张 伟， 陈雪芯，张丽红，高 强， 王祥龙，宋小康，张佳豪

(西安文理学院 机械与材料工程学院，西安 710065)

随着社会经济的不断发展，建筑正在朝着高层化、密集化的趋势发展[1]．虽然高层建筑与超高层建筑提高了土地利用率，但也给火灾消防带来了难题．由于高层建筑楼层较多且空间狭小、人员流动大、管线设备复杂，高层建筑发生火灾时的人员疏散及救火都十分困难[2]．此外，高层建筑燃烧时会产生烟囱效应，烟雾毒气大且排烟困难，火源的所在位置也影响着火灾蔓延程度与逃生路线的选择[3]．

当高层建筑发生火灾时，如何在火灾初期及时预警，并迅速找到最佳的逃生方案帮助受困者进行自救就显得尤为重要．

国外消防逃生装置很多，有逃生滑梯、缓降器、消防梯等装置，但大部分不适合家庭使用，存在很多问题，甚至会加剧火灾的伤亡．国内消防产品主要有消火栓、灭火器等，但主要用于公共消防，供专业人员使用，需要经过专业培训才能操作[4]．国内市场在家庭消防产品方面存在空缺．

本文基于无线通信WiFi技术和多传感器融合技术，设计了一款火灾预警及逃生门锁系统，它通过监测每层每户的数据实现火灾预警功能，并且根据采集到的数值通过语音播报给受困者提供逃生路线[5-6]．本系统经由硬件制作及运行测试，达到了预期的效果，可以实现所有预期功能．将本产品应用到高层建筑中，可提高火灾预警的准确性与及时性，实现在火灾来临时帮助被困人员及时进行自救，预期可以有效降低了高层建筑火灾死伤率．

火灾预警及逃生门锁系统主要由：门锁端、门把手端和物业终端三部分构成，系统整体网络图如图1所示．

图1 系统整体网络图

门锁端主要用于感知火情及火灾预警，通过多传感器网络收集气体参数，检测到火情的门锁会通过语音模块和LED模块警示用户，与此同时会将火势信息通过WiFi模块发送到物业终端．物业终端主要作为中枢，负责将接收到的各个门锁端的信息进行处理，并反馈至房间门锁端及把手端．门锁与把手之间为可拆卸结构，当用户卸下把手后，把手即脱离于门锁端，形成把手端，供用户握持进行逃生．把手端主要负责为用户提供逃生方案，通过与逃生门上的门锁端WiFi交互进行定位、导航逃生．

1.1 系统的主要功能

火灾预警及逃生门锁系统包括如下功能：(1) 通过采集各门锁端的气体参数，对高层建筑每层每户进行实时监测，确定火源及火势情况；
(2)由物业终端汇总整合后的信息反馈至门锁端，实现火灾预警，帮助受困者实现火灾初期及时的灭火及自救；
(3)通过处理、分析收集到的火情数据，为受困者制定逃生方案；
(4)把手端化身电子导航，为受困者规划路径并语音播报．

1.2 系统工作方式

当发生火灾时，火源附近的门锁通过多传感器系统模块采集烟雾、气体的参数值，并将其与系统设置的阈值进行比较．当超过阈值，微处理器此时会判断有火灾发生，随即将火情数据通过WiFi模块发送给物业终端的总处理器．物业端通过将采集到的数据进行汇总，并将信息反馈至各个门锁端，起到对各层用户的预警功能．此时，门锁端会通过语音模块向用户告知火情来临并为用户制定逃生方案．

若可以逃生，门把手上绿光闪烁，用户可将门把手卸下，把手在与原先门锁WiFi 断开连接同时自动与附近逃生门上门锁的WiFi连接，终端根据门把手产生WiFi信号的强弱来判断用户的位置，物业终端结合当前火情的位置给出用户的逃生路线，门把手会有语音提示来帮助用户进行逃生．

若火势较大且无法逃生，此时门把手上红光闪烁，语音模块会提示用户原地等待救援，同时定位模块会由WiFi模块将用户的受困位置发送至物业终端，便于搜救．

2.1 系统的材料选择

目前市场上已有的门把手多采用铝合金和不锈钢材质及电镀工艺，未采用防火涂料，无法规避常规火灾中500℃～800℃高温对系统的烧毁，造成受困者因为把手温度过高无法开门逃生的人员伤亡现象．为了实现隔火、绝热的作用，通过对现有的防火涂料进行分析、研究，发现绿色防火隔热材料，如阻燃和隔热型混合水性聚氨酯涂料、水性超薄型钢结构防火涂料或高端泡沐陶瓷材料[7-8]作为防火涂料，可以实现门把手的隔火、绝热．此外，还需对电力系统及线路进行保护，可采用多层涂料，内层采用多孔材料，中层采用陶瓷防火材料，外层采用燃烧蒸发材料进行防护，可通过新型的阻燃剂改善复合涂层的防火性能[9-10]．

