新式遙控救援浮板設計

張祺淳，李紅玲，刀然，徐寧

(江蘇師范大學科文學院，江蘇 徐州 221116)

1 背景分析

1.1 世界環境下的水上救生發展狀況

水上救援是人類在時代發展的大背景下為了保障自身健康，脫離困境的必然產物，是人們為了防患于未然減少生命威脅的有效措施，國際救生協會在比利時于1993年2月23日成立。國際救生協會還通過定期舉行國際性的水上救生比賽，推動水上救援行動的發展。目前，國際救生協會已擁有130多個成員國和超過2700萬會員，包括我國的香港、澳門、臺灣地區。我國經過6年的努力爭取，在2006年正式加入了國際救生組織，成為國際救生組織成員國之一。[1]

1.2 國內環境下的水上救生發展狀況

地球上的水域面積占在地球表面面積的百分之七十，人類很大程度上依靠江河湖海來進行運輸活動，因此越來越多的人選擇泳池等封閉水域進行休閑娛樂活動，大量與水有關的生產娛樂活動也涌現出大量的安全隱患，據中國衛生部發布的數字顯示，中國每年有57000人溺水死亡，相當于每天有150多人溺水而死，因此水域內的救援救助就顯得非常重要。[2]現在中國的水結構問題同樣存在很多問題。這些問題的解決也將加快我國救援事業的發展。僅僅從2016年4月18日至2017年4月18日一年，實際溺水身亡的相關新聞報道達210余篇，相關微博500余條，在網上引起了廣泛關注。[3]面臨國內水上活動項目迅速發展和結構開發系統延誤之間的矛盾，我國正擴大對國內水上救援設備的研究。[4]

2 產品方案設計

2.1 產品介紹

本組設計的基于遙感控制裝置來實現遠程操控的漂浮救生板，可以實現為落水者提供有效漂浮支撐的作用，使落水者能夠自如地呼吸和冷靜下來，淹溺的核心傷害是缺氧，而缺氧是由于淹溺者無法使自己的頭部浮出水面。那么，與之對應的淹溺者的自救與求生就是要設法使自己的頭部浮出水面，這是淹溺者能否生存的關鍵。[5]

為了達到協助救援的目的，救助裝備正朝著高度的專業化發展，將會為今后的救災持續打下堅實的基礎，所以水上救助裝備研究需要付出很大的努力[6]

2.2 產品定位

產品定位服務人群為大眾，價格必然大眾化平民化，產品的功能也最大程度上滿足了性價比，能達到快速水上救援的效果。

2.3 前期設計思考

設計應跟隨“5W2H”法則，通過“5W”來確定其設計方向，并從“人—機—環境”進行設計思考。“人—機—環境”系統是指由共處于同一時間和空間的人與其所使用的機以及它們所處的周圍環境所構成的系統。[4]將這一理論運用到設計中可得出以下思考：

人：根據產品的設計方法論學，設計了符合使用者行動習慣的水上結構設備產品。這不僅與水上結構設備產品的相互作用更加靈活、安全。

機：產品應該考慮向人們提供更好的服務的方法，在特定環境中發揮最大的功能和最佳效果的方法。

環境：任何時段及未知水下情況的水域環境；溺水及施救環境。

2.4 設計方案確立與預期

新式遙控公共通用型救援浮板是一款應用于大眾的智能型水上安全救援產品。它是由救生浮板、搖桿控制裝置和具有收納、儲藏功能的充電供能裝置三大部分組成，結合了物聯網、傳感器、Arduino、安卓開發等技術。搖桿控制裝置能為施救者提供準確、高效的遠程遙控救援支持，在自身安全的前提情況下去救助溺水人群。

若計劃將新式遙控公共通用型救援浮板的充電樁設置在易落水的河段旁，溺水事故發生到發現溺水者再到救援者使用遙控救生浮板實施救援行動所花費的總時間可以控制在2min以內，極大提高落水者生還率。

