施趙媛,吳 偉,袁 奎,張 藝
(安慶師范大學(xué) 計(jì)算機(jī)與信息學(xué)院, 安徽 安慶 246133)
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樓宇火災(zāi)監(jiān)測(cè)與應(yīng)急疏散系統(tǒng)設(shè)計(jì)
施趙媛,吳偉,袁奎,張藝
(安慶師范大學(xué) 計(jì)算機(jī)與信息學(xué)院, 安徽 安慶 246133)
摘要:針對(duì)火災(zāi)事故,設(shè)計(jì)了樓宇火災(zāi)監(jiān)測(cè)與應(yīng)急疏散系統(tǒng),與現(xiàn)有的火災(zāi)監(jiān)測(cè)裝置相比較,本系統(tǒng)通過(guò)在各樓層合理分布煙霧、溫濕度及火焰?zhèn)鞲衅鞴?jié)點(diǎn),采集到的數(shù)據(jù)通過(guò)ZigBee無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)胶笈_(tái),火災(zāi)發(fā)生后通過(guò)數(shù)據(jù)分析得出疏散路徑,通過(guò)語(yǔ)音提示及時(shí)進(jìn)行人員智能疏散,從而可減少人員傷亡。
關(guān)鍵詞:煙霧、溫濕度、火焰、紅外等傳感器;無(wú)線(xiàn)組網(wǎng);應(yīng)急疏散
DOI:10.13757/j.cnki.cn34-1150/n.2016.02.016
火災(zāi)是威脅公眾安全和社會(huì)發(fā)展的主要災(zāi)害之一,給人們的生命財(cái)產(chǎn)安全帶來(lái)嚴(yán)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(chǎng)所發(fā)生的火災(zāi)不計(jì)其數(shù),而由于人員慌亂、擁擠而阻塞疏散通道導(dǎo)致人員傷亡則是災(zāi)難發(fā)生的重要因素。調(diào)查研究發(fā)現(xiàn),火災(zāi)中應(yīng)急疏散環(huán)節(jié)尤為重要[2]。應(yīng)急疏散環(huán)節(jié)包括火災(zāi)檢測(cè)與警報(bào)、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(zāi)檢測(cè)報(bào)警裝置,實(shí)時(shí)檢測(cè)火災(zāi)[3-4],而對(duì)于突發(fā)火災(zāi)后的應(yīng)急疏散系統(tǒng)的研究與應(yīng)用較少。
火災(zāi)檢測(cè)系統(tǒng)的組網(wǎng)分為有線(xiàn)與無(wú)線(xiàn)兩種,近年來(lái)隨著射頻技術(shù)的不斷發(fā)展,火災(zāi)的無(wú)線(xiàn)檢測(cè)系統(tǒng)開(kāi)始被研究與應(yīng)用,應(yīng)用到的無(wú)線(xiàn)通信組網(wǎng)技術(shù)[4-5]主要包括WI-FI、紅外線(xiàn) (IrDA)[5]、超寬帶 (UWB)、藍(lán)牙[6]及ZigBee[7],其中ZigBee射頻通信技術(shù)因低功耗、低成本、低時(shí)延、低復(fù)雜度、網(wǎng)絡(luò)容量大[8]等特性在研究及工業(yè)領(lǐng)域中應(yīng)用較廣。基于此,本文給出了一種在樓宇中采用2.4GHz頻段的ZigBee無(wú)線(xiàn)組網(wǎng)設(shè)備的無(wú)線(xiàn)火災(zāi)檢測(cè)與應(yīng)急疏散系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。
本系統(tǒng)基于ZigBee技術(shù),通過(guò)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?duì)樓宇是否發(fā)生火災(zāi)進(jìn)行實(shí)時(shí)感知,采集到的數(shù)據(jù)通過(guò)基于ZigBee的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)娇刂破?,通過(guò)設(shè)定系統(tǒng)閾值,一旦出現(xiàn)火災(zāi),自動(dòng)報(bào)警,并通過(guò)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)得出最佳疏散路徑,并通過(guò)語(yǔ)音模塊向火災(zāi)中的遺留人員進(jìn)行實(shí)時(shí)播報(bào),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(luò)層、平臺(tái)層和應(yīng)用層,煙霧、溫濕度、火焰、紅外傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)樓宇內(nèi)環(huán)境參數(shù),組成系統(tǒng)的感知層;ZigBee無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)及網(wǎng)關(guān)組成系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)層;SQL-Server服務(wù)器和ISS信息服務(wù)器構(gòu)成系統(tǒng)的平臺(tái)層;后臺(tái)應(yīng)用軟件、自動(dòng)警報(bào)模塊、應(yīng)急疏散語(yǔ)音提醒模塊構(gòu)成系統(tǒng)的應(yīng)用層。
2系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)
本系統(tǒng)的無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)采用低功耗的ZigBee協(xié)議,組建無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)。系統(tǒng)通過(guò)布在各個(gè)樓層的各類(lèi)傳感器模塊對(duì)樓宇進(jìn)行實(shí)時(shí)火災(zāi)檢測(cè),如圖1所示。
