高层建筑火灾逃生控制系统的设计与研究

刘承云

摘要：为解决高层建筑火灾被困人员的逃生问题，本文设计了一种高层建筑火灾逃生控制系统。该系统以单片机为控制核心，采用太阳能供电模块提供电能，结合无线通信模块来传送指令;通过拉力传感器检测人员进出情况，使用步进电机驱动载人装置运行，从而提高火灾逃生的安全性与高效性。

关键词：高层建筑火灾逃生;单片机;太阳能;无线通信;拉力传感器

随着社会经济的发展，高层建筑已逐渐成为城市居民住宅的主流。但是在高层住宅建筑中，除步行楼梯和指示灯外，其它的逃生辅助设备非常少见。高层建筑由于其结构特征与容纳人员较多，导致火灾逃生成为当今社会公共安全的重大问题。现有的火灾逃生技术包括缓降绳索设备、逃生滑道设备及升降机械类设备。通过分析发现存在以下不足：缓降绳索设备在使用时，缆绳容易出现翻转、碰撞和缠绕，或因逃生人员下降过程中身体晃动而与墙体碰撞，以及下降速度难以精确控制，易导致其受到二次伤害[1]。逃生滑道设备通常仅能满足单人使用，逃生效率较低;并且老人、孕妇及婴幼儿因身体状况的特殊性难以使用，存在一定的使用局限性。升降机械类设备通常由建筑内的公共区域电源供电，火灾时若发生电路故障便无法正常使用，稳定性和可靠性较差。

一、系统概述

本设计主要由单片机、太阳能供电模块、步进电动机、载人装置、无线通信模块组建而成。当发生火灾时，逃生人员在安全指示灯的引导下，到达每层楼的逃生口并启动控制开关。无线通信模块向总控单片机STC89C52发出工作指令，总控单片机通过电机驱动模块控制步进电动机运行，使载人装置以预定速度移动至指定楼层[2]。拉力传感器检测人员进出情况，通过无线通信模块发送运行和复位指令，完成装置工作的循环过程。太阳能供电模块为系统提供电能。

二、硬件设计

（一）载人装置的结构设计

该部分由吊笼、单片机、拉力传感器、无线发射模块以及钢缆组成。在建筑顶部安装步进电机和钢缆收放器，步进电机的机轴与钢缆收放器相关联，进而驱动钢缆收放器收放钢缆;导向轮安装在楼房顶部与升降通道的交界处;钢缆一端连接在钢缆收放器上，另一端绕过导向轮连接在载人装置的上端。拉力传感器安装在吊笼与钢缆之间，用于检测人员进出吊笼情况[3]。本系统选用由合金材料构成的拉力传感器，具有较高的抗扭强度和良好的抗偏载能力。为降低信号传输中的干扰，采用电流模拟信号作为载体，将由拉力传感器检测到的信号经过信号放大、滤波处理。再通过A/D转换器使得单片机对数据进行采样、量化。最后通过无线发送模块将相关指令传至楼顶处的无线接收模块。在建筑的外侧设有自顶向下的升降通道，每层设置逃生口。载人装置设在升降通道内，可沿升降通道做竖直方向上的往复移动[4]。吊笼外部固接有与滑槽相配合的导向滑块，导向滑块与滑槽相配合而安装在楼房的升降通道内，吊笼侧壁上设有朝向各楼层逃生口的入口，实现逃生人员的进出。

（二）步进电机的选择

本系统要求载人装置根据控制端的相应指令完成上升、下降与暂停工作。由于步进电机可以实现快速启动、停止和反转，并且具有控制性好、运行过程中不受负载变化的影响、只存在周期性误差而无累积误差等特点，故选择步进电机驱动载人装置的运行。

1、必要脉冲数和驱动脉冲数计算

参照建筑物高度的指标数据，本文选定高度为70m的建筑。装置载重量m为200Kg（含载人装置），设置额定下降速度v为1m/s。三相六拍步进电机的步进角为θ=360°/（50×6）=1.2°，运行频率f=3000HZ，计算步进电机转速n：

2、步进电动机力矩的计算

载人装置匀速运行过程中所需功率P：P=F×v=mg×v=2000W由电机额定功率计算公式，得到实际所需额定力矩M：

3、步进电动机的确定

计算结果表明，必要的电机力矩为31.8[N·m]。选择扭矩为50[N·m]，工作电压为80-350V的130BYG350-280三相高压步进电机。根据上述结果可得，该电机可提供的最大功率为Pmax：

（三）驱动电路的设计

由于步进电机的驱动电流较大，电流的通断导致电磁干扰，影响单片机的正常工作。因此，本系统通过ULN2003A达林顿芯片驱动步进电机，引脚与步进电机连线示意图。ULN2003A系列驱动器的左边1～8为输入端，接单片机P2口的输出端，驱动信号由P2口的P2.0至P2.3输出，右侧9～16为输出端引脚，接步进电机，引脚9接5V电源，该驱动器提供的电流最高为0.5A。

（四）无线通信模块设计

无线通信模块分为无线发送、无线接收模块，均选用APC200A-43模块，其抗干扰性和灵敏度较高，适合于强干扰的恶劣环境中使用，支持一点对多点的通信。无线发送模块由看门狗芯片MAX813、电压转换芯片、光电耦合器、APC200A-43无线模块、RS485芯片、报警指示灯及滤波电路等组成。工作过程中，通过按下控制器的启动与停止按钮来为单片机提供高低电平，单片机通过RS485芯片把启动或停止信号传给无线发送模块。无线接收模块主要由DC/DC电源转换模块，APC200A-43无线模块，RS485芯片，指示灯及控制电路和滤波电路等组成。工作过程中，无线接收模块收到无线发送模块传输的数据，通过RS485芯片传给总控单片机，经总控单片机处理后，控制步进电动机的运行。

三、软件设计

装置上电启动。总控单片机进行初始化，接收到开始指令信号后，载人装置下降至目标楼层。当拉力传感器检测到拉力增大并稳定数秒时，总控单片机通过电机驱动模块控制步进电机，使得载人装置按照预定速度下落;若此时无拉力增大，则装置复位至初始位置。当载人装置下降至距地面安全距离时开始制动，落地后装置平稳停止数秒。当拉力传感器检测到拉力减小并稳定数秒时，总控单片机通过复位电路模块驱动步进电机，使得载人装置上升至初始位置;若此时无拉力减小，则装置继续延时等待。

四、结语：

该系统具有结構简单、安全性高、适用范围广泛的优势。单片机作为步进电机的控制核心，精确控制下降、落地速度;安装于升降通道的载人装置，运行稳定性高;采用太阳能供电，确保电力中断时的安全运行。可应用于小区居民楼等高层建筑。

参考文献：

[1]陈震.基于FDS的高层建筑火灾疏散系统的设计与实现[D].北京工业大学，2015.

[2]张瑜，袁树杰.高层建筑火灾逃生椅的设计[J].安全，2018，39（1）：19-22.

[3]吴鸿雁，吴硕.支持高层建筑火灾逃生训练的虚拟环境模型研究[J].合肥师范学院学报，2015，33（3）：126-129.