面向综合体建筑的火灾监控与逃生引导系统及控制方法与流程

本发明涉及火灾监控与逃生引导系统，更具体说，它涉及一种面向综合体建筑的火灾监控与逃生引导系统及控制方法。

背景技术：

随着城市现代化快速发展，土地等有限资源的缺乏逐渐成为城市发展的重要制约要素。打造城市综合体，利用有限资源空间，创造最大产业效益，成为城市发展的重要途径。近年来我国各城市掀起了城市综合体规划建设热潮，城市综合体呈现蓬勃发展态势。城市综合体多处于城市核心或繁华地带，其建筑规模庞大，聚散人员众多，可燃物荷载大，火灾危险性比普通建筑突出，一旦发生火灾将造成巨大的生命财产损失以及严重的社会影响。

市场上的传统火警系统大都是有线方式并且大都采用单一传感器值判别火灾的有无，这些系统优点是反应速度快，缺点是误报率较高，而且浪费大量的人力。目前几乎所有建筑的逃生线路都是采用固定的方向指示灯，而火灾的发生往往是无法预料的，按照固定的方向逃生，经常会遇到道路不通的情况。火灾的发生状态，0-3分钟是火灾初期，3-6分钟是火灾发展期，6-12分钟是火灾旺盛期。因此在火灾初期迅速定位出着火点位置，动态规划出逃生线路并通过声、光报警信号引导现场人员撤退，对减少人员伤亡、降低财产损失有着非常重要的社会意义和经济价值。

技术实现要素：

本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种面向综合体建筑的火灾监控与逃生引导系统及控制方法。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的:这种面向综合体建筑的火灾监控与逃生引导系统，包括监控主机、协调器节点、增强型路由节点和终端节点；

监控主机和协调器节点之间通过RS485总线连接，协调器节点、增强型路由节点和终端节点通过树状的ZigBee无线网络连接；

所述协调器节点包括RS485转换电路、串口ZigBee模块；

所述增强型路由节点包括烟雾浓度、温度检测电路、方向指引灯、诱导语音播报电路和串口ZigBee模块；

所述终端节点包括烟雾浓度、温度检测电路、电池电压检测电路、外部定时电路和串口ZigBee模块。

这种面向综合体建筑的火灾监控与逃生引导系统的控制方法，包括如下步骤：

1)终端节点初始化为休眠模式，外部定时电路达到定时时间后通过外部中断唤醒CPU，检测烟雾浓度、温度值，并通过ZigBee网络上行发送到对应的增强型路由节点，完成一次检测后随即进入休眠模式，等待下一次外部中断到来；

2)增强型路由节点实时接收下属多个终端节点发送的烟雾浓度、温度值并进行更新存储，将接收到的多组数据进行重新组合打包后转发至协调器节点；

3)协调器节点实时接收下属多个增强型路由节点发送过来的打包数据，实时更新并存储；

4)监控主机通过485总线与MODBUS协议，定时读取协调器节点中存储的各终端节点传送上来的烟雾浓度、温度数据，并通过上位机软件实时更新显示；

5)上位机软件实时计算所有的烟雾浓度、温度值信息，当检测到异常信息，立即启动疏散线路规划程序，规划出最优的逃生线路并将控制信息通过协调器节点广播发送到各增强型路由节点；各增强型路由节点根据接收到的控制信息，控制方向引导灯、播放诱导语音，引导现场人员根据声、光信号按规划线路撤离现场。

作为优选：所述步骤一具体为：首先进行初始化并开启外部定时电路，打开红外发射和电压信号放大电路电源，完成烟雾浓度和温度的检测；然后唤醒ZigBee模块，数据发送完成后立即休眠ZigBee模块并关闭红外发射和电压信号放大电路电源，最后让单片机进入休眠模式，等待外部定时时间到时通过外部中断唤醒单片机后继续执行循环程序。

