基于GPRS的野生動物遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

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的野生動物遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

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）

針對傳統(tǒng)方法在監(jiān)測野生動物時存在的一些問題，設(shè)計了一套野生動物的遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要包括野生動物相關(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數(shù)據(jù)糾錯功能，通過對環(huán)境溫度和動物體溫這兩組溫度數(shù)據(jù)的對比，實(shí)現(xiàn)了對動物偷獵行為的預(yù)警作用。

GPRS；數(shù)據(jù)糾錯；預(yù)警；無線傳輸；遠(yuǎn)程監(jiān)控

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

然而，目前野生動物監(jiān)測存在人與動物交叉感染、實(shí)時動態(tài)多參數(shù)監(jiān)測困難等問題。大部分的人類傳染病都源自于動物（例如SARS、AIDS），許多野生動物的疫病具有傳染性，能夠通過各種媒介互相傳染，特別是研究人員在近距離研究野生動物時很容易被感染。野生動物的棲息、活動場所廣闊且通常分布在深山密林之中，生存條件惡劣，監(jiān)測人員難以實(shí)現(xiàn)動物的實(shí)時監(jiān)測[1]。為此，筆者從實(shí)際應(yīng)用出發(fā)，以GPRS模塊為核心，設(shè)計一種無線遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)，用以檢測野生動物的體溫[2]、運(yùn)動量和環(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)在野生動物環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)中完全適用。

1 總體設(shè)計方案

將該前端信號采集系統(tǒng)安裝在動物身上，通過傳感器群采集所需信息并傳入微處理器，微處理器對各種信息整合打包之后定時發(fā)送給GPRS模塊[5]，啟動GPRS模塊接入Internet最終將信息送入網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測中心。采用模塊化設(shè)計思想，其整體結(jié)構(gòu)主要包括前端信號采集調(diào)理模塊、進(jìn)行數(shù)據(jù)分析管理的控制處理模塊、低電量報警模塊以及進(jìn)行無線傳輸?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溫度傳感器、加速度傳感器等，溫度傳感器用于測量動物的體溫及外界環(huán)境溫度[7]，當(dāng)體溫值與外界環(huán)境溫度值接近時可以初步認(rèn)定動物死亡，對于防止偷獵能起到一定的作用。

2 監(jiān)測終端硬件設(shè)計

2.1 電源模塊

采用12C5A60S2單片機(jī)和SIM300無線通信模塊構(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)；而對于SIM300模塊采用4.2 V供電，工作時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 無線傳輸模塊

GPRS無線通信模塊采用Simcom公司的SIM300GSM／GPRS雙頻模塊[8]。主要為語音傳輸、短消息和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)提供無線接口。適合于開發(fā)一些GSM／GPRS的無線應(yīng)用產(chǎn)品。同時，SIM300模塊中集成了TCP／IP協(xié)議棧，并為用戶提供了擴(kuò)展的TCP/IP AT命令，使用戶可以輕松地使用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

SIM300提供兩個標(biāo)準(zhǔn)的RS232串行接口，用戶可以通過串行口使用AT命令完成對模塊的操作[5]。串口一共有7個引腳，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。串口二只包括兩個引腳TXD和RXD[9]，使用串口二之前一定要通過AT指令“AT+UART”啟用。串口一和串口二不能同時使用。考慮到需要通過模塊上網(wǎng)，所以使用全部的串口信號引腳，當(dāng)模塊與主控模塊通信時需要電平轉(zhuǎn)換，啟動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

SIM卡與SIM300模塊通過板對板連接器進(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、數(shù)據(jù)線、SIM卡時鐘、復(fù)位線和狀態(tài)線，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卡模塊自動進(jìn)行選擇。設(shè)計中，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

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，采用C語言編程。主要包括初始化部分，傳感器數(shù)據(jù)采集部分，對收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行糾錯、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)對點(diǎn)連接方式。總體程序流程圖如圖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]。初始化過程中優(yōu)先啟動兩路溫度傳感器，測量動物體溫及環(huán)境溫度，防止監(jiān)測終端發(fā)熱影響溫度測量的準(zhǔn)確值。系統(tǒng)在處理數(shù)據(jù)過程中將處理器接收到的體溫數(shù)據(jù)與上一次得到體溫數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，若數(shù)據(jù)相差絕對值超過0.2攝氏度則舍棄前一次數(shù)據(jù)以期對溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行簡單糾錯，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)中用于體溫測量的溫度傳感器對室溫進(jìn)行測量，測量結(jié)果如圖7所示。

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

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

4 結(jié)束語

本系統(tǒng)主要是針對野生動在野外生存的參數(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SIM300無線通信模塊和Internet相連，進(jìn)行數(shù)據(jù)的無線傳輸，實(shí)現(xiàn)野生動物的生理參數(shù)的實(shí)時監(jiān)測，同時，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比較對于保護(hù)珍稀野生動物、防止偷獵也能起到一定預(yù)警作用。采用GPRS無線通信，實(shí)時穩(wěn)定的遠(yuǎn)程監(jiān)測野生動物的運(yùn)動量、體溫以及外界環(huán)境溫度，為對野生動物的研究、監(jiān)測節(jié)省了大量的人力、物力，對保護(hù)野生動物資源具有重要的意義。

[1]粱妃學(xué).遠(yuǎn)程生理診斷儀設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù)研究[D].廣州：第一軍醫(yī)大學(xué)，2006.

[2]Zhang P，Sadler C M.Hardware design experiences in zebraNet[C]//In Proceedings of SenSys 04，Bahimore，Maryland，USA，2004.

[3]MA Ding.Application development and analysis of mobile communication GPRS module[J].Modern Business，2009 （23）：213-214.

[4]王鵬，譚寶成.基于GSM／MODEM無線通信自動抄表系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)[J].西安工業(yè)學(xué)院學(xué)報，2002（1）：22-26.

WANG Peng，TAN Bao-cheng.The implementation of remote automatic reading meter based wireless communication of GSM/MODEM[J].Journal of Xi’an Institute of Technology，2002（1）：22-26.

[5]Tilak S，Abu-Ghazaleh NB，Heinzelman W.A taxonomy of wireless micro-sensor network models[J].Mobile Computing and Communications Review，2002，1（2）：1-8.

[6]Herring C，Kaplan S.Componment-based software systems for smart e nvironments[C]//IEEE Personal Communications，2000：6-8.

[7]Akyildiz I F，Su W，Sankarasubramaniam Y，et al.A survey on sensor net works[J].IEEE Communications Magazine，2002（4）：102-114.

[8]Simcom Co.，Ltd.SIM300 Hardware Specification[EB/OL].（2005-12-25）[2011-02].http://www.sim.com/wm/News/photo/200947111746.pdf.

[9]王本年.深入分析串口通訊 [J].計算機(jī)編程技巧與維護(hù)，2000（12）：53-59.

WANG Ben-nian.In-depth analysis of serial communication[J].The Programming Skills and Maintenance of Computer，2000（12）：53-59.

[10]Grochla K.Simulation comparison of active queue management algorithms in TCP/IP networks[J].Telecommunication Systems，2008，39（2）：1-2.

[11]黃華東，郭張軍，彭鵬.基于分布式多傳感器融合技術(shù)的壩基地下水宏觀動態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)分析[J].陜西電力，2011（3）:13-16.

HUANG Hua-dong，GUO Zhang-jun，PENG Peng.Study on macroscopic regime of groundwater under dam section based ondistributedmulti-sensordatafusiontheory[J].ShaanxiElectric Power，2011（3）：13-16.

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：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。