CN103024064A - 一种建筑状态监测和逃生指引系统及其方法 - Google Patents

Abstract

一种建筑状态监测和逃生指引系统，包括无线节点、本地基站和远程监控中心，无线节点包括无线传感节点、无线灯光指示节点和路由节点，本地基站包括前端无线接口和本地监控中心，无线节点布置在监测区域，无线传感节点、无线灯光指示节点和路由节点之间以及路由节点与本地基站前端之间通过树状联网的ZigBee多跳路由协议进行通信，无线传感节点将监测区域内的建筑环境信息和建筑结构信息通过无线信道传递到本地基站前端，本地基站前端通过串口转发到基站监控中心，基站监控中心的命令信息通过前端无线接口进行广播，远程监控中心通过局域网访问本地基站监控中心，与无线网络建立通信连接，构成一个小型服务器通过互联网与外界共享灾害信息。

Description

一种建筑状态监测和逃生指引系统及其方法

技术领域

本发明涉及运用无线传感器网络进行监测的技术，尤其涉及一种建筑状态监测和逃生指引系统及其方法，属于传感器网络技术领域。

背景技术

随着我国经济的高速发展，大型建筑不断增多，建筑室内结构复杂，在正常状态下，一般人员都需要借助各种指示标志才能找到目标位置(如厕所、电梯等)，在火灾、地震或建筑结构破坏等灾害发生时，人们由于惊慌或害怕判断能力下降，如果没有合理的逃生指引系统，显然会造成不必要的人员伤亡。

建筑状态监测包括建筑内环境参数监测和建筑结构变形监测，建筑内环境参数监测包括室内温度、湿度、光照度、噪声、有害气体浓度和烟雾浓度等；建筑结构变形监测包括沉降、倾斜、位移、挠曲、振动等。建筑内环境监测可以监测室内环境的舒适度，并能通过温度、有害气体和烟雾传感器监测火灾的发生和发展。高层建筑的地基所承受荷载不断增加，就会引起建筑基础及其四周低层的变形，而建筑物因外力和内部应力的作用，也要发生形变。建筑的结构变形从成因上可分为两类：一类是由于自然温湿度变化、地壳运动、地质条件等积累效果引起的累积变形，又称为静态变形，它只是时间的函数；一类是受到风、地震、交通引起的地面振动等载荷力及自重荷载的作用，为受力变形，又称为动态变形，它是以外力为函数来表示系统对于时间的变化。建筑物的沉降、倾斜和位移等观测属于测绘学科，一般由测绘人员通过设立参考点，利用精密测绘仪进行人工观测，国家有强制性条文约束和监督。而建筑振动、结构受力和建筑内环境参数监测多采用传感器进行自动或人工测量。

目前，建筑内应急疏散系统技术已经发展得比较成熟，但都是针对火灾情景的，如果是发生地震，或建筑由于沉降不均匀发生倾斜甚至倒塌，建筑内的疏散系统将很难起到作用。虽然同为逃生疏散指引，但针对地震、坍塌等建筑结构变形灾害和火灾灯不同情境的系统有很大不同。首先，建筑结构变形和火灾灾害的发展过程不同：火灾发展模型一般是从起火点、烟和温度以一定的规律向空间扩散；但是建筑结构破坏，对整个建筑的影响几乎是同时的。其次，选择的逃生方法也不同：火灾疏散中的基本途径是根据火源位置、强度和火灾发展模型，指引人们远离火源；建筑结构破坏时，更加需要注意是逃生路径上突然出现的火灾、倾塌等二次灾害。而且，火灾的发生和发展是一个渐变过程，发展成为大规模火灾往往需要半小时左右；而建筑结构破坏引起的灾害具有突发性，可能很快造成大范围破坏，所以精确的建筑状态信息和正确的逃生指引显得更加重要和有效。其次，现有的逃生疏散指引系统大多为总线方式，而在旧楼的安全改造和现有系统升级上，无线方式的灵活性更高；在实际的灾害发生时，总线方式的线路损害对整体系统的影响很大，而单个节点的损坏，无线传感器网络还可以通过其他相邻节点转发信息，故无线方式的鲁棒性更高。

发明内容：

根据现有技术的不足，本发明的目的是旨在提供一种建筑状态监测和逃生指引系统及其方法。本发明结合无线传感器网络技术、建筑状态监测技术和智能疏散技术，为复杂建筑内的人员提供建筑状态信息和逃生路径指引。该方法的灾害警报来源有两种：一种来自建筑内，通过无线感知网络构成的建筑状态监测系统自动判断建筑状态异常，并将状态信息和异常警报上传到监控中心；另一种来自网络，为与监控中心相连的其他服务器提供的灾害信息，如地震、台风警报或邻近建筑的大火警报。监控中心得到灾害警报，立即判定灾害等级和逃生方式，结合建筑状态信息决策逃生路径，指示建筑内逃生指引系统为室内的受灾人员提供声光逃生指引。本系统有电池电压自检和灯光自检系统，确保当灾害发生时，系统能够稳定运行。

