基于VR的沉浸式消防演练系统的设计

2021-03-07周文龙

电子技术与软件工程 2021年19期

周文龙

（辽宁红沿河核电有限公司辽宁省大连市 116319）

火灾在人类经济生产建设中尤为常见，对社会发展具有严重的威胁。火灾的发生速度比较快，并且破坏力比较强，在发生之前不容易防范，发生的时候难以扑灭。虽然现场消防演练属于有效处置练习方法，但是投入成本比较高，时间安排困难，存在一定的安全风险[1]。

1 沉浸式消防演系统的整体设计

本文所设计沉浸式消防演练系统和网络传输、传感器跟踪监测、虚拟现实技术结合，设计支持体验者体验逃生、灭火、救援的演练系统。另外，此系统还能够训练体验者使用灭火器灭火、不同着火方式的应急处理方法、掌握常见火灾隐患等，图1为系统的功能模块。

图1：系统的功能模块

2 沉浸式消防演系统的模块设计

2.1 火灾自动报警模块

为了充分展现技术的先进性，本文系统在设计过程中使用秦皇岛尼特公司FT800全数字分布智能性的火灾报警控制器。系统中主要包括声光报警器、手动火灾报警按钮、烟温复合探测器、智能感温探测器等。火灾报警子系统利用RS232总线和消防控制室中的图形显示装置相互连接，基于模拟火灾条件利用图形显示装置屏幕将火警触发类型与位置进行展现，图2为火灾自动报警模块的结构。

图2：火灾自动报警模块的结构

2.2 模拟灭火模块

对现实物品进行改造，使其和三维虚拟空间中的虚拟物品的尺寸和位置可以精确对应，用户可以使用现实物品执行训练操作，并在虚拟空间中看到虚拟的反馈效果。例如操作改装后的实物灭火器，可以在虚拟空间中看到灭火效果[2]。

典型湿式自动喷水灭火系统联动控制设备主要包括信号接口模块、水流指示器与压力开关信号处理器件、泵房控制箱等，利用按钮操作与观察指示灯状态对自动喷淋联动控制过程进行演示。

一般来说，防排烟控制包括模块控制与中心控制两种方式，本文系统使用模块控制方式。控制过程为：火灾报警控制器在接收到信号之后，就会发送排烟阀门与风机的动作信号，通过总线与控制模块使各设备动作驱动，并且对返回信号进行接收，对运行状态进行监测，图3为防烟排烟模块的结构。

图3：防烟排烟模块的结构

总线制消防应急广播系统通过消防控制中心广播设备与总线制火灾报警控制器、音箱、现场广播切换模块构成，利用控制消防应急广播模块FT8218实现消防正常广播与应急广播的切换[3]。

2.3 烟雾制造模块

通过烟机制烟雾对火场情形进行模拟，和烟雾探测传感器共同自动控制，避免现场延误过浓，保证现场烟雾率在可忍受的范围中。烟雾探测器将TIMSP430F2012单片机作为核心，设计探测器电源电路。放大电路与烟雾检测电路创建烟雾探测器硬件系统。在设计探测器硬件的时候，要降低系统功耗，烟雾检测放大电路并不是连续不断供给电路，本模块使用单片机I/O口对烟雾检测放大电路开关进行控制。在A/D采样的时候，利用I/O口开启放大电路电源，在A/D转换结束之后，利用I/O口将放大电路电源关闭，使探测器功耗值得到降低。另外，探测器中主MCU与射频芯片CC1100使用SPI方式通讯，在此方式下，CC1100在需要的时候开始无线通讯时开启，其他事件都休眠，使探测器功耗得到降低，本文使用MSP430F2012，表1为主MCU的需求参数。

表1：主MCU的需求参数

烟雾控制模块使用9V供电电池设计电源电路，大容量参数为100uF/35V，实现储能。电源芯片为HT7133，属于低功耗电源芯片，在无负载情况下的静态电流只有几微安，HT7133输出电压为3.3V，输入电压最大范围为-0.3～28V。

烟雾探测器烟雾放大电路和检测电路尤为重要，检测烟雾使用接收对管和红外发射管，在探测器暗室内安装红外接收管和发射管，两管构成钝角相互对称。在检测暗室内烟雾的时候，红外管发射光线在颗粒表面产生漫反射和折射信号强度、暗室中烟雾为正比关系。为了实现延误探测器低功耗性能，单片机口线进对运算放大器电源关闭和开启进行控制，只有在放大信号的时候才能够开启运算放大器电源。这个时候，假如要实现A/D采样，要提前300us开启运放电源，在A/D转换后关闭运放电源，图5为运放电源控制电路。使用单片机P2.7口控制运算放大器电源，假如P2.7为1，开启运算放大器电源；假如P2.7为0，关闭运算放大器[4]。

2.4 RFID路径识别模块

使用VR技术进行模拟，在多人协同进行设备操作训练时，每个用户都需要看到其他用户对应的人物角色模型的动作，而当没有全身动捕设备时，用户只能使用一个VR头盔和两个VR手柄来实现虚拟操作，相当于只可以捕获到头部和两只手的位置和旋转姿态。当某个用户因网络或系统问题断开网络连接后，可以再次连接到之前的多人协同培训服务，并自动同步因断开连接所缺失的数据。该技术可解决因为网络问题导致用户断网后无法再次加入培训的问题，避免了因部分用户断网而所有人都要重新开始培训所造成的时间浪费。

另外，在路径识别模块中的上位机和读写器通信使用ISO/IEC18000-6协议，对空间接口进行定义，此空间接口为超高频射频识别设备工作频段为860MHz-960MHz之间所准备的。上位机将数据发送到下位机，将数据封装成帧，表2为上位机和读写器通信关键命令。以不同用户的操作，上位机使相应命令和参数以协议封装成帧，之后利用串口到读写器中发送，以此实现写卡、读卡、配置寄存器等操作。