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摘要：为解决高层建筑火灾被困人员的逃生问题，本文设计了一种高层建筑火灾逃生控制系统。该系统以单片机为控制核心，采用太阳能供电模块提供电能，结合无线通信模块来传送指令;通过拉力传感器检测人员进出情况，使用步进电机驱动载人装置运行，从而提高火灾逃生的安全性与高效性。
关键词：高层建筑火灾逃生;单片机;太阳能;无线通信;拉力传感器
1概述
随着社会经济的发展，高层建筑已逐渐成为城市居民住宅的主流。但是在高层住宅建筑中，除步行楼梯和指示灯外，其它的逃生辅助设备非常少见。高层建筑由于其结构特征与容纳人员较多，导致火灾逃生成为当今社会公共安全的重大问题。
现有的火灾逃生技术包括缓降绳索设备、逃生滑道设备及升降机械类设备。[1]通过分析发现存在以下不足：缓降绳索设备在使用时，缆绳容易出现翻转、碰撞和缠绕，或因逃生人员下降过程中身体晃动而与墙体碰撞，以及下降速度难以精确控制，易导致其受到二次伤害。逃生滑道设备通常仅能满足单人使用，逃生效率较低;并且老人、孕妇及婴幼儿因身体状况的特殊性难以使用，存在一定的使用局限性。升降机械类设备通常由建筑内的公共区域电源供电，火灾时若发生电路故障便无法正常使用，稳定性和可靠性较差。
2系统概述
本设计主要由单片机、太阳能供电模块、步进电动机、载人装置、无线通信模块组建而成。
当发生火灾时，逃生人员在安全指示灯的引导下，到达每层楼的逃生口并启动控制开关。无线通信模块向总控单片机STC89C52发出工作指令，总控单片机通过电机驱动模块控制步进电动机运行，使载人装置以预定速度移动至指定楼层。拉力传感器检测人员进出情况，通过无线通信模块发送运行和复位指令，完成装置工作的循环过程。太阳能供电模块为系统提供电能。系统设计框图如图1所示。
3硬件设计
3.1载人装置的结构设计
该部分由吊笼、单片机、拉力传感器、无线发射模块以及钢缆组成。在建筑顶部安装步进电机和钢缆收放器，步进电机的机轴与钢缆收放器相关联，进而驱动钢缆收放器收放钢缆;导向轮安装在楼房顶部与升降通道的交界处;钢缆一端连接在钢缆收放器上，另一端绕过导向轮连接在载人装置的上端。载人装置机械安装结构如图2所示。
拉力传感器安装在吊笼与钢缆之间，用于检测人员进出吊笼情况。本系统选用由合金材料构成的拉力传感器，具有较高的抗扭强度和良好的抗偏载能力。为降低信号传输中的干扰，采用电流模拟信号作为载体，将由拉力传感器检测到的信号经过信号放大、滤波处理。再通过AD转换器使得单片机对数据进行采样、量化。最后通过无线发送模块将相关指令传至楼顶处的无线接收模块。
在建筑的外侧设有自顶向下的升降通道，每层设置逃生口。[2]载人装置设在升降通道内，可沿升降通道做竖直方向上的往复移动。吊笼外部固接有与滑槽相配合的导向滑块，导向滑块与滑槽相配合而安装在楼房的升降通道内，吊笼侧壁上设有朝向各楼层逃生口的入口，实现逃生人员的进出。升降通道结构如图3所示。
3.2步进电机的选择
本系统要求载人装置根据控制端的相应指令完成上升、下降与暂停工作。由于步进电机可以实现快速启动、停止和反转，并且具有控制性好、运行过程中不受负载变化的影响、只存在周期性误差而无累积误差等特点，故选择步进电机驱动载人装置的运行。[4]
3.2.1必要脉冲数和驱动脉冲数计算
参照建筑物高度的指标数据，本文选定高度为70m的建筑。装置载重量m为200Kg（含载人装置），设置额定下降速度v为1ms。
3.2.2步进电动机力矩的计算
3.2.3步进电动机的确定
计算结果表明，必要的电机力矩为31.8[N·m]。选择扭矩为50[N·m]，工作电压为80-350V的130BYG350-280三相高压步进电机。根据上述结果可得，该电机可提供的最大功率[4]为Pmax：
Pmax=M×ω=M×（2πn60）=3140W
3.3驱动电路的设计
由于步进电机的驱动电流较大，电流的通断导致电磁干扰，影响单片机的正常工作。[5]因此，本系统通过ULN2003A达林顿芯片驱动步进电机，引脚与步进电机连线示意图，如图4所示。ULN2003A系列驱动器的左边1～8为输入端，接单片机P2口的输出端，驱动信号由P2口的P2.0至P2.3输出，右侧9～16为输出端引脚，接步进电机，引脚9接5V电源，该驱动器提供的电流最高为0.5A。
