自然災(zāi)害自動預(yù)警儀的創(chuàng)新設(shè)計

樊澤豪 沈悅 張佳康 單宇熙 趙炳林

（河北建筑工程學(xué)院 河北省張家口市 075000）

2020年為自然災(zāi)害多發(fā)年，澳洲大火使得大量動物無家可歸，山林遭到嚴(yán)重的燒毀，即使是幸存下來的野生動物也要在大火過后要面臨著食物短缺的風(fēng)險；近日，世界各處地震頻發(fā)，據(jù)不完全統(tǒng)計，地球上每年約發(fā)生500 多萬次地震，其中，真正能對人類造成嚴(yán)重危害的地震大約有十幾二十次，絕大多數(shù)情況下，人們感覺不到的地震，必須用地震儀日夜監(jiān)測著地震的動向以避免更大規(guī)模的危害；2019年8月20日凌晨2 點過汶川所發(fā)生的“8.20”特大暴雨泥石流自然災(zāi)害，直接造成汶川與成都的對外交通全線雙向中斷，嚴(yán)重影響了當(dāng)?shù)厝嗣竦纳a(chǎn)生活。而自然災(zāi)害自動預(yù)警儀的創(chuàng)新設(shè)計可以全方位預(yù)知各種災(zāi)害的發(fā)生，使災(zāi)害發(fā)生前人們便能做好抗災(zāi)的準(zhǔn)備。

1 現(xiàn)狀分析

中國幅員遼闊，城市地區(qū)人員分布密集，建筑都會使用大型用電設(shè)備，雖然有一定的防火措施，但還是會存在火災(zāi)隱患。一旦在大型建筑中發(fā)生火災(zāi)，其造成的損失和傷亡是不可預(yù)估的，并且往往有城市建筑設(shè)施的原因，施救存在著一定的困難。每年都會發(fā)生各種大型火災(zāi)，其往往都是因為預(yù)測的不及時，來不及做出反應(yīng)而釀成大禍。

2 搭設(shè)自動預(yù)警儀的需求分析

（1）在我們生活在大自然的前提下，人類的力量還是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不足以去應(yīng)對突如其來的自然災(zāi)害，每年因為自然災(zāi)害所造成的損失都不可估量，因為自然災(zāi)害而死去的人們也是數(shù)不勝數(shù),我們無法做到零損失，但是我們可以在提前預(yù)知災(zāi)害的情況下盡可能的減小損失，減少人員傷亡，因此發(fā)明一個可以三位一體，靈活預(yù)警提示人們?yōu)碾y即將到來的裝置顯得尤為重要，因此我組發(fā)明的自動預(yù)警儀可以迅速靈敏準(zhǔn)確的預(yù)警上述三種災(zāi)害，對防災(zāi)救災(zāi)工作做出有效的援助，快速地對發(fā)生的災(zāi)害進行處理，更好的保護人民的生命財產(chǎn)安全。

（2）隨著社會的不斷發(fā)展和進步，人們的安全意識也在隨之和增強，人們所需要的安全提示裝置也隨著人們的安全意識的增強而增強，因此如何成功的有一種可以預(yù)防災(zāi)害的儀器便顯得尤為重要。安全設(shè)施近些年來也是增添了不少，但還是未真正跟上社會的經(jīng)濟和生產(chǎn)規(guī)模的迅速發(fā)展。預(yù)警裝置的需求很大，但昂貴的裝置原材料使成本過高，售價超出大眾的心理預(yù)期價格，裝置儀器面向的消費群體只能受限于大公司、高預(yù)算的消費者；過于復(fù)雜的裝置，維護也成為一大問題，對各種條件的要求較高，很難進行多場景運用。我組的此裝置具有簡便性，所需要的原材料均是很容易在市面上買到的，且有很大的實際應(yīng)用價值。

（3）自然災(zāi)害自動預(yù)警儀所占空間極小，不存在市面上已有的類型報警器，不僅三位一體，將火災(zāi)，水災(zāi)，地震完美的融合到了一起，并且其極小的占地問題非常好的解決了市面上報警儀器的存放問題。自然災(zāi)害自動預(yù)警儀還具備操作簡易的優(yōu)勢，市面上已有的報警儀往往操作復(fù)雜，需要調(diào)試設(shè)備，受到自身所處的環(huán)境的影響，但是自然災(zāi)害自動預(yù)警儀只需要將其放置于一個安靜的地方就可以開始工作。

