李鄒路，陳 聰，吳 昊，周康平，王文康，鄭 赟

(德州學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，山東 德州 253023)

探險(xiǎn)者安全背包設(shè)計(jì)及應(yīng)用

李鄒路，陳 聰，吳 昊，周康平，王文康，鄭 赟

(德州學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，山東 德州 253023)

為了給外出旅行、深山探險(xiǎn)、高空作業(yè)的人員提供保護(hù)，設(shè)計(jì)了一款探險(xiǎn)者安全背包，具有一鍵求救、自動(dòng)預(yù)警、應(yīng)急照明、GPS定位、墜落保護(hù)等功能。闡述其在實(shí)際應(yīng)用中所涉及到的技術(shù)及原理，給出GPS定位、墜落保護(hù)等設(shè)計(jì)方案，為保護(hù)驢友及高空作業(yè)人員提供技術(shù)支持。

背包；降落傘；GPS

隨著生活條件的不斷改善，人們開始選擇外出旅游為節(jié)假日的休閑方式。而驢友迷路失蹤的事情時(shí)常發(fā)生，使外出旅行存在極大的安全隱患；許多的年輕人喜歡攀巖，高空自拍等危險(xiǎn)運(yùn)動(dòng)，這些運(yùn)動(dòng)十分危險(xiǎn)，在沒有任何安全措施的情況下極易發(fā)生事故，“自拍死”現(xiàn)象已經(jīng)全球化而致死最主要的原因就是高空墜落?！度A盛頓郵報(bào)》報(bào)道說，“自拍死”已經(jīng)對(duì)全球人口造成影響。據(jù)調(diào)查統(tǒng)計(jì)，自2014年至今全球已有49人因自拍而死亡。高空作業(yè)是十分危險(xiǎn)的行業(yè)，如果安全措施不到位就有可能從高處墜落，如此多的意外墜落事故頻發(fā)而市場上并無相關(guān)功能的民用產(chǎn)品，因此設(shè)計(jì)了這一款背包。

1 設(shè)計(jì)方案

探險(xiǎn)者安全背包應(yīng)用GPS模塊進(jìn)行準(zhǔn)確定位，準(zhǔn)確確定使用者所在位置。背包內(nèi)置GSM模塊實(shí)現(xiàn)書包與控制平臺(tái)的無線通信，此管理平臺(tái)可以為手機(jī)提供快捷方便的查詢方式，手機(jī)可以通過發(fā)送短信確定使用者的位置，可以用微信查詢，也可以通過APP查詢；背包利用三軸陀螺儀檢測加速度，當(dāng)使用者呈現(xiàn)自由落體狀態(tài)時(shí)，由單片機(jī)控制的壓縮空氣裝置工作通過壓縮空氣使降落傘彈出并打開；書包運(yùn)用太陽能電池輔助供電，以延長工作時(shí)間，系統(tǒng)組成如圖1。

書包內(nèi)置降落傘彈射裝置，由壓縮空氣裝置和降落傘組成，當(dāng)使用者呈現(xiàn)自由落體狀態(tài)時(shí)，壓縮空氣裝置工作將降落傘彈射出去并打開。

圖1 系統(tǒng)組成的框圖

2 關(guān)鍵模塊設(shè)計(jì)

探險(xiǎn)者安全背包有三大功能：1) 利用GPS定位為搜尋者提供背包使用者的具體位置，利于更準(zhǔn)確更迅速的搜救到目標(biāo)；2) 當(dāng)人在高空墜落的時(shí)候背包可以打開降落傘保護(hù)其安全落地；3) 天黑的時(shí)候背包內(nèi)置的手電筒自動(dòng)打開。實(shí)現(xiàn)這三大功能需要五大關(guān)鍵模塊支持。

2.1 GPS定位模塊設(shè)計(jì)

探險(xiǎn)者安全背包內(nèi)置GPS-GSM模塊如圖2，可以進(jìn)行精準(zhǔn)的定位并將定位信息傳送出。GPS接收信息后，可通過SIM卡的GPRS或短信方式將定位信息發(fā)送給手機(jī)，安裝手機(jī)APP可以利用GPRS查詢具體位置，APP可以提供地圖畫面及精確的經(jīng)緯信息。當(dāng)使用背包的人外出旅行時(shí)本模塊可以隨時(shí)進(jìn)行定位，遇到危險(xiǎn)時(shí)，可以使用本模塊將有定位信息的短信發(fā)送到設(shè)定的手機(jī)上，手機(jī)使用者就可以報(bào)警并將信息提供給警察，使警察可以迅速準(zhǔn)確的找到迷路者。

