智能集群控制消防應(yīng)急指示燈的設(shè)計(jì)方案
摘 要：為克服傳統(tǒng)消防應(yīng)急指示燈的缺陷，設(shè)計(jì)出一種新型的智能集群應(yīng)急逃生指示終端。智能終端采用單片機(jī)技術(shù)實(shí)現(xiàn)對設(shè)備的及時監(jiān)控和功能操作，并采用CN3052A 芯片對關(guān)鍵部件鋰電池進(jìn)行合理的充放電管理，服務(wù)器平時通過RS485 通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)時監(jiān)控各個終端，實(shí)時報(bào)告設(shè)備狀況，在險(xiǎn)情發(fā)生時自動將危險(xiǎn)信息傳送到各個終端，照明終端自動打開，指示類智能終端根據(jù)險(xiǎn)情自動計(jì)算出合理的逃生方向。理論及試驗(yàn)表明，本設(shè)計(jì)具有較高的實(shí)用價值。
傳統(tǒng)的消防應(yīng)急標(biāo)志燈有一個致命缺陷，就是它只能指示一個固定的逃跑方向，一般是指向最近的安全門，但是這樣會出現(xiàn)很多不利情況：如果指示的前方發(fā)生火災(zāi)或正是煙霧蔓延過來的方向，或安全門由于故障而不能自動開啟，或建筑內(nèi)的消防應(yīng)急燈在平時沒能實(shí)時維護(hù)，在危機(jī)情況出現(xiàn)故障時，消防應(yīng)急標(biāo)志燈失去了應(yīng)有的作用，所以目前應(yīng)用的傳統(tǒng)消防應(yīng)急燈有很大的局限性。對此我們設(shè)計(jì)出一種新型的智能應(yīng)急逃生指示終端，能夠?qū)崟r報(bào)告設(shè)備狀況，在險(xiǎn)情發(fā)生時自動將危險(xiǎn)信息傳送到各個終端，照明終端自動打開，指示智能終端根據(jù)險(xiǎn)情自動計(jì)算出合理的逃生方向。
1 智能消防應(yīng)急逃生指示與管理維護(hù)系統(tǒng)的組成
智能應(yīng)急逃生指示系統(tǒng)包括智能終端（智能應(yīng)急照明燈、智能應(yīng)急指示燈）、傳輸網(wǎng)絡(luò)和服務(wù)器三部分。
智能終端是具有地址和可變向功能的消防應(yīng)急標(biāo)志燈、地面和墻壁導(dǎo)流燈及消防應(yīng)急照明燈，并將一個建筑物內(nèi)所有這些智能終端與已有的智能消防報(bào)警系統(tǒng)聯(lián)動起來。利用消防報(bào)警系統(tǒng)的報(bào)警信號作為智能逃生指示系統(tǒng)的輸入信息，由系統(tǒng)對信息進(jìn)行處理，最后通過智能控制消防應(yīng)急標(biāo)志燈和導(dǎo)流燈的指示，以及應(yīng)急照明燈的開啟，幫助人群實(shí)時選擇最佳逃生路線。智能終端除對關(guān)鍵部件鋰電池進(jìn)行合理充放電管理之外，還必須對光源，電池狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測，以保證終端良好的運(yùn)行。
圖1 智能消防應(yīng)急逃生指示系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成。
傳輸網(wǎng)絡(luò)采用RS485 通信網(wǎng)絡(luò)，其作用是將消防報(bào)警系統(tǒng)的報(bào)警信號傳給服務(wù)器。
服務(wù)器主要用來管理設(shè)備數(shù)據(jù)，自動分配終端通信地址，發(fā)布險(xiǎn)情信息，定期打印維護(hù)報(bào)表。
2 智能消防應(yīng)急終端硬件電路設(shè)計(jì)
2.1 系統(tǒng)組成
系統(tǒng)由中央處理單元、AC/DC 電源單元，鋰電池充放電管理單元、RS485 通信單元、故障/信息顯示單元，狀態(tài)檢測單元、LED 指示單元、聲音報(bào)警單元組成，其中核心部件為單片機(jī)、485 通信單元、鋰電池充放電管理單元。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖2 所示。
圖2 智能消防應(yīng)急逃生指示系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成
中央處理單元采用STC89C52RC 系列單片機(jī)，具有寬電壓，可消除電源抖動的特性，正常工作時電壓范圍可達(dá)3.4-6V;AC/DC 電源模塊采用金升陽電源LH05-10B05 系列，將AC220V 轉(zhuǎn)為DC5V 后，作為單片機(jī)和充電鋰電池的輸入電壓。
在串行通訊中，收發(fā)雙方對發(fā)送或接受的波特率必須一致。由于常用波特率按規(guī)范取為1200, 2400,4800, 9600……，為了避免通信時產(chǎn)生累積誤差，進(jìn)而產(chǎn)生波特率誤差，影響串行通信的同步性能，在本系統(tǒng)中采用11.0592MHZ 的晶振。系統(tǒng)主電路如圖3.
