基于2.4GHz無線技術的樓宇火災逃生消防安全教育體驗系統設計與應用

摘 "要：通過2.4 GHz無線控制，結合聲、光、電技術設計模擬樓宇火災逃生體驗系統。該系統利用火焰發生器、煙霧發生器、應急燈照明控制模塊和聲光報警模塊實現火災模擬環境，體驗者可以在模擬火災樓宇場景中進行消防逃生演練；通過電梯操作提示模塊、逃生物品選擇模塊、逃生限高警示模塊和消防隔離門提示模塊規范體驗者的逃生行為，并采用監控抓拍及數據LED顯示系統對體驗者的錯誤行為進行記錄與反饋顯示。利用STM32F411CEU6微處理器對整個系統進行控制，通過2.4 GHz無線數據傳送技術將體驗者的錯誤行為數據傳于LED屏幕顯示，讓體驗者在仿真火災環境中得到良好的火災逃生訓練與消防教育。

關鍵詞：樓宇火災；消防教育；2.4 GHz；無線控制；STM32

中圖分類號：TU892 " " "文獻標志碼：A " " " " "文章編號：2095-2945（2025）10-0034-05

Abstract： A simulated building fire escape experience system is designed through 2.4 GHz wireless control and combining sound， light and electricity technologies. The system uses a flame generator， smoke generator， emergency light lighting control， and modular sound and light alarm modules to realize a fire simulation environment. Experiences can conduct fire escape drills in simulated fire building scenarios; The escape behavior of the experimenter is regulated through the elevator operation prompt module， the escape article selection module， the escape height limit prompt module， and the fire isolation door prompt module， and the monitoring capture and data LED display system is used to record and display feedback the wrong behavior of the experimenter. The STM32F411CEU6 microprocessor is used to control the entire system， and 2.4 GHz wireless data transmission technology is used to transmit data of the experimenter's wrong behavior and display it on the LED screen， allowing the experimenter to get good fire escape training and fire protection education in a simulated fire environment.

Keywords： building fire; fire education; 2.4 GHz; wireless control; STM32

據相關數據顯示，在每年火災發生的傷亡事故中，多數是因為缺乏火災逃生知識或錯誤的逃生方式所引起。近年來，國家針對消防教育采取了一系列措施，要求所有市或縣區建立各類消防教育館及開展一系列消防教育培訓，以不斷地加強和提高人們的消防安全意識。調查發現，很多消防教育館（中心）還是以傳統的圖文、視頻、簡單實物或VR等方式為主開展消防主題教育，而對于樓宇火災消防教育，由于缺乏有效的真實火情場景演示或出于安全原因，只能通過一些圖文視頻進行火災逃生消防教育，往往導致火災安全逃生教育效果不理想[1-2]。

針對樓宇火災逃生消防安全教育，筆者聯合南京火眼金睛信息科技有限公司，聯合開發一套基于2.4 GHz無線技術的樓宇火災模擬逃生消防教育體驗系統，該系統仿真了樓宇火災發生的真實場景，讓體驗者在接近真實的火災場景元素構成的環境中，真實體驗火災逃生過程，快速學習和掌握正確的樓宇逃生技能，達到了很好的火災消防安全教育效果[3-5]。

1 "火災逃生體驗系統簡介

1.1 "系統的構架設計

與其他火災不同，樓宇火災通常發生在人們所居住或工作的樓宇環境下，處于火情中的逃生者在逃離火場的過程中，通常會受到周圍環境的干擾，誤導逃生者選擇錯誤的逃生路線和逃生手段，或者貪戀財物等因素，導致錯過最佳逃生時間造成生命財產的損失[6-7]。圖1為樓宇火災逃生模擬體驗系統構架設計，通過（刷卡或遙控器）無線開啟整個系統模塊，此時中央控制器（主控）發出命令，開啟火災環境實現系統，樓宇內著火點產生模擬火焰與大量煙霧，所有應急燈和火災報警器開啟。火災逃生語音提示系統播報逃生方法與注意事項，逃生者在逃生過程中若觸發逃生選擇提示系統任何模塊，其錯誤逃生行為及觸發次數均傳送至中央控制器，并被視頻監控系統抓拍，所有數據傳送至LED屏進行顯示，同時語音播報系統播報相關警告給逃生者。整個體驗系統運行結束后，LED記錄屏將所有錯誤逃生行為和次數反饋給逃生體驗者。體驗系統的所有模塊均由220 V供電，信號的控制、數據的傳輸均采用2.4 G無線通信技術，真實模擬了樓宇火災逃生的場景，對于火災消防體驗者起到深刻教育警示的作用。

1.2 "系統的工作流程

樓宇火災逃生消防安全教育體驗系統的工作流程如圖2所示，整個系統由系統初始化、火災環境實現控制、逃生選擇提示控制、數據采集與顯示控制和系統環境自檢與結束5個環節組成。

1）系統初始化。系統在上電啟動后，內部指令自動化運行，對單片機最小系統的引腳、寄存器變量等初始化配置，并對系統傳感器、無線模塊、顯示單元等硬件初始化配置，等待系統啟動命令。

