基于衛(wèi)星定位和電子地圖的遠(yuǎn)程放牧系統(tǒng)

鄭力銘

【摘 要】 設(shè)計(jì)了一種基于衛(wèi)星定位和電子地圖的遠(yuǎn)程放牧系統(tǒng)，這是一種結(jié)構(gòu)簡單，設(shè)計(jì)巧妙，能夠進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)視、干預(yù)牧群動(dòng)向，降低牧人勞動(dòng)量的基于衛(wèi)星定位和電子地圖的遠(yuǎn)程放牧系統(tǒng)。本系統(tǒng)將無線通信技術(shù)應(yīng)用于畜牧業(yè)領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)智能化放牧，不僅增加了牧羊人便利性，同時(shí)也減少了由于意外而造成的羊群陷險(xiǎn)事件的發(fā)生，并且還減少了羊群對莊稼的損害。從而大大促進(jìn)了畜牧業(yè)的發(fā)展。

【關(guān)鍵詞】 衛(wèi)星定位 遠(yuǎn)程放牧

引 言

目前，畜牧業(yè)一直采用傳統(tǒng)的人工放牧，這種人工放牧的方式效率低，而且安全性差，極易發(fā)生各種事故。以羊群為例，羊群是一種很散亂的“組織”，平時(shí)在一起也是盲目地左沖右撞，但一旦有一只頭羊動(dòng)起來，其他的羊也會(huì)不假思索的一哄而上，所以有了“羊群效應(yīng)”一說，所以一般有個(gè)200-400只羊的羊群，牧羊人只需訓(xùn)練出一只領(lǐng)頭羊即可。由此，本系統(tǒng)在牧羊、牧馬等放牧活動(dòng)中領(lǐng)頭牲畜的作用重大，通過對領(lǐng)頭牲畜的地理位置進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控不僅可以有效避免放牧活動(dòng)中的懸崖、深坑等地形地貌對放牧牲畜危害的發(fā)生，還可以較少牧人的勞動(dòng)強(qiáng)度與勞動(dòng)時(shí)間，對現(xiàn)有的畜牧業(yè)來說具有重大意義。

隨著北斗衛(wèi)星的快速發(fā)展以及日益完善，使其被廣泛的應(yīng)用在交通運(yùn)輸、生產(chǎn)生活中的各個(gè)方面[1]。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是中國自主研發(fā)的三維衛(wèi)星定位與通信系統(tǒng)，是繼美國GPS與俄羅斯GLONASS之后的第三個(gè)成熟的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。目前已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)在中國以及周邊地區(qū)提供全天候全天時(shí)定位、導(dǎo)航以及授時(shí)服務(wù)[2]。

1 主要工作過程：

首先需要進(jìn)行放牧范圍輸入和危險(xiǎn)地點(diǎn)標(biāo)記，如圖1。在牧群的（以羊?yàn)槔╊^羊脖子處連接牲畜佩戴模塊，而牧人則在遠(yuǎn)端手持牧人佩戴模塊進(jìn)行遠(yuǎn)程放牧，如圖2為系統(tǒng)工作原理圖來實(shí)現(xiàn)牲畜定位并將定位數(shù)據(jù)傳給牧人；

牲畜衛(wèi)星定位模塊實(shí)時(shí)地將頭羊所處的地理位置信息通過主控模塊發(fā)送給牲畜移動(dòng)通信模塊，并由牲畜移動(dòng)通信模塊通過無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給牧人佩戴模塊的牧人移動(dòng)通信模塊中，牧人主控模塊將牧人移動(dòng)通信模塊傳來的信號(hào)處理后，通過觸摸電子屏模塊進(jìn)行實(shí)時(shí)的畫面顯示，這樣牧人就可以隨時(shí)掌握羊群當(dāng)前所處位置，一旦頭羊向著電子屏幕上顯示的危險(xiǎn)地帶活動(dòng)系統(tǒng)就會(huì)自動(dòng)警報(bào)，這時(shí)牧人就可以通過牧人麥克風(fēng)向牲畜佩戴模塊發(fā)送語音信息，牲畜佩戴模塊上的牲畜揚(yáng)聲器將牧人的指令發(fā)送出來，頭羊聽到主人的吆喝聲后會(huì)習(xí)慣性的留在安全區(qū)域內(nèi)，以達(dá)到遠(yuǎn)程高效安全放牧的目的。

