窦　杰，周琪璋，宋道榜，陈镇生，张海龙，曹鹏飞

(兰州大学 信息科学与工程学院，甘肃 兰州 730000)

0　引言

随着近年来微电子机械系统[1]、无线通信[2]和数字电子等技术的发展，对于无线火灾自动报警系统的研究已在国内外发展起来[3]，并走向了实用化[4]。国外现有的无线报警系统既可作为火灾报警，也可作为安保系统，二者兼用，是一种高科技的无线保安系统[5]。

目前的无线报警技术属于火灾报警技术的第三代也是世界上最先进的火灾报警技术[6]。我国在无线火灾报警系统发展方面滞后于国外，但随着近年来无线传感器网络技术的发展[7]，国内部分高校和生产厂商也开始研究无线技术在火灾报警系统中的应用[8]。大型城市主从式遥测系统在1996年被提出，其可实现覆盖数百km的监测范围[9]。文献[10-11]对城市高层建筑火灾报警控制系统的设计做了研究。随着通信技术和互联网的发展普及，越来越多的基于无线通信模块以及结合互联网+的无线火灾系统被设计出来[12]。

现有的无线火灾报警系统具有控制距离远、数据可监控等诸多优点[13]，但忽略了火灾发生时人们因恐慌等导致的疏散路线不清楚，无法规避起火点，甚至在陌生复杂场所内有误入火场的危险。本文采用优化的广度优先搜索算法，智能计算出逃生路线[14]，并运用LED作为灯光线路指引。为保证系统在火场的稳健性，提出了3级复合架构系统。

1　系统总体设计

本文提出的由终端节点、中继模块和总控制模块组成的3级架构火灾紧急疏散系统，可以实现火灾、恐怖袭击等紧急情况下的智能快速疏散。通过传感器节点探知火灾发生位置，根据不同的火情级别，由总控制模块自动计算出楼内不同火情现场的最佳处理方案，如同楼层自救、同楼层疏散路线指引和不同楼层间疏散路线指引等。以蜂鸣器、跑马灯等形式进行声音和光线的多路径分散疏散指引，并将实时火情点分布上传到总控制室以图形界面显示，方便后续消防队快速展开救援，实现科学、快速的自救、疏散与救援。

1.1　系统关键技术

1.1.1无线通信技术

3级控制系统的信号传输部分采用无线通信技术，保证了整个架构的安全性。在火灾发生时，绝大多数供电系统将处于瘫痪状态。系统采用备用电池为设备持续供电，可以保证各模块之间通信良好，整个系统在火灾环境中不崩溃、不瘫痪。

1.1.23级控制架构

为了确保整个系统在复杂环境中的可靠性，采用3级控制系统架构，该架构由终端节点、中继控制模块和总控制模块3部分组成。

1.1.3分层处理架构

复合型传感器通过节点自身分析就可做出相应的报警，并将实时监测的数据通过无线通信方式发送到中继控制模块。中继控制模块控制本区域报警节点，并将火灾地点信息发送至总控台，总控台进行联合分析，实现各楼层联动指示疏散路径，并为消防队救援灭火提供指示。

1.1.4自动巡检功能

系统待机时，为保证对突发情况的及时响应和自身系统的维护监测，中继模块响应总控制台的指令对各楼层部件进行巡检，并将结果反馈给总控制台进行综合分析。

1.1.5分散处理技术

充分利用终端节点和中继控制模块控制芯片的计算能力，分级处理数据，减小了主控的处理压力。同一片防火区域采用一个中继节点进行分散控制。在单一节点掉线或者单一中继掉线的情况下，不影响其他节点的运行。

1.1.6可扩展接口

为应对系统升级和扩展，预留可扩展接口，接口可以实现城市火警联网[15]，以便消防部门监控整个城市的所有火警系统的运行情况。此外，可以利用大数据技术对消防工作进行综合分析。

1.2　系统原理及架构

系统整体由终端节点、中继控制模块和总控制台3部分组成，模块之间全部采用无线通信，无线通信模块型号为NRF24L01，传输可靠、距离远。各个模块之间采用包协议进行信息传输，有效地降低了每个系统之间的耦合度。在每部分留有接口，使得系统再次开发的难度降低。整个设计具有易维护、易排障等特点。系统模块框图如图1所示。

图1　系统总体架构

终端节点结构图如图2所示，主要由传感器数据采集、信号放大处理、微处理器数据处理、数据传输以及电池供电单元等部分组成。每个节点模块均采用STC89C52芯片对传感器进行控制，利用无线收发模块与中继模块进行信息交换。终端节点主要完成传感器的数据采集、处理、发送本节点检测结果与接收后台指令等任务。

图2　终端节点结构

中继模块主要处理一片区域所有节点的信息，承担对这一区域的所有节点进行扫描、信息汇总和处理的任务。采用一块TM4C123G系列微控制器作为主控板，利用无线收发模块与每个节点进行信息交换。将汇总结果传输到主控模块，进行分析和处理，其结构如图3所示。

