楼宇火灾监测与应急疏散系统设计

施赵媛，吴　伟，袁　奎，张　艺

(安庆师范大学 计算机与信息学院, 安徽 安庆 246133)



楼宇火灾监测与应急疏散系统设计

施赵媛，吴伟，袁奎，张艺

(安庆师范大学 计算机与信息学院, 安徽 安庆 246133)

摘要：针对火灾事故，设计了楼宇火灾监测与应急疏散系统，与现有的火灾监测装置相比较，本系统通过在各楼层合理分布烟雾、温湿度及火焰传感器节点，采集到的数据通过ZigBee无线传感网络传输到后台，火灾发生后通过数据分析得出疏散路径，通过语音提示及时进行人员智能疏散，从而可减少人员伤亡。

关键词：烟雾、温湿度、火焰、红外等传感器；无线组网；应急疏散

DOI：10.13757/j.cnki.cn34-1150/n.2016.02.016

火灾是威胁公众安全和社会发展的主要灾害之一，给人们的生命财产安全带来严重的威胁[1]。每年在高层楼宇、酒店、超市、影剧院、体育馆等人员密集场所发生的火灾不计其数，而由于人员慌乱、拥挤而阻塞疏散通道导致人员伤亡则是灾难发生的重要因素。调查研究发现，火灾中应急疏散环节尤为重要[2]。应急疏散环节包括火灾检测与警报、安全的疏散路径指引等。现在多数楼宇建筑内均配备有火灾检测报警装置，实时检测火灾[3-4]，而对于突发火灾后的应急疏散系统的研究与应用较少。

火灾检测系统的组网分为有线与无线两种，近年来随着射频技术的不断发展，火灾的无线检测系统开始被研究与应用，应用到的无线通信组网技术[4-5]主要包括WI-FI、红外线 (IrDA)[5]、超宽带 (UWB)、蓝牙[6]及ZigBee[7]，其中ZigBee射频通信技术因低功耗、低成本、低时延、低复杂度、网络容量大[8]等特性在研究及工业领域中应用较广。基于此，本文给出了一种在楼宇中采用2.4GHz频段的ZigBee无线组网设备的无线火灾检测与应急疏散系统的设计方案。

本系统基于ZigBee技术，通过在楼宇的不同区域合理布置一定数目的烟雾、温湿度、火焰传感器对楼宇是否发生火灾进行实时感知，采集到的数据通过基于ZigBee的无线网络传输到控制器，通过设定系统阈值，一旦出现火灾，自动报警，并通过实时数据得出最佳疏散路径，并通过语音模块向火灾中的遗留人员进行实时播报，从而减少人员伤亡。

1系统方案

系统参照物联网基本层次模型，包括感知层、网络层、平台层和应用层，烟雾、温湿度、火焰、红外传感器实时监测楼宇内环境参数，组成系统的感知层；ZigBee无线传感网络及网关组成系统网络层；SQL-Server服务器和ISS信息服务器构成系统的平台层；后台应用软件、自动警报模块、应急疏散语音提醒模块构成系统的应用层。

2系统网络结构

本系统的无线传感网络采用低功耗的ZigBee协议，组建无线传感网络。系统通过布在各个楼层的各类传感器模块对楼宇进行实时火灾检测，如图1所示。

整个无线网络中包括传感器节点、路由器节点和协调器，传感器节点通过路由器节点向协调器发送信息，协调器通过与控制器和网关连接到外网，实现对楼宇环境的实时网络监测。

图1系统ZigBee网络节点分布图

2.1系统组网

本系统的网络整体结构中包括控制器、协调器、路由器节点和传感器终端节点，如图2所示。

图2系统组网网络结构图

控制器是整个监控网络的终端，负责整个网络中各个节点的联动、复位、启动报警及应急疏散模块等操作。通过路由器转发来的传感器实时采集数据，控制器能够了解到系统的实时情况。

协调器是系统中的汇聚节点，每个监测的网络中都配备一个协调器节点，负责网络的组建，与楼宇中每一层的路由器节点相连并通信；还负责实时管理监测网络中的传感器节点，一旦发现系统的传感器节点感应到火灾发生，立即向控制器节点通信，启动后台报警与应急疏散模块。

路由器节点作为系统网络的中继节点，通过路由器节点转发传感器节点采集到的信息，最终传输给协调器节点。每个路由器节点根据路由协议，分析邻近节点信息表和路由表，发现较短的路径并将接收到的消息转发给下一跳路由器节点。

