CN111089245A - 一种多用途节能消防应急灯 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多用途节能消防应急灯。该灯包括有外壳以及安装在外壳内的微处理器。所述微处理器采用低功耗430系列嵌入式单片机，光强传感模块、电压检测电路实时检测设备内部的电源电压以及LED灯亮度，微处理器接收检测结果并判断设备是否正常工作，红外传感模块、烟雾传感模块、振动传感模块则实现对建筑内温度、烟雾浓度及振动烈度的实时检测，微处理器接收到数据通过OLED显示屏实时显示，同时通过无线通讯模块上传至监控中心。在灾害发生时，本发明将安全逃离指示箭头与声光提醒均结合在一起，从而指引逃生人员有序撤离；在正常工作及应急状态下，可以实现多种不同情形下的工作模式自切换，实现能耗的降低以及资源的最大利用。

Description

一种多用途节能消防应急灯

技术领域

本发明涉及环境检测、设备检测、预警应急逃生系统，具体涉及一种多用途节能消防应急灯。

背景技术

随着当今大型公共楼宇、规模化商业建筑群的迅速扩展，建筑的规模逐渐庞大、伴随而来的则是结构的逐渐复杂。消防安全面临巨大的挑战，在灾害发生的时候，如何性质有效地快速逃离灾害现场，成为一种必须思考的问题，而当前市面采用传统的单一功能的消防应急灯显然已经无法满足如此需求，发展一种功能更加完善同时具备节能功能的设备以满足目前的飞速发展的需求更具有现实意义。在本发明提出一种在优化消防应急灯应急照明、疏散指示灯基本功能的前提下，研发一种具有设备状态自检、环境多变量检测、多模式自切换、多电源维持工作、声光结合指引逃离、结构坚固的无线通讯节能消防应急灯。该发明能够确保在灾害发生过程中，该装置协助逃生人员快速有效的安全逃离灾害现场，并且避免因为人员逃离过程中所造成的二次伤害。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提供了一种多用途节能消防应急灯。

本发明解决技术问题所采取的技术方案为：

本发明包括有外壳以及安装在外壳内的微处理器、LED聚光灯点阵模块、OLED显示屏、红外传感模块、烟雾传感模块、振动传感模块、光强传感模块、电压检测模块、扬声器、麦克风、电源管理模块、压电发电装置、备用电源和通讯模块。

所述外壳采用坚固的不锈钢结构。

所述备用电源与市电共同为应急灯提供电力，且均与电源管理模块相连。

所述压电发电装置通过充电电路与备用电源相连。

所述通讯模块采用ZigBee自组网无线通讯技术。

所述LED聚光灯点阵模块分布在消防应急灯外壳正面及侧面空处，结合光强传感模块，对外部环境光亮度进行检测，并根据外部亮度对LED聚光灯点阵模块进行亮度调整。

所述OLED显示屏在显示实时检测环境状态值的同时显示安全逃生方向，配合OLED显示屏的指示，采用扬声器进行反复的播报逃生方向，OLED显示屏及扬声器所指引的逃生路径则是监控中心进行统一筹划，并随着灾害形式的变化随时动态调整。

所述麦克风作为灾害发生时周边环境的声音信息采集手段，逃生人员则利用扬声器与麦克风实现与监控中心的双向通讯。

所述压电发电装置采用压电晶体将产生的电能保存在超级电容中，所述压电晶体分布在瓷砖表面，并铺设在通道中。

所述LED聚光灯点阵模块、OLED显示屏、红外传感模块、烟雾传感模块、振动传感模块、光强传感模块、电压检测电路、扬声器、麦克风、电源管理模块及通讯模块均与微处理器相连。

所述微处理器采用低功耗MSP430系列嵌入式单片机，其中光强传感模块、电压检测电路实时检测设备内部的电源电压以及LED灯亮度，微处理器接收检测结果并判断设备是否正常工作，如果设备存在故障，微处理器通过通讯模块向监控中心发出存在故障的设备位号信息。其中红外传感模块、烟雾传感模块、振动传感模块则实现对建筑内温度、烟雾浓度及振动烈度的实时检测，微处理器接收到数据通过OLED显示屏实时显示，同时通过无线通讯模块上传至监控中心。