整個(gè)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中包括傳感器節(jié)點(diǎn)、路由器節(jié)點(diǎn)和協(xié)調(diào)器,傳感器節(jié)點(diǎn)通過(guò)路由器節(jié)點(diǎn)向協(xié)調(diào)器發(fā)送信息,協(xié)調(diào)器通過(guò)與控制器和網(wǎng)關(guān)連接到外網(wǎng),實(shí)現(xiàn)對(duì)樓宇環(huán)境的實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)。
圖1系統(tǒng)ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)分布圖
2.1系統(tǒng)組網(wǎng)
本系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)整體結(jié)構(gòu)中包括控制器、協(xié)調(diào)器、路由器節(jié)點(diǎn)和傳感器終端節(jié)點(diǎn),如圖2所示。
圖2系統(tǒng)組網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖
控制器是整個(gè)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)的終端,負(fù)責(zé)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中各個(gè)節(jié)點(diǎn)的聯(lián)動(dòng)、復(fù)位、啟動(dòng)報(bào)警及應(yīng)急疏散模塊等操作。通過(guò)路由器轉(zhuǎn)發(fā)來(lái)的傳感器實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù),控制器能夠了解到系統(tǒng)的實(shí)時(shí)情況。
協(xié)調(diào)器是系統(tǒng)中的匯聚節(jié)點(diǎn),每個(gè)監(jiān)測(cè)的網(wǎng)絡(luò)中都配備一個(gè)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn),負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)的組建,與樓宇中每一層的路由器節(jié)點(diǎn)相連并通信;還負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)管理監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)中的傳感器節(jié)點(diǎn),一旦發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)的傳感器節(jié)點(diǎn)感應(yīng)到火災(zāi)發(fā)生,立即向控制器節(jié)點(diǎn)通信,啟動(dòng)后臺(tái)報(bào)警與應(yīng)急疏散模塊。
路由器節(jié)點(diǎn)作為系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的中繼節(jié)點(diǎn),通過(guò)路由器節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)傳感器節(jié)點(diǎn)采集到的信息,最終傳輸給協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)。每個(gè)路由器節(jié)點(diǎn)根據(jù)路由協(xié)議,分析鄰近節(jié)點(diǎn)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(zhuǎn)發(fā)給下一跳路由器節(jié)點(diǎn)。
傳感器節(jié)點(diǎn)作為整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的終端節(jié)點(diǎn),主要負(fù)責(zé)煙霧、溫度和火焰的探測(cè),并實(shí)時(shí)向路由器節(jié)點(diǎn)發(fā)送狀態(tài),及時(shí)報(bào)告險(xiǎn)情。
2.2網(wǎng)絡(luò)布置的實(shí)施方案設(shè)計(jì)
一個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)能夠容納的最大節(jié)點(diǎn)數(shù)目是65 000[9],若設(shè)網(wǎng)絡(luò)中每個(gè)路由器節(jié)點(diǎn)最多能夠連接的傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)目為m,而每個(gè)路由器最多能連接的其他路由器節(jié)點(diǎn)數(shù)目為n,各路由器之間在轉(zhuǎn)發(fā)信息時(shí)最多能路由的跳數(shù)為w,則m、n及w需滿(mǎn)足以下關(guān)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(diǎn)越多,則采集的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性越高;n越大,網(wǎng)絡(luò)的健壯性越好;w越大,整個(gè)網(wǎng)絡(luò)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(jié)構(gòu)和規(guī)模,綜合考慮網(wǎng)絡(luò)的各項(xiàng)性能要求,選取合適的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)。
