基礎(chǔ)包結(jié)構(gòu)

狀態(tài)包：由終端節(jié)點(diǎn)和中繼節(jié)點(diǎn)發(fā)出的包，將自己狀態(tài)發(fā)送給主控。

命令包：由主控發(fā)出，控制中繼節(jié)點(diǎn)或者終端節(jié)點(diǎn)完成相應(yīng)指令。

包長度：數(shù)據(jù)包的實(shí)際填充長度。

包標(biāo)志：表示這個包的類別。

PF=1：狀態(tài)包。狀態(tài)包的目標(biāo)為主控或者中繼模塊

PF=2：命令包。命令包均為主控發(fā)出，目標(biāo)是中繼節(jié)點(diǎn)或終端節(jié)點(diǎn)。

目標(biāo)地址：希望接收這個包的設(shè)備地址。

傳送地址：發(fā)出這個數(shù)據(jù)包的設(shè)備地址。

3.2　上位機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

上位機(jī)軟件采用WPF框架，使得整個界面更加美觀，用戶體驗(yàn)更加友好。軟件采用微軟Framework4.5框架，此框架可以移植到各種操作系統(tǒng)。鑒于大多數(shù)樓宇監(jiān)控采用專用計(jì)算機(jī)來采集數(shù)據(jù)，專用計(jì)算機(jī)成本大，而且需要專業(yè)人員維護(hù)，所以本文上位機(jī)采用通用計(jì)算機(jī)，且基于大家熟悉的Windows系統(tǒng)，維護(hù)成本低，可以大大節(jié)省用戶的資金。軟件操作直觀簡單，對于相關(guān)消防人員的培訓(xùn)成本也會大大減少。WPF采用數(shù)據(jù)驅(qū)動，當(dāng)數(shù)據(jù)發(fā)生變化時，程序采取相應(yīng)的策略進(jìn)行反饋。上位機(jī)程序開啟線程對com口進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控。當(dāng)有數(shù)據(jù)發(fā)送到com口的時候前臺進(jìn)行響應(yīng)。如果接收到的是節(jié)點(diǎn)異常包，則顯示警報(bào)，告訴監(jiān)控人員異常。

在上位機(jī)程序中，進(jìn)入維護(hù)系統(tǒng)>系統(tǒng)配置>節(jié)點(diǎn)配置/中級配置，配置相關(guān)節(jié)點(diǎn)及中繼，使系統(tǒng)適用于多種不同場所。配置完畢，手動輸入指令，對上位機(jī)進(jìn)行測試。

3.3　系統(tǒng)控制軟件設(shè)計(jì)

路徑算法為基于寬度優(yōu)先搜索最短路徑(BFS)算法，在遍歷前先生成起點(diǎn)集合，這種起點(diǎn)集合可以用最短的迭代遍歷所有的節(jié)點(diǎn)生成路徑，減少了迭代次數(shù)，極大地提高了運(yùn)算效率。在節(jié)點(diǎn)發(fā)生異常時，利用修正無向圖的鄰接矩陣，就可以大幅度提高效率。在生成路徑集合后，通過對路徑集合先進(jìn)行排序，最后找出不相交的集合。

經(jīng)過遍歷所有路徑的優(yōu)化和改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)了對于任何一種連通無向圖在給定起點(diǎn)和終點(diǎn)的情況下，尋找出對于每個節(jié)點(diǎn)來說到終點(diǎn)都是最佳路徑，實(shí)現(xiàn)快速安全疏散，其流程圖如圖8所示?？偪刂婆_的串口通信模塊根據(jù)上位機(jī)指令轉(zhuǎn)入執(zhí)行中斷響應(yīng)，進(jìn)而執(zhí)行接下來一系列判斷和操作，其流程圖如圖9所示。

圖8　BFS算法流程

圖9　串口通信模塊工作流程

4　系統(tǒng)測試方案

本文系統(tǒng)使用了燈流引導(dǎo)疏散救援，大大提高了疏散效率，同時能夠?yàn)橄谰仍峁┚仍敢?。尤其針對商場、酒店和KTV等陌生復(fù)雜的人員密集場所效果更佳。

為了顯示燈流效果，分別展示了無火警疏散和有火警疏散，樓層結(jié)構(gòu)展示圖如圖10所示。通過對終端節(jié)點(diǎn)進(jìn)行地址編碼，來實(shí)現(xiàn)位置標(biāo)記與智能路徑輸出響應(yīng)。圖中虛線三角框代表相鄰樓層的其他中繼模塊。

圖10　測試方案布局

通過對上位機(jī)及系統(tǒng)進(jìn)行配置和測試，測試結(jié)果表明，該智能疏散系統(tǒng)反應(yīng)靈敏，燈流指向明顯，且具有極好的穩(wěn)定性，達(dá)到了預(yù)期效果。此外，系統(tǒng)可移植性高，采用無線傳輸并預(yù)留接口，使整個系統(tǒng)可拓展性進(jìn)一步增強(qiáng)。

5　結(jié)束語

此火災(zāi)監(jiān)測疏散系統(tǒng)繼承了現(xiàn)有系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)，并針對現(xiàn)有系統(tǒng)的不足進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，采用3級架構(gòu)布局，數(shù)據(jù)采用無線傳輸，大大簡化了布線難度，同時提高了整個系統(tǒng)健壯性。此外，由于采用無線傳輸，運(yùn)行維護(hù)簡單、方便，所需成本也進(jìn)一步降低。通過后期外設(shè)擴(kuò)展的系統(tǒng)，能夠結(jié)合大數(shù)據(jù)、云計(jì)算等智能網(wǎng)絡(luò)平臺，實(shí)現(xiàn)消防、交通、醫(yī)療和環(huán)境等智能聯(lián)動，更好地融入智慧城市；此外還可以構(gòu)建通用型系統(tǒng)，除了對火災(zāi)進(jìn)行監(jiān)測，通過不同傳感器，可以監(jiān)測空氣、土壤和氣候狀況等，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的普遍適用[16]。

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