鄭潤(rùn)峰，戴晗，陳俊坤，彭嘉俊，林鍶崇，張勇剛

（廣東警官學(xué)院，廣東 廣州 510440）

0 引言

水上救生裝備是為了在一定范圍內(nèi)保證水域活動(dòng)者及落水者安全的水上防護(hù)用品，被廣泛用于捕撈業(yè)、水上運(yùn)動(dòng)、水上作業(yè)等。目前對(duì)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(tǒng)救援方式存在時(shí)效性差、救援方式落后、成本高、風(fēng)險(xiǎn)大、對(duì)救援人員要求高等問(wèn)題[1]。

對(duì)此，本團(tuán)隊(duì)研發(fā)出了一款小型便攜式水上救生裝備，相對(duì)傳統(tǒng)水上救援設(shè)備，此裝備的突出創(chuàng)新特點(diǎn)有：便攜性強(qiáng)、可操作性強(qiáng)、效率高以及無(wú)需專業(yè)的搜救人員；具備多種操作方式，可用手機(jī)操控或手動(dòng)控制；具有GPS精準(zhǔn)定位、遠(yuǎn)程追蹤、聲光警報(bào)等功能。

1 裝備總體介紹

本發(fā)明涉及水上救援領(lǐng)域，具體來(lái)說(shuō)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(hù)殼、推柱、導(dǎo)套、撞針、氣閥、氣閥套、警示燈、嗡鳴器、GPS芯片、電源、氣瓶、馬達(dá)、ESP 8266模塊、螺旋槳、救生氣囊組成，另配備自行開(kāi)發(fā)的手機(jī)APP。本裝備易于攜帶且操作簡(jiǎn)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(wèn)題[2]。

1.1 造型設(shè)計(jì)

本裝備利用Solidworks曲面設(shè)計(jì)和實(shí)體造型的優(yōu)勢(shì)，為救生裝備設(shè)計(jì)了一款造型。裝備整體結(jié)構(gòu)為類圓柱體，上部呈圓狀結(jié)構(gòu)，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(tài)，等待后續(xù)救援。其外殼設(shè)計(jì)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(diào)采取亮黃色。外殼整體形狀是頭部為半圓形的柱體，總長(zhǎng)約16.86cm，方便攜帶，其重量約0.3KG。

1.2 動(dòng)力模組

本救生裝備采用螺旋槳推進(jìn)器，螺旋槳推進(jìn)器又稱為葉輪推進(jìn)器，主要是由槳轂以及槳葉構(gòu)成。推進(jìn)部件安裝于裝備下殼體尾部的位置，旋轉(zhuǎn)的動(dòng)力主要來(lái)自救生裝備的動(dòng)力模塊。

動(dòng)力模組由兩個(gè)馬達(dá)、電源及電機(jī)Drv8833驅(qū)動(dòng)模塊三部份組成。通信采用WIFI2.4g，由ESP 8266模塊連接服務(wù)器，接收作為客戶端的安卓手機(jī)App發(fā)送的消息，根據(jù)消息內(nèi)容對(duì)引腳操縱，實(shí)現(xiàn)控制電機(jī)前進(jìn)轉(zhuǎn)向的功能。

1.3 控制系統(tǒng)

本救生裝備的控制系統(tǒng)主要由單片機(jī)控制模塊、電源模塊、無(wú)線通訊模塊、無(wú)刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、轉(zhuǎn)向控制模塊、倒車控制模塊六個(gè)部分組成。主控模塊采用ESP 8266模塊作為處理器；無(wú)線通信模塊采用ipex內(nèi)置天線實(shí)現(xiàn)無(wú)線收發(fā)；用繼電器控制無(wú)刷直流電機(jī)電路的接通或斷路，同時(shí)以Drv8833模塊控制轉(zhuǎn)向和倒車電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)救生裝備的控制。

1.4 救援模組

手動(dòng)操作：當(dāng)被援助者接觸本裝備，其可自行向下殼體方向推動(dòng)上殼體，帶動(dòng)推柱、導(dǎo)套、撞針，打開(kāi)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(dòng)救生功能。同時(shí)，警示燈、嗡鳴器也將隨救生氣囊一并同時(shí)啟動(dòng)。

手機(jī)操作：在安卓手機(jī)上控制APP，通過(guò)WIFI信號(hào)發(fā)出對(duì)救援器航向的控制指令，可控制航向與速度；通過(guò)APP發(fā)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(jī)打開(kāi)氣瓶的開(kāi)關(guān)對(duì)救生氣囊充氣，也可通過(guò)App啟動(dòng)警示燈、嗡鳴器。

1.5 GPS模塊

本裝備加裝GPS芯片，具有分貝報(bào)警，震動(dòng)報(bào)警，軌跡回放，遠(yuǎn)程開(kāi)關(guān)，WIFI定位功能，采用WIFI+LBS+GPS+北斗定位，達(dá)到復(fù)雜環(huán)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(guó)。選用的GPS模塊是ZX303模塊，并為其配備PCB板，以方便與單片機(jī)進(jìn)行連接。

1.6 電路系統(tǒng)

電源電路模塊：如果需要單片機(jī)正常工作，則必須提供穩(wěn)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(jī)提供高穩(wěn)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(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器。BL9341不使用外部肖特基二極管，電路簡(jiǎn)單，可以穩(wěn)定輸出5V直流電壓[3]。

