基于ZigBee的大空間建筑智能疏散指示系統優化設計

(茅臺學院釀酒工程自動化系，貴州 遵義564500)

0 引言

隨著我國經濟的高速發展，大空間建筑數量日益增多，其結構設計方面相對于疏散要求具有一定的局限性。一旦發生火災，易導致傷亡事件。深究其發生原因，除了主要的火災發生外，建筑自身的安全疏散設計不合理、疏散管理不規范也成為更為重要的因素[1][2]。建筑中布置的疏散指示彼此是獨立的，沒有信息傳輸功能，不能實現遠程監管與控制。在火災發生時，傳統的疏散指示系統不能做出正確判斷和不能采取合理有效的疏散路徑方向指示，從而無法為疏散人群提供安全有效的疏散路徑指示。ZigBee是基于IEEE802.15.4的一種WLAN協議。它具有通信距離短、傳輸延時小、能源功耗小、建設成本低等優點。多個ZigBee節點可以自組網形成具有數據采集、收發和處理能力的無線傳感網絡。

文章利用ZigBee技術，在改進Dijkstra算法的基礎上，針對大空間建筑設計出一種智能疏散指示系統。使疏散指示標志與疏散照明設備能正常、安全、準確、迅速發揮作用，減少疏散時間，提高疏散效率，降低火災事故造成的人員傷亡，并在大空間建筑的運維、管理及拓展應用等消防管理中發揮積極有效的作用。

1 整體設計

基于ZigBee技術設計出的大空間建筑智能疏散指示系統主要有三種設備構成：一是ZigBee協調器。它是整個疏散指示系統網絡的核心，主要負責啟動系統、配置整個網絡、維護網絡正常工作，保持網絡中設備間的通信。一個網絡只存在一個的ZigBee協調器，連接多個不同區域的ZigBee路由器。管理整個網絡的所有ZigBee疏散終端。二是ZigBee區域路由器。它的功能是協助ZigBee疏散終端申請入網、進行數據跳轉和相互通信。當網絡范圍大時，可將整個網絡中劃分多個區域，分別布置ZigBee區域路由器。三是ZigBee疏散終端。該設備實現探測報警、疏散指示和疏散照明功能，并與網絡上其他疏散終端相互通信，實時指示安全優化的疏散路徑。

位于不同區域的若干ZigBee疏散終端實時采集其周圍環境火災相關信息，然后將信息發送給本區域內的ZigBee路由器。區域路由器對ZigBee終端信息進行匯總，再輸送至本系統中的ZigBee協調器。ZigBee協調器不僅可以收集網絡中所有ZigBee疏散終端傳輸過來的信息，同時還可以針對這些信息作出簡單處理，然后通RS232串口將信息傳送給應急疏散服務器。當應急疏散服務器接收到發送過來的火災信息后，系統會對火災區域中ZigBee疏散終端位置進行標識和編碼，利用改進的Dijkstra最短路徑算法實時地生成安全優化的疏散路徑信息，并回傳給系統網絡中所有ZigBee疏散終端，疏散終端根據收到的疏散路徑驅動其疏散照明和動態疏散指示進行智能引導。監測中心用戶通過管理終端實時地查看ZigBee疏散終端周圍的狀態，也可以通過發送控制命令(單播或者廣播的形式)遠程控制整個系統，實現快速疏散與救援。系統原理如圖1所示。

圖1 大空間建筑智能疏散指示系統的系統的原理圖

2 硬件設計與系統布局

2.1 ZigBee疏散終端

ZigBee疏散終端由疏散照明、動態疏散指示、電源驅動模塊、數模轉換器、CC2530 ZigBee 芯片、MQ-2煙感器、DS18B20溫感器、RH-iVS1120人群密度檢測裝置、TSL2561光感器及RF天線組成。ZigBee疏散終端利用煙感器、溫感器、光感器、人群密度檢測裝置等傳感器采集大空間建筑室內環境的實時相關參數，經過數/模轉換器傳遞給終端核心MCU。MCU將數據通過ZigBee網絡傳遞到系統中的應急疏散服務器進行實時信息處理。同時，MCU接收來之服務器發出的控制指令，根據指令驅動電源模塊來控制疏散照明與動態疏散指示的工作狀態(低功耗休眠、亮狀態、指示方向)。多個ZigBee疏散終端通過ZigBee網絡互聯，形成安全的疏散路徑指示。動態疏散指示可根據火災實時信息，網絡聯動改變指示方向，有效引導人群選擇最佳疏散方向和路徑進行安全疏散。終端原理如圖2所示。

