王子健

（上海寶冶集團(tuán)有限公司，上海 200000）

由于大型展覽中心場館中擺設(shè)展品較多，人流量較大，因此加大了秩序管理難度。一旦場館中出現(xiàn)火災(zāi)安全問題，很難指揮場館人員有序疏散。所以，在創(chuàng)辦展覽活動的同時(shí)，必須考慮場館安全疏散問題，保障場館中人員的人身安全。應(yīng)急照明及疏散指示系統(tǒng)是一種在特殊環(huán)境有效管控應(yīng)急光源照明，且具有一定疏散指揮作用的綜合系統(tǒng)，目前該系統(tǒng)在地鐵、機(jī)場等場所安全管理中有所應(yīng)用，在大型展覽中心應(yīng)用較少。該文將根據(jù)大型展覽中心場館的安全管控要求，選取STM32系列單片機(jī)作為核心處理器，提出應(yīng)急照明及疏散指示系統(tǒng)方案研究。

1 大型展覽中心應(yīng)急疏散最優(yōu)路徑

1.1 最優(yōu)路徑問題

大型展覽中心應(yīng)急疏散的最優(yōu)路徑，除了考慮逃離安全出口的距離以外，還需要綜合考慮場館內(nèi)的其他因素，例如場館內(nèi)的能見度、煙霧濃度、擁堵情況以及火勢蔓延狀況等。這些因素均會對現(xiàn)場有序疏散造成較大影響。為了縮短現(xiàn)場人員疏散時(shí)間，需要根據(jù)人員當(dāng)前所處位置的動態(tài)變化情況，實(shí)時(shí)調(diào)整最佳疏散路徑，為不同區(qū)域內(nèi)的參展人員提供更可靠的疏散路徑指揮方案。

1.2 動態(tài)路徑算法設(shè)計(jì)

Dijkstra算法是一種計(jì)算最短路徑的經(jīng)典算法，該算法建立在圖論學(xué)基礎(chǔ)上，將最短路徑求解問題采取抽象處理，構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)模型。其中，模型的邊為實(shí)際路線，分析路線的影響參數(shù)，將其作為模型權(quán)值，用于計(jì)算動態(tài)路徑。通過對比分析，找到最優(yōu)路徑。目前，該算法的應(yīng)用方案較為成熟，在地鐵、機(jī)場等環(huán)境應(yīng)急疏散最優(yōu)路徑計(jì)算中有所應(yīng)用。對該文研究的大型展覽中心應(yīng)急疏散，同樣可以采用已經(jīng)成熟的動態(tài)路徑算法，參考文獻(xiàn)[9]，設(shè)計(jì)如圖1所示的動態(tài)路徑算法流程。

圖1 動態(tài)路徑算法流程

該算法應(yīng)用期間，首先將每個現(xiàn)場疏散人員設(shè)定為1個節(jié)點(diǎn)，獲取各個節(jié)點(diǎn)所處位置、環(huán)境信息。然后采取動態(tài)權(quán)值計(jì)算，執(zhí)行Dijkstra算法，為各人員計(jì)算最優(yōu)疏散路徑，按照此路徑快速撤離現(xiàn)場。為了應(yīng)對現(xiàn)場突發(fā)事故及現(xiàn)場環(huán)境變化，導(dǎo)致該疏散路徑不滿足最優(yōu)要求。因此，該算法設(shè)置了動態(tài)分析時(shí)間間隔30 s。每間隔30 s，判斷人員是否疏散，如果未能到達(dá)疏散安全出口（終點(diǎn)），則重新獲取節(jié)點(diǎn)所處位置、環(huán)境信息，按照上述流程重新規(guī)劃最優(yōu)路徑。如果已經(jīng)逃離現(xiàn)場，則結(jié)束算法。

2 大型展覽中心應(yīng)急照明及疏散指示系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)選取STM32系列單片機(jī)作為控制器，控制傳感器采集大型展覽中心各個場館環(huán)境信息，作為應(yīng)急照明燈控制、現(xiàn)場疏散指揮參考依據(jù)。該系統(tǒng)主要采用節(jié)點(diǎn)控制的方式，較為全面的獲取場館現(xiàn)場環(huán)境及人群疏散情況信息，通過主節(jié)點(diǎn)將系統(tǒng)控制命令下發(fā)至從節(jié)點(diǎn)，以此控制傳感器、報(bào)警電路、外圍電路作業(yè)狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)預(yù)期操控功能。圖2為系統(tǒng)總體架構(gòu)。

圖2 系統(tǒng)總體框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

該設(shè)計(jì)方案將系統(tǒng)拆分為2個部分，分別是主節(jié)點(diǎn)控制模塊、從節(jié)點(diǎn)控制模塊，2個模塊之間通過CAN接口建立連接。其中，主節(jié)點(diǎn)控制模塊由主控器MCU（STM32單片機(jī)）、報(bào)警電路、電源、時(shí)鐘電路、CD存儲、LCD顯示、串口電路、按鍵以及CAN接口組成，負(fù)責(zé)從控制器的操控，根據(jù)從控制器發(fā)送來的節(jié)點(diǎn)信息，計(jì)算最優(yōu)疏散路徑，下達(dá)疏散指示燈作業(yè)命令。

