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基于單片機(jī)的火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 文獻(xiàn)綜述
火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)的檢測(cè)技術(shù)
摘要：火災(zāi)報(bào)警器是當(dāng)前社會(huì)經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)生活中較為常用的火災(zāi)預(yù)警裝置，對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)及人員生命財(cái)產(chǎn)安全起到了重要的保障作用。隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)快速發(fā)展，智能控制芯片的應(yīng)用使得火災(zāi)報(bào)警器反應(yīng)靈敏度大幅提升，對(duì)早期火情發(fā)現(xiàn)與控制起到了重要的推動(dòng)作用�；馂�(zāi)的及時(shí)報(bào)警能夠減少人員的傷亡和財(cái)物的損失，在現(xiàn)在社會(huì)變得尤為重要�；馂�(zāi)報(bào)警系統(tǒng)發(fā)展過(guò)程中的主要關(guān)鍵技術(shù)有：感煙探測(cè)技術(shù)、感溫探測(cè)技術(shù)、火焰探測(cè)技術(shù)和氣體探測(cè)技術(shù)等。
關(guān)鍵詞：火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)；感煙探測(cè)技術(shù)；感溫探測(cè)技術(shù)
1前言
隨著信息化的發(fā)展與信息技術(shù)因公范圍的不斷擴(kuò)大，結(jié)合火災(zāi)預(yù)防與預(yù)警的電子系統(tǒng)也在不斷的展開(kāi)深入研究，更向著自動(dòng)化與智能化的趨勢(shì)所發(fā)展，對(duì)家庭式的智能火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)的主要以傳感器、顯示模塊、報(bào)警模塊及軟件系統(tǒng)組成，硬件的選取和軟件的完成也就成為了我們研究的主要內(nèi)容�；馂�(zāi)報(bào)警系統(tǒng)要求能夠在火災(zāi)初期，對(duì)燃燒產(chǎn)生的煙霧熱量和光輻射等物理量進(jìn)行檢測(cè)，通過(guò)光電、煙霧和溫度等傳感器變換成電信號(hào)，傳輸給火災(zāi)報(bào)警控制系統(tǒng)，根據(jù)實(shí)際情況對(duì)發(fā)生的火災(zāi)及時(shí)報(bào)警。因此，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)性?xún)r(jià)比高的火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)有著非常大的應(yīng)用前景。
2火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)的發(fā)展歷程及其現(xiàn)狀
2.1火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)的發(fā)展歷程
從遠(yuǎn)古時(shí)期,人類(lèi)從雷火中取得火種到現(xiàn)代高新技術(shù)的大力運(yùn)用，火在人類(lèi)發(fā)展史中占據(jù)著無(wú)比重要的地位�；馂�(zāi)是指在時(shí)間和空間上失去控制的燃燒所造成的災(zāi)害，引起這些災(zāi)害的原因卻是多樣的。起火原因揭示火災(zāi)是怎么發(fā)生的，火災(zāi)成因解決火災(zāi)是如何發(fā)展蔓延成災(zāi)這個(gè)問(wèn)題的。火災(zāi)必須是發(fā)生在燃燒的情況下的，而燃燒有三要素可燃物、助燃物、溫度。對(duì)不同的火災(zāi)可以有不同的滅火方法，但總體來(lái)說(shuō)，滅火的主要措施就是：控制可燃物 、減少氧氣、降低溫度，化學(xué)抑制。近年來(lái)，火災(zāi)發(fā)生率及死亡人數(shù)呈現(xiàn)出顯著上升態(tài)勢(shì)，據(jù)我國(guó)國(guó)家安全部門(mén)統(tǒng)計(jì)，2013年，由火災(zāi)直接導(dǎo)致人員傷亡的人數(shù)高達(dá)266人，同比增長(zhǎng)3.2%，對(duì)社會(huì)公共秩序及人員生命財(cái)產(chǎn)安全造成了嚴(yán)重威脅。在此背景下，火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)也就發(fā)揮重要作用了。
火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)是由觸發(fā)裝置、火災(zāi)報(bào)警裝置、火災(zāi)警報(bào)裝置以及具有其它輔助功能裝置組成的，它具有能在火災(zāi)初期，將燃燒產(chǎn)生的煙霧、熱量、火焰等物理量，通過(guò)火災(zāi)探測(cè)器變成電信號(hào)，傳輸?shù)交馂?zāi)報(bào)警控制器，并同時(shí)顯示出火災(zāi)發(fā)生的部位、時(shí)間等，使人們能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)火災(zāi)，并及時(shí)采取有效措施，撲滅初期火災(zāi)，最大限度的減少因火災(zāi)造成的生命和財(cái)產(chǎn)的損失。