3 結構與技術功能設計

3.1 水上救援浮板的整體結構設計

本款水上救援浮板的板身采用了由高韌度的ABS塑料，這種材料抗沖擊性、耐熱性、具有易加工、制品尺寸穩定、表面光澤性好等特點，可以適應各類緊急救援情況，整體板身使用了流線型外殼，使其減小水中阻力的同時體現設計人性化，具備環狀中央凹陷結構，運用人機工程學相關原理，使得求救者在處于危險時可以準確穩固的趴伏在浮板上。動力裝置位于浮板的尾部，內置防水電機和雙動力內嵌式動力推進器，可保證設備充足的馬力以進行及時迅速的救援；以太陽能充電替換傳統的汽油燃料發動，即便是放置在無人水域也能自行充電，保證任何時刻都有充足電力進行救援，內嵌式動力推進器避免了在水中纏上水草或對人造成傷害。在浮板內側含有紅外感應裝置，人體脫機時，自動感知，緊急制停，進一步降低求救者滑落浮板的概率。具體結構草圖(圖一)如下：

圖一

3.2 核心技術功能

結合實際需求，按照硬件設計流程和計劃實現的功能，設定遙控浮板的功能模塊，主要有：電機驅動模塊、防滑落模塊、和藍牙串口模塊。按照這些功能列出要實現這些功能所需要的主要元器件和設備，分別是：Arduino uno開發板、Atmega 168a微控制器、LM298N電機、TCRT5000紅外光電傳感器HC—06藍牙模塊、LED燈、LDO底板。(圖二)

圖二

在項目產品芯片中，頭部分為主控制板arduino uno，頭安裝有紅外懸崖探測傳感器，底層是電極驅動的電機驅動模塊，浮板身上有電壓比肩器，兩側標有正負極，紅正，灰負，電池兩側也標有正負極。當浮板落入水中自動啟動。尾部的底層裝有電池(由太陽能供電，內有應急備用電池)。藍牙模塊也裝在板頭部位。

在了解到如今現有救援設備的痛點后，本次項目硬件設計具有三個重要模塊：

控制系統：采用Arduino Uno技術，將最新的atmega168a芯片作為控制核心。無線通信模塊是用于便攜式移動設備和移動機器人的微控制器。此設計使用Wi-Fi模塊完成。連接了TCP的移動設備可實現Client端和微處理器Sever程序無線通信。Wi-Fi模塊內部是OpenWrt系統加載的無線路由?？梢赃B接到微控制器中每個傳感器并通過Wi-Fi接受的設備。每個控制命令由微控制器執行。單片機分析與控制輸出相移動浮板的驅動電機，傳感器和其他設備。Wi-Fi通訊模塊是TTL，各種接口，例如輸入/輸出，UART和網絡接口。[7]

定位模塊：既方便對本產品的跟蹤維護，加入GPS導航控制系統又在救援時提供了必不可少的準確和便捷，可以更加準確的記錄運行軌跡。

推動器模塊：雙馬達提供動力，能夠使浮板快速抵達落水者身邊。

同時除了從事救援活動以外，水上救援浮板還具有以下額外功能：

(1)打造多方位大數據可共享的水上救援信息化作戰平臺。與政府應急部門、消防部門、水上救援相關機構形成多方聯動，掌握各個水域的實時狀況，快速定位，并及時出動相關人員；

(2)用戶可直接通過手機了解落水人的體溫特征等人體參數。

3.3 水上救援浮板的運行流程

水上救援浮板可通過遙感控制裝置實現對浮板的遙控，本次設計的線上產品采用Arduino Uno技術，同時在浮板內部安裝最新的atmega168a芯片作為控制核心，浮板可以借此快速的將控制人員的指令做出反應，操作人只需用手機連接設備，將水上救援浮板放置于水中同時機體內部的GPS導航系統將全程定位浮板位置，岸上人員也可以通過手機了解實時動態以及各方面的數據例如運行速度等參數，了解設備運行情況以及運行軌跡，保證浮板可以準確到達救援水域，如圖(三)所示：

圖三

通過浮板將落水者的身體抬離水面，使得落水者脫離生命危險，從而達到前期救援的，當落水者趴上救援浮板時，可以通過傳感器測量技術顯示落水者的狀態，若落水者滑落，浮板會自動停止進行二次救援。

4 結束語

新式遙控公共通用型救援浮板正是針對于現今社會在水上救援設備極度缺乏的這一通點上進行設計，很好的克服了未知、復雜水域的問題，解決了救生設備的救援位置不精準的缺陷，更好的保障了施救者在見義勇為的同時使自己處于一個安全的環境中。新式遙控公共通用型救援浮板讓人們的生活方式得到了正向的、積極的改善，引導了人們以更加安全、合理、迅速的方式對溺水者實施救援活動。