基于戶外探險(xiǎn)及自然保護(hù)區(qū)的太陽能救生衣設(shè)計(jì)

劉 偉，顏魯薪，楊偉鵬，張 育

（武威職業(yè)學(xué)院，甘肅 武威733000）

現(xiàn)如今戶外探險(xiǎn)的“驢友”越來越多，有些初級(jí)驢友缺乏經(jīng)驗(yàn)，不注意野外環(huán)境帶來的風(fēng)險(xiǎn)，容易發(fā)生失聯(lián)情況。在野外發(fā)生失聯(lián)情況就意味著有生命的危險(xiǎn)。傳統(tǒng)救生衣只有一個(gè)哨子和貼在救生衣上的反光帶，這樣的設(shè)備只能讓人用眼睛和耳朵來尋找失事人員，故一旦失事失聯(lián)人員無法及時(shí)與救援人員取得聯(lián)系，所以須在救生衣上增添各種設(shè)備來增加救援率。由于在野外無法提供電能，故利用太陽能電池來供電及照明。該太陽能救生衣增加了救援成功率，為失聯(lián)人員帶來了希望[1]。

1 設(shè)計(jì)思路

救生衣利用GPS全球定位系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)定位，可精確到200米范圍內(nèi)，通過自帶通話機(jī)制具體了解求生者身體，情緒等狀況；利用無線電發(fā)射器發(fā)出求救信號(hào)，可對(duì)求生者近距離的位置確定，并且可以用于旅游團(tuán)隊(duì)中隊(duì)員之間的信息傳遞；LED燈為失聯(lián)人員提供照明及物理求救信號(hào)，并在一定程度上減輕被困人員的恐懼，焦慮情緒。為了解決失聯(lián)后各電力器件的供電問題，并綜合考慮到太陽能普遍、無害、巨大和長(zhǎng)久等特點(diǎn)后，選擇利用太陽能薄膜電池為各電力設(shè)備提供電能，這也將對(duì)野外生存及搜救工作又提供了一個(gè)非常有利的條件[2]。

2 總體設(shè)計(jì)

太陽能救生衣主要由太陽能發(fā)電儲(chǔ)電模塊、集成式控制模塊、求救模塊及外圍模塊四部分組成。太陽能發(fā)電儲(chǔ)電模塊由薄膜太陽能板和鉛蓄電池組成，實(shí)現(xiàn)太陽能發(fā)電及儲(chǔ)存的功能；集成式控制模塊由微控制器和外圍電路組成，實(shí)現(xiàn)保護(hù)電路及防止過充等功能；求救模塊由GPS全球定位和聲波發(fā)射器組成，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)定位及無線求救；外圍模塊由高亮度LED燈和蓄電池電量顯示器組成，實(shí)現(xiàn)照明、引導(dǎo)救援和顯示蓄電池電量[3]。

3 理論計(jì)算

3.1 負(fù)載功率

求援模塊：無線發(fā)射器功率：0.018W。GPS定位模塊功率：0.003W。

外圍模塊：電量顯示器功率：0.03W。照明燈功率：3W

故負(fù)載工作電壓為6V，功率為3.05W。

3.2 蓄電池的選擇

蓄電池的容量BC計(jì)算公式為：

式中：A為安全系數(shù)，取1.1；

QL為負(fù)載日平均耗電量，為工作電流乘以日工作小時(shí)數(shù);

NL為最長(zhǎng)連續(xù)陰雨天；

TO為溫度修正系數(shù)，取1；

CC為蓄電池放電深度，取0.85。

已知負(fù)載電壓為6V，總功率為3.05W，每天工作10h。故該蓄電池容量為：

故選用蓄電池規(guī)格為：6V7Ah

3.3 光伏組件的選擇

太陽能電池組件串聯(lián)數(shù)計(jì)算：

式中：UR為太陽能電池方陣輸出最小電壓；

Uoc為太陽能電池組件的最佳工作電壓；

Uf為蓄電池浮充電壓；

UD為二極管降壓，取0.7V；

UC為其它因數(shù)引起的壓降，取1V；

已知蓄電池浮充電壓為6.8V，柔性組件標(biāo)準(zhǔn)功率為0.5W，最佳電流為0.25A，最佳電壓為2V，故柔性組件串聯(lián)個(gè)數(shù)為：

