趙志強(qiáng) ， 鄧 璦 ， 葛朝中 ， 陳 麗

（1.重慶郵電大學(xué) 生物醫(yī)學(xué)研究中心，重慶 400065；2.重慶醫(yī)科大學(xué) 附屬第二醫(yī)院，重慶 400010）

基于GPRS的野生動(dòng)物遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

趙志強(qiáng)1，2， 鄧 璦1， 葛朝中1， 陳 麗1

（1.重慶郵電大學(xué) 生物醫(yī)學(xué)研究中心，重慶 400065；2.重慶醫(yī)科大學(xué) 附屬第二醫(yī)院，重慶 400010）

針對(duì)傳統(tǒng)方法在監(jiān)測(cè)野生動(dòng)物時(shí)存在的一些問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一套野生動(dòng)物的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要包括野生動(dòng)物相關(guān)參數(shù)前端采集、處理及GPRS遠(yuǎn)程傳輸。主要介紹了系統(tǒng)的軟硬件實(shí)現(xiàn)方案，并在軟件部分闡述了前端微處理器中體溫?cái)?shù)據(jù)糾錯(cuò)功能，通過(guò)對(duì)環(huán)境溫度和動(dòng)物體溫這兩組溫度數(shù)據(jù)的對(duì)比，實(shí)現(xiàn)了對(duì)動(dòng)物偷獵行為的預(yù)警作用。

GPRS；數(shù)據(jù)糾錯(cuò)；預(yù)警；無(wú)線(xiàn)傳輸；遠(yuǎn)程監(jiān)控

野生動(dòng)物的生存與發(fā)展維系著整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)的平衡與穩(wěn)定，與人類(lèi)的生存息息相關(guān)。野生動(dòng)物監(jiān)測(cè)的目的是實(shí)時(shí)收集野生動(dòng)物相關(guān)數(shù)據(jù)，利用這些數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、分析，從而為野生動(dòng)物的研究與保護(hù)提供重要的數(shù)據(jù)支持與決策信息。

然而，目前野生動(dòng)物監(jiān)測(cè)存在人與動(dòng)物交叉感染、實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)多參數(shù)監(jiān)測(cè)困難等問(wèn)題。大部分的人類(lèi)傳染病都源自于動(dòng)物（例如SARS、AIDS），許多野生動(dòng)物的疫病具有傳染性，能夠通過(guò)各種媒介互相傳染，特別是研究人員在近距離研究野生動(dòng)物時(shí)很容易被感染。野生動(dòng)物的棲息、活動(dòng)場(chǎng)所廣闊且通常分布在深山密林之中，生存條件惡劣，監(jiān)測(cè)人員難以實(shí)現(xiàn)動(dòng)物的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)[1]。為此，筆者從實(shí)際應(yīng)用出發(fā)，以GPRS模塊為核心，設(shè)計(jì)一種無(wú)線(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，用以檢測(cè)野生動(dòng)物的體溫[2]、運(yùn)動(dòng)量和環(huán)境溫度[3]，采集導(dǎo)數(shù)據(jù)經(jīng)數(shù)據(jù)處理模塊處理后，通過(guò)GPRS接入Internet進(jìn)行遠(yuǎn)程傳輸、控制和管理[4]。實(shí)驗(yàn)表明：GPRS數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)在野生動(dòng)物環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中完全適用。

1 總體設(shè)計(jì)方案

將該前端信號(hào)采集系統(tǒng)安裝在動(dòng)物身上，通過(guò)傳感器群采集所需信息并傳入微處理器，微處理器對(duì)各種信息整合打包之后定時(shí)發(fā)送給GPRS模塊[5]，啟動(dòng)GPRS模塊接入Internet最終將信息送入網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)中心。采用模塊化設(shè)計(jì)思想，其整體結(jié)構(gòu)主要包括前端信號(hào)采集調(diào)理模塊、進(jìn)行數(shù)據(jù)分析管理的控制處理模塊、低電量報(bào)警模塊以及進(jìn)行無(wú)線(xiàn)傳輸?shù)腉PRS模塊[6]。其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure diagram of system

