基于STM32的多功能林區(qū)人身防護(hù)裝置設(shè)計(jì)

魏艷秀，李丹丹，許洋，韓旭，徐林通，張純樸

(東北林業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，哈爾濱 150040)

基于STM32的多功能林區(qū)人身防護(hù)裝置設(shè)計(jì)

魏艷秀，李丹丹*，許洋，韓旭，徐林通，張純樸

(東北林業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，哈爾濱 150040)

當(dāng)前林區(qū)野生動(dòng)物肇事時(shí)有發(fā)生，林區(qū)工作者的人身安全受到了極大威脅。本文設(shè)計(jì)了一種多功能林區(qū)人身防護(hù)裝置，能夠有效避免人獸沖突致人傷亡的情況發(fā)生。此裝置是以STM32為控制核心，結(jié)合超聲波驅(qū)逐、強(qiáng)光炫目、高壓電擊與定位追蹤為一體，通過可變頻超聲波致使攻擊方聽覺神經(jīng)紊亂，達(dá)到驅(qū)逐的目的；通過強(qiáng)光炫目和高壓電擊功能實(shí)現(xiàn)近距離沖突時(shí)的有效防護(hù)；在GPS和基站的雙重定位下，可以通過移動(dòng)終端實(shí)時(shí)追蹤林區(qū)工作者的位置，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)安全狀況的遠(yuǎn)程通訊。經(jīng)過調(diào)試實(shí)驗(yàn)，本裝置實(shí)現(xiàn)了在有效范圍內(nèi)對(duì)林區(qū)工作者的防護(hù)作用，將會(huì)帶來很大的經(jīng)濟(jì)利益和社會(huì)效益，同時(shí)對(duì)林區(qū)的生態(tài)規(guī)劃以及安全防護(hù)等工作具有參考價(jià)值，具有廣泛的可擴(kuò)展性。

野生動(dòng)物；防護(hù)裝置；STM32；超聲波；電擊

0 引言

林區(qū)工作者遭受野生動(dòng)物襲擊事件頻繁發(fā)生，野生動(dòng)物傷人多為大型野獸攻擊及毒蛇咬傷。在我國西雙版納地區(qū)1991-2010年就有201人受到野生亞洲象攻擊[1]；在國外也有學(xué)者對(duì)大型肉食動(dòng)物肇事進(jìn)行了相關(guān)研究，Rantnayeke等在斯里蘭卡對(duì)1983-2004受到懶熊攻擊的271人進(jìn)行了調(diào)查，發(fā)現(xiàn)動(dòng)物襲擊常發(fā)生于人們進(jìn)入林區(qū)工作的時(shí)候，且80%發(fā)生于人們與懶熊突然的遭遇[2]；毒蛇咬傷更為普遍，我國統(tǒng)計(jì)資料表明，每年毒蛇咬傷患者達(dá)10萬人次，蛇傷死亡率為5%～10%，蛇傷致殘喪失勞動(dòng)能力者占25%～30%[3]。

針對(duì)上述問題，需要研究防護(hù)性強(qiáng)、作用范圍廣、適應(yīng)我國林區(qū)的人身防護(hù)裝置。基于低功耗的STM32單片機(jī)控制，結(jié)合可變頻超聲波驅(qū)逐、強(qiáng)光與電擊近距離防御的多功能林區(qū)人身防護(hù)裝置實(shí)現(xiàn)了良好的防護(hù)效果，保證了林區(qū)工作者的人身安全。

1 裝置設(shè)計(jì)基本思路

本裝置由超聲驅(qū)逐、高壓電擊、強(qiáng)光炫目3部分組成，并輔以照明與定位追蹤功能。

超聲驅(qū)逐部分實(shí)現(xiàn)了多頻段切換，頻速可調(diào)節(jié)的技術(shù)目標(biāo)，解決了針對(duì)不同類型的攻擊目標(biāo)通過變頻以達(dá)到驅(qū)逐作用，并可以進(jìn)行頻速調(diào)節(jié)以防止攻擊方對(duì)單一頻段或頻率產(chǎn)生免疫力，有效對(duì)攻擊方的聽覺系統(tǒng)進(jìn)行攻擊，使其生理功能紊亂以達(dá)到驅(qū)逐目的。