传感器节点作为整个网络的终端节点，主要负责烟雾、温度和火焰的探测，并实时向路由器节点发送状态，及时报告险情。

2.2网络布置的实施方案设计

一个ZigBee网络能够容纳的最大节点数目是65 000[9]，若设网络中每个路由器节点最多能够连接的传感器节点数目为m，而每个路由器最多能连接的其他路由器节点数目为n，各路由器之间在转发信息时最多能路由的跳数为w，则m、n及w需满足以下关系：

(1+n2+n3+…+nw-1)(n+m)<65 000

其中m越大，即系统中分布的传感器节点越多，则采集的数据准确性越高；n越大，网络的健壮性越好；w越大，整个网络所能覆盖的范围也就越大。然而m、n和w的取值是互相限制的，故需要根据楼宇的结构和规模，综合考虑网络的各项性能要求，选取合适的网络参数。

当楼宇面积较小时，一般只需1-2个路由器即可；若楼层较低，传感器节点只需要2-3跳路由器即可连接到协调器节点，故只需建立1个小型的ZigBee网络，在每一层设置1个路由器节点，该层的传感器节点采集的信息通过该路由器节点传输、邻楼层的路由器节点的中继最终与协调器节点相连，协调器节点将传感器节点的信息传给控制器，从而实现整个楼宇的火灾监测。当楼宇面积较大，楼层较多时，需要更多的传感器节点对整个环境中的参数进行采集，另外，每层需要更多的路由器实现整个楼层的覆盖，中继转发跳数也会增加。

3系统工作过程

系统工作流程如图3所示，火灾检测模块实时监测火灾情况，数据通过ZigBee无线传感网络传输给附近节点，检测结果，若未发生火灾则继续监测，一旦传感器检测数据超标，判定为发生火灾，立刻执行以下操作：

1)通过GSM模块向119发送火灾报警信息，信息中包括火灾地址信息，并启动楼宇中的自动灭火装置，降低火灾进一步扩散的概率；

2)在楼宇中启动火灾警报，警示楼宇中未发现火灾的人员撤离；

3)启动火灾应急模块。

现对系统中的实时监测模块及应急疏散模块进行详细介绍。

3.1火灾检测模块

火灾检测模块为系统的主检测模块，分布在楼宇各个楼层的适当位置(系统ZigBee网络节点分布如图1所示)。火灾检测模块通过火焰传感器、烟雾传感器及温度传感器进行检测，火灾检测模块采用的是CC2530片上系统。CC2530片上系统分析火焰和烟雾传感器实时采集的数据，判断是否发生了火灾。如果未发生火灾，不执行任何操作。

如果发生火灾，发出警报(警报和触发GSM模块向119发送火灾报警信息)，采取相应的灭火措施，并将火源信息数据通过ZigBee无线传感网络发送给附近节点。

图3系统工作流程图

3.2应急疏散引导模块

当检测模块检测到火灾发生时，应急疏散模块启动，对紧急情况进行疏散引导，其具体工作包括检测火灾现场是否有人员及确定安全疏散路径。ZigBee无线传感网络进行数据无线传输。应急疏散引导模块在火灾发生时，通过与附近的火灾检测节点进行通信完成对周围环境中的火灾参数温度、烟雾、火焰及位置信息的检测与分析，从而得出附近恰当的疏散路线。通过在各楼层布置的热释红外传感器检测节点附近是否有人员通过，如果检测到，记录人员出现地点，为消防人员提供需救援人员位置，并通过语音模块给予疏散引导，引导人员到安全区域，起到疏散引导作用，使火灾伤亡情况降到最低。

4系统软、硬件设计

4.1系统软件设计

本系统使用支持CC2530及Z-stack协议栈的IAR作为开发软件。它自带了C或C++集成开发环境、中间件、开发套件、硬件仿真器、实时操作系统、中间件等。ZigBee选用TI公司开发的Z-stack[3]协议栈，能很好地支持ZigBee协议和CC2530。除应用层需要用户根据自身需求进行设计开发外，其他底层几乎都被封装，从而大大降低了系统的开发复杂度，保证了不同设备之间较好的兼容性。

终端节点负责对楼宇环境区域中的温度、烟雾、火焰、红外等信息进行控制和传感器数据采集，通过设计各传感器的阈值，检测楼宇中是否发生火灾。终端节点配置的部分代码如图4所示。

