高層建筑火災(zāi)逃生控制系統(tǒng)的設(shè)計與研究

崔凱 宋文飛 顏甜甜 李春香

摘要：為解決高層建筑火災(zāi)被困人員的逃生問題，本文設(shè)計了一種高層建筑火災(zāi)逃生控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)以單片機為控制核心，采用太陽能供電模塊提供電能，結(jié)合無線通信模塊來傳送指令;通過拉力傳感器檢測人員進(jìn)出情況，使用步進(jìn)電機驅(qū)動載人裝置運行，從而提高火災(zāi)逃生的安全性與高效性。

關(guān)鍵詞：高層建筑火災(zāi)逃生;單片機;太陽能;無線通信;拉力傳感器

1概述

隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，高層建筑已逐漸成為城市居民住宅的主流。但是在高層住宅建筑中，除步行樓梯和指示燈外，其它的逃生輔助設(shè)備非常少見。高層建筑由于其結(jié)構(gòu)特征與容納人員較多，導(dǎo)致火災(zāi)逃生成為當(dāng)今社會公共安全的重大問題。

現(xiàn)有的火災(zāi)逃生技術(shù)包括緩降繩索設(shè)備、逃生滑道設(shè)備及升降機械類設(shè)備。[1]通過分析發(fā)現(xiàn)存在以下不足：緩降繩索設(shè)備在使用時，纜繩容易出現(xiàn)翻轉(zhuǎn)、碰撞和纏繞，或因逃生人員下降過程中身體晃動而與墻體碰撞，以及下降速度難以精確控制，易導(dǎo)致其受到二次傷害。逃生滑道設(shè)備通常僅能滿足單人使用，逃生效率較低;并且老人、孕婦及嬰幼兒因身體狀況的特殊性難以使用，存在一定的使用局限性。升降機械類設(shè)備通常由建筑內(nèi)的公共區(qū)域電源供電，火災(zāi)時若發(fā)生電路故障便無法正常使用，穩(wěn)定性和可靠性較差。

2系統(tǒng)概述

本設(shè)計主要由單片機、太陽能供電模塊、步進(jìn)電動機、載人裝置、無線通信模塊組建而成。

當(dāng)發(fā)生火災(zāi)時，逃生人員在安全指示燈的引導(dǎo)下，到達(dá)每層樓的逃生口并啟動控制開關(guān)。無線通信模塊向總控單片機STC89C52發(fā)出工作指令，總控單片機通過電機驅(qū)動模塊控制步進(jìn)電動機運行，使載人裝置以預(yù)定速度移動至指定樓層。拉力傳感器檢測人員進(jìn)出情況，通過無線通信模塊發(fā)送運行和復(fù)位指令，完成裝置工作的循環(huán)過程。太陽能供電模塊為系統(tǒng)提供電能。系統(tǒng)設(shè)計框圖如圖1所示。

3硬件設(shè)計

3.1載人裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計

該部分由吊籠、單片機、拉力傳感器、無線發(fā)射模塊以及鋼纜組成。在建筑頂部安裝步進(jìn)電機和鋼纜收放器，步進(jìn)電機的機軸與鋼纜收放器相關(guān)聯(lián)，進(jìn)而驅(qū)動鋼纜收放器收放鋼纜;導(dǎo)向輪安裝在樓房頂部與升降通道的交界處;鋼纜一端連接在鋼纜收放器上，另一端繞過導(dǎo)向輪連接在載人裝置的上端。載人裝置機械安裝結(jié)構(gòu)如圖2所示。

拉力傳感器安裝在吊籠與鋼纜之間，用于檢測人員進(jìn)出吊籠情況。本系統(tǒng)選用由合金材料構(gòu)成的拉力傳感器，具有較高的抗扭強度和良好的抗偏載能力。為降低信號傳輸中的干擾，采用電流模擬信號作為載體，將由拉力傳感器檢測到的信號經(jīng)過信號放大、濾波處理。再通過AD轉(zhuǎn)換器使得單片機對數(shù)據(jù)進(jìn)行采樣、量化。最后通過無線發(fā)送模塊將相關(guān)指令傳至樓頂處的無線接收模塊。

