可智能識別溺水并自動充氣的便攜式救生裝置設計

別凱文

摘 要：本文針對現有救生裝置體積較大、不便攜帶及不夠智能等缺點，對人體溺水的核心特征進行調研，對智能識別溺水技術和自動充氣技術進行文獻綜述和方案優選，在此基礎上提出了一種可智能識別溺水并自動充氣的便攜式救生裝置。其中，智能識別溺水技術選擇反射光電法監測脈搏或血氧，自動充氣技術選擇“壓縮氣瓶+針刺”方案。“壓縮氣瓶+針刺”方案具有螺紋旋入結構、六角頭配合設計、刺針中空設計的特點。

關鍵詞：溺水識別；脈搏光電監測；自動充氣；刺針中空

中圖分類號：TM415 文獻標志碼：A

0 引言

溺水是人體呼吸道進水后導致肺部吸水引起缺氧窒息的現象，可導致呼吸衰竭乃至死亡的嚴重后果。近年來，溺水導致的傷亡人數增加，尤其是當夏季，人們接觸水的機會變多，這一問題變得更加嚴重。據世界衛生組織提供的數據，2015年世界各地每年溺水死亡數估計為36萬例，占所有與傷害有關死亡的7%。而對于防范溺水的設備或裝置（如救生圈等）大多體積較大、不方便攜帶且不智能。因此，可以設想，如果救生裝置同時具備可智能識別溺水、自動充氣且方便攜帶的特性，那么戲水樂趣和生命安全將統一起來，在一定程度上減少溺水傷亡事故。該裝置設計的核心是智能識別溺水技術和自動充氣技術。

1 人體溺水癥狀監測

人體溺水的核心特征在于呼吸、心跳和血壓。對呼吸、心跳和血壓的常見監測方法和原理列于表1，考慮到防溺水裝置的使用環境和便攜式要求，呼吸道位置監測法較適用于對呼吸特征的監測；脈搏光電監測法和血氧監測法較適用于對心跳特征的監測；電子腕式血壓計測量法較適用于對血壓特征的監測。本文第2部分將對呼吸道位置監測法、脈搏光電監測法、血氧監測法、電子腕式血壓計測量法結合設計應用場合對智能識別溺水技術進行詳細論述。

2 關鍵技術綜述

本論文研究的關鍵技術包括智能識別溺水技術和自動充氣技術兩部分。前文將智能識別溺水技術研究聚焦到呼吸道位置監測法、脈搏光電監測法、血氧監測法、電子腕式血壓計測量法。呼吸道位置監測法是利用壓力傳感器集成于泳鏡上，通過監測水壓變化來判斷口鼻在水中的深度，間接判斷是否溺水，缺點是該方法判斷是否溺水不夠直接，誤判可能性較大。脈搏光電監測法通過光電傳感器對脈搏信號進行監測，具有結構簡單、無損傷及可重復好等優點。血氧監測法利用光電傳感器對血氧飽和度進行監測，具有結構簡單、無損傷、易佩戴和低功耗等優點。電子腕式血壓計測量法利用氣體壓力傳感器識別血壓，可克服傳統汞柱式血壓計測量法的測量結果主觀性的缺點，且便攜性更佳，但是相對于脈搏光電監測法和血氧監測法仍體積較大（某款電子腕式血壓計主機體積67mm×78mm×62mm，便攜性仍相對較差）。綜上所述，脈搏光電監測法和血氧監測法較適用于本課題研究的智能識別溺水技術，這兩種方法均基于光電法，又可分為透射法和反射法，其中透射法適用于手指、耳朵等身體較薄的部位，應用有一定的限制，反射法適用性更強，故本論文擬采用反射光電法監測脈搏或血氧。

目前救生裝置相關的自動充氣技術研究較少，現有自動充氣技術主要集中于汽車安全氣囊裝置、穿戴式跌倒預警防護系統等領域。考慮到時效性，汽車安全氣囊裝置主要采用爆炸充氣方法，原理為將炸藥和疊氮化鈉在一定密封空間內，通過劇烈化學反應產生爆炸的方法，在極短時間內充氣完畢，缺點是結構復雜、噪聲大，作為穿戴裝置有一定危險性。穿戴式跌倒預警防護系統主要采用“壓縮氣瓶+針刺”進行自動充氣，危險發生時用刺針扎破含有壓縮氣體的氣瓶封口處，從而迅速釋放大量氣體，起到跌倒緩沖的作用，該方法比較安全便捷，結構簡單。綜上所述，“壓縮氣瓶+針刺”的自動充氣方法也適用于溺水自動救生裝置。

3 設計內容

所設計的可智能識別溺水并自動充氣的便攜式救生裝置包括反射式血氧/脈搏監測裝置和“壓縮氣瓶+針刺” 自動充氣上浮裝置。參考圖1，自動充氣上浮裝置由舵機、舵機輸出軸（舵機一部分）、中空且側有孔洞的刺針、六角槽（刺針的一部分）、接頭、壓縮氣瓶和救生氣囊組成。當溺水現象發生時，反射式血氧/脈搏監測裝置監測到血氧值/脈搏異常，將電信號傳給自動充氣上浮裝置，觸發舵機輸出軸（外六角結構）轉動，通過六角槽帶動與輸出軸配合的刺針旋轉，借助接頭螺紋，旋入接頭直筒深處，當刺針鉆入氣瓶的封口，壓縮氣體順著刺針中空孔釋放并通過接頭豎筒充入壓縮氣囊中，達到增大浮力和救生的目的。

“壓縮氣瓶+針刺” 自動充氣上浮裝置的創新點為螺紋旋入結構、六角頭配合設計、刺針中空設計。其中，螺紋旋入結構省去了連桿凸輪機構，直接將舵機旋轉運動轉換為直線運動，結構簡單；六角頭配合設計可以將轉矩從舵機傳遞到刺針，但不限制刺針的直線運動；刺針中空設計避免刺針刺破氣瓶后堵塞開口，且省去了拔針動作。

結論

針對現有救生裝置體積較大、不便攜帶和不夠智能等缺點，本文設計了一種可智能識別溺水并自動充氣的便攜式救生裝置，可將戲水樂趣和生命安全將統一起來，研究中取得了如下主要結論：

（1）脈搏光電監測法和血氧監測法較適用于本課題研究的智能識別溺水技術，本論文采用反射光電法監測脈搏或血氧。

（2）考慮到安全性、結構復雜程度、噪聲，本論文采用“壓縮氣瓶+針刺” 自動充氣方法用于溺水自動救生裝置。

（3）自動充氣上浮裝置由舵機、舵機輸出軸（舵機一部分）、中空且側有孔洞的刺針、六角槽（刺針的一部分）、接頭、壓縮氣瓶和救生氣囊組成，創新點在于螺紋旋入結構、六角頭配合設計、刺針中空設計。

本文設計結果將為便攜式、智能救生設備的設計提供參考，減少溺水傷亡事故。

參考文獻

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