圖1：樹莓派原件

圖2：樹莓派地震檢測裝置

圖3：演示流程圖

3 自然災(zāi)害自動預(yù)警儀的安裝及使用

3.1 設(shè)備需求及工作原理

需要的設(shè)備：一個高約0.5m，寬約0.3m 的集裝箱（有中間隔板），一個小氣球，一個小紙杯，兩個聲控裝置，一個晃動裝置，一個可以測量定時溫度的溫度計，將紙杯置于集裝箱的底部，將溫度計置于中間隔板，以樹莓派為中心的中樞，用于連接板塊之間的焊鐵臺。

中樞樹莓派收到傳感器發(fā)射的信號，將信號傳遞給語音播放器與報警指示燈。

3.2 工作原理

3.2.1 中樞核心

c 語言編成樹莓派中樞，在有需要時負(fù)責(zé)將這三個災(zāi)害鏈接在一起，一旦其中一個預(yù)警災(zāi)害裝置發(fā)生預(yù)警，中樞會迅速反饋與儀器的聲響與燈光裝置，起到保護與預(yù)警的提示作用。樹莓派原件如圖1所示。

3.2.2 預(yù)防火災(zāi)

利用溫度計一旦溫度過高將會爆炸的原理，同時放置一個聲控裝置，一旦溫度過高超過溫度計的示數(shù)，溫度計將會引爆，從而觸發(fā)聲控裝置達到預(yù)測火災(zāi)的功效。添加一個煙霧報警器，一旦產(chǎn)生了火災(zāi)，燃燒之后，產(chǎn)生了煙霧，從而使得煙霧報警器發(fā)揮自身的功能，傳遞信號給樹莓派中心，再由樹莓派中心來傳遞給燈光與聲音傳輸器，確保預(yù)防火災(zāi)的準(zhǔn)確性。

3.2.3 預(yù)防水災(zāi)

一個約高為2cm 的紙杯和一個小氣球，小氣球置于紙杯中，在小氣球的上方安置一個可觸發(fā)的聲控裝置，發(fā)生水災(zāi)時，水位過高水將流入紙杯中從而使水位上升致使氣球漂浮，使其頂入裝置，從而起到預(yù)防水災(zāi)的作用。

3.2.4 預(yù)測地震

則利用樹莓派的震動感受器.動傳感器與樹莓派相連，當(dāng)振動傳感器感受到振動的時候樹莓派輸出一個高電平，然后用樹莓派編程控制蜂鳴器發(fā)出響聲。

3.3 安裝及使用

設(shè)備體積中等，對于一般家庭來說，可以放置在任何地方，安裝與使用簡單方便，只需簡單地固定即可，接通電源即可使用，不需要占用多余的空間。對于大型辦公樓，可在每層中央控制室安裝，最大程度上保護每一層的安全。

3.4 注意事項

裝置的安裝需要一個穩(wěn)定環(huán)境，需要有固定的平臺，穩(wěn)定的環(huán)境溫度（不可安裝在環(huán)境溫度變化較大的區(qū)域，例如廚房的灶臺邊），并且需要有電源，才能在最大的程度上最準(zhǔn)確的預(yù)測災(zāi)害的發(fā)生。

4 相較于傳統(tǒng)裝置本預(yù)警器的優(yōu)點

傳統(tǒng)的火災(zāi)自動報警系統(tǒng)由于安裝繁瑣，操作復(fù)雜，且需要連接電源，不僅不能很好的達到預(yù)防作用，甚至?xí)谝欢ǔ潭壬嫌绊懭说呐袛?。而自然?zāi)害自動報警儀可以通過熱感感受器與煙霧報警器雙重防護作用來達到預(yù)防作用，一旦發(fā)生火災(zāi)，眾所周知，在發(fā)生火災(zāi)之時，不僅發(fā)生火災(zāi)的區(qū)域溫度會上升，還會因為物品的燃燒而產(chǎn)生了有毒氣體以及煙霧氣體，這也是為什么我們在遇到火災(zāi)的時候，我們需要匍匐前進。因為這種火災(zāi)的特性，所以我們倆種方法結(jié)合在了一起，通過煙霧報警器，一旦發(fā)生了火災(zāi)，煙霧升起來之時，那么煙霧報警器將會做出反應(yīng)，通過杜邦線來傳導(dǎo)給樹莓派中樞核心，再通過樹莓派的中樞核心來操控自然災(zāi)害自動報警儀中的聲響與燈光裝置，從而發(fā)出聲響與燈光達到防止火災(zāi)的作用。如果沒有煙霧的產(chǎn)生，我們的溫度感受器便會產(chǎn)生作用，溫度一旦超過所限定的溫度界限，便會像煙霧報警器的原理一樣，傳輸信號給樹莓派中心，再由中心傳遞給兩個提醒裝置。從而確保了儀器能夠完美的將火災(zāi)預(yù)警。

