密閉艙室環境及身體狀況監測可通信報警系統設計研究

摘要：本文針對密閉艙室環境對工作人員生命安全造成威脅，導致工作人員缺氧中毒受傷等事故頻繁發生，研究設計一套自動監測船舶密閉艙室危險環境和工作人員身體狀況、可通信的報警系統。該系統以STM32單片機為系統主體，將對講機無線通訊技術、血氧飽和度心率測試技術、空氣成分分析技術等集于一體，對于密閉艙室工作有重要意義！

關鍵詞：密閉艙室；監測；通信；報警

近年來，船上工作人員因為缺乏有效的評估手段和采取有效措施，盲目進入密閉艙室作業或搜救而造成人員事故常有發生。由于密閉艙室較為特殊的工作環境，工作人員進入密閉艙室前難以對于其環境危險狀況做出準確的判斷，尤其是工作人員在缺氧環境下，身體狀況自身難以察覺，造成無法做出正確的應急反應措施，導致工作人員缺氧中毒受傷等事故頻繁發生。在救援過程中，由于無法準確判斷人員位置和狀態，導致外部救援人員無法及時進行救援行動，錯過了黃金搶救時間，大大降低了搶救成功概率。在這樣的背景之下，對報警系統提出了新的設計要求：

（1）密閉艙室環境對工作人員生命安全造成威脅的因素主要有氧氣濃度未達標或有毒氣體含量超標。本項目應具有實時精準監測有毒有害氣體、監測含氧濃度的空氣成分分析技術，確保密閉艙室的空氣符合工作人員工作要求。

（2）為了避免進入密閉艙室工作人員缺氧中毒受傷等事故頻繁發生，除了實時檢測空氣成分，還應實時監測工作人員的身體狀態。本項目應具有實時方便、快捷、有效、實時監測工作人員的血氧飽和度心率測試技術，確保工作人員身體安全。 （3）為了艙外人員及時了解密閉艙室內的狀況，本項目應具有無線通信技術，確保艙內外人員及時進行信息溝通。

（4）為了使艙內外人員實時了解密閉艙室內環境、工作人員身體狀況，本系統應具有閃光警報的報警技術，以警示工作人員及時離開危險環境或便于救援人員施救時，確定工作人員位置。

1 方案設計

針對該項目的設計要求，經綜合分析，研究設計一套集成對講機無線通訊技術、血氧飽和度心率自動監測技術、空氣成分自動分析技術、自動報警技術，并適用于密閉艙室工作的報警系統。本項目以 STM32 單片機為系統主體，包括麥克風、氣體監測模塊、血氧飽和度心率監測模塊、揚聲器、LED 指示燈模塊、警報模塊、通信模塊及相關的顯示屏、鍵盤等。系統的工作流程圖如圖 1 所示，系統的總結構示意圖如圖 2 所示。

圖1 可通信的報警系統的工作流程

由于氣體傳感器普遍存在交叉敏感問題，傳感器的輸出數據中往往還包含其他非目標氣體的交叉干擾量。單一氣體傳感器對交叉干擾影響的消除只能依靠氣體傳感器自身的選擇性，很難實現對多組分氣體的定性識別及定量測量。因此，用數據融合手段對多個傳感器組成的傳感器陣列輸出信號進行處理，實現對有毒有害混合氣體中各組分濃度的精準監測。本系統選擇三個電化學氣體傳感器分別對不同氣體濃度進行測量和一個催化燃燒式氣體傳感器對CH濃度進行測量。

密閉艙室環境對工作人員生命安全造成威脅的因素主要有氧氣濃度未達標或有毒氣體含量超標。本系統選擇測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、實時監測工作人員的血氧飽和度與心率，同時考慮裝置的便攜性和低功耗。通過實驗測試和分析研究，提出自適應混合濾波算法，用于提高系統實時監測的可靠性，實現心率的長期實時監測。本系統采用光電容積法 Pulse Sensor 脈搏傳感器，基于 STM32 微處理器和 Android 系統開發的便攜式無線傳輸心率血氧監測儀，具有攜帶方便、遠程通信、抗干擾性能強、智能化顯示與分析等特點。血氧飽和度心率監測模塊流程示意圖如圖 3 所示。

