CN110269373B - 基于光伏发电的智能骑行背包、工作方法及存储介质 - Google Patents

Abstract

本发明涉及基于光伏发电的智能骑行背包、工作方法及存储介质，包括：背包，姿态传感器，用于对用户的运动姿态数据进行获取；太阳能光伏板，用于将太阳能转化为电能从而为整个背包供能，所述太阳能光伏板还连接有锂电池，所述锂电池用于将供能剩余的电量储存；第一警示灯带，用于在夜间给予周围环境警示；第二警示灯带，用于在用户刹车时给予周围环境警示；光敏传感器，用于对背包所处环境的光照强度进行测定；GPRS通信模块，用于在用户倒地不起时发送求救信号给预设的对象；本发明能够智能地控制背包电路通断，能够在光强较暗、刹车以及用户突发意外倒地不起时对用户的安全予以保护，十分适用于但不仅限于夜间骑行爱好者。

Description

基于光伏发电的智能骑行背包、工作方法及存储介质

技术领域

本发明涉及背包领域，尤其涉及基于光伏发电的智能骑行背包、工作方法及存储介质。

背景技术

骑行是一种健康自然的运动旅游方式，能充分享受旅行过程之美。一辆单车，一个背包即可出行，简单又环保。在不断而来的困难当中体验挑战，在旅途的终点体验成功。

在倡导绿色出行的今天，人们回归自行车代步出游的趋势愈加明显，太阳能商务背包的出现大大缓解了这一出行顾虑，沈阳理工大学的学生则提出太阳能充电包的设想；然而这些产品功能较为单一，不能够在用户骑行时对用户的安全提供一定的保障，无法在用户在野外骑行遇到安全事故时做出智能判断，通知他人进行救援。

当今市场急需一种基于光伏发电的智能骑行背包，能够在节能的基础上，在用户骑行时给予用户一定的安全保障，且在用户发生意外事故时能够做出自判断通知他人进行救援。

发明内容

本发明的目的是解决现有技术的不足，提供基于光伏发电的智能骑行背包、工作方法及存储介质。

为了实现上述目的，本发明采用以下的技术方案：

基于光伏发电的智能骑行背包，包括：

背包，所述背包用于用户进行背持；

姿态传感器，所述姿态传感器设置于所述背包上，用于对用户的运动姿态数据进行获取；

太阳能光伏板，所述太阳能光伏板设置于所述背包的外端面，用于将太阳能转化为电能从而为整个背包供能，所述太阳能光伏板还连接有锂电池，所述锂电池用于将供能剩余的电量储存；

第一警示灯带，所述第一警示灯带设置于所述太阳能光伏板上，用于在夜间给予周围环境警示；

第二警示灯带，所述第二警示灯带设置于所述太阳能光伏板上，用于在用户刹车时给予周围环境警示；

光敏传感器，所述光敏传感器设置于所述背包上，用于对背包所处环境的光照强度进行测定；

GPRS通信模块，所述GPRS通信模块设置于所述背包上，用于在用户倒地不起时发送求救信号给预设的对象；

处理模块，所述处理模块设置于所述背包上，用于在光照强度低于阈值时控制所述第一警示灯带常亮，在用户刹车时控制第二警示灯带闪烁，根据用户的运动姿态数据对用户的运动姿态进行判断，控制GPRS通信模块发送求救信号给预设的对象。

进一步，所述姿态传感器为MPU6050姿态传感器，包括三轴加速度传感器以及三轴陀螺仪。

进一步，所述第一警示灯带的灯光颜色为白色设置于所述太阳能光伏板的上端，所述第二警示灯带的灯光为红色设置于所述太阳能光伏板的中部。

进一步，所述处理模块包括MCU及其外围电路，所述MCU的型号为STM32单片机。

进一步，所述背包还设置有USB充电接口，所述USB充电接口与所述锂电池电连接。

还提出基于光伏发电的智能骑行背包的工作方法，应用于上述基于光伏发电的智能骑行背包，包括以下：

获取姿态传感器的相关数据，进行FIR滤波后，初始化四元数，并由四元数得出姿态模型矩阵，计算出航向角

俯仰角θ以及翻滚角γ，同时计算人体加速度向量幅值SVM；

根据计算值定义如下几种状态:

