物聯網環境下樓宇逃生系統設計實現

丁仲全，侯 芳，張 航，邵 珂，王 震

(北京理工大學珠海學院 計算機學院，廣東 珠海 519000)

0 引 言

隨著人口的增加和經濟的崛起，各類建筑不斷發展，建筑規模越來越大，層次越來越高，建筑的標準也越來越高。新建的各類大樓都具備人員密集、設備先進、功能多、裝飾豪華等特點。那么，火災自動報警和消防系統就成為了高層建筑不可缺少的重要組成部分[1]。

火災一旦發生，對于群眾而言，他們很難知道火災的明確地點以及火災嚴重程度，更難在短時間內找出最佳的逃生路線。如此一來，他們很可能會在慌亂中到處亂跑而錯過最佳的逃生時間，從而導致踩踏事件或葬生火海的悲劇。對于消防人員而言，當他們到達現場時，通常只能根據濃煙判斷火源，并不清楚火災發生的準確地點，從而無法準確有效地展開滅火行動。更不利的是，因難以確定樓宇中受難人的具體位置，在面積龐大且地形復雜的地方盲目展開救援行動，消防員很可能錯過最佳救援時間，導致多數被困人群的傷亡甚至消防人員的傷亡[2-3]。

為解決上述問題，設計了一個物聯網環境下[4]的樓宇安全逃生系統。該系統主要有最佳逃生路線規劃、逃生指示燈引導、實時監測室內環境狀況、一鍵呼叫求救以及火災警報等功能。

1 系統設計

物聯網環境下樓宇安全逃生系統主要由中央控制系統(簡稱“中控”)、云服務器及移動端APP三大模塊組成，如圖1所示。中央控制系統設置在樓宇建筑的控制室里，主要用于采集環境狀況的數據和向用戶展示樓層狀況；云服務器主要用于存儲整個安全逃生系統所產生的數據；移動端APP作為安全逃生系統的展示載體，其中功能包括路徑規劃、樓層狀況查詢、室內導航、手機定位呼救[5]等功能。

圖1 系統框架

中控段：由溫濕度傳感器模塊、煙霧濃度傳感器模塊、Zigbee模塊[6]、協調器和Mini210開發板[7]組成。在中央控制系統運轉過程中，溫濕度傳感器模塊和煙霧濃度傳感器模塊實時對現實環境進行數據采集，保證環境狀況真實；同時，Zigbee模塊將采集的數據通過串口傳輸至Mini210開發板,實時更新環境狀況。Mini210開發板則用于樓層顯示屏，獲取數據并分析判斷出樓層中的具體環境狀況，以及向用戶展示整個樓層的環境狀況。若遇到火災情況發生，中央控制系統會及時啟動消防聯動功能和發出警報告知用戶。

云服務器端：用來存儲和發布實時數據信息。存儲的數據主要有三個來源：一是存儲來自中控端采集的實時環境數據；二是存儲來自移動端APP上傳的個人用戶信息；三是由后臺管理系統上傳的樓宇信息。由于整個服務器存儲的數據量非常大，該項目使用后臺管理系統對數據進行管理與操作[8]。

應用端：即移動端APP，用于室內導航[9]、樓宇信息查詢；當發生火災時，APP則會基于樓層狀況精確規劃出最佳逃生路線，告知用戶如何快速逃生。若遇到重大火災無法逃脫時，用戶可以通過APP進行GPS定位向外界發出求救。

2 數據庫設計

考慮到人群的安全疏散問題，物聯網下樓宇安全逃生系統必須準確及時地獲取和發布火災實時數據。因此數據庫的選擇和設計就起到了至關重要的作用。

在云服務器環境下建立數據庫時，需要選擇一個靈活性高、查詢速度快的關系型數據庫。MySQL[10]是一種關聯數據庫管理系統，它將數據保存在不同的表中，而不是將所有數據放在一個大倉庫內，這樣就增加了速度并提高了靈活性。

MySQL是使用C和C++編寫，并使用了多種編譯器進行測試，保證了源代碼的可移植性；而且其為多種編程語言提供了API，包括C、C++、Python、Java、Perl、PHP等，以及優化的SQL查詢算法，有效地提高查詢速度；同時也提供用于管理、檢查、優化數據庫操作的管理工具。既能夠作為一個單獨的應用程序應用在客戶端服務器網絡環境中，也能夠作為一個庫而嵌入到其他的軟件中。

由于其體積小、速度快、總體擁有成本低，尤其是開放源碼這一特點，一般中小型網站的開發都選擇MySQL作為網站數據庫。因此選用MySQL來開發云服務器的數據庫[1]。

