基于物联网的伺服式近岸水上救援系统

赵嘉厚 孙凤婷 陈 浩 周君晓 马向虎 朱海龙

（东北林业大学交通学院，黑龙江 哈尔滨 150000）

0 研究背景

我国江河湖众多，且存在众多优质的天然海滨浴场，吸引了众多游客慕名前来，给沿海城市旅游产业的发展带来了巨大的活力，也增加了城市的经济收入[1]。以大连市为例，大连市海岸线总长超过2 200 km，截止目前，已开发的海滨浴场59 个，良好的浴场条件、适宜的海滨气候可以为城市带来巨大的经济收入。然而我国及一些沿海发展中国家的水上救援措施较为落后，每年都有许多人因为不能获得及时救助而失去宝贵的生命。科学研究表明，溺水救援的黄金时间为4 min，因此，快速救援对溺水者有至关重要的意义。

传统的救援方案多依靠岸边救生员肉眼发现遇险事故，再从岸边驾驶冲锋舟或橡胶艇前往事发地点进行救援，现有救援方案存在救援效率低、救援不及时等问题，并且靠救生员肉眼发现险情存在一定的延迟。因此，寻找一种高效率的救援方式十分重要。

在经济发达的欧美沿海国家，救援设施较为先进，例如采用无人机或水上机器人救援。杨淮清、肖兴贵等人针对海滨浴场救援研究设计了一种实用化水面救援机器人系统，该系统由视频监控对救援对象进行搜寻，利用机器人速度快的优点，先由机器人抵达被救助对象附近并投掷救生器材以及其他施救器械，再由救生员进行人为救助；王小龙等人[2]研究了一种高处无人机救援装置，包括全景摄像机及高处救援机构；美国oceanα 公司研制了Dolphin1 遥控救生装置，该设备可从岸边或船上投放，遥控至被救人员身边进行救援。但上述救援设施存在救援成本高、被救人员使用不舒适等缺点，因此针对该救援方式，如何降低救援成本、考虑使用中的人机工程学就显得尤为重要。

1 总体设计思路

1.1 救援流程

根据以上分析，该文提出了一种基于物联网的伺服式近岸水上救援系统，该救援系统由救援手环、伺服救援装置以及管理监护终端3 个部分组成，其中伺服救援装置包括浮子和救援机器人，管理监护终端包括可视化微信小程序和救援人员使用的监护终端。救援手环实时监测佩戴人员的安全状态并将信息传回监控终端，一旦发生危险，救援手环将向监控终端发出报警信号，由监控终端的救援人员遥控控制伺服救援装置对救援对象实施救助，实现救援对象与救援装置的“一对一”精准快速救援。

救援手环设有2 种求救方式：1）佩戴人员主动求救。如果佩戴人员有意识，可按下主动求救按钮寻求救援。2）被动求救。如果佩戴人员无自主行动能力，则由血氧检测模块判断是否处于危险情况，处于危险情况就发送求救信号。

管理监控终端接收到求救信号后，微信小程序对传回的状态、位置信息进行可视化处理，救援人员根据信息遥控控制伺服救援装置，救援机器人脱离浮子平台前往救援。救援机器人在电机的驱动下前往求救人员的位置，达到地点后，根据救援机器人的结构设计，求救人员将救援机器人移动至适当位置后，由两侧把手为肘部提供支撑，最后气囊充气排水，以增强救援机器人载人后的浮力，达到调节重心的目的。

1.2 设计方案

下面对救援过程中涉及的具体救援与监测方案和通信方案进行说明。

1.2.1 监护与救援方案

伺服救援装置可根据实际需要在监护区域外围及中间排布，从而实现多角度、高效率的监护与救援，伺服救援装置呈阵列式分布在海域内。当游客求救时，由距离最近的救援机器人脱离浮子平台，对游客进行救援。该方案对保障近岸水上人员的安全、提高救援效率具有积极意义。

该救援方案具有以下3 个特点：1）采用水上伺服救援的方式，救援机器人可在第一时间到达事发地点，救援效率高；设计救援机器人时，充分考虑了人机工程学，为被救人员提供全方位可靠的支撑，且可以通过气囊调节重心，避免被救人员受到二次伤害。2）边界区域往往是传统救援的死角，通过合理布置浮子平台，利用浮子平台上的摄像头，可对边界区域进行重点监控，从而实现对海域的全方位监护。3）游客主动求助与被动求助相结合，与传统靠救生员肉眼发现救援对象相比，该方案可以实现求救及危险信息的多路传送，有更高的时效性。

1.2.2 通信解决方案

该系统将2.4 GHz 非联网方案与4G+MQTT 轻量物联网方案相结合。

考虑到救援手环的成本问题，在不影响传输效率的前提下，救援手环将监护人员定位、状态等信息通过2.4 GHz 非联网解决方案发送给浮子平台，浮子平台利用2.4 GHz 模块接收消息后，通过4G 模块将信息发送给部署在阿里云服务器上的MQTT 服务器。管理监护终端通过微信小程序向MQTT服务器订阅有关主题从而获取信息，最终形成将救援手环的报警、位置等信息传输给监控管理终端的方案。此外，救援机器人的定位信息、视频图像以及语音通话等也将传输给监控终端。救援人员利用2.4 GHz 非联网方案遥控救援机器人。

