基于物聯網技術的電子圍欄系統設計

吳源源，武凜威，黃林雋，林靜敏

（1廈門城市職業學院 福建 廈門 361001）

（2福建固維科技有限公司 福建 廈門 361001）

0 引言

電子圍欄技術綜合應用物聯網、通信技術和計算機技術，是目前較為先進的邊界防盜報警系統。該系統主要由兩部分構成，一是前端探測圍欄，二是服務器端的控制中心[1]。電子圍欄前端的探測圍欄又由兩部分組成，一部分是發射無線信號的前端配件，另一部分是接收無線信號的電子圍欄主機。一旦觸網、短路、斷路及無線信號中斷等情況在前端發生時，前端配件能夠及時準確發出告警信號或者預警信息，同時將預警信息發送至云端服務器端的控制中心，由應用服務器觸發報警單元。本文闡述了一種基于窄帶物聯網（NB-IoT）技術實現的電子圍欄系統的設計方法，并于2022年6月23日獲得計算機軟件著作權，登記號為2022SR0830500。本系統幫助福建L縣的畜牧業養殖戶實現牲畜的提純保種繁育和規范化養殖。

1 系統需求

在需求分析階段了解到L縣畜牧業養殖戶遇到一些下牲畜純保種繁育規模化養殖實際問題，例如：

（1）偷盜走失狀況時有發生。某品種牲畜必須放養散養，無法實時看護時，不法分子偷盜或牲畜迷途走失事件時有發生；

（2）雜交品種擾亂純種繁育。需要有良好的技術手段配合品種溯源。

針對這幾個實際的需求，本系統在設計的時候對牲畜的定位項圈做了詳細的需求分析：

（1）定位項圈的數據交換的數據量要相對較低而且報文長度要相對有限；

（2）設備應具有較小的尺寸和重量，相對耐用可靠，功耗要低，避免不斷更換電池或者充電，設備信號的傳輸距離要盡可能長；

（3）能按牧民要求的時間間隔定時上傳牲畜的地理位置和生命體征信息；

（4）需要有Web端和手機移動端能對牲畜的異常行為進行告警提醒。

2 系統設計

根據上述需求分析，本系統設計分為前端探測圍欄和服務器端的控制中心兩部分組成。前端探測圍欄又分為定位項圈和虛擬電子圍欄兩部分組成，定位項圈采用帶有北斗衛星導航系統（BeiDou Navigation Satellite System，BDS）和全球定位系統（global positioning system,GPS）兩種定位系統的地理位置數據，定位項圈應用NB-IoT技術（Narrow Band Internet of Things,NB-IoT）通過網絡進行信號傳輸，可以對牲畜進行精準定位，并且不影響牲畜的正常活動。本系統基于B/S（瀏覽器/服務器）的模式開發，并利用Android Studio的WebView控件編寫極少量代碼即可在安卓移動端部署APP。包含牲畜位置精準監測、防丟失、防被盜、牲畜異常奔跑、體征監測、牲畜盤點等功能[2]。本系統結構框圖見圖1。

圖1 生態養殖電子圍欄系統結構框圖

2.1 牲畜行為數據采集及數據傳輸

為了滿足需求，針對牲畜定位項圈的硬件方案對比了NB-IoT、LoRa、藍牙等物聯網常用技術手段，決定采用NB-IoT技術設計牲畜的定位項圈。其具有四大優點：一是廣覆蓋；二是具備支撐連接能力；三是更低功耗，超長待機；四是更低的模塊成本，單個模塊硬件成本低于40元人民幣[3]。

本產品NB-IoT模塊與電信運營商的基站通信，可以降低系統安裝建設的成本。所有的定位項圈都需要準備一張有效的NB-IoT SIM卡，應用移遠公司的BC26模塊硬件解決方案，程序通過對BC26模塊發送指令控制NB-IoT模塊。

本系統的定位項圈通過GPS或者北斗獲得牲畜的準確的經緯度，項圈通過BC26模塊將牲畜的位置信息和由NTC溫度傳感器獲取的牲畜的體溫數據傳遞到云端。本系統傳遞數據使用自己定義的JSON數據格式，數據示例如下：

JSON數據中，每一只牲畜對應唯一的設備ID（DeviceID）；ver對應自定義的數據格式版本號；Location定義設備獲取的經緯度、高度和坐標系標識信息；time標識時間戳；temperature標識體溫；power用于傳輸項圈的剩余電量。