當(dāng)樓宇面積較小時(shí),一般只需1-2個(gè)路由器即可;若樓層較低,傳感器節(jié)點(diǎn)只需要2-3跳路由器即可連接到協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn),故只需建立1個(gè)小型的ZigBee網(wǎng)絡(luò),在每一層設(shè)置1個(gè)路由器節(jié)點(diǎn),該層的傳感器節(jié)點(diǎn)采集的信息通過(guò)該路由器節(jié)點(diǎn)傳輸、鄰樓層的路由器節(jié)點(diǎn)的中繼最終與協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)相連,協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)將傳感器節(jié)點(diǎn)的信息傳給控制器,從而實(shí)現(xiàn)整個(gè)樓宇的火災(zāi)監(jiān)測(cè)。當(dāng)樓宇面積較大,樓層較多時(shí),需要更多的傳感器節(jié)點(diǎn)對(duì)整個(gè)環(huán)境中的參數(shù)進(jìn)行采集,另外,每層需要更多的路由器實(shí)現(xiàn)整個(gè)樓層的覆蓋,中繼轉(zhuǎn)發(fā)跳數(shù)也會(huì)增加。
3系統(tǒng)工作過(guò)程
系統(tǒng)工作流程如圖3所示,火災(zāi)檢測(cè)模塊實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)火災(zāi)情況,數(shù)據(jù)通過(guò)ZigBee無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)傳輸給附近節(jié)點(diǎn),檢測(cè)結(jié)果,若未發(fā)生火災(zāi)則繼續(xù)監(jiān)測(cè),一旦傳感器檢測(cè)數(shù)據(jù)超標(biāo),判定為發(fā)生火災(zāi),立刻執(zhí)行以下操作:
1)通過(guò)GSM模塊向119發(fā)送火災(zāi)報(bào)警信息,信息中包括火災(zāi)地址信息,并啟動(dòng)樓宇中的自動(dòng)滅火裝置,降低火災(zāi)進(jìn)一步擴(kuò)散的概率;
2)在樓宇中啟動(dòng)火災(zāi)警報(bào),警示樓宇中未發(fā)現(xiàn)火災(zāi)的人員撤離;
3)啟動(dòng)火災(zāi)應(yīng)急模塊。
現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)中的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)模塊及應(yīng)急疏散模塊進(jìn)行詳細(xì)介紹。
3.1火災(zāi)檢測(cè)模塊
火災(zāi)檢測(cè)模塊為系統(tǒng)的主檢測(cè)模塊,分布在樓宇各個(gè)樓層的適當(dāng)位置(系統(tǒng)ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)分布如圖1所示)?;馂?zāi)檢測(cè)模塊通過(guò)火焰?zhèn)鞲衅?、煙霧傳感器及溫度傳感器進(jìn)行檢測(cè),火災(zāi)檢測(cè)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(shí)時(shí)采集的數(shù)據(jù),判斷是否發(fā)生了火災(zāi)。如果未發(fā)生火災(zāi),不執(zhí)行任何操作。
如果發(fā)生火災(zāi),發(fā)出警報(bào)(警報(bào)和觸發(fā)GSM模塊向119發(fā)送火災(zāi)報(bào)警信息),采取相應(yīng)的滅火措施,并將火源信息數(shù)據(jù)通過(guò)ZigBee無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給附近節(jié)點(diǎn)。
圖3系統(tǒng)工作流程圖
3.2應(yīng)急疏散引導(dǎo)模塊
當(dāng)檢測(cè)模塊檢測(cè)到火災(zāi)發(fā)生時(shí),應(yīng)急疏散模塊啟動(dòng),對(duì)緊急情況進(jìn)行疏散引導(dǎo),其具體工作包括檢測(cè)火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)是否有人員及確定安全疏散路徑。ZigBee無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)無(wú)線(xiàn)傳輸。應(yīng)急疏散引導(dǎo)模塊在火災(zāi)發(fā)生時(shí),通過(guò)與附近的火災(zāi)檢測(cè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信完成對(duì)周?chē)h(huán)境中的火災(zāi)參數(shù)溫度、煙霧、火焰及位置信息的檢測(cè)與分析,從而得出附近恰當(dāng)?shù)氖枭⒙肪€(xiàn)。通過(guò)在各樓層布置的熱釋紅外傳感器檢測(cè)節(jié)點(diǎn)附近是否有人員通過(guò),如果檢測(cè)到,記錄人員出現(xiàn)地點(diǎn),為消防人員提供需救援人員位置,并通過(guò)語(yǔ)音模塊給予疏散引導(dǎo),引導(dǎo)人員到安全區(qū)域,起到疏散引導(dǎo)作用,使火災(zāi)傷亡情況降到最低。
4系統(tǒng)軟、硬件設(shè)計(jì)
4.1系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
本系統(tǒng)使用支持CC2530及Z-stack協(xié)議棧的IAR作為開(kāi)發(fā)軟件。它自帶了C或C++集成開(kāi)發(fā)環(huán)境、中間件、開(kāi)發(fā)套件、硬件仿真器、實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)、中間件等。ZigBee選用TI公司開(kāi)發(fā)的Z-stack[3]協(xié)議棧,能很好地支持ZigBee協(xié)議和CC2530。除應(yīng)用層需要用戶(hù)根據(jù)自身需求進(jìn)行設(shè)計(jì)開(kāi)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(kāi)發(fā)復(fù)雜度,保證了不同設(shè)備之間較好的兼容性。
終端節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)對(duì)樓宇環(huán)境區(qū)域中的溫度、煙霧、火焰、紅外等信息進(jìn)行控制和傳感器數(shù)據(jù)采集,通過(guò)設(shè)計(jì)各傳感器的閾值,檢測(cè)樓宇中是否發(fā)生火災(zāi)。終端節(jié)點(diǎn)配置的部分代碼如圖4所示。
