密闭舱室环境及身体状况监测可通信报警系统设计研究

摘要：本文针对密闭舱室环境对工作人员生命安全造成威胁，导致工作人员缺氧中毒受伤等事故频繁发生，研究设计一套自动监测船舶密闭舱室危险环境和工作人员身体状况、可通信的报警系统。该系统以STM32单片机为系统主体，将对讲机无线通讯技术、血氧饱和度心率测试技术、空气成分分析技术等集于一体，对于密闭舱室工作有重要意义！

关键词：密闭舱室；监测；通信；报警

近年来，船上工作人员因为缺乏有效的评估手段和采取有效措施，盲目进入密闭舱室作业或搜救而造成人员事故常有发生。由于密闭舱室较为特殊的工作环境，工作人员进入密闭舱室前难以对于其环境危险状况做出准确的判断，尤其是工作人员在缺氧环境下，身体状况自身难以察觉，造成无法做出正确的应急反应措施，导致工作人员缺氧中毒受伤等事故频繁发生。在救援过程中，由于无法准确判断人员位置和状态，导致外部救援人员无法及时进行救援行动，错过了黄金抢救时间，大大降低了抢救成功概率。在这样的背景之下，对报警系统提出了新的设计要求：

（1）密闭舱室环境对工作人员生命安全造成威胁的因素主要有氧气浓度未达标或有毒气体含量超标。本项目应具有实时精准监测有毒有害气体、监测含氧浓度的空气成分分析技术，确保密闭舱室的空气符合工作人员工作要求。

（2）为了避免进入密闭舱室工作人员缺氧中毒受伤等事故频繁发生，除了实时检测空气成分，还应实时监测工作人员的身体状态。本项目应具有实时方便、快捷、有效、实时监测工作人员的血氧饱和度心率测试技术，确保工作人员身体安全。 （3）为了舱外人员及时了解密闭舱室内的状况，本项目应具有无线通信技术，确保舱内外人员及时进行信息沟通。

（4）为了使舱内外人员实时了解密闭舱室内环境、工作人员身体状况，本系统应具有闪光警报的报警技术，以警示工作人员及时离开危险环境或便于救援人员施救时，确定工作人员位置。

1 方案设计

针对该项目的设计要求，经综合分析，研究设计一套集成对讲机无线通讯技术、血氧饱和度心率自动监测技术、空气成分自动分析技术、自动报警技术，并适用于密闭舱室工作的报警系统。本项目以 STM32 单片机为系统主体，包括麦克风、气体监测模块、血氧饱和度心率监测模块、扬声器、LED 指示灯模块、警报模块、通信模块及相关的显示屏、键盘等。系统的工作流程图如图 1 所示，系统的总结构示意图如图 2 所示。

图1 可通信的报警系统的工作流程

由于气体传感器普遍存在交叉敏感问题，传感器的输出数据中往往还包含其他非目标气体的交叉干扰量。单一气体传感器对交叉干扰影响的消除只能依靠气体传感器自身的选择性，很难实现对多组分气体的定性识别及定量测量。因此，用数据融合手段对多个传感器组成的传感器阵列输出信号进行处理，实现对有毒有害混合气体中各组分浓度的精准监测。本系统选择三个电化学气体传感器分别对不同气体浓度进行测量和一个催化燃烧式气体传感器对CH浓度进行测量。

密闭舱室环境对工作人员生命安全造成威胁的因素主要有氧气浓度未达标或有毒气体含量超标。本系统选择测量血氧饱和度与心率判断工作人员的身体安全是否受到威胁。为了方便、快捷、有效、实时监测工作人员的血氧饱和度与心率，同时考虑装置的便携性和低功耗。通过实验测试和分析研究，提出自适应混合滤波算法，用于提高系统实时监测的可靠性，实现心率的长期实时监测。本系统采用光电容积法 Pulse Sensor 脉搏传感器，基于 STM32 微处理器和 Android 系统开发的便携式无线传输心率血氧监测仪，具有携带方便、远程通信、抗干扰性能强、智能化显示与分析等特点。血氧饱和度心率监测模块流程示意图如图 3 所示。

图3 血氧饱和度心率监测模块流程

本系统采用 VHF 海事对讲机原理作为无线通信系统，为实现立体声传输的效果采用立体声编解码，即对讲机采用左右两路声道信号进行编码处理，然后再进行调制，实现两路信号的同时传输；在接收端进行相应的解调和解码处理，即可还原左右两路信号，实现立体声传输的效果。

