謝偉鋒，斯 凱，范祥祥

（湖州師范學院 信息工程學院，浙江 湖州 313000）

0 引 言

火災會對人類社會造成巨大傷害，2021年全國共接報火災數(shù)量[1]為74.8 萬起，傷亡達到4 212 人。由于層數(shù)多、結構復雜等原因，大型高層建筑的火災逃生難度較高[2-4]。此外，由于人員數(shù)量、分布信息不詳細以及火源位置、空間氧含量和空氣溫度等火情信息不明了對火災救援造成極大阻礙[5-6]。因此，本文提出一套可以動態(tài)指示人員疏散并生成火情熱力圖輔助消防救援的系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)結構

本系統(tǒng)主要由多個傳感器節(jié)點、引導節(jié)點、數(shù)據(jù)匯總節(jié)點、攝像頭節(jié)點、路由器、網(wǎng)關和云服務器組成，如圖1所示。傳感器節(jié)點用于獲取環(huán)境信息，通過無線模塊向數(shù)據(jù)匯總節(jié)點匯總數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)匯總節(jié)點通過串口將信息傳給網(wǎng)關節(jié)點，再由網(wǎng)關節(jié)點將環(huán)境數(shù)據(jù)打包并上傳至云服務器。攝像頭節(jié)點自動獲取進出的人員數(shù)量，再通過WiFi 中繼路由器連接進局域網(wǎng)并通過網(wǎng)關節(jié)點將數(shù)據(jù)上傳至云服務器。若發(fā)生火災，云服務器通過分析計算各節(jié)點的火情以及各區(qū)域人員分布，將每個節(jié)點的最佳逃生方向傳回網(wǎng)關節(jié)點，網(wǎng)關節(jié)點解析數(shù)據(jù)并發(fā)送給數(shù)據(jù)匯總節(jié)點，并由數(shù)據(jù)匯總節(jié)點將方向信息分發(fā)給引導節(jié)點。引導節(jié)點根據(jù)信息指示出最佳逃生方向，幫助逃生者高效逃出火場。同時，云服務器端生成火情圖和人員分布地圖，輔助消防人員進行救援。

圖1 系統(tǒng)結構示意圖

2 硬件設計

2.1 傳感器節(jié)點

傳感器節(jié)點主要由STM32 最小系統(tǒng)、傳感器模塊、通信模塊和電源模塊組成，主要完成環(huán)境數(shù)據(jù)的獲取和發(fā)送。

傳感器節(jié)點的核心芯片選用STM32F103C8T6，主頻可以達到72 MHz。該芯片可實現(xiàn)傳感器數(shù)據(jù)的快速讀取和與通信模塊的高速通信且穩(wěn)定可靠[7]。由該芯片構成的最小系統(tǒng)電路組成如圖2所示。

圖2 STM32 最小系統(tǒng)電路原理圖

傳感器模塊包括火焰?zhèn)鞲衅?、煙霧傳感器、氧氣濃度傳感器和溫度傳感器，用于實現(xiàn)環(huán)境數(shù)據(jù)的采集，電路組成如圖3（a）所示?；鹧?zhèn)鞲衅鞑捎肒Y-026 型遠紅外火焰?zhèn)鞲衅髂K，可以探測波長在760～1 100 nm 范圍內(nèi)的火源，內(nèi)部設有比較器和電位器用于調(diào)節(jié)靈敏度，電源輸入為5 V，輸出為TTL 數(shù)字電平，探測到火焰為高，反之為低。煙霧傳感器采用MQ-2 型煙霧傳感器，可以探測環(huán)境中的可燃性氣體和煙霧，電源輸入為5 V，信號輸出為TTL 數(shù)字電平。溫度傳感器采用MAX6675 熱電偶傳感器，該模塊為3.3 V 供電，通信協(xié)議為SPI，數(shù)據(jù)刷新周期為250 ms，可以探測空氣溫度的上限為1 000 ℃。氧氣傳感器采用的是JXM-O2 模塊，該模塊可以測得空氣中的氧氣含量，量程為0～30%，精度為±3%，數(shù)據(jù)輸出模式設置為自動上報，通信協(xié)議為USART。