状态1：当SVM>0.8g，即7.84m/s²时，判断用户为运动状态，此时该背包开始工作，若MCU上的运行指示灯闪烁则表示背包正常运行，若常亮则表示背包出现故障；

状态2：当SVM瞬时值>2.5g，即24.5m/s²且θ>|45°|，

时，判断用户为倒地不起，处理模块通过GPRS通信模块进行远程求救、第二警示灯带保持闪烁示警，且切断除第二警示灯带以及GPRS通信模块以外的其他模块的供电；

状态3：当SVM瞬时值>2.0g,即19.6m/s²且γ＜|45°|，θ＜|45°|时，判断用户为急刹车状态，则第二警示灯带闪烁示警；

获取光敏传感器的光强值，若光敏传感器的光强值低于阈值，则判定用户为夜间骑行状态，此时第一警示灯带持续亮灯，若光敏传感器的光强值不低于阈值，则判定用户为非夜间骑行状态，此时第一警示灯带不亮灯；

不论背包是否启动，当太阳能光伏板遇太阳光照时将自动给锂电池充电，如电池电量饱和，则自动启动过充保护停止充电。

进一步，计算航向角

俯仰角θ以及翻滚角γ的方法包括以下：

步骤1、初始化四元数q₀、q₁、q₂、q₃如下：

步骤2、由四元数确定姿态矩阵

步骤3、根据步骤1以及步骤2的式子可以解出姿态角

θ、γ：

θ＝-arcsin[2(q₁q₃-q₀q₂)]

进一步，计算人体加速度向量幅值SVM的具体定义式如下：

其中A_x、A_y、A_z分别为X、Y、Z三轴运动加速度幅值,单位为g，上述g为重力加速度，g＝9.8m/s²。

还提出一种计算机可读存储的介质，所述计算机可读存储的介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求6-8任一项所述方法的步骤。

本发明的有益效果为：

本发明通过在背包上安装太阳能光伏板并连接锂电池，能够利用太阳能对背包进行供电，同时通过获取姿态传感器以及光敏传感器采集到的数据进行计算并根据计算得到的数值对用户的骑行状态进行判断，智能地控制背包电路通断，能够在光强较暗、刹车以及用户突发意外倒地不起时对用户的安全予以保护，十分适用于但不仅限于夜间骑行爱好者。

附图说明

图1所示为基于光伏发电的智能骑行背包整体结构示意图；

图2所示为基于光伏发电的智能骑行背包硬件框图；

图3所示为基于MOS管的开关电路原理图。

具体实施方式

以下将结合实施例和附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果进行清楚、完整的描述，以充分地理解本发明的目的、方案和效果。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。附图中各处使用的相同的附图标记指示相同或相似的部分。

结合图1、图2以及图3，本发明提供基于光伏发电的智能骑行背包、工作方法及存储介质。

为了实现上述目的，本发明采用以下的技术方案：

基于光伏发电的智能骑行背包，包括：

背包100，所述背包100用于用户进行背持；

姿态传感器，所述姿态传感器设置于所述背包100上，用于对用户的运动姿态数据进行获取；

太阳能光伏板200，所述太阳能光伏板200设置于所述背包100的外端面，用于将太阳能转化为电能从而为整个背包100供能，所述太阳能光伏板200还连接有锂电池，所述锂电池用于将供能剩余的电量储存；太阳能光伏板200采用高效单晶硅光伏板，转换率高，考虑到光照不均匀等问题，需要经过稳压才能供给电池，并选用选用带有过充过放保护的锂电池，延长使用寿命。

第一警示灯带300，所述第一警示灯带300设置于所述太阳能光伏板200上，用于在夜间给予周围环境警示；

第二警示灯带400，所述第二警示灯带400设置于所述太阳能光伏板200上，用于在用户刹车时给予周围环境警示；

光敏传感器，所述光敏传感器设置于所述背包100上，用于对背包100所处环境的光照强度进行测定；

GPRS通信模块，所述GPRS通信模块设置于所述背包100上，用于在用户倒地不起时发送求救信号给预设的对象；预先在GPRS通信模块设定求救信息以及在出现意外时需要进行发送的对象，在遇到突发情况时快速通知对方前来救援。

处理模块，所述处理模块设置于所述背包100上，用于在光照强度低于阈值时控制所述第一警示灯带常亮，在用户刹车时控制第二警示灯带闪烁，根据用户的运动姿态数据对用户的运动姿态进行判断，控制GPRS通信模块发送求救信号给预设的对象。