本系统的 LED 指示灯模块采用一款效率好、功率因数高、稳定性好、防水防尘都达标的 LED 防爆灯，提供稳定且持续的灯光照明及警示信号。本系统选用便携式蜂鸣器作为警报发声器，蜂鸣器的结构示意图如图 4 所示。

2 系统实施方案

本系统外壳采用防滑复合材料制作，体积小便于携带。工作时，由 20 STM 单片机进行数据处理。工作人员进入密闭舱室时，6 气体监测模块、9 血氧饱和度心 率监测模块、20 STM 单片机、21 通信模块开始工作， 3 麦克风、12 LED 指示模块、14 扬声器、17 警报模块启动；周围工作环境中的气体由 5 气体监测传感器进入 6 气体监测模块，并在 6 气体监测模块中完成对进入气体的成分分析，并将所得到的数据传送至 20 STM 单片 机；7 血氧饱和度心率监测探测器实时对工作人员进行心率及血氧饱和度的数据监测，由 8 血氧饱和度心率监测传感器将数据传递至 9 血氧饱和度心率监测模块，由 9 血氧饱和度心率监测模块进一步的计算分析，将所监测的数据传送至 20 STM 单片机；20 STM 单片机通过 21 通信模块、19 VHF 信号传输器、18 外部信号接收器与外界建立通信联系，将监测到的数据向外界进行传 输，也可将内部人员主观信息表达由 3 麦克风向外界进行传输；同时外界信息由 13 扬声器也可向工作人员进行传递。

本系统在 20 STM 单片机内设定不同档位警戒值，分别为 6 气体监测模块预警警戒值、6 气体监测模块紧急警戒值、9 血氧饱和度心率监测预警警戒值、9 血氧 饱和度心率监测紧急警戒值。经过 6 气体监测模块、9 血氧饱和度心率监测模块反馈至 20 STM 单片机。当 6 气体监测、9 血氧饱和度心率监测均未达到预警警戒值时，系统继续进行正常的监测工作。当 6 气体监测、9 血氧饱和度心率监测任意一个达到预警警戒值且均未达到紧急警戒值时，20 STM 单片机向 3 麦克风、17 警报 模块、12 LED 指示灯模块、21 通信模块传递警报信号 1。当 6 气体监测、9 血氧饱和度心率监测任意一个达到紧急警戒值时，20 STM 单片机向 3 麦克风、17 警报模块、 12 LED 指示灯模块、21 通信模块传递警报信号 2。

警报信号 1、2 的区别：传递警报信号 1 时，LED 指示灯频闪较慢、光亮较弱，蜂鸣器发出长间断声音且较小警报声，用以警示工作人员及时离开危险环境。传递警报信号 2 时，LED 指示灯频闪较快、亮度增强，蜂鸣器发出短间断声音且较大警报声，便于救援人员施救时，确定工作人员位置。

本系统由 21 通信模块、19 VHF 信号传输器、18 外部信号接收器与外界建立通信联系，向外界传输警报信号，便于警示舱外人员进舱救援；工作人员和舱外人员可通过 3 麦克风、13 扬声器联系，便于位置确定及情况交流。

3 结语

本系统将对讲机无线通讯技术、血氧饱和度心率测试技术、空气成分分析技术、光声报警技术等集于一体。在不影响船员工作的情况下，监测周围环境及船员的身体状况，并监测数据传送给舱外人员；数据异常时，自动发出闪光及警报，及时提醒工作人员撤离或帮助救援人员及时找到目标。本系统的设计具有小巧、便携、准确、快速等优点，对于密闭舱室工作有重要意义！

参考文献：

[1] 杨森杰,林锦锋,马凯创,等.一种无线便携式心率血氧检测仪的设计[J].科技创新与应用,2020(28):47-49.

[2] 王翔.可穿戴式心率传感监测装置的研究[D].成都:电子科技大学, 2019.

[3] 李永科.基于传感器阵列的有毒有害气体检测的数据融合研究[D].成都:成都理工大学,2020.

[4] 刘立芳.70W LED防爆灯驱动电源设计[D].杭州:杭州电子科技大学,2012.

[5] 我国研发出新型氧传感器及测氧仪[J].中国西部科技.2007(11):45.

（注：本文转自威廉希尔 官网app 杂志2020年6月期）