新式遥控救援浮板设计

张祺淳，李红玲，刀然，徐宁

(江苏师范大学科文学院，江苏 徐州 221116)

1 背景分析

1.1 世界环境下的水上救生发展状况

水上救援是人类在时代发展的大背景下为了保障自身健康，脱离困境的必然产物，是人们为了防患于未然减少生命威胁的有效措施，国际救生协会在比利时于1993年2月23日成立。国际救生协会还通过定期举行国际性的水上救生比赛，推动水上救援行动的发展。目前，国际救生协会已拥有130多个成员国和超过2700万会员，包括我国的香港、澳门、台湾地区。我国经过6年的努力争取，在2006年正式加入了国际救生组织，成为国际救生组织成员国之一。[1]

1.2 国内环境下的水上救生发展状况

地球上的水域面积占在地球表面面积的百分之七十，人类很大程度上依靠江河湖海来进行运输活动，因此越来越多的人选择泳池等封闭水域进行休闲娱乐活动，大量与水有关的生产娱乐活动也涌现出大量的安全隐患，据中国卫生部发布的数字显示，中国每年有57000人溺水死亡，相当于每天有150多人溺水而死，因此水域内的救援救助就显得非常重要。[2]现在中国的水结构问题同样存在很多问题。这些问题的解决也将加快我国救援事业的发展。仅仅从2016年4月18日至2017年4月18日一年，实际溺水身亡的相关新闻报道达210余篇，相关微博500余条，在网上引起了广泛关注。[3]面临国内水上活动项目迅速发展和结构开发系统延误之间的矛盾，我国正扩大对国内水上救援设备的研究。[4]

2 产品方案设计

2.1 产品介绍

本组设计的基于遥感控制装置来实现远程操控的漂浮救生板，可以实现为落水者提供有效漂浮支撑的作用，使落水者能够自如地呼吸和冷静下来，淹溺的核心伤害是缺氧，而缺氧是由于淹溺者无法使自己的头部浮出水面。那么，与之对应的淹溺者的自救与求生就是要设法使自己的头部浮出水面，这是淹溺者能否生存的关键。[5]

为了达到协助救援的目的，救助装备正朝着高度的专业化发展，将会为今后的救灾持续打下坚实的基础，所以水上救助装备研究需要付出很大的努力[6]

2.2 产品定位

产品定位服务人群为大众，价格必然大众化平民化，产品的功能也最大程度上满足了性价比，能达到快速水上救援的效果。

2.3 前期设计思考

设计应跟随“5W2H”法则，通过“5W”来确定其设计方向，并从“人—机—环境”进行设计思考。“人—机—环境”系统是指由共处于同一时间和空间的人与其所使用的机以及它们所处的周围环境所构成的系统。[4]将这一理论运用到设计中可得出以下思考：

人：根据产品的设计方法论学，设计了符合使用者行动习惯的水上结构设备产品。这不仅与水上结构设备产品的相互作用更加灵活、安全。

机：产品应该考虑向人们提供更好的服务的方法，在特定环境中发挥最大的功能和最佳效果的方法。

环境：任何时段及未知水下情况的水域环境；溺水及施救环境。

2.4 设计方案确立与预期

新式遥控公共通用型救援浮板是一款应用于大众的智能型水上安全救援产品。它是由救生浮板、摇杆控制装置和具有收纳、储藏功能的充电供能装置三大部分组成，结合了物联网、传感器、Arduino、安卓开发等技术。摇杆控制装置能为施救者提供准确、高效的远程遥控救援支持，在自身安全的前提情况下去救助溺水人群。

若计划将新式遥控公共通用型救援浮板的充电桩设置在易落水的河段旁，溺水事故发生到发现溺水者再到救援者使用遥控救生浮板实施救援行动所花费的总时间可以控制在2min以内，极大提高落水者生还率。