傳感器群中包含了兩個(gè)溫度傳感器、加速度傳感器等，溫度傳感器用于測(cè)量動(dòng)物的體溫及外界環(huán)境溫度[7]，當(dāng)體溫值與外界環(huán)境溫度值接近時(shí)可以初步認(rèn)定動(dòng)物死亡，對(duì)于防止偷獵能起到一定的作用。

2 監(jiān)測(cè)終端硬件設(shè)計(jì)

2.1 電源模塊

采用12C5A60S2單片機(jī)和SIM300無(wú)線(xiàn)通信模塊構(gòu)成數(shù)據(jù)采集終端。外部輸入電壓為9 V，由于傳感器及單片機(jī)工作電壓為5 V，而SIM300模塊工作電壓為4.2 V，因此本系統(tǒng)需提供5 V及4.2 V電壓。5 V電源可由7805芯片實(shí)現(xiàn)；而對(duì)于SIM300模塊采用4.2 V供電，工作時(shí)要求電源最高輸出電流必須達(dá)到2 A，因此采用MIC29302芯片，電路圖分別如圖2，圖 3所示。

圖2 5 V電源供電電路Fig.2 5 V power supply circuit

圖3 SIM300供電電路Fig.3 SIM300 power supply circuit

2.2 無(wú)線(xiàn)傳輸模塊

GPRS無(wú)線(xiàn)通信模塊采用Simcom公司的SIM300GSM／GPRS雙頻模塊[8]。主要為語(yǔ)音傳輸、短消息和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)提供無(wú)線(xiàn)接口。適合于開(kāi)發(fā)一些GSM／GPRS的無(wú)線(xiàn)應(yīng)用產(chǎn)品。同時(shí)，SIM300模塊中集成了TCP／IP協(xié)議棧，并為用戶(hù)提供了擴(kuò)展的TCP/IP AT命令，使用戶(hù)可以輕松地使用TCP/IP協(xié)議，實(shí)現(xiàn)GPRS網(wǎng)絡(luò)與Internet網(wǎng)絡(luò)的順利接入。

1）通信電路設(shè)計(jì)

SIM300提供兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的RS232串行接口，用戶(hù)可以通過(guò)串行口使用AT命令完成對(duì)模塊的操作[5]。串口一共有7個(gè)引腳，包括：數(shù)據(jù)引腳TXD和RXD，狀態(tài)引腳RTS和CTS以及控制引腳DTR，DCD，RING。串口一可用于數(shù)據(jù)交換服務(wù)，發(fā)送傳真、GPRS服務(wù)和發(fā)送AT指令。串口二只包括兩個(gè)引腳TXD和RXD[9]，使用串口二之前一定要通過(guò)AT指令“AT+UART”啟用。串口一和串口二不能同時(shí)使用。考慮到需要通過(guò)模塊上網(wǎng)，所以使用全部的串口信號(hào)引腳，當(dāng)模塊與主控模塊通信時(shí)需要電平轉(zhuǎn)換，啟動(dòng)SIM300模塊只需將IGT管腳拉低即可，其連接電路如圖4所示。

2）SIM卡電路設(shè)計(jì)

SIM卡與SIM300模塊通過(guò)板對(duì)板連接器進(jìn)行連接。目前，有6針和8針兩種連接，該方案中采用的是6針連接器。其主要包括SIM卡的電源線(xiàn)、數(shù)據(jù)線(xiàn)、SIM卡時(shí)鐘、復(fù)位線(xiàn)和狀態(tài)線(xiàn)，SIM卡的供電電壓由SIM300模塊進(jìn)行供電，根據(jù)通信公司提供的SIM卡模塊自動(dòng)進(jìn)行選擇。設(shè)計(jì)中，SIM卡上的 RST、I／O、CLK、VCC 和 GND 分別連接到 SIM300 的相應(yīng)引腳，VPP懸空，其連接電路圖如圖5所示。

2.3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

圖4 GPRS模塊通信電路Fig.4 GPRS module communication circuits

圖5 SIM卡電路圖Fig.5 SIM card circuit

在以上硬件上進(jìn)行軟件編寫(xiě)，采用C語(yǔ)言編程。主要包括初始化部分，傳感器數(shù)據(jù)采集部分，對(duì)收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行糾錯(cuò)、壓縮處理部分以及數(shù)據(jù)發(fā)送部分。在發(fā)送部分，單片機(jī)通過(guò)串口以AT指令形式與sim300模塊進(jìn)行通信，系統(tǒng)采用TCP點(diǎn)對(duì)點(diǎn)連接方式?？傮w程序流程圖如圖6所示。

