智能登山裝備

孫鵬　林運郴　李健　祝寶成

摘 要：長期以來，登山都是一項十分危險的運動，我們這個項目的課題主要在于如何提高人們在極端環境下的生存能力，增強對嚴寒環境的抵抗能力，能讓遇險的人自救或者能夠堅持到救援的到來。

關鍵詞：石墨烯發熱膜；心率檢測；GPS；GPRS；WBEE通信通信技術

中圖分類號：TS66 文獻標志碼：A 文章編號：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 項目實施的目的、意義

隨著人們對身體健康的愈加關注和重視，戶外登山運動成為了許多運動愛好者的選擇。登山運動不僅可以鍛煉人的身體，還可以增強人的耐力和意志。人們在登山的過程中不僅欣賞美麗的風景，感受大自然的神秘，還從中收獲了健康、和諧和樂趣。

但在登山的過程中，可能會遇到如惡劣天氣等自然界非預期的變化，為了保障登山愛好者的人身安全，同時減輕登山愛好者在登山時的負擔，以及在發生事故后能夠及時定位通信實施救援，因此我們提出了“智能登山裝備”這個項目。智能登山裝備為登山愛好者提供了極大的便利和安全保障，登山裝備可以適應山區各種惡劣的環境，隨時監控登山人員的健康狀況，發生事故時準確定位和通信等，在一定程度上保證了登山人員的安全。

2 登山裝備的關鍵組成和擬解決的關鍵問題

2.1 關鍵部分的相關設計

2.1.1 自加熱防護服

（1）加熱功能；（2）外界氣溫檢測

背景：登山人員在山區長途跋涉，隨著海拔高度不同、氣候多變，溫差較大，通過氣溫檢測，防護服可隨時自動調節溫度，保證登山人員在低氣溫的環境下正常活動。

2.1.2 人體健康狀況監測

（1）心率、血氧檢測；（2）血壓檢測；（3）體溫檢測

背景：保證登山人員在長時間的運動過程中，時刻了解自己的身體狀況，設定健康范圍值，通過檢測發現超過范圍值后報警，讓登山人員能及時休息調整狀態。

2.1.3 氣壓、海拔計

（1）氣壓計；（2）高度/海拔計

背景：通過氣壓和海拔的檢測，讓登山人員及時了解身邊環境，做出相應防范。

2.1.4 定位/求救系統

（1）GPS定位；（2）WBEE通信；（3）聯網功能

背景：通過GPS定位，登山人員可知道自己身處何處，通過WBEE通信功能可使登山人員和隊友之間隨時保持聯絡，一但有人掉隊，立即就能被發現。一旦出現危險和事故，聯網功能可報警尋求救援。這是為登山人員設計的安全保障系統。

2.2 擬解決的關鍵問題

2.2.1 登山服太過沉重，臃腫，穿戴起來影響行動

傳統登山服又稱為“沖鋒衣”，通常指硬殼（hardshelljacket），相當于戶外的鎧甲，防御能力強，但是穿上之后感覺較硬，舒適性較差，而且在登山時，為了御寒，除了登山服還要在里面套上兩道三層的棉衣或者保暖的衣服，既影響行動又增加了負擔。

為了解決這個問題，我們在設計時對防護服的外層使用了品牌登山服的面料——ePTFE復膜的微孔型面料，目前國內多是GORE-TEX、DENTIK、EVENT、3TO1-TEX這幾種。它防水透氣的功能是在服裝的外面料上復合一層微孔薄膜，其中的微孔比水滴分子小，又比氣體分子大，可以在阻擋雨水的同時揮發自身的汗氣。防護服內置加熱層采用石墨烯發熱膜，既保證了服裝的輕薄，又能完美的解決在戶外低溫環境下的御寒問題，在減輕登山隊員負重的同時也更加便于活動。

2.2.2 高海拔，低氣壓，低氣溫威脅登山隊員的健康

登山的環境無一例外是在高海拔地區，人體在高原地區會發生高原反應，高原反應是人體急進暴露于低壓低氧環境后產生的各種病理性反應，是高原地區獨有的常見病。常見的癥狀有頭痛，失眠，食欲減退，疲倦，呼吸困難等。

在我們的登山裝備上裝有心率和血氧檢測模塊，當心率、血氧表現異常于平均水平時，我們的設備會及時的發出警報，提示使用者需要及時吸氧或者需要及時就醫，在血氧含量很低的時候，人的大腦往往會發出錯誤的指令，有人說這時人的判斷力還不如一個十幾歲的小孩，這也是登山人員遇難的原因之一。