3 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：

本系統(tǒng)由牲畜佩戴模塊和牧人佩戴模塊兩部分組成如圖3，其中牲畜佩戴模塊包括牲畜主控模塊，牲畜主控模塊與牲畜衛(wèi)星定位模塊、牲畜移動(dòng)通信模塊相連，同時(shí)牲畜主控模塊還與牲畜麥克風(fēng)和牲畜揚(yáng)聲器相連。牧人佩戴模塊則包括牧人主控模塊、牧人主控模塊與觸摸電子屏模塊和牧人移動(dòng)通信模塊相連，同時(shí)牧人主控模塊還與牧人麥克風(fēng)和牧人揚(yáng)聲器相連，上述的牲畜移動(dòng)通信模塊與牧人移動(dòng)通信模塊通過無線網(wǎng)絡(luò)相連。

3.1主控模塊電路

本遠(yuǎn)程放牧系統(tǒng)由STM32為主控單元，自身具有功耗低，成本低，集成度高，處理速度快，性能強(qiáng)大等特點(diǎn)[3]。設(shè)計(jì)一款具有獲取、提取、轉(zhuǎn)化定位信息，語音信息，以及實(shí)現(xiàn)電子屏顯示等功能的系統(tǒng)。

3.2硬件設(shè)計(jì)需求概述

本系統(tǒng)依靠意法半導(dǎo)體公司開發(fā)的STM32為內(nèi)核，依賴于它低成本、低功耗、高性能的特點(diǎn)，特別適合本系統(tǒng)的低功耗，集成高的手持系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。

3.3衛(wèi)星定位模塊

采用的主要芯片UM220-III NL，功耗低僅有120mW并且是雙規(guī)定位，尺寸小僅為16.0*12.2*2.4mm，其采用的GNSS多系統(tǒng)融合及卡爾曼濾波等優(yōu)化算法，在各種復(fù)雜環(huán)境下保持出色的捕獲跟蹤能力和可靠的連續(xù)定位結(jié)果，并將定位結(jié)果發(fā)送到主控模塊，主控模塊經(jīng)過處理發(fā)送到終端設(shè)備。用于對牲畜佩戴設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)定位地理位置。

3.4移動(dòng)通信模塊

移動(dòng)通信模塊采用STM32模塊連接控制ATK-SIM900A模塊，實(shí)現(xiàn)放牧預(yù)報(bào)警，以及牧人向牲畜發(fā)布放牧口令等功能。ATK-SIM900A支持從1200bps～115200bps大范圍的通信速率以及工作電壓為5-24V，電流45mA左右的超低功耗。實(shí)現(xiàn)自動(dòng)語音通話功能，能將牲畜周圍環(huán)境的聲音傳輸給牧人，能接收牧人的放牧語音指令并播放給牲畜。

3.5觸摸電子屏顯示模塊

本系統(tǒng)選用TFTLCD電容觸摸屏模塊，工作原理簡單、價(jià)格低廉、設(shè)計(jì)電路簡單。具備電子地圖顯示和操作功能，能完成牲畜地理位置標(biāo)記和放牧監(jiān)控參數(shù)設(shè)置。

4 結(jié)論

本文中的遠(yuǎn)程放牧系統(tǒng)，能夠?qū)⑸蟮牡乩硇畔?shí)時(shí)的發(fā)送給牧人，并用電子地圖的方式顯示在牧人佩戴模塊上，同時(shí)本系統(tǒng)能夠根據(jù)牧人預(yù)先設(shè)定的放牧參數(shù)，完成潛在的危害點(diǎn)的搜索和地圖的標(biāo)記，同時(shí)依據(jù)牧群的地理位置信息自動(dòng)判定危險(xiǎn)以及發(fā)出警報(bào)；同時(shí)本系統(tǒng)還能夠在牲畜和牧人之間建立語音連接，牧人可以實(shí)施監(jiān)聽牲畜所處環(huán)境的聲音，以判斷牲畜的狀態(tài)，此外語音連接還可以直接向牲畜發(fā)出放牧過程中的一系列口令，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程高效安全放牧。因此可以說它具備諸多優(yōu)點(diǎn)，特別適合于在本領(lǐng)域中推廣應(yīng)用，其市場前景十分廣闊。

【參考文獻(xiàn)】

[1] 杜永興，張志偉，李寶山，秦嶺.基于BD/GPRS高續(xù)航能力的遠(yuǎn)程放牧監(jiān)控系統(tǒng).現(xiàn)代電子技術(shù) 2016，6.15.39（12）.

[2] 司端國，王海濤，張明哲，北斗導(dǎo)航系統(tǒng)的應(yīng)用現(xiàn)狀與發(fā)展建議[C]//第三屆中國衛(wèi)星導(dǎo)航學(xué)術(shù)年會(huì)電子文集.北京：中國研究院總體部，2012.

[3] 李寧. 基于MDK的STM32處理器開發(fā)應(yīng)[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2008.