一种基于电力载波技术的智能消防疏散指示灯的应用设计方案

黄日财

（广州番禺职业技术学院，广东 广州 511483）

随着城市化建设进程的不断加速，各类建筑如高层建筑、商业中心和公共场所迅速增多。然而，建筑内部结构多样，火灾等紧急情况下的疏散问题日益突显。在此背景下，疏散指示灯作为疏散系统关键组成部分，能够有效引导人们迅速脱离危险[1]。

传统疏散指示灯存在布线成本高、独立工作等问题。而基于电力载波技术的数字型疏散指示灯则具备巨大潜力。电力载波技术已在多领域成功应用，通过现有电力线路传输数据，降低成本，提高可靠性。此技术低成本、高可靠性、易扩展性等优势也在照明领域得到展现[2]。

基于电力载波技术的数字型疏散指示灯可实时调整设置，适应不同情况，实现与消防电力线路融合[3]。这项技术为消防安全领域注入了新的活力。智能疏散指示灯的出现，有望进一步提升火灾疏散的效率和人员安全。虽然还需克服一些技术难题，但这种技术对于现代化建筑消防系统的发展具有积极意义。在未来，或许可以期待在电力载波技术的推动下，数字型疏散指示灯在各类建筑中得到广泛应用，为火灾疏散提供更可靠和智能化的解决方案。

1 智能消防疏散指示灯的设计

现阶段，电力线载波通信技术尚未应用在消防领域。基于电力载波技术的智能应急疏散指示灯是一种具有智能指引（光与声）、实时通讯功能的消防疏散电力载波指示灯，可以指引逃生人员能够准确、有序、安全地逃生，防止逃生人员向危险区域疏散、逃生，保障了人们的生命安全。

该研究不仅可以促进我们对电力线载波通信技术的了解与应用，对未来消防领域和电力载波技术发展有着重要意义，还可以推动建筑物智能化系统发展。

1.1 智能应急疏散指示灯结构设计

基于电力载波技术的智能应急疏散指示灯由LED 灯板、语音模块、电力载波模块、不间断电池组和继电控制回路组成，设计思路为开发电力载波模块控制继电控制回路，设计程序使继电控制回路指令疏散指示LED 灯板显示消防疏散方向和指令语音模块发出消防疏散指示语音，同时不间断电池组给继电控制回路提供不间断电源，可以通过上位机软件与电力载波模块通讯，实现智能指引、实时通讯的功能。如图1所示。

1.2 电力载波模块应用设计

电力载波模块由通讯处理模块和电力载波芯片构成。如图2 所示，通讯处理模块包括功率发送电路、滤波放大电路和耦合电路，用于将电力载波模块调制的信号经过放大、滤波通过耦合电路加载到电力线上，同时来自电力线的载波信号经耦合电路送到接收滤波放大电路，经窄带滤波和信号放大后加到电力载波芯片。

图2 电力载波模块实物（CCO 模组和STA 模组）

电力载波芯片配合通讯处理模块与外围电路构成高性能、小体积的电力载波模块与电力线电连接，本方案电力载波芯片采用海思PLC-IoT 芯片Hi3921，其CPU 采用高性能ARM Cortex M3 处理器，工作频率200 MHz，片内FLASH，512KB，片内SRAM：256KB，搭载物联网开源操作系统LiteOS。

其中，Lite OS 开源操作系统是一种轻量级、高效和开源的物联网操作系统，具有良好的可移植性、多任务支持、安全性和网络协议兼容性，支持多种通信协议，包括IPv4、IPv6、6LoWPAN、CoAP 等。这使得物联网设备可以通过各种通信方式实现互联，并与云平台或其他设备进行数据交换和远程控制；支持安全机制和隐私保护功能，包括数据加密、身份认证、访问控制等。这些特点有助于保护物联网设备和数据的安全性，防止恶意攻击和数据泄露。

同时，该电力载波芯片组具备超强抗噪声、抗衰减性能，可快速组建PLC IoT 网络，支撑大规模节点树形网络和mesh 网络，提供稳定、可靠、高速的电力线载波通信性能。处理器Cortex M3 的UART 接口连接外围电路，如图3 所示。

组网及控制测试：

配置完成白名单及频段等参数后，可通过CCO（中心节点）转发命令至STA（远程设备节点），实现查询和设置远程节点的参数，并可发送数据，实现控制及状态查询。如下所示：

（1）指令AT+IOPARAM 设置GPIO 初始配置

格式：AT+IOPARAM

STA 模组响应格式为：

+IOPARAM：＜pin＞，＜type＞，＜state＞，＜pwm_freq＞，＜pwm_ctl_mode＞，＜pwm_adjust_time＞

响应反馈：OK/ERROR；其中：设置＜type＞：引脚类型1：GPIO 电平模式；type 引脚类型为GPIO 电平模式时，0：低电平；1：高电平。

（2）指令AT+IOCTRL 进行远程控制GPIO 状态：（注：本测试STA 的MAC 为30：95：58：7d：11：50）

格式：AT+IOCTRL=＜mac＞，＜pin>；响应：+IOCTRL：＜mac>，＜pin＞，＜state＞，OK/ERROR

其中：＜mac＞：远程控制目的地址；＜pin＞：引脚编号，可设置为0-5，16-18，19，20。其中0-5，16-18 可设置为GPIO 电平模式和PWM 模式。其中19，20 只能设置为GPIO 电平模式；＜state＞：引脚状态值。

