可跟蹤便攜式林區(qū)人身防護器的設計

魏艷秀，李丹丹，許 洋，韓 旭，徐林通，張純樸

(東北林業(yè)大學 機電工程學院，哈爾濱 150040)

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可跟蹤便攜式林區(qū)人身防護器的設計

魏艷秀，李丹丹，許 洋，韓 旭，徐林通，張純樸

(東北林業(yè)大學 機電工程學院，哈爾濱 150040)

隨著人們對林區(qū)資源的深入研究與探索，在獲取豐碩研究成果的同時，野生動物肇事問題也日趨嚴重，野生動物與人發(fā)生沖突致使人員傷亡、財產損失的事件時有發(fā)生，林業(yè)工作者的人身與財產安全受到了極大威脅。如何解決林區(qū)野生動物肇事及避免人獸沖突成為當下研究熱點，針對這一問題，設計一種以STM32為控制核心，結合超聲波、強光、電擊的多功能林區(qū)人身防護裝置。介紹了裝置設計原理并對其進行了性能測試與模擬試驗，驗證其可行性。

可跟蹤便攜式林區(qū)人身防護器；STM32；防護裝置；超聲波；電擊

隨著我國生態(tài)建設的不斷加強以及禁槍禁獵政策的實施，野生動物得以生產繁衍，與此同時，也引發(fā)了人與野生動物的沖突，近年來多起野生動物肇事事件就是這一沖突的集中體現(xiàn)，例如：東北虎、黑熊、金錢豹、狼、毒蛇等野生動物傷人事件頻繁發(fā)生[1]。林業(yè)工作者長期在林區(qū)進行作業(yè)，更容易遭受野生動物襲擊。如何主動對野生動物的襲擊進行有效防御成為研究的熱點問題。

本文基于STM32微控制器設計了可跟蹤便攜式林區(qū)人身防護器，采用超聲波驅逐、強光與高壓電擊進行防御，采用GPS與基站雙重定位，實時反饋使用者位置信息。本裝置具有良好的防護效果，作用范圍廣，適用于在林區(qū)作業(yè)時進行人身防護。

1 裝置設計方案

本裝置通過GPS與基站雙重定位，定位精度高，適用于林區(qū)工作者在野外的工作環(huán)境，可以對使用者位置進行實時定位追蹤，當意外情況發(fā)生時，可以通過本裝置迅速準確地進行救援，降低人員傷亡的概率。

通過超聲波、高壓放電、強光組成的防御系統(tǒng)可以對使用者進行安全防護。超聲波驅逐部分可實現(xiàn)頻段與頻速的調節(jié)，保證對不同攻擊方的攻擊效果同時又避免了對單一頻段與頻率產生免疫，可以對攻擊方的聽覺神經造成創(chuàng)傷，使攻擊方生理功能紊亂從而達到驅逐目的。高壓放電模塊可以產生瞬間高電壓對攻擊方進行打擊，輔以強光照射使攻擊方失去視野從而喪失攻擊能力。

2 硬件電路設計

可跟蹤便攜式林區(qū)人身防護器的系統(tǒng)框圖如圖1所示，系統(tǒng)采用STM32微控制器為控制核心，通過用戶操作人機界面或傳感器反饋信息對各功能模塊進行控制，包括:GSM模塊、定位跟蹤模塊、高壓放電模塊以及超聲波發(fā)射模塊。STM32微處理器用于分析與處理來自人機界面的操作信息、傳感器反饋信息以及GSM模塊的接收與發(fā)送等任務，并按照相應的優(yōu)先級排列順序執(zhí)行任務。

