新型便携式水上救生快速反应装备研发及应用

郑润峰，戴晗，陈俊坤，彭嘉俊，林锶崇，张勇刚

（广东警官学院，广东 广州 510440）

0 引言

水上救生装备是为了在一定范围内保证水域活动者及落水者安全的水上防护用品，被广泛用于捕捞业、水上运动、水上作业等。目前对溺水者的救援方式主要有抛掷救生圈、救生员救援、救生艇救援等，这些传统救援方式存在时效性差、救援方式落后、成本高、风险大、对救援人员要求高等问题[1]。

对此，本团队研发出了一款小型便携式水上救生装备，相对传统水上救援设备，此装备的突出创新特点有：便携性强、可操作性强、效率高以及无需专业的搜救人员；具备多种操作方式，可用手机操控或手动控制；具有GPS精准定位、远程追踪、声光警报等功能。

1 装备总体介绍

本发明涉及水上救援领域，具体来说是一种便携式水上救援装备，由上壳体、中壳体、下壳体、尾部保护壳、推柱、导套、撞针、气阀、气阀套、警示灯、嗡鸣器、GPS芯片、电源、气瓶、马达、ESP 8266模块、螺旋桨、救生气囊组成，另配备自行开发的手机APP。本装备易于携带且操作简便，可以大大提高救援的成功率与效率，解决了水上救援装备救援效率低、适用范围窄、不易携带、不易使用的问题[2]。

1.1 造型设计

本装备利用Solidworks曲面设计和实体造型的优势，为救生装备设计了一款造型。装备整体结构为类圆柱体，上部呈圆状结构，重心靠装备中心，被施救者只需抓住弹出的安全气囊，便可保持漂浮状态，等待后续救援。其外壳设计便携性良好，外壳采用3D打印制作，以FDM(熔融沉积快速成型)方式打印，采取PLA材料，外壳有显著螺纹。为保证装备易视性，外壳色调采取亮黄色。外壳整体形状是头部为半圆形的柱体，总长约16.86cm，方便携带，其重量约0.3KG。

1.2 动力模组

本救生装备采用螺旋桨推进器，螺旋桨推进器又称为叶轮推进器，主要是由桨毂以及桨叶构成。推进部件安装于装备下壳体尾部的位置，旋转的动力主要来自救生装备的动力模块。

动力模组由两个马达、电源及电机Drv8833驱动模块三部份组成。通信采用WIFI2.4g，由ESP 8266模块连接服务器，接收作为客户端的安卓手机App发送的消息，根据消息内容对引脚操纵，实现控制电机前进转向的功能。

1.3 控制系统

本救生装备的控制系统主要由单片机控制模块、电源模块、无线通讯模块、无刷直流电机驱动模块、转向控制模块、倒车控制模块六个部分组成。主控模块采用ESP 8266模块作为处理器；无线通信模块采用ipex内置天线实现无线收发；用继电器控制无刷直流电机电路的接通或断路，同时以Drv8833模块控制转向和倒车电机的正反转，从而实现对救生装备的控制。

1.4 救援模组

手动操作：当被援助者接触本装备，其可自行向下壳体方向推动上壳体，带动推柱、导套、撞针，打开气阀，气瓶中的二氧化碳流向救生气囊，救生气囊弹出，从而成功启动救生功能。同时，警示灯、嗡鸣器也将随救生气囊一并同时启动。

手机操作：在安卓手机上控制APP，通过WIFI信号发出对救援器航向的控制指令，可控制航向与速度；通过APP发出指令，ESP 8266模块接收指令后传输给充气装备，App也可控制电机打开气瓶的开关对救生气囊充气，也可通过App启动警示灯、嗡鸣器。

1.5 GPS模块

本装备加装GPS芯片，具有分贝报警，震动报警，轨迹回放，远程开关，WIFI定位功能，采用WIFI+LBS+GPS+北斗定位，达到复杂环境高速高精度定位并可在水下定位，定位误差≤3m，定位覆盖全国。选用的GPS模块是ZX303模块，并为其配备PCB板，以方便与单片机进行连接。

1.6 电路系统

电源电路模块：如果需要单片机正常工作，则必须提供稳定的+5V直流电源，而该救生装备采用的电池为40V直流电，为了给STC12C5A60S2单片机提供高稳定性+5V直流电源，需要将40V直流电源降压。在这里采用BL9341DC-DC降压电路模块，BL9341是电流模式的单片降压开关稳压器。BL9341不使用外部肖特基二极管，电路简单，可以稳定输出5V直流电压[3]。

