具有搜尋救助和保溫功能的親子救生衣設(shè)計

魏 羽，王自浮，余青峰，楊 歡，楊興聰

（重慶交通大學航運與船舶工程學院，重慶400074）

1 引言

救生衣是任何一項從事海上工作或旅行必備的求生工具，救生衣的發(fā)明和普遍使用有效提升了落水人員的生存概率，并為救援贏得了時間。現(xiàn)有救生衣的現(xiàn)狀和特點主要為：①救生衣缺少定位系統(tǒng)，導(dǎo)致救援定位不明確，遇難者等待救援時，海浪的不斷沖擊會使遇難者偏離事故發(fā)生地，給搜救人員帶來不便。②個人求救設(shè)備簡陋，綜合運用率低。求救設(shè)備與救生衣的綜合運用不足，在海難逃生中不易攜帶。③救生衣的照明設(shè)施不足。在夜晚搜救時，缺乏照明設(shè)備會給搜救帶來很大困難。④適體性能差。充氣式救生衣里面是氣體，所以和浮力材料填充式救生衣相比柔軟度不足，不能隨著身體的某些動作而隨意變形。⑤填充式救生衣占用較大的正常使用空間，不便于存放與快速使用。

然而基于海上救生與自救的實際需求，救生衣的性能和材質(zhì)也不斷被研究者推陳出新，人們對救生衣的依賴程度和重視程度也在不斷提升。

如果船舶航行在海上突遭事故，船上人員因外力因素（浪、臺風等）而落水，落水后海水溫度比較低，并且落水者會有極大的恐慌感，尤其是兒童需要特別的防護才能確保其安全。如果設(shè)計出兼具搜尋和保溫功能的親子救生衣，則能夠使救援更加精準，落水兒童和成年人的體溫、體能不會過快消耗。設(shè)計出的這款救生衣也能夠滿足大眾需求，因此本項目的開發(fā)利用非常有價值，為海上生存提供了另辟蹊徑的思路，作出了全新的貢獻。

2 設(shè)計方案

2.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計

基于大部分救生衣不具有保溫和搜救功能、兒童自救能力較差這一情況，設(shè)計出兼具搜尋和保溫功能的親子救生衣。該救生衣系統(tǒng)包括GPS模塊、發(fā)熱保溫模塊、親子連體模塊以及自發(fā)光LED燈等。救生衣主要模塊結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 救生衣主要模塊結(jié)構(gòu)圖

2.2 定位系統(tǒng)

利用GPS全球定位技術(shù)和通信技術(shù)豐富完善定位功能，依托STM32F103單片機作為數(shù)據(jù)處理核心管理定位模塊和通信模塊，整個系統(tǒng)能夠?qū)崟r實現(xiàn)兒童和成年人的位置信息交互，并且兒童和成年人的信息能夠傳送到救援平臺，利于救援人員展開搜索工作。

GPS搜尋模塊包括GPS模塊和無線信號發(fā)射模塊，采用STM32F1系列32位微處理器作為主控芯片，內(nèi)置GPS+北斗雙定位模塊進行實時定位，精度可達2.5 mCEP，高精度磁力計可進行方位檢測。信號傳輸采用SIM900物聯(lián)網(wǎng)模塊，即可對綁定手機號發(fā)送短信提示也可以作為物聯(lián)網(wǎng)中端，對求救信號進行數(shù)據(jù)監(jiān)測和實時傳輸。采用移動端APP作為上位機，將落水點的經(jīng)緯度、移動速度、距離等數(shù)據(jù)進行可視化分析，實現(xiàn)遠程設(shè)備接收、顯示與儲存。

2.3 發(fā)熱原理

鎂海水電池的工作原理中，通過空氣中的氧氣和金屬鎂發(fā)生化學反應(yīng)產(chǎn)生電能。該電池采用鎂作為負極，以空氣中的氧作為正極，但往常的鎂海水電池轉(zhuǎn)化效率不高，結(jié)合寧波大學所提出的專利發(fā)明，運用造孔法得到空氣陰極，以此獲得更高的轉(zhuǎn)化效率。落水人員將海水電池與海水接觸，得到電量，給救生衣防水夾層的碳釬維供電，使救生衣具有保溫功能。

發(fā)熱保溫模塊部分利用Mg、O2、H2O、OH-的化學能進行電解池反應(yīng)，轉(zhuǎn)化為電能并存儲于蓄電池中，人員落水后，可迅速產(chǎn)生反應(yīng)，蓄電池存儲足夠電量，落水者根據(jù)自身體溫狀況通過蓄電池調(diào)整電量輸出，通過硅膠電熱線連接遍布救生衣內(nèi)部的發(fā)熱碳釬維電熱膜，從而實現(xiàn)保溫作用。以Mg、O2、H2O、OH-等為原料的鎂海水電池反應(yīng)的離子方程式和總反應(yīng)方程式如下。