3.4无线通信模块设计
无线通信模块分为无线发送、无线接收模块，均选用APC200A-43模块，[6]其抗干扰性和灵敏度较高，适合于强干扰的恶劣环境中使用，支持一点对多点的通信。
无线发送模块由看门狗芯片MAX813、电压转换芯片、光电耦合器、APC200A-43无线模块、RS485芯片、报警指示灯及滤波电路等组成。工作过程中，通过按下控制器的启动与停止按钮来为单片机提供高低电平，单片机通过RS485芯片把啟动或停止信号传给无线发送模块。
无线接收模块主要由DCDC电源转换模块，APC200A-43无线模块，RS485芯片，指示灯及控制电路和滤波电路等组成。工作过程中，无线接收模块收到无线发送模块传输的数据，通过RS485芯片传给总控单片机，经总控单片机处理后，控制步进电动机的运行。
3.5太阳能供电模块设计
太阳能供电模块安装在楼房顶部，利用单晶硅太阳能电池板采集太阳能，增强型PMOS管SI2307作为电源转换电路。当光线较强时，太阳能电池可在为系统供电的同时，通过CN3722充电管理芯片为蓄电池充电;当光线较弱时，蓄电池负责系统供电。[7]供电模块系统框图如图5所示。 选用10个24V40AH可充电锂电池串联构成的蓄电池组作为储电装置，以560kHz的CS5171高效率开关稳压器作为稳压芯片，输出稳定的5V电压。
4软件设计
装置上电启动。总控单片机进行初始化，接收到开始指令信号后，载人装置下降至目标楼层。当拉力传感器检测到拉力增大并稳定数秒时，总控单片机通过电机驱动模块控制步进电机，使得载人装置按照预定速度下落;若此时无拉力增大，则装置复位至初始位置。当载人装置下降至距地面安全距离时开始制动，落地后装置平稳停止数秒。当拉力传感器检测到拉力减小并稳定数秒时，总控单片机通过复位电路模块驱动步进电机，使得载人装置上升至初始位置;若此时无拉力减小，则装置继续延时等待。总体控制程序流程图，如图6所示。
针对装置下降过程中的突发情况，逃生人员可启动载人装置内预设的制动按钮，由单片机2通过无线通信模块向总控单片机发送停止指令，控制步进电机反转，实现紧急制动功能。
5安全性分析
系统需进行安全性分析，具体为装置的重复使用性、制动性能及运行稳定性。
5.1重复使用性
在供电模块充满电时，储电量Q储为9600WH。规定载人装置下降至地面后并复位为一个运行周期，空载质量m0为20Kg，设置装置空载上升速度v*为2ms。空载额定力矩M*为6.366Nm，电机空载工作功率P*为400W。一个运行周期的总耗电量Q耗：
Q耗=Q负载+Q空载=P负载t1+P*t2=65WH
在最大储电量条件下，可完成147个运行周期，系统的重复使用性良好。
5.2制动性能
制动性能是评估逃生系统安全性的重要指标，本文对装置的制动距离进行分析计算。[8]由额定速度v=1ms与加减速时间t=4s，得制动过程加速度a=0.25ms2。参照电梯紧急制动时平均减速度在0.2～1.0g之间的标准，该制动加速度合理。再根据S=v2（2a），得到制动距离为2m。
5.3运行稳定性
载人装置通过导向滑块与滑槽相配合而安装在楼房的升降通道内，其升降平稳，不会发生旋转、倾斜及晃动，钢缆不会发生翻转、碰撞和缠绕，运行稳定性有保障，可有效避免逃生人员受到二次伤害。
6结语
该系统具有结构简单、安全性高、适用范围广泛的优势。单片机作为步进电机的控制核心，精确控制下降、落地速度;安装于升降通道的载人装置，运行稳定性高;采用太阳能供电，确保电力中断时的安全运行。可应用于小区居民楼等高层建筑。
参考文献：
[1]姚燕生，朱达荣，吴振坤.高层建筑火灾缓降逃生设备综述[J].安徽建筑工业学院学报，2013，21（4）：42-45.
[2]钟东阶.高层建筑火灾跨楼层逃生通道设计[J].湖北工业大学学报，2014，29（4）：80-81.
[3]马文斌，杨延竹，洪运.步进电机控制系统的设计及应用[J].电子技术应用，2015，41（11）：11-13.
[4]辜承林，陈乔夫，熊向前.电机学（第三版）[M].湖北：华中科技大学出版社，2010.
[5]陈虹丽，马国豪，李强.基于单片机的步进电机升降速并行控制[J].實验技术与管理，2018，35（7）：84-85.
[6]夏晓东.基于单片机的远程无线控制系统设计[J].煤矿机械，2011，32（8）：223-224.