目前，隨著集成制造技術(shù)的發(fā)展，單片機(jī)[1]的功能越來(lái)越強(qiáng)大，功耗低，體積小，價(jià)格低使得其得到了廣泛地應(yīng)用�，F(xiàn)代社會(huì)的建筑規(guī)模越來(lái)越大、人員密集度高和眾多的設(shè)備都對(duì)防火提出了嚴(yán)格的要求。為了及時(shí)發(fā)現(xiàn)并迅速火災(zāi)報(bào)警，防止和減少火災(zāi)危害，火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)已成為必不可少的設(shè)施。
2.2 現(xiàn)有火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)面臨的挑戰(zhàn)
目前，傳統(tǒng)意義上的火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)已經(jīng)不能適應(yīng)現(xiàn)代建筑，急需一種能夠及時(shí)、迅速檢測(cè)火災(zāi)的新型裝置[2]。隨著科技的不斷發(fā)展，人們將電子技術(shù)、通信技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、傳感器及檢測(cè)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)等各方面技術(shù)應(yīng)用到火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)中，研制了各種智能火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)。但是，國(guó)內(nèi)的智能火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)存在一些問(wèn)題[3]。總體來(lái)看，火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)在當(dāng)前及未來(lái)發(fā)展中主要面臨以下6個(gè)方面的挑戰(zhàn)。
（1）適用范圍過(guò)小。我國(guó)火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)在易造成群死群傷的中小型公眾聚集場(chǎng)所和社區(qū)居民家庭甚至部分高層住宅都沒(méi)有規(guī)定安裝火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)，適用范圍過(guò)小。
（2）智能化程度低。我國(guó)使用的火災(zāi)探測(cè)器雖然都進(jìn)行了智能化設(shè)計(jì)，但由于傳感器件探測(cè)的參數(shù)較少、支持系統(tǒng)的軟件開(kāi)發(fā)不成熟、各種算法的準(zhǔn)確性缺乏足夠驗(yàn)證等，火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)造成的遲報(bào)、誤報(bào)、漏報(bào)情況較多。
（3）網(wǎng)絡(luò)化程度低。我國(guó)應(yīng)用的火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)形式基本上以區(qū)域火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)、集中火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)和控制中心火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)為主，安裝形式主要是集散控制方式，自成體系，自我封閉，尚未形成區(qū)域性網(wǎng)絡(luò)化火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)。
（4）組件連接方式有待改善�；馂�(zāi)報(bào)警系統(tǒng)以多線(xiàn)制和總線(xiàn)制連接方式為主，探測(cè)器和報(bào)警器及控制器之間是采用兩條或多條的銅芯絕緣導(dǎo)線(xiàn)或銅芯電纜穿管相接，存在耗材多、成本高、抗干擾能力差的缺點(diǎn)。
（5）火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)誤報(bào)、漏報(bào)問(wèn)題較多。由于火災(zāi)探測(cè)器的安裝環(huán)境極其復(fù)雜，加之各種傳感器在探測(cè)火災(zāi)方面存在著某些先天不足，對(duì)火災(zāi)發(fā)生過(guò)程中所產(chǎn)生的不同粒徑和顏色的煙存在探測(cè)“盲區(qū)”，誤報(bào)、漏報(bào)現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生。
2.3.火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)今后的發(fā)展方向