從節(jié)點(diǎn)控制模塊由從控器MCU（STM32單片機(jī)）、報(bào)警電路、電源、CAN接口、外圍電路、JTAG接口、疏散指示燈以及傳感器組成，負(fù)責(zé)采集場館內(nèi)環(huán)境信息和人群疏散節(jié)點(diǎn)信息，根據(jù)接收到的操控命令，控制場館內(nèi)的疏散指示燈的亮/滅。其中，逃離出口線路人群較為密集處的指示燈保持休眠狀態(tài)，最優(yōu)逃離路徑的指示燈將被點(diǎn)亮。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

3.1 主從節(jié)點(diǎn)硬件實(shí)物連接

按照系統(tǒng)總體架構(gòu)設(shè)計(jì)方案，利用CAN總線，連接主節(jié)點(diǎn)硬件與從節(jié)點(diǎn)硬件，實(shí)物連接如圖3所示。

圖3 主從節(jié)點(diǎn)硬件實(shí)物連接

該連接圖中，按照系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)方案，將各個功能器件焊接在電路板上，同時(shí)將各個功能模塊組裝到一起，形成應(yīng)急照明及疏散指示系統(tǒng)。該系統(tǒng)支持逃離應(yīng)急照明需求，根據(jù)指示燈的照明，指引逃離方向，從而快速逃離場館。

3.2 主節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)主節(jié)點(diǎn)模塊的核心控制器為STM32F103RCT6，根據(jù)系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)方案，為該模塊配備作業(yè)電路，包括控制器電路、CAN通信電路、液晶顯示電路、存儲電路、JTAG接口電路以及電源電路。其中，控制器電路的設(shè)計(jì)，分為復(fù)位電路、時(shí)鐘電路2個部分，前者利用NRST引腳控制系統(tǒng)復(fù)位狀態(tài)，后者利用2個不同頻率的外部晶振控制信號頻率。CAN通信電路的設(shè)計(jì)，由于STM32芯片集成了該電路，因此只需為其配備外圍接口電路即可，關(guān)于該電路的設(shè)計(jì)，選取TJA1050作為接口連接工具，利用收發(fā)器轉(zhuǎn)化信息，然后將信息發(fā)送至CAN通信端口。液晶顯示電路選取TFT-LCD液晶顯示屏作為電路硬件，采用80并口方式與主節(jié)點(diǎn)控制器連接。存儲電路的開發(fā)，選取SD卡作為系統(tǒng)存儲器，按照SDIO協(xié)議，存儲節(jié)點(diǎn)采集信息。

JTAG接口電路的開發(fā)，由于STM32芯片內(nèi)部集成了關(guān)于該電路的調(diào)試接口，并配備了外接電阻，因此，直接將JTAG芯片與STM32芯片接口連接即可。電源電路的開發(fā)，采用USB供電模式，選擇3.3 V/5 V兩種供電電壓，分別為不同功能模塊提供作業(yè)電壓。其中，電壓轉(zhuǎn)換處理，利用AS1117芯片操控。

3.3 從節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的從節(jié)點(diǎn)硬件開發(fā)以疏散指示燈控制電路、通信接口電路以及傳感器控制電路為主，該文對這3種電路的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行介紹。

該系統(tǒng)選取DS18B20傳感器、MQ-2傳感器、MQ-7傳感器作為溫度、煙霧、CO信息采集工具，在從節(jié)點(diǎn)控制器的驅(qū)動下開始作業(yè)。這些傳感器的作業(yè)原理相似，都是利用內(nèi)部組成結(jié)構(gòu)中的敏感元件識別信息，根據(jù)元件的電導(dǎo)率變化情況，生成電壓數(shù)據(jù)，經(jīng)過轉(zhuǎn)化處理，得到模擬信號。

從節(jié)點(diǎn)硬件的通信接口分為2個部分，分別是CAN總線、JTAG接口。其中，CAN總線硬件電路的設(shè)計(jì)與主節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)方案相同，JTAG芯片與STM32控制器接口連接，按照J(rèn)TAG通信協(xié)議，控制從節(jié)點(diǎn)硬件模塊中各個傳感器數(shù)據(jù)的輸入與輸出。

該系統(tǒng)選擇蜂鳴器作為報(bào)警器，當(dāng)系統(tǒng)檢測煙霧、溫度、CO超標(biāo)時(shí)，開啟蜂鳴器作業(yè)模式，起到警告作用。與此同時(shí)，系統(tǒng)根據(jù)節(jié)點(diǎn)信息，計(jì)算最佳逃離路徑，將由指示燈作為路徑及方向指引。其中，指示燈的硬件電路開發(fā)，將燈的接口直接與控制器的I/O口連接，運(yùn)用電平加以控制，設(shè)置高電平為“亮”，低電平為“滅”。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