作为优选：所述步骤二具体为：开机后，首选分配存储空间，存储将要接收到的上行以及下行控制数据，然后开启定时器和串口中断，等待接收数据；检测到串口中断后，首先接收数据到缓存空间，然后判断接收到数据类型；如果是来自终端节点的上行数据，则进行存储；如果是来自协调器节点的下行控制数据，则对方向指示灯和诱导语音播报电路进行控制；使用软件定时器，达到定时时间后，首先关闭串口中断，存储的来自终端节点的上行数据进行重新封装并完成发送，然后开启串口中断，等待下次串口中断或者定时时间的到来。

本发明的有益效果是:系统以监控主机、协调器节点、增强型路由节点和终端节点构建了监控网络，利用烟雾浓度检测电路、温度检测电路进行各个区域火情信息的采集，监控主机上位机软件完成火灾监控以及逃生引导线路规划，通过增强型路由节点控制方向引导灯以及播放诱导语音，实现高效的逃生引导。系统采用树状ZigBee网络结构，终端节点的上行数据经由增强型路由节点压缩打包再发送给协调器节点，减少了帧开销，也降低了多个终端节点同时发送数据所造成的时间冲突，提高了数据的传输效率。对于终端节点越多的系统，使用本方法效果越加明显。系统使用可调节的方向指引灯以及不同频率的诱导声音，通过声光互补的方式指示逃生线路，提高逃生速度。系统预留RS485扩展接口，为更大规模的数据采集提供了扩展空间。

附图说明

图1是本发明系统总体框图；

图2是本发明系统供电线路图；

图3是终端节点电路框图；

图4是终端节点软件流程图；

图5是增强型路由节点电路框图；

图6是增强型路由节点软件流程图；

图7是协调器节点电路框图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步描述。下述实施例的说明只是用于帮助理解本发明。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

如图1所示，整个系统由终端节点、路由节点、协调器节点和监控主机四种设备组成。每个设备配备一个串口ZigBee模块，各个ZigBee模块具有自组网功能，组建的网络稳定可靠。整个系统种数量最多的终端节点采用电池供电，方便安装，主要负责烟雾浓度、温度值的检测与发送。增强型路由节点除烟雾浓度、温度的检测功能，还增加了方向引导等和诱导语音播放电路。在传统的ZigBee网络架构中，路由节点只负责网络覆盖，起到连接终端节点和协调器节点的作用，终端节点的信息直接发送给协调器节点。当终端节点数量较多时，多个终端节点发送数据时发生冲突的几率加大，会导致较高的丢包率。在本系统中使用二次打包的方式，增强型路由节点首将下属多个终端节点的数据信息重新压缩封装后再发送给协调器节点，以此降低协调器接收数据的频率，降低丢包率。协调器节点负责接收来自各个增强型路由节点的数据信息，实时更新并存储。一个ZigBee子网中只有一个协调器节点，监控主机和协调器之间使用RS485总线连接。如果需要采集更多节点，可通过RS485扩展多个子网来实现。监控主机和协调器节点之间使用MODBUS通信协议，工作时由监控主机发起查询命令，协调器节点接收到命令后，将火情数据打包传回到监控主机。相对于嵌入式系统，监控主机具有较高的计算速度和存储性能。当监控主机检测到烟雾浓度、温度值超出正常范围，根据烟雾浓度、温度的梯度分布迅速计算出着火点位置并实时规划处逃生线路，通过协调器节点广播发送给各增强型路由节点，各增强型路由节点通过控制方向指引灯的方向以及诱导语音引导现场人员快速撤离。系统预留RS485扩展接口，为更大规模的数据采集提供了扩展空间。

如图2所示，为了提高系统的可靠程度，市电经由UPS以后给监控主机、协调器节点以及增强型路由节点进行有线供电。为了降低系统的施工复杂度，各个终端节点都使用电池供电。