近身防御采用高壓電擊防御，利用警棍的原理，產(chǎn)生瞬間高壓低流電對(duì)攻擊方進(jìn)行近身防御，并輔以強(qiáng)光使攻擊方失去攻擊能力。

本裝置采用GPS與基站雙重定位追蹤系統(tǒng)，結(jié)合林區(qū)工作者長期野外工作的實(shí)際情況，可以精確定位到林區(qū)工作者位置[4-8]，在意外情況出現(xiàn)時(shí)，可以在第一時(shí)間找到林區(qū)工作者實(shí)時(shí)位置。

2 裝置介紹

2.1 硬件電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)通過分析人機(jī)界面輸入的命令與GSM模塊的控制信息以及傳感器反饋信息，控制超聲波防御部分動(dòng)作，并對(duì)當(dāng)前危險(xiǎn)狀況進(jìn)行聲音報(bào)警。基于林區(qū)工作者長時(shí)間野外作業(yè)，系統(tǒng)對(duì)電池電量進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測，當(dāng)電池電量不足時(shí)，由備用電池維持正常運(yùn)行。系統(tǒng)框圖如圖1所示，主要由MCU和多個(gè)子模塊組成，其中子模塊包括：36V開關(guān)電源模塊、備用電池充放電模塊、超聲波發(fā)生模塊、高壓模塊、強(qiáng)光模塊、多路傳感器接口、實(shí)時(shí)時(shí)鐘、人機(jī)交互模塊和GSM模塊等。STM32主要用于分析與處理傳感器信息、用戶操作信息、控制GSM模塊的接收和發(fā)送、控制超聲波頻率和備用電池充電。

圖1 系統(tǒng)框圖Fig.1 System chart

2.1.1 中央處理電路

控制核心采用STM32F103系列32位閃存微控制器，STM32F103是基于專門為嵌入式應(yīng)用開發(fā)的具有突破性ARM Cortex-M3內(nèi)核，受益于Cortex-M3架構(gòu)的增強(qiáng)型功能及性能改進(jìn)的代碼密度更高的Thumb-2指令集，STM32系列不僅大幅提升了中斷響應(yīng)速度，同時(shí)兼具業(yè)內(nèi)最低的功耗[9-12]。

為了提高系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性，采用STM32F103系列微控制器采集與處理各傳感器反饋信息、GSM模塊的信息與使用者通過人機(jī)界面的控制信息[13]。例如，超聲波波段選擇與頻率調(diào)節(jié)；接受微波感應(yīng)的控制信息發(fā)出超聲波；將定位信息通過GSM模塊發(fā)送至查詢者手機(jī)等功能。

2.1.2 超聲波模塊

超聲波發(fā)生模塊的設(shè)計(jì)由3部分構(gòu)成，包括信號(hào)產(chǎn)生單元、信號(hào)調(diào)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(jī)進(jìn)行信號(hào)控制后發(fā)射超聲波。關(guān)系圖如圖2所示。

圖2 超聲波模塊Fig.2 Ultrasonic module chart

根據(jù)不同頻段的超聲波對(duì)林區(qū)野生動(dòng)物的影響，通常情況下，低頻段的超聲波對(duì)大型肉食性動(dòng)物有驅(qū)逐作用，中高頻段的超聲波對(duì)小型動(dòng)物有驅(qū)逐作用。將可能對(duì)林區(qū)工作者進(jìn)行攻擊的動(dòng)物對(duì)應(yīng)的頻率信息記錄到單片機(jī)中，采用20k-65kHz寬范圍的超聲波進(jìn)行驅(qū)逐。為了防止攻擊方對(duì)固定頻段超聲波產(chǎn)生免疫，需通過改變時(shí)鐘以修改聲波頻率從而實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)掃頻，增強(qiáng)了驅(qū)逐效果。

由于超聲波具有方向性強(qiáng)、易衰減的特點(diǎn)，且只能通過在空間中進(jìn)行折射與反射傳播，所以需要超聲波具有較大的功率才可以達(dá)到預(yù)期的驅(qū)逐效果[14]。為了增加超聲波功率，采用了推挽式功率放大電路進(jìn)行功率放大，以保證有足夠的功率達(dá)到驅(qū)逐效果。