2.2 系统的机械设计

机械设计方面，对普通门锁进行改造，重构了把手端各模块的布局，门把手的机械结构如图2所示．通过如图3所示的连接改装件，增加了门锁端和把手端间的可拆卸功能．在正常工作时，将门把手顺时针旋转90°后完成日常的开门动作；
当火灾发生时，将把手逆时针旋转至死点位置后可卸下，受困者手持门把手进行逃生，此时把手端开始电子导航为其提供逃生路线．

图2 门把手机械结构图

在布局方面，把手端采用滑盖设计，将内部空间掏空并采用如图4所示的分层式结构，将各模块的元件全部置于狭小的空间中，通过滑盖装置，将原本封闭的空间变成半开放式的空间，由干电池进行供电．方便维修，易拆卸．

图4 门把手内部安装图

2.3 系统的硬件设计

本系统采用STM32F103C8T6微控制器作为主控模块，由MR628语音模块和ESP8266无线通信模块、火焰传感器、MQ-2烟雾传感器模块、CO传感器模块和RGB灯模块组成．通过火焰传感器、MQ-2烟雾传感器和MQ-9一氧化碳传感器采集气体的参数值，并将其发送至微控制器端与预设的阈值进行比对．当检测到超过阈值时，微处理器会将火灾数据通过WiFi模块发送至物业终端的总处理器，与此同时 RGB灯模块上的LED灯会闪烁、语音模块提示用户火灾来临，把手会为用户制定相应的逃生方案．系统的硬件设计图如图5所示，系统的总体思路图如图6所示.

图5 系统硬件设计图

图6 系统总体电路图

软件部分分为前端(即传感器网络端)及后端(即物业终端)，后端处理经由前端传输的数据，判断用户当前的信息并给受困者提供最适合逃生方案．每层楼两边各有一个逃生门及逃生通道，前端通过WiFi测距实现定位，并将位置信息传递给后端．

用户拆下把手开始逃生时，把手与原先门锁的WiFi断开连接，随机与附近的逃生门上的门锁WiFi进行连接．把手端导航时的路径规划的优先级如下：

(1)语音模块会优先选择距离用户最近的一条逃生通道进行导航；

(2)当该条通道被毁坏时，会提供第二条逃生通道，以此类推，直至没有逃生通道；

(3)当逃生通道均被毁坏时，会告知用户原地等待救援，与此同时微处理器会根据WiFi的连接状态将用户位置范围告知物业终端，方便救援人员搜救．

结合高层建筑着火的特点可知，当火灾发生时的逃生路线规划如下：

(1)受困人员由所处房间出发，经由走廊到达最近的逃生通道，再由逃生通道到达第一层即视为成功逃生；

(2)若火源在用户所处楼层之下，且火势已将通往下层的逃生通道阻断，则应当朝火源相反的顶层逃亡，争取救援时间；

(3)若逃生通道均被阻断，则受困人员原地等待救援．

系统的流程框图如图7所示.

图7 系统程序流程框图

为了检测门锁功能的实现程度，按比例搭建了实验环境．制作了一个440 mm×200 mm×220 mm的高层建筑模型，其3D仿真图及实物图见图8和图9．该建筑共设有三层，每层共有十间房间，经过测量每间房面积为0.003 7 m2，每间房体积为0.065 4 m3．假设每间房为独立的单元，将其以[3.71:104]比例代替100 m2的实物房间进行模拟实验．每层左右两侧各设有对应的逃生门以及逃生通道，逃生门上同样配有本门锁系统．该模型第一层对应高层建筑的中下部楼层，第二层对于中间楼层，第三层对应中高楼层．在不同楼层的不同位置分别安放门锁，通过点燃不同材质的物品模拟火灾时的烟雾，在密闭的实验室内进行气体浓度的检测与测试．

火灾一般可分为正常期、阴燃期、发展期和燃烧期四个阶段．在阴燃期以后燃烧材料会随着温度升高开始分解，气体的种类和浓度都会发生变化．通过测量气体的浓度变化，以及种类变化，根据演变气体特征来检测火情的发生[3]．已知传感器系统可检测的各类的气体阈值为表1所示，其中CO为火灾预测的理想气体[11]．质量浓度的计算公式如式(1)，根据式(1)计算得到CO的可检测浓度范围如式(2)和式(3)所示，分别表示下限和上限.

