基于冬圈夏草模式電子羊圈控制終端的設(shè)計與實現(xiàn)

李春青 尼瑪扎西 格桑德吉

摘 要：通過試驗研究，設(shè)計了軟硬件相結(jié)合的智能電子羊圈設(shè)備。該裝置有預(yù)警和驅(qū)趕功能，通過配套的控制軟件可實現(xiàn)用戶在家輕松掌控羊群的功能，既方便了用戶，又保障了安全。通過安裝在手機上的軟件，用戶可控制硬件設(shè)備、接收監(jiān)控錄像和反饋信息等，實現(xiàn)羊圈信息化、智能化遠(yuǎn)程管理，充分發(fā)揮物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在設(shè)施畜牧業(yè)生產(chǎn)中的作用，保護羊群安全，實現(xiàn)安全化管理，幫助牧民降低損失、增加收益。

關(guān)鍵詞：電子羊圈;冬圈夏草;預(yù)警系統(tǒng);物聯(lián)網(wǎng);掌上畜牧

文章編號：1004-7026（2020）11-0102-02 ? ? ? ? 中國圖書分類號：TP319;X43? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

中國經(jīng)濟社會的發(fā)展離不開畜牧業(yè)。過去畜牧業(yè)經(jīng)常受到狼等外來動物入侵，造成很大的經(jīng)濟損失，牧場主束手無策。國家的“安居工程”“精準(zhǔn)扶貧”等政策出臺，為廣大西藏牧民帶來實惠的同時，將人畜混住的傳統(tǒng)圈養(yǎng)方式改變?yōu)槿诵蠓蛛x的現(xiàn)代文明生活方式，導(dǎo)致人畜聯(lián)系減弱，入侵者（狼、野狗、偷竊者等）乘虛而入，對羊群構(gòu)成威脅。隨著科技發(fā)展，以電子羊圈的方式預(yù)防外來入侵，牧場主可以實現(xiàn)指尖管理羊群。倘若羊圈受到威脅，客戶端會以振鈴方式通知牧場主，實現(xiàn)牧場主智能化掌握羊圈信息[1]。西藏畜牧業(yè)朝產(chǎn)業(yè)化方向發(fā)展，使西藏畜牧業(yè)更具競爭優(yōu)勢。

1 ?系統(tǒng)總體方案

本項目制作一個電子羊圈設(shè)備，通過太陽能光伏板提供能源，在羊圈四周設(shè)置紅外監(jiān)測裝置，監(jiān)測大型動物的入侵情況。若有大型動物接近羊圈，電子羊圈就會及時采用無線傳輸技術(shù)將信息（如外來動物入侵時間、規(guī)模等）傳輸給客戶端，電子羊圈會自動開啟閃光模式及超聲波驅(qū)趕模式。倘若以上驅(qū)逐方式仍然無法驅(qū)離外來動物，并且逗留時間超過用戶在客戶端自定義的時間，軟件會啟動振鈴模式，提醒牧民需要人為驅(qū)趕[2]。

2 ?系統(tǒng)硬件設(shè)計與實現(xiàn)

2.1 ?系統(tǒng)硬件設(shè)計

裝置通過太陽能光伏板發(fā)電，利用入侵檢測技術(shù)探測有害動物出現(xiàn)的位置，從而有針對性地驅(qū)趕有害動物。當(dāng)羊群遇到危險及設(shè)備發(fā)生故障時，能及時上傳數(shù)據(jù)，通過終端通知用戶。通過物聯(lián)網(wǎng)和APP控制技術(shù)，制作羊圈控制客戶端，實現(xiàn)了智能化管理羊圈的目的[3-4]。

2.2 ?硬件實現(xiàn)方式

（1）通信協(xié)議選擇。應(yīng)用手機Wi-Fi與外部Wi-Fi模塊進(jìn)行通訊，采用Uart接口符合Wi-Fi無線網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)的嵌入式模塊，實現(xiàn)用戶串口數(shù)據(jù)到無線網(wǎng)絡(luò)之間的轉(zhuǎn)換。模塊內(nèi)部采用單片機的串口通信協(xié)議及I2C串行總線連接各模塊。

（2）系統(tǒng)設(shè)計。裝置利用太陽能發(fā)電，蓄電池儲存電能用于夜間使用，單片機采用STM32F107VCT6芯片作為主控制器;利用紅外線傳感器計數(shù)清點羊群數(shù)量，采用京西BISS0001熱釋電紅外處理芯片和尼塞拉RE200BP熱釋電紅外傳感器;利用頻率為22～55 kHz超聲波驅(qū)趕裝置，利用入侵檢測技術(shù)對有害動物出現(xiàn)的位置進(jìn)行探測，從而有針對性地驅(qū)趕有害動物。

2.2.1 ?總控處理電路

根據(jù)項目和具體的技術(shù)指標(biāo)需求，選擇能監(jiān)測羊群活動周邊數(shù)據(jù)的傳感器，并選擇特定超聲波發(fā)生裝置定向驅(qū)趕入侵者，從而實現(xiàn)保護羊群的功能。以激光閃動器、超聲波發(fā)生器作為整個裝置的驅(qū)趕功能實現(xiàn)模塊，用內(nèi)置的紅外線傳感器作為設(shè)備的監(jiān)控功能模塊（圖1）。