圖3 血氧飽和度心率監測模塊流程

本系統采用 VHF 海事對講機原理作為無線通信系統，為實現立體聲傳輸的效果采用立體聲編解碼，即對講機采用左右兩路聲道信號進行編碼處理，然后再進行調制，實現兩路信號的同時傳輸；在接收端進行相應的解調和解碼處理，即可還原左右兩路信號，實現立體聲傳輸的效果。

本系統的 LED 指示燈模塊采用一款效率好、功率因數高、穩定性好、防水防塵都達標的 LED 防爆燈，提供穩定且持續的燈光照明及警示信號。本系統選用便攜式蜂鳴器作為警報發聲器，蜂鳴器的結構示意圖如圖 4 所示。

2 系統實施方案

本系統外殼采用防滑復合材料制作，體積小便于攜帶。工作時，由 20 STM 單片機進行數據處理。工作人員進入密閉艙室時，6 氣體監測模塊、9 血氧飽和度心 率監測模塊、20 STM 單片機、21 通信模塊開始工作， 3 麥克風、12 LED 指示模塊、14 揚聲器、17 警報模塊啟動；周圍工作環境中的氣體由 5 氣體監測傳感器進入 6 氣體監測模塊，并在 6 氣體監測模塊中完成對進入氣體的成分分析，并將所得到的數據傳送至 20 STM 單片 機；7 血氧飽和度心率監測探測器實時對工作人員進行心率及血氧飽和度的數據監測，由 8 血氧飽和度心率監測傳感器將數據傳遞至 9 血氧飽和度心率監測模塊，由 9 血氧飽和度心率監測模塊進一步的計算分析，將所監測的數據傳送至 20 STM 單片機；20 STM 單片機通過 21 通信模塊、19 VHF 信號傳輸器、18 外部信號接收器與外界建立通信聯系，將監測到的數據向外界進行傳 輸，也可將內部人員主觀信息表達由 3 麥克風向外界進行傳輸；同時外界信息由 13 揚聲器也可向工作人員進行傳遞。

本系統在 20 STM 單片機內設定不同檔位警戒值，分別為 6 氣體監測模塊預警警戒值、6 氣體監測模塊緊急警戒值、9 血氧飽和度心率監測預警警戒值、9 血氧 飽和度心率監測緊急警戒值。經過 6 氣體監測模塊、9 血氧飽和度心率監測模塊反饋至 20 STM 單片機。當 6 氣體監測、9 血氧飽和度心率監測均未達到預警警戒值時，系統繼續進行正常的監測工作。當 6 氣體監測、9 血氧飽和度心率監測任意一個達到預警警戒值且均未達到緊急警戒值時，20 STM 單片機向 3 麥克風、17 警報 模塊、12 LED 指示燈模塊、21 通信模塊傳遞警報信號 1。當 6 氣體監測、9 血氧飽和度心率監測任意一個達到緊急警戒值時，20 STM 單片機向 3 麥克風、17 警報模塊、 12 LED 指示燈模塊、21 通信模塊傳遞警報信號 2。

警報信號 1、2 的區別：傳遞警報信號 1 時，LED 指示燈頻閃較慢、光亮較弱，蜂鳴器發出長間斷聲音且較小警報聲，用以警示工作人員及時離開危險環境。傳遞警報信號 2 時，LED 指示燈頻閃較快、亮度增強，蜂鳴器發出短間斷聲音且較大警報聲，便于救援人員施救時，確定工作人員位置。

本系統由 21 通信模塊、19 VHF 信號傳輸器、18 外部信號接收器與外界建立通信聯系，向外界傳輸警報信號，便于警示艙外人員進艙救援；工作人員和艙外人員可通過 3 麥克風、13 揚聲器聯系，便于位置確定及情況交流。

3 結語

本系統將對講機無線通訊技術、血氧飽和度心率測試技術、空氣成分分析技術、光聲報警技術等集于一體。在不影響船員工作的情況下，監測周圍環境及船員的身體狀況，并監測數據傳送給艙外人員；數據異常時，自動發出閃光及警報，及時提醒工作人員撤離或幫助救援人員及時找到目標。本系統的設計具有小巧、便攜、準確、快速等優點，對于密閉艙室工作有重要意義！

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（注：本文轉自《電子產品世界》雜志2020年6月期）