图3为终端节点电路框架图，包括：烟雾浓度检测电路，温度检测电路，电池电压检测电路，外部定时电路和串口ZigBee模块。以低功耗的MSP430单片机为核心进行设计，使用1节18650电池供电，MSP430单片机和ZigBee模块通过串口相连接。烟雾浓度检测电路基于红外发射、接收原理，在光学迷宫中安装一对红外发射、接收管。当光学迷宫中没有烟雾时，接收管无法接收到红外光线。而当烟雾进入光学，接收管会接收到红外线并产生电流响应，通过电流-电压转换电路，电压放大电路，产生一个模拟信号，输入到MSP430单片机后通过A/D转换得到烟雾浓度值。温度检测电路则使用DS18B20数字芯片，直接通过单片机程序读取温度值。电池电压检测使用电阻分压电路，分压后的电压输入到MSP430的A/D端口完成电压检测。为降低功耗，单片机和ZigBee模块平时都工作在休眠模式，通过外部定时电路定时唤醒，完成一次测量和发送之后，继续进入休眠模式节约电量消耗。

采用IAR软件设计传感节点MSP430程序，软件流程图如图4所示。系统开机后，首先进行初始化并开启外部定时电路，打开红外发射和电压信号放大电路电源，完成烟雾浓度和温度的检测。然后唤醒ZigBee模块，数据发送完成后立即休眠ZigBee模块并关闭红外发射和电压信号放大电路电源，最后让单片机进入休眠模式，等待外部定时时间到时通过外部中断唤醒单片机后继续执行循环程序。

图5为增强型路由节点电路框架图，包括：烟雾浓度、温度检测电路，方向指示灯，诱导语音播报电路和串口ZigBee模块。安装在非路口区域的增强型路由节点，无须声、光控制，可以省掉方向指示灯和诱导语音播报电路。增强型路由节点除了通过设置为路由模式的ZigBee模块维持整个通信线路的通畅，还承担以下任务：接收下属终端节点的上行信息并重新打包封装后发送给协调器节点；接收来自协调器节点的下行控制命令，控制方向指示灯以及诱导语音播报电路。使用STM32F103VET6处理器为核心进行了增强型路由节点电路设计，STM32F103VET6处理器具有72M CPU速度，64K RAM，18通道12位AD转换，多达5个串口，能够满足增强型路由节点的功能要求。供电电源采用12V开关电源。烟雾浓度检测电路和温度检测电路使用与终端节点相同的。方向指示灯使用LED灯珠排布设计，通过分区控制的方法实现各个指示方向的控制。诱导语音播报电路由语音播放模块、功放电路以及喇叭组成。语音模块选用了串行接口的PTUF1FS模块，内置64M EEPROM，可通过USB直接改写语音信息。预先录制不同频率的“咚-咚-咚”语音信息并储存在模块中，在发生火灾时通过播放不同频率的语音来表示各个方位的灾情信息。功放电路使用TDA8932芯片进行设计，可以实现最高35W的单声道驱动能力。选择8Ω/20W的吸顶喇叭，保证播放时的音量足够大。

采用KEIL MDK设计了增强型路由节点的STM32程序，软件流程图如图6所示。开机后，首选分配存储空间，存储将要接收到的上行以及下行控制数据，然后开启定时器和串口中断，等待接收数据。检测到串口中断后，首先接收数据到缓存空间，然后判断接收到数据类型。如果是来自终端节点的上行数据，则进行存储。如果是来自协调器节点的下行控制数据，则对方向指示灯和诱导语音播报电路进行控制。使用软件定时器，达到定时时间后，首先关闭串口中断，存储的来自终端节点的上行数据进行重新封装并完成发送，然后开启串口中断，等待下次串口中断或者定时时间的到来。

图7为协调器节点电路框架图，包括RS485转换电路，串口ZigBee模块。协调器节点使用与增强型路由节点相同的STM32F103VET6处理器，可以将增强型路由节点、协调器节点的功能合并设计在一块电路板上。