基于STM32的蜂箱防盜定位追蹤系統(tǒng)研究

朱迪 方榮杰 尹導(dǎo) 付婉婷 黃映雪

摘? 要：針對目前蜜蜂養(yǎng)殖安防市場設(shè)備較為空缺，以及設(shè)備功能簡單、耗電量大導(dǎo)致設(shè)備續(xù)航短等缺點，提出了在高性能處理器STM32中加入NB-IOT實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)功能并實現(xiàn)新型的蜂箱防盜定位追蹤。該設(shè)備借助微動傳感器實現(xiàn)了STM32可從低功耗模式被喚醒;結(jié)合GPS全球定位系統(tǒng)可將設(shè)備坐標位置通過NB-IOT發(fā)送到云平臺，實現(xiàn)蜂巢防盜追蹤，從而進一步提升戶外養(yǎng)殖蜜蜂的安全性。

關(guān)鍵詞：STM32;GPS全球定位系統(tǒng);NB-IOT;單片機

中圖分類號：TP368? ? ? ?文獻標識碼：A文章編號：2096-4706（2022）04-0193-03

Research on Beehive Anti-theft Positioning and Tracking System Based on STM32

ZHU Di， FANG Rongjie， YIN Dao， FU Wanting， HUANG Yingxue

（School of Information Technology， Minzu Normal University of Xingyi， Xingyi? 562400， China）

Abstract： In view of the shortage of equipment in the current bee breeding security market and the shortcomings of simple equipment functions， short equipment life caused by large power consumption， it is proposed to add NB-IOT to the high-performance processor STM32 to realize the network function and realize the new beehive anti-theft positioning and tracking. The device realizes that STM32 can be awakened from low-power mode with the help of micro motion sensor; combined with the GPS global positioning system， the coordinate position of the equipment can be sent to the cloud platform through NB-IOT to realize the honeycomb anti-theft tracking， so as to further improve the safety of outdoor bee breeding.

Keywords： STM32; GPS global positioning system; NB-IOT; Single-Chip Microcomputer

0? 引? 言

近年來，在貴州這樣一個典型的發(fā)展中地區(qū)，無論哪一個方面都在迅速的發(fā)展。其中因為自然生態(tài)環(huán)境較好，種植業(yè)和畜牧業(yè)得到迅速發(fā)展。貴州分布廣袤的原始森林中有大量野生蜜蜂活躍，該類野生蜜蜂能通過人工技術(shù)招納于養(yǎng)蜂木箱中進行家養(yǎng)，其所釀蜂蜜營養(yǎng)價值豐富、藥用價值高、價格100～200元/斤、市場需求量巨大，常處于供不應(yīng)求狀態(tài)。

蜜蜂養(yǎng)殖過程中有許多的不定因素，比如受蜜蜂群體活動半徑內(nèi)的花草植被數(shù)量影響，花粉產(chǎn)量直接影響了蜜蜂數(shù)量和蜂蜜產(chǎn)量。由此，將集中家養(yǎng)的蜜蜂分散到野外散養(yǎng)不失為一個很好的解決辦法。但萬事都有一定的弊端，蜜蜂野外散養(yǎng)解決了蜜蜂產(chǎn)量受自然環(huán)境限制的部分問題，但也給蜜蜂養(yǎng)殖帶來了養(yǎng)殖管理、蜂蜜安全及防盜的問題。

為了改善野外養(yǎng)殖蜜蜂的困難，本項目以STM32為主控芯片，以GPS定位模塊、震動傳感器和NB-IOT模塊實現(xiàn)遠程數(shù)據(jù)傳輸，設(shè)計完成一套功耗低、感應(yīng)喚醒、自動定位的防盜系統(tǒng)。

1? 總體設(shè)計

隨著NB-IOT通信技術(shù)在IOT領(lǐng)域的發(fā)展和興起，該技術(shù)的低功耗廣域網(wǎng)（LPWAN）也逐漸被熟知。NB-IOT支持待機時間長、對網(wǎng)絡(luò)鏈接要求更高效，因此在實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪^程中更加的穩(wěn)定，且NB-IOT具有覆蓋廣、速率快、成本低、功耗低等特點。該系統(tǒng)的設(shè)計和實現(xiàn)采用迭代—遞增模型來完成，使用迭代—遞增模型的優(yōu)點在于可以將系統(tǒng)分模塊化進行設(shè)計和實現(xiàn)。迭代和增量開發(fā)方法的基本特征是迭代地進行開發(fā)、增量地產(chǎn)生成果以及持續(xù)地交付[1]。

