新型便攜式水上救生快速反應裝備研發及應用

鄭潤峰，戴晗，陳俊坤，彭嘉俊，林鍶崇，張勇剛

（廣東警官學院，廣東 廣州 510440）

0 引言

水上救生裝備是為了在一定范圍內保證水域活動者及落水者安全的水上防護用品，被廣泛用于捕撈業、水上運動、水上作業等。目前對溺水者的救援方式主要有拋擲救生圈、救生員救援、救生艇救援等，這些傳統救援方式存在時效性差、救援方式落后、成本高、風險大、對救援人員要求高等問題[1]。

對此，本團隊研發出了一款小型便攜式水上救生裝備，相對傳統水上救援設備，此裝備的突出創新特點有：便攜性強、可操作性強、效率高以及無需專業的搜救人員；具備多種操作方式，可用手機操控或手動控制；具有GPS精準定位、遠程追蹤、聲光警報等功能。

1 裝備總體介紹

本發明涉及水上救援領域，具體來說是一種便攜式水上救援裝備，由上殼體、中殼體、下殼體、尾部保護殼、推柱、導套、撞針、氣閥、氣閥套、警示燈、嗡鳴器、GPS芯片、電源、氣瓶、馬達、ESP 8266模塊、螺旋槳、救生氣囊組成，另配備自行開發的手機APP。本裝備易于攜帶且操作簡便，可以大大提高救援的成功率與效率，解決了水上救援裝備救援效率低、適用范圍窄、不易攜帶、不易使用的問題[2]。

1.1 造型設計

本裝備利用Solidworks曲面設計和實體造型的優勢，為救生裝備設計了一款造型。裝備整體結構為類圓柱體，上部呈圓狀結構，重心靠裝備中心，被施救者只需抓住彈出的安全氣囊，便可保持漂浮狀態，等待后續救援。其外殼設計便攜性良好，外殼采用3D打印制作，以FDM(熔融沉積快速成型)方式打印，采取PLA材料，外殼有顯著螺紋。為保證裝備易視性，外殼色調采取亮黃色。外殼整體形狀是頭部為半圓形的柱體，總長約16.86cm，方便攜帶，其重量約0.3KG。

1.2 動力模組

本救生裝備采用螺旋槳推進器，螺旋槳推進器又稱為葉輪推進器，主要是由槳轂以及槳葉構成。推進部件安裝于裝備下殼體尾部的位置，旋轉的動力主要來自救生裝備的動力模塊。

動力模組由兩個馬達、電源及電機Drv8833驅動模塊三部份組成。通信采用WIFI2.4g，由ESP 8266模塊連接服務器，接收作為客戶端的安卓手機App發送的消息，根據消息內容對引腳操縱，實現控制電機前進轉向的功能。

1.3 控制系統

本救生裝備的控制系統主要由單片機控制模塊、電源模塊、無線通訊模塊、無刷直流電機驅動模塊、轉向控制模塊、倒車控制模塊六個部分組成。主控模塊采用ESP 8266模塊作為處理器；無線通信模塊采用ipex內置天線實現無線收發；用繼電器控制無刷直流電機電路的接通或斷路，同時以Drv8833模塊控制轉向和倒車電機的正反轉，從而實現對救生裝備的控制。

1.4 救援模組

手動操作：當被援助者接觸本裝備，其可自行向下殼體方向推動上殼體，帶動推柱、導套、撞針，打開氣閥，氣瓶中的二氧化碳流向救生氣囊，救生氣囊彈出，從而成功啟動救生功能。同時，警示燈、嗡鳴器也將隨救生氣囊一并同時啟動。

手機操作：在安卓手機上控制APP，通過WIFI信號發出對救援器航向的控制指令，可控制航向與速度；通過APP發出指令，ESP 8266模塊接收指令后傳輸給充氣裝備，App也可控制電機打開氣瓶的開關對救生氣囊充氣，也可通過App啟動警示燈、嗡鳴器。

1.5 GPS模塊

本裝備加裝GPS芯片，具有分貝報警，震動報警，軌跡回放，遠程開關，WIFI定位功能，采用WIFI+LBS+GPS+北斗定位，達到復雜環境高速高精度定位并可在水下定位，定位誤差≤3m，定位覆蓋全國。選用的GPS模塊是ZX303模塊，并為其配備PCB板，以方便與單片機進行連接。

1.6 電路系統

電源電路模塊：如果需要單片機正常工作，則必須提供穩定的+5V直流電源，而該救生裝備采用的電池為40V直流電，為了給STC12C5A60S2單片機提供高穩定性+5V直流電源，需要將40V直流電源降壓。在這里采用BL9341DC-DC降壓電路模塊，BL9341是電流模式的單片降壓開關穩壓器。BL9341不使用外部肖特基二極管，電路簡單，可以穩定輸出5V直流電壓[3]。

