別凱文

摘 要：本文針對(duì)現(xiàn)有救生裝置體積較大、不便攜帶及不夠智能等缺點(diǎn)，對(duì)人體溺水的核心特征進(jìn)行調(diào)研，對(duì)智能識(shí)別溺水技術(shù)和自動(dòng)充氣技術(shù)進(jìn)行文獻(xiàn)綜述和方案優(yōu)選，在此基礎(chǔ)上提出了一種可智能識(shí)別溺水并自動(dòng)充氣的便攜式救生裝置。其中，智能識(shí)別溺水技術(shù)選擇反射光電法監(jiān)測(cè)脈搏或血氧，自動(dòng)充氣技術(shù)選擇“壓縮氣瓶+針刺”方案。“壓縮氣瓶+針刺”方案具有螺紋旋入結(jié)構(gòu)、六角頭配合設(shè)計(jì)、刺針中空設(shè)計(jì)的特點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：溺水識(shí)別；脈搏光電監(jiān)測(cè)；自動(dòng)充氣；刺針中空

中圖分類號(hào)：TM415 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引言

溺水是人體呼吸道進(jìn)水后導(dǎo)致肺部吸水引起缺氧窒息的現(xiàn)象，可導(dǎo)致呼吸衰竭乃至死亡的嚴(yán)重后果。近年來(lái)，溺水導(dǎo)致的傷亡人數(shù)增加，尤其是當(dāng)夏季，人們接觸水的機(jī)會(huì)變多，這一問(wèn)題變得更加嚴(yán)重。據(jù)世界衛(wèi)生組織提供的數(shù)據(jù)，2015年世界各地每年溺水死亡數(shù)估計(jì)為36萬(wàn)例，占所有與傷害有關(guān)死亡的7%。而對(duì)于防范溺水的設(shè)備或裝置（如救生圈等）大多體積較大、不方便攜帶且不智能。因此，可以設(shè)想，如果救生裝置同時(shí)具備可智能識(shí)別溺水、自動(dòng)充氣且方便攜帶的特性，那么戲水樂(lè)趣和生命安全將統(tǒng)一起來(lái)，在一定程度上減少溺水傷亡事故。該裝置設(shè)計(jì)的核心是智能識(shí)別溺水技術(shù)和自動(dòng)充氣技術(shù)。

1 人體溺水癥狀監(jiān)測(cè)

人體溺水的核心特征在于呼吸、心跳和血壓。對(duì)呼吸、心跳和血壓的常見(jiàn)監(jiān)測(cè)方法和原理列于表1，考慮到防溺水裝置的使用環(huán)境和便攜式要求，呼吸道位置監(jiān)測(cè)法較適用于對(duì)呼吸特征的監(jiān)測(cè)；脈搏光電監(jiān)測(cè)法和血氧監(jiān)測(cè)法較適用于對(duì)心跳特征的監(jiān)測(cè)；電子腕式血壓計(jì)測(cè)量法較適用于對(duì)血壓特征的監(jiān)測(cè)。本文第2部分將對(duì)呼吸道位置監(jiān)測(cè)法、脈搏光電監(jiān)測(cè)法、血氧監(jiān)測(cè)法、電子腕式血壓計(jì)測(cè)量法結(jié)合設(shè)計(jì)應(yīng)用場(chǎng)合對(duì)智能識(shí)別溺水技術(shù)進(jìn)行詳細(xì)論述。

2 關(guān)鍵技術(shù)綜述

本論文研究的關(guān)鍵技術(shù)包括智能識(shí)別溺水技術(shù)和自動(dòng)充氣技術(shù)兩部分。前文將智能識(shí)別溺水技術(shù)研究聚焦到呼吸道位置監(jiān)測(cè)法、脈搏光電監(jiān)測(cè)法、血氧監(jiān)測(cè)法、電子腕式血壓計(jì)測(cè)量法。呼吸道位置監(jiān)測(cè)法是利用壓力傳感器集成于泳鏡上，通過(guò)監(jiān)測(cè)水壓變化來(lái)判斷口鼻在水中的深度，間接判斷是否溺水，缺點(diǎn)是該方法判斷是否溺水不夠直接，誤判可能性較大。脈搏光電監(jiān)測(cè)法通過(guò)光電傳感器對(duì)脈搏信號(hào)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、無(wú)損傷及可重復(fù)好等優(yōu)點(diǎn)。血氧監(jiān)測(cè)法利用光電傳感器對(duì)血氧飽和度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、無(wú)損傷、易佩戴和低功耗等優(yōu)點(diǎn)。電子腕式血壓計(jì)測(cè)量法利用氣體壓力傳感器識(shí)別血壓，可克服傳統(tǒng)汞柱式血壓計(jì)測(cè)量法的測(cè)量結(jié)果主觀性的缺點(diǎn)，且便攜性更佳，但是相對(duì)于脈搏光電監(jiān)測(cè)法和血氧監(jiān)測(cè)法仍體積較大（某款電子腕式血壓計(jì)主機(jī)體積67mm×78mm×62mm，便攜性仍相對(duì)較差）。綜上所述，脈搏光電監(jiān)測(cè)法和血氧監(jiān)測(cè)法較適用于本課題研究的智能識(shí)別溺水技術(shù)，這兩種方法均基于光電法，又可分為透射法和反射法，其中透射法適用于手指、耳朵等身體較薄的部位，應(yīng)用有一定的限制，反射法適用性更強(qiáng)，故本論文擬采用反射光電法監(jiān)測(cè)脈搏或血氧。