圖2 ZigBee疏散終端原理圖

2.2 系統布局 目前ZigBee網絡的無線拓撲結構主要分為三種：樹型、星型和網狀[3]。文章中利用ZigBee技術設計的大空間建筑智能疏散指示系統采用網狀拓撲結構，拓撲如圖3所示。這種拓撲擁有更為靈活的路由方式。ZigBee網絡中多個區域路由器可以直接進行數據交換，借助相互交換其路由表來更新整個網絡中的路由信息。在傳輸過程中一旦某個路徑上的區域路由器發生故障，系統就會自動地尋找其他路徑進行傳輸。這有助于處理ZigBee網絡連接失敗和數據包丟失等問題，提高了網絡通信效率。本文研究智能疏散指示系統采用改進的ZigBee路由選擇算法，節約傳輸能耗，減少了傳輸距離。因此，該拓撲結構具有自組織、自修復、魯棒性強等優點，適合應用于大空間建筑消防系統的控制和檢測。

圖3 ZigBee網狀網絡拓撲結構圖

3 軟件設計

3.1 ZigBee協議棧

協議棧是協議的具體實現形式，是系統提供給用戶的一個接口，功能是接收和發送無線數據信息。文章中的大空間建筑的智能疏散指示系統采用Z-Stack協議棧。Z-Stack協議棧首先調用osalInitTasks()函數對系統初始化操作，然后調用osal_start_system()函數來啟動抽象層OSAL。OSAL負責管理任務調度和資源分配。按照任務具有的優先級高低順序和時間順序將其加入數組taskEvents，組成了事件鏈表，系統也隨即啟動運行。Z-Stack標記osalTaskRec_t中的events值表示事件發生，主函數根據events值決定是否進行事件處理。OSAL操作系統抽象層在網絡系統運行過程中不斷輪詢任務鏈表隊列，如果發生某一事件，系統就會調用對應的事件處理函數進行操作處理。如：某個ZigBee疏散終端準備發送數據，該終端就會調用發送函數來發送數據；疏散終端準備接收數據，就會調用接收函數接收數據；疏散終端無需傳輸數據，就會調用睡眠函數使終端進行休眠，節約能源。

3.2 影響疏散方向選擇因素分析

經研究發現，疏散方向選擇主要由如下三個方面的因素確定[10]。一是疏散人群到安全出口的距離；二是疏散通道中疏散人群的密度；三是安全出口的寬度。通常距離安全出越近，選擇此疏散方向概率就越大；疏散人群密度越小，選擇此疏散方向概率就越大；安全出口寬度越小，選擇此疏散方向概率也越小。文章設計的疏散指示系統中已經考慮到安全出口的距離因素。下面僅分析人群的密度和安全出口的寬度兩個方面因素。

疏散人群的密度影響人群選擇安全疏散方向的因素之一。文章中的疏散指示系統會盡力選擇人群密度小的方向來控制終端進行該方向的指示疏散。人群的密度影響疏散方向選擇關系表示為公式1。

(1)

式中: CRDi為人群密度因素選擇參數，以百分數形式表示；d為ZigBee疏散終端附近的疏散人群的密度；i表示第i個安全出口；k為密度調節指數，取大于等于零的數值；N為大空間建筑中包括的安全出口總數。

其次，大空間建筑中的安全出口寬度也會影響到人群選擇疏散方向。文章中的疏散指示系統會盡力選擇安全出口的寬度大的方向來控制終端進行該方向的指示疏散。出口的寬度與疏散方向選擇關系可表示為公式2。

(2)

式中: WDHi為安全出口的寬度因素選擇參數，以百分數形式表示；w為大空間建筑中第i個安全出口實際寬度；u為密度調節指數，取大于等于零的數值。

整合以上兩個直接影響疏散指示方向選擇因素，可得到疏散指示方向選擇可能性的量化公式，見公式3～公式5。

(3)

(4)

(5)

式中:CW為文章中疏散指示系統選擇某個疏散方向的概率；α和b分別為人群密度和安全出口的權重系數。利用疏散指示方向選擇的可能性參數，計算ZigBee疏散終端中動態疏散指示選擇方向，優化大空間建筑智能疏散指示系統的設計。

3.3 鄰接矩陣

經典Dijkstra算法是假設系統中最短路徑上的一個頂點僅擁有一個前置點。實際情況往往是，此路徑上有多個前置點位于這個頂點前，即有相同權重系數的多條最短路徑存在。利用鄰接矩陣可以完整的表示系統中多條相同權重系數的最短路徑。

