基于開源Arduino的地震應急救生裝置設計

胡慧 肖震霞

摘 要：為實現地震預警及提高震后的生還幾率，本文設計了地震應急救生裝置。利用橫縱波傳播速度不同以及電磁波與地震波傳播速度不同而產生的時間差，分析計算可能發生破壞性地震的區域并發出預警，為用戶預留逃生時間，并在人們不具備逃生條件的情況下提供一個應急的避難空間。裝置采用開源Arduino技術，性價比高，裝置設計了多個實用的功能模塊，系統具有高度自動化和智能化的特點。

關鍵詞：地震應急救生裝置；Arduino技術；功能模塊；求救模塊

中圖分類號：TP368.1 文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2018）03-0162-03

Design of Earthquake Emergency Rescue Device Based on Open Source Arduino

HU Hui1，XIAO Zhenxia2

（1.College of Information Engineering，Hebei GEO University，Shijiazhuang 050000，China；

2.College of Resourse，Hebei GEO University，Shijiazhuang 050000，China）

Abstract：In order to achieve early warning of earthquakes and improve the chance of earthquake recovery，an emergency rescue equipment for earthquakes was designed. In view of the time difference between the propagation velocity of the transverse wave，and the difference between the propagation velocity of the electromagnetic wave and the seismic wave，and the area where the destructive earthquake is likely to be calculated is analyzed，escape time for users and provide the emergency evacuation space when the people do not have the escape condition. The device uses open source Arduino technology，high cost performance，the device is designed with multiple functional modules，the system is highly automated and intelligent.

Keywords：earthquake emergency life-saving device；Arduino technology；function modules；help modules

0 引 言

2008年5月12日，中國四川省汶川縣發生里氏8.0級地震。統計顯示，地震造成約6.9萬人遇難，逾37萬人受傷；2010年4月14日，中國青海省玉樹藏族自治州玉樹縣發生兩次地震，最高震級7.1級，造成2698人遇難。據調查，在世界歷史上130次造成人員傷亡嚴重的地震災害中，因建筑物倒塌導致的人員傷亡占95%以上[1]，因此亟需設計一種提高人員存活率的地震應急裝置。

1 系統概述

將中國地震臺網的即時速報數據無縫對接到系統，系統根據震源深度和震級分析計算出可能發生破壞性地震的區域，并發出預警信號。裝置利用縱橫波傳播速度不同以及電磁波與地震波傳播速度不同產生的時間差預留出逃生時間，同時為使用者提供一個逃生空間。裝置配備了生活必需物品及供氧模塊，能夠延長等待救援的時間；另外配備了地震預警模塊和自動求救等模塊，能夠提高使用者的生還幾率。

2 硬件設計

裝置設計：裝置設計為長方體外殼，內部為橢圓體內艙，如圖1所示。外殼和內艙均使用抗拉強度不小于345MPa的鋼材。同時在內艙上部1.6米處設置了一個儲物倉模塊，容積大約為25立方分米，用來存儲應急救生用品以及食品和水等。

減震模塊：該模塊利用形狀記憶合金（SMA）材料在相變偽彈性階段具有較好的阻尼性能這一特點，采用SMA自復位阻尼器與常規疊層橡膠墊組合成自復位隔震裝置，如圖2所示，在振動源和要求減震的主體之間，即在橢圓體人員艙和長方體保護艙之間設置一層具有足夠可靠性的“隔震層”，也稱隔震系統，來減少振動的傳遞。

通風模塊：艙室安裝的通風口可以降低室內CO2濃度和室內溫度，旨在給艙內人員一個舒適、安全的環境，通風方式如圖3所示。

圖3 下側進上側回的通風方式[3]

供氧模塊：該模塊利用超氧化物作為氧源的化學供氧設備，并且該模塊具有同時完成吸收二氧化碳和產氧的雙重功能。

緊急用品儲備模塊：該模塊提供食品儲備與藥品儲備的雙重保障，提供生命支持。

地震預警模塊：地震預警模塊利用縱橫波傳播速度不同以及電磁波與地震波傳播速度不同產生的時間差，再根據震源深度和震級分析計算出可能發生破壞性地震的區域，并發出預警信號，來預留出逃生時間。

該子模塊硬件電路設計如下：

（1）微控制器模塊：作為控制核心起控制外圍電路和處理軟件數據的作用。本模塊選擇Arduino mega2560作為數據采集及處理核心，該芯片具有強大的AD轉換功能。

（2）P波傳感器：當縱波由下而上傳播到地表時，橫波才產生，而縱波傳播速度較快，可以利用該時間差實現報警。

（3）消磁傳感器：傳感器在內部小磁場的環境下保持電路處于斷路狀態，當磁場消失，傳感器自動復位，接通電路，儀器報警。

（4）指南針傳感器：當地震發生前，由于板塊擠壓產生垂直磁場，指南針會表現為不停地無規則旋轉，當指南針無故旋轉時，大于一定角度，傳感器動作，接通電路，儀器報警。

（5）信號檢測模塊：包含信號調理電路和三軸加速度傳感器電路。三軸加速度傳感器電路用來采集振動加速度，并輸出三軸電壓信號，由信號調理電路進行整形，濾波后送入主控制芯片；三軸加速度傳感器采用具有體積小、可靠性高、分辨率高、抗沖擊能力強等特點的MEMS電容式加速度傳感器。[4]

（6）按鍵檢測模塊：具有調節報警閾值（THR）的大小，解除報警聲等作用。

（7）無線收發模塊：實現無線報警信號的接收與發送。

（8）串口通訊模塊：實現程序的下載/調試以及PC機與控制器的數據通信。該模塊將采集的加速度信號傳遞到PC機上進行數據分析，并且串口發送可以作為擴展使用，以便于接收從PC機上傳遞來的報警信號等。

（9）聲光報警模塊：當由垂直方向加速度值計算出的R_V超出預設閾（THR_V）時，發出聲光報警信號。選擇聲光報警電路，由LED燈閃爍和PNP型三極管作為聲光報警電路的驅動。

（10）顯示模塊：用于顯示THR的設定值和地震發生與否的狀態。顯示內容通過字符和數字進行顯示且比較簡單，所以選用較簡單的顯示器。

（11）電源模塊：起供電作用。

地震預警模塊結構原理圖如圖4所示。

求救模塊：該模塊主要由紅外線發生器與地震應急廣播設備發起求救信號，紅外線發生器運行流程如圖5所示。