密閉艙室環(huán)境及身體狀況監(jiān)測(cè)可通信報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究

摘要：本文針對(duì)密閉艙室環(huán)境對(duì)工作人員生命安全造成威脅，導(dǎo)致工作人員缺氧中毒受傷等事故頻繁發(fā)生，研究設(shè)計(jì)一套自動(dòng)監(jiān)測(cè)船舶密閉艙室危險(xiǎn)環(huán)境和工作人員身體狀況、可通信的報(bào)警系統(tǒng)。該系統(tǒng)以STM32單片機(jī)為系統(tǒng)主體，將對(duì)講機(jī)無線通訊技術(shù)、血氧飽和度心率測(cè)試技術(shù)、空氣成分分析技術(shù)等集于一體，對(duì)于密閉艙室工作有重要意義！

關(guān)鍵詞：密閉艙室；監(jiān)測(cè)；通信；報(bào)警

近年來，船上工作人員因?yàn)槿狈τ行У脑u(píng)估手段和采取有效措施，盲目進(jìn)入密閉艙室作業(yè)或搜救而造成人員事故常有發(fā)生。由于密閉艙室較為特殊的工作環(huán)境，工作人員進(jìn)入密閉艙室前難以對(duì)于其環(huán)境危險(xiǎn)狀況做出準(zhǔn)確的判斷，尤其是工作人員在缺氧環(huán)境下，身體狀況自身難以察覺，造成無法做出正確的應(yīng)急反應(yīng)措施，導(dǎo)致工作人員缺氧中毒受傷等事故頻繁發(fā)生。在救援過程中，由于無法準(zhǔn)確判斷人員位置和狀態(tài)，導(dǎo)致外部救援人員無法及時(shí)進(jìn)行救援行動(dòng)，錯(cuò)過了黃金搶救時(shí)間，大大降低了搶救成功概率。在這樣的背景之下，對(duì)報(bào)警系統(tǒng)提出了新的設(shè)計(jì)要求：

（1）密閉艙室環(huán)境對(duì)工作人員生命安全造成威脅的因素主要有氧氣濃度未達(dá)標(biāo)或有毒氣體含量超標(biāo)。本項(xiàng)目應(yīng)具有實(shí)時(shí)精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)有毒有害氣體、監(jiān)測(cè)含氧濃度的空氣成分分析技術(shù)，確保密閉艙室的空氣符合工作人員工作要求。

（2）為了避免進(jìn)入密閉艙室工作人員缺氧中毒受傷等事故頻繁發(fā)生，除了實(shí)時(shí)檢測(cè)空氣成分，還應(yīng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)工作人員的身體狀態(tài)。本項(xiàng)目應(yīng)具有實(shí)時(shí)方便、快捷、有效、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)工作人員的血氧飽和度心率測(cè)試技術(shù)，確保工作人員身體安全。 （3）為了艙外人員及時(shí)了解密閉艙室內(nèi)的狀況，本項(xiàng)目應(yīng)具有無線通信技術(shù)，確保艙內(nèi)外人員及時(shí)進(jìn)行信息溝通。

（4）為了使艙內(nèi)外人員實(shí)時(shí)了解密閉艙室內(nèi)環(huán)境、工作人員身體狀況，本系統(tǒng)應(yīng)具有閃光警報(bào)的報(bào)警技術(shù)，以警示工作人員及時(shí)離開危險(xiǎn)環(huán)境或便于救援人員施救時(shí)，確定工作人員位置。

1 方案設(shè)計(jì)

針對(duì)該項(xiàng)目的設(shè)計(jì)要求，經(jīng)綜合分析，研究設(shè)計(jì)一套集成對(duì)講機(jī)無線通訊技術(shù)、血氧飽和度心率自動(dòng)監(jiān)測(cè)技術(shù)、空氣成分自動(dòng)分析技術(shù)、自動(dòng)報(bào)警技術(shù)，并適用于密閉艙室工作的報(bào)警系統(tǒng)。本項(xiàng)目以 STM32 單片機(jī)為系統(tǒng)主體，包括麥克風(fēng)、氣體監(jiān)測(cè)模塊、血氧飽和度心率監(jiān)測(cè)模塊、揚(yáng)聲器、LED 指示燈模塊、警報(bào)模塊、通信模塊及相關(guān)的顯示屏、鍵盤等。系統(tǒng)的工作流程圖如圖 1 所示，系統(tǒng)的總結(jié)構(gòu)示意圖如圖 2 所示。