该通信方案适用于海上受限环境，且在不降低传输效率的前提下，降低救援手环与系统部署的成本。具体通信方案如图1 所示。

图1 通信解决方案

1.3 手环设计

基于Arduino Nano 开发板设计的救援手环，设有血氧监测模块、NEO-8MGPS 追踪模块、主动按钮以及OLED 显示屏模块。考虑到救援手环小体积、低成本的需求，采用2.4GHz非联网解决方案将血氧、GPS 位置等信息以浮子平台上的信号基站为中转通过物联网实时发送给管理监护终端。

设计的手环实物图如图2 所示。

图2 救援手环（拆除防水罩）

1.4 伺服式救援装置设计

伺服救援装置包括救援机器人和浮子平台2 个部分。伺服状态下，救援机器人固定于浮子平台上，有救援任务或其他任务时，救援机器人脱离浮子平台进行工作。

1.4.1 浮子平台

浮子平台的主要功能有固定救援机器人、信息中转、救援机器人供电以及边界监控等。

浮子平台通过锚系固定部署在监护区。其上设有高功率2.4G 模块和4G 透传模块。2.4G 模块用于接收所有救援手环发送的位置、状态信息，采用4G 模块将上述信息发送给部署在阿里云上的MQTT 服务器，实现信息中转。浮子上的充电模块可以为固定在浮子上的救援机器人供电，摄像头可实现对海滨浴场边界的监控。

1.4.2 救援机器人

救援机器人的主要功能包括及时赶到事发地点救起遇险人员并将其固定带回岸边、在浴场边界巡逻喊话等。

救援机器人为双体结构形式，与单体形式相比有更高的稳定性。机器人装有GPS 定位模块，用于在大范围内确定救援路线；上部装有防抖摄像头，用于操控人员对救援对象进行小范围搜寻和状态观察。机器人装有喇叭和拾音器，用于与被救人员或其他游客对话。此外，在设计的过程中，充分考虑了人机工程学，设有肘部支撑、胸部支撑，以保证救援对象的正常姿态，防止人员脱离救援机器人，且后部装有可调节气囊，当被救人员到达机器人规定的位置时，气囊充气排水，可增强浮力、调节重心。

救援过程中，救援人员通过2.4 GHz 射频收发器遥控救援机器人进行救援。机器人由2 个电动机驱动，单个电动机功率可达到450 W，保证了救援装置的行进速度，从而提高救援效率，电机则由锂电池供电。机器人不载人时的水上速度可达6 m/s，载人时的速度为2 m/s。没有救援任务时，机器人处于伺服状态并固定在浮子平台上，可由浮子平台对其进行充电补给。

救援机器人渲染图和实物图如图3、图4 所示。

图3 救援机器人渲染图

图4 救援机器人实物图

1.5 监控终端设计

微信小程序实时从MQTT 服务器获取信息，最终实现在微信小程序上显示手环佩戴人员的状态信息以及在小程序的腾讯地图上实时显示手环佩戴人员以及救援机器人的位置。

2 创新特色

2.1 远端多点布控，定点监控与巡查结合

外围远端部署伺服救援装置（浮子平台和救援机器人），浮子平台漂浮在海面上，救援机器人停泊在浮子平台上且处于伺服状态，一旦接收到求救信号指令，距离救援地点最近的救援机器人直接从浮子平台出发进行施救，与传统的人工救援方式相比，其救援效率更高，也更及时。

2.2 游客主动求助与被动求助相结合

救援手环设有主动求救按钮和血氧监测模块，从主动求救和被动求救2 个方面保证救援对象遇险时能被及时发现并得到救援，与传统靠救生员肉眼发现救援对象相比，做到了求救及危险信息的多路传送，有更高的时效性。

2.3 采用物联网技术，多路信息高效传送

系统涉及浮子平台、救援机器人以及监护管理终端等多设备的信息交互，传递的信息包括声音、视频、定位以及求救信息等，对准确性和实时性的要求较高，该系统的信息传送方案采用2.4GHz 非联网解决方案与4G+MQTT 物联网解决方案相结合的方式，在保证使用功能的同时，大大降低了系统成本，非常适合在水面等比较开阔的区域中应用。

3 应用前景

世界卫生组织在2017 年发表的《全球溺水报告》指出，全球每小时有将近42 人死于溺水，每年溺水死亡数估计有36 万例，占全球总死亡率的9%，溺水已经是一个主要的公共安全问题[3]。

该文所设计的救援系统不仅提高了救援效率，降低人身安全损失；而且节省了救援成本，救生员无须下水即可完成救援，降低了救生员的救援危险。如果将该系统应用在海滨浴场，就能在长期经营过程中降低管理者的运营成本，更大限度地保障游玩人员的安全，而且能够给投资者带来可观的经济效益，具有可观的市场应用前景。该系统还可布置在各种无人看管的近岸水上区域，最大程度地保证涉水人员的安全，从而降低人员伤亡、财产损失的风险。

4 结论

该文针对传统近岸水上救援方式存在的缺点设计了一种基于物联网的伺服式近岸水上救援系统，该系统采用物联网技术，多路高效传送信息，以低成本的方式提高了近岸水上救援的效率。同时，远端多点布控，定点监控与巡查结合、游客主动求助与被动求助相结合的救援方式，实现了多点、多角度、高效率的监护体系与救援系统。该系统对加强近岸水上安全性，提高水上应急救援数字化、智慧化，实现全民共享，优化水路通行结构，提升服务水平，构建便捷高效、安全绿色的出行体系有一定的借鉴意义。