作为本方案的优选实施方式，所述姿态传感器为MPU6050姿态传感器，包括三轴加速度传感器以及三轴陀螺仪。采用MPU6050姿态传感器可以获取三个轴向上的加速度，又因为地球的重力是长期存在且永远竖直向下，因此可以根据重力加速度相对于姿态传感器的指向为参考算出当前的姿态，而MPU6050姿态传感器在进行姿态计算时较为方便，故选用MPU6050姿态传感器，当然只要能够实现本方案选用其他的姿态传感器也是可以的。

作为本方案的优选实施方式，所述第一警示灯带300的灯光颜色为白色设置于所述太阳能光伏板的上端，所述第二警示灯带400的灯光为红色设置于所述太阳能光伏板的中部。将第一警示灯带300的灯光颜色设置成白色、第二警示灯带400的灯光颜色设置成红色能够便于区分，并且，因为第二警示灯带用于刹车报警以及意外倒地不起报警所以选用穿透性更强且警示含义更强烈的红色灯光。

作为本方案的优选实施方式，所述处理模块包括MCU及其外围电路，所述MCU的型号为STM32单片机。因为STM32编程较为简便且运行速度也较快，故选用STM32作为MCU，当然选用能够实现奔放的的其他MCU也是可以的。

作为本方案的优选实施方式，所述背包还设置有USB充电接口，所述USB充电接口与所述锂电池电连接。在背包上还设置有USB充电接口，可以方便骑行者对其电子设备进行充电，因为在户外骑行时，很有可能出现迷路等各种突发情况，而电子设备诸如手机等通常是骑行者与外界联系的纽带，一旦断电的话可能会对骑行者的安全造成影响，所以提供USB充电接口是十分必要的。

为了解决机械式继电器在背包控制使用过程中,产生的触点烧蚀故障率高、功耗和发热量大等问题,设计了一种MOS管开关电路，因为MOS是电压控制器件，用MOS管做电源驱动时，只需要一个驱动电压信号即可，再加上MOS管饱和导通时产生的压降比三极管饱和压降低，所以耗散功率小，效率也更高，故特此设计为本装置的开关电路。

具体连接关系如下：

PWM波信号连接电阻R3的一端，电阻R3的另一端分别连接电阻R1的一端、电阻R2的一端、NMOS管Q1的栅极以及NMOS管Q2的栅极，电阻R1的另一端接地，电阻R2的另一端连接第二警示灯带的二极管正极，二极管的负极接地，NMOS管Q1的漏极连接电源，NMOS管Q1的源极接地，NMOS管Q2的漏极连接电源，NMOS管Q2的源极接地。

根据

其中W为光伏板发电功率单位，m²为光伏板面积单位；代入最大发电功率6W和面积0.04m²,得到转换效率为15％。

对背包的用电进行计算，首先对背包的好点参数进行统计：光伏板发电功率为3W，装置满载消耗功率F为1.57W，日间平均消耗功率D为0.49W，夜间平均消耗功率N为1.12W；则节电效率η可由下式计算：

其中，T_D和T_N分别是装置白天和夜间运行时长，代入3小时与2小时可得出装置经过节能调控后可省电52.7％。

上述性能经测试表明，该装置运行情况稳定，另外为避免中暑，不建议骑手在有阳光的情况下户外运动较长时间，但可将背包放置阳光下充电。

整套装置的花费在90元左右，成本甚至低于一些大容量移动电源，且采用太阳能供电，循环多次利用之下节省可观电量；另外，其节能和便捷的特点满足当下人们出行的需求，不必携带笨重的电源，既可以随时充电，又有一定的安全保障，符合现今环保当先的趋势，且拥有比较时尚的设计吸引消费者，故本发明有着较大的应用价值和消费市场。

还提出基于光伏发电的智能骑行背包的工作方法，应用于上述基于光伏发电的智能骑行背包，包括以下：

获取姿态传感器的相关数据，进行FIR滤波后，初始化四元数，并由四元数得出姿态模型矩阵，计算出航向角

俯仰角θ以及翻滚角γ，同时计算人体加速度向量幅值SVM；

根据计算值定义如下几种状态:

状态1：当SVM>0.8g，即7.84m/s²时，判断用户为运动状态，此时该背包100开始工作，若MCU上的运行指示灯闪烁则表示背包100正常运行，若常亮则表示背包100出现故障；