故太陽能電池方陣功率為：

計(jì)算結(jié)果：需要太陽能電池組件功率為2.5W，共需5塊標(biāo)準(zhǔn)電池組件串聯(lián)，蓄電池容量為7(Ah)。

4 實(shí)驗(yàn)

安裝無線信號(hào)測(cè)試軟件，對(duì)無線電發(fā)射器件進(jìn)行近距離測(cè)試，選擇一片區(qū)域進(jìn)行信號(hào)強(qiáng)度測(cè)試。我們對(duì)聲波發(fā)射器的信號(hào)強(qiáng)度隨距離的變化進(jìn)行了測(cè)試，隨著距離的增加聲波發(fā)射器的信號(hào)隨之降低，在100米范圍內(nèi)清晰，當(dāng)距離大于100米時(shí)信號(hào)隨之減弱，直到距離達(dá)到200米信號(hào)消失[4]。

5 應(yīng)用前景分析

本產(chǎn)品開發(fā)的太陽能救生衣是將太陽能組件，無線電發(fā)射器，GPS定位器和照明融為一體的設(shè)備，可廣泛用于野外，海上等復(fù)雜環(huán)境的救生工作，在人員的救生方面有著重要而深遠(yuǎn)的意義.近幾年，我國(guó)接二連三出現(xiàn)“驢友”（也叫背包客）野外旅游遇險(xiǎn)事件，2010年12月，由復(fù)旦大學(xué)學(xué)生等18人組成的旅游團(tuán)在黃山遇險(xiǎn)，當(dāng)?shù)孛窬瘡埦僭跔I(yíng)救途中墜崖身亡。2011年，又有5名驢友在廣西千家洞旅游區(qū)因迷路被困山中，經(jīng)各方全力施救才最終脫險(xiǎn)。這引起了人們對(duì)搜救工作的思考。

武威市地處著名的“絲綢之路”要沖，東接蘭州、南靠西寧、北臨銀川和內(nèi)蒙、西通新疆，處于亞歐大陸橋的咽喉地位和西隴海蘭新線經(jīng)濟(jì)帶的中心地段，擁有豐富的旅游資源，著名的有祁連山國(guó)家自然保護(hù)區(qū)、馬牙雪山等。由于景區(qū)面積大，所以對(duì)于景區(qū)搜救機(jī)制是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。面對(duì)這項(xiàng)挑戰(zhàn)，太陽能救生衣就擁有了廣闊的發(fā)展前景。傳統(tǒng)的搜救工作搜救人員對(duì)于救生者具體情況知之甚少，具體位置很難確定，所以通常采用的是“地毯式”搜救方式，搜救成本巨大。

本產(chǎn)品通過對(duì)這些問題的研究，并成功克服了相應(yīng)問題。GPS定位器可遠(yuǎn)距離對(duì)求生者進(jìn)行位置定位，精確到200米范圍內(nèi)，通過自帶通話機(jī)制了解求生者身體、情緒等狀況；無線電發(fā)射器可對(duì)求生者近距離的位置確定，并且可以用于旅游團(tuán)隊(duì)中之間的信息傳遞。所有的設(shè)備的供電都由太陽能組件供應(yīng)，這對(duì)野外生存又是一個(gè)非常有利的條件。

這些問題的研究與克服以及旅游地區(qū)的特殊自然環(huán)境，使得本產(chǎn)品在市場(chǎng)具有一定的競(jìng)爭(zhēng)力，對(duì)于搜救機(jī)制的完善，旅游業(yè)的發(fā)展有著十分重要的意義。