质量浓度(mg/m3)=体积浓度(ppm)×分子量/24.5

(1)

CO可检测浓度范围：

10×28/24.5≈11.43 mg/m3

(2)

1 000×28/24.5≈1 142.90 mg/m3

(3)

图8 三层仿真高层建筑3D图

图9 三层仿真建筑模型

表1 传感器检测各类气体的阈值范围 单位：ppm

在CO可检测的气体浓度范围下，按照高层建筑模型和实物房间的比例进行相应的气体烟雾浓度的模拟，以此来进行火灾仿真与实验．在密闭的实验室及规定的气体浓度阈值条件下，通过下述实验，来论证本方案的可行性和门锁各项功能的实现程度．

实验一是对门锁预警功能的检测，其结果如表2所示．实验二是对门锁的逃生方案制定及定位功能的检测，结果见表3．实验三是对门锁导航功能的检测，结果见表4．

表2 门锁预警功能实验结果

由表2实验结果可知，当气体的浓度在阈值范围内时，门锁预警功能正常，可以检测到火情的发生；
当未在阈值范围内时，火势过大会导致门锁内部损坏从而出现未预警的情况．在极少数情况下，门锁会由于周遭CO气体浓度升高而出现错误预警的情况．虽然未发生火情，但是由于CO气体对人体有害，预警可以起到警示作用．

分析表3实验结果可知，当在阈值范围内时，物业端可以接收到用户位置信息且与用户实际所处位置相符合，此时门把手指定的逃生方案与实际火势情况相吻合：当超出阈值时，因火势较大造成传感器内部损坏，使得门锁定位功能受到影响，出现把手端方案规划错误的现象．

表3 门锁定位功能实验结果

分析表4实验结果可知，当把手开始导航时，可以根据实际火情为用户导航进行逃生，但经由多次实验发现，若火势较大可能存在传感器受损影响导航，使得把手出现错误导航的情况．

表4 门锁导航功能实验结果

图10 门锁功能成功率柱形图

对上述试验数据进行拟合与分析后可知，在气体浓度阈值范围内，门锁的预警、定位及导航功能在火情发展的四个阶段内成功率如图10所示．当气体浓度超出阈值范围后，门锁部分功能会受到影响；
当温度过高时会致使门锁结构损坏，造成失灵现象．针对这一问题进行改进，即当把手检测到气体浓度超出阈值后，会闪烁红光并通过发出警报警示用户；
当门锁内部结构受高温影响损坏时，门锁同样会立即发出警告警示用户，用户可在原地等在救援.与此同时，门锁将结构损坏的信息和当前用户所处位置等数据发送至物业端．通过多次试验，当气体浓度超出阈值后或温度过高致使结构损坏时，门锁均能发出警报提前提示用户原地等待救援，物业端可接收门锁端的数据．

通过上述三个实验可知，门锁实现了火灾预警、导航及路径规划的功能．

针对高层建筑火灾时逃生自救的问题，本文设计了一款基于无线通信WiFi 技术和多传感器网络的火灾预警及逃生门锁系统，可实现辅助受困人员在火灾来临时进行及时的自救．通过搭建硬件电路、软件调试，对门锁进行了多次、多组实验．由实验结果可知，该方案可行，门锁可以实现火灾预警、定位及导航功能，且现有的电子器件和技术能够满足本款门锁量产的需求．

将本产品应用到高层建筑中，可提高火灾预警的准确性与及时性，实现火灾初期及时预警火情并辅助被困人员进行自救．可以有效地降低高层建筑火灾死伤率，拯救民众生命及财产．在后续的性能优化中，可以针对门锁的导航功能建立更全面的、基于BIM的动态火灾逃生路径规划方法来更精准地对受困人员进行路径规划[12]．由此，可以预见本款产品的应用前景和市场需求．同时文中模型是按比例缩小的，主要是对公寓住宅模式进行模拟，与普通住宅模式还有一些差距.后续将进一步优化模型，提高产品的普及性与可靠性．

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