圖1 系統(tǒng)框圖Fig.1 System chart

2.1 中央處理電路

STM32F103是意法半導體(ST)公司出品的內核為Cortex-M3的增強型微控處理器。擁有睡眠、停機和待機模式使它具有低功耗的特點。它的最高工作頻率可達72 MHZ，在存儲器的0等待周期訪問時速率可達1.25 Mbps，并且它的使用非常靈活，擁有豐富的I/O接口。同時，它在最小的系統(tǒng)里集成了復位電路、低電壓檢測、精確的RC振蕩器、調壓器等，擁有128 KB的閃存使得它的性價比很高[2-3]。

中央處理器系統(tǒng)采用STM32F103微控處理器將人機界面操作信息、傳感器反饋信息、GSM模塊接收到的信息均采集到MCU處進行處理，提高了系統(tǒng)的可靠性。系統(tǒng)通過USART實現(xiàn)GSM模塊與系統(tǒng)之間的通信，并將位置信息通過GSM模塊發(fā)送到查詢者移動終端[4]。

2.2 定位模塊

為了更準確地反饋使用者的實時位置，本設計采用基站和GPS雙重定位，將定位信息通過GSM模塊發(fā)送至查詢者手機。GPS通信通過GPS外設模塊采用衛(wèi)星定位，在開闊地的定位精確率較高?；径ㄎ煌ㄟ^移動運營網GPRS的識別信息將位置發(fā)送至中央處理器，作為GPS模塊的補充[5]。

圖2 定位模塊框圖Fig.2 Locator module chart

定位模塊框圖如圖2所示，將基站和GPS模塊接收到的實時定位信息通過GSM模塊發(fā)送至查詢者移動終端。定位信息通過主控制器進行處理，并將信息通過USART發(fā)送至GSM模塊進行通信。

2.3 超聲波模塊

超聲波發(fā)生模塊由三部分構成，包括信號產生單元、信號調制與放大單元、超聲波發(fā)射單元。超聲波模塊通過電源模塊供能并通過單片機進行信號控制后發(fā)射超聲波，關系圖如圖3所示。

圖3 超聲波模塊框圖Fig.3 Ultrasonic module chart

超聲波模塊由12 V鋰電池供電，供電電路中加入保護電路防止漏電短路的發(fā)生。由STM32F103的內部時鐘PLL產生8 MHz的超聲方波，通過信號調制模塊由系統(tǒng)控制產生20～65 kHz的有效驅逐超聲波，并且超聲波頻率與頻速不斷變化、自動掃描以應對野生動物對某一特定頻率產生免疫的情況。

由于經STM32F103產生的超聲波功率較小，達不到驅逐動物的目的。所以產生的超聲波經過推挽式功率放大電路進行功率放大，然后通過超聲波發(fā)射單元采用處于防護器四周的換能器向四周發(fā)射，以降低超聲波的方向性和易衰減產生的影響，從而能夠更好地驅逐周圍的野生動物。

2.4 高壓電擊模塊

根據(jù)高壓電擊棍電路原理，由電源、功率管觸發(fā)電路、升壓隔離變壓器以及電壓整形及LC諧振電路組成的高壓電擊模塊，采用系統(tǒng)+12 V電源輸入，通過功率管觸發(fā)電路產生低壓脈沖用來為升壓變壓器提供輸入，再通過升壓隔離變壓器將低壓脈沖波轉換為高壓脈沖，最后采用濾波方式將脈沖的前沿電壓升高經由LC諧振電路再次升壓后就可以產生150 kV～200 kV脈沖高壓輸出，高壓放電模塊如圖4所示。

圖4 高壓放電模塊框圖Fig.4 High voltage discharge module chart

2.5 電源模塊

電源模塊如圖5所示，系統(tǒng)采用12 V鋰電池供電。為了減少外圍電路對控制電路的干擾，主控電路采用DCDC降壓模塊及LDO芯片將12 V電壓轉化為3.3 V電壓進行供電，高壓放電部分和傳感器部分的供電，由DCDC降壓芯片進行降壓后直接供電。將控制電路與外圍電路分別進行供電，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

