摘 要：為克服傳統消防應急指示燈的缺陷，設計出一種新型的智能集群應急逃生指示終端。智能終端采用單片機技術實現對設備的及時監控和功能操作，并采用CN3052A 芯片對關鍵部件鋰電池進行合理的充放電管理，服務器平時通過RS485 通信網絡實時監控各個終端，實時報告設備狀況，在險情發生時自動將危險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險情自動計算出合理的逃生方向。理論及試驗表明，本設計具有較高的實用價值。

　　傳統的消防應急標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，但是這樣會出現很多不利情況：如果指示的前方發生火災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，或建筑內的消防應急燈在平時沒能實時維護，在危機情況出現故障時，消防應急標志燈失去了應有的作用，所以目前應用的傳統消防應急燈有很大的局限性。對此我們設計出一種新型的智能應急逃生指示終端，能夠實時報告設備狀況，在險情發生時自動將危險信息傳送到各個終端，照明終端自動打開，指示智能終端根據險情自動計算出合理的逃生方向。

　　1 智能消防應急逃生指示與管理維護系統的組成

　　智能應急逃生指示系統包括智能終端（智能應急照明燈、智能應急指示燈）、傳輸網絡和服務器三部分。

　　智能終端是具有地址和可變向功能的消防應急標志燈、地面和墻壁導流燈及消防應急照明燈，并將一個建筑物內所有這些智能終端與已有的智能消防報警系統聯動起來。利用消防報警系統的報警信號作為智能逃生指示系統的輸入信息，由系統對信息進行處理，最后通過智能控制消防應急標志燈和導流燈的指示，以及應急照明燈的開啟，幫助人群實時選擇最佳逃生路線。智能終端除對關鍵部件鋰電池進行合理充放電管理之外，還必須對光源，電池狀態進行監測，以保證終端良好的運行。

　　圖1 智能消防應急逃生指示系統網絡構成。

　　傳輸網絡采用RS485 通信網絡，其作用是將消防報警系統的報警信號傳給服務器。

　　服務器主要用來管理設備數據，自動分配終端通信地址，發布險情信息，定期打印維護報表。

　　2 智能消防應急終端硬件電路設計

　　2.1 系統組成

　　系統由中央處理單元、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，狀態檢測單元、LED 指示單元、聲音報警單元組成，其中核心部件為單片機、485 通信單元、鋰電池充放電管理單元。系統總體結構如圖2 所示。

　　圖2 智能消防應急逃生指示系統網絡構成

　　中央處理單元采用STC89C52RC 系列單片機，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3.4-6V;AC/DC 電源模塊采用金升陽電源LH05-10B05 系列，將AC220V 轉為DC5V 后，作為單片機和充電鋰電池的輸入電壓。

　　在串行通訊中，收發雙方對發送或接受的波特率必須一致。由于常用波特率按規范取為1200， 2400，4800， 9600……，為了避免通信時產生累積誤差，進而產生波特率誤差，影響串行通信的同步性能，在本系統中采用11.0592MHZ 的晶振。系統主電路如圖3.

　　圖3 系統主電路。

　　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 是可以對單節鋰離子或者鋰-聚合物可充電電池進行恒流/恒壓充電的充電器電路。該器件內部包括功率晶體管，應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和漏極開路輸出的充電狀態，當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，被內部開關下拉到低電平，指示電池處于故障狀態，除此以外， 管腳將處于高阻態。當充電器向電池充電時，管腳被內部開關拉到低電平，表示充電正在進行，否則將處于高阻態。C7 和C8 采用的是多層陶瓷電容器（MLCC），能保證充電電路穩定工作，RIST 在充電時起限流保護的作用，同時還要將兩個管腳與單片機的P1.2 和P1.3 相連，以便讀取電池狀態傳遞給服務器。

　　2.3 RS485 通信電路

　　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點。在構建通信網絡時，采用一條雙絞線電纜作總線，將各個節點串接起來，從總線到每個節點引出的線應盡量短，以便使引出線中的反射信號對總線信號的影響最低；同時應注意總線特性阻抗的連續性，在阻抗不連續點會發生信號的反射。