火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)應(yīng)用技術(shù)應(yīng)進(jìn)一步著眼于當(dāng)前國(guó)際發(fā)展的新形勢(shì)，加快更新改造進(jìn)程，加強(qiáng)對(duì)數(shù)字技術(shù)和新工藝、新材料的應(yīng)用，使火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)應(yīng)用技術(shù)向著高可靠、低誤報(bào)、智能化方向發(fā)展[4]。當(dāng)前，火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)主要表現(xiàn)為六個(gè)方面。
（1）網(wǎng)絡(luò)化�；馂�(zāi)報(bào)警系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化是用計(jì)算機(jī)技術(shù)將控制器之間、探測(cè)器之間、系統(tǒng)內(nèi)部、各個(gè)系統(tǒng)之間以及城市“l(fā)l9”報(bào)警中心等進(jìn)行相互連接，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)調(diào)用，對(duì)火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)實(shí)行網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控管理，從而彌補(bǔ)部分火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)擅自停用的不足。
（2）智能化�；馂�(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)智能化是使探測(cè)系統(tǒng)能模仿人的思維，主動(dòng)采集環(huán)境溫度、濕度、灰塵、光波等數(shù)據(jù)模擬量并充分采用模糊邏輯和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等進(jìn)行計(jì)算處理從而準(zhǔn)確地預(yù)報(bào)和探測(cè)火災(zāi)，避免誤報(bào)和漏報(bào)現(xiàn)象。
（3）小型化�；馂�(zāi)報(bào)警系統(tǒng)的小型化是指探測(cè)部分或者說(shuō)網(wǎng)絡(luò)中的“子系統(tǒng)”小型化。如果火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)小型化，依靠網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備、服務(wù)資源進(jìn)行判斷、控制、報(bào)警，這樣火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)安裝、使用、管理就變得簡(jiǎn)潔、省錢(qián)、方便。
（4）社區(qū)化。隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展、人們安全意識(shí)的增強(qiáng)、火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)的進(jìn)一步完善以及智能化程度的提高，在社區(qū)家庭特別是高級(jí)住宅積極推廣應(yīng)用防盜、防火聯(lián)動(dòng)報(bào)警裝置或獨(dú)立式感煙探測(cè)器，對(duì)干預(yù)防居民家庭火災(zāi)是非常必要和行之有效的措施。
（5）藍(lán)牙技術(shù)無(wú)線(xiàn)化。與有線(xiàn)火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)相比，藍(lán)牙技術(shù)[5]無(wú)線(xiàn)火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)具有施工簡(jiǎn)單、安裝容易、組網(wǎng)方便、調(diào)試省時(shí)省力等特點(diǎn)，而且對(duì)建筑結(jié)構(gòu)損壞小，便于與原有系統(tǒng)集成且容易擴(kuò)展，系統(tǒng)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單且可完全尋址，便于網(wǎng)絡(luò)化設(shè)計(jì)。
（6）高靈敏化 。針對(duì)當(dāng)前火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)存在的通訊協(xié)議不一致，系統(tǒng)誤報(bào)、漏報(bào)頻繁，智能化程度低網(wǎng)絡(luò)化程度低、特殊惡劣環(huán)境的火災(zāi)探測(cè)報(bào)警抗干擾等問(wèn)題較為突出的現(xiàn)象，通過(guò)對(duì)新技術(shù)、新工藝、新材料和新設(shè)備的應(yīng)用研究，對(duì)系統(tǒng)方案、設(shè)備選型的優(yōu)化組合，向著高可靠性、高靈敏性、低誤報(bào)率、系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化、技術(shù)智能化方向發(fā)展，從而更好保護(hù)國(guó)家和人民的生命財(cái)產(chǎn)安全，這是火災(zāi)報(bào)警技術(shù)的研究發(fā)展趨勢(shì)。