进一步说，所述当市电被意外切断后，通过电源管理模块切换至备用电源，维持消防应急灯的正常工作。

进一步说，所述外壳用于保护内部电路以及显露在外部的LED聚光灯点阵模块、OLED显示屏，各种传感模块中的传感器均在外壳有安装位置，其中振动传感模块安装在应急灯所在的墙体表面，所述外壳壳体侧面开若干洞孔，用于通风降温。

本发明的有益效果：本发明提出一种能够实现设备状态自检、环境多变量检测及预警、工作与应急模式自切换、多电源维持工作、声光结合指引逃离、结构坚固的多用途节能消防应急灯。其利用光强传感模块、电压检测实现对于消防应急灯自身状态的实时检测，确保设备的稳定运行，如果出现故障，则需要及时进行维护；在对设备进行自检的同时利用红外传感模块、烟雾传感模块及振动传感模块分别对建筑内的温度、烟雾及振动情况进行及时检测，并利用一段时间数据对潜在灾害进行预测，一旦灾害发生则进行预警；在灾害发生的时候，该消防应急灯将安全逃离指示箭头与声光提醒均结合在一起，从而指引逃生人员有序撤离；在正常工作及应急状态下，可以实现多种不同情形下的工作模式自切换，通过多模式切换，实现能耗的降低以及资源的最大利用。

附图说明

图1为消防应急灯结构原理图；

图2为消防应急灯硬件结构图；

图3为消防应急灯安装示意图。

具体实施方式

如图1所示，一种多用途节能无线消防应急灯，该灯包括有外壳以及安装在外壳内的微处理器、LED强光灯点阵模块、OLED显示屏、红外传感模块、烟雾传感模块、振动传感模块、光强传感模块、电压检测模块、扬声器、麦克风、电源管理模块、压电发电装置、备用电源、通讯模块等。所述外壳采用坚固的不锈钢结构；所述LED聚光灯点阵模块、OLED显示屏、红外传感模块、烟雾传感模块、振动传感模块、光强传感模块、电压检测电路、扬声器、麦克风、电源管理模块及通讯模块均与微处理器相连；所述备用电源与市电共同为装置提供电力，均与电源管理模块相连；所述压电发电装置通过充电电路与备用电源相连，所述通讯模块采用ZigBee自组网无线通讯技术。

所述微处理器采用低功耗MSP430系列嵌入式单片机，其中光强传感模块、电压检测电路实时检测设备内部的电源电压以及LED灯亮度，微处理器接收检测结果并判断设备是否正常工作，如果设备存在故障，微处理器通过通讯模块向监控中心发出存在故障的设备位号信息，对设备进行维修与替换。其中红外传感模块、烟雾传感模块、振动传感模块则实现对建筑内温度、烟雾浓度及振动烈度的实时检测，微处理器接收到数据通过OLED显示屏实时显示，同时通过无线通讯模块上传至监控中心，监控中心服务器采用RNN神经网络进行趋势预测，从而能够提前预测灾害的发生，并向有关部门发出预警及人员疏散，进一步降低灾害所带来的损失。之所以没有采用温度传感模块检测的主要原因是温度传感模块智能安装在设备附近并检测近处的温度，而当火灾温度蔓延至该设备时，火灾已经非常严重，但是红外传感模块则可以检测较远处、较大范围的温度值，具有更强的适用性与合理性。