晶振電路模塊：STC12C5A60S2單片機(jī)是同步時(shí)序電路，內(nèi)部電路復(fù)雜。時(shí)鐘信號(hào)就是晶振電路所產(chǎn)生的，主要是為了確保STC12C5A60S2單片機(jī)的正常運(yùn)作。晶振電路由內(nèi)部和外部時(shí)鐘兩種類型。時(shí)鐘頻率的大小影響信號(hào)傳輸?shù)目炻头€(wěn)定性。時(shí)鐘信號(hào)是由內(nèi)部時(shí)鐘模塊提供的。STC12C5A60S2單片機(jī)中有一個(gè)反向放大器，此放大器是高增益的，作用是構(gòu)成振蕩器。

1.7 軟件系統(tǒng)

軟件的編程設(shè)計(jì)是單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心部分，也是能否實(shí)現(xiàn)預(yù)定功能的關(guān)鍵。本機(jī)所使用的是單片機(jī)編程常用的C語(yǔ)言進(jìn)行編程，其最終轉(zhuǎn)為Intel Hex格式或者二進(jìn)制格式文檔拷入單片機(jī)芯片內(nèi)。

2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

2.1 速度

本裝置采用電機(jī)型號(hào)為Drv8833，共使用兩組。以螺旋槳作為推進(jìn)方式，在測(cè)試中，無(wú)負(fù)載情況下，平均時(shí)速約為22公里每小時(shí)。

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(cè)量得到：V1≈0.153m3。

（2）上部自扶正安全氣囊的體積為廠家數(shù)據(jù)：V2≈0.016m3。

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

2.3 續(xù)航

為滿足穩(wěn)定性、實(shí)用性，電池采用一節(jié)18650鋰電池，18650鋰電池理論壽命為循環(huán)充電1000次。測(cè)試平均結(jié)果為，該電池可滿足救生裝置以最高時(shí)速前進(jìn)約15分鐘，在多次實(shí)驗(yàn)中性能非常穩(wěn)定，充分滿足單次救援需求。

2.4 遠(yuǎn)距離使用數(shù)據(jù)

本裝置采用ESP 8266模塊，WIFI頻率為2.4GHz，相對(duì)穿透能力強(qiáng),傳播距離遠(yuǎn)，實(shí)驗(yàn)顯示最遠(yuǎn)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(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)高精度定位并可在水下定位，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，定位誤差≤3m，且定位可覆蓋全國(guó)。

2.5 警報(bào)模組數(shù)據(jù)

本裝置采用100分貝嗡鳴器及紅藍(lán)暴閃燈，嗡鳴器在150m（目前最遠(yuǎn)操作距離）距離內(nèi)可聽(tīng)清。 紅藍(lán)暴閃燈在無(wú)云天氣下基本不可見(jiàn)，在夜晚則較為清晰。

3 裝備創(chuàng)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(jìn)方式為螺旋槳式，在日后優(yōu)化中可更換推進(jìn)方式，進(jìn)一步減小裝備體積及增進(jìn)便攜性。外殼整體總長(zhǎng)約16.86cm，其重量約0.3KG，方便攜帶。

3.2 操作性強(qiáng)，精準(zhǔn)度高

救援人員無(wú)需下水，只需從岸邊、船上等處投擲該救生設(shè)備，并利用移動(dòng)終端遠(yuǎn)程遙控該救生設(shè)備對(duì)落水人員實(shí)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(bào)警，震動(dòng)報(bào)警，軌跡回放，遠(yuǎn)程開(kāi)關(guān)，WIFI定位功能，采用WIFI+LBS+GPS+北斗定位，達(dá)到復(fù)雜環(huán)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(guó)[4]。

3.3 簡(jiǎn)易化

本裝備救生模塊簡(jiǎn)易明確，在擊發(fā)連動(dòng)模塊上添加電磁擊發(fā)裝備，實(shí)現(xiàn)了雙啟動(dòng)方式，實(shí)現(xiàn)了裝備制作與結(jié)構(gòu)的相對(duì)簡(jiǎn)易性。另外本救生裝備操作簡(jiǎn)單，該救生裝備配備團(tuán)隊(duì)自行開(kāi)發(fā)的手機(jī)APP，沒(méi)有進(jìn)行過(guò)相關(guān)救生培訓(xùn)的人員也可通過(guò)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(gòu)，單件成品總計(jì)花費(fèi)約150元左右；若批量生產(chǎn)，以市面采購(gòu)價(jià)預(yù)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(huán)境影響小

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

4 結(jié)語(yǔ)

本裝備便攜性及低成本的特點(diǎn)，其應(yīng)用不僅限于公安巡邏、泳池救生、家庭出行等領(lǐng)域，在城市濕地、河流、湖泊等溺水事故頻發(fā)地段以及水上樂(lè)園、海邊浴場(chǎng)和水庫(kù)等各種有溺水風(fēng)險(xiǎn)的場(chǎng)所都能運(yùn)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(shí)用價(jià)值，而且易于普及。調(diào)研發(fā)現(xiàn)，目前市場(chǎng)上還未出現(xiàn)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(jī)WIFI控制等迭代優(yōu)勢(shì)[5]。隨著本裝備的推廣，它將逐漸走向民營(yíng)企業(yè)甚至千家萬(wàn)戶，將會(huì)成為遍布危險(xiǎn)水域并家喻戶曉的具有強(qiáng)大發(fā)展前景的“朝陽(yáng)”裝備，并將助力水上智能化救援設(shè)備事業(yè)的發(fā)展。