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应用HT66F50设计云端智慧型逃生指示系统
MCU设计与应用

【作者: 陳智勇...等】2012年08月21日 星期二

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本作品目的在于云端架构下设计一智慧型逃生指示系统。该系统监测来自于无线感测器的灾害讯号后,并经由云端伺服器上的软体服务规划逃生路径。首先以盛群微控制器为讯号处理核心之灾害感测模组,可依照室内温度变化收取火灾讯号并以无线感测网路传送灾害讯息。同时,本作品所设计之智慧型逃生指示看板可显示最安全的逃生口方向。该指示器也利用盛群微控制器连结无线网路,可收取火灾讯号后自动控制指示看板上LED灯所排列之指示方向。本作品的创意展现改善传统固定式指示看板的缺点,即时依灾害位置更动逃生方向,更加保障人员在智慧型大楼内的生命安全。


前言

创作动机

智慧型大楼[1][2]是目前高科技建筑重要发展趋势,智慧型大楼结合多种科技元素以提供更便利的设施及服务,提高人类生活的便利性与安全性,其中人工智慧系统、感测器装置、软硬体开发技术等在此领域扮演重要角色。在众多的智慧型大楼安全管理应用中,疏散规划、消防设备管理、危险区域监控、逃生门、缓降梯指示等逃生设备管理,在智慧型大楼设计概念里都是需要被自动化的部分。


以我国内政部消防署所订定的法规而言:大楼内火灾发生时,警报系统能接受由火警警报设备或紧急通报装置所发出之讯号,启动预先设定之避难方向指示灯者且其功能应准确正常。公共场所需设置六十见方以上之逃生路线平面图,其中必须包含消防设备设置与逃生出口位置,供逃生人员观 看。


然而在紧急事件发生时,由于目前的建筑物容积越来越大,内部结构与动线也相对复杂,加上一般民众并无观看楼层平面图的习惯,当灾害发生时大楼内受困人员欲迅速离开危险区域更加需要依赖指示标志。但是传统的静态指示标志只能指示固定方向,并无随时改变指示方向的功能。若灾害发生于指示路线上,逃生人员依照指示标志方向逃生,反而更加接近灾害地点威胁其生命安全。


图一为内政部消防署[3]所颁布之出口标示灯及避难方向指示灯认可基准。以我国内政部消防署所订定的法规而言:大楼内火灾发生时,警报系统能接受由警报设备或紧急通报装置所发出之讯号,启动预先设定之避难指示灯且其功能应准确正常。


图一 : 常见的避难方向指示灯
图一 : 常见的避难方向指示灯

图一所示之旧式逃生静态指示标志设备缺点整理如下:


  • (1)静态指示标志只提供固定几种方向指示,无法依照安装地点更动指示方向。


  • (2)众多的指示监控设备不易管理,管理人员无法快速得知感应器与指示器状况。同时管理系统也建置于建筑物内,一旦发生火警,设备容易损毁,失去功能。


  • (3)现行安全系统只会警示灾害发生,无法提供受困人员即时逃生资讯。



为改善上述缺点,本作品一无线感测网路为基底,以盛群微控器设计动态逃生指示版以及云端安全管理系统,提升大型场所发生灾害时人员的安全。


创作目的

为改善上述缺点并加入更多创新之安全系统概念以符合智慧型大楼需求,本作品整合多种软硬体设计技术,以云端与智慧型系统设计概念提出一套新的安全自动化管理​​架构,着重于智慧型大楼内发生灾害时例如:火灾,能迅速更动逃生指示看板提供受困人员资讯逃离该大楼,其架构包含:


  • (1)云端监控中央系统


  • (2)无线网路动态逃生指示看板


  • (3)温湿度与烟雾监控感测模组(量测火灾讯号)



此作品所展示之各项创新概念功能,完整考虑智慧型大楼逃生即时灾害发生时人员逃生指示,能有效保障民众在大型建筑物中如:车站、百货公司、办公大楼等公共场所活动时的安全。本作品延伸过去实验室学长的成果,在架构上改善过去嵌入式平台为控制中心而发展受限的缺点,将平台延伸至异地的云端主机,不易在灾害中毁损无法动作。此外在指示看板上增加温湿度与烟雾感测器,更增加逃生指示看板的应用价值,经本团队的评估,本作品改善过去许多缺点,让产品更加具有实用性。


本作品中盛群微控制器为每个逃生指示看板的核心,每个逃生指示看板必须使用到一个处理器,负责控制、传输、监控物理量等动作,是本作品最重要的硬体元件。


图二 : 云端逃生指示系统顺序图
图二 : 云端逃生指示系统顺序图

工作原理

本作品为重点为新式避难指示器的设计,目前计画使用无线网路制作,当所有灾害感测器可经由无线网路收集资料后,所有感测讯号将可回报至云端伺服器,并透过伺服器上所建立之软体功能,在灾害发生时规划每一个指示器的最佳的指示方向,流程如图2所示。


本作品设计的无线网路动态避难方向指示看板,包含微控制器控制动态指示、无线网路模组、自动化模糊逻辑决策。该看板依照LED排列不同提升指示面板功能,能显示13组不同的动态讯息如图3所示,可给与逃生人员明确、清晰及正确的方向指示。该动态逃生指示看板架构动态指示看板是由25 颗高亮度LED 组成,可提供多种不同方向显示。此指示看板可经由无线网路受控于云端伺服器,导引逃生人员疏散。