在建筑的外側(cè)設(shè)有自頂向下的升降通道，每層設(shè)置逃生口。[2]載人裝置設(shè)在升降通道內(nèi)，可沿升降通道做豎直方向上的往復(fù)移動。吊籠外部固接有與滑槽相配合的導(dǎo)向滑塊，導(dǎo)向滑塊與滑槽相配合而安裝在樓房的升降通道內(nèi)，吊籠側(cè)壁上設(shè)有朝向各樓層逃生口的入口，實現(xiàn)逃生人員的進(jìn)出。升降通道結(jié)構(gòu)如圖3所示。

3.2步進(jìn)電機的選擇

本系統(tǒng)要求載人裝置根據(jù)控制端的相應(yīng)指令完成上升、下降與暫停工作。由于步進(jìn)電機可以實現(xiàn)快速啟動、停止和反轉(zhuǎn)，并且具有控制性好、運行過程中不受負(fù)載變化的影響、只存在周期性誤差而無累積誤差等特點，故選擇步進(jìn)電機驅(qū)動載人裝置的運行。[4]

3.2.1必要脈沖數(shù)和驅(qū)動脈沖數(shù)計算

參照建筑物高度的指標(biāo)數(shù)據(jù)，本文選定高度為70m的建筑。裝置載重量m為200Kg（含載人裝置），設(shè)置額定下降速度v為1ms。

3.2.2步進(jìn)電動機力矩的計算

3.2.3步進(jìn)電動機的確定

計算結(jié)果表明，必要的電機力矩為31.8[N·m]。選擇扭矩為50[N·m]，工作電壓為80-350V的130BYG350-280三相高壓步進(jìn)電機。根據(jù)上述結(jié)果可得，該電機可提供的最大功率[4]為Pmax：

Pmax=M×ω=M×（2πn60）=3140W

3.3驅(qū)動電路的設(shè)計

由于步進(jìn)電機的驅(qū)動電流較大，電流的通斷導(dǎo)致電磁干擾，影響單片機的正常工作。[5]因此，本系統(tǒng)通過ULN2003A達(dá)林頓芯片驅(qū)動步進(jìn)電機，引腳與步進(jìn)電機連線示意圖，如圖4所示。ULN2003A系列驅(qū)動器的左邊1～8為輸入端，接單片機P2口的輸出端，驅(qū)動信號由P2口的P2.0至P2.3輸出，右側(cè)9～16為輸出端引腳，接步進(jìn)電機，引腳9接5V電源，該驅(qū)動器提供的電流最高為0.5A。

3.4無線通信模塊設(shè)計

無線通信模塊分為無線發(fā)送、無線接收模塊，均選用APC200A-43模塊，[6]其抗干擾性和靈敏度較高，適合于強干擾的惡劣環(huán)境中使用，支持一點對多點的通信。

無線發(fā)送模塊由看門狗芯片MAX813、電壓轉(zhuǎn)換芯片、光電耦合器、APC200A-43無線模塊、RS485芯片、報警指示燈及濾波電路等組成。工作過程中，通過按下控制器的啟動與停止按鈕來為單片機提供高低電平，單片機通過RS485芯片把啟動或停止信號傳給無線發(fā)送模塊。

無線接收模塊主要由DCDC電源轉(zhuǎn)換模塊，APC200A-43無線模塊，RS485芯片，指示燈及控制電路和濾波電路等組成。工作過程中，無線接收模塊收到無線發(fā)送模塊傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，通過RS485芯片傳給總控單片機，經(jīng)總控單片機處理后，控制步進(jìn)電動機的運行。

3.5太陽能供電模塊設(shè)計

太陽能供電模塊安裝在樓房頂部，利用單晶硅太陽能電池板采集太陽能，增強型PMOS管SI2307作為電源轉(zhuǎn)換電路。當(dāng)光線較強時，太陽能電池可在為系統(tǒng)供電的同時，通過CN3722充電管理芯片為蓄電池充電;當(dāng)光線較弱時，蓄電池負(fù)責(zé)系統(tǒng)供電。[7]供電模塊系統(tǒng)框圖如圖5所示。

選用10個24V40AH可充電鋰電池串聯(lián)構(gòu)成的蓄電池組作為儲電裝置，以560kHz的CS5171高效率開關(guān)穩(wěn)壓器作為穩(wěn)壓芯片，輸出穩(wěn)定的5V電壓。