[7]谢卿.太阳能光伏系统的自动跟踪式系统[D].华东理工大学，2012：11-35.
[8]江义涛.再谈曳引驱动乘客电梯制动性能的验证[J].中国电梯，2018，15：39-40.
关键词：高层建筑火灾逃生;单片机;太阳能;无线通信;拉力传感器
1概述
随着社会经济的发展，高层建筑已逐渐成为城市居民住宅的主流。但是在高层住宅建筑中，除步行楼梯和指示灯外，其它的逃生辅助设备非常少见。高层建筑由于其结构特征与容纳人员较多，导致火灾逃生成为当今社会公共安全的重大问题。
现有的火灾逃生技术包括缓降绳索设备、逃生滑道设备及升降机械类设备。[1]通过分析发现存在以下不足：缓降绳索设备在使用时，缆绳容易出现翻转、碰撞和缠绕，或因逃生人员下降过程中身体晃动而与墙体碰撞，以及下降速度难以精确控制，易导致其受到二次伤害。逃生滑道设备通常仅能满足单人使用，逃生效率较低;并且老人、孕妇及婴幼儿因身体状况的特殊性难以使用，存在一定的使用局限性。升降机械类设备通常由建筑内的公共区域电源供电，火灾时若发生电路故障便无法正常使用，稳定性和可靠性较差。
2系统概述
本设计主要由单片机、太阳能供电模块、步进电动机、载人装置、无线通信模块组建而成。
当发生火灾时，逃生人员在安全指示灯的引导下，到达每层楼的逃生口并启动控制开关。无线通信模块向总控单片机STC89C52发出工作指令，总控单片机通过电机驱动模块控制步进电动机运行，使载人装置以预定速度移动至指定楼层。拉力传感器检测人员进出情况，通过无线通信模块发送运行和复位指令，完成装置工作的循环过程。太阳能供电模块为系统提供电能。系统设计框图如图1所示。
3硬件设计
3.1载人装置的结构设计
该部分由吊笼、单片机、拉力传感器、无线发射模块以及钢缆组成。在建筑顶部安装步进电机和钢缆收放器，步进电机的机轴与钢缆收放器相关联，进而驱动钢缆收放器收放钢缆;导向轮安装在楼房顶部与升降通道的交界处;钢缆一端连接在钢缆收放器上，另一端绕过导向轮连接在载人装置的上端。载人装置机械安装结构如图2所示。
拉力传感器安装在吊笼与钢缆之间，用于检测人员进出吊笼情况。本系统选用由合金材料构成的拉力传感器，具有较高的抗扭强度和良好的抗偏载能力。为降低信号传输中的干扰，采用电流模拟信号作为载体，将由拉力传感器检测到的信号经过信号放大、滤波处理。再通过AD转换器使得单片机对数据进行采样、量化。最后通过无线发送模块将相关指令传至楼顶处的无线接收模块。
在建筑的外侧设有自顶向下的升降通道，每层设置逃生口。[2]载人装置设在升降通道内，可沿升降通道做竖直方向上的往复移动。吊笼外部固接有与滑槽相配合的导向滑块，导向滑块与滑槽相配合而安装在楼房的升降通道内，吊笼侧壁上设有朝向各楼层逃生口的入口，实现逃生人员的进出。升降通道结构如图3所示。
3.2步进电机的选择
本系统要求载人装置根据控制端的相应指令完成上升、下降与暂停工作。由于步进电机可以实现快速启动、停止和反转，并且具有控制性好、运行过程中不受负载变化的影响、只存在周期性误差而无累积误差等特点，故选择步进电机驱动载人装置的运行。[4]
3.2.1必要脉冲数和驱动脉冲数计算
参照建筑物高度的指标数据，本文选定高度为70m的建筑。装置载重量m为200Kg（含载人装置），设置额定下降速度v为1ms。
3.2.2步进电动机力矩的计算
3.2.3步进电动机的确定
计算结果表明，必要的电机力矩为31.8[N·m]。选择扭矩为50[N·m]，工作电压为80-350V的130BYG350-280三相高压步进电机。根据上述结果可得，该电机可提供的最大功率[4]为Pmax：
Pmax=M×ω=M×（2πn60）=3140W
3.3驱动电路的设计
由于步进电机的驱动电流较大，电流的通断导致电磁干扰，影响单片机的正常工作。[5]因此，本系统通过ULN2003A达林顿芯片驱动步进电机，引脚与步进电机连线示意图，如图4所示。ULN2003A系列驱动器的左边1～8为输入端，接单片机P2口的输出端，驱动信号由P2口的P2.0至P2.3输出，右侧9～16为输出端引脚，接步进电机，引脚9接5V电源，该驱动器提供的电流最高为0.5A。
3.4无线通信模块设计
无线通信模块分为无线发送、无线接收模块，均选用APC200A-43模块，[6]其抗干扰性和灵敏度较高，适合于强干扰的恶劣环境中使用，支持一点对多点的通信。