2.1.3 高壓電擊模塊

根據(jù)警用電擊棍電路原理，現(xiàn)設(shè)計(jì)高壓放電電路如圖3所示。由三極管BG1、BG2與變壓器B1構(gòu)成交直流變換器，變壓器B1升壓后經(jīng)QL整流給C2充電。三極管BG3、BG4組成多諧振蕩器，輸出脈沖觸發(fā)可控硅3CT5導(dǎo)通。電容C2經(jīng)可控硅3CT5和變壓器B2、B3、B4的初級(jí)放電。于是B2、B3、B4各次級(jí)相串聯(lián)輸出近萬伏高壓。

變壓器B1截取20mm和30mm長中波磁棒各兩段并繞上線圈，使用環(huán)氧樹脂膠合成磁環(huán)。變壓器B2、B3、B4用XD型380V/6.3V指示燈變壓器即可，將變壓器初次級(jí)倒過來使用，將6.3V次級(jí)并聯(lián)起來作初級(jí)，將380V初級(jí)串聯(lián)起來作次級(jí)。在連接時(shí)要注意次級(jí)電勢相串聯(lián)，否則會(huì)造成輸出電壓不足。三極管BG1、BG2應(yīng)選擇性能盡量接近且β值大于60。

圖3 高壓放電模塊Fig.3 High voltage discharge module

2.1.4 電源模塊

電源模塊框圖如圖4所示，輸入220V交流電，通過開關(guān)電源產(chǎn)生36V的直流電源，滿足為36V鋰電池的供電。為避免外圍電路對(duì)主控制電路的影響，經(jīng)過DCDC降壓模塊與LDO芯片降壓后為主控電路供電，高壓電擊部分和傳感器部分供電，直接由DCDC降壓芯片降壓后供電。主控電路與外圍電路分別供電提高了系統(tǒng)的可靠性。

為簡化開關(guān)電源設(shè)計(jì)，并提高穩(wěn)定性，使用TOP227芯片，該芯片集成度高、外圍電路簡單、性能穩(wěn)定[15]。同時(shí)具有過流、過熱保護(hù)，電路設(shè)計(jì)如圖5所示。

圖4 電源模塊框圖Fig.4 Power module chart

圖5 電源模塊電路圖Fig.5 Power module circuit diagram

2.2 程序的設(shè)計(jì)

定時(shí)器T0用作產(chǎn)生基礎(chǔ)頻率為20KHz的超聲波，定時(shí)器T1用作改變超聲波的頻率值，以達(dá)到超聲波掃頻發(fā)射的效果。主程序循環(huán)地檢測是否有攻擊方靠近，當(dāng)檢測到有攻擊方靠近時(shí)啟動(dòng)高壓放電裝置及報(bào)警裝置[16-20]。如圖6～圖8所示，如果使用者按下停止工作按鍵則裝置停止報(bào)警、高壓電擊模塊和超聲波模塊的工作。若使用者按下發(fā)送短信按鍵則裝置發(fā)送定位信息的短信至指定號(hào)碼求救。報(bào)警時(shí)LED燈閃爍，LCD屏幕顯示報(bào)警動(dòng)物類型。

3 實(shí)驗(yàn)與分析

3.1 可變頻超聲波測試

為了驗(yàn)證超聲驅(qū)逐模塊性能，采用試驗(yàn)動(dòng)物老鼠20只進(jìn)行驗(yàn)證性試驗(yàn)。為保證試驗(yàn)正確性，將試驗(yàn)鼠分為對(duì)照組與測試組。兩組除測試組放置多功能林區(qū)人身防護(hù)裝置外，其余實(shí)驗(yàn)環(huán)境均相同。試驗(yàn)方法示意如圖9所示，動(dòng)物驅(qū)趕試驗(yàn)情況見表1、表2。

圖6 主程序流程圖Fig.6 Main program flow chart

圖7 子程序流程圖Fig.7 Subroutine flow chart

圖8 中斷服務(wù)程序流程圖Fig.8 Interrupt service program flow chart

圖9 試驗(yàn)方法示意圖Fig.9 Experimental method schematic diagram

只

表2 對(duì)照組老鼠數(shù)量 只

通過上述試驗(yàn)可以得出超聲驅(qū)逐模塊可以有效的對(duì)攻擊方進(jìn)行驅(qū)逐。

3.2 電擊模塊性能指標(biāo)測試

根據(jù)國外實(shí)驗(yàn)研究，小于30 kV的高壓不能使人或大型動(dòng)物瞬間喪失活動(dòng)能力，本設(shè)計(jì)中通過對(duì)高壓模塊進(jìn)行放電測試，使用Cadence16.3仿真軟件對(duì)于所設(shè)計(jì)的電路進(jìn)行仿真[21]，仿真結(jié)果如圖10所示，從圖中可觀察到輸出電壓很高，經(jīng)測試電壓一般在150～210 kV區(qū)間內(nèi)。