状态2：当SVM瞬时值>2.5g，即24.5m/s²且θ>|45°|，

时，判断用户为倒地不起，处理模块通过GPRS通信模块进行远程求救、第二警示灯带保持闪烁示警，且切断除第二警示灯带以及GPRS通信模块以外的其他模块的供电；

状态3：当SVM瞬时值>2.0g,即19.6m/s²且γ＜|45°|，θ＜|45°|时，判断用户为急刹车状态，则第二警示灯带闪烁示警；

获取光敏传感器的光强值，若光敏传感器的光强值低于阈值，则判定用户为夜间骑行状态，此时第一警示灯带持续亮灯，若光敏传感器的光强值不低于阈值，则判定用户为非夜间骑行状态，此时第一警示灯带不亮灯；

不论背包100是否启动，当太阳能光伏板遇太阳光照时将自动给锂电池充电，如电池电量饱和，则自动启动过充保护停止充电。

作为本方案的优选实施方式，计算航向角

俯仰角θ以及翻滚角γ的方法包括以下：

步骤1、初始化四元数q₀、q₁、q₂、q₃如下：

步骤2、由四元数确定姿态矩阵

步骤3、根据步骤1以及步骤2的式子可以解出姿态角

θ、γ：

θ＝-arcsin[2(q₁q₃-q₀q₂)]

作为本方案的优选实施方式，计算人体加速度向量幅值SVM的具体定义式如下：

其中A_x、A_y、A_z分别为X、Y、Z三轴运动加速度幅值,单位为g，上述g为重力加速度，g＝9.8m/s²。

还提出一种计算机可读存储的介质，所述计算机可读存储的介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求6-8任一项所述方法的步骤。

另外，在本发明各个实施例中的各功能模块可以集成在一个处理模块中，也可以是各个模块单独物理存在，也可以两个或两个以上模块集成在一个模块中。上述集成的模块既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。

所述集成的模块如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明实现上述实施例方法中的全部或部分流程，也可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的计算机程序可存储于一计算机可读存储的介质中，该计算机程序在被处理器执行时，可实现上述各个方法实施例的步骤。其中，所述计算机程序包括计算机程序代码，所述计算机程序代码可以为源代码形式、对象代码形式、可执行文件或某些中间形式等。所述计算机可读介质可以包括：能够携带所述计算机程序代码的任何实体或装置、记录介质、U盘、移动硬盘、磁碟、光盘、计算机存储器、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，RandomAccess Memory)、电载波信号、电信信号以及软件分发介质等。需要说明的是，所述计算机可读介质包含的内容可以根据司法管辖区内立法和专利实践的要求进行适当的增减，例如在某些司法管辖区，根据立法和专利实践，计算机可读介质不包括是电载波信号和电信信号。

尽管本发明的描述已经相当详尽且特别对几个所述实施例进行了描述，但其并非旨在局限于任何这些细节或实施例或任何特殊实施例，而是应当将其视作是通过参考所附权利要求考虑到现有技术为这些权利要求提供广义的可能性解释，从而有效地涵盖本发明的预定范围。此外，上文以发明人可预见的实施例对本发明进行描述，其目的是为了提供有用的描述，而那些目前尚未预见的对本发明的非实质性改动仍可代表本发明的等效改动。

以上所述，只是本发明的较佳实施例而已，本发明并不局限于上述实施方式，只要其以相同的手段达到本发明的技术效果，都应属于本发明的保护范围。在本发明的保护范围内其技术方案和/或实施方式可以有各种不同的修改和变化。

Claims (8)

1.基于光伏发电的智能骑行背包，其特征在于，包括：

背包，所述背包用于用户进行背持；

姿态传感器，所述姿态传感器设置于所述背包上，用于对用户的运动姿态数据进行获取；所述姿态传感器为MPU6050姿态传感器，包括三轴加速度传感器以及三轴陀螺仪；

太阳能光伏板，所述太阳能光伏板设置于所述背包的外端面，用于将太阳能转化为电能从而为整个背包供能，所述太阳能光伏板还连接有锂电池，所述锂电池用于将供能剩余的电量储存；

