大型建筑的火灾疏散与助援系统设计

谢伟锋，斯 凯，范祥祥

（湖州师范学院 信息工程学院，浙江 湖州 313000）

0 引 言

火灾会对人类社会造成巨大伤害，2021年全国共接报火灾数量[1]为74.8 万起，伤亡达到4 212 人。由于层数多、结构复杂等原因，大型高层建筑的火灾逃生难度较高[2-4]。此外，由于人员数量、分布信息不详细以及火源位置、空间氧含量和空气温度等火情信息不明了对火灾救援造成极大阻碍[5-6]。因此，本文提出一套可以动态指示人员疏散并生成火情热力图辅助消防救援的系统。

1 系统结构

本系统主要由多个传感器节点、引导节点、数据汇总节点、摄像头节点、路由器、网关和云服务器组成，如图1所示。传感器节点用于获取环境信息，通过无线模块向数据汇总节点汇总数据。数据汇总节点通过串口将信息传给网关节点，再由网关节点将环境数据打包并上传至云服务器。摄像头节点自动获取进出的人员数量，再通过WiFi 中继路由器连接进局域网并通过网关节点将数据上传至云服务器。若发生火灾，云服务器通过分析计算各节点的火情以及各区域人员分布，将每个节点的最佳逃生方向传回网关节点，网关节点解析数据并发送给数据汇总节点，并由数据汇总节点将方向信息分发给引导节点。引导节点根据信息指示出最佳逃生方向，帮助逃生者高效逃出火场。同时，云服务器端生成火情图和人员分布地图，辅助消防人员进行救援。

图1 系统结构示意图

2 硬件设计

2.1 传感器节点

传感器节点主要由STM32 最小系统、传感器模块、通信模块和电源模块组成，主要完成环境数据的获取和发送。

传感器节点的核心芯片选用STM32F103C8T6，主频可以达到72 MHz。该芯片可实现传感器数据的快速读取和与通信模块的高速通信且稳定可靠[7]。由该芯片构成的最小系统电路组成如图2所示。

图2 STM32 最小系统电路原理图

传感器模块包括火焰传感器、烟雾传感器、氧气浓度传感器和温度传感器，用于实现环境数据的采集，电路组成如图3（a）所示。火焰传感器采用KY-026 型远红外火焰传感器模块，可以探测波长在760～1 100 nm 范围内的火源，内部设有比较器和电位器用于调节灵敏度，电源输入为5 V，输出为TTL 数字电平，探测到火焰为高，反之为低。烟雾传感器采用MQ-2 型烟雾传感器，可以探测环境中的可燃性气体和烟雾，电源输入为5 V，信号输出为TTL 数字电平。温度传感器采用MAX6675 热电偶传感器，该模块为3.3 V 供电，通信协议为SPI，数据刷新周期为250 ms，可以探测空气温度的上限为1 000 ℃。氧气传感器采用的是JXM-O2 模块，该模块可以测得空气中的氧气含量，量程为0～30%，精度为±3%，数据输出模式设置为自动上报，通信协议为USART。

图3 传感器和通信模块电路原理图

通信模块为2.4 GHz 无线通信模块NRF24L01，用于上传传感器数据，电路图如图3（b）所示。该模块发送的数据包容量为32 B，可以满足环境信息的发送需求；该模块可配置40 位收发地址，且成本低，可以满足大量传感器节点接入系统[8]。传感器节点采用220 V 市电和备用电池两种供电方式。正常工作时，节点采用AC 220 V～DC 5 V 电源配置器供电，220 V电源切断后采用自身锂电池供电。AC 220 V～DC 5 V 电源配置器输出5 V 直流电压，为火焰传感器和烟雾传感器供电，再经过AMS1117-3.3 V 线性降压至3.3 V 给单片机及通信模块供电。同时，使用4056 充电芯片为1 节2 800 mAh-3.7 V 的18650 锂电池充电。为避免锂电池被过充过放，该锂电池采用XB7608AJ 充电保护芯片。当因发生火灾且切断AC 220 V 供电时，模块的DC 5 V 电源由基于TPS55340 的升压的锂电池电路提供，保证在切断220 V 电源后模块正常工作。电源模块的电路如图4所示。

图4 电源模块电路原理图

2.2 摄像头节点

摄像头节点采用的是恒华析数的D4 双目客流量统计摄像头，可以实现进出客流的统计。在该系统中，在预先分好的区域交界点安放摄像头可以检测到通过界点的人数。该摄像头通过自带的WiFi 中继器将数据传至大楼的局域网中，并通过网关将数据转发至云服务器，服务器即可计算分析出大楼整体的人员分布情况。