图3　中继模块结构

总控制台是本系统的中枢，将所有的中继模块信息进行汇总。总控制台模块承担着所有的算法运算和整个系统的节点控制任务、存储整个系统的节点路径、联动公式和信息综合处理等任务，其原理如图4所示。

图4　总控制模块结构

2　系统硬件设计

对于系统硬件的设计与连接参照图1的3级架构图。终端节点参照图2的终端节点结构图进行设计，其控制芯片为STC89C52芯片，无线芯片为NRF24L01。各元器件连接图如图5所示。中继模块参考图3中继控制模块结构进行设计，采用一块TM4C123GH6PM微控制器与NRF24L01无线模块相连接，实现数据的接收、发送和中继传输，其连接图如图6所示。此连接图同样适用于总控的无线模块连接，实现总控的数据收发。

图5　终端节点硬件连接

图6　中继模块硬件连接

3　系统软件设计

3.1　通信协议包设计

由于无线模块一次可以发送32 Byte，所以一个包的总长度定为32 Byte。包结构分为状态包和命令包。利用包长度和标志位进行包传输校验，可以有效地减低丢包、错误包等问题。设计出的基础包结构如图7所示。

图7　基础包结构

状态包：由终端节点和中继节点发出的包，将自己状态发送给主控。

命令包：由主控发出，控制中继节点或者终端节点完成相应指令。

包长度：数据包的实际填充长度。

包标志：表示这个包的类别。

PF=1：状态包。状态包的目标为主控或者中继模块

PF=2：命令包。命令包均为主控发出，目标是中继节点或终端节点。

目标地址：希望接收这个包的设备地址。

传送地址：发出这个数据包的设备地址。

3.2　上位机系统设计

上位机软件采用WPF框架，使得整个界面更加美观，用户体验更加友好。软件采用微软Framework4.5框架，此框架可以移植到各种操作系统。鉴于大多数楼宇监控采用专用计算机来采集数据，专用计算机成本大，而且需要专业人员维护，所以本文上位机采用通用计算机，且基于大家熟悉的Windows系统，维护成本低，可以大大节省用户的资金。软件操作直观简单，对于相关消防人员的培训成本也会大大减少。WPF采用数据驱动，当数据发生变化时，程序采取相应的策略进行反馈。上位机程序开启线程对com口进行实时监控。当有数据发送到com口的时候前台进行响应。如果接收到的是节点异常包，则显示警报，告诉监控人员异常。

在上位机程序中，进入维护系统>系统配置>节点配置/中级配置，配置相关节点及中继，使系统适用于多种不同场所。配置完毕，手动输入指令，对上位机进行测试。

3.3　系统控制软件设计

路径算法为基于宽度优先搜索最短路径(BFS)算法，在遍历前先生成起点集合，这种起点集合可以用最短的迭代遍历所有的节点生成路径，减少了迭代次数，极大地提高了运算效率。在节点发生异常时，利用修正无向图的邻接矩阵，就可以大幅度提高效率。在生成路径集合后，通过对路径集合先进行排序，最后找出不相交的集合。

经过遍历所有路径的优化和改进，实现了对于任何一种连通无向图在给定起点和终点的情况下，寻找出对于每个节点来说到终点都是最佳路径，实现快速安全疏散，其流程图如图8所示。总控制台的串口通信模块根据上位机指令转入执行中断响应，进而执行接下来一系列判断和操作，其流程图如图9所示。

图8　BFS算法流程

图9　串口通信模块工作流程

4　系统测试方案

本文系统使用了灯流引导疏散救援，大大提高了疏散效率，同时能够为消防救援提供救援指引。尤其针对商场、酒店和KTV等陌生复杂的人员密集场所效果更佳。

为了显示灯流效果，分别展示了无火警疏散和有火警疏散，楼层结构展示图如图10所示。通过对终端节点进行地址编码，来实现位置标记与智能路径输出响应。图中虚线三角框代表相邻楼层的其他中继模块。

图10　测试方案布局

通过对上位机及系统进行配置和测试，测试结果表明，该智能疏散系统反应灵敏，灯流指向明显，且具有极好的稳定性，达到了预期效果。此外，系统可移植性高，采用无线传输并预留接口，使整个系统可拓展性进一步增强。

5　结束语

此火灾监测疏散系统继承了现有系统的优点，并针对现有系统的不足进行优化改进，采用3级架构布局，数据采用无线传输，大大简化了布线难度，同时提高了整个系统健壮性。此外，由于采用无线传输，运行维护简单、方便，所需成本也进一步降低。通过后期外设扩展的系统，能够结合大数据、云计算等智能网络平台，实现消防、交通、医疗和环境等智能联动，更好地融入智慧城市；此外还可以构建通用型系统，除了对火灾进行监测，通过不同传感器，可以监测空气、土壤和气候状况等，实现系统的普遍适用[16]。

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