圖5 電源模塊框圖Fig.5 Power module chart

3 程序設計

STM32F103的Cortex-M3內核具有優(yōu)越的嵌套向量中斷控制器(NVIC)做可嵌套中斷，并且具有良好的動態(tài)優(yōu)先級調整性能，終端延遲時間短，響應速度快。結合STM32F103的優(yōu)越性能，設計系統(tǒng)主程序及中斷服務程序如圖6所示。系統(tǒng)上電后進行系統(tǒng)初始化，主程序循環(huán)檢測是否有中斷任務發(fā)生，如果有中斷任務產生，則根據(jù)任務的優(yōu)先級排序后依順序執(zhí)行。

通過定時器產生超聲波并且改變超聲波的頻率值，從而達到超聲波掃頻效果，有效防止了攻擊方對單一頻率的免疫。當檢測到有攻擊方靠近時啟動高壓放電裝置及報警裝置進入防護狀態(tài)。

圖6 系統(tǒng)主程序與中斷程序流程圖Fig.6 Main program and interrupt routine flow chart

4 結語

本文提出了在林區(qū)有效避免人獸沖突的解決方案，詳細介紹了便攜式林區(qū)人身防護裝置的設計與實現(xiàn)。該裝置具有成本低、低功耗、抗適應性強等特點。經多次試驗測試，在有效作用面積內有明顯作用效果，適用于長期進行野外作業(yè)或進入林區(qū)進行教學科研活動的專家學者進行人身防護。

可跟蹤便攜式林區(qū)人身防護器是電工學與生態(tài)學的交叉結晶，它可以有效解決林區(qū)工作者的安全問題，將帶來極大的經濟效益和社會效益。同時，在林區(qū)的生態(tài)規(guī)劃以及安全防護等研究領域也具有很高的參考價值。

[1] 劉文燕.論野生動物致害的生態(tài)法律責任[C]//林業(yè)、森林與野生動植物資源保護法制建設研究——2004年中國環(huán)境資源法學研討會(年會)論文集(第二冊)，2004.

[2] 黃智偉，王兵，朱衛(wèi)華. STM32f32位ARM微控制器應用設計與實踐[M].北京:北京航空航天大學出版社，2012.

[3] Liu J Y，Sun S Y. Design and Implementation of Servo Motor Speed Control System Based on STM32[J].Applied Mechanics and Materials，2013，(427)：999-1002.

[4] 韓斌杰.GSM原理及其網絡優(yōu)化[M].北京:機械工業(yè)出版社，2009.

[5] 秦艷珊，寧彬，徐凱，等.蜂窩網絡單基站定位技術的研究與實現(xiàn)[J].計算機時代，2015，(07):20-22.

The design of portable GPS tracked forest area personal protection device

WEI Yan-xiu,LI Dan-dan,XU Yang,HAN Xu,XU Lin-tong,ZHANG Chun-pu

(College of Mechanical and Electrical Engineering,Northeast Forestry University,Harbin 150040,China)

With the research and exploration for forest resources has been deepened gradually,wildlife accident is increasingly serious,and there are so many casual incidents leading to casualties and property loss,so this causes a huge threat to the individual and property safety of forest workers. How to prevent conflicts between human and wild animals and reduce the damages caused by wildlife has become the hot issues in the related studies. In view of this problem,we aim to design a kind of multi-functional forest personal protective device which is controlled by STM32 integrating with a variety of technologies such as ultrasonic,high strength light and electric shock. The design principle and the feasibility of the device verified by performance and simulation test were introduced in this paper.

Portable GPS tracked forest area personal protection device; STM32; Defensive equipment; Ultrasonic; Electric shock

2017-01-12

國家級大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃項目 (201610225041)

魏艷秀(1995-)，男，本科在讀，e-mail:wyx@nefu.edu.cn。

李丹丹(1981-)，女，博士研究生，講師，e-mail:lidandan@nefu.edu.cn。

S778

A

1674-8646(2017)06-0106-03