2.2.2 ?超聲波驅(qū)趕板塊電路

裝置最大的特色為超聲波驅(qū)趕裝置，超音波對這些動物的聽覺神經(jīng)系統(tǒng)有攻擊性，會使其感到痛苦，進(jìn)而自主離開。經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)，超聲波頻率為22～55 kHz的超聲波對羊圈入侵者有很大的驅(qū)趕和威懾作用。

經(jīng)過一系列電路設(shè)計，實現(xiàn)了特定頻率的超聲波調(diào)制，再通過具體的控制電路，實現(xiàn)定向定驅(qū)趕入侵者的功能，具體電路設(shè)計如圖2。

2.2.3 ?預(yù)警警告電路

調(diào)節(jié)好預(yù)定點位器后，通過外置紅外線傳感器所采集的紅外光譜圖，通過總控數(shù)據(jù)概率累加處理后給出一個信號強度，從D1輸出給對應(yīng)的預(yù)警電路輸入口OUT1，經(jīng)過LM358運算放大器放大后，由OUT2接入蜂鳴器。

為了能更好地實現(xiàn)人機交互能力，對于入侵人員采用語音式警告。在設(shè)備上使用語音芯片和功率放大電路，對人員入侵時進(jìn)行自動語音播報提示，如果無果后將警報信息傳送給控制應(yīng)用。

3 ? 終端控制軟件設(shè)計與實現(xiàn)

控制客戶端系統(tǒng)總體設(shè)計方案是基于Wi-Fi模塊智能開關(guān)系統(tǒng)而組成，通過APP控制軟件實現(xiàn)用戶對牛羊圈的界面控制功能。

利用客戶終端自帶的Wi-Fi模塊與外界設(shè)備進(jìn)行通信，實現(xiàn)利用手機終端來控制羊圈設(shè)備的愿景，讓用戶足不出戶就可以管理羊圈。當(dāng)羊圈發(fā)生意外時，客戶端將發(fā)出相應(yīng)的聲音警示，以便牧民可以及時了解并采取相應(yīng)的措施。

3.1 ?終端控制應(yīng)用通信協(xié)議

應(yīng)用手機終端自帶Wi-Fi與外部Wi-Fi模塊進(jìn)行通訊，并引用內(nèi)置無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議IEEE802.11協(xié)議棧及TCP/IP協(xié)議棧，實現(xiàn)用戶串口數(shù)據(jù)到無線網(wǎng)絡(luò)之間的轉(zhuǎn)換。在客戶端采用SOCKET進(jìn)行通信，使用基于TCP/IP網(wǎng)絡(luò)的API接口實現(xiàn)APP控制外部設(shè)備的目標(biāo)。

3.2 ?終端控制應(yīng)用界面設(shè)計

系統(tǒng)采用最簡約的界面UI設(shè)計，采用Tranlucent沉浸式，以獲得簡明友好的界面設(shè)計，扁平化簡約圓形按鈕，導(dǎo)航抽屜快捷方便，最大限度地節(jié)省界面空間布局。在界面窗口，用戶首先選擇一個Wi-Fi終端并連接網(wǎng)絡(luò)，然后進(jìn)入主功能窗口。功能區(qū)有3個模塊：設(shè)備選擇與連接、參數(shù)設(shè)置、警報信息與監(jiān)控，具體功能如下。

（1）設(shè)備選擇與連接。利用終端設(shè)備與各種實體操作工具建立連接，并且在終端上進(jìn)行操作與控制。

（2）參數(shù)設(shè)置?？刂茖嶓w操作工具的工作起止時間、運行時間，控制運行狀態(tài)。

（3）警報信息與監(jiān)控。當(dāng)家畜遇到危險及實體操作工具發(fā)生故障時，能及時上傳數(shù)據(jù)，通過終端通知用戶[5]。

4 ?系統(tǒng)測試

4.1 ?硬件測試

在牧場設(shè)置一個羊圈，準(zhǔn)備完備的所需設(shè)備儀器，進(jìn)行為期1個月的測試。在電子羊圈正常運行的情況下，對設(shè)備運行情況進(jìn)行檢驗。

4.2 ?總控程序測試

項目擬采用大量試驗實施整個項目。首先通過大量對比試驗確定最佳的控制方案，再通過試驗對比選出最佳的、符合要求的軟硬件。通過理論與實踐相結(jié)合的方式，完善電子羊圈設(shè)備。

5 ?結(jié)束語

項目旨在用現(xiàn)代的方式解決傳統(tǒng)放牧生活中遇到的種種困擾。西藏地區(qū)是全國四大牧區(qū)之一，特殊的自然環(huán)境和氣候條件決定了放牧的流動性大。冬季在定居點，夏天到夏季牧場放牧。由于夏季牧場沒有很好的羊圈，即使有羊圈也是用草坯簡單壘起來的，不能保護羊群免受野狼等野生動物的侵害，常常給牧民造成很大損失，牧民迫切需要一種能夠防止狼野等野生動物對羊群侵害的羊圈。設(shè)計的設(shè)備既能滿足牧民的畜牧需求，又能實現(xiàn)智能化管控羊圈實現(xiàn)掌上畜牧，值得推廣。

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[5]劉思瑤.面向服務(wù)器端的肉羊養(yǎng)殖數(shù)據(jù)通信和信息管理系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[D].南京：南京農(nóng)業(yè)大學(xué)：2014.