基于數據來源與數據使用情況分析，數據庫中主要設定管理員信息表、樓宇信息表、城市字典表、樓層信息表、傳感器數據表、用戶信息表；其中，樓宇信息表、城市字典表、樓層信息表通過添加外鍵方式實現表與表之間的關聯，保證了樓層、樓宇、城市之間關系的唯一性。

3 硬件設計

中央控制系統在采集數據與火災警報提醒過程中，需通過相關硬件設備實現。硬件框圖如圖2所示。

圖2 硬件框架

3.1 中控模塊設計

Mini210開發板用作于整個中央控制系統的核心控制器，采用嵌入式Linux系統[11-12]，擁有獨立的文件庫與庫函數；提供自適應以太網RJ45接口、3.5 mm立體聲音頻輸出接口；電源電路支持低功耗待機省電模式，保證開發板能長時間處于工作狀態。

根據系統設計，具有以下相關功能：

(1)服務數據上傳。

在中控系統里，數據的傳輸與交互是在服務請求中實現的，當各組傳感器需將采集的數據上傳至云服務器時，需通過開發板訪問服務器，發送命令并請求服務器允許數據上傳。

(2)樓層狀況展示。

樓層狀況信息會實時性更新，每隔5秒時間，開發板會更新傳感器采集的數據，并展示最新狀況。

(3)樓層平面地圖顯示。

每個樓層出口都會放置樓層顯示屏，向用戶展示樓層狀況、室內地圖與溫馨提示。在日常生活中，提供給用戶作室內導航指示；在火災發生情況下，樓層顯示屏將呈現火災狀況信息提醒用戶，遠離火災發生點，及時逃生。

(4)火災發生警告提醒。

基于樓層狀況實時性更新，當火災發生即室內溫度高達60°以上時，中控系統會將警報信息呈現在樓層顯示屏上并同時發出警報聲提醒群眾及時逃生。

3.2 環境狀況監測模塊設計

中控系統在環境狀況監測過程中，需使用到溫濕度傳感器模塊[13-14]與煙霧濃度傳感器模塊[15-16]對室內環境的數據進行采集，兩種傳感器模塊主要用于實時采集環境數據(每3秒采集一次數據)，并將采集的數據及時發送至Mini210開發板中，保證數據的實時性與準確性。

(1)溫濕度傳感器模塊。

DHT11溫濕度傳感器，具有相對濕度和溫度測量、全部校準，數字輸出、卓越的長期穩定性、無需額外部件、超長的信號傳輸距離、超低能耗、引腳安裝、完全互換等特點，廣泛應用于暖通空調、測試及檢測設備、汽車、數據記錄器、消費品、自動控制、氣象站、家電、濕度調節器、醫療、除濕器等領域[9]。

傳感器特色：

(a)濕度測量范圍為20%～95%;濕度測量誤差值為±5%。

(b)溫度測量范圍為0°～50°；溫度測量誤差值為±2°。

(2)煙霧濃度傳感器模塊。

煙霧濃度傳感器所使用的氣敏材料是在清潔空氣中電導率較低的二氧化錫(SnO2)。當傳感器所處環境中存在可燃氣體時，傳感器的電導率隨空氣中可燃氣體濃度的增加而增加。使用簡單的電路將電導率的變化轉換成與該氣體濃度相對應的輸出信號。

傳感器特色：

(a)具有DO開關信號TTL輸出和AO模擬信號輸出。

(b)TTL輸出有效信號為低電平。

(c)濃度越高,模擬量輸出電壓越高。

(d)對液化氣、天然氣、城市煤氣、煙霧有較好的靈敏度。

4 軟件設計

4.1 室內地圖繪制

物聯網環境下樓宇安全逃生系統的移動端APP由算法實現引導用戶逃生的路線。最優路徑規劃必須以全局室內地圖為基礎。為模擬真實環境，本團隊手動制作室內地圖，并導入至移動端APP內；用戶可根據所在樓層位置調用對應的室內地圖。

首先使用CAD[17]工具繪制一張室內地圖，以png格式保存，再使用slicingtool工具對室內地圖進行切片，切成類似瓷磚般格子圖像，這些被切開的格子組織成多個縮放級別。縮放級別是從0開始，其中0級別縮放的地圖圖像尺寸為1﹡1像素。在每下一個縮放級別，圖像尺寸則會兩倍遞增。

每個地圖都有層和地圖對象。地圖對象是可以在地圖上顯示的對象，其中繪制對象可以用來顯示地圖對象。地圖對象可以添加到任何層，對象坐標以像素為單位。圖像的最左上角是(0,0)坐標。地圖上的對象分為兩種：店鋪圖標和火災圖標。

