具有搜寻救助和保温功能的亲子救生衣设计

2021-06-21王自浮余青峰杨兴聪

科技与创新 2021年11期

魏羽，王自浮，余青峰，杨欢，杨兴聪

（重庆交通大学航运与船舶工程学院，重庆400074）

1 引言

救生衣是任何一项从事海上工作或旅行必备的求生工具，救生衣的发明和普遍使用有效提升了落水人员的生存概率，并为救援赢得了时间。现有救生衣的现状和特点主要为：①救生衣缺少定位系统，导致救援定位不明确，遇难者等待救援时，海浪的不断冲击会使遇难者偏离事故发生地，给搜救人员带来不便。②个人求救设备简陋，综合运用率低。求救设备与救生衣的综合运用不足，在海难逃生中不易携带。③救生衣的照明设施不足。在夜晚搜救时，缺乏照明设备会给搜救带来很大困难。④适体性能差。充气式救生衣里面是气体，所以和浮力材料填充式救生衣相比柔软度不足，不能随着身体的某些动作而随意变形。⑤填充式救生衣占用较大的正常使用空间，不便于存放与快速使用。

然而基于海上救生与自救的实际需求，救生衣的性能和材质也不断被研究者推陈出新，人们对救生衣的依赖程度和重视程度也在不断提升。

如果船舶航行在海上突遭事故，船上人员因外力因素（浪、台风等）而落水，落水后海水温度比较低，并且落水者会有极大的恐慌感，尤其是儿童需要特别的防护才能确保其安全。如果设计出兼具搜寻和保温功能的亲子救生衣，则能够使救援更加精准，落水儿童和成年人的体温、体能不会过快消耗。设计出的这款救生衣也能够满足大众需求，因此本项目的开发利用非常有价值，为海上生存提供了另辟蹊径的思路，作出了全新的贡献。

2 设计方案

2.1 系统硬件设计

基于大部分救生衣不具有保温和搜救功能、儿童自救能力较差这一情况，设计出兼具搜寻和保温功能的亲子救生衣。该救生衣系统包括GPS模块、发热保温模块、亲子连体模块以及自发光LED灯等。救生衣主要模块结构如图1所示。

图1 救生衣主要模块结构图

2.2 定位系统

利用GPS全球定位技术和通信技术丰富完善定位功能，依托STM32F103单片机作为数据处理核心管理定位模块和通信模块，整个系统能够实时实现儿童和成年人的位置信息交互，并且儿童和成年人的信息能够传送到救援平台，利于救援人员展开搜索工作。

GPS搜寻模块包括GPS模块和无线信号发射模块，采用STM32F1系列32位微处理器作为主控芯片，内置GPS+北斗双定位模块进行实时定位，精度可达2.5 mCEP，高精度磁力计可进行方位检测。信号传输采用SIM900物联网模块，即可对绑定手机号发送短信提示也可以作为物联网中端，对求救信号进行数据监测和实时传输。采用移动端APP作为上位机，将落水点的经纬度、移动速度、距离等数据进行可视化分析，实现远程设备接收、显示与储存。

2.3 发热原理

镁海水电池的工作原理中，通过空气中的氧气和金属镁发生化学反应产生电能。该电池采用镁作为负极，以空气中的氧作为正极，但往常的镁海水电池转化效率不高，结合宁波大学所提出的专利发明，运用造孔法得到空气阴极，以此获得更高的转化效率。落水人员将海水电池与海水接触，得到电量，给救生衣防水夹层的碳钎维供电，使救生衣具有保温功能。

发热保温模块部分利用Mg、O2、H2O、OH-的化学能进行电解池反应，转化为电能并存储于蓄电池中，人员落水后，可迅速产生反应，蓄电池存储足够电量，落水者根据自身体温状况通过蓄电池调整电量输出，通过硅胶电热线连接遍布救生衣内部的发热碳钎维电热膜，从而实现保温作用。以Mg、O2、H2O、OH-等为原料的镁海水电池反应的离子方程式和总反应方程式如下。

阳极反应：Mg+2OH-=Mg（OH）2+2e-。

阴极反应：O2+2H2O+4e-=4OH-。

电池反应：2Mg+O2+2H2O=2Mg（OH）2。

反应中，镁为阳极失电子被氧化，空气中的氧气为阴极得电子被还原，海水（浓度相当的NaCl溶液）为电解液。

2.4 亲子连体设计

救生衣整体分为两个部分，即成年人穿着部分和儿童穿着部分。成年人穿着部分设计有6个锁舌和连接带，分别可拆位于成年人的腋下、胸部和腰部，儿童穿着部分有相应的锁舌盒及连接带，确保发生海难时成年人能够在儿童身边。

亲子连体模块，由配套的公扣和母扣组成，一端用织带固定，另一端可以通过织带调节，根据不同的需求而决定织带的长短，亲子救生衣成年人部分使用母扣，用在肩部、腋下、腰部与儿童救生衣的子扣进行固定，同时也具有拆卸功能。

2.5 系统外观与配套设计

亲子救生衣的外观设计采取填充式，即在救生衣内部填充EPE珍珠棉，面料使用NEOPRENE氯丁橡胶，EPE珍珠棉相比于市面上的聚氯乙烯材料更加环保轻便，产生的浮力更大，氯丁橡胶能够有效地防止海水进入救生衣，从而降低救生衣与海水直接的热传递效率，维持人体机制的正常运行。救生衣设计如图2所示。

图2 救生衣设计图

救生衣正面贴有6个爆闪灯，通过小型干电池供电，并有控制开关，反光条2条，和爆闪灯共同组成求救光信号。有口哨1个，位于专制袋子内。除了救生衣本身面料防水性好，此外各种部件也制订了防水措施。

2.6 材料优势

救生衣面料使用NEOPRENE氯丁橡胶（潜水材料），里料使用超轻超强浮力的EPE珍珠棉，与市场上普通救生衣所使用的面料和里料相比，采用的超轻超强浮力的EPE珍珠棉优点明显——浮力强、折叠方便、容易晾干，更重要的是在水中长时间浸泡后浮力下降较小。普通的聚乙烯塑料降解需要的时间为100～200年，耗费时间过长以及每天产生的塑料垃圾数量又极其巨大，已经到了不得不改变的地步。而珍珠棉材料，除了可以回收进行二次加工以外，它的降解时间也是很短暂的（6～24个月），几乎可以做到对环境的零污染。

3 数据参数

救生衣面料使用NEOPRENE氯丁橡胶（潜水材料），里料使用超轻超强浮力的EPE珍珠棉，能够提供150～200 N浮力，托起人体头部、胸部以及腰部。GPS卫星定位具有精度高、范围广等特点，本团队采用的GPS可以定位搜救距离2 500 m，卫星定位精度小于等于20 m，保证搜寻准确度。人体正常体温在37℃左右，而海水的温度常常低于人体温度10℃甚至更低，要使落水人员在海里生存一段时间，需要保证持续供热，以抵消热量散失而导致的代谢失衡等严重威胁，本设计采用海水电池发电技术，将电能转化成热能，25℃左右的温度下持续维持1～2 h，满足人体温度需要，便于搜救队伍营救。