无线发送模块由看门狗芯片MAX813、电压转换芯片、光电耦合器、APC200A-43无线模块、RS485芯片、报警指示灯及滤波电路等组成。工作过程中，通过按下控制器的启动与停止按钮来为单片机提供高低电平，单片机通过RS485芯片把啟动或停止信号传给无线发送模块。
无线接收模块主要由DCDC电源转换模块，APC200A-43无线模块，RS485芯片，指示灯及控制电路和滤波电路等组成。工作过程中，无线接收模块收到无线发送模块传输的数据，通过RS485芯片传给总控单片机，经总控单片机处理后，控制步进电动机的运行。
3.5太阳能供电模块设计
太阳能供电模块安装在楼房顶部，利用单晶硅太阳能电池板采集太阳能，增强型PMOS管SI2307作为电源转换电路。当光线较强时，太阳能电池可在为系统供电的同时，通过CN3722充电管理芯片为蓄电池充电;当光线较弱时，蓄电池负责系统供电。[7]供电模块系统框图如图5所示。 选用10个24V40AH可充电锂电池串联构成的蓄电池组作为储电装置，以560kHz的CS5171高效率开关稳压器作为稳压芯片，输出稳定的5V电压。
4软件设计
装置上电启动。总控单片机进行初始化，接收到开始指令信号后，载人装置下降至目标楼层。当拉力传感器检测到拉力增大并稳定数秒时，总控单片机通过电机驱动模块控制步进电机，使得载人装置按照预定速度下落;若此时无拉力增大，则装置复位至初始位置。当载人装置下降至距地面安全距离时开始制动，落地后装置平稳停止数秒。当拉力传感器检测到拉力减小并稳定数秒时，总控单片机通过复位电路模块驱动步进电机，使得载人装置上升至初始位置;若此时无拉力减小，则装置继续延时等待。总体控制程序流程图，如图6所示。
针对装置下降过程中的突发情况，逃生人员可启动载人装置内预设的制动按钮，由单片机2通过无线通信模块向总控单片机发送停止指令，控制步进电机反转，实现紧急制动功能。
5安全性分析
系统需进行安全性分析，具体为装置的重复使用性、制动性能及运行稳定性。
5.1重复使用性
在供电模块充满电时，储电量Q储为9600WH。规定载人装置下降至地面后并复位为一个运行周期，空载质量m0为20Kg，设置装置空载上升速度v*为2ms。空载额定力矩M*为6.366Nm，电机空载工作功率P*为400W。一个运行周期的总耗电量Q耗：
Q耗=Q负载+Q空载=P负载t1+P*t2=65WH
在最大储电量条件下，可完成147个运行周期，系统的重复使用性良好。
5.2制动性能
制动性能是评估逃生系统安全性的重要指标，本文对装置的制动距离进行分析计算。[8]由额定速度v=1ms与加减速时间t=4s，得制动过程加速度a=0.25ms2。参照电梯紧急制动时平均减速度在0.2～1.0g之间的标准，该制动加速度合理。再根据S=v2（2a），得到制动距离为2m。
5.3运行稳定性
载人装置通过导向滑块与滑槽相配合而安装在楼房的升降通道内，其升降平稳，不会发生旋转、倾斜及晃动，钢缆不会发生翻转、碰撞和缠绕，运行稳定性有保障，可有效避免逃生人员受到二次伤害。
6结语
该系统具有结构简单、安全性高、适用范围广泛的优势。单片机作为步进电机的控制核心，精确控制下降、落地速度;安装于升降通道的载人装置，运行稳定性高;采用太阳能供电，确保电力中断时的安全运行。可应用于小区居民楼等高层建筑。
参考文献：
[1]姚燕生，朱达荣，吴振坤.高层建筑火灾缓降逃生设备综述[J].安徽建筑工业学院学报，2013，21（4）：42-45.
[2]钟东阶.高层建筑火灾跨楼层逃生通道设计[J].湖北工业大学学报，2014，29（4）：80-81.
[3]马文斌，杨延竹，洪运.步进电机控制系统的设计及应用[J].电子技术应用，2015，41（11）：11-13.
[4]辜承林，陈乔夫，熊向前.电机学（第三版）[M].湖北：华中科技大学出版社，2010.
[5]陈虹丽，马国豪，李强.基于单片机的步进电机升降速并行控制[J].實验技术与管理，2018，35（7）：84-85.
[6]夏晓东.基于单片机的远程无线控制系统设计[J].煤矿机械，2011，32（8）：223-224.
[7]谢卿.太阳能光伏系统的自动跟踪式系统[D].华东理工大学，2012：11-35.
[8]江义涛.再谈曳引驱动乘客电梯制动性能的验证[J].中国电梯，2018，15：39-40.