基于Cortex－M3的動(dòng)物遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研制

金 偉，孟 浩，陳 衛(wèi)

近年來，野生動(dòng)物賴以生存的環(huán)境受到破壞，它們面臨著各種生存威脅。我國(guó)有10多種哺乳類動(dòng)物己經(jīng)滅絕，還有20多種珍稀動(dòng)物面臨滅絕，而且這種情況還在不斷的惡化［1］。野生動(dòng)物生活在原始叢林，有的野生動(dòng)物具有攻擊性，人員不易跟蹤監(jiān)測(cè)，這使得對(duì)野生動(dòng)物種群分布及生存環(huán)境的研究和保護(hù)加大了難度。

早在2003年期間，我國(guó)動(dòng)物研究人員采用從美國(guó)進(jìn)口的GPS項(xiàng)圈研究野生滇金絲猴的生活習(xí)性和棲息地等信息。研究發(fā)現(xiàn)，GPS項(xiàng)圈的定位有效性可以達(dá)到95.3%［2］。利用GPS定位對(duì)野外動(dòng)物進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控會(huì)給研究人員帶來便利，同時(shí)不會(huì)對(duì)野生動(dòng)物的棲息地造成干擾。所以研制一種動(dòng)物遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，對(duì)全面促進(jìn)我國(guó)野生動(dòng)物保護(hù)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

系統(tǒng)利用了嵌入式技術(shù)、傳感器技術(shù)、GPS定位技術(shù)、GPRS無線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，設(shè)計(jì)了一款基于Cortex－M3的動(dòng)物遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。系統(tǒng)可以全天候，連續(xù)地提供服務(wù)，具有廣闊的應(yīng)用前景。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)由GPS接收模塊、GPRS模塊、溫濕度傳感器模塊、微控制器模塊和相應(yīng)軟件組成，其結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

系統(tǒng)中各個(gè)節(jié)點(diǎn)的微控制器通過單總線與溫濕度傳感器連接，微控制器通過單總線獲取溫度和濕度值；GPS模塊通過串口將數(shù)據(jù)發(fā)送到微控制器，微控制器對(duì)GPS的信息進(jìn)行解析獲取經(jīng)度和緯度值；微控制器與GPRS模塊通過串口連接，通過GPRS將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送至數(shù)據(jù)中心；數(shù)據(jù)中心將接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，通過訪問數(shù)據(jù)中心服務(wù)器可以隨時(shí)查看動(dòng)物的位置以及生存環(huán)境信息。

圖1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

2 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

2.1 GPS接收模塊

GPS設(shè)計(jì)選用UBLOX公司的NEO－6M模組，該模組具有50個(gè)通道，追蹤靈敏度高達(dá)－161dBm，輸出頻率最高可達(dá)5Hz，同時(shí)系統(tǒng)板載高性能無源陶瓷天線，GPS模塊默認(rèn)采用NMEA－0183協(xié)議輸出GPS定位數(shù)據(jù)。GPS接收模塊在任意時(shí)刻同時(shí)接收四顆以上定位衛(wèi)星的偽距測(cè)量信息，就可以確定接收模塊的位置，這種的定位方式稱為絕對(duì)動(dòng)態(tài)定位［3］。

GPS電路在設(shè)計(jì)的過程中，微帶走線的特征阻抗是一個(gè)非常值得注意的部分；只有在微帶線具有了合適的特征阻抗情況下，高頻信號(hào)才能順利通過。在本系統(tǒng)微帶設(shè)計(jì)過程中，系統(tǒng)工作頻率為1575.42MHz，工作頻率高，微帶線特征阻抗對(duì)微帶線的寬度尤為敏感。GPS模塊天線的輸入阻抗為50歐姆，如果信號(hào)線的特性阻抗沒有很好的控制在50歐姆，射頻板上的信號(hào)會(huì)被反射，GPS模塊將不能正常工作。射頻板上微帶線的特征阻抗由微帶線的寬度W、基板的介電常數(shù)εr、基板的厚度d等參數(shù)決定，在基板材料參數(shù)一定的情況下，特性阻抗只取決于微帶線的寬度。

微帶線的有效介電常數(shù)可以解釋為一個(gè)均勻媒質(zhì)的介電常數(shù)［4］

給定微帶線的尺寸，特性阻抗可以計(jì)算為

給定的特征阻抗Z0和介電常數(shù)εr，比值W／d可以求得為

系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)PCB的基板介電常數(shù)εr＝4.29，基片厚度d＝1.45mm，根據(jù)這些參數(shù)即可求出GPS微帶線的寬度。首先，我們對(duì)于Z0＝50Ω，求 W／d，初始猜測(cè) W／d＜2。由（4）式，可得A＝1.52；再由（3）式，可得W／d＝1.94，W／d＜2，假設(shè)滿足。W＝1.94＊d＝1.94＊1.45＝2.813，所以GPS計(jì)算出來的微帶線寬度為2.813mm，用HFSS軟件來模擬驗(yàn)證計(jì)算的結(jié)果，首先建立基板厚度d＝1.45mm，材料介電常數(shù)εr＝4.29的仿真模型如圖2所示，軟件仿真曲線如圖3所示，表1為不同的微帶寬度（W）對(duì)回波損耗（S11）的影響。從圖3和表1中可知在width＝2.8mm時(shí)回波損耗最小，說明width在2.8mm左右時(shí)微帶線特征阻抗最接近于50Ω，此時(shí)GPS接收狀態(tài)最好。