本发明采用如下技术方案：一种建筑状态监测和逃生指引系统，其特征在于：该系统基于无线传感器网络，包括无线节点、本地基站和远程监控中心，其中，无线节点包括无线传感节点、无线灯光指示节点和路由节点，本地基站包括前端无线接口和本地监控中心，无线节点布置在监测区域，无线传感节点、无线灯光指示节点和路由节点之间以及无线节点与本地基站前端之间通过树状联网的ZigBee多跳路由协议进行通信，无线传感节点将监测区域内的建筑环境信息和建筑结构信息通过无线信道传递到本地基站前端，本地基站前端通过串口转发到基站监控中心，基站监控中心的命令信息通过前端无线接口进行广播，远程监控中心通过局域网访问本地基站监控中心，与无线网络建立通信连接；

无线传感器节点分布在建筑各个子空间内，每个无线传感器节点包括微控制器、ZigBee兼容模块，含有温度传感器、湿度传感器、烟雾传感器、倾角传感器、光照度传感器、加速度或速度传感器的传感器模块，无线传感器节点构成建筑状态监测子系统，无线传感节点通过ZigBee兼容模块接收并识别来自上层网络的指令，并把监测数据发送到本地基站；

所说的无线灯光指示节点分布在建筑内走廊和楼道内，每个灯光指示节点包括微控制器、ZigBee兼容模块以及指示灯构成的逃生方向指示阵列，无线灯光指示节点构成建筑内逃生指引子系统，通过ZigBee兼容模块接收并识别来自本地基站的指令，通过灯的点亮控制完成路径指引；

路由节点包括微控制器、ZigBee兼容模块，路由协议创建了路由表，描述了网络拓扑结构；路由协议与路由器协同工作，执行路由选择和数据包中继转发；

本地基站包括前端无线接口和基于PC的本地监控子系统，其中，前端无线接口包括微控制器、ZigBee兼容模块、RS232模块和USB模块，前端无线接口通过ZigBee兼容模块与无线网络建立连接，并可通过RS232模块或USB模块与PC机通信，基于PC的本地监控子系统具有数据库、监控软件和本地计算机，监控软件可以判断建筑状态和灾害等级，决策逃生方式和逃生路径并实时显示监测数据，数据库完成监测数据的本地存储，以供远程监控中心调用；

远程监控中心包括远程监控计算机、远程数据库、Web网站，数据库、Web网站构成一个小型服务器通过互联网与外界共享灾害信息。

所说无线传感器节点的电路板包括救援定位模块和传感存储模块，两模块间由接插件连接。其中，救援定位模块包括微控制器、ZigBee兼容模块和电源模块，传感存储模块包括存储单元、传感器模块，救援定位模块用于选择救援定位，定时广播无线求救信号，在灾后，搜救人员能够通过无线传感器节点的定位寻找被困人员位置。

所说无线灯光指示节点中的指示灯为LED阵列，由微控制器控制能够实现智能方向指示和闪烁频率的改变，完成方向指示和危险等级的指示。

应用上述系统的建筑状态监测和逃生指引的方法，包括如下步骤：

步骤1，由无线传感器网络构成的建筑状态监测系统监测建筑状态，定时采集温湿度、光照度、烟雾、结构倾角和加速度信号，并通过ZigBee网络发送到本地基站，本地基站分析采集到的数据，若发现异常建筑状态，向基站监控系统发送报警信号；

步骤2，本地基站接收到本地报警信号或通过互联网络接收到来自外界的灾害警报信号后，判断灾害等级，决策逃生方式和逃生路径，并立即将最终决策指令通过前端无线接口下发到建筑内逃生指引子系统，通过控制各个指示灯节点的点亮模式来指示逃生；

步骤3，本地基站实时判断建筑状态监测系统的反馈信息，根据当前建筑结构的破坏情况，修改逃生路径，并指示灯光指引系统相应改变。

本发明有以下优点和有益效果：

(1)与现有的智能疏散系统相比，本系统采用无线通信方式，不仅能够对建筑内的灾害发生点进行定位，还能对灾害的蔓延和二次灾害进行动态定位。在此基础上，通过中心控制系统对逃生路径进行更加灵活的动态指示。

(2)成本低，易实现，采用无线通信方式，无需复杂布线，可以很快应用到各种已建成或在建的建筑中；

(3)本发明系统监控中心能够通过网络与外界互联，可以及时与其他相关部门共享灾害信息，具有开放性，可以作为城市灾害应急系统中的一部分；

(4)本系统生命力强，当建筑结构破坏时，有线监测方式连接线若损坏，则系统很可能立即失效；而采用无线方式则可能只是单个节点损坏，由于无线网络的冗余性不影响整个系统的功能；