一般大型動(dòng)物若被一高壓電擊中，肌肉會(huì)陷入失控狀態(tài)約3～15 min。所以連續(xù)的一高壓窄脈沖電擊，可以有效地瞬間使攻擊方喪失活動(dòng)能力，同時(shí)，不會(huì)對(duì)其產(chǎn)生永久性的致命性的傷害。

3.3 電源模塊測試

針對(duì)電源模塊最終的設(shè)計(jì)并結(jié)合系統(tǒng)微調(diào)后，對(duì)于所設(shè)計(jì)的電路進(jìn)行仿真，觀察輸出電壓與輸出電流是否可以滿足需求。

針對(duì)滿載情況下的電流的仿真輸出波形如圖11所示。

圖10 輸出電壓波形Fig.10 Output voltage waveform

圖11 電源滿載輸出電流波形Fig.11 Power supply full load current waveform

通過圖12我們可以發(fā)現(xiàn)在滿載情況下的最大輸出電流再經(jīng)過大約0.8 ms的上升時(shí)間之后，能夠相對(duì)穩(wěn)定的維持在2 A左右的一個(gè)范圍之內(nèi)而且不會(huì)出現(xiàn)太過明顯的擺幅。

圖12 電源滿載輸出電壓波形Fig.12 Power supply full load output voltage waveform

同理測試了在滿載情況下的輸出電壓情況，同樣由圖12可以發(fā)現(xiàn)最終的輸出電壓能夠維持在大約36 V左右的范圍之內(nèi)，而且紋波的峰值也幾乎維持在1 V以內(nèi)。

4 結(jié)束語

基于國內(nèi)禁槍現(xiàn)狀，為保證林區(qū)工作者的人身與財(cái)產(chǎn)安全，本文提出了一種在林區(qū)有效避免人獸沖突解決方案，從軟件和硬件兩個(gè)方面詳細(xì)介紹了多功能林區(qū)人身防護(hù)裝置的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。該裝置具有成本低、低功耗、抗適應(yīng)性、開發(fā)維護(hù)方便等特

點(diǎn)。經(jīng)多次實(shí)際應(yīng)用試驗(yàn)，在有效作用面積150 m2內(nèi)作用效果明顯。適用于長期在林區(qū)作業(yè)或進(jìn)入林區(qū)進(jìn)行教科研活動(dòng)的工作者進(jìn)行人身防護(hù)。

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DesignofMulti-functionalHumanProtectionDeviceBasedonSTM32inForestArea

Wei Yanxiu，Li Dandan*，Xu Yang，Han Xu，Xu Lintong，Zhang Chunpu

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

At present，the accidents of wild animals attacking human have happened and the personal safety of forest workers has been greatly threatened.In this paper，a multi-functional human protection device in forest area has been designed，which can effectively avoid the casualties caused by human animal conflicts. This device takes STM32 as the control core，combining ultrasonic drive，glare dazzling，high voltage shock and positioning tracking as a whole.It can achieve the purpose of expulsion by using variable frequency ultrasound to make the animals’ auditory nerve disorder.It can achieve effective protection against close conflicts through glare dazzling and high voltage shock.Under the dual positioning of GPS and base station，the location of forest workers can be tracked in real time by mobile terminals，and remote communication of real-time security status can be realized.After experiments，this device achieved the protective effect of forest workers in the effective range. This device will bring great economic and social benefits，meanwhile，it will also have reference value for ecological plans and security protection in forest area with a wide range of scalability.

Wild animals；protection device；STM32；ultrasonic；electric shock

S778

：A

：1001-005X(2017)05-0085-06

2017-04-06

國家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目(201610225041)

魏艷秀，本科生。研究方向：自動(dòng)化。

李丹丹，講師，博士生，研究方向：控制理論與控制工程。E-mail：lidandan@nefu.edu.cn

魏艷秀，李丹丹，許洋，等.基于STM32的多功能林區(qū)人身防護(hù)裝置設(shè)計(jì)[J].森林工程，2017，33(5)：85-90.