大型展览中心应急照明及疏散指示系统方案研究

王子健

（上海宝冶集团有限公司，上海 200000）

由于大型展览中心场馆中摆设展品较多，人流量较大，因此加大了秩序管理难度。一旦场馆中出现火灾安全问题，很难指挥场馆人员有序疏散。所以，在创办展览活动的同时，必须考虑场馆安全疏散问题，保障场馆中人员的人身安全。应急照明及疏散指示系统是一种在特殊环境有效管控应急光源照明，且具有一定疏散指挥作用的综合系统，目前该系统在地铁、机场等场所安全管理中有所应用，在大型展览中心应用较少。该文将根据大型展览中心场馆的安全管控要求，选取STM32系列单片机作为核心处理器，提出应急照明及疏散指示系统方案研究。

1 大型展览中心应急疏散最优路径

1.1 最优路径问题

大型展览中心应急疏散的最优路径，除了考虑逃离安全出口的距离以外，还需要综合考虑场馆内的其他因素，例如场馆内的能见度、烟雾浓度、拥堵情况以及火势蔓延状况等。这些因素均会对现场有序疏散造成较大影响。为了缩短现场人员疏散时间，需要根据人员当前所处位置的动态变化情况，实时调整最佳疏散路径，为不同区域内的参展人员提供更可靠的疏散路径指挥方案。

1.2 动态路径算法设计

Dijkstra算法是一种计算最短路径的经典算法，该算法建立在图论学基础上，将最短路径求解问题采取抽象处理，构建网络模型。其中，模型的边为实际路线，分析路线的影响参数，将其作为模型权值，用于计算动态路径。通过对比分析，找到最优路径。目前，该算法的应用方案较为成熟，在地铁、机场等环境应急疏散最优路径计算中有所应用。对该文研究的大型展览中心应急疏散，同样可以采用已经成熟的动态路径算法，参考文献[9]，设计如图1所示的动态路径算法流程。

图1 动态路径算法流程

该算法应用期间，首先将每个现场疏散人员设定为1个节点，获取各个节点所处位置、环境信息。然后采取动态权值计算，执行Dijkstra算法，为各人员计算最优疏散路径，按照此路径快速撤离现场。为了应对现场突发事故及现场环境变化，导致该疏散路径不满足最优要求。因此，该算法设置了动态分析时间间隔30 s。每间隔30 s，判断人员是否疏散，如果未能到达疏散安全出口（终点），则重新获取节点所处位置、环境信息，按照上述流程重新规划最优路径。如果已经逃离现场，则结束算法。

2 大型展览中心应急照明及疏散指示系统总体设计

该系统选取STM32系列单片机作为控制器，控制传感器采集大型展览中心各个场馆环境信息，作为应急照明灯控制、现场疏散指挥参考依据。该系统主要采用节点控制的方式，较为全面的获取场馆现场环境及人群疏散情况信息，通过主节点将系统控制命令下发至从节点，以此控制传感器、报警电路、外围电路作业状态，从而实现预期操控功能。图2为系统总体架构。

图2 系统总体框架结构设计

该设计方案将系统拆分为2个部分，分别是主节点控制模块、从节点控制模块，2个模块之间通过CAN接口建立连接。其中，主节点控制模块由主控器MCU（STM32单片机）、报警电路、电源、时钟电路、CD存储、LCD显示、串口电路、按键以及CAN接口组成，负责从控制器的操控，根据从控制器发送来的节点信息，计算最优疏散路径，下达疏散指示灯作业命令。

从节点控制模块由从控器MCU（STM32单片机）、报警电路、电源、CAN接口、外围电路、JTAG接口、疏散指示灯以及传感器组成，负责采集场馆内环境信息和人群疏散节点信息，根据接收到的操控命令，控制场馆内的疏散指示灯的亮/灭。其中，逃离出口线路人群较为密集处的指示灯保持休眠状态，最优逃离路径的指示灯将被点亮。

3 系统硬件设计

3.1 主从节点硬件实物连接

按照系统总体架构设计方案，利用CAN总线，连接主节点硬件与从节点硬件，实物连接如图3所示。

图3 主从节点硬件实物连接

该连接图中，按照系统架构设计方案，将各个功能器件焊接在电路板上，同时将各个功能模块组装到一起，形成应急照明及疏散指示系统。该系统支持逃离应急照明需求，根据指示灯的照明，指引逃离方向，从而快速逃离场馆。

3.2 主节点硬件设计

系统主节点模块的核心控制器为STM32F103RCT6，根据系统架构设计方案，为该模块配备作业电路，包括控制器电路、CAN通信电路、液晶显示电路、存储电路、JTAG接口电路以及电源电路。其中，控制器电路的设计，分为复位电路、时钟电路2个部分，前者利用NRST引脚控制系统复位状态，后者利用2个不同频率的外部晶振控制信号频率。CAN通信电路的设计，由于STM32芯片集成了该电路，因此只需为其配备外围接口电路即可，关于该电路的设计，选取TJA1050作为接口连接工具，利用收发器转化信息，然后将信息发送至CAN通信端口。液晶显示电路选取TFT-LCD液晶显示屏作为电路硬件，采用80并口方式与主节点控制器连接。存储电路的开发，选取SD卡作为系统存储器，按照SDIO协议，存储节点采集信息。