一旦發(fā)生了地震所產(chǎn)生的破壞將不可估計，我們國家每年都在防災(zāi)減災(zāi)投入大量的人力物力。發(fā)生地震之后，所造成損失更是不可估量。而經(jīng)過研究調(diào)查發(fā)現(xiàn)，我們的市面上還沒有一種可以確定預(yù)測地震的裝置。因此我們所創(chuàng)造出的自然災(zāi)害自動報警儀可以迅速的預(yù)測地震，使得可以給人一段緩沖時間來尋找避難場所。我們利用了常見的震動感受器，眾所周知，在大地震來臨之前，都將會有前震，在前震來臨的時候，人們往往都不太重視，或者反應(yīng)不到。所以我們利用這種特性，構(gòu)建了可以用來預(yù)防地震的自然災(zāi)害自動報警儀，將振動感受器安置在報警儀中，設(shè)定一個振動幅度的定值，一旦超過這個振動幅度的定值，那么感受器傳導(dǎo)到樹莓派中樞，再次通過樹莓派中樞來發(fā)送信號到聲響與燈光發(fā)生器，給人們一種警示作用，給人們一個緩沖和尋找避難場所的時間，從而來達到預(yù)防地震的作用。

洪災(zāi)以及水災(zāi)的危害以及對國家的損失和人的生命的流逝，這種災(zāi)難的程度絲毫不亞于之前的火災(zāi)和地震，因此我們在自然災(zāi)害自動報警儀中也做出了，對水災(zāi)的防控。我們利用了水位感受器以及自身所設(shè)計的小裝置。利用一個容量很小的透明刻度水桶，在水桶之中放置一個可被水的浮力拖動的小氣球，一旦洪災(zāi)來襲，水通過透明刻度水桶進入水桶中，隨著水位的增長，水通過浮力將氣球抬起，在氣球的上方放置一個易觸發(fā)敏感感受器，這樣一旦水位過高，小氣球?qū)斊鸢粹o，而感受器給予樹莓派中心信號，再通過樹莓派中心來傳遞給燈光以及聲響裝置，從而達到一種預(yù)防洪災(zāi)的作用。

5 本裝置的不足與改進

5.1 不足

在預(yù)防火災(zāi)之時，如果利用溫度計爆炸的話，會產(chǎn)生有毒物質(zhì)水銀，不僅會影響環(huán)境甚至?xí)θ祟惖娜梭w造成損傷，預(yù)防水災(zāi)易出現(xiàn)系統(tǒng)故障問題，一旦沒有順利的將氣球頂起，那么造成的后果不可估量。

5.2 改進

預(yù)防火災(zāi)時利用發(fā)生火災(zāi)時有煙霧產(chǎn)生的特性，利用市面上常見的煙霧報警器，改善之后，不僅環(huán)保無污染，而且還能保證預(yù)警的準(zhǔn)確性。預(yù)防水災(zāi)時，利用了樹莓派的特性，運用雨水傳感器，不僅保證了實驗的準(zhǔn)確性且確保了其安全性。

6 結(jié)束語

綜上所述，自然災(zāi)害具有簡易，敏感，易觸發(fā)的特性。他所具備的特性使其可以廣泛的運用在每個家庭，每個學(xué)校以及辦公樓。自然災(zāi)害自動報警儀與市面上已有的裝置相比，首先，將三種災(zāi)害綜合在一起，是自然災(zāi)害自動報警儀最具有開發(fā)性與進步性的一點，在市面上只有一種災(zāi)害的報警。其次，自然災(zāi)害操作簡單，只需要將裝置放置于家用房間即可，不需要像市面上一樣，需要插座來連接220 伏的家用電壓，它完全不需要數(shù)據(jù)連接線。最后，自然災(zāi)害成本極低，不需要像市面那種所花費的費用成百上千。自然災(zāi)害自動預(yù)警儀的一個中樞控住三個分支為原理，科學(xué)有效的將三種災(zāi)害結(jié)合在一起，使其具備向平常報警器不具備的功效，具有很高的使用價值。本文詮釋了本裝置的優(yōu)勢以及可實現(xiàn)性，具有非常高的發(fā)展前景。

不可抗力產(chǎn)生的自然災(zāi)害每年都會對我國甚至全世界造成巨大的損失，自然災(zāi)害自動報警儀運用數(shù)據(jù)編程，采用三個獨立的檢測裝置：當(dāng)發(fā)生災(zāi)害時檢測裝置會發(fā)出信號給控制中樞，一個中樞控制將信號傳送給三個對應(yīng)的觸發(fā)裝置，觸發(fā)裝置接受訊息后立刻發(fā)出警報，這樣三位一體，將幾種災(zāi)害綜合在一起，可即時應(yīng)對并預(yù)防。自然災(zāi)害自動預(yù)警儀還可經(jīng)過改造運用于各種場合及公司。