如图2所示，所述LED聚光灯点阵模块、OELD显示屏、扬声器、麦克风则应用在灾害发生时，当灾害发生时，LED聚光灯点整模块分布在消防应急灯外壳正面及侧面空处，从而保证能够照亮建筑内部更大范围的场地，避免了过去的只能照亮部分区区域，结合光强传感模块，对外部环境光亮度进行检测，并根据外部亮度对LED聚光灯点整模块进行亮度调整，以满足最合理的亮度需求，避免电量浪费；同时OLED显示屏在显示实时检测环境状态值的同时显示安全逃生方向，配合OLED显示屏的指示，采用扬声器进行反复的播报逃生方向，OLED显示屏及扬声器所指引的逃生路径则是监控中心进行统一筹划，并随着灾害形式的变化随时动态调整。麦克风则可以作为灾害发生时周边环境的声音信息采集手段，监控中心通过机器学习方法对声音进行辨识，不仅可以实现对于灾害的发展判断，同时也可以对逃生人员的方位实现简单辨识。逃生人员则利用扬声器与麦克风也可以实现与监控中心的双向通讯，有效提升逃生效率与救援方向。

所述市电、备用电源及电源管理模块作为电能提供方，为了实现更加有效的资源利用，当市电被意外切断后，可以通过电源管理模块实现快速切换，维持消防应急灯的正常工作。

如图3所示，所述压电发电装置采用压电晶体将产生的电能保存在超级电容中，大型楼宇中，人员流动频繁，在地板上行走产生的能量被浪费，将压电晶体分布在瓷砖表面，并铺设在通道中，平时行人踩压的势能可转为电能，保存在超级电容中，当备用电源电量不足时，则通过超级电容向消防应急灯提供电源，从而维持设备的有效运行，而平时市电正常工作，超级电容电量过大时，则可以通过电源管理器切换，采用超级电容代替市电供电，当超级电容电量较低时再切换回市电，从而有效能量利用率。

所述结构坚固的外壳采用强度较大的硬合金，其用于保护内部电路以及显露在外部的LED强光灯点阵以及OLED显示屏，所述传感器均在外壳有安装位置，振动传感模块由于需要检测建筑振动状态，需要安装在墙体表面，同时还在壳体侧面开若干洞孔，具备有通风降温效果。

所述RNN神经网络为一种递归神经网络，一个序列当前的输出与前面的输出也有关，可以理解为当前时刻对于未来的预测是基于过去一个时间段内的检测状态所决定，RNN神经网络具有记忆功能的时序神经网络。其主要结构如下所示：

其中x_t为t时刻神经网络的输入，即之前时刻周围环境检测结果，o_t为t时刻神经网络的输出，即周围环境监测的预测值，s_t为t时刻神经网络的状态，s_t-1为t-1时刻神经网络的状态，可以看到神经网络的状态会一直传递下去，从而携带过去一段时刻输入的信息。φ(·)、

为激励函数，采用双曲正切函数

U、V、W均为神经网络的权重，其更新率如下所示：

其中N指偏导与之前N个时刻全部相关，

为

函数的导数，

为o_t的中间状态，

同理

为s_t的中间状态，

L为N个时刻的总损失函数，L_t为t时刻损失。L损失函数的如下所示：

其中y_t为t时刻的检测真实值。

所述声音辨识所采用的方法是基于C-SVM+PLDA结合的方法进行，其中采用C-SVM对背景声音及人声进行分类辨识，而利用PLDA进行人声身份的确认，从而了解逃生人员分布的情况。其主要算法结构如下所示：

C-SVM算法：

如果有l个训练样本点{(x₁,y₁),(x₂,y₂),...,(x_l,y_l)}∈(x,y)^l，其中x_i∈Rⁿ是在现场获取的第i个声音样本,n是样本维数，y_i是其对应的向量x_i的分类标签，y_i∈Y＝{-1,1},i＝1,2,...,l。