圖1 可通信的報(bào)警系統(tǒng)的工作流程

由于氣體傳感器普遍存在交叉敏感問題，傳感器的輸出數(shù)據(jù)中往往還包含其他非目標(biāo)氣體的交叉干擾量。單一氣體傳感器對(duì)交叉干擾影響的消除只能依靠氣體傳感器自身的選擇性，很難實(shí)現(xiàn)對(duì)多組分氣體的定性識(shí)別及定量測(cè)量。因此，用數(shù)據(jù)融合手段對(duì)多個(gè)傳感器組成的傳感器陣列輸出信號(hào)進(jìn)行處理，實(shí)現(xiàn)對(duì)有毒有害混合氣體中各組分濃度的精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)。本系統(tǒng)選擇三個(gè)電化學(xué)氣體傳感器分別對(duì)不同氣體濃度進(jìn)行測(cè)量和一個(gè)催化燃燒式氣體傳感器對(duì)CH濃度進(jìn)行測(cè)量。

密閉艙室環(huán)境對(duì)工作人員生命安全造成威脅的因素主要有氧氣濃度未達(dá)標(biāo)或有毒氣體含量超標(biāo)。本系統(tǒng)選擇測(cè)量血氧飽和度與心率判斷工作人員的身體安全是否受到威脅。為了方便、快捷、有效、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)工作人員的血氧飽和度與心率，同時(shí)考慮裝置的便攜性和低功耗。通過實(shí)驗(yàn)測(cè)試和分析研究，提出自適應(yīng)混合濾波算法，用于提高系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的可靠性，實(shí)現(xiàn)心率的長(zhǎng)期實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。本系統(tǒng)采用光電容積法 Pulse Sensor 脈搏傳感器，基于 STM32 微處理器和 Android 系統(tǒng)開發(fā)的便攜式無線傳輸心率血氧監(jiān)測(cè)儀，具有攜帶方便、遠(yuǎn)程通信、抗干擾性能強(qiáng)、智能化顯示與分析等特點(diǎn)。血氧飽和度心率監(jiān)測(cè)模塊流程示意圖如圖 3 所示。

圖3 血氧飽和度心率監(jiān)測(cè)模塊流程

本系統(tǒng)采用 VHF 海事對(duì)講機(jī)原理作為無線通信系統(tǒng)，為實(shí)現(xiàn)立體聲傳輸?shù)男Ч捎昧Ⅲw聲編解碼，即對(duì)講機(jī)采用左右兩路聲道信號(hào)進(jìn)行編碼處理，然后再進(jìn)行調(diào)制，實(shí)現(xiàn)兩路信號(hào)的同時(shí)傳輸；在接收端進(jìn)行相應(yīng)的解調(diào)和解碼處理，即可還原左右兩路信號(hào)，實(shí)現(xiàn)立體聲傳輸?shù)男Ч?/p>

本系統(tǒng)的 LED 指示燈模塊采用一款效率好、功率因數(shù)高、穩(wěn)定性好、防水防塵都達(dá)標(biāo)的 LED 防爆燈，提供穩(wěn)定且持續(xù)的燈光照明及警示信號(hào)。本系統(tǒng)選用便攜式蜂鳴器作為警報(bào)發(fā)聲器，蜂鳴器的結(jié)構(gòu)示意圖如圖 4 所示。

2 系統(tǒng)實(shí)施方案

本系統(tǒng)外殼采用防滑復(fù)合材料制作，體積小便于攜帶。工作時(shí)，由 20 STM 單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。工作人員進(jìn)入密閉艙室時(shí)，6 氣體監(jiān)測(cè)模塊、9 血氧飽和度心 率監(jiān)測(cè)模塊、20 STM 單片機(jī)、21 通信模塊開始工作， 3 麥克風(fēng)、12 LED 指示模塊、14 揚(yáng)聲器、17 警報(bào)模塊啟動(dòng)；周圍工作環(huán)境中的氣體由 5 氣體監(jiān)測(cè)傳感器進(jìn)入 6 氣體監(jiān)測(cè)模塊，并在 6 氣體監(jiān)測(cè)模塊中完成對(duì)進(jìn)入氣體的成分分析，并將所得到的數(shù)據(jù)傳送至 20 STM 單片 機(jī)；7 血氧飽和度心率監(jiān)測(cè)探測(cè)器實(shí)時(shí)對(duì)工作人員進(jìn)行心率及血氧飽和度的數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)，由 8 血氧飽和度心率監(jiān)測(cè)傳感器將數(shù)據(jù)傳遞至 9 血氧飽和度心率監(jiān)測(cè)模塊，由 9 血氧飽和度心率監(jiān)測(cè)模塊進(jìn)一步的計(jì)算分析，將所監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)傳送至 20 STM 單片機(jī)；20 STM 單片機(jī)通過 21 通信模塊、19 VHF 信號(hào)傳輸器、18 外部信號(hào)接收器與外界建立通信聯(lián)系，將監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)向外界進(jìn)行傳 輸，也可將內(nèi)部人員主觀信息表達(dá)由 3 麥克風(fēng)向外界進(jìn)行傳輸；同時(shí)外界信息由 13 揚(yáng)聲器也可向工作人員進(jìn)行傳遞。

