探险者安全背包设计及应用

李邹路，陈 聪，吴 昊，周康平，王文康，郑 赟

(德州学院 机电工程学院，山东 德州 253023)

探险者安全背包设计及应用

李邹路，陈 聪，吴 昊，周康平，王文康，郑 赟

(德州学院 机电工程学院，山东 德州 253023)

为了给外出旅行、深山探险、高空作业的人员提供保护，设计了一款探险者安全背包，具有一键求救、自动预警、应急照明、GPS定位、坠落保护等功能。阐述其在实际应用中所涉及到的技术及原理，给出GPS定位、坠落保护等设计方案，为保护驴友及高空作业人员提供技术支持。

背包；降落伞；GPS

随着生活条件的不断改善，人们开始选择外出旅游为节假日的休闲方式。而驴友迷路失踪的事情时常发生，使外出旅行存在极大的安全隐患；许多的年轻人喜欢攀岩，高空自拍等危险运动，这些运动十分危险，在没有任何安全措施的情况下极易发生事故，“自拍死”现象已经全球化而致死最主要的原因就是高空坠落。《华盛顿邮报》报道说，“自拍死”已经对全球人口造成影响。据调查统计，自2014年至今全球已有49人因自拍而死亡。高空作业是十分危险的行业，如果安全措施不到位就有可能从高处坠落，如此多的意外坠落事故频发而市场上并无相关功能的民用产品，因此设计了这一款背包。

1 设计方案

探险者安全背包应用GPS模块进行准确定位，准确确定使用者所在位置。背包内置GSM模块实现书包与控制平台的无线通信，此管理平台可以为手机提供快捷方便的查询方式，手机可以通过发送短信确定使用者的位置，可以用微信查询，也可以通过APP查询；背包利用三轴陀螺仪检测加速度，当使用者呈现自由落体状态时，由单片机控制的压缩空气装置工作通过压缩空气使降落伞弹出并打开；书包运用太阳能电池辅助供电，以延长工作时间，系统组成如图1。

书包内置降落伞弹射装置，由压缩空气装置和降落伞组成，当使用者呈现自由落体状态时，压缩空气装置工作将降落伞弹射出去并打开。

图1 系统组成的框图

2 关键模块设计

探险者安全背包有三大功能：1) 利用GPS定位为搜寻者提供背包使用者的具体位置，利于更准确更迅速的搜救到目标；2) 当人在高空坠落的时候背包可以打开降落伞保护其安全落地；3) 天黑的时候背包内置的手电筒自动打开。实现这三大功能需要五大关键模块支持。

2.1 GPS定位模块设计

探险者安全背包内置GPS-GSM模块如图2，可以进行精准的定位并将定位信息传送出。GPS接收信息后，可通过SIM卡的GPRS或短信方式将定位信息发送给手机，安装手机APP可以利用GPRS查询具体位置，APP可以提供地图画面及精确的经纬信息。当使用背包的人外出旅行时本模块可以随时进行定位，遇到危险时，可以使用本模块将有定位信息的短信发送到设定的手机上，手机使用者就可以报警并将信息提供给警察，使警察可以迅速准确的找到迷路者。

图2 GPS-GSM模块

2.2 加速度检测模块设计

探险者安全背包内置三轴陀螺仪如图3，单片机通过控制三轴陀螺仪来检测加速度[1]。人从高处坠落时的加速度接近重力加速度，通过程序设定使三轴陀螺仪检测到竖直加速度，当竖直加速度接近重力加速度并可以延时0.1 s，可判断为坠落。(国家标准GB 3608-93《高处作业分级》规定：“凡在坠落高度基准面2 m以上(含2 m)有可能坠落的高处进行作业，都称为高处作业。”)

图3 三轴陀螺仪

2.3 降落伞模块设计

书包内置降落伞弹射装置，空气压缩装置为降落伞弹出的动力装置，当三轴陀螺仪检测到使用者竖直加速度接近自由落体状态时，单片机发出指令使空气压缩装置工作从降落伞弹射出来。空气压缩装置动力能够增加降落伞的弹射距离使降落伞更容易迅速打开，所以选择用空气压缩装置来控制弹簧十分合适[2]。

2.4 照明模块设计

书包背带处设计了一个由多个LED灯组成的手电筒，背带上部安装了一个光敏电阻，光敏电阻由单片机控制，检测外部环境的光照情况，当天黑的时候单片机发送指令，令手电筒打开。

2.5 电源模块设计

探险者安全背包以上的功能基本都是由单片机控制完成的，单片机需要在5 V电压的情况下工作，我们采用普通的充电电池为其供电。考虑到工作时间长，耗电大的等问题，我们采用太阳能电池板来辅助供电。将太阳能电池板放置在书包可以充分接触光照的地方，让太阳能电池板通过光照发电来辅助电池供电，如图4。

图4 太阳能电池板

3 创新应用

1) 一键求救，用户可以使用一键求救功能，将自己的位置发送给指定手机，使其了解到用户遇到危险，进行救护。

2) 准确定位，利用GPS模块可以准确锁定具体位置，有助于及时救援。

3) 自动弹射降落伞，坠落启用降落伞，保证安全。

4) 太阳能辅助供电，防止背包因电源没电而停止工作，利用太阳能电池节约能源消耗。

4 前景意义

本文设计了一个目前市场并不存在的具有GPS定位，降落伞保护等功能的背包。探险者安全背包采用STC21C5A60S2型号的单片机作为主控芯片，背包的功能设计也贴近实际应用的需求。此背包给人们带来安全的同时也带来了便利，使人们的出行变得安全方便，给高空作业人员增添了一份保障。

[1] 郭天祥.51单片机C语言教程[M].北京：电子工业出版社，2009-1：290-297.

[2] 刘军.新型降落伞的结构设计[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

李邹路(1995- )，男，山东淄博高青县人，大学本科，研究方向：机械电子。

1674- 4578(2017)01- 0017- 02

TP277；P228.4

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