人声与背景声的分类问题则有：

其中w为法向量，b为截距。通过寻找最优法向量w则可以实现对于分类问题的最优解，构建如下求解w的最优问题：

该问题不直接求解，通过引入拉格朗日函数实现求解该问题的对偶问题，其对偶问题为：

其中ξ_i,i＝1,2,...,l为松弛变量，表示允许存在错误，而C为惩罚因子，且C>0，表征对错误分类的惩罚力度与重视程度，α_i为第i个样本的拉格朗日乘子，对偶问题存在唯一最优解α^*，K为核函数，用来代替内积运算，其结构为K(x_i,x_j)＝φ(x_i)·φ(x_j)，φ(·)为设定的非线性映射。则最优决策函数为：

其中

经过C-SVM的分类，利用PLDA进行身份辨识，从而更进一步的确定最终逃生者的位置信息。由于在使用之前需要对模型进行训练，即获取楼宇内人员的语音信息，进行训练。然后在应用于实际测试中，其具体步骤如下所示：

s_ij＝μ+Fh_i+Ga_ij+ε_ij

s_ij表示第i个人的第j条语音；F为身份空间，包含可以用来表示各种说话人的信息；h_i表示具体一个说话人的身份；G可以看做是误差空间，表示一个人说话不同语音变化的信息；a_ij表示在G空间中的位置；ε_ij是残留噪声项，该项为零均高斯分布，方差为∑。

训练即获取每个人不同的声音特征，即θ＝[μ,F,G,∑]。对于N个人声样本信息，则有：

即s′＝μ′+Ay+ε′

计算隐含变量h的期望：

E[y_i]＝(A^T∑′^-1A+I)^-1A^T∑′^-1(x_i-μ′)

更新参数θ＝[μ,F,G,∑]，首先有B＝[F|G]，[h_i|a_ij]拼接为z_ij。则有如下更新公式：

其中Diag(·)函数表示只保留对角元素，I、J则表示i,j的总数，即为求平均的过程。最后通过训练参数，则可以得到模型，从而再获取逃生者声音信息的同时，判别出身份信息，从而构建逃生者分布，合理疏导逃生。

实施例：

1、安装若干个该多用途节能无线式消防应急灯于建筑物各个出口及关键位置处，接入市电，振动传感模块安装在墙体待测点，红外传感模块及烟雾传感模块实时测量建筑内部的温度、烟雾浓度，同时利用光强传感模块及电压检测电路检测消防应急灯内部工作状态，实现立体化全楼宇覆盖式信息采集，在平时显示包括楼层数、安全通道箭头指示、消防应急灯设备状态、建筑环境中温度、烟雾浓度以及振动烈度等信息。

2、部署监控中心服务器，用于接收消防应急灯检测的诸多信息，对设备自身内部的电压及LED灯状态检测的状态判断反馈，如果存在故障，接收到故障节点位号信息，及时进行维护与更换。对建筑环境的温度、烟雾、声光以及建筑振动信息，并在服务器中对应录入相应信息，依据过去一段时间的信息，利用RNN深度网络对未来进行短时间预测，当预测到有灾害可能发生时，通过确认不是错误提示后则向相关部门报警并尽快疏散人群。

3、系统采用市电、备用电源以及压电发电装置并行的多电源策略，并通过电源管理模块实现管理与切换，在正常工作状态下，采用市电进行供电。其中将压电晶体埋入瓷砖表面，并铺设在建筑内部通道处，将行人给予地面的压力势能转化为电能，并存储在超级电容中，当电量超过设定值时，则与市电切换维持设备正常工作一段时间，低于阈值后则切换回市电。当市电因故障或灾害切断后，首先启用备用电源，此后在备用电源电量不足时，则采用压电发电装置提供电能。为了进一步节能，利用光强传感模块检测检测出光强亮度，动态调整LED强光灯点阵亮度，实现通道的光线稳定，不至于过亮或过暗，同时也节省了电能。