图4　终端感应节点代码配置示意图

路由器节点作为系统中的中继，对数据包的传输进行中继传输给协调器节点，路由器中含邻居节点的路由表及节点信息，从而发现最优路径将接收到的消息转发给下一跳路由器节点或协调器节点。其中系统网络发送的数据帧内容包括头、尾、网络验证信息、设备地址、各传感器状态信息、烟雾浓度、温度数据、校验位等，对其配置的部分代码如图5所示。

图5数据帧格式定义示意图

各个终端节点通过中继路由节点连接到协调器。协调器负责组建整个网络，并将楼宇环境中的烟雾、有毒气体浓度及警报信息传送到控制器节点，其具体配置代码如图6所示。

图6协调器节点配置部分示意图

4.2系统硬件设计

4.2.1CC2530

目前，市场上ZigBee芯片提供商( 2.4GHz)主要有FREESCALE、JENNICTI/CHIPCON、EMBER(ST)等。整合ZigBee技术的形式主要有3种：1)ZigBeeRF+MCU,2)集成片上系统SOC,3)单芯片内置ZigBee协议栈+外挂芯片。基于成本、与Zigbee协议栈的结合度、技术成熟度等的考虑，本系统选用集成ZigBee和RF4CE的片上系统(SoC)的CC2530 ，它用于2.4GHz的IEEE802.15.4协议，能够以较低成本组成强大的网络节点，另外它具备性能良好的RF无线收发器，配备增强型8051CPU。

4.2.2传感器

为监测楼宇中的环境指数，在楼宇中需安装几种传感器节点，包括烟雾传感器、火焰传感器、温湿度传感器和热释红外传感器。烟雾传感器采用的是MQ2型，该体传感器所使用的气敏材料是电导率较低的二氧化锡(SnO2)。当传感器所处环境中存在烟雾或者可燃气体时，传感器的电导率随空气中可燃气体浓度的增加而增大。根据电路图7，传感器电阻的变化使得其电压值VRL改变，从而监测楼宇环境中的烟雾浓度。

图7　烟雾传感器电路图

火焰传感器的电路如图8所示，其中模块的数字输出DO直接与单片机相连，通过单片机监测输出的高低电平，由此来监测楼宇环境中的火焰光谱或者光源是否超过设定的阈值。一旦发现电平变化，即采取相应的报警与疏散措施。

图8火焰传感器电路图

温湿度传感器使用DHT11，温湿度传感器与MCU的连接如图9所示，DATA用于DHT11与微处理器MCU直接的通信与同步，使用单总线数据格式。设置波特率为9 600，通过串口发送温湿度数据。

图9　温湿度传感器电路图

5总结

以低功耗、低成本、高扩展性、较强自组网功能为原则，设计了基于ZigBee无线传输协议和CC2350核心芯片的楼宇火灾监测与应急疏散系统，在传统火灾检测系统的基础上，将有线的传感网络无线化，增加了系统的数据分析模块，通过语音播报实现智能的应急疏散。本系统可在楼宇现有的智能消防系统基础上进行升级。

参考文献:

[1] 李海江. 特别重大火灾人员伤亡统计与分析[J]. 中国减灾, 2013,5(3):34-35.

[2] 张云明. 公众聚集场所火灾疏散性能化分析方法研究[J]. 中国安全生产科学技术, 2011,7(10):45-47.

[3] 赵明. 基于ZigBee的无线楼宇火灾监测网络设计[D].武汉：华中科技大学, 2008.

[4] 秦海峰,王鸿麟. 无线通信网络技术分析及其发展趋势[J]. 系统信息工程, 2012(5):29-31.

[5] 王英洲,方旭明. 短距离无线通信主要技术与应用[J]. 数据通信, 2004(4):53-54.

[6]RobinHeydon. 蓝牙+UWB——高速无线通信的未来发展[J]. 电子设计应用, 2007(11):16-17.

[7] 王权平,王莉.ZigBee技术简析[J]. 通讯世界, 2003(4):41-46.

[8] 瞿雷,刘盛德,胡咸斌.ZigBee技术及应用[M]. 北京：北京航空航天大学出版社, 2007: 102-128.

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

基金项目：安徽省教育厅项目(AQKJ2015B008)和安庆师范学院青年基金项目(KJ201406)。

作者简介：施赵媛，女，安徽安庆人，硕士，安庆师范大学计算机与信息学院教师，研究方向为无线通信与物联网相关技术。 E-mail: shizy123@126.com

中图分类号：TP332.1

文献标识码：A

文章编号：1007-4260(2016)02-0066-06

网络出版时间：2016-06-08 12:57网络出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/34.1150.N.20160608.1257.016.html