通過理解應(yīng)用域，也就是該系統(tǒng)所應(yīng)用的特定環(huán)境，來建立一個業(yè)務(wù)模型確定系統(tǒng)使用者的需求。該系統(tǒng)采用迭代—遞增模型進行開發(fā)，所以該部分主要考慮軟件模塊。

本項目將以STM32為主控芯片，以NB-IOT模塊實現(xiàn)遠程數(shù)據(jù)傳輸，以GPS定位模塊和震動感應(yīng)傳感器模塊等器件設(shè)計完成一套功耗低、感應(yīng)防盜、自動定位追蹤等系統(tǒng)，以解決野生蜜蜂分散養(yǎng)殖防盜問題。依據(jù)應(yīng)用域確定軟件模塊的術(shù)語表，術(shù)語表如表1所示。

2? 業(yè)務(wù)模型

建立業(yè)務(wù)模型，獲得應(yīng)用域中各種行為和過程的理解，便可以提取出需求。根據(jù)應(yīng)用域中提取出來的需求建立用例圖，用例圖如圖1所示。該用例圖的用例描述如表2所示。

通過用例圖和用例描述可以明確系統(tǒng)的需求，并且對需求進行了模塊化處理，對各個模塊單獨進行完善和處理，可以使各模塊高內(nèi)聚低耦合，這樣可以有效防止因為單獨一個模塊出錯而需要修改多個模塊的問題發(fā)生。

3? 硬件設(shè)計與選型

3.1? 主控模塊

STM32已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于數(shù)據(jù)收集、導(dǎo)航定位、智能控制等領(lǐng)域。相比較于C51系列單片機，STM32性能更強，ARM內(nèi)核的芯片功耗及成本都更低。在本設(shè)計中需要使用到STM32的低功耗模式，STM32有三種低功耗模式，包括只關(guān)閉CPU時鐘、不關(guān)閉ADC和其他時鐘的睡眠模式、所有時鐘均關(guān)閉等，但電壓調(diào)節(jié)器為低功耗模式的停止模式以及全部時鐘及電壓調(diào)節(jié)器都關(guān)閉的待機模式，其中停止模式和待機模式的功耗較低，分別為20 μA左右以及2 μA左右，相較于待機模式只能用特定的引腳喚醒，停止模式則可以通過外部中斷來進行喚醒，所以說停止模式更方便也更契合本設(shè)計。STM32F030采用ARM?Cortex?-M0內(nèi)核，運算速度高達48 MHz。STM32F030 MCU圖2是STM32系列中價格最低的產(chǎn)品，具有全套外設(shè)，例如高速12位ADC、先進且靈活的定時器、日歷RTC和通信接口（例如I2C、USART、SPI）。

3.2? GPS定位模塊

ATGM336H模塊是基于中科微第四代低功耗GNSS SOC單芯片—AT6558，支持多種衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，包括中國的BDS（北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)）、美國的GPS、俄羅斯的GLONASS等。AT6558是一款真正意義的六合一多模衛(wèi)星導(dǎo)航定位芯片，包含32個跟蹤通道，可以同時接收六個衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的GNSS信號，并且實現(xiàn)聯(lián)合定位、導(dǎo)航與授時。ATGM336H模塊具有高靈敏度、低功耗、低成本等優(yōu)勢，其冷啟動捕獲靈敏度為-148 dBm，跟蹤靈敏度為-162 dBm，定位精度為2.5米（CEP50），適用于車載導(dǎo)航、手持定位、可穿戴設(shè)備[2]。

3.3? 震動傳感器

SW-420震動傳感器采用LM393輸出，信號干凈、波形好、驅(qū)動能力強。工作電壓寬泛3.3 V～5 V均可使用，不震動時開關(guān)閉合輸出低電平，震動時輸出高電平，適用于震動觸發(fā)作用。

3.4? NB-IOT模塊

NB-IoT無線通信模塊主要用于數(shù)據(jù)節(jié)點和云平臺的信息交互，采用移遠科技的BC26模塊。BC26模塊支持TCP、UDP和COAP協(xié)議，同時可支持中國移動OneNET/Andlink、中國電信IoT/AEP以及阿里云IoT等物聯(lián)網(wǎng)云平臺，為客戶的應(yīng)用提供極大的便利。其供電電壓為2.1 V～3.6 V，模塊與主控MCU通信采用UART接口或SPI接口[3-5]。阿里云平臺顯示效果如圖3所示。