JTAG接口电路的开发，由于STM32芯片内部集成了关于该电路的调试接口，并配备了外接电阻，因此，直接将JTAG芯片与STM32芯片接口连接即可。电源电路的开发，采用USB供电模式，选择3.3 V/5 V两种供电电压，分别为不同功能模块提供作业电压。其中，电压转换处理，利用AS1117芯片操控。

3.3 从节点硬件设计

系统的从节点硬件开发以疏散指示灯控制电路、通信接口电路以及传感器控制电路为主，该文对这3种电路的设计方案进行介绍。

该系统选取DS18B20传感器、MQ-2传感器、MQ-7传感器作为温度、烟雾、CO信息采集工具，在从节点控制器的驱动下开始作业。这些传感器的作业原理相似，都是利用内部组成结构中的敏感元件识别信息，根据元件的电导率变化情况，生成电压数据，经过转化处理，得到模拟信号。

从节点硬件的通信接口分为2个部分，分别是CAN总线、JTAG接口。其中，CAN总线硬件电路的设计与主节点硬件设计方案相同，JTAG芯片与STM32控制器接口连接，按照JTAG通信协议，控制从节点硬件模块中各个传感器数据的输入与输出。

该系统选择蜂鸣器作为报警器，当系统检测烟雾、温度、CO超标时，开启蜂鸣器作业模式，起到警告作用。与此同时，系统根据节点信息，计算最佳逃离路径，将由指示灯作为路径及方向指引。其中，指示灯的硬件电路开发，将灯的接口直接与控制器的I/O口连接，运用电平加以控制，设置高电平为“亮”，低电平为“灭”。

4 系统软件设计

4.1 系统主节点软件设计

根据系统作业原理，设计系统主节点软件作业流程。主节点经过初始化处理后，将根据信息需求下达场馆信息采集命令，然后分析采集到的数据信息，以火灾特征作为判断标准，对当前环境是否发生火灾进行判断，并下达相应作业命令。图4为系统主节点软件流程。

图4 系统主节点软件流程设计

该流程中，核心处理器向从节点处理器发送作业命令，从节点处理器开始驱动信息采集装置，然后将采集到的信息返回至主节点处理器，当其接收到应答后，通过CAN接收从节点报文。综合分析报文数据信息，判断当前场馆内是否发生火灾，如果发生火灾，则报警，计算最短逃离路径。按照生成的路径，控制指示灯的亮/灭作业状态。其中，涉及的信息将被存储至SD卡中。

4.2 系统从节点软件设计

从节点软件开发，以配合主节点作业的现场设备控制为主，除了信息采集以外，还包括疏散指示灯的亮/灭控制。图5为系统从节点软件流程设计方案。

图5 系统从节点软件流程设计

该设计方案中，从节点初始化结束后，利用CO、温度、烟雾传感器分别采集场馆环境信息，对获取的信号采取A/D转换处理、信号处理，发送至主节点控制器。判断当前采集到的数据是否达到阈值，如果达到阈值，就判断当前场馆内发生火灾，反之，未发生火灾。此部分信息将以报文的方式，通过CAN总线发送至控制中心，由控制器下达疏散等作业控制命令。其中，火灾情况下紧急疏散灯将被点亮，按照Dijkstra算法生成逃离路径，控制疏散灯点亮线路。

5 系统测试分析

5.1 系统内容与方法

场馆环境信息采集精度测试：以场馆温度、CO浓度、烟雾浓度作为测试指标，运用系统采集数据，与实际数据进行对比。要求精度不低于95%。

紧急疏散指示灯、报警、最佳逃离路径测试：模拟不同场馆环境，测试环境指标，同时记录紧急疏散指示灯、报警器作业状态，判断火灾情况下生成的逃离路径是否为最佳。

5.2 测试结果分析

按照系统测试内容与方法，分别进行2组试验，测试中布设4个测试节点，测试结果见表1和表2。

表1中，各项指标测试精度均在97.70%以上，符合系统开发要求。

表1 场馆环境信息采集精度测试

表2中，系统能够根据采集到的场馆环境信息，准确判断火灾是否生成，有效控制报警器、应急疏散指示灯，生成最佳逃离路径。

表2 应急疏散指示灯、报警、最佳逃离路径测试

6 结语

该文围绕大型展览中心火灾应急照明及疏散指示控制系统的设计方法进行探究，根据展览场馆火灾检测需求，选取温度、CO浓度、烟雾浓度作为检测指标，合理选取检测传感器，搭建系统框架结构。依据系统作业原理，开发系统软件作业流程。系统测试结果显示，该系统在场馆中的信息检测精度在97.70%以上，并且可以针对不同环境，有效控制报警器、应急疏散指示灯。