圖3 傳感器和通信模塊電路原理圖

通信模塊為2.4 GHz 無線通信模塊NRF24L01，用于上傳傳感器數(shù)據(jù)，電路圖如圖3（b）所示。該模塊發(fā)送的數(shù)據(jù)包容量為32 B，可以滿足環(huán)境信息的發(fā)送需求；該模塊可配置40 位收發(fā)地址，且成本低，可以滿足大量傳感器節(jié)點接入系統(tǒng)[8]。傳感器節(jié)點采用220 V 市電和備用電池兩種供電方式。正常工作時，節(jié)點采用AC 220 V～DC 5 V 電源配置器供電，220 V電源切斷后采用自身鋰電池供電。AC 220 V～DC 5 V 電源配置器輸出5 V 直流電壓，為火焰?zhèn)鞲衅骱蜔熿F傳感器供電，再經(jīng)過AMS1117-3.3 V 線性降壓至3.3 V 給單片機及通信模塊供電。同時，使用4056 充電芯片為1 節(jié)2 800 mAh-3.7 V 的18650 鋰電池充電。為避免鋰電池被過充過放，該鋰電池采用XB7608AJ 充電保護芯片。當因發(fā)生火災且切斷AC 220 V 供電時，模塊的DC 5 V 電源由基于TPS55340 的升壓的鋰電池電路提供，保證在切斷220 V 電源后模塊正常工作。電源模塊的電路如圖4所示。

圖4 電源模塊電路原理圖

2.2 攝像頭節(jié)點

攝像頭節(jié)點采用的是恒華析數(shù)的D4 雙目客流量統(tǒng)計攝像頭，可以實現(xiàn)進出客流的統(tǒng)計。在該系統(tǒng)中，在預先分好的區(qū)域交界點安放攝像頭可以檢測到通過界點的人數(shù)。該攝像頭通過自帶的WiFi 中繼器將數(shù)據(jù)傳至大樓的局域網(wǎng)中，并通過網(wǎng)關將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)至云服務器，服務器即可計算分析出大樓整體的人員分布情況。

2.3 引導節(jié)點

引導節(jié)點由STM32 最小系統(tǒng)、通信模塊、LED 模組和電源模塊組成，其主要功能是通過改變指示燈指示的方向，引導逃生者以最短的路徑逃生。該節(jié)點的STM32 最小系統(tǒng)、通信模塊和電源模塊電路與傳感器節(jié)點相同。此外，該節(jié)點增加了LED 燈板模組，燈珠使用的是WS2812，該燈珠可多個串聯(lián)，可通過編程控制燈的顏色和亮滅[9]，LED 燈模組電路如圖5所示，并構成如圖6所示的消防指示燈。單片機可以按照服務器傳回的信息控制不同區(qū)域的LED 模組發(fā)光，并在指示燈上顯示出不同的安全方向，以此引導逃生者快速逃生。

圖5 WS2812 LED 燈板模組電路原理圖

圖6 消防指示燈燈結構示意圖

2.4 數(shù)據(jù)匯總節(jié)點

數(shù)據(jù)匯總節(jié)點由STM32 最小系統(tǒng)、通信模塊和電源模塊組成，電路結構與傳感器節(jié)點基本相同，不同點在于該節(jié)點使用兩個通信模塊（一收一發(fā)）。數(shù)據(jù)匯總節(jié)點的主要功能是匯總傳感器節(jié)點的數(shù)據(jù)，并通過串口連接的ESP8266 網(wǎng)關模塊將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)至云服務器，在發(fā)生火災時將云服務器傳回的方向信息分發(fā)給引導節(jié)點。

3 軟件設計

3.1 傳感器節(jié)點及引導節(jié)點程序設計

傳感器節(jié)點主要功能是檢測環(huán)境數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)上傳至數(shù)據(jù)匯總節(jié)點。在上電后，模塊進入初始化階段，接著模塊通過SPI 協(xié)議獲取MAX6675 的溫度數(shù)據(jù)，通過串口獲取氧含量模塊的氧氣濃度數(shù)據(jù)，通過高低電平獲取環(huán)境中煙霧和火光信息。隨后，將各數(shù)據(jù)打包成一個數(shù)據(jù)包，發(fā)送給數(shù)據(jù)匯總節(jié)點。傳感器節(jié)點的每個通信模塊被配置了一個唯一的地址，該節(jié)點持續(xù)廣播最新的環(huán)境信息。該流程如圖7（a）所示。引導節(jié)點實現(xiàn)的功能是指示本節(jié)點的安全方向。每個引導節(jié)點配置有唯一的地址，當系統(tǒng)初始化后進入接收模式，節(jié)點持續(xù)監(jiān)聽是否有數(shù)據(jù)傳來，若接收到數(shù)據(jù)則更新指示燈指示的方向，流程如圖7（b）所示。