(1)店鋪圖標。

對不同店鋪在地圖中的坐標進行收集，并將其保存在house_info.txt中;創建對象圖層houseLayer,再通過addScalableMapObject(index,poxX,poxY,houseLayer,startId)在圖層houseLayer上創建店鋪對象。其中，index為對象的ID，poxX為對象的X坐標，poxY為對象的Y坐標，houseLayer為對象所在的圖層，startId為該對象與路線規劃所對應的起點。最后使用Touch事件來監聽點擊店鋪圖標時，彈出“從這里出發”的按鍵。

(2)火災圖標。

設計好傳感器的位置，收集傳感器在地圖中的坐標，并將其保存在sensor_info.txt中；通過php接口文件獲取云服務器中傳感器的狀態值，再通過狀態值來判斷當前位置是否著火(當status為1時，表示正常；當status>1時，表示出現火災)。創建對象圖層sensorLayer，若當前傳感器的位置為無火災時，addScalableNFireObject(i,x,y,sensorLayer)，在sensorLayer圖層上放置無火災的圖標；若當前傳感器的位置為有火災時，則addScalableYFireObject(i,x,y,sensorLayer)，在sensorLayer圖層上放置有火災的圖標。并通過實時讀取后臺數據，以實時檢測是否發生火災。火災圖標也是實時變化的，通過實時變化來提醒用戶是否發生火災。

控制地圖放大與縮小的三種方式：雙擊控件、pinch手勢、物理按鍵。縮小一個地圖級別，調用mapWidget.zoomIn();增大一個地圖級別，調用mapWidget.zoomOut();獲取當前地圖級別，調用mapWidget.getZoomLevel()。初始化地圖時，使用構造器設置，如設置地圖初始級別為11，使用Int initialZoomLevel=11，MapWidget mapWidget=new MapWidget(this,“map”,initialZoomLevel)。

圖3 室內地圖B1

4.2 搜索算法

基于最佳逃生路線[18-19]規劃與生成，采用深度優先遍歷算法實現；其原理是沿著樹的深度遍歷樹的節點，盡可能深入搜索樹的分支。

(1)遞歸定義。

假設給定圖G的初態是所有頂點均未曾訪問過。在G中任選一頂點v為初始出發點(源點)，則深度優先遍歷可定義如下：首先訪問出發點v，并將其標記為已訪問過；然后依次從v出發搜索v的每個鄰接點w。若w未曾訪問過，則以w為新的出發點繼續進行深度優先遍歷，直至圖中所有和源點v有路徑相通的頂點(亦稱為從源點可達的頂點)均已被訪問為止。若此時圖中仍有未訪問的頂點，則另選一個尚未訪問的頂點作為新的源點重復上述過程，直至圖中所有頂點均已被訪問為止。

(2)遍歷過程。

設x是當前被訪問頂點，在對x做過訪問標記后，選擇一條從x出發的未檢測過的邊(x,y)。若發現頂點y已訪問過，則重新選擇另一條從x出發的未檢測過的邊，否則沿邊(x,y)到達未曾訪問過的y，對y訪問并將其標記為已訪問過；然后從y開始搜索，直到搜索完從y出發的所有路徑，即訪問完所有從y出發可達的頂點之后，才回溯到頂點x，然后再選擇一條從x出發的未檢測過的邊。上述過程直至從x出發的所有邊都已檢測過為止。此時，若x不是源點，則回溯到在x之前被訪問過的頂點；否則圖中所有和源點有路徑相通的頂點(即從源點可達的所有頂點)都已被訪問過。若圖G是連通圖，則遍歷過程結束，否則繼續選擇一個尚未被訪問的頂點作為新的頂點，繼續遍歷。

(3)路徑生成與存儲。

根據地圖的整體布局，利用深度優先遍歷算法[20]可以實現路線規劃。在深度優先遍歷算法中，以出口為最終節點，以用戶點擊的店鋪為起點構建出森林，即生成路徑。每個節點結構Node分成Node.id，節點的唯一標識，用以查找節點坐標與相鄰節點。(Node.X，Node.Y)表示為節點坐標，用以識別節點位置。Node.neightberList表示節點的鄰居列表，用于記錄節點的可達節點。每條路徑結構Path分成Path.crossNodes(經過的節點)和Path.PathDistance(當前路徑的距離)兩個部分。

森林構建完成后，系統將地圖中所有路徑的拐點存入data.txt，保存格式為(id,x-height,Y-coordinate,可達點)。再讀取data.txt中的數據，將x坐標與y坐標存入nodeList鏈表中，把每個點對應的可達點存入nerhborList鏈表中，完成對生成路徑的保存。