第一警示灯带，所述第一警示灯带设置于所述太阳能光伏板上，用于在夜间给予周围环境警示；

第二警示灯带，所述第二警示灯带设置于所述太阳能光伏板上，用于在用户刹车时给予周围环境警示；

光敏传感器，所述光敏传感器设置于所述背包上，用于对背包所处环境的光照强度进行测定；

GPRS通信模块，所述GPRS通信模块设置于所述背包上，用于在用户倒地不起时发送求救信号给预设的对象；

处理模块，所述处理模块设置于所述背包上，用于在光照强度低于阈值时控制所述第一警示灯带常亮，在用户刹车时控制第二警示灯带闪烁，根据用户的运动姿态数据对用户的运动姿态进行判断，控制GPRS通信模块发送求救信号给预设的对象；

其中，姿态传感器的相关数据，进行FIR滤波后，初始化四元数，并由四元数得出姿态模型矩阵，计算出航向角

俯仰角θ以及翻滚角γ，同时计算人体加速度向量幅值SVM；当SVM瞬时值>2.0g,即19.6m/s²且γ＜|45°|，θ＜|45°|时，判断用户为急刹车状态，则第二警示灯带闪烁示警；当SVM瞬时值>2.5g，即24.5m/s²且θ>|45°|，

时，判断用户为倒地不起，处理模块通过GPRS通信模块进行远程求救，g为重力加速度。

2.根据权利要求1所述的基于光伏发电的智能骑行背包，其特征在于，所述第一警示灯带的灯光颜色为白色设置于所述太阳能光伏板的上端，所述第二警示灯带的灯光为红色设置于所述太阳能光伏板的中部。

3.根据权利要求1所述的基于光伏发电的智能骑行背包，其特征在于，所述处理模块包括MCU及其外围电路，所述MCU的型号为STM32单片机。

4.根据权利要求1所述的基于光伏发电的智能骑行背包，其特征在于，所述背包还设置有USB充电接口，所述USB充电接口与所述锂电池电连接。

5.基于光伏发电的智能骑行背包的工作方法，其特征在于，应用于权利要求1-4任一项的基于光伏发电的智能骑行背包，包括以下：

获取姿态传感器的相关数据，进行FIR滤波后，初始化四元数，并由四元数得出姿态模型矩阵，计算出航向角

俯仰角θ以及翻滚角γ，同时计算人体加速度向量幅值SVM；

根据计算值定义如下几种状态:

状态1：当SVM>0.8g，即7.84m/s²时，判断用户为运动状态，此时该背包开始工作，若MCU上的运行指示灯闪烁则表示背包正常运行，若常亮则表示背包出现故障；

状态2：当SVM瞬时值>2.5g，即24.5m/s²且θ>|45°|，

时，判断用户为倒地不起，处理模块通过GPRS通信模块进行远程求救、第二警示灯带保持闪烁示警，且切断除第二警示灯带以及GPRS通信模块以外的其他模块的供电；

状态3：当SVM瞬时值>2.0g,即19.6m/s²且γ＜|45°|，θ＜|45°|时，判断用户为急刹车状态，则第二警示灯带闪烁示警；

获取光敏传感器的光强值，若光敏传感器的光强值低于阈值，则判定用户为夜间骑行状态，此时第一警示灯带持续亮灯，若光敏传感器的光强值不低于阈值，则判定用户为非夜间骑行状态，此时第一警示灯带不亮灯；

不论背包是否启动，当太阳能光伏板遇太阳光照时将自动给锂电池充电，如电池电量饱和，则自动启动过充保护停止充电。

6.根据权利要求5所述的基于光伏发电的智能骑行背包的工作方法，其特征在于，计算航向角俯仰角θ以及翻滚角γ的方法包括以下：

步骤1、初始化四元数q₀、q₁、q₂、q₃如下：

步骤2、由四元数确定姿态矩阵

步骤3、根据步骤1以及步骤2的式子可以解出姿态角

θ、γ：

θ＝-arcsin[2(q₁q₃-q₀q₂)]；

7.根据权利要求5所述的基于光伏发电的智能 骑行背包的工作方法，其特征在于，计算人体加速度向量幅值SVM的具体定义式如下：

其中Ax、Ay、Az分别为X、Y、Z三轴运动加速度幅值,单位为g，上述g为重力加速度，g＝9.8m/s²。

8.一种计算机可读存储的介质，所述计算机可读存储的介质存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求5-7中任一项所述方法的步骤。

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