圖2 仿真模型

圖3 仿真曲線

表1 回波損耗測(cè)試

2.2 GPRS與電源

隨著Internet網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，GPRS網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通信以其低廉的價(jià)格和永遠(yuǎn)在線的性能得到了廣泛的應(yīng)用。系統(tǒng)選用SIMCom公司的SIM900A模塊，內(nèi)嵌TCP／IP協(xié)議，通信可靠性強(qiáng)，數(shù)據(jù)傳輸延時(shí)小、速率高，滿足突發(fā)性的數(shù)據(jù)傳輸要求［5－6］。

SIM900A模塊射頻發(fā)射時(shí)，對(duì)電源要求較高，電源需要提供2A以上電流，否則就會(huì)出現(xiàn)電壓跌落，導(dǎo)致模塊工作異常。系統(tǒng)選用兩節(jié)容量分別為4200mAh的，工作電壓為3.7V的18650鋰電池并聯(lián)為系統(tǒng)供電，并聯(lián)之后系統(tǒng)電源容量高達(dá)8400mAh，滿足長(zhǎng)期且穩(wěn)定的為系統(tǒng)供電。

PCB設(shè)計(jì)時(shí)需要減少模塊的布線阻抗，模塊的VBAT的走線要盡量寬、走線要盡量短，同時(shí)在VBAT引腳旁加一些電容，模塊使用100uF鉭電容作為穩(wěn)壓電容，使用1uF和10uF陶瓷電容并來濾除干擾。GPRS電路沒有設(shè)計(jì)穩(wěn)定，就會(huì)導(dǎo)致VBAT大幅跌落，圖4是VBAT在4V的時(shí)候，最大發(fā)射功率時(shí)，VBAT的跌落的波形示意圖。

圖4 VBAT的跌落

2.3 微控制器與溫濕度傳感器

系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)的微控制器選用意法半導(dǎo)體的基于Cortex－M3內(nèi)核的STM32F103C8T6芯片。它是一款低為應(yīng)用開發(fā)提供高性價(jià)比和高性能的解決方案的32位嵌入式微控制器，它通過單總線外接一個(gè)約4.7K－10K的上拉電阻與DHT22數(shù)字溫濕度傳感器相連。

DHT22包含一個(gè)電容式感濕元件和一個(gè)NTC測(cè)溫元件，可以同時(shí)輸出環(huán)境中溫度和濕度信息，數(shù)據(jù)輸出格式為40bit，其中高位在前，低位在后，輸出格式為：40bit數(shù)據(jù)＝16bit濕度數(shù)據(jù)＋16bit溫度數(shù)據(jù)＋8bit校驗(yàn)和［7－8］。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)CPU通過串口1讀取GPS信息，解析出此時(shí)的經(jīng)度、緯度值，通過與DHT22連接的單總線獲取環(huán)境中的溫濕度值。最后將獲取的經(jīng)度、緯度、溫濕度數(shù)據(jù)通過與CPU串口2連接的GPRS模塊發(fā)送至數(shù)據(jù)中心，GPRS模塊與數(shù)據(jù)中心之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪^程采用握手確認(rèn)、CRC校驗(yàn)保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽?、穩(wěn)定和正確［9］。系統(tǒng)程序流程圖如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)程序流程圖

4 系統(tǒng)校正與測(cè)試

4.1 校正分析

GPS在定位運(yùn)用中存在著各種誤差，為了獲取高精度的定位信息，電路需要做一些處理。往往接收設(shè)備的天線相位中心［3］的誤差會(huì)造成GPS出現(xiàn)較大的偏差。系統(tǒng)在設(shè)計(jì)的過程中就考慮到了這一點(diǎn)，系統(tǒng)通過選用合適的天線和微帶線阻抗控制的方式來提高GPS定位精度。

（1）天線選擇。不同類型的GPS天線因考慮其使用環(huán)境不同，有不同的設(shè)計(jì)，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)、斷面大小和信號(hào)增益水平都有很大區(qū)別，因而相位中心的偏移量也有很大的出入［3］。系統(tǒng)根據(jù)UBLOX提供的參數(shù)選擇中心頻率為1575.42Mhz，增益為5.0dBic，特性阻抗為50歐姆的無源陶瓷天線。

（2）微帶線控制。電路的頻率達(dá)到頻率甚至微波的時(shí)候，電路之間的連線就要用微帶線，微帶要根據(jù)要求設(shè)計(jì)具有一定特性阻抗的［10］。

經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量，系統(tǒng)定位軌跡如圖6所示。通過對(duì)比分析，系統(tǒng)GPS誤差在150mm以內(nèi)，定位精度較高，滿足系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。

圖6 定位軌跡

4.2 實(shí)地測(cè)試

選用三個(gè)實(shí)驗(yàn)節(jié)點(diǎn)，分別編號(hào)為A、B、C，在安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)動(dòng)物科技學(xué)院農(nóng)場(chǎng)進(jìn)行實(shí)地測(cè)試，系統(tǒng)隨機(jī)安放在羊群中三只羊身上，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試，部分實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表3所示。周圍溫濕度誤差在±3%，GPS定位精度較高。

5 結(jié)束語

在野生動(dòng)物生態(tài)環(huán)境亟待保護(hù)的背景下，研制了一款以Cortex－M3為平臺(tái)的動(dòng)物遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，為動(dòng)物研究人員帶來了便利。系統(tǒng)可以安裝在各種大中型陸生動(dòng)物身上，為研究人員對(duì)動(dòng)物的活動(dòng)范圍的界定和生存環(huán)境監(jiān)測(cè)提供了實(shí)時(shí)、精確、有效的數(shù)據(jù)來源。系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，功耗低，成本低，實(shí)時(shí)性好，適合長(zhǎng)期野外使用，具有良好的擴(kuò)展性。

［1］王 雷.野生動(dòng)物遠(yuǎn)程動(dòng)態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)的硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)與研究［D］.武漢：武漢理工大學(xué)，2012：1.

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