图三 : 无线逃生指示广告牌可提供之13种指示方向
图三 : 无线逃生指示广告牌可提供之13种指示方向

模糊逻辑理论中,归属函数的设计方式直接影响决策系统的判断准确性,同时在不同的应用环境,也需重新设计归属函数[4]。本作品使用PSO演算法寻找归属函数的最佳参数,利用可运作于嵌入式作业系统之中央模糊疏散路径决策系统说明如下:


模糊逃生决策演算法

本作品以模糊系统[5][6][7]做为逃生避难路径指示的推论方法,其推论的演算流程如图4所示,模糊的输入藉由模糊演算的方式,可得到明确的结果做为系统的决策输出。


图四 : 模糊理论算法流程图
图四 : 模糊理论算法流程图

模糊疏散路径决策系统

本作品提出的中央监控系统具备模糊疏散路径决策功能,其决策依据灾害发生位置及逃生口位置两种参数进行逃生。


以图5看板Y为例,利用公式(1)及(2)计算该看板位置与各个逃生出口的距离与角度,每个逃生出口可得到其对应之re及θe,同理计算看板与灾害点的距离rd与θd角度。


上述所得之四项参数为图6逃生疏散系统模糊决策流程的模糊输入参数。此决策流程包含两个模糊系统,其一为逃生模糊系统负责计算指示方向对于每个逃生出口所得到的明确输出安全系数ee;另一个为灾害模糊系统负责计算其指示方向对于灾害点所得到的安全系数ed。较各个逃生安全系数取出最高的逃生安全系数,与各个方向之灾害模糊系统安全系数相加ed,成为该方向之总安全系数es,分析各方向之安全系数es以最高值所属方向作为看​​板逃生指示方向。以图3所示案例而言,经过这种方式的模糊决策运算,该指示看板 之最佳输出之方向为「前方」。


图五 : 中央模糊系统火灾测试范例
图五 : 中央模糊系统火灾测试范例

作品结构

本系统架构以云端伺服器实现达成智慧型大楼的中央监控系统,并选用为处理器晶片与开发工具为主。且各功能都需具备无线网路传输能力,其各项功能如下:


云端伺服器

本作品云端监控系统是以云端伺服器为主,利用无线感测器网路之制作,系统中所有灾害感测器可以经由无线网路收集讯号资料后,灾害感测器将可以回报至本系统云端伺服器,并透过云端伺服器中的所建立之软体功能,在灾害发生时规划每一个指示器的最佳的指示方向,及时统一监控,并更改逃生指示灯的指示方向,提供大楼内受困人员最正确、有效率的逃生导引。


图六 : 逃生疏散系统模糊决策流程
图六 : 逃生疏散系统模糊决策流程

Zigbee无线感测器网路架构

本作品使用Texas Instruments[8]德州仪器所生产的802.15.4/ZigBee无线网路开发模组,其功能规格依据IEEE 802.14.5规范,具有以下特性:


  • (1)低功耗(一般电池可使用三个月至两年)


  • (2)低传输量(20~250 Kbps)


  • (3)支援多种网路拓朴型态(Ad-hoc、Star及Mesh Hybrid)


  • (4)可支援大量节点(每单一网路可提供65536节点)


  • (5)中距离(10公尺~400公尺)


  • (6)高安全性(128 bits AES加密)


  • (7)复杂度低以及部署容易



以ZigBee技术建构容易布建、低耗电、双向传输、感应网路功能的低成本的中央监控系统无线网路环境,其无线网路传输数率在2.4GHz频段可达250 Kbps。与其他硬体沟通的模式则是以RS-232 方式进行,最高速度可达115200 bps。图7为本系统使用Zigbee设计之温度监控的火灾感测模组。


图七 : Zigbee无线开发模块
图七 : Zigbee无线开发模块

动态逃生指示看板

动态逃生指示看板架构包含动态指示与无线网路模组。动态指示看板是由25颗高亮度LED组成,显示排列组合的方式皆以韧体形式记忆于微处里器唯读记忆体中,显示面版目前接收到不同的参数,微控制器的脚位则会随之改变电位情况,显示各种方向指示。另外由于微控制器的输出脚位电压、电流很低难以推动高亮度LED,因此采用达灵顿电路作为LED大电流的驱动电路的电路。


图八 : 动态指示广告牌微控制器
图八 : 动态指示广告牌微控制器

动态指示看版采用Holtek Semiconductor[9]盛群半导体所生产的HT66F50控制晶片,如图8所示。作为指示看板的嵌入式系统晶片,使用ANSI C嵌入式系统开发工具撰写自动化模糊逻辑决策演算法,最后再以云端伺服器的决策判断实现。


动态指示看板在无线网路的角色定位为受控端,前述之无线网路Zigbee模组可视为控制器,受控端接收控制讯号后将讯号转换成欲显示图像的资料,再将此资料传递并由微控制器控制13种不同方向显示。其外观图如图9所示。


图九 : 逃生指示广告牌
图九 : 逃生指示广告牌

温湿度感测模组

本作品分别使用同为电阻式的热敏电阻与湿度元件达成温湿度侦测。热敏电阻藉由不同的渗杂氧化金属与半导体材料,对不同温度有不同电阻变化。而电阻湿度感测是在感湿高分子膜上下各蒸镀上齿状电极,当湿度改变时,高分子膜吸收水分,使水分改变电极进而使电阻改变。将这两种类比讯号以数位类比转换器ADC转换为数位讯号,再送至控制器判定当时的温湿度是否为危险区域或逃生方向。


(本文作者为树德科技大学电脑与通讯系(所):陈智勇助理教授、林育升、李运康、吴孟玮、许家玮等生)


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