(5)本发明的系统中提出了分离通信模块和电源模块，利用无线节点定位方法，对被困人员进行救援定位的功能，为灾后救援提供了一种新定位方法。

附图说明

图1是本发明系统的组成框图；

图2是本发明的工作流程示意图；

图3是系统中无线节点结构示意图；

图4是建筑内逃生灯光指引示意图；

图5是控制中心的工作流程图；

图6是无线节点的指示灯阵列示意图。

具体实施方式

下面结合附图详细描述本发明的实施例，实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

如图1所示，无线节点1包括3部分：无线传感节点2、灯光指示节点3和路由节点4，各无线节点间采用无线树状网络协议进行通信。本地基站5包括前端无线接口，无线前端通过串口与PC机通信；远程监控中心6通过登陆浏览器查看本地基站的信息和修改本地基站控制数据；其他室内人员和相关灾害发布部门7可通过互联网查看和共享灾害信息和建筑状态。

如图2所示，是本发明的工作流程示意图，具体步骤如下：步骤(1)、建筑状态监测系统监测建筑状态，定时将建筑状态信号传向监控中心，若发现异常建筑状态，立即向监控中心发出报警信号和当前各项建筑状态数据信号；步骤(2)、监控中心接收到建筑状态监测系统报警信号或通过网络接收到来自外界的灾害警报信号后，判断灾害等级，决策逃生方式和逃生路径，并立即将最终决策下发到建筑内逃生指引系统，通过控制指示灯的点亮方向和广播系统来指示逃生；步骤(3)、监控中心实时判断建筑状态监测系统的反馈信息，根据当前建筑结构的破坏情况，修改逃生路径，并指示灯光指引系统相应改变。

图3为系统中无线节点结构示意图，无线传感节点设有微控制器、ZigBee兼容模块、电源模块、传感器模块、存储单元和电压监测电路。无线灯光指示节点在无线传感节点的基础上增加了声光模块。其中传感器模块包括多种传感器，如温度、湿度、光照度、结构倾角、速度或加速度等。电源模块为电池供电，声光模块为建筑内逃生指引系统的智能指示灯具和广播器件，电压监测电路可以实时监测电源模块输出电压，当电压不足时，立即通过无线网络向监控中心发出电量不足警报，提醒工作人员及时更换，保证系统正常运行。

图4为系统指示灯示意图，指示灯包括双向指示灯和安全出口标志灯。如图，同一位置相反方向的两个箭头为一个双向指示灯，其可以由节点处理器控制点亮方向、闪烁频率以及点亮颜色。绿色箭头表示逃生方向，红色箭头表示禁止通行位置，闪烁频率越快表示该逃生通路的安全性越低。

本系统的灾害警报来源可以有两种方式：建筑内监测系统警报和网络接收到的灾害警报。

建筑状态监测系统实时采集各种建筑状态信息，然后判断数据有效性：即数据的数值或变化率达到一定阈值，只将有效数据上传到监控中心，这样可以有效的节约能耗和信道。当建筑状态信息出现异常：即某一种或某几种数据的数值或变化率有超过一定阈值，立即向监控中心发送异常警报和当次监测数据，并进入建筑异常工作状态，即不再判断数据有效性，上传所有监测到的数据信息，以供监控中心准确判断灾害情况。

监控中心也可以直接通过网络从相关部门得到灾害警报，如地震预警信息、台风警报或附近建筑的火灾、倒塌等信息，判断这些灾害对本建筑的灾害等级。

两种方式的灾害警报送到监控中心后，如图5，为本地基站处理流程图。基站的监控中心首先判定灾害类型，如火灾、地震、台风或其他；然后根据警报来源判定灾害等级，即对本建筑和建筑内人员的危害等级；再次，根据危害等级和灾害类型判定逃生方式；在制定逃生路线后，还能及时根据建筑状态监测中心的实时数据进行调整，避开出现异常数据的区域或路径。

在本发明的一个实施例中，不同类型的灾害对应的逃生方式和逃生路径计算方式不同。如火灾，逃生路径指向远离火源的安全出口，并根据最短路径原则选择路线；若为地震，根据警报震级又可分为大震和小震，大震时主要通过广播系统，提醒人员躲避，保存体能等，小震时主要通过灯光指示路径，选择路径时主要考虑路径上的建筑状态信息的异常程度，选择最安全路径逃生。