　　此外要根據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 標準并未對總線上允許連接的收發器數量作出規定，但規定了最大總線負載為32 個，網絡節點數與所選RS485 芯片驅動能力和接收器的輸入阻抗有關，每單位負載阻抗約12KΩ，為擴展總線節點數，可將輸入電阻增加至48KΩ 以上，節點數就可128 個，96KΩ 的輸入電阻允許節點數位256 點，SP485R 標稱最大值為400 點，實際中，因線纜長度、線徑、網絡分布、傳輸速率不同，實際節點數達不到理論值。通常推薦節點數按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用而設計的，功放增益在內部設定為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生的PWM 信號進行2級亮度控制，當發生火警時調為高亮。在設計中使用PWM 調光是基于LED 的一個基本性質：發射光的特性隨著平均驅動電流而偏移。對于單色LED 來說，其主波長會改變，對白色LED 來說其相關顏色溫度（CCT）會改變。對于人眼來說，很難察覺到紅、綠、藍在LED 中幾納米波長的變化，特別是當光強也在變化的時候；但是當白光的顏色溫度變化時很容易檢測的。PWM 調光信號的頻率必須大于100Hz，否則可能出現閃爍或抖動。

　　撥碼開關SW-DIP5 的作用是通過斷開和接通各位以調節相應P0 口的高低電平來確定各終端的地址，以方便在服務器上識別終端位置。

　　此外系統外接一DS18B20 溫度傳感器，除了可以接受服務器傳來的火警信息之外，還可以自行檢測周圍溫度，在程序中設定溫度上限值，當超過這一限定值時可以自行報警。

　　3 系統軟件設計

　　圖6 程序流程圖。

　　軟件開發環境采用的是uVison2，uVison2 是Keil公司關于8051 系列MCU 的開發工具，可以用來編譯C 源碼、匯編源程序、連接和重定位目標文件和庫文件、創建HEX 文件、調試目標程序等。為了方便程序調試和提高可靠性，軟件采用模塊化結構設計，主要由初始化程序、主程序、子程序、中斷服務程序等組成。單片機上電后即開始循環執行與服務器通信的程序，采集服務器的數據信息，當發生火警時根據服務器提供的險情發生的終端位置，決定將相應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 智能消防應急逃生指示與維護系統操作平臺

　　1） 硬件環境。

　　a） CPU:P4 同類檔次或更高檔次以上；

　　b） 內存：1G 以上內存；

　　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） 軟件環境。

　　a） 服務器端操作系統：WindowsXP/Vista;

　　b） 服務器端軟件平臺：Mircosoft.NET Framework.

　　3） 服務器軟件描述

　　該服務器端軟件采用基于Mircosoft.NET Framework 的c#語言編寫，利用。NET 平臺的強大的控件庫，編寫了人機交互良好的操作界面，并利用其serialPort控件，實現與485 總線上的終端之間的通信。該服務器端軟件主要功能是：圖形化操作界面，操作簡單；圖形化設備數據編輯、修改、刪除；多種形式實時顯示終端設備狀態；根據終端的接入信息自動生成設備數據；自動生成年檢、月檢報表。

　　5 測試結果與結論

　　根據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行硬件功能調試。通電后用示波器檢測單片機的ALE 管腳，觀察輸出地波形為2MHZ 的方波，說明單片機工作正常。通信測試是本設計最重要的測試部分，通信采用RS485 通信程序，測試儀與上位機的通信采用RS485 協議。串口參數為：波特率9600，數據位8 位，1 個校驗位，1 個停止位。其數據格式如表1 所示。

　　表1 串口通信數據格式

　　由于RS485 總線協議與RS232 串口協議只是接口電平上有區別，其軟件編程完全按照串口通信協議進行，此處不再詳述。該系統設計程序在PCB 板上下載調試通過，當模擬火災信號的標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，同時將火災報警信息上傳給上位機，然后上位機再將火災信息傳遞給其他聯網終端，以便實時指導人群迅速逃離火災現場。

　　現代化城市不斷高速發展，對于火災報警系統的要求也越來越高。智能化城市火災報警系統已并非傳統意義上簡單的報警設備，而是融入了計算機技術、電子技術、自動控制技術、傳感器的應用等各領域知識。隨著科學技術的不斷進步，智能集群控制火災報警系統必將得到更快的發展。


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