可智能识别溺水并自动充气的便携式救生装置设计

别凯文

摘 要：本文针对现有救生装置体积较大、不便携带及不够智能等缺点，对人体溺水的核心特征进行调研，对智能识别溺水技术和自动充气技术进行文献综述和方案优选，在此基础上提出了一种可智能识别溺水并自动充气的便携式救生装置。其中，智能识别溺水技术选择反射光电法监测脉搏或血氧，自动充气技术选择“压缩气瓶+针刺”方案。“压缩气瓶+针刺”方案具有螺纹旋入结构、六角头配合设计、刺针中空设计的特点。

关键词：溺水识别；脉搏光电监测；自动充气；刺针中空

中图分类号：TM415 文献标志码：A

0 引言

溺水是人体呼吸道进水后导致肺部吸水引起缺氧窒息的现象，可导致呼吸衰竭乃至死亡的严重后果。近年来，溺水导致的伤亡人数增加，尤其是当夏季，人们接触水的机会变多，这一问题变得更加严重。据世界卫生组织提供的数据，2015年世界各地每年溺水死亡数估计为36万例，占所有与伤害有关死亡的7%。而对于防范溺水的设备或装置（如救生圈等）大多体积较大、不方便携带且不智能。因此，可以设想，如果救生装置同时具备可智能识别溺水、自动充气且方便携带的特性，那么戏水乐趣和生命安全将统一起来，在一定程度上减少溺水伤亡事故。该装置设计的核心是智能识别溺水技术和自动充气技术。

1 人体溺水症状监测

人体溺水的核心特征在于呼吸、心跳和血压。对呼吸、心跳和血压的常见监测方法和原理列于表1，考虑到防溺水装置的使用环境和便携式要求，呼吸道位置监测法较适用于对呼吸特征的监测；脉搏光电监测法和血氧监测法较适用于对心跳特征的监测；电子腕式血压计测量法较适用于对血压特征的监测。本文第2部分将对呼吸道位置监测法、脉搏光电监测法、血氧监测法、电子腕式血压计测量法结合设计应用场合对智能识别溺水技术进行详细论述。

2 关键技术综述

本论文研究的关键技术包括智能识别溺水技术和自动充气技术两部分。前文将智能识别溺水技术研究聚焦到呼吸道位置监测法、脉搏光电监测法、血氧监测法、电子腕式血压计测量法。呼吸道位置监测法是利用压力传感器集成于泳镜上，通过监测水压变化来判断口鼻在水中的深度，间接判断是否溺水，缺点是该方法判断是否溺水不够直接，误判可能性较大。脉搏光电监测法通过光电传感器对脉搏信号进行监测，具有结构简单、无损伤及可重复好等优点。血氧监测法利用光电传感器对血氧饱和度进行监测，具有结构简单、无损伤、易佩戴和低功耗等优点。电子腕式血压计测量法利用气体压力传感器识别血压，可克服传统汞柱式血压计测量法的测量结果主观性的缺点，且便携性更佳，但是相对于脉搏光电监测法和血氧监测法仍体积较大（某款电子腕式血压计主机体积67mm×78mm×62mm，便携性仍相对较差）。综上所述，脉搏光电监测法和血氧监测法较适用于本课题研究的智能识别溺水技术，这两种方法均基于光电法，又可分为透射法和反射法，其中透射法适用于手指、耳朵等身体较薄的部位，应用有一定的限制，反射法适用性更强，故本论文拟采用反射光电法监测脉搏或血氧。

目前救生装置相关的自动充气技术研究较少，现有自动充气技术主要集中于汽车安全气囊装置、穿戴式跌倒预警防护系统等领域。考虑到时效性，汽车安全气囊装置主要采用爆炸充气方法，原理为将炸药和叠氮化钠在一定密封空间内，通过剧烈化学反应产生爆炸的方法，在极短时间内充气完毕，缺点是结构复杂、噪声大，作为穿戴装置有一定危险性。穿戴式跌倒预警防护系统主要采用“压缩气瓶+针刺”进行自动充气，危险发生时用刺针扎破含有压缩气体的气瓶封口处，从而迅速释放大量气体，起到跌倒缓冲的作用，该方法比较安全便捷，结构简单。综上所述，“压缩气瓶+针刺”的自动充气方法也适用于溺水自动救生装置。

3 设计内容

所设计的可智能识别溺水并自动充气的便携式救生装置包括反射式血氧/脉搏监测装置和“压缩气瓶+针刺” 自动充气上浮装置。参考图1，自动充气上浮装置由舵机、舵机输出轴（舵机一部分）、中空且侧有孔洞的刺针、六角槽（刺针的一部分）、接头、压缩气瓶和救生气囊组成。当溺水现象发生时，反射式血氧/脉搏监测装置监测到血氧值/脉搏异常，将电信号传给自动充气上浮装置，触发舵机输出轴（外六角结构）转动，通过六角槽带动与输出轴配合的刺针旋转，借助接头螺纹，旋入接头直筒深处，当刺针钻入气瓶的封口，压缩气体顺着刺针中空孔释放并通过接头竖筒充入压缩气囊中，达到增大浮力和救生的目的。

“壓缩气瓶+针刺” 自动充气上浮装置的创新点为螺纹旋入结构、六角头配合设计、刺针中空设计。其中，螺纹旋入结构省去了连杆凸轮机构，直接将舵机旋转运动转换为直线运动，结构简单；六角头配合设计可以将转矩从舵机传递到刺针，但不限制刺针的直线运动；刺针中空设计避免刺针刺破气瓶后堵塞开口，且省去了拔针动作。

结论

针对现有救生装置体积较大、不便携带和不够智能等缺点，本文设计了一种可智能识别溺水并自动充气的便携式救生装置，可将戏水乐趣和生命安全将统一起来，研究中取得了如下主要结论：

（1）脉搏光电监测法和血氧监测法较适用于本课题研究的智能识别溺水技术，本论文采用反射光电法监测脉搏或血氧。

（2）考虑到安全性、结构复杂程度、噪声，本论文采用“压缩气瓶+针刺” 自动充气方法用于溺水自动救生装置。

（3）自动充气上浮装置由舵机、舵机输出轴（舵机一部分）、中空且侧有孔洞的刺针、六角槽（刺针的一部分）、接头、压缩气瓶和救生气囊组成，创新点在于螺纹旋入结构、六角头配合设计、刺针中空设计。

本文设计结果将为便携式、智能救生设备的设计提供参考，减少溺水伤亡事故。

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