4、在灾害发生时，LED强光灯点阵用于照明，考虑到传统的照明灯采用的是两个向前并且突出于整个装置的灯具，照明存在盲区并且易被撞断损毁，同时清洁也存在不方便。本发明提出如图所示的结构，LED强光灯采用点阵结构安装在外壳表面，并且集合成模块形式并以卡扣形式固定，易于拆卸与换装，同时没有突出的结构，方便擦拭清洁，并且能够实现多角度的照明，当遇到碰撞时，也不易被损毁。而OLED显示屏与扬声器则依据监控中心设定的逃生路径，进行指引，其中OLED显示屏指引方向，即向左向右的方向指引，而扬声器则进行反复重复逃生信息，即安全位置的信息，该信息由监控中心发送至对应装置进行播报，确保大家能够在慌乱中有足够的逃生信息，同时逃生路径依据各个检测点的检测状态实现实时动态变化，即各个检测点实时检测楼宇内的实际状况，监控中心根据检测结果确定危险区域，调整逃生路径以避开危险区域。相应的消防应急灯也随之进行动态调整，以便于人员协调疏散。

5、消防应急灯设有麦克风，用于在灾害发生时，采集声音信息，监控中心通过声音辨识，可以对灾害有进一步的直观判断，同时也可以对逃生人员进行位置大致辨识，方便设计逃离引导以及灾后救助。同时逃生人员基于扬声器以及麦克风可以实现与监控中心双向通讯，有效了解逃生者所面临的困境，便于进一步的指引与疏导。

Claims (3)

1.一种多用途节能消防应急灯，该灯包括有外壳以及安装在外壳内的微处理器、LED聚光灯点阵模块、OLED显示屏、红外传感模块、烟雾传感模块、振动传感模块、光强传感模块、电压检测模块、扬声器、麦克风、电源管理模块、压电发电装置、备用电源和通讯模块，其特征在于：

所述外壳采用坚固的不锈钢结构；

所述备用电源与市电共同为应急灯提供电力，且均与电源管理模块相连；

所述压电发电装置通过充电电路与备用电源相连；

所述通讯模块采用ZigBee自组网无线通讯技术；

所述LED聚光灯点阵模块分布在消防应急灯外壳正面及侧面空处，结合光强传感模块，对外部环境光亮度进行检测，并根据外部亮度对LED聚光灯点阵模块进行亮度调整；

所述OLED显示屏在显示实时检测环境状态值的同时显示安全逃生方向，配合OLED显示屏的指示，采用扬声器进行反复的播报逃生方向，OLED显示屏及扬声器所指引的逃生路径则是监控中心进行统一筹划，并随着灾害形式的变化随时动态调整；

所述麦克风作为灾害发生时周边环境的声音信息采集手段，逃生人员则利用扬声器与麦克风实现与监控中心的双向通讯；

所述压电发电装置采用压电晶体将产生的电能保存在超级电容中，所述压电晶体分布在瓷砖表面，并铺设在通道中；

所述LED聚光灯点阵模块、OLED显示屏、红外传感模块、烟雾传感模块、振动传感模块、光强传感模块、电压检测电路、扬声器、麦克风、电源管理模块及通讯模块均与微处理器相连；

所述微处理器采用低功耗MSP430系列嵌入式单片机，其中光强传感模块、电压检测电路实时检测设备内部的电源电压以及LED灯亮度，微处理器接收检测结果并判断设备是否正常工作，如果设备存在故障，微处理器通过通讯模块向监控中心发出存在故障的设备位号信息；其中红外传感模块、烟雾传感模块、振动传感模块则实现对建筑内温度、烟雾浓度及振动烈度的实时检测，微处理器接收到数据通过OLED显示屏实时显示，同时通过无线通讯模块上传至监控中心。

2.根据权利要求1所述的一种多用途节能消防应急灯，其特征在于：所述当市电被意外切断后，通过电源管理模块切换至备用电源，维持消防应急灯的正常工作。

3.根据权利要求1所述的一种多用途节能消防应急灯，其特征在于：所述外壳用于保护内部电路以及显露在外部的LED聚光灯点阵模块、OLED显示屏，各种传感模块中的传感器均在外壳有安装位置，其中振动传感模块安装在应急灯所在的墙体表面，所述外壳壳体侧面开若干洞孔，用于通风降温。

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