2）火災環境實現控制。通過人為刷卡或遙控器將啟動系統，中央控制器發送無線啟動命令：煙霧機開始發煙（15 s后自動結束）、火焰機產生模擬火焰、應急照明燈開啟、火災報警器發出火情警報，溫度加熱模塊將防火門面及門把手自動加熱至75 ℃左右。同時，系統顯示屏啟動、語音播放提示系統開始工作，整個樓宇實現了火災模擬環境。

3）逃生選擇提示控制。系統啟動后，數據記錄和監控抓拍系統開始運行，系統針對逃生物品選擇模塊、逃生限高警示模塊、電梯逃生使用模塊及隔離防火門警示模塊的錯誤逃生行為進行數據記錄和抓拍圖像進行系統無線上傳。

4）數據采集與顯示控制。顯示單元采用LED屏顯示，系統啟動前期，屏幕顯示“歡迎體驗樓宇火災逃生體驗系統！”，在體驗者進入火災現場逃生過程中，主控系統通過2.4 GHz無線數據傳輸技術，將逃生者所有錯誤行為次數進行實時顯示，并將抓拍的錯誤行為圖像進行LED屏幕顯示。

5）系統環境自檢與結束。在整個系統設計中還加入人體紅外檢測環節，實時檢測火災環境中是否還有體驗者未離開火災現場，若有人員未離開現場，系統將繼續工作。若所有人員全部離開現場，系統會在30 s后自動終止，設備及控制模塊恢復到靜默狀態，體驗系統運行時間控制在180 s之內[8]。

2 "模塊功能實現

2.1 "中央控制系統設計

樓宇火災逃生體驗系統中央控制器包含信號發射電路，數據接收采集電路及數據處理與發送電路。中央處理器采用STM32F411CEU6型單片機，采用主頻100 MHzCortex-M4內核，具有高速執行指令和復雜運算的能力，具有高性能、低功耗和抗干擾能力強的特點。無線信號通信采用HC-12無線串口通信模塊，其支持一對一、一對多、多對一和多對多的連接特性，有效無線傳輸距離1 000 m。系統數據采集與發送采用型號NRF24L01的無線2.4 GHz藍牙低功耗無線傳輸模塊，其支持六通道數據接收，內置CRC檢錯和重發丟失數據包等功能[9]。中控系統電路控制原理圖如圖3所示。

系統通過外部提供的220 V交流電源，中央控制器及所有模塊內部其他元件提供24、5、3.3 V直流穩壓電源。分別采用TAS10-24-W2、MP2359、TP362C50S5-1型號穩壓器芯片為系統分別提供24、5及3.3 V直流穩壓電源。

中央控制系統中，單片機通過I/O端發送命令給HC-12無線串口通信模塊，以載波頻率433 MHz發射控制信號至火災環境實現系統、逃生選擇提示系統和數據采集顯示系統，控制3個系統中所有相關模塊啟動，使所有觸發模塊處于正常運行狀態，樓宇模擬火情產生，此時火災逃生體驗者可進入模擬火場進行逃生體驗。逃生體驗者產生的錯誤逃生行為及次數等數據通過433 MHz無線載頻波反饋給中央控制器，并通過2.4 GHz信號傳送至LED屏幕進行顯示。

2.2 "火災環境實現系統設計

如圖4所示，火災環境實現系統包含了火焰機控制模塊、煙霧機控制模塊、逃生應急燈控制模塊和消防報警器控制模塊4個部分。火焰機控制模塊和煙霧機控制模塊主要利用聲光電技術，模擬樓宇內火災發生時產生的火焰和煙霧。此時樓宇內所有照明電路被關閉，同時打開應急照明電路，保證體驗者在逃生過程中的應急照明。

火災環境實現系統均是通過串口通信接收到控制信號“0”（關）、“1”（開），啟動/關閉設備，因此在設計時，采用通用模塊的設計理念，通用模塊主要為電源電路、微處理器處理單元、控制電路3部分。

系統無線控制器發送低電平信號至光耦合器“M_SCREN”接口，如圖5所示，使光耦合器件“1”“2”引腳形成電勢差，內部發光二極管發出光線，光敏三極管接收到光線，內部導通，也就是光耦合器件的“4”“6”引腳導通，右側電路形成閉合回路，設備端得電；R18、R19電阻起到限流作用，二極管U6起到穩壓作用。根據不同的控制對象選擇R14、R17、R19電阻是否連接。控制電路通過控制各個模塊電源通/斷實現。

2.3 "逃生選擇提示系統設計

逃生選擇提示系統包括隔離防火門加熱模塊、激光紅外限高模塊、逃生物品選擇模塊、電梯逃生使用模塊及語音播報提示模塊。當逃生系統啟動后，中央控制器通過2.4 G無線信號開啟語音播報器，全程進行語音播放火災逃生注意事項。

隔離防火門加熱模塊啟動時，控制鑲嵌在防火門表面的PTC加熱板（400 mm×400 mm）及門把手上PTC迅速加熱至75 ℃左右，通過高溫警示逃生體驗者禁止使用[10-11]，如圖6（a）所示1、2、3位置。逃生體驗者若打開防火門，則通過2.4 GHz無線觸發監控系統抓拍系統和中央控制器錯誤行為模塊。