圖7 傳感器節(jié)點和引導節(jié)點流程

3.2 數(shù)據(jù)匯總節(jié)點程序設計

數(shù)據(jù)匯總節(jié)點實現(xiàn)三個功能，分別是輪詢各個傳感器節(jié)點獲取數(shù)據(jù)、與網(wǎng)關節(jié)點交換數(shù)據(jù)以及將安全方向指令輪發(fā)給引導節(jié)點。在初始化后，將用于接收的設備號歸零（設置為第一個接收地址），判斷是否輪詢過所有節(jié)點，若沒有則開始輪詢設備，若已經(jīng)輪詢過所有節(jié)點，則將所有數(shù)據(jù)和接收完畢標志號發(fā)送給網(wǎng)關節(jié)點。當節(jié)點在輪詢設備時，首先打開定時器，然后開始接收傳感器節(jié)點發(fā)送的數(shù)據(jù)，若在10 ms 內(nèi)沒有接收到數(shù)據(jù)則開始等待下一個傳感器節(jié)點發(fā)送的數(shù)據(jù)。當所有傳感器節(jié)點的數(shù)據(jù)接收完畢并轉(zhuǎn)發(fā)至網(wǎng)關后，開始等待接收網(wǎng)關節(jié)點傳回的安全方向數(shù)據(jù)。當接到安全數(shù)據(jù)后，節(jié)點無線模塊轉(zhuǎn)換成發(fā)送模式，將數(shù)據(jù)依次傳回引導節(jié)點，發(fā)送過程與接收時類似。最后清零設備號，循環(huán)以上過程，流程如圖8所示。

圖8 數(shù)據(jù)匯總節(jié)點流程

3.3 云服務器程序設計

服務器總體程序設計如圖9所示。在服務器啟動后，進行系統(tǒng)初始化，包括初始化MQTT 并驗證MQTT 終端，啟動網(wǎng)頁服務器等相關任務。然后服務器開始等待接收Topic中轉(zhuǎn)服務器接收到的數(shù)據(jù)，監(jiān)聽網(wǎng)關上傳的數(shù)據(jù)，當接收到接收完畢標志號時停止接收。然后開始解析接收到的傳感器信息，找出最短路徑并存入數(shù)據(jù)庫。接著分析接收到的數(shù)據(jù)并輸出判斷結果，再將各節(jié)點應該指示的安全方向傳回ESP8266 網(wǎng)關節(jié)點。最后同步更新網(wǎng)頁端實現(xiàn)數(shù)據(jù)可視化。一個周期結束后，再次回到Topic 接收數(shù)據(jù)環(huán)節(jié)。

圖9 云服務器軟件流程

各個節(jié)點到安全出口的最短路徑生成需要在系統(tǒng)運行之前將整個大樓的每個房間、走廊、樓梯等作為圖的節(jié)點，節(jié)點信息包括該點的三維坐標、類型以及相連的節(jié)點索引。再將各個節(jié)點加載到三維坐標中，計算出每個相通節(jié)點的路徑長度。若遭到火災，將無法通行的節(jié)點從圖中刪除，然后計算節(jié)點到所有的安全逃生出口的距離，選擇可以通行且最短的安全出口作為本節(jié)點的最佳逃生路徑，并將各條最短路徑轉(zhuǎn)換成各指示節(jié)點指示的方向。圖10為一個最短路徑的三維示意圖。

圖10 最短路徑示意圖

為了幫助消防隊員救援被困人員，服務器根據(jù)傳感器位置及回傳數(shù)據(jù)生成火情地圖并在Web 端顯示，如圖11所示?；鹎閳D將展示各個區(qū)域的溫度分布、氧氣含量分布、人員分布、是否起火以及是否有濃煙等信息。因為閃燃和爆燃的條件和溫度與氣體含量有關[10]，這樣的地圖可以幫助消防員提前預知前往環(huán)境的狀況，避免突發(fā)險情。

圖11 火場溫度熱力示意圖

4 結 語

本文設計一套在大型建筑火災中幫助人員疏散和救援的系統(tǒng)，該系統(tǒng)由傳感器節(jié)點、攝像頭節(jié)點、數(shù)據(jù)匯總節(jié)點、引導節(jié)點和服務器端及Web 終端組成。該系統(tǒng)可根據(jù)傳感器和攝像頭獲取建筑物內(nèi)部環(huán)境和人員信息，由服務器分析出火災發(fā)展態(tài)勢和人員分布情況，反饋回引導節(jié)點；同時在Web 端生成火情熱力圖，從而達到科學高效疏散人群并實現(xiàn)火情數(shù)據(jù)可視化幫助救援的目的。該系統(tǒng)在大型建筑消防系統(tǒng)研究方面有一定應用價值。