4? 代碼實現(xiàn)

用戶使用一個系統(tǒng)首先是通過軟件的，使用軟件的優(yōu)勢是不需要去了解系統(tǒng)的底層結(jié)構(gòu)和邏輯，并且用戶可以快速上手該系統(tǒng)來滿足用戶的需求。STM32低功耗模塊部分代碼為：

MX_GPIO_Init（）;

HAL_GPIO_WritePin（LED_GPIO_Port， LED_Pin， GPIO_PIN_RESET）;

__HAL_RCC_PWR_CLK_ENABLE（）;

if （__HAL_PWR_GET_FLAG（PWR_FLAG_SB） == SET）

{__HAL_PWR_CLEAR_FLAG（PWR_FLAG_SB）;}

HAL_Delay（30000）;

HAL_PWR_DisableWakeUpPin（PWR_WAKEUP_PIN1）;

__HAL_PWR_CLEAR_FLAG（PWR_FLAG_WU）;

HAL_PWR_EnableWakeUpPin（PWR_WAKEUP_PIN1）;

HAL_PWR_EnterSTANDBYMode（）;

HAL_GPIO_WritePin（LED_GPIO_Port， LED_Pin， GPIO_PIN_SET）;

GPS的驅(qū)動部分代碼如下：

if （（subStringNext = strstr（subString， “，”）） ！= NULL）

{

charusefullBuffer[2];

switch（i）

{

case1：memcpy（Save_Data.UTCTime， subString， subStringNext - subString）;break;? //獲取UTC時間

case2：memcpy（usefullBuffer， subString， subStringNext - subString）;break;? //獲取UTC時間

case3：memcpy（Save_Data.latitude， subString， subStringNext - subString）;break; //獲取緯度信息

case4：memcpy（Save_Data.N_S， subString， subStringNext - subString）;break;? //獲取N/S

case5：memcpy（Save_Data.longitude， subString， subStringNext - subString）;break; //獲取經(jīng)度信息

case6：memcpy（Save_Data.E_W， subString， subStringNext - subString）;break;? //獲取E/W

5? 結(jié)? 論

本文的設(shè)計基于STM32的蜂箱防盜定位追蹤系統(tǒng)，以STM32為主控制器，利用采集GPS定位數(shù)據(jù)、震動感應(yīng)傳感器喚醒等功能解決蜂箱防盜的難題。收集到的數(shù)據(jù)經(jīng)NB-IOT通信模塊上傳到云平臺，實現(xiàn)蜂箱的移動感知、報警、蜂箱位置可視化追蹤。該設(shè)計從低成本、低功耗、性能穩(wěn)定以及可視化追蹤位置等方面相較于傳統(tǒng)養(yǎng)殖防盜措施有較大的優(yōu)勢，為傳統(tǒng)野生蜂的養(yǎng)殖防盜問題提供了較好的解決方案。

參考文獻：

[1] 蔡競暉.在IT項目中采用迭代方法實行項目管理的實踐和研究 [D].廈門：廈門大學(xué)，2008.

[2] 白書華.基于一種單片機的GPS定位控制系統(tǒng)的設(shè)計與分析 [J].電子測試，2016（9）：24+26.

[3] 潘磊磊，張桂青，田崇翼，等.基于NB-IOT的農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計 [J].電子設(shè)計工程，2019，27（1）：25-30+36.

[4] 何燦隆，沈明霞，劉龍申，等.基于NB-IoT的溫室溫度智能調(diào)控系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn) [J].華南農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報，2018，39（2）：117-124.

[5] 聶琿，陳海峰，周豪.基于NB-IoT的環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng) [J].實驗技術(shù)與管理，2020，37（5）：89-93+110.

作者簡介：朱迪（1999.05—），男，漢族，貴州威寧人，本科在讀，研究方向：單片機;方榮杰（1998.04—），男，苗族，貴州凱里人，本科在讀，研究方向：單片機;尹導(dǎo)（2001.08—），男，漢族，云南師宗人，本科在讀，研究方向：單片機;付婉婷（2000.06—），女，苗族，貴州貴陽人，本科在讀，研究方向：單片機;黃映雪（1998.11—），女，穿青人，貴州畢節(jié)人，本科在讀，研究方向：單片機。