激光紅外限高模塊是由2組632 nm一字激光指示器和多組柵狀紅外觸發對射器組成，安裝在通道兩邊1.1 m左右的高度，如圖6（b）所示。火災發生時，通過激光限高指示線提示逃生者，當煙霧濃重時要彎腰逃生，防止煙霧中毒[12-13]。逃生者一旦超過限高高度，則觸發紅外對射報警，并通過2.4 GHz無線觸發監控抓拍系統和中央控制器錯誤行為計數裝置進行抓拍和計數。

逃生物品選擇模塊是由“雨傘”“錢包”“手機”“水”“棉毛巾”“化纖毛巾”組成，如圖7（a）所示。體驗者在逃生時如果選擇正確的物品時，通過2.4 GHz無線觸發語音模塊播報“悅耳”提示音，如果選擇錯誤物品時，則播報“刺耳”提示音，并觸發監控抓拍系統和中央控制器計數裝置；電梯逃生使用模塊用于提示體驗者在火災發生時禁止乘用電梯逃生，體驗者如果按下電梯鍵時，如圖7（b）通過2.4 GHz無線觸發監控抓拍系統和中央控制器計數裝置。

2.4 "數據采集與顯示系統設計

數據采集與顯示系統由監控抓拍攝像頭和LED屏顯示屏幕組成。火災逃生體驗系統啟動后，體驗者進入火災體驗系統，其在逃生過程中，所有錯誤行為均通過觸發監控抓拍攝像頭進行記錄，并在LED屏幕中進行循環顯示。同時所有發生火災逃生的錯誤行為次數均通過無線觸發中央控制器單片機進行記錄， 并利用串口通過NRF24L01無線2.4 GHz藍牙傳輸模塊將所有數據實時傳輸至LED屏幕進行實時顯示（圖8）。

3 "程序設計與實現

系統的整體采用C語言程序設計，系統初始化階段完成上電后，中央控制器進行初始化工作：串口初始化usart1_init（）；中斷初始化exit_init（）；定時器初始化time_init（）I/O；端口初始化P0 = 0x00; 外部設備初始化BUZZ = 1；AB=1；并通過2.4 G無線模塊發出工作指令（初始化）SendString（“system wait...＼n”）；noworking（）。

啟動階段：如果card==0，代表刷卡成功，系統進入工作模式flag_work=ON，開始工作。系統開始工作startwork（），2.4 G無線模塊發送啟動指令SendString（“system working ...＼n”）及數據到顯示屏顯示sprintf（buf，“dianti：%dyuanpan：%dxiangao：%d＼n”，（int）elevator，（int）disc，（int）limit）、SendString（buf）、working（elevator/2，disc/2，limit/2），并同時開啟發煙機等設備；其他設備啟動階段：15 s后，發煙機發出煙霧，報警器發出警報聲，語音播放器播放警示語音。

人員行為監測階段：elevator_exit（）、disc_exit（）、limit_exit（）3個函數分為用于人員乘坐電梯、未匍匐前行、物品選擇錯誤行為記錄，如果有錯誤行為，實時數據增加：elevator++、limit++、disc++，同時報警器發出1S報警聲BUZZ=0，然后再通過2.4 G無線模塊發送實時數據到顯示屏顯示。

人員出入監測階段：如果在人員行為監測階段檢測到人員再次進入humman==0，定時器計數初始化times=0；如果定時器計數大于55 s，即timesgt;=WAIT_T

IME*20，系統停止工作flag_work=OFF，系統進入等待刷卡啟動階段。

該系統的軟件實現了平板電腦或Android系統的控制，上位機與下位機通過2.4 G路由器通信。路由器的每個數據幀尋找一條最佳路徑實施傳輸，并將所有經過的數據實時而有效地傳送到目的站點。通過專用局域網，路由器與上位機和下位機的聯接使用設置密碼的賬號實施通信，采用UART通信協議，通信過程中設置合理的通信參數：波特率115 200 bps、8 bit（LSB First）數據位、1 bit停止位、無奇偶校驗位。系統中每個下位機模塊設置唯一固定的地址，方便識別模塊。

4 "結論

基于2.4 GHz無線傳輸技術設計的消防教育系統，通過控制火焰機、煙霧發生器、消防應急燈及火災報警器真實模擬了樓宇樓道中發生火災時的場景，體驗者在逃生體驗過程中，通過利用逃生選擇提示系統、隔離防火門加熱模塊、逃生物品選擇模塊和電梯逃生使用，讓其可以深入體驗并學習樓宇消防逃生等相關知識。監控抓拍系統、錯誤行為數據采集系統結合LED屏幕顯示系統的數據實時反饋，有效提高了樓宇火災逃生消防教育的學習效果，對于消防安全教育有著重大的意義。通過測試，該系統的所有無線通信及數據采集準確率達到99%以上。目前該系統已經完成成果轉化，應用在全國各地的300多家不同類型的消防教育基地，取得了良好的火災消防教育效果。

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