如果被困，如图3虚线框内部分所示，为可分离的救援定位模块，具有电源模块、通信模块和节点处理器，能够定时自动发出无线求救信号，利用无线接收设备可以接收求救信号，利用多个接收节点或移动节点可以对该定位模块进行无线定位，大体确定被困人员位置。在大地震来临时或建筑内移动困难的老年人或残疾人，受灾人员可以在就近的位置获取救援定位模块，并就近躲避，等待灾后救援人员救助。

图6为无线节点的灯阵列示意图，灯阵采用红绿两种颜色的LED灯构成，与节点微控制器的I/0连接，通过无线节点完成基站的指示任务。

Claims (4)

1.一种建筑状态监测和逃生指引系统，其特征在于：该系统基于无线传感器网络，包括无线节点、本地基站和远程监控中心，其中，无线节点包括无线传感节点、无线灯光指示节点和路由节点，本地基站包括前端无线接口和本地监控中心，无线节点布置在监测区域，无线传感节点、无线灯光指示节点和路由节点之间以及路由节点与本地基站前端之间通过树状联网的ZigBee多跳路由协议进行通信，无线传感节点将监测区域内的建筑环境信息和建筑结构信息通过无线信道传递到本地基站前端，本地基站前端通过串口转发到基站监控中心，基站监控中心的命令信息通过前端无线接口进行广播，远程监控中心通过局域网访问本地基站监控中心，与无线网络建立通信连接；

无线传感器节点分布在建筑各个房间内和走廊的墙壁上，每个无线传感器节点包括微控制器、ZigBee兼容模块、电源模块、存储单元、电压监测电路，含有温度传感器、湿度传感器、烟雾传感器、倾角传感器、光照度传感器、加速度或速度传感器的传感器模块，无线传感器节点构成建筑状态监测子系统，无线传感节点通过ZigBee兼容模块接收并识别来自上层网络的指令，并把监测数据发送到本地基站；

无线灯光指示节点分布在建筑内走廊和楼道内，每个灯光指示节点包括微控制器、ZigBee兼容模块、电源模块、存储单元、电压监测电路和含有温度传感器、湿度传感器、烟雾传感器、倾角传感器、光照度传感器、加速度或速度传感器的传感器模块以及声光模块，声光模块为建筑内逃生指引系统的智能指示灯具和广播器件，无线灯光指示节点构成建筑内逃生指引子系统，通过ZigBee兼容模块接收并识别来自本地基站的指令，通过灯的点亮控制完成路径指引；

路由节点包括微控制器、ZigBee兼容模块，路由协议创建了路由表，描述了网络拓扑结构；路由协议与路由器协同工作，执行路由选择和数据包中继转发；

本地基站包括前端无线接口和基于PC的本地监控子系统，其中，前端无线接口包括微控制器、ZigBee兼容模块、RS232模块和USB模块，前端无线接口通过ZigBee兼容模块与无线网络建立连接，并可通过RS232模块或USB模块与PC机通信，基于PC的本地监控子系统具有数据库、监控软件和本地计算机，监控软件可以判断建筑状态和灾害等级，决策逃生方式和逃生路径并实时显示监测数据，数据库完成监测数据的本地存储，以供远程监控中心调用；

远程监控中心包括远程监控计算机、远程数据库、Web网站，数据库、Web网站构成一个小型服务器通过互联网与外界共享灾害信息。

2.根据权利要求1所述的建筑状态监测和逃生指引系统，其特征在于：无线传感器节点的电路板包括救援定位模块和传感存储模块，两模块间由接插件连接。其中，救援定位模块包括微控制器、ZigBee兼容模块和电源模块，传感存储模块包括存储单元、传感器模块，救援定位模块用于选择救援定位，定时广播无线求救信号，在灾后，搜救人员能够通过无线传感器节点的定位寻找被困人员位置。

3.根据权利要求1所述的建筑状态监测和逃生指引系统，其特征在于：无线灯光指示节点中的指示灯为LED阵列，由微控制器控制能够实现智能方向指示和闪烁频率的改变，完成方向指示和危险等级的指示。

4.应用权利要求1所述系统的建筑状态监测和逃生指引的方法，包括如下步骤：

步骤1，由无线传感器网络构成的建筑状态监测系统监测建筑状态，定时采集温湿度、光照度、烟雾、结构倾角和加速度信号，并通过ZigBee网络发送到本地基站，本地基站分析采集到的数据，若发现异常建筑状态，向基站监控系统发送报警信号；

步骤2，本地基站接收到本地报警信号或通过互联网络接收到来自外界的灾害警报信号后，判断灾害等级，决策逃生方式和逃生路径，并立即将最终决策指令通过前端无线接口下发到建筑内逃生指引子系统，通过控制各个指示灯节点的点亮模式来指示逃生；

步骤3，本地基站实时判断建筑状态监测系统的反馈信息，根据当前建筑结构的破坏情况，修改逃生路径，并指示灯光指引系统相应改变。

Images