圖2 GPS-GSM模塊

2.2 加速度檢測模塊設(shè)計(jì)

探險(xiǎn)者安全背包內(nèi)置三軸陀螺儀如圖3，單片機(jī)通過控制三軸陀螺儀來檢測加速度[1]。人從高處墜落時(shí)的加速度接近重力加速度，通過程序設(shè)定使三軸陀螺儀檢測到豎直加速度，當(dāng)豎直加速度接近重力加速度并可以延時(shí)0.1 s，可判斷為墜落。(國家標(biāo)準(zhǔn)GB 3608-93《高處作業(yè)分級(jí)》規(guī)定：“凡在墜落高度基準(zhǔn)面2 m以上(含2 m)有可能墜落的高處進(jìn)行作業(yè)，都稱為高處作業(yè)?！?

圖3 三軸陀螺儀

2.3 降落傘模塊設(shè)計(jì)

書包內(nèi)置降落傘彈射裝置，空氣壓縮裝置為降落傘彈出的動(dòng)力裝置，當(dāng)三軸陀螺儀檢測到使用者豎直加速度接近自由落體狀態(tài)時(shí)，單片機(jī)發(fā)出指令使空氣壓縮裝置工作從降落傘彈射出來?？諝鈮嚎s裝置動(dòng)力能夠增加降落傘的彈射距離使降落傘更容易迅速打開，所以選擇用空氣壓縮裝置來控制彈簧十分合適[2]。

2.4 照明模塊設(shè)計(jì)

書包背帶處設(shè)計(jì)了一個(gè)由多個(gè)LED燈組成的手電筒，背帶上部安裝了一個(gè)光敏電阻，光敏電阻由單片機(jī)控制，檢測外部環(huán)境的光照情況，當(dāng)天黑的時(shí)候單片機(jī)發(fā)送指令，令手電筒打開。

2.5 電源模塊設(shè)計(jì)

探險(xiǎn)者安全背包以上的功能基本都是由單片機(jī)控制完成的，單片機(jī)需要在5 V電壓的情況下工作，我們采用普通的充電電池為其供電?？紤]到工作時(shí)間長，耗電大的等問題，我們采用太陽能電池板來輔助供電。將太陽能電池板放置在書包可以充分接觸光照的地方，讓太陽能電池板通過光照發(fā)電來輔助電池供電，如圖4。

圖4 太陽能電池板

3 創(chuàng)新應(yīng)用

1) 一鍵求救，用戶可以使用一鍵求救功能，將自己的位置發(fā)送給指定手機(jī)，使其了解到用戶遇到危險(xiǎn)，進(jìn)行救護(hù)。

2) 準(zhǔn)確定位，利用GPS模塊可以準(zhǔn)確鎖定具體位置，有助于及時(shí)救援。

3) 自動(dòng)彈射降落傘，墜落啟用降落傘，保證安全。

4) 太陽能輔助供電，防止背包因電源沒電而停止工作，利用太陽能電池節(jié)約能源消耗。

4 前景意義

本文設(shè)計(jì)了一個(gè)目前市場并不存在的具有GPS定位，降落傘保護(hù)等功能的背包。探險(xiǎn)者安全背包采用STC21C5A60S2型號(hào)的單片機(jī)作為主控芯片，背包的功能設(shè)計(jì)也貼近實(shí)際應(yīng)用的需求。此背包給人們帶來安全的同時(shí)也帶來了便利，使人們的出行變得安全方便，給高空作業(yè)人員增添了一份保障。

[1] 郭天祥.51單片機(jī)C語言教程[M].北京：電子工業(yè)出版社，2009-1：290-297.

[2] 劉軍.新型降落傘的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[J].科技信息,2013(36).

Design and Application of Safety Bag

Li Zoulu, Chen Cong, Wu Hao, Zhou Kangping, Wang Wenkang, Zheng Yun

(CollegeofMechanicalandElectricalEngineering,DezhouUniversity,DezhouShandong, 253023,China)

For protecting the people of travel, mountain exploration and high-altitude operations, a security Explorer backpack is designed with the functions of a key for help, automatic warning, emergency lighting, GPS positioning, fall protection, solar panels, auxiliary power supply and others. The paper introduces the technology and principle involved in practical application and gives the design scheme of GPS positioning and falling protection, provides the technical support for protecting tour pal and steeplejacks.

backpack; parachute; GPS

2016-11-08

李鄒路(1995- )，男，山東淄博高青縣人，大學(xué)本科，研究方向：機(jī)械電子。

1674- 4578(2017)01- 0017- 02

TP277；P228.4

A