目前救生裝置相關(guān)的自動(dòng)充氣技術(shù)研究較少，現(xiàn)有自動(dòng)充氣技術(shù)主要集中于汽車安全氣囊裝置、穿戴式跌倒預(yù)警防護(hù)系統(tǒng)等領(lǐng)域?？紤]到時(shí)效性，汽車安全氣囊裝置主要采用爆炸充氣方法，原理為將炸藥和疊氮化鈉在一定密封空間內(nèi)，通過(guò)劇烈化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生爆炸的方法，在極短時(shí)間內(nèi)充氣完畢，缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)復(fù)雜、噪聲大，作為穿戴裝置有一定危險(xiǎn)性。穿戴式跌倒預(yù)警防護(hù)系統(tǒng)主要采用“壓縮氣瓶+針刺”進(jìn)行自動(dòng)充氣，危險(xiǎn)發(fā)生時(shí)用刺針扎破含有壓縮氣體的氣瓶封口處，從而迅速釋放大量氣體，起到跌倒緩沖的作用，該方法比較安全便捷，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。綜上所述，“壓縮氣瓶+針刺”的自動(dòng)充氣方法也適用于溺水自動(dòng)救生裝置。

3 設(shè)計(jì)內(nèi)容

所設(shè)計(jì)的可智能識(shí)別溺水并自動(dòng)充氣的便攜式救生裝置包括反射式血氧/脈搏監(jiān)測(cè)裝置和“壓縮氣瓶+針刺” 自動(dòng)充氣上浮裝置。參考圖1，自動(dòng)充氣上浮裝置由舵機(jī)、舵機(jī)輸出軸（舵機(jī)一部分）、中空且側(cè)有孔洞的刺針、六角槽（刺針的一部分）、接頭、壓縮氣瓶和救生氣囊組成。當(dāng)溺水現(xiàn)象發(fā)生時(shí)，反射式血氧/脈搏監(jiān)測(cè)裝置監(jiān)測(cè)到血氧值/脈搏異常，將電信號(hào)傳給自動(dòng)充氣上浮裝置，觸發(fā)舵機(jī)輸出軸（外六角結(jié)構(gòu)）轉(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò)六角槽帶動(dòng)與輸出軸配合的刺針旋轉(zhuǎn)，借助接頭螺紋，旋入接頭直筒深處，當(dāng)刺針鉆入氣瓶的封口，壓縮氣體順著刺針中空孔釋放并通過(guò)接頭豎筒充入壓縮氣囊中，達(dá)到增大浮力和救生的目的。

“壓縮氣瓶+針刺” 自動(dòng)充氣上浮裝置的創(chuàng)新點(diǎn)為螺紋旋入結(jié)構(gòu)、六角頭配合設(shè)計(jì)、刺針中空設(shè)計(jì)。其中，螺紋旋入結(jié)構(gòu)省去了連桿凸輪機(jī)構(gòu)，直接將舵機(jī)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為直線運(yùn)動(dòng)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單；六角頭配合設(shè)計(jì)可以將轉(zhuǎn)矩從舵機(jī)傳遞到刺針，但不限制刺針的直線運(yùn)動(dòng)；刺針中空設(shè)計(jì)避免刺針刺破氣瓶后堵塞開(kāi)口，且省去了拔針動(dòng)作。

結(jié)論

針對(duì)現(xiàn)有救生裝置體積較大、不便攜帶和不夠智能等缺點(diǎn)，本文設(shè)計(jì)了一種可智能識(shí)別溺水并自動(dòng)充氣的便攜式救生裝置，可將戲水樂(lè)趣和生命安全將統(tǒng)一起來(lái)，研究中取得了如下主要結(jié)論：

（1）脈搏光電監(jiān)測(cè)法和血氧監(jiān)測(cè)法較適用于本課題研究的智能識(shí)別溺水技術(shù)，本論文采用反射光電法監(jiān)測(cè)脈搏或血氧。

（2）考慮到安全性、結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度、噪聲，本論文采用“壓縮氣瓶+針刺” 自動(dòng)充氣方法用于溺水自動(dòng)救生裝置。

（3）自動(dòng)充氣上浮裝置由舵機(jī)、舵機(jī)輸出軸（舵機(jī)一部分）、中空且側(cè)有孔洞的刺針、六角槽（刺針的一部分）、接頭、壓縮氣瓶和救生氣囊組成，創(chuàng)新點(diǎn)在于螺紋旋入結(jié)構(gòu)、六角頭配合設(shè)計(jì)、刺針中空設(shè)計(jì)。

本文設(shè)計(jì)結(jié)果將為便攜式、智能救生設(shè)備的設(shè)計(jì)提供參考，減少溺水傷亡事故。

參考文獻(xiàn)

[1] http：//www.who.int/mediacentre/factsheets/fs347/zh/[OL].世界衛(wèi)生組織官網(wǎng).

[2]郭長(zhǎng)生.基于人工免疫的溺水特征識(shí)別系統(tǒng)[D].東華大學(xué)，2014.

[3]戴君偉， 王博亮.光電脈搏傳感器的研制和噪聲分析[J]. 現(xiàn)代電子技術(shù)，2006，29（2）：78-80.

[4] 龔渝順.穿戴式抗運(yùn)動(dòng)干擾血氧飽和度監(jiān)測(cè)技術(shù)研究[D].第三軍醫(yī)大學(xué)，2012.

[5]唐志強(qiáng).電子血壓計(jì)[J].電子產(chǎn)品世界，2002（15）：63-64.

[6]鐘志華，楊濟(jì)匡.汽車安全氣囊技術(shù)及其應(yīng)用[J].中國(guó)機(jī)械工程， 2000，11（2）：234-237.

[7]姚冕，馬英楠，高星，等.基于慣性傳感的穿戴式跌倒預(yù)警防護(hù)系統(tǒng)[J]. 集成技術(shù)，2015（5）：69-77.