2.3 引导节点

引导节点由STM32 最小系统、通信模块、LED 模组和电源模块组成，其主要功能是通过改变指示灯指示的方向，引导逃生者以最短的路径逃生。该节点的STM32 最小系统、通信模块和电源模块电路与传感器节点相同。此外，该节点增加了LED 灯板模组，灯珠使用的是WS2812，该灯珠可多个串联，可通过编程控制灯的颜色和亮灭[9]，LED 灯模组电路如图5所示，并构成如图6所示的消防指示灯。单片机可以按照服务器传回的信息控制不同区域的LED 模组发光，并在指示灯上显示出不同的安全方向，以此引导逃生者快速逃生。

图5 WS2812 LED 灯板模组电路原理图

图6 消防指示灯灯结构示意图

2.4 数据汇总节点

数据汇总节点由STM32 最小系统、通信模块和电源模块组成，电路结构与传感器节点基本相同，不同点在于该节点使用两个通信模块（一收一发）。数据汇总节点的主要功能是汇总传感器节点的数据，并通过串口连接的ESP8266 网关模块将数据转发至云服务器，在发生火灾时将云服务器传回的方向信息分发给引导节点。

3 软件设计

3.1 传感器节点及引导节点程序设计

传感器节点主要功能是检测环境数据，并将数据上传至数据汇总节点。在上电后，模块进入初始化阶段，接着模块通过SPI 协议获取MAX6675 的温度数据，通过串口获取氧含量模块的氧气浓度数据，通过高低电平获取环境中烟雾和火光信息。随后，将各数据打包成一个数据包，发送给数据汇总节点。传感器节点的每个通信模块被配置了一个唯一的地址，该节点持续广播最新的环境信息。该流程如图7（a）所示。引导节点实现的功能是指示本节点的安全方向。每个引导节点配置有唯一的地址，当系统初始化后进入接收模式，节点持续监听是否有数据传来，若接收到数据则更新指示灯指示的方向，流程如图7（b）所示。

图7 传感器节点和引导节点流程

3.2 数据汇总节点程序设计

数据汇总节点实现三个功能，分别是轮询各个传感器节点获取数据、与网关节点交换数据以及将安全方向指令轮发给引导节点。在初始化后，将用于接收的设备号归零（设置为第一个接收地址），判断是否轮询过所有节点，若没有则开始轮询设备，若已经轮询过所有节点，则将所有数据和接收完毕标志号发送给网关节点。当节点在轮询设备时，首先打开定时器，然后开始接收传感器节点发送的数据，若在10 ms 内没有接收到数据则开始等待下一个传感器节点发送的数据。当所有传感器节点的数据接收完毕并转发至网关后，开始等待接收网关节点传回的安全方向数据。当接到安全数据后，节点无线模块转换成发送模式，将数据依次传回引导节点，发送过程与接收时类似。最后清零设备号，循环以上过程，流程如图8所示。

图8 数据汇总节点流程

3.3 云服务器程序设计

服务器总体程序设计如图9所示。在服务器启动后，进行系统初始化，包括初始化MQTT 并验证MQTT 终端，启动网页服务器等相关任务。然后服务器开始等待接收Topic中转服务器接收到的数据，监听网关上传的数据，当接收到接收完毕标志号时停止接收。然后开始解析接收到的传感器信息，找出最短路径并存入数据库。接着分析接收到的数据并输出判断结果，再将各节点应该指示的安全方向传回ESP8266 网关节点。最后同步更新网页端实现数据可视化。一个周期结束后，再次回到Topic 接收数据环节。

图9 云服务器软件流程

各个节点到安全出口的最短路径生成需要在系统运行之前将整个大楼的每个房间、走廊、楼梯等作为图的节点，节点信息包括该点的三维坐标、类型以及相连的节点索引。再将各个节点加载到三维坐标中，计算出每个相通节点的路径长度。若遭到火灾，将无法通行的节点从图中删除，然后计算节点到所有的安全逃生出口的距离，选择可以通行且最短的安全出口作为本节点的最佳逃生路径，并将各条最短路径转换成各指示节点指示的方向。图10为一个最短路径的三维示意图。

图10 最短路径示意图

为了帮助消防队员救援被困人员，服务器根据传感器位置及回传数据生成火情地图并在Web 端显示，如图11所示。火情图将展示各个区域的温度分布、氧气含量分布、人员分布、是否起火以及是否有浓烟等信息。因为闪燃和爆燃的条件和温度与气体含量有关[10]，这样的地图可以帮助消防员提前预知前往环境的状况，避免突发险情。

图11 火场温度热力示意图

4 结 语

本文设计一套在大型建筑火灾中帮助人员疏散和救援的系统，该系统由传感器节点、摄像头节点、数据汇总节点、引导节点和服务器端及Web 终端组成。该系统可根据传感器和摄像头获取建筑物内部环境和人员信息，由服务器分析出火灾发展态势和人员分布情况，反馈回引导节点；同时在Web 端生成火情热力图，从而达到科学高效疏散人群并实现火情数据可视化帮助救援的目的。该系统在大型建筑消防系统研究方面有一定应用价值。