圖3 系統(tǒng)主電路。
2.2 鋰電池充放電管理電路
高性能、高可靠性的電池管理系統(tǒng)能使電池在各種工作條件下獲得最佳的性能。
CN3052A 是可以對單節(jié)鋰離子或者鋰-聚合物可充電電池進(jìn)行恒流/恒壓充電的充電器電路。該器件內(nèi)部包括功率晶體管，應(yīng)用時不需要外部的電流檢測電阻和阻流二極管。圖4 為鋰電池充放電管理電路。
圖4 鋰電池充放電管理電路。
其中LEDl和LED2分別指示漏極開路輸出的電池故障狀態(tài)和漏極開路輸出的充電狀態(tài)，當(dāng)TEMP 管腳的電壓低于輸入電壓VIN 的45%或者高于輸入電壓VIN 的80%超過0.15 秒時，表示電池溫度過低或過高，被內(nèi)部開關(guān)下拉到低電平，指示電池處于故障狀態(tài)，除此以外， 管腳將處于高阻態(tài)。當(dāng)充電器向電池充電時，管腳被內(nèi)部開關(guān)拉到低電平，表示充電正在進(jìn)行，否則將處于高阻態(tài)。C7 和C8 采用的是多層陶瓷電容器（MLCC），能保證充電電路穩(wěn)定工作，RIST 在充電時起限流保護(hù)的作用，同時還要將兩個管腳與單片機(jī)的P1.2 和P1.3 相連，以便讀取電池狀態(tài)傳遞給服務(wù)器。
RS-485 接口具有良好的抗噪聲干擾性、較長的傳輸距離和多站能力等優(yōu)點(diǎn)。在構(gòu)建通信網(wǎng)絡(luò)時，采用一條雙絞線電纜作總線，將各個節(jié)點(diǎn)串接起來，從總線到每個節(jié)點(diǎn)引出的線應(yīng)盡量短，以便使引出線中的反射信號對總線信號的影響最低；同時應(yīng)注意總線特性阻抗的連續(xù)性，在阻抗不連續(xù)點(diǎn)會發(fā)生信號的反射。
此外要根據(jù)通信距離和功耗選擇在兩終端之間加終端電阻或電阻電容完成總線匹配，通常雙絞線特性阻抗約在100Ω 到130Ω 之間。
RS485 標(biāo)準(zhǔn)并未對總線上允許連接的收發(fā)器數(shù)量作出規(guī)定，但規(guī)定了最大總線負(fù)載為32 個，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)與所選RS485 芯片驅(qū)動能力和接收器的輸入阻抗有關(guān)，每單位負(fù)載阻抗約12KΩ，為擴(kuò)展總線節(jié)點(diǎn)數(shù)，可將輸入電阻增加至48KΩ 以上，節(jié)點(diǎn)數(shù)就可128 個，96KΩ 的輸入電阻允許節(jié)點(diǎn)數(shù)位256 點(diǎn)，SP485R 標(biāo)稱最大值為400 點(diǎn)，實(shí)際中，因線纜長度、線徑、網(wǎng)絡(luò)分布、傳輸速率不同，實(shí)際節(jié)點(diǎn)數(shù)達(dá)不到理論值。通常推薦節(jié)點(diǎn)數(shù)按RS485 芯片額定最大值的70%選取。
STC89C52RC 與MAX485 接口電路如圖5 所示。
圖5 STC89C52RC 與MAX485 接口電路。
2.4 其他外圍電路
聲音模塊選用National Semiconductor 公司的LM386 低壓音頻功放模塊，該模塊是專門為低壓應(yīng)用而設(shè)計(jì)的，功放增益在內(nèi)部設(shè)定為20,可在外部管腳連接電阻電容提高增益，增益范圍為20~200.