鄰接矩陣能夠正確直觀呈現帶權圖中頂點與頂點之間的相互關系。其中存儲了帶權圖的所有頂點本身信息與頂點之間邊的權重系數。矩陣元素值為∞，則說明沒有邊直接連接這兩個頂點；矩陣元素值為一個正整數w，則說明有一條邊權重系數為w的邊直接連接這兩個頂點；矩陣元素值為0，則說明是同一個頂點。下面圖4、表1分別表示帶權圖及其對應的鄰接矩陣。

圖4 經典 Dijkstra算法帶權圖

表1 對應的鄰接矩陣

3.4 改進的Dijkstra算法

綜合上述方向選擇的影響因素和鄰接矩陣的分析，文章中基于ZigBee設計的大空間建筑智能疏散指示系統采用改進的Dijkstra算法[4]控制ZigBee疏散終端動態實時選擇疏散方向指示。算法流程如圖5所示，算法步驟如下：

圖5 改進的Dijkstra算法流程圖

Step1：ZigBee疏散終端初始化

大空間建筑智能疏散指示系統通過ZigBee網絡對所有ZigBee疏散終端和ZigBee區域路由器進行編號。首先，每個疏散終端只將自身設置為起點，給定其永久p標志，將其余疏散終端暫不設永久p標志，同時，將大空間建筑中的所有安全出口終端設置為終點。系統中各ZigBee疏散終端用CW影響因子參與計算其鄰接疏散終端的最短路徑，構造鄰接矩陣。

Step2：求路徑長度最短的前置鄰接疏散終端

ZigBee疏散終端查找自身的鄰接矩陣，搜索沒有p標志且路徑長度最短的相鄰疏散終端vi。如果vi的路徑長度為∞，則繼續搜索下一個終端，否則，將終端vi設定永久性p標志。

用CW影響因子計算vi的鄰接疏散終端vi+1的最短路徑，存儲vi前置疏散終端及其個數。

如果起始疏散終端經過終端vi到終端vi+1的路徑長度大于終端vi+1現有的最短路徑長度，那么疏散終端vi+1的最短路徑長度將作為起始疏散終端經過終端vi再到疏散終端vi+1的路徑長度。終端vi+1前置鄰接終端包含vi，前置鄰接終端個數加1。終端vi+1最短路徑個數包括經過終端vi的最短路徑數。

如果所有疏散終端都有永久性p標志且達到大空間建筑的安全出口終端，算法結束。否則跳轉到Step2。

Step3：求智能疏散指示系統中最短路徑

考慮CW影響因子，每個ZigBee疏散終端從多個到達安全出口終端的最短路徑中選出一條作為唯一的最短疏散路徑，并將其經過的所有終端加入的最短路徑數組中，修正矩陣元素值。

每個ZigBee疏散終端根據最短疏散路徑信息實時輸出動態疏散指示的方向。

4 系統測試

以某市知名連鎖大型超市為列，對基于ZigBee大空間建筑智能疏散指示系統的功能進行了測試。經過對比測試來驗證本系統在疏散指示方面的有效性與實時性。測試中將該超市分成兩個面積與貨架布局相當的防火分區，一個分區按規范要求沿消防疏散通道布置40個傳統獨立的疏散指示與疏散照明；另一個分區按本系統設計要求布置了30個ZigBee疏散終端，3個ZigBee區域路由器，1個ZigBee協調器以及在消防控制室布置了應急疏散服務器和用戶終端；每個區域分別安排300人，各自擁有3個寬度分別為1.4m，1.8m，2.2m出口。

兩個防火區域疏散指示系統布置完成后，模擬火災發生場景，人群分別按照各自的安全疏散指示開始進行疏散至疏散完畢，并記錄下各自所需要的時間。為保證結果的客觀性，每個防火分區設置不同位置模擬火災著火點，分別進行了10組對照試驗，最終如表2所示。

表2 兩種疏散指示系統疏散時間對比

從表1中可以看出，按照傳統疏散指示系統給出的路線進行人群疏散所需要的平均時間為 257秒，而按照基于ZigBee大空間建筑智能疏散指示系統給出的路徑進行人群疏散所需要的平均時間僅為201.8秒。對比二者，本系統平均縮短了時間長為55.2 秒，由此證明了本系統的有效性，更能保證人員的快速安全疏散。

5 結論

基于ZigBee技術和改進的Dijkstra最短路徑算法，設計出一種優化高效的大空間建筑智能疏散指示系統，經過在實際場所進行疏散測試，結果分析表明：該智能疏散指示系統實時生成的安全優化疏散路徑能夠縮短大空間建筑中人群的疏散時間。所需的時間要遠遠小于按照傳統系統給出的疏散路徑所需要的時間，由此證明了該系統的優勢與價值，更大程度上保證了大空間建筑中的人群安全。