2.2.3 在惡劣環境下隊員容易走失

在登山過程中，遇上雪崩、風暴等惡劣環境的時候，會瞬間擾亂人們的感知，影響判斷力，為了避免相互走散，有些登山隊會在每人身上都系上繩子。為了避免相互走散這種情況的發生，我們在每個登山服上都裝上了GPS定位系統和基于WBEE通信技術的通信系統，通過GPS獲取位置信息，并且在WBEE局域網絡上傳輸位置信息，并且保存最后一次通信的位置信息，即使走失，在其他隊員返回營地之后可以盡快聯系救援。

2.2.4 發生事故及時報警

我們在登山服上加載了GPRS模塊，雖然網絡不可能覆蓋到每個高山，但是，我們仍然抱有希望，在有信號的情況下，盡可能的將完整的求救信息發送出去，給走失的人最大的求生希望。

2.2.5 技術詳細

（1）石墨烯（Graphene）是從石墨材料中剝離出來、由碳原子組成的只有一層原子厚度的二維晶體。石墨烯既是最薄的材料，也是最強韌的材料，斷裂強度比最好的鋼材還要高200倍。同時它又有很好的彈性，拉伸幅度能達到自身尺寸的20%。它是目前自然界最薄、強度最高的材料，如果用一塊面積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貓。發熱膜是一種現代采暖保溫新材料，優點很多，電熱轉換效率高，電磁輻射小且對人體無危害，有效發熱面積大，熱均勻性和熱舒適性好，性能穩定功率變化小使用壽命長，厚度薄柔性好幾乎不占用空間。石墨烯發熱薄膜技術上將更進一步，直接發熱省去了過去內置發熱元器件。

（2）MS5611-01BA03是由MEAS公司在瑞士分公司（原intersema廠家）設計并生產的新一代高分辨率的測高傳感器，它提供SPI接口和I2C總線兩種接口。10cm的高分辨率使得它更適合于高度測量和氣壓測量。該傳感器模塊包括一個高線性壓力傳感器和一個24位低功耗的AD轉換器，傳感器內部包含有工廠校準系數。它提供了一個精確的24位壓力和溫度值。不同的操作模式，允許用戶優化轉換速度和電流消耗。該傳感器在測量氣壓的同時具有溫度測量的功能。

（3）OSRAM在穿戴設備領域推出首款基于運動和健康監控應用的整合型光感測器SFH7050。尺寸僅4.7mm*2.5mm*0.9mm，只需極小的功率和空間，因此非常適用于可穿戴設備。SFH7050集成了綠光、紅光、紅外三顆LED和一顆光電接收管。采用OSRAM專利Thin Firm技術的LED，光效高，可以在低功耗下運行；廣電接收管具有高的光敏感度，可以進行精確的信號采集，為心率和血氧值的計算提供可靠信號源；另外紅外LED與光電接收管可實現接近感測功能。

（4）GPS導航系統的基本原理是測量出已知位置的衛星到用戶接收機之間的距離，然后綜合多顆衛星的數據就可知道接收機的具體位置。要達到這一目的，衛星的位置可以根據星載時鐘所記錄的時間在衛星星歷中查出。而用戶到衛星的距離則通過記錄衛星信號傳播到用戶所經歷的時間，再將其乘以光速得到。由于大氣層電離層的干擾，這一距離并不是用戶與衛星之間的真實距離，而是偽距（PR）：當GPS衛星正常工作時，會不斷地用1和0二進制碼元組成的偽隨機碼（簡稱偽碼）發射導航電文。當用戶接受到導航電文時，提取出衛星時間并將其與自己的時鐘做對比便可得知衛星與用戶的距離，再利用導航電文中的衛星星歷數據推算出衛星發射電文時所處位置，用戶在WGS-84大地坐標系中的位置速度等信息便可得知。

（5）WBEE（wireless Bee）即無線蜂窩網絡，是一款類似于zigbee產品。是一款小數據量，短距離，自組網，低復雜度，無線傳輸設備。同時它還加載了采集數據單元并采用了433MHz的全球免授權頻段代替2.4G頻段大大增加了傳輸距離，WBEE采用低頻段，長波長，而zigbee采用的是高頻段，短波長。長波長比短波長的優勢就在于它的衍射能力強，所以使用WBEE通信的時候對障礙物的影響較小，傳輸距離更遠，效果更好，最大可視直線距離≤4km。另外WBEE采用的是6LOWPAN的方案開發，可以支持IPV6，對節點數量沒有限制。

（6）GPRS DTU內部封裝了完善的TCP/IP等協議棧，可為無線傳輸傳輸提供透明的TCP/IP通道。主要應用于工業領域，而GPRSmodem通常要完成類似的功能必須借助于PC機的軟件和硬件資源，如CPU、Memory和TCP/IP協議棧等，所以我們經常可以看到PC接一個無線的Modem來連接到外部的數據網。采用了GPRS的微控制器系統可以實現無線數傳輸領域的復雜應用，在遠程抄表、工業控制、遙感＼測、智能交通領域都得到了廣泛的應用。

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