LED 指示燈利用定時器產(chǎn)生的PWM 信號進(jìn)行2級亮度控制，當(dāng)發(fā)生火警時調(diào)為高亮。在設(shè)計(jì)中使用PWM 調(diào)光是基于LED 的一個基本性質(zhì)：發(fā)射光的特性隨著平均驅(qū)動電流而偏移。對于單色LED 來說，其主波長會改變，對白色LED 來說其相關(guān)顏色溫度（CCT）會改變。對于人眼來說，很難察覺到紅、綠、藍(lán)在LED 中幾納米波長的變化，特別是當(dāng)光強(qiáng)也在變化的時候；但是當(dāng)白光的顏色溫度變化時很容易檢測的。PWM 調(diào)光信號的頻率必須大于100Hz,否則可能出現(xiàn)閃爍或抖動。
撥碼開關(guān)SW-DIP5 的作用是通過斷開和接通各位以調(diào)節(jié)相應(yīng)P0 口的高低電平來確定各終端的地址，以方便在服務(wù)器上識別終端位置。
此外系統(tǒng)外接一DS18B20 溫度傳感器，除了可以接受服務(wù)器傳來的火警信息之外，還可以自行檢測周圍溫度，在程序中設(shè)定溫度上限值，當(dāng)超過這一限定值時可以自行報(bào)警。
3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
圖6 程序流程圖。
軟件開發(fā)環(huán)境采用的是uVison2,uVison2 是Keil公司關(guān)于8051 系列MCU 的開發(fā)工具，可以用來編譯C 源碼、匯編源程序、連接和重定位目標(biāo)文件和庫文件、創(chuàng)建HEX 文件、調(diào)試目標(biāo)程序等。為了方便程序調(diào)試和提高可靠性，軟件采用模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，主要由初始化程序、主程序、子程序、中斷服務(wù)程序等組成。單片機(jī)上電后即開始循環(huán)執(zhí)行與服務(wù)器通信的程序，采集服務(wù)器的數(shù)據(jù)信息，當(dāng)發(fā)生火警時根據(jù)服務(wù)器提供的險(xiǎn)情發(fā)生的終端位置，決定將相應(yīng)的指示燈打開并高亮顯示，同時打開語音模塊提示。主程序流程如圖6 所示。
4 智能消防應(yīng)急逃生指示與維護(hù)系統(tǒng)操作平臺
1） 硬件環(huán)境。
a） CPU:P4 同類檔次或更高檔次以上；
b） 內(nèi)存：1G 以上內(nèi)存；
c） 硬盤空間：160G以上均可；
d） 顯示器：VGA 或更高分辨率，建議分辨率為1024x768 像素。
2） 軟件環(huán)境。
a） 服務(wù)器端操作系統(tǒng)：WindowsXP/Vista;
b） 服務(wù)器端軟件平臺：Mircosoft.NET Framework.
3） 服務(wù)器軟件描述
該服務(wù)器端軟件采用基于Mircosoft.NET Framework 的c#語言編寫，利用。NET 平臺的強(qiáng)大的控件庫，編寫了人機(jī)交互良好的操作界面，并利用其serialPort控件，實(shí)現(xiàn)與485 總線上的終端之間的通信。該服務(wù)器端軟件主要功能是：圖形化操作界面，操作簡單；圖形化設(shè)備數(shù)據(jù)編輯、修改、刪除；多種形式實(shí)時顯示終端設(shè)備狀態(tài)；根據(jù)終端的接入信息自動生成設(shè)備數(shù)據(jù)；自動生成年檢、月檢報(bào)表。
5 測試結(jié)果與結(jié)論
根據(jù)電路原理圖搭建硬件電路并用萬用表檢查線路連接是否有短路的地方，在連線正確的前提下進(jìn)行硬件功能調(diào)試。通電后用示波器檢測單片機(jī)的ALE 管腳，觀察輸出地波形為2MHZ 的方波，說明單片機(jī)工作正常。通信測試是本設(shè)計(jì)最重要的測試部分，通信采用RS485 通信程序，測試儀與上位機(jī)的通信采用RS485 協(xié)議。串口參數(shù)為：波特率9600,數(shù)據(jù)位8 位，1 個校驗(yàn)位，1 個停止位。其數(shù)據(jù)格式如表1 所示。
表1 串口通信數(shù)據(jù)格式
由于RS485 總線協(xié)議與RS232 串口協(xié)議只是接口電平上有區(qū)別，其軟件編程完全按照串口通信協(xié)議進(jìn)行，此處不再詳述。該系統(tǒng)設(shè)計(jì)程序在PCB 板上下載調(diào)試通過，當(dāng)模擬火災(zāi)信號的標(biāo)志位置位或溫感采集的信號超過上限值時，喇叭與指示燈迅速響應(yīng)，同時將火災(zāi)報(bào)警信息上傳給上位機(jī)，然后上位機(jī)再將火災(zāi)信息傳遞給其他聯(lián)網(wǎng)終端，以便實(shí)時指導(dǎo)人群迅速逃離火災(zāi)現(xiàn)場。
現(xiàn)代化城市不斷高速發(fā)展，對于火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)的要求也越來越高。智能化城市火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)已并非傳統(tǒng)意義上簡單的報(bào)警設(shè)備，而是融入了計(jì)算機(jī)技術(shù)、電子技術(shù)、自動控制技術(shù)、傳感器的應(yīng)用等各領(lǐng)域知識。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，智能集群控制火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)必將得到更快的發(fā)展。
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