晶振电路模块：STC12C5A60S2单片机是同步时序电路，内部电路复杂。时钟信号就是晶振电路所产生的，主要是为了确保STC12C5A60S2单片机的正常运作。晶振电路由内部和外部时钟两种类型。时钟频率的大小影响信号传输的快慢和稳定性。时钟信号是由内部时钟模块提供的。STC12C5A60S2单片机中有一个反向放大器，此放大器是高增益的，作用是构成振荡器。

1.7 软件系统

软件的编程设计是单片机系统设计的核心部分，也是能否实现预定功能的关键。本机所使用的是单片机编程常用的C语言进行编程，其最终转为Intel Hex格式或者二进制格式文档拷入单片机芯片内。

2 实验数据

2.1 速度

本装置采用电机型号为Drv8833，共使用两组。以螺旋桨作为推进方式，在测试中，无负载情况下，平均时速约为22公里每小时。

2.2 气囊浮力校核

（1）救生装置下部船体体积可由Solidworks软件测量得到：V1≈0.153m3。

（2）上部自扶正安全气囊的体积为厂家数据：V2≈0.016m3。

所以整个装置浮力为：F=ρg（V1+2V2）=1813N。该救生装置浮力足够承载一个成年人在水中前行。在实际使用中，可负载65kg的成年男性在水中漂浮。

2.3 续航

为满足稳定性、实用性，电池采用一节18650锂电池，18650锂电池理论寿命为循环充电1000次。测试平均结果为，该电池可满足救生装置以最高时速前进约15分钟，在多次实验中性能非常稳定，充分满足单次救援需求。

2.4 远距离使用数据

本装置采用ESP 8266模块，WIFI频率为2.4GHz，相对穿透能力强,传播距离远，实验显示最远遥控距离为150米左右。本装置GPS芯片采用WIFI+LBS+GPS+北斗定位系统，可实现高精度定位并可在水下定位，实验结果显示，定位误差≤3m，且定位可覆盖全国。

2.5 警报模组数据

本装置采用100分贝嗡鸣器及红蓝暴闪灯，嗡鸣器在150m（目前最远操作距离）距离内可听清。 红蓝暴闪灯在无云天气下基本不可见，在夜晚则较为清晰。

3 装备创新之处

3.1 便携性

外壳采用3D打印制作，以FDM(熔融沉积快速成型)方式打印，为保证其轻量性，采取PLA材料。目前推进方式为螺旋桨式，在日后优化中可更换推进方式，进一步减小装备体积及增进便携性。外壳整体总长约16.86cm，其重量约0.3KG，方便携带。

3.2 操作性强，精准度高

救援人员无需下水，只需从岸边、船上等处投掷该救生设备，并利用移动终端远程遥控该救生设备对落水人员实施救援，这不仅可以减小救援难度，而且可以保证救援人员的安全，提高救援效率及成功率。并且，本装备加装GPS芯片，具有分贝报警，震动报警，轨迹回放，远程开关，WIFI定位功能，采用WIFI+LBS+GPS+北斗定位，达到复杂环境下高速高精度定位并可在水下定位，定位误差≤3m，定位覆盖全国[4]。

3.3 简易化

本装备救生模块简易明确，在击发连动模块上添加电磁击发装备，实现了双启动方式，实现了装备制作与结构的相对简易性。另外本救生装备操作简单，该救生装备配备团队自行开发的手机APP，没有进行过相关救生培训的人员也可通过APP使用本装备。

3.4 低成本

目前本装备采用了3D打印方式制造外壳，使用材料为PLA，其余零件在淘宝采购，单件成品总计花费约150元左右；若批量生产，以市面采购价预算，大约成本将降至100元以下，有利于大范围推广。

3.5 受恶劣环境影响小

本装备采用电机型号为Drv8833，共使用两组。以螺旋桨作为推进方式，平均时速为22公里每小时。速度方面存在较大的改进空间，在实际测试中，可在微浪中保持高速前进。其次，本装备采用100分贝嗡鸣器及红蓝暴闪灯，辅以GPS定位，避免遭遇突发的大雾天气无法精确确认溺水者的位置，从而有效提高后续救援效率以及成功率。

4 结语

本装备便携性及低成本的特点，其应用不仅限于公安巡逻、泳池救生、家庭出行等领域，在城市湿地、河流、湖泊等溺水事故频发地段以及水上乐园、海边浴场和水库等各种有溺水风险的场所都能运用该装备，以保证生命的安全。该装备具有的便携性和低成本以及挽救生命的作用，不仅使该装备有巨大的实用价值，而且易于普及。调研发现，目前市场上还未出现相同装备，虽有相似救援装备，但其均不具备本装备的便携、成本低、多功能、手机WIFI控制等迭代优势[5]。随着本装备的推广，它将逐渐走向民营企业甚至千家万户，将会成为遍布危险水域并家喻户晓的具有强大发展前景的“朝阳”装备，并将助力水上智能化救援设备事业的发展。