4軟件設(shè)計

裝置上電啟動。總控單片機進(jìn)行初始化，接收到開始指令信號后，載人裝置下降至目標(biāo)樓層。當(dāng)拉力傳感器檢測到拉力增大并穩(wěn)定數(shù)秒時，總控單片機通過電機驅(qū)動模塊控制步進(jìn)電機，使得載人裝置按照預(yù)定速度下落;若此時無拉力增大，則裝置復(fù)位至初始位置。當(dāng)載人裝置下降至距地面安全距離時開始制動，落地后裝置平穩(wěn)停止數(shù)秒。當(dāng)拉力傳感器檢測到拉力減小并穩(wěn)定數(shù)秒時，總控單片機通過復(fù)位電路模塊驅(qū)動步進(jìn)電機，使得載人裝置上升至初始位置;若此時無拉力減小，則裝置繼續(xù)延時等待。總體控制程序流程圖，如圖6所示。

針對裝置下降過程中的突發(fā)情況，逃生人員可啟動載人裝置內(nèi)預(yù)設(shè)的制動按鈕，由單片機2通過無線通信模塊向總控單片機發(fā)送停止指令，控制步進(jìn)電機反轉(zhuǎn)，實現(xiàn)緊急制動功能。

5安全性分析

系統(tǒng)需進(jìn)行安全性分析，具體為裝置的重復(fù)使用性、制動性能及運行穩(wěn)定性。

5.1重復(fù)使用性

在供電模塊充滿電時，儲電量Q儲為9600WH。規(guī)定載人裝置下降至地面后并復(fù)位為一個運行周期，空載質(zhì)量m0為20Kg，設(shè)置裝置空載上升速度v*為2ms。空載額定力矩M*為6.366Nm，電機空載工作功率P*為400W。一個運行周期的總耗電量Q耗：

Q耗=Q負(fù)載+Q空載=P負(fù)載t1+P*t2=65WH

在最大儲電量條件下，可完成147個運行周期，系統(tǒng)的重復(fù)使用性良好。

5.2制動性能

制動性能是評估逃生系統(tǒng)安全性的重要指標(biāo)，本文對裝置的制動距離進(jìn)行分析計算。[8]由額定速度v=1ms與加減速時間t=4s，得制動過程加速度a=0.25ms2。參照電梯緊急制動時平均減速度在0.2～1.0g之間的標(biāo)準(zhǔn)，該制動加速度合理。再根據(jù)S=v2（2a），得到制動距離為2m。

5.3運行穩(wěn)定性

載人裝置通過導(dǎo)向滑塊與滑槽相配合而安裝在樓房的升降通道內(nèi)，其升降平穩(wěn)，不會發(fā)生旋轉(zhuǎn)、傾斜及晃動，鋼纜不會發(fā)生翻轉(zhuǎn)、碰撞和纏繞，運行穩(wěn)定性有保障，可有效避免逃生人員受到二次傷害。

6結(jié)語

該系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單、安全性高、適用范圍廣泛的優(yōu)勢。單片機作為步進(jìn)電機的控制核心，精確控制下降、落地速度;安裝于升降通道的載人裝置，運行穩(wěn)定性高;采用太陽能供電，確保電力中斷時的安全運行。可應(yīng)用于小區(qū)居民樓等高層建筑。

參考文獻(xiàn)：

[1]姚燕生，朱達(dá)榮，吳振坤.高層建筑火災(zāi)緩降逃生設(shè)備綜述[J].安徽建筑工業(yè)學(xué)院學(xué)報，2013，21（4）：42-45.

[2]鐘東階.高層建筑火災(zāi)跨樓層逃生通道設(shè)計[J].湖北工業(yè)大學(xué)學(xué)報，2014，29（4）：80-81.

[3]馬文斌，楊延竹，洪運.步進(jìn)電機控制系統(tǒng)的設(shè)計及應(yīng)用[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2015，41（11）：11-13.

[4]辜承林，陳喬夫，熊向前.電機學(xué)（第三版）[M].湖北：華中科技大學(xué)出版社，2010.

[5]陳虹麗，馬國豪，李強.基于單片機的步進(jìn)電機升降速并行控制[J].實驗技術(shù)與管理，2018，35（7）：84-85.

[6]夏曉東.基于單片機的遠(yuǎn)程無線控制系統(tǒng)設(shè)計[J].煤礦機械，2011，32（8）：223-224.

[7]謝卿.太陽能光伏系統(tǒng)的自動跟蹤式系統(tǒng)[D].華東理工大學(xué)，2012：11-35.

[8]江義濤.再談曳引驅(qū)動乘客電梯制動性能的驗證[J].中國電梯，2018，15：39-40.