基于无线通信的智能火灾疏散系统设计分析
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摘要：本文分析了智能火灾疏散系统系统设计需求，探讨了无线通信的智能火灾疏散系统总体结构设计方案，研究了软硬件设计及实现方法，以期为相关系统开发设计提供参考。
关键词：无线通信;智能火灾疏散系统;系统设计
中图分类号：TN92 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2020）01-0127-02
0 引言
随着无线通信技术的快速发展，其通信效率及稳定性显著提升，可以满足智能火灾疏散系统的基本通信需求。基于无线通信技术的便捷性，目前采用无线通信技术实现的智能火灾疏散系统越来越多，其研究和应用受到了相关行业领域的广泛关注。在系统设计开发过程中，应充分发挥无线通信技术优势，确保系统各项功能的完善性。
1 系统设计需求分析
目前关于无线智能火灾报警系统、疏散系统等的研究较多，而且逐步进入应用阶段，能够在火情实时监测的基础上，为实际救援逃生提供多方面支持，是一种新型高科技保安系统。对于高层建筑、大型商场等火灾疏散难度较高的应用场景，智能火灾疏散系统可以有效提升实际救援逃生的效率。目前其无线监测信号范围可以达到数百千米，能够满足大多数建筑的监测需求。但是从已经投入应用的研究成果来看，无线智能火灾报警系统产品较多，而疏散系统产品则较少。这主要是由于疏散系统相比于报警系统功能需求更加复杂，需要在动态监测火情状况、预测火势蔓延趋势的基础上，结合实际建筑场景，快速规划科学的逃生路线，从而为火灾现场的人员逃生提供支持。此外，也需要满足系统稳健性、容错性等方面的性能需求，确保其功能作用可以正常发挥[1]。
2 基于无线通信的智能火灾疏散系统总体架构设计
2.1 系统结构设计
基于无线智能火灾疏散系统的功能及性能需求，在系统总体结构设计过程中，可采用三级架构模式，即终端节点层、中继模块层、系统总控层。系统总体功能目标是在火灾等紧急情况下，为楼宇内部人员快速疏散逃生提供智能化指示，包括基本地图显示功能、逃生路线规划功能、声光指引功能等。在三层架构模式下，终端节点层主要由传感器节点组成，根据建筑结构，将传感器布置在各个重要节点，用于采集和监控火情，第一时间获取火灾发生信息。中继模块层主要采用无线通信技术，建立终端节点设备与系统总控制模块的连接，实时反馈现场信息。然后由总控制模块采用智能算法，对现场火情进行分析和预测，自动完成逃生路线规划等工作，将结果反馈到用户手机APP，指导人员逃生。根据实际使用需求，总控制模块具体包括同楼层自救、疏散指引、不同楼层自救、疏散指引等功能。可以根据火情分布情况，制定多路径分散疏散指示，配合消防救援行动，尽可能提升人员逃生率[2]。
2.2 关键技术应用
（1）无线通信技术，各系统模块之间均采用无线通信技术进行信息传输，以满足现场参数动态采集、人员逃生移动的使用需求。同时为了保证无线通信系统的稳健性，需要设置备用供电系统，如果因火灾发生导致楼宇供电系统瘫痪，需要启动备用供电系统，确保系统通信的正常连接。（2）分层处理技术，在上述三级系统结构下，每个层次的模块都具有分层处理功能，在此基础上通过系统联动，汇总现场信息及处理结果，完成疏散路径指示工作，确保系统运行效率。（3）动态监测及规划技术，考虑到楼宇火灾蔓延速度较快，现场火情不断变化，已规划的安全逃生线路也会发生变化。因此需要采用智能算法，实现动态监测及规划，持续为使用者提供最佳的逃生方案。（4）系统设备自维护技术，在智能火灾疏散系统的应用过程中，也需要对系统设备状态进行实时监测，及时发现设备故障隐患，并采取维护措施，从而保证系统在发生火灾时能够正常使用[3]。
2.3 系统运行原理
基于无线通信的智能火灾疏散系统，其终端节点层、中继模块层、系统总控层的模块均采用无线通信方式。具体采用NRF24L01无线通信模块，具有通信覆盖范围大、数据传输可靠的优点。在各个模块间基于包协议进行数据传输，可降低系统模块间的耦合度。同时为每个模块预留接口，可以为系统二次开发、系统升级和维护提供方便。在终端节点层的通信过程中，主要采用STC89C52芯片控制传感器，通过设置无线收发模块，完成与中级模块层的信息交互，主要发送传感器采集数据以及本节点检测结果，接收后台控制指令。中继模块层负责处理一片区域内的节点信息，主动对节点进行扫描，采用TM4C123G微控制器主板，同样采用无线通信方式，并将数据汇总结果传送至系统总控制模块。由系统总控制模块处理汇总的信息数据，完成智能分析和规划工作，并将结果反馈给用户终端设备。
3 基于无线通信的智能火灾疏散系统软硬件设计及实现
3.1 系统硬件设计