3 结构与技术功能设计

3.1 水上救援浮板的整体结构设计

本款水上救援浮板的板身采用了由高韧度的ABS塑料，这种材料抗冲击性、耐热性、具有易加工、制品尺寸稳定、表面光泽性好等特点，可以适应各类紧急救援情况，整体板身使用了流线型外壳，使其减小水中阻力的同时体现设计人性化，具备环状中央凹陷结构，运用人机工程学相关原理，使得求救者在处于危险时可以准确稳固的趴伏在浮板上。动力装置位于浮板的尾部，内置防水电机和双动力内嵌式动力推进器，可保证设备充足的马力以进行及时迅速的救援；以太阳能充电替换传统的汽油燃料发动，即便是放置在无人水域也能自行充电，保证任何时刻都有充足电力进行救援，内嵌式动力推进器避免了在水中缠上水草或对人造成伤害。在浮板内侧含有红外感应装置，人体脱机时，自动感知，紧急制停，进一步降低求救者滑落浮板的概率。具体结构草图(图一)如下：

图一

3.2 核心技术功能

结合实际需求，按照硬件设计流程和计划实现的功能，设定遥控浮板的功能模块，主要有：电机驱动模块、防滑落模块、和蓝牙串口模块。按照这些功能列出要实现这些功能所需要的主要元器件和设备，分别是：Arduino uno开发板、Atmega 168a微控制器、LM298N电机、TCRT5000红外光电传感器HC—06蓝牙模块、LED灯、LDO底板。(图二)

图二

在项目产品芯片中，头部分为主控制板arduino uno，头安装有红外悬崖探测传感器，底层是电极驱动的电机驱动模块，浮板身上有电压比肩器，两侧标有正负极，红正，灰负，电池两侧也标有正负极。当浮板落入水中自动启动。尾部的底层装有电池(由太阳能供电，内有应急备用电池)。蓝牙模块也装在板头部位。

在了解到如今现有救援设备的痛点后，本次项目硬件设计具有三个重要模块：

控制系统：采用Arduino Uno技术，将最新的atmega168a芯片作为控制核心。无线通信模块是用于便携式移动设备和移动机器人的微控制器。此设计使用Wi-Fi模块完成。连接了TCP的移动设备可实现Client端和微处理器Sever程序无线通信。Wi-Fi模块内部是OpenWrt系统加载的无线路由。可以连接到微控制器中每个传感器并通过Wi-Fi接受的设备。每个控制命令由微控制器执行。单片机分析与控制输出相移动浮板的驱动电机，传感器和其他设备。Wi-Fi通讯模块是TTL，各种接口，例如输入/输出，UART和网络接口。[7]

定位模块：既方便对本产品的跟踪维护，加入GPS导航控制系统又在救援时提供了必不可少的准确和便捷，可以更加准确的记录运行轨迹。

推动器模块：双马达提供动力，能够使浮板快速抵达落水者身边。

同时除了从事救援活动以外，水上救援浮板还具有以下额外功能：

(1)打造多方位大数据可共享的水上救援信息化作战平台。与政府应急部门、消防部门、水上救援相关机构形成多方联动，掌握各个水域的实时状况，快速定位，并及时出动相关人员；

(2)用户可直接通过手机了解落水人的体温特征等人体参数。

3.3 水上救援浮板的运行流程

水上救援浮板可通过遥感控制装置实现对浮板的遥控，本次设计的线上产品采用Arduino Uno技术，同时在浮板内部安装最新的atmega168a芯片作为控制核心，浮板可以借此快速的将控制人员的指令做出反应，操作人只需用手机连接设备，将水上救援浮板放置于水中同时机体内部的GPS导航系统将全程定位浮板位置，岸上人员也可以通过手机了解实时动态以及各方面的数据例如运行速度等参数，了解设备运行情况以及运行轨迹，保证浮板可以准确到达救援水域，如图(三)所示：

图三

通过浮板将落水者的身体抬离水面，使得落水者脱离生命危险，从而达到前期救援的，当落水者趴上救援浮板时，可以通过传感器测量技术显示落水者的状态，若落水者滑落，浮板会自动停止进行二次救援。

4 结束语

新式遥控公共通用型救援浮板正是针对于现今社会在水上救援设备极度缺乏的这一通点上进行设计，很好的克服了未知、复杂水域的问题，解决了救生设备的救援位置不精准的缺陷，更好的保障了施救者在见义勇为的同时使自己处于一个安全的环境中。新式遥控公共通用型救援浮板让人们的生活方式得到了正向的、积极的改善，引导了人们以更加安全、合理、迅速的方式对溺水者实施救援活动。