晶振電路模塊：STC12C5A60S2單片機是同步時序電路，內部電路復雜。時鐘信號就是晶振電路所產生的，主要是為了確保STC12C5A60S2單片機的正常運作。晶振電路由內部和外部時鐘兩種類型。時鐘頻率的大小影響信號傳輸的快慢和穩定性。時鐘信號是由內部時鐘模塊提供的。STC12C5A60S2單片機中有一個反向放大器，此放大器是高增益的，作用是構成振蕩器。

1.7 軟件系統

軟件的編程設計是單片機系統設計的核心部分，也是能否實現預定功能的關鍵。本機所使用的是單片機編程常用的C語言進行編程，其最終轉為Intel Hex格式或者二進制格式文檔拷入單片機芯片內。

2 實驗數據

2.1 速度

本裝置采用電機型號為Drv8833，共使用兩組。以螺旋槳作為推進方式，在測試中，無負載情況下，平均時速約為22公里每小時。

2.2 氣囊浮力校核

（1）救生裝置下部船體體積可由Solidworks軟件測量得到：V1≈0.153m3。

（2）上部自扶正安全氣囊的體積為廠家數據：V2≈0.016m3。

所以整個裝置浮力為：F=ρg（V1+2V2）=1813N。該救生裝置浮力足夠承載一個成年人在水中前行。在實際使用中，可負載65kg的成年男性在水中漂浮。

2.3 續航

為滿足穩定性、實用性，電池采用一節18650鋰電池，18650鋰電池理論壽命為循環充電1000次。測試平均結果為，該電池可滿足救生裝置以最高時速前進約15分鐘，在多次實驗中性能非常穩定，充分滿足單次救援需求。

2.4 遠距離使用數據

本裝置采用ESP 8266模塊，WIFI頻率為2.4GHz，相對穿透能力強,傳播距離遠，實驗顯示最遠遙控距離為150米左右。本裝置GPS芯片采用WIFI+LBS+GPS+北斗定位系統，可實現高精度定位并可在水下定位，實驗結果顯示，定位誤差≤3m，且定位可覆蓋全國。

2.5 警報模組數據

本裝置采用100分貝嗡鳴器及紅藍暴閃燈，嗡鳴器在150m（目前最遠操作距離）距離內可聽清。 紅藍暴閃燈在無云天氣下基本不可見，在夜晚則較為清晰。

3 裝備創新之處

3.1 便攜性

外殼采用3D打印制作，以FDM(熔融沉積快速成型)方式打印，為保證其輕量性，采取PLA材料。目前推進方式為螺旋槳式，在日后優化中可更換推進方式，進一步減小裝備體積及增進便攜性。外殼整體總長約16.86cm，其重量約0.3KG，方便攜帶。

3.2 操作性強，精準度高

救援人員無需下水，只需從岸邊、船上等處投擲該救生設備，并利用移動終端遠程遙控該救生設備對落水人員實施救援，這不僅可以減小救援難度，而且可以保證救援人員的安全，提高救援效率及成功率。并且，本裝備加裝GPS芯片，具有分貝報警，震動報警，軌跡回放，遠程開關，WIFI定位功能，采用WIFI+LBS+GPS+北斗定位，達到復雜環境下高速高精度定位并可在水下定位，定位誤差≤3m，定位覆蓋全國[4]。

3.3 簡易化

本裝備救生模塊簡易明確，在擊發連動模塊上添加電磁擊發裝備，實現了雙啟動方式，實現了裝備制作與結構的相對簡易性。另外本救生裝備操作簡單，該救生裝備配備團隊自行開發的手機APP，沒有進行過相關救生培訓的人員也可通過APP使用本裝備。

3.4 低成本

目前本裝備采用了3D打印方式制造外殼，使用材料為PLA，其余零件在淘寶采購，單件成品總計花費約150元左右；若批量生產，以市面采購價預算，大約成本將降至100元以下，有利于大范圍推廣。

3.5 受惡劣環境影響小

本裝備采用電機型號為Drv8833，共使用兩組。以螺旋槳作為推進方式，平均時速為22公里每小時。速度方面存在較大的改進空間，在實際測試中，可在微浪中保持高速前進。其次，本裝備采用100分貝嗡鳴器及紅藍暴閃燈，輔以GPS定位，避免遭遇突發的大霧天氣無法精確確認溺水者的位置，從而有效提高后續救援效率以及成功率。

4 結語

本裝備便攜性及低成本的特點，其應用不僅限于公安巡邏、泳池救生、家庭出行等領域，在城市濕地、河流、湖泊等溺水事故頻發地段以及水上樂園、海邊浴場和水庫等各種有溺水風險的場所都能運用該裝備，以保證生命的安全。該裝備具有的便攜性和低成本以及挽救生命的作用，不僅使該裝備有巨大的實用價值，而且易于普及。調研發現，目前市場上還未出現相同裝備，雖有相似救援裝備，但其均不具備本裝備的便攜、成本低、多功能、手機WIFI控制等迭代優勢[5]。隨著本裝備的推廣，它將逐漸走向民營企業甚至千家萬戶，將會成為遍布危險水域并家喻戶曉的具有強大發展前景的“朝陽”裝備，并將助力水上智能化救援設備事業的發展。