智能登山装备

孙鹏　林运郴　李健　祝宝成

摘 要：长期以来，登山都是一项十分危险的运动，我们这个项目的课题主要在于如何提高人们在极端环境下的生存能力，增强对严寒环境的抵抗能力，能让遇险的人自救或者能够坚持到救援的到来。

关键词：石墨烯发热膜；心率检测；GPS；GPRS；WBEE通信通信技术

中图分类号：TS66 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2018）16-0081-02

Abstract： For a long time， mountaineering has been a very dangerous sport. The main task of our project is how to improve people's ability to survive in extreme environments and increase their resistance to cold conditions， so as to allow a person in distress to save himself or to persevere until the rescue arrives.

Keywords： graphene fever membrane； heart rate detection； GPS； GPRS； WBEE communication technology

1 项目实施的目的、意义

随着人们对身体健康的愈加关注和重视，户外登山运动成为了许多运动爱好者的选择。登山运动不仅可以锻炼人的身体，还可以增强人的耐力和意志。人们在登山的过程中不仅欣赏美丽的风景，感受大自然的神秘，还从中收获了健康、和谐和乐趣。

但在登山的过程中，可能会遇到如恶劣天气等自然界非预期的变化，为了保障登山爱好者的人身安全，同时减轻登山爱好者在登山时的负担，以及在发生事故后能够及时定位通信实施救援，因此我们提出了“智能登山装备”这个项目。智能登山装备为登山爱好者提供了极大的便利和安全保障，登山装备可以适应山区各种恶劣的环境，随时监控登山人员的健康状况，发生事故时准确定位和通信等，在一定程度上保证了登山人员的安全。

2 登山装备的关键组成和擬解决的关键问题

2.1 关键部分的相关设计

2.1.1 自加热防护服

（1）加热功能；（2）外界气温检测

背景：登山人员在山区长途跋涉，随着海拔高度不同、气候多变，温差较大，通过气温检测，防护服可随时自动调节温度，保证登山人员在低气温的环境下正常活动。

2.1.2 人体健康状况监测

（1）心率、血氧检测；（2）血压检测；（3）体温检测

背景：保证登山人员在长时间的运动过程中，时刻了解自己的身体状况，设定健康范围值，通过检测发现超过范围值后报警，让登山人员能及时休息调整状态。

2.1.3 气压、海拔计

（1）气压计；（2）高度/海拔计

背景：通过气压和海拔的检测，让登山人员及时了解身边环境，做出相应防范。

2.1.4 定位/求救系统

（1）GPS定位；（2）WBEE通信；（3）联网功能

背景：通过GPS定位，登山人员可知道自己身处何处，通过WBEE通信功能可使登山人员和队友之间随时保持联络，一但有人掉队，立即就能被发现。一旦出现危险和事故，联网功能可报警寻求救援。这是为登山人员设计的安全保障系统。

2.2 拟解决的关键问题

2.2.1 登山服太过沉重，臃肿，穿戴起来影响行动

传统登山服又称为“冲锋衣”，通常指硬壳（hardshelljacket），相当于户外的铠甲，防御能力强，但是穿上之后感觉较硬，舒适性较差，而且在登山时，为了御寒，除了登山服还要在里面套上两道三层的棉衣或者保暖的衣服，既影响行动又增加了负担。

为了解决这个问题，我们在设计时对防护服的外层使用了品牌登山服的面料——ePTFE复膜的微孔型面料，目前国内多是GORE-TEX、DENTIK、EVENT、3TO1-TEX这几种。它防水透气的功能是在服装的外面料上复合一层微孔薄膜，其中的微孔比水滴分子小，又比气体分子大，可以在阻挡雨水的同时挥发自身的汗气。防护服内置加热层采用石墨烯发热膜，既保证了服装的轻薄，又能完美的解决在户外低温环境下的御寒问题，在减轻登山队员负重的同时也更加便于活动。

2.2.2 高海拔，低气压，低气温威胁登山队员的健康

登山的环境无一例外是在高海拔地区，人体在高原地区会发生高原反应，高原反应是人体急进暴露于低压低氧环境后产生的各种病理性反应，是高原地区独有的常见病。常见的症状有头痛，失眠，食欲减退，疲倦，呼吸困难等。

在我们的登山装备上装有心率和血氧检测模块，当心率、血氧表现异常于平均水平时，我们的设备会及时的发出警报，提示使用者需要及时吸氧或者需要及时就医，在血氧含量很低的时候，人的大脑往往会发出错误的指令，有人说这时人的判断力还不如一个十几岁的小孩，这也是登山人员遇难的原因之一。