3火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)發(fā)展過(guò)程中的檢測(cè)技術(shù)
火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)按基本形式可分為區(qū)域報(bào)警系統(tǒng)、集中報(bào)警系統(tǒng)、控制中心報(bào)警系統(tǒng)。從發(fā)展來(lái)看,系統(tǒng)可分為傳統(tǒng)火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)與現(xiàn)代火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng),現(xiàn)代火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)又可分為可尋址開(kāi)關(guān)量報(bào)替系統(tǒng)、模擬量探測(cè)報(bào)警系統(tǒng)以及多功能火災(zāi)智能報(bào)警系統(tǒng)�；馂�(zāi)報(bào)警系統(tǒng)技術(shù)的核心是火災(zāi)信號(hào)探測(cè)技術(shù)。以下是火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)的幾種探測(cè)技術(shù)。
3.1感煙探測(cè)技術(shù)
感煙探測(cè)器[6]是使用最廣泛的一種探測(cè)器，據(jù)統(tǒng)計(jì)各種感煙探測(cè)器在國(guó)外市場(chǎng)上的銷(xiāo)售和使用量約占火災(zāi)探測(cè)器總量的70%～ 80%。其中主要是單一火災(zāi)探測(cè)原理的點(diǎn)型離子感煙和光電感煙探測(cè)器,且光電感煙探測(cè)器的用量越來(lái)越大于離子感煙探測(cè)器。有數(shù)字說(shuō),在日本離子感煙探測(cè)器只占市場(chǎng)份額的 3%弱, 光電感煙則占97%以上,成為主導(dǎo)產(chǎn)品,這主要是出于環(huán)保的原因,離子感煙的原料镅-241 等,屬于放射性元素。因此在國(guó)際市場(chǎng)上離子感煙探測(cè)器正在逐步縮小份額,預(yù)計(jì)會(huì)退出市場(chǎng), 而由光電及其它新型探測(cè)器的出現(xiàn)來(lái)取代。
3.2感溫探測(cè)技術(shù)
近些年, 感溫技術(shù)在探測(cè)原理、方式上沒(méi)有大的突破,出現(xiàn)的新技術(shù)是線(xiàn)型感溫探測(cè)技術(shù),歐洲已經(jīng)出現(xiàn)了對(duì)可選擇的探測(cè)熱源精度在1米之內(nèi)的新一代感溫電纜。線(xiàn)型感溫探測(cè)器[7]在我國(guó)已能生產(chǎn)并投入應(yīng)用,主要適宜于電纜管井、配電裝置、貨架倉(cāng)庫(kù)、管道線(xiàn)棧、冷藏及市政設(shè)施、橋梁、港口等。光纖溫度探測(cè)系統(tǒng)也已進(jìn)入我國(guó)市場(chǎng),并在揚(yáng)子、長(zhǎng)江三峽等大型項(xiàng)目中得到應(yīng)用,但尚無(wú)自己的產(chǎn)品。
3.3火焰探測(cè)技術(shù)
火焰自動(dòng)探測(cè)技術(shù)主要是用于工業(yè)、國(guó)防等領(lǐng)域的防火、防爆上。國(guó)外新出現(xiàn)的體型火焰探測(cè)技術(shù),是該領(lǐng)域的一大突破。它是采用紅外攝像監(jiān)視燃燒的煙、溫、氣體和火焰在空間的分布。美國(guó)將其稱(chēng)為機(jī)械圖像探測(cè)技術(shù)。它優(yōu)越于點(diǎn)型和線(xiàn)型火災(zāi)探測(cè)技術(shù),是最為直觀、確切的,可廣泛用于火焰監(jiān)視、火災(zāi)探測(cè)上,必將成為今后發(fā)展的重點(diǎn)。
3.4氣體探測(cè)技術(shù)
對(duì)于物質(zhì)燃燒初期產(chǎn)生的煙、氣體或易燃易爆場(chǎng)所泄漏的可燃?xì)怏w的探測(cè)，可使我們及時(shí)發(fā)現(xiàn)或預(yù)防火災(zāi)和爆炸的發(fā)生。國(guó)際上以CO 探測(cè)技術(shù)發(fā)展最快。理論上認(rèn)為,火災(zāi)中的燃燒,不論是多么充分的燃燒,都會(huì)產(chǎn)生CO ,因此,CO 探測(cè)也是火災(zāi)探測(cè)的一個(gè)途徑[8]。
目前常用的CO 探測(cè)方法有四種:比色分析法、半導(dǎo)體法、電化學(xué)法和吸光法。國(guó)外由于家庭市場(chǎng)的發(fā)展比較快,因此以家用為主的電池電源的比色分析法CO探測(cè)器和采用干線(xiàn)電源的半導(dǎo)體CO 探測(cè)器銷(xiāo)量很大,占主導(dǎo)。目前此類(lèi)產(chǎn)品需解決的主要問(wèn)題是降低成本、延長(zhǎng)壽命,以促進(jìn)其普及。
4火災(zāi)報(bào)警檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展方向
4.1感煙探測(cè)技術(shù)的發(fā)展方向