测试：查询到CCO 模组对STA 模组GPIO 的控制状态后，发送以下指令格式：

格式：AT+IOCTRL=＜mac＞，＜pin＞，＜state＞，即AT+IOCTRL=＜3095587d1150＞，＜19>，＜1＞。响应：OK/ERROR

设置模组的GPIO_19、GPIO_20 引脚为电平模式控制，通过该引脚控制指示灯反向及语音命令。

（3）指令AT+SEND 进行字符数据发送：

格式：AT+SEND=＜mac＞，＜len＞，＜data＞，[flag]，

测试：AT+SEND=3095587d1150，5，"12345"；STA响应反馈：OK 或ERROR。通过AT+SEND 指令实现CCO 模组与STA 模组点对点数据相互发送及接收。

（4）Mac 与安装物理地址解析：

通过白名单与Mac 地址匹配地址文件，可对应相关STA 模型的实际物理位置，如将MAC 为30：95：58：7d：11：50 的STA 定义为“一楼电梯前室”疏散指示灯。

1.3 语音模块应用设计

语音模块基于WTN6 系列CMOS 语音芯片，实际应用时消防广播扬声器额定功率多为3 W，需增加功放芯片。

1.3.1 WTN6096 语音芯片

WTN6 系列为多功能，低功耗，高性能的CMOS语音芯片。音频采样率目前最高可达32 kHz，16 级音量控制，两种音频输出方式PWM 输出和DAC 输出。精准的±1%内部震荡，不需要加外部震荡，具备超低功耗待机。工作电压为2.4 ～5.2 V，12 位PWM 纯音频输出，可直接驱动8 Ω/0.5 W 喇叭和蜂鸣器，DAC音频输出，可外接功放。同时具备串口控制模式：数脉冲，按键，一线串口，两线串口。

音模块基于WTN6096 CMOS 语音芯片，采用16位DSP 语音芯片、内部振荡32 MHz，16 位的PWM 解码，直接驱动8R 0.5W 喇叭（因消防广播扬声器多为3W 左右功率扬声器，外罩功放芯片，功放芯片为WT4890）。语音脚本编写有“此处方向有危险，请勿向左”“此处方向有危险，请勿向右”“这里是安全出口”等。

1.3.2 WT8871 功放芯片

WT8871 是一款无FM 干扰、具有AB 类和D 类模式的功率放大器。该功放芯片可通过MODE 功能键可对功放进行AB 类D 类的选择。其应用电路简单，只需极少数外围器件，集成反馈电阻；输出不需要外接耦合电容或上举电容和缓冲网络。WT8871 采用ESOP 封装，适合用于小音量、小体重的便携系统中，可以通过控制进入休眠模式，从而减少功耗。WT8871内部具有过热自动关断保护机制；工作稳定，增益带宽积高达2.5 MHz，并且单位增益稳定。反馈电阻内置，通过配置外围参数可以调整放大器的电压增益及最佳音质效果，方便应用。

1.4 继电器模块应用设计

继电控制回路模块和不间断电池组采用常规技术。继电控制回路采用1 路继电器模块-易驱型，继电器工作电压根据继电控制回路所需电压大小选择，本设计使用3 V 继电器模块，具有插针与端子双接口设计，控制端设有SIN 信号、电源DC-和电源DC+，被控制端设有常开端、公共端和常闭端。

2 疏散指示灯在高层建筑的使用思考

2.1 既有建筑应急疏散指示灯改造应用

基于电力载波技术智能疏散指示灯：可在传统的三线制（相线、中性线、保护线）疏散指示灯的结构拓扑基础上，不改变原有的电气线路，通过更换原有的传统疏散指示灯，通过现有电力线实现智能疏散指示灯与控制主机实时通讯，即可实现疏散指示灯的联网、通讯、调整方向、故障上报、智能指引等功能。在不改变原有疏散指示灯电气线路的基础上，通过更换原有的灯具即可实现升级。如图4、图5 所示。

图5 智能疏散指示灯（左右调向测试）

2.2 新建建筑的应用

基于电力载波技术的智能消防疏散指示灯是一种创新的应用设计，它利用电力线路作为通信介质，实现消防疏散指示灯的智能化控制和管理。该设计具有多项优势，包括低成本、可靠性高、扩展性强和易于集成等特点。通过将电力载波通信模块嵌入疏散指示灯中，可以实现对灯具的远程控制、监测和故障诊断。同时，结合物联网技术和智能算法，疏散指示灯可以与其他智能设备进行互联互通，提供更智能、高效的疏散指示功能。这种应用设计为建筑物的消防安全提供了重要保障，并为应急疏散提供了更可靠、便捷的指引，从而提高了人员安全和建筑管理的水平。