圖4 終端感應(yīng)節(jié)點(diǎn)代碼配置示意圖
路由器節(jié)點(diǎn)作為系統(tǒng)中的中繼,對(duì)數(shù)據(jù)包的傳輸進(jìn)行中繼傳輸給協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn),路由器中含鄰居節(jié)點(diǎn)的路由表及節(jié)點(diǎn)信息,從而發(fā)現(xiàn)最優(yōu)路徑將接收到的消息轉(zhuǎn)發(fā)給下一跳路由器節(jié)點(diǎn)或協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)。其中系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)發(fā)送的數(shù)據(jù)幀內(nèi)容包括頭、尾、網(wǎng)絡(luò)驗(yàn)證信息、設(shè)備地址、各傳感器狀態(tài)信息、煙霧濃度、溫度數(shù)據(jù)、校驗(yàn)位等,對(duì)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(gè)終端節(jié)點(diǎn)通過(guò)中繼路由節(jié)點(diǎn)連接到協(xié)調(diào)器。協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)組建整個(gè)網(wǎng)絡(luò),并將樓宇環(huán)境中的煙霧、有毒氣體濃度及警報(bào)信息傳送到控制器節(jié)點(diǎn),其具體配置代碼如圖6所示。
圖6協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)配置部分示意圖
4.2系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
4.2.1CC2530
目前,市場(chǎng)上ZigBee芯片提供商( 2.4GHz)主要有FREESCALE、JENNICTI/CHIPCON、EMBER(ST)等。整合ZigBee技術(shù)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?;诔杀尽⑴cZigbee協(xié)議棧的結(jié)合度、技術(shù)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(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn),另外它具備性能良好的RF無(wú)線(xiàn)收發(fā)器,配備增強(qiáng)型8051CPU。
4.2.2傳感器
為監(jiān)測(cè)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(diǎn),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(dǎo)率較低的二氧化錫(SnO2)。當(dāng)傳感器所處環(huán)境中存在煙霧或者可燃?xì)怏w時(shí),傳感器的電導(dǎo)率隨空氣中可燃?xì)怏w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(cè)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(jī)相連,通過(guò)單片機(jī)監(jiān)測(cè)輸出的高低電平,由此來(lái)監(jiān)測(cè)樓宇環(huán)境中的火焰光譜或者光源是否超過(guò)設(shè)定的閾值。一旦發(fā)現(xiàn)電平變化,即采取相應(yīng)的報(bào)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(xiàn)數(shù)據(jù)格式。設(shè)置波特率為9 600,通過(guò)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(jié)
以低功耗、低成本、高擴(kuò)展性、較強(qiáng)自組網(wǎng)功能為原則,設(shè)計(jì)了基于ZigBee無(wú)線(xiàn)傳輸協(xié)議和CC2350核心芯片的樓宇火災(zāi)監(jiān)測(cè)與應(yīng)急疏散系統(tǒng),在傳統(tǒng)火災(zāi)檢測(cè)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上,將有線(xiàn)的傳感網(wǎng)絡(luò)無(wú)線(xiàn)化,增加了系統(tǒng)的數(shù)據(jù)分析模塊,通過(guò)語(yǔ)音播報(bào)實(shí)現(xiàn)智能的應(yīng)急疏散。本系統(tǒng)可在樓宇現(xiàn)有的智能消防系統(tǒng)基礎(chǔ)上進(jìn)行升級(jí)。
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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(xiàng)目:安徽省教育廳項(xiàng)目(AQKJ2015B008)和安慶師范學(xué)院青年基金項(xiàng)目(KJ201406)。
作者簡(jiǎn)介:施趙媛,女,安徽安慶人,碩士,安慶師范大學(xué)計(jì)算機(jī)與信息學(xué)院教師,研究方向?yàn)闊o(wú)線(xiàn)通信與物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)技術(shù)。 E-mail: shizy123@126.com
中圖分類(lèi)號(hào):TP332.1
文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A
文章編號(hào):1007-4260(2016)02-0066-06
網(wǎng)絡(luò)出版時(shí)間:2016-06-08 12:57網(wǎng)絡(luò)出版地址:http://www.cnki.net/kcms/detail/34.1150.N.20160608.1257.016.html