在硬件设计方面，系统终端节点包含的硬件设备主要包括温度传感器、烟雾传感器等火灾现场传感器设备，并设置有灯光、声音报警指引单元。终端节点层采用STC89C52芯片控制无线收发模块，无线芯片采用NRF24L01型号，设计有直流供电模块。中继模块层主控板为TM4C123G微控制器，连接终端节点层的NRF24L01无线芯片，实现数据收发及中继传输功能。并与系统总控层无线模块连接，实现数据汇总及传输功能。在系统总控层，需要设计总控台硬件设备系统，包括微处理器、显示屏幕、报警装置、直流供電模块等。在系统硬件的设计和选择过程中，需要充分考虑硬件设备自身的运行可靠性，并对各硬件设备进行妥善连接，确保系统各项功能的正常使用。此外，在硬件系统设计过程中，也需要考虑后续系统升级的需要，确保系统可扩展性，为新模块的接入提供方便。
3.2 系统软件设计
（1）通信协议包。在无线传输方式下，系统的无线模块每次可以发送32Byte的数据，将信息包总长度定义为32Byte，并分为两种类型，即状态包与命令包。根据信息包的长度及标志位，对信息包进行传输校验，从而降低丢包率和误码率。其中状态包主要由终端节点、中继节点发出，将自身状态信息发送给上一层系统模块。命令包主要由系统主控制模块发出，根据状态监测及分析处理结果，下达相应的指令。在通信协议包中，通过设计包长度位，确定数据包实际填充长度。通过设计包标志位，代表包的类别，PF=1时为状态包，目标节点为中继模块或系统主控制模块，PF=2时为命令包，目标节点为中继模块或终端节点。此外，还设计有目标地址位及传送地址位，分别显示数据包的接收设备地址或发送设备地址。通过合理设计通信协议包，不仅能够确保信息传输的可靠性，还有利于提升通信效率。 （2）上位机系统。在上位机系统设计过程中，整体采用WPF框架结构，系统界面较为美观，可以为用户操作提供方便，符合界面友好性设计要求。上位机系统软件主要采用Framework45框架结构，可以移植到多种操作系统下运行。无线智能火灾疏散系统需要与楼宇监控系统集成，由于多数楼宇监控系统都采用专用计算机完成数据分析和处理工作，其成本较高，需要专人维护。在设计无线智能火灾疏散系统时，可以采用通用计算机，在常用的Windows系统下运行软件，从而节省系统建设投入。由于软件操作功能简单，用户可以快速掌握其使用方法。另外，在上位机WPF框架下，采用数据驱动方式运行，如果数据发生变化，程序需要作出反馈和响应。主要通过线程对COM接口进行监控，在接口接收到数据时完成前台响应。若接收到的数据包为异常包，则发出警报，提醒监控人员数据异常。
（3）控制软件。在系统控制软件设计方面，需要实现疏散逃生路径规划的核心功能。本次设计采用基于宽度的优先遍历最短路径（BFS）算法作为逃生路径规划算法。在系统遍历前，通过生成起点集，缩短遍历时间，快速找到有效的节点路径，从而提高路径规划算法执行效率，满足火灾疏散路径规划的实际应用要求。如果节点发生异常，可以采用经过无向图修正的邻接矩阵，继续完成路径规划任务，以满足实时规划和调节需求。在系统运行过程中，总控制模块接收到中继模块层发送的信息后，执行一系列判断和操作指令，然后调用疏散逃生路径规划算法，完成路径规划工作。最后在地形图上显示路径规划结果，并使用高亮箭头指示人员逃生。同时总控制模塊会生成相应的控制指令，发送给楼宇声光指引装置，为楼宇内的人员提供多重指示，最大化的提高疏散逃生效率。
3.3 系统实现效果
为验证上述无线智能火灾疏散系统的实用性，在本次研究过程中，主要针对商场、学校、高层建筑等人员密集场所，对系统运行效果进行仿真试验。其中指示系统简化为灯光引导，主要验证通信功能可靠性及路径规划算法运行效率。从仿真试验结果来看，无线智能火灾疏散系统能够保证火灾疏散过程中的通信稳定性，第一时间对现场火情做出响应，根据现场数据采集结果，快速完成疏散路径规划任务，并以灯光形式进行指示。在上位机系统测试过程中发现，系统反应较为灵敏，而且可以在多种操作系统下部署软件，通过预留接口，满足系统扩展需求。因此，本次设计的无线智能火灾疏散系统可以满足楼宇火灾疏散的实际应用需求，系统功能、性能较为完善，建设成本低，具有普遍适用性。可以将智能火灾疏散系统与火灾报警系统配合使用，进一步提高楼宇安全保障水平。
4 结语
综上所述，基于无线通信技术实现的智能火灾疏散系统运行效率高、适用范围广，可以为火灾发生时的人员疏散逃生提供有力支持。通过采用本次研究提出的总体结构设计及软硬件实现方案，可以确保系统运行的稳健性，各层次功能划分清晰，模块间的耦合度低，而且可以为系统升级维护提供方便，具有较强的应用参考价值。
参考文献
[1] 窦杰，周琪璋，宋道榜，等.基于无线通信的智能火灾疏散系统设计[J].无线电工程，2018（05）：347-351.
[2] 张言.大型生活超市火灾疏散路径规划研究[D].天津：天津理工大学，2018.
[3] 谢尊贤，薛琪.养老机构火灾智能安全疏散系统及SWOT分析[J].消防科学与技术，2017（03）：323-326.
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