陽極反應(yīng)：Mg+2OH-=Mg（OH）2+2e-。

陰極反應(yīng)：O2+2H2O+4e-=4OH-。

電池反應(yīng)：2Mg+O2+2H2O=2Mg（OH）2。

反應(yīng)中，鎂為陽極失電子被氧化，空氣中的氧氣為陰極得電子被還原，海水（濃度相當?shù)腘aCl溶液）為電解液。

2.4 親子連體設(shè)計

救生衣整體分為兩個部分，即成年人穿著部分和兒童穿著部分。成年人穿著部分設(shè)計有6個鎖舌和連接帶，分別可拆位于成年人的腋下、胸部和腰部，兒童穿著部分有相應(yīng)的鎖舌盒及連接帶，確保發(fā)生海難時成年人能夠在兒童身邊。

親子連體模塊，由配套的公扣和母扣組成，一端用織帶固定，另一端可以通過織帶調(diào)節(jié)，根據(jù)不同的需求而決定織帶的長短，親子救生衣成年人部分使用母扣，用在肩部、腋下、腰部與兒童救生衣的子扣進行固定，同時也具有拆卸功能。

2.5 系統(tǒng)外觀與配套設(shè)計

親子救生衣的外觀設(shè)計采取填充式，即在救生衣內(nèi)部填充EPE珍珠棉，面料使用NEOPRENE氯丁橡膠，EPE珍珠棉相比于市面上的聚氯乙烯材料更加環(huán)保輕便，產(chǎn)生的浮力更大，氯丁橡膠能夠有效地防止海水進入救生衣，從而降低救生衣與海水直接的熱傳遞效率，維持人體機制的正常運行。救生衣設(shè)計如圖2所示。

圖2 救生衣設(shè)計圖

救生衣正面貼有6個爆閃燈，通過小型干電池供電，并有控制開關(guān)，反光條2條，和爆閃燈共同組成求救光信號。有口哨1個，位于專制袋子內(nèi)。除了救生衣本身面料防水性好，此外各種部件也制訂了防水措施。

2.6 材料優(yōu)勢

救生衣面料使用NEOPRENE氯丁橡膠（潛水材料），里料使用超輕超強浮力的EPE珍珠棉，與市場上普通救生衣所使用的面料和里料相比，采用的超輕超強浮力的EPE珍珠棉優(yōu)點明顯——浮力強、折疊方便、容易晾干，更重要的是在水中長時間浸泡后浮力下降較小。普通的聚乙烯塑料降解需要的時間為100～200年，耗費時間過長以及每天產(chǎn)生的塑料垃圾數(shù)量又極其巨大，已經(jīng)到了不得不改變的地步。而珍珠棉材料，除了可以回收進行二次加工以外，它的降解時間也是很短暫的（6～24個月），幾乎可以做到對環(huán)境的零污染。

3 數(shù)據(jù)參數(shù)

救生衣面料使用NEOPRENE氯丁橡膠（潛水材料），里料使用超輕超強浮力的EPE珍珠棉，能夠提供150～200 N浮力，托起人體頭部、胸部以及腰部。GPS衛(wèi)星定位具有精度高、范圍廣等特點，本團隊采用的GPS可以定位搜救距離2 500 m，衛(wèi)星定位精度小于等于20 m，保證搜尋準確度。人體正常體溫在37℃左右，而海水的溫度常常低于人體溫度10℃甚至更低，要使落水人員在海里生存一段時間，需要保證持續(xù)供熱，以抵消熱量散失而導(dǎo)致的代謝失衡等嚴重威脅，本設(shè)計采用海水電池發(fā)電技術(shù)，將電能轉(zhuǎn)化成熱能，25℃左右的溫度下持續(xù)維持1～2 h，滿足人體溫度需要，便于搜救隊伍營救。

4 結(jié)語

本文設(shè)計的這款結(jié)合了可拆卸技術(shù)、用海水電池進行保暖的技術(shù)、GPS定位搜救技術(shù)的親子救生衣和現(xiàn)在的救生衣相比，不僅提升了海難存活率和成功率，還可應(yīng)用到海上抗洪救災(zāi)中，使用范圍較廣，特別是與市面上沒有可拆卸式的親子救生衣相比，該產(chǎn)品更能凸顯優(yōu)勢，在救援方面更加方便高效。