高層建筑火災逃生控制系統的設計與研究

劉承云

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

關鍵詞：高層建筑火災逃生;單片機;太陽能;無線通信;拉力傳感器

隨著社會經濟的發展，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，其它的逃生輔助設備非常少見。高層建筑由于其結構特征與容納人員較多，導致火災逃生成為當今社會公共安全的重大問題?，F有的火災逃生技術包括緩降繩索設備、逃生滑道設備及升降機械類設備。通過分析發現存在以下不足：緩降繩索設備在使用時，纜繩容易出現翻轉、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，易導致其受到二次傷害[1]。逃生滑道設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。升降機械類設備通常由建筑內的公共區域電源供電，火災時若發生電路故障便無法正常使用，穩定性和可靠性較差。

一、系統概述

本設計主要由單片機、太陽能供電模塊、步進電動機、載人裝置、無線通信模塊組建而成。當發生火災時，逃生人員在安全指示燈的引導下，到達每層樓的逃生口并啟動控制開關。無線通信模塊向總控單片機STC89C52發出工作指令，總控單片機通過電機驅動模塊控制步進電動機運行，使載人裝置以預定速度移動至指定樓層[2]。拉力傳感器檢測人員進出情況，通過無線通信模塊發送運行和復位指令，完成裝置工作的循環過程。太陽能供電模塊為系統提供電能。

二、硬件設計

（一）載人裝置的結構設計

該部分由吊籠、單片機、拉力傳感器、無線發射模塊以及鋼纜組成。在建筑頂部安裝步進電機和鋼纜收放器，步進電機的機軸與鋼纜收放器相關聯，進而驅動鋼纜收放器收放鋼纜;導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，另一端繞過導向輪連接在載人裝置的上端。拉力傳感器安裝在吊籠與鋼纜之間，用于檢測人員進出吊籠情況[3]。本系統選用由合金材料構成的拉力傳感器，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過信號放大、濾波處理。再通過A/D轉換器使得單片機對數據進行采樣、量化。最后通過無線發送模塊將相關指令傳至樓頂處的無線接收模塊。在建筑的外側設有自頂向下的升降通道，每層設置逃生口。載人裝置設在升降通道內，可沿升降通道做豎直方向上的往復移動[4]。吊籠外部固接有與滑槽相配合的導向滑塊，導向滑塊與滑槽相配合而安裝在樓房的升降通道內，吊籠側壁上設有朝向各樓層逃生口的入口，實現逃生人員的進出。

（二）步進電機的選擇

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

1、必要脈沖數和驅動脈沖數計算

參照建筑物高度的指標數據，本文選定高度為70m的建筑。裝置載重量m為200Kg（含載人裝置），設置額定下降速度v為1m/s。三相六拍步進電機的步進角為θ=360°/（50×6）=1.2°，運行頻率f=3000HZ，計算步進電機轉速n：

2、步進電動機力矩的計算

載人裝置勻速運行過程中所需功率P：P=F×v=mg×v=2000W由電機額定功率計算公式，得到實際所需額定力矩M：

3、步進電動機的確定

計算結果表明，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130BYG350-280三相高壓步進電機。根據上述結果可得，該電機可提供的最大功率為Pmax：

（三）驅動電路的設計

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

（四）無線通信模塊設計

無線通信模塊分為無線發送、無線接收模塊，均選用APC200A-43模塊，其抗干擾性和靈敏度較高，適合于強干擾的惡劣環境中使用，支持一點對多點的通信。無線發送模塊由看門狗芯片MAX813、電壓轉換芯片、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送模塊。無線接收模塊主要由DC/DC電源轉換模塊，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送模塊傳輸的數據，通過RS485芯片傳給總控單片機，經總控單片機處理后，控制步進電動機的運行。

三、軟件設計

裝置上電啟動。總控單片機進行初始化，接收到開始指令信號后，載人裝置下降至目標樓層。當拉力傳感器檢測到拉力增大并穩定數秒時，總控單片機通過電機驅動模塊控制步進電機，使得載人裝置按照預定速度下落;若此時無拉力增大，則裝置復位至初始位置。當載人裝置下降至距地面安全距離時開始制動，落地后裝置平穩停止數秒。當拉力傳感器檢測到拉力減小并穩定數秒時，總控單片機通過復位電路模塊驅動步進電機，使得載人裝置上升至初始位置;若此時無拉力減小，則裝置繼續延時等待。

四、結語：

該系統具有結構簡單、安全性高、適用范圍廣泛的優勢。單片機作為步進電機的控制核心，精確控制下降、落地速度;安裝于升降通道的載人裝置，運行穩定性高;采用太陽能供電，確保電力中斷時的安全運行?？蓱糜谛^居民樓等高層建筑。

參考文獻：

[1]陳震.基于FDS的高層建筑火災疏散系統的設計與實現[D].北京工業大學，2015.

[2]張瑜，袁樹杰.高層建筑火災逃生椅的設計[J].安全，2018，39（1）：19-22.

[3]吳鴻雁，吳碩.支持高層建筑火災逃生訓練的虛擬環境模型研究[J].合肥師范學院學報，2015，33（3）：126-129.