4.1 系統(tǒng)主節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

根據(jù)系統(tǒng)作業(yè)原理，設(shè)計(jì)系統(tǒng)主節(jié)點(diǎn)軟件作業(yè)流程。主節(jié)點(diǎn)經(jīng)過初始化處理后，將根據(jù)信息需求下達(dá)場館信息采集命令，然后分析采集到的數(shù)據(jù)信息，以火災(zāi)特征作為判斷標(biāo)準(zhǔn)，對當(dāng)前環(huán)境是否發(fā)生火災(zāi)進(jìn)行判斷，并下達(dá)相應(yīng)作業(yè)命令。圖4為系統(tǒng)主節(jié)點(diǎn)軟件流程。

圖4 系統(tǒng)主節(jié)點(diǎn)軟件流程設(shè)計(jì)

該流程中，核心處理器向從節(jié)點(diǎn)處理器發(fā)送作業(yè)命令，從節(jié)點(diǎn)處理器開始驅(qū)動信息采集裝置，然后將采集到的信息返回至主節(jié)點(diǎn)處理器，當(dāng)其接收到應(yīng)答后，通過CAN接收從節(jié)點(diǎn)報(bào)文。綜合分析報(bào)文數(shù)據(jù)信息，判斷當(dāng)前場館內(nèi)是否發(fā)生火災(zāi)，如果發(fā)生火災(zāi)，則報(bào)警，計(jì)算最短逃離路徑。按照生成的路徑，控制指示燈的亮/滅作業(yè)狀態(tài)。其中，涉及的信息將被存儲至SD卡中。

4.2 系統(tǒng)從節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

從節(jié)點(diǎn)軟件開發(fā)，以配合主節(jié)點(diǎn)作業(yè)的現(xiàn)場設(shè)備控制為主，除了信息采集以外，還包括疏散指示燈的亮/滅控制。圖5為系統(tǒng)從節(jié)點(diǎn)軟件流程設(shè)計(jì)方案。

圖5 系統(tǒng)從節(jié)點(diǎn)軟件流程設(shè)計(jì)

該設(shè)計(jì)方案中，從節(jié)點(diǎn)初始化結(jié)束后，利用CO、溫度、煙霧傳感器分別采集場館環(huán)境信息，對獲取的信號采取A/D轉(zhuǎn)換處理、信號處理，發(fā)送至主節(jié)點(diǎn)控制器。判斷當(dāng)前采集到的數(shù)據(jù)是否達(dá)到閾值，如果達(dá)到閾值，就判斷當(dāng)前場館內(nèi)發(fā)生火災(zāi)，反之，未發(fā)生火災(zāi)。此部分信息將以報(bào)文的方式，通過CAN總線發(fā)送至控制中心，由控制器下達(dá)疏散等作業(yè)控制命令。其中，火災(zāi)情況下緊急疏散燈將被點(diǎn)亮，按照Dijkstra算法生成逃離路徑，控制疏散燈點(diǎn)亮線路。

5 系統(tǒng)測試分析

5.1 系統(tǒng)內(nèi)容與方法

場館環(huán)境信息采集精度測試：以場館溫度、CO濃度、煙霧濃度作為測試指標(biāo)，運(yùn)用系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)，與實(shí)際數(shù)據(jù)進(jìn)行對比。要求精度不低于95%。

緊急疏散指示燈、報(bào)警、最佳逃離路徑測試：模擬不同場館環(huán)境，測試環(huán)境指標(biāo)，同時(shí)記錄緊急疏散指示燈、報(bào)警器作業(yè)狀態(tài)，判斷火災(zāi)情況下生成的逃離路徑是否為最佳。

5.2 測試結(jié)果分析

按照系統(tǒng)測試內(nèi)容與方法，分別進(jìn)行2組試驗(yàn)，測試中布設(shè)4個測試節(jié)點(diǎn)，測試結(jié)果見表1和表2。

表1中，各項(xiàng)指標(biāo)測試精度均在97.70%以上，符合系統(tǒng)開發(fā)要求。

表1 場館環(huán)境信息采集精度測試

表2中，系統(tǒng)能夠根據(jù)采集到的場館環(huán)境信息，準(zhǔn)確判斷火災(zāi)是否生成，有效控制報(bào)警器、應(yīng)急疏散指示燈，生成最佳逃離路徑。

表2 應(yīng)急疏散指示燈、報(bào)警、最佳逃離路徑測試

6 結(jié)語

該文圍繞大型展覽中心火災(zāi)應(yīng)急照明及疏散指示控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法進(jìn)行探究，根據(jù)展覽場館火災(zāi)檢測需求，選取溫度、CO濃度、煙霧濃度作為檢測指標(biāo)，合理選取檢測傳感器，搭建系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)。依據(jù)系統(tǒng)作業(yè)原理，開發(fā)系統(tǒng)軟件作業(yè)流程。系統(tǒng)測試結(jié)果顯示，該系統(tǒng)在場館中的信息檢測精度在97.70%以上，并且可以針對不同環(huán)境，有效控制報(bào)警器、應(yīng)急疏散指示燈。