(4)實現最短路徑。

在遍歷節點時，新路徑會不斷地與已存路徑的距離(簡稱PathDistance)進行對比。若新路徑距離大于PathDistance，則直接放棄此次遍歷；因為不可能找到更短的路徑，節省遍歷的時間。若新路徑更短，則PathDistance直接替換為新路徑。下一次遍歷節點時，同樣繼續與PathDistance進行對比，不斷存儲與優化路徑，直至規劃出最短路徑ShortestPath。

(5)實現最佳路線。

在實現最短路徑的基礎上，通過算法規劃最優路徑。設定某間店鋪為起點A，地圖存在多個終點。無火災發生情況下，基于起點A規劃出至所有出口的最短路徑ShortestPath，將所有ShortestPath進行對比判斷出最佳路線。火災發生情況下，基于起點A規劃出至所有出口的最短路徑ShortestPath，并經過兩層篩選判斷出最佳路線(第一層：優先刪除發生火災的路徑，第二層：在剩下的ShortestPath篩選出最優路線)。偽代碼如圖4所示。

圖4 搜索算法偽代碼

4.3 移動端APP設計

移動端APP登陸后主要分為4個菜單：【地圖】、【樓宇】、【消息】、【我的】。

【地圖】菜單頁面：顯示當前室內地圖，用戶可對地圖進行如下操作：通過按鍵放大與縮小，或通過手勢進行放大與縮小；雙擊地圖，可放大地圖；點擊店鋪名稱，彈出“從這里出發”按鈕，點擊按鈕即可生成通往出口的最佳路線。

【樓宇】菜單頁面：用戶通過選擇不同的樓宇，獲取不同樓宇的相關信息。

【消息】菜單頁面：定期推送火災逃生知識，提高個人火災逃生意識。

【我的】菜單頁面：顯示用戶信息、當前室內環境狀況信息以及提供一鍵呼叫求救功能。

【登錄】頁面：用戶通過輸入正確的用戶名與密碼成功登陸進入主界面。

【注冊】頁面：新用戶通過輸入用戶名、密碼與手機號進行注冊。

用戶注冊實現：在APP端，通過jsonObject對用戶信息(用戶名、密碼、手機號碼)的數據進行封裝，訪問接口文件路徑連接服務器，接受封裝的數據，并將數據傳送到數據庫，實現注冊功能。

用戶登錄實現：在APP端，通過jsonObject對用戶信息(用戶名、密碼)的數據進行封裝，訪問接口文件路徑上傳數據，并將數據與云數據庫的數據進行匹配，匹配成功，則登錄成功，匹配失敗，則登錄失敗。

軟件框架如圖5所示。

圖5 軟件框架

5 系統測試與分析

系統應用的功能較多，且分為幾大模塊組合而成，其分別為：

(1)硬件模塊：Zigbee模塊接入各種傳感器，收集周圍環境數據，通過節點同意發送到終端機中另做處理。

(2)終端開發板負責把Zigbee收集的數據上傳到數據庫中并加以顯示。

(3)軟件模塊：服務器端存儲環境狀況監測模塊采集的數據，并對數據進行實時檢測；最終把正確信息反饋至移動端APP中。

(4)移動端APP實現登錄注冊功能，注冊信息將保存在云服務器中，用戶登陸后即可查看樓宇信息以及在發生火災時系統規劃的最佳逃生路徑。

系統在測試過程中，針對每個功能進行檢測，保證環境狀況監測、安全指示燈指引、火災警報通知、最佳逃生路徑規劃等功能可以正常實現，達到預期效果。

6 結束語

縱觀現今的高樓大廈與大型建筑，基本都有安裝消防系統與配置相關的消防設備。不過，隨著人們對消防安全知識的重視，以及消防意識的增強，現有的消防系統在消防效果上并不是很顯著，遠遠達不到人們的預期。那么，基于物聯網下的樓宇安全逃生系統的應用價值就體現出來了，其基于蟻群算法的逃生路線規劃與移動智能終端的逃生信息推送，以及室內WiFi定位[21]等功能很好地滿足了人們的需求。

針對各種構造復雜的大型樓宇，該系統在整個走廊通道上都設置了多個相關設備，而且多個設備同時進行工作，不會因為某個硬件壞了而導致整個系統的崩潰，與此同時各個設備間都有信息的交流，實時將采集的數據傳送到終端機上。該項目利用了系統的實時性功能，無論何時何地，只要連上樓宇WIFI且登錄移動端APP，就可以清楚知道用戶所在樓宇的實時情況。

針對目前市場上各種建筑需求的不同，將會由該系統分化出各種符合需求的子系統。如小區樓盤，針對于樓層路線簡單以及人口數量偏多，其子系統上的相關路線規劃功能會相對簡化以及添加住戶之間通信等實用性功能。因此，無論在公共場合或者在小區樓盤，人們的安全保障都會得到大幅提高。該系統具有很好的應用價值及發展前景。

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