感煙探測(cè)的物質(zhì)燃燒種類(lèi)寬廣，如電線(xiàn)、電纜、橡膠、家具等大量燃燒初期產(chǎn)生可見(jiàn)或不可見(jiàn)大粒子煙的可燃物，特別適用于探測(cè)燃燒緩慢和陰燃火。由于現(xiàn)代社會(huì)中的編織品、家具和建筑產(chǎn)品等使用受火燒時(shí)會(huì)產(chǎn)生大粒子黑煙的阻燃材料的增多，它的適用范圍也在不斷擴(kuò)大。
其次，它具有誤報(bào)率低、靈敏度穩(wěn)定性好的突出優(yōu)點(diǎn)，即它受現(xiàn)今建筑中出現(xiàn)的一系列范圍寬廣的物理和氣候變化的影響和干擾小，特別適用于救生疏散路線(xiàn)。
4.2感溫探測(cè)技術(shù)的發(fā)展方向
線(xiàn)式感溫探測(cè)技術(shù)的發(fā)展進(jìn)一步開(kāi)拓了溫度監(jiān)控與火災(zāi)探測(cè)技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域，也為人身和社會(huì)財(cái)產(chǎn)安全增加了一道強(qiáng)有力的防線(xiàn)。
隨著社會(huì)與科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，線(xiàn)式感溫探測(cè)技術(shù)也在朝著有利于人類(lèi)的方向發(fā)展。隨著微處理器、集成電路技術(shù)和信息技術(shù)的發(fā)展和完善，線(xiàn)式感溫探測(cè)技術(shù)中慢慢開(kāi)始引入物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，報(bào)警系統(tǒng)也變得更加智能化。
探測(cè)器由傳統(tǒng)的開(kāi)關(guān)量式變?yōu)槟M量式，體積更加小巧輕便，信號(hào)處理方式也日趨智能化，系統(tǒng)控制可以采用自動(dòng)控制方式，未來(lái)也將實(shí)現(xiàn)信號(hào)接受和發(fā)送無(wú)線(xiàn)化�？煽啃允腔馂�(zāi)報(bào)警系統(tǒng)的一個(gè)重要特征之一，隨著信號(hào)處理技術(shù)的提升，系統(tǒng)算法也變得更加復(fù)雜，多參量多判據(jù)也能夠很好的保證傳感器報(bào)警的可靠性，同時(shí)，引入復(fù)合探測(cè)技術(shù)也會(huì)提高感溫探測(cè)的效率。
4.3氣體探測(cè)技術(shù)的發(fā)展方向
氣體探測(cè)報(bào)警技術(shù)是紅外吸收光譜分析技術(shù)在可燃?xì)怏w探測(cè)領(lǐng)域的具體應(yīng)用，紅外吸收光譜分析技術(shù)的發(fā)展將為氣體探測(cè)報(bào)警技術(shù)提供更好的設(shè)計(jì)思路及更大的發(fā)展空間。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)及紅外技術(shù)的飛速發(fā)展，近年來(lái)近紅外光譜分析技術(shù)在工業(yè)領(lǐng)域已被廣泛應(yīng)用。氣體近紅外區(qū)吸收?qǐng)D譜的分析應(yīng)用，將解決氣體探測(cè)器3 ~ 5 μm 波段探測(cè)過(guò)程中，紅外發(fā)光器件的選擇及光路傳輸?shù)燃夹g(shù)難題，為提高探測(cè)器的探測(cè)性能提供必要的改進(jìn)條件。
氣體探測(cè)器的探測(cè)模式、探測(cè)效率及工程適用性方面具有十分明顯的優(yōu)勢(shì)，但由于產(chǎn)品的構(gòu)成形式及器件選擇等方面的因素，目前氣體探測(cè)器產(chǎn)品的售價(jià)均在幾萬(wàn)元甚至十幾萬(wàn)元之間。高昂的價(jià)格成為該類(lèi)產(chǎn)品擴(kuò)大市場(chǎng)份額的瓶頸，雖然用戶(hù)認(rèn)可線(xiàn)型可燃?xì)怏w探測(cè)器產(chǎn)品的探測(cè)性能，但往往由于價(jià)格因素望而卻步。因此，降低產(chǎn)品的生產(chǎn)成本將是線(xiàn)型可燃?xì)怏w探測(cè)器產(chǎn)品發(fā)展的必然趨勢(shì)。
5總結(jié)
火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)以其方便，實(shí)用的特點(diǎn)以及在火災(zāi)預(yù)警方面的突出作用而受到廣泛使用，其涉及的探測(cè)技術(shù)也在進(jìn)一步的完善、發(fā)展和改進(jìn)當(dāng)中，對(duì)人類(lèi)生活的人身和財(cái)產(chǎn)安全有很大的保障。但目前國(guó)內(nèi)廠家多偏重用于大型倉(cāng)庫(kù)、商場(chǎng)、高級(jí)寫(xiě)字樓、賓館等場(chǎng)所大型火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)的研發(fā)，他們采用集中區(qū)域報(bào)警控制方式，其系統(tǒng)復(fù)雜、成本較高。而在居民住宅區(qū)、機(jī)房、辦公室等小型防火單位，需要設(shè)置一種單一或區(qū)域聯(lián)網(wǎng)、廉價(jià)實(shí)用的火災(zāi)報(bào)警裝置，因此，研制一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉的火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)裝置是非常必要的。
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