圖6 軟件流程圖Fig.6 Flow chart of software

系統(tǒng)采用使用GPRS傳輸數(shù)據(jù)采用TCP方式進(jìn)行連接，通過(guò)服務(wù)器端的IP地址進(jìn)行本地設(shè)置，發(fā)起連接[10]。初始化過(guò)程中優(yōu)先啟動(dòng)兩路溫度傳感器，測(cè)量動(dòng)物體溫及環(huán)境溫度，防止監(jiān)測(cè)終端發(fā)熱影響溫度測(cè)量的準(zhǔn)確值。系統(tǒng)在處理數(shù)據(jù)過(guò)程中將處理器接收到的體溫?cái)?shù)據(jù)與上一次得到體溫?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行比較，若數(shù)據(jù)相差絕對(duì)值超過(guò)0.2攝氏度則舍棄前一次數(shù)據(jù)以期對(duì)溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行簡(jiǎn)單糾錯(cuò)，保證數(shù)據(jù)的精確。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

使用本系統(tǒng)中用于體溫測(cè)量的溫度傳感器對(duì)室溫進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量結(jié)果如圖7所示。

由圖7可以看出由于在初始測(cè)溫時(shí)傳感器溫度急劇上升，變化量過(guò)快而導(dǎo)致溫度結(jié)果不顯示，隨著時(shí)間推移所測(cè)溫度逐漸趨于穩(wěn)定，與實(shí)際溫度基本相符。對(duì)于長(zhǎng)時(shí)間工作能有效防止測(cè)量誤差，測(cè)量溫度穩(wěn)定。

圖7 溫度數(shù)據(jù)（虛線(xiàn)為實(shí)際測(cè)量溫度）Fig.7 Temperature data（dashed line is the actual measured temperature）

4 結(jié)束語(yǔ)

本系統(tǒng)主要是針對(duì)野生動(dòng)在野外生存的參數(shù)進(jìn)行采集，由傳感器采集數(shù)據(jù)[11]發(fā)送至微處理器，再通過(guò)SIM300無(wú)線(xiàn)通信模塊和Internet相連，進(jìn)行數(shù)據(jù)的無(wú)線(xiàn)傳輸，實(shí)現(xiàn)野生動(dòng)物的生理參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，同時(shí)，該系統(tǒng)預(yù)留了端口，可用于后期GPS或者其它功能擴(kuò)展。系統(tǒng)中引入的兩路溫度信號(hào)比較對(duì)于保護(hù)珍稀野生動(dòng)物、防止偷獵也能起到一定預(yù)警作用。采用GPRS無(wú)線(xiàn)通信，實(shí)時(shí)穩(wěn)定的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)野生動(dòng)物的運(yùn)動(dòng)量、體溫以及外界環(huán)境溫度，為對(duì)野生動(dòng)物的研究、監(jiān)測(cè)節(jié)省了大量的人力、物力，對(duì)保護(hù)野生動(dòng)物資源具有重要的意義。

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Design of remote monitoring system for wildlife based on GPRS

ZHAO Zhi-qiang1，2， DENG Ai1， GE Zhao-zhong1， CHEN Li1
（1.Biomedical Engineering Research center，Chongqing University of Posts&Telecommunications，Chongqing400065，China； 2.The Second Collegeand Affiliated Hospital（SCCAH），Chongqing Medical University（CQMU），Chongqing400010，China）

According to the traditional method’s problem of monitoring wild animals， a remote monitroring system for wild animals is designed.The system includes three parts with wildlife-related parameters， which are the front-end collection，processing and GPRS remote transmission.The software and hardware of the system are described.The founction of data error correction in the front-end microprecessor is introduced in the part of software.Comparing the ambient temperature with the animal’s body temperature， the early warning of animal poaching is achieved.

GPRS； data error correction； early warning；wireless transmission； remote monitoring

TN6

A

1674－6236（2012）04-0097-03

2011-12-20 稿件編號(hào)：201112118

趙志強(qiáng)（1976—），男，重慶人，博士，副教授。研究方向：智能醫(yī)療儀器。