基于开源Arduino的地震应急救生装置设计

胡慧 肖震霞

摘 要：为实现地震预警及提高震后的生还几率，本文设计了地震应急救生装置。利用横纵波传播速度不同以及电磁波与地震波传播速度不同而产生的时间差，分析计算可能发生破坏性地震的区域并发出预警，为用户预留逃生时间，并在人们不具备逃生条件的情况下提供一个应急的避难空间。装置采用开源Arduino技术，性价比高，装置设计了多个实用的功能模块，系统具有高度自动化和智能化的特点。

关键词：地震应急救生装置；Arduino技术；功能模块；求救模块

中图分类号：TP368.1 文献标识码：A 文章编号：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，中国四川省汶川县发生里氏8.0级地震。统计显示，地震造成约6.9万人遇难，逾37万人受伤；2010年4月14日，中国青海省玉树藏族自治州玉树县发生两次地震，最高震级7.1级，造成2698人遇难。据调查，在世界历史上130次造成人员伤亡严重的地震灾害中，因建筑物倒塌导致的人员伤亡占95%以上[1]，因此亟需设计一种提高人员存活率的地震应急装置。

1 系统概述

将中国地震台网的即时速报数据无缝对接到系统，系统根据震源深度和震级分析计算出可能发生破坏性地震的区域，并发出预警信号。装置利用纵横波传播速度不同以及电磁波与地震波传播速度不同产生的时间差预留出逃生时间，同时为使用者提供一个逃生空间。装置配备了生活必需物品及供氧模块，能够延长等待救援的时间；另外配备了地震预警模块和自动求救等模块，能够提高使用者的生还几率。

2 硬件设计

装置设计：装置设计为长方体外壳，内部为椭圆体内舱，如图1所示。外壳和内舱均使用抗拉强度不小于345MPa的钢材。同时在内舱上部1.6米处设置了一个储物仓模块，容积大约为25立方分米，用来存储应急救生用品以及食品和水等。

减震模块：该模块利用形状记忆合金（SMA）材料在相变伪弹性阶段具有较好的阻尼性能这一特点，采用SMA自复位阻尼器与常规叠层橡胶垫组合成自复位隔震装置，如图2所示，在振动源和要求减震的主体之间，即在椭圆体人员舱和长方体保护舱之间设置一层具有足够可靠性的“隔震层”，也称隔震系统，来减少振动的传递。

通风模块：舱室安装的通风口可以降低室内CO2浓度和室内温度，旨在给舱内人员一个舒适、安全的环境，通风方式如图3所示。

图3 下侧进上侧回的通风方式[3]

供氧模块：该模块利用超氧化物作为氧源的化学供氧设备，并且该模块具有同时完成吸收二氧化碳和产氧的双重功能。

紧急用品储备模块：该模块提供食品储备与药品储备的双重保障，提供生命支持。

地震预警模块：地震预警模块利用纵横波传播速度不同以及电磁波与地震波传播速度不同产生的时间差，再根据震源深度和震级分析计算出可能发生破坏性地震的区域，并发出预警信号，来预留出逃生时间。

该子模块硬件电路设计如下：

（1）微控制器模块：作为控制核心起控制外围电路和处理软件数据的作用。本模块选择Arduino mega2560作为数据采集及处理核心，该芯片具有强大的AD转换功能。

（2）P波传感器：当纵波由下而上传播到地表时，横波才产生，而纵波传播速度较快，可以利用该时间差实现报警。

（3）消磁传感器：传感器在内部小磁场的环境下保持电路处于断路状态，当磁场消失，传感器自动复位，接通电路，仪器报警。

（4）指南针传感器：当地震发生前，由于板块挤压产生垂直磁场，指南针会表现为不停地无规则旋转，当指南针无故旋转时，大于一定角度，传感器动作，接通电路，仪器报警。

（5）信号检测模块：包含信号调理电路和三轴加速度传感器电路。三轴加速度传感器電路用来采集振动加速度，并输出三轴电压信号，由信号调理电路进行整形，滤波后送入主控制芯片；三轴加速度传感器采用具有体积小、可靠性高、分辨率高、抗冲击能力强等特点的MEMS电容式加速度传感器。[4]

（6）按键检测模块：具有调节报警阈值（THR）的大小，解除报警声等作用。

（7）无线收发模块：实现无线报警信号的接收与发送。

（8）串口通讯模块：实现程序的下载/调试以及PC机与控制器的数据通信。该模块将采集的加速度信号传递到PC机上进行数据分析，并且串口发送可以作为扩展使用，以便于接收从PC机上传递来的报警信号等。

（9）声光报警模块：当由垂直方向加速度值计算出的R_V超出预设阈（THR_V）时，发出声光报警信号。选择声光报警电路，由LED灯闪烁和PNP型三极管作为声光报警电路的驱动。

（10）显示模块：用于显示THR的设定值和地震发生与否的状态。显示内容通过字符和数字进行显示且比较简单，所以选用较简单的显示器。

（11）电源模块：起供电作用。

地震预警模块结构原理图如图4所示。

求救模块：该模块主要由红外线发生器与地震应急广播设备发起求救信号，红外线发生器运行流程如图5所示。