本系統(tǒng)在 20 STM 單片機(jī)內(nèi)設(shè)定不同檔位警戒值，分別為 6 氣體監(jiān)測(cè)模塊預(yù)警警戒值、6 氣體監(jiān)測(cè)模塊緊急警戒值、9 血氧飽和度心率監(jiān)測(cè)預(yù)警警戒值、9 血氧 飽和度心率監(jiān)測(cè)緊急警戒值。經(jīng)過 6 氣體監(jiān)測(cè)模塊、9 血氧飽和度心率監(jiān)測(cè)模塊反饋至 20 STM 單片機(jī)。當(dāng) 6 氣體監(jiān)測(cè)、9 血氧飽和度心率監(jiān)測(cè)均未達(dá)到預(yù)警警戒值時(shí)，系統(tǒng)繼續(xù)進(jìn)行正常的監(jiān)測(cè)工作。當(dāng) 6 氣體監(jiān)測(cè)、9 血氧飽和度心率監(jiān)測(cè)任意一個(gè)達(dá)到預(yù)警警戒值且均未達(dá)到緊急警戒值時(shí)，20 STM 單片機(jī)向 3 麥克風(fēng)、17 警報(bào) 模塊、12 LED 指示燈模塊、21 通信模塊傳遞警報(bào)信號(hào) 1。當(dāng) 6 氣體監(jiān)測(cè)、9 血氧飽和度心率監(jiān)測(cè)任意一個(gè)達(dá)到緊急警戒值時(shí)，20 STM 單片機(jī)向 3 麥克風(fēng)、17 警報(bào)模塊、 12 LED 指示燈模塊、21 通信模塊傳遞警報(bào)信號(hào) 2。

警報(bào)信號(hào) 1、2 的區(qū)別：傳遞警報(bào)信號(hào) 1 時(shí)，LED 指示燈頻閃較慢、光亮較弱，蜂鳴器發(fā)出長(zhǎng)間斷聲音且較小警報(bào)聲，用以警示工作人員及時(shí)離開危險(xiǎn)環(huán)境。傳遞警報(bào)信號(hào) 2 時(shí)，LED 指示燈頻閃較快、亮度增強(qiáng)，蜂鳴器發(fā)出短間斷聲音且較大警報(bào)聲，便于救援人員施救時(shí)，確定工作人員位置。

本系統(tǒng)由 21 通信模塊、19 VHF 信號(hào)傳輸器、18 外部信號(hào)接收器與外界建立通信聯(lián)系，向外界傳輸警報(bào)信號(hào)，便于警示艙外人員進(jìn)艙救援；工作人員和艙外人員可通過 3 麥克風(fēng)、13 揚(yáng)聲器聯(lián)系，便于位置確定及情況交流。

3 結(jié)語(yǔ)

本系統(tǒng)將對(duì)講機(jī)無線通訊技術(shù)、血氧飽和度心率測(cè)試技術(shù)、空氣成分分析技術(shù)、光聲報(bào)警技術(shù)等集于一體。在不影響船員工作的情況下，監(jiān)測(cè)周圍環(huán)境及船員的身體狀況，并監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳送給艙外人員；數(shù)據(jù)異常時(shí)，自動(dòng)發(fā)出閃光及警報(bào)，及時(shí)提醒工作人員撤離或幫助救援人員及時(shí)找到目標(biāo)。本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)具有小巧、便攜、準(zhǔn)確、快速等優(yōu)點(diǎn)，對(duì)于密閉艙室工作有重要意義！

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（注：本文轉(zhuǎn)自《電子產(chǎn)品世界》雜志2020年6月期）