2.2.3 在恶劣环境下队员容易走失

在登山过程中，遇上雪崩、风暴等恶劣环境的时候，会瞬间扰乱人们的感知，影响判断力，为了避免相互走散，有些登山队会在每人身上都系上绳子。为了避免相互走散这种情况的发生，我们在每个登山服上都装上了GPS定位系统和基于WBEE通信技术的通信系统，通过GPS获取位置信息，并且在WBEE局域网络上传输位置信息，并且保存最后一次通信的位置信息，即使走失，在其他队员返回营地之后可以尽快联系救援。

2.2.4 发生事故及时报警

我们在登山服上加载了GPRS模块，虽然网络不可能覆盖到每个高山，但是，我们仍然抱有希望，在有信号的情况下，尽可能的将完整的求救信息发送出去，给走失的人最大的求生希望。

2.2.5 技术详细

（1）石墨烯（Graphene）是从石墨材料中剥离出来、由碳原子组成的只有一层原子厚度的二维晶体。石墨烯既是最薄的材料，也是最强韧的材料，断裂强度比最好的钢材还要高200倍。同时它又有很好的弹性，拉伸幅度能达到自身尺寸的20%。它是目前自然界最薄、强度最高的材料，如果用一块面积1平方米的石墨烯做成吊床，本身重量不足1毫克便可以承受一只一千克的猫。发热膜是一种现代采暖保温新材料，优点很多，电热转换效率高，电磁辐射小且对人体无危害，有效发热面积大，热均匀性和热舒适性好，性能稳定功率变化小使用寿命长，厚度薄柔性好几乎不占用空间。石墨烯发热薄膜技术上将更进一步，直接发热省去了过去内置发热元器件。

（2）MS5611-01BA03是由MEAS公司在瑞士分公司（原intersema厂家）设计并生产的新一代高分辨率的测高传感器，它提供SPI接口和I2C總线两种接口。10cm的高分辨率使得它更适合于高度测量和气压测量。该传感器模块包括一个高线性压力传感器和一个24位低功耗的AD转换器，传感器内部包含有工厂校准系数。它提供了一个精确的24位压力和温度值。不同的操作模式，允许用户优化转换速度和电流消耗。该传感器在测量气压的同时具有温度测量的功能。

（3）OSRAM在穿戴设备领域推出首款基于运动和健康监控应用的整合型光感测器SFH7050。尺寸仅4.7mm*2.5mm*0.9mm，只需极小的功率和空间，因此非常适用于可穿戴设备。SFH7050集成了绿光、红光、红外三颗LED和一颗光电接收管。采用OSRAM专利Thin Firm技术的LED，光效高，可以在低功耗下运行；广电接收管具有高的光敏感度，可以进行精确的信号采集，为心率和血氧值的计算提供可靠信号源；另外红外LED与光电接收管可实现接近感测功能。

（4）GPS导航系统的基本原理是测量出已知位置的卫星到用户接收机之间的距离，然后综合多颗卫星的数据就可知道接收机的具体位置。要达到这一目的，卫星的位置可以根据星载时钟所记录的时间在卫星星历中查出。而用户到卫星的距离则通过记录卫星信号传播到用户所经历的时间，再将其乘以光速得到。由于大气层电离层的干扰，这一距离并不是用户与卫星之间的真实距离，而是伪距（PR）：当GPS卫星正常工作时，会不断地用1和0二进制码元组成的伪随机码（简称伪码）发射导航电文。当用户接受到导航电文时，提取出卫星时间并将其与自己的时钟做对比便可得知卫星与用户的距离，再利用导航电文中的卫星星历数据推算出卫星发射电文时所处位置，用户在WGS-84大地坐标系中的位置速度等信息便可得知。

（5）WBEE（wireless Bee）即无线蜂窝网络，是一款类似于zigbee产品。是一款小数据量，短距离，自组网，低复杂度，无线传输设备。同时它还加载了采集数据单元并采用了433MHz的全球免授权频段代替2.4G频段大大增加了传输距离，WBEE采用低频段，长波长，而zigbee采用的是高频段，短波长。长波长比短波长的优势就在于它的衍射能力强，所以使用WBEE通信的时候对障碍物的影响较小，传输距离更远，效果更好，最大可视直线距离≤4km。另外WBEE采用的是6LOWPAN的方案开发，可以支持IPV6，对节点数量没有限制。

（6）GPRS DTU内部封装了完善的TCP/IP等协议栈，可为无线传输传输提供透明的TCP/IP通道。主要应用于工业领域，而GPRSmodem通常要完成类似的功能必须借助于PC机的软件和硬件资源，如CPU、Memory和TCP/IP协议栈等，所以我们经常可以看到PC接一个无线的Modem来连接到外部的数据网。采用了GPRS的微控制器系统可以实现无线数传输领域的复杂应用，在远程抄表、工业控制、遥感＼测、智能交通领域都得到了广泛的应用。

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