系統數據庫中要對每一只牲畜給予一個唯一溯源官方認證識別碼，此碼要和項圈的設備ID做一一對應的外鍵匹配，此碼貫穿牲畜純種養殖的全生命周期，設立提純保種智慧“云屏障”。

2.2 牲畜在欄判斷

2.2.1 矩形區域處理

針對形狀為矩形的牧場，牲畜是否在欄，判斷和處理就相對簡單。如圖2坐標系為二維X-Y坐標系，ABCD四個點為矩形牧場的四個頂點，坐標分別為A(x1,y1)、B(x2,y2)、C(x3,y3)、D(x4,y4)。設牲畜所處的位置為E(x5,y5)，數據庫中找到在欄牲畜的ID的SQL語句為：select DeviceID from PositionInfo where longitude＞x3 and longitudey3 and latitude

圖2 矩形區域示意圖

2.2.2 多邊形區域處理

如圖3，判斷p點是否在多邊形牧場內的方法：通過p點畫水平線和多邊形相交，取所有的交叉點，如果經過p點的水平線和多邊形區域的交點數量在p點兩側都是奇數個時，說明p點在多邊形牧場內，即鉛垂線內點法[4]。此方法適用于包括帶孔的凸多邊形和凹多邊形在內的任意多邊形。下面給出這種算法的Java代碼，其中iPolyPoints是多邊形的頂點數量，iPolyX存放頂點的x坐標數組，iPolyY存放頂點的Y坐標數組。若方法返回值為true則表明牲畜仍然在牧場內，false表示不在。

圖3 多邊形區域示意圖

2.3 牲畜異常行為告警

2.3.1 異常行為類型

牲畜在牧場中的異常行為包括：牲畜跑出牧場、被盜、有野獸襲擊導致牲畜受驚，某只牲畜因患病導致長時間移動緩慢等。定位項圈提供的數據可以為牲畜是否存在異常行為提供參考數據。如：（1）牲畜的經緯度信息長時間保持不變，并且體溫數據異常，可能定位項圈丟失或牲畜健康狀況異常；（2）定位項圈的地理坐標離開牧場標定范圍，則有可能牲畜被盜或者牧場圍欄破損導致牲畜走失；（3）如果突然出現多只牲畜同時快速奔跑的情況，有可能對應環境變化或野獸襲擊導致牲畜受驚的異常。

2.3.2 定位項圈配置方案

基于設備能耗的考慮，NB-IoT硬件的超長待機和超低功耗可以滿足定位項圈長達數月甚至數年的使用，減少充電的次數。本系統采用定位項圈15 min向云服務器傳遞一次數據，這種數據傳送頻率可以保證定位項圈的電池能保持續航數月。NB-IoT創造性地引入PSM（Power Saving Mode,PSM）模式，當設備的地理位置長時間沒有變化時，使設備處在低功率的狀態，從而達到節能的目的[5]。BC26的PSM_EINT接口是喚醒引腳，項圈電路配置時需要在BC26的模塊上對此引腳做信號設置。PSM_EINT引腳對應19號引腳，DC特性為VILmax=0.35 V、VIHmin=1.7 V、VIHmax=3.6 V。此引腳觸發是下降沿有效觸發，也就是說此引腳由高電平向低電平躍變的時刻設備才能由低功率狀態轉變到正常工作狀態。激活項圈時，程序控制此引腳的電壓從3.6 V降到1.7 V以下。

2.3.3 告警準確率測試

由于民用GPS定位精度為10 m，北斗的定位精度為5 m，這導致定位項圈的地理位置信息存在誤差。系統傳送位置頻率越高，判斷牲畜是否在欄越準確，但是項圈續航時間越短，越需要在準確率和續航時間這兩個參數之間取平衡點。為此將一定數量的牲畜放在一個較小的牧場區域內，這樣牲畜觸及牧場邊界的次數會增加，比較容易觸發告警信號，通過此方法做了大量的實驗，實驗的數據結果見表1。

表1 定位項圈告警準確率測試表

從表1可以做出判斷，如果把項圈發送信號的頻率調整為15 min一次，就可以在續航和告警準確率這兩個指標之間取得較好的平衡。因此最終系統實際應用時采用15min采樣間隔。

2.4 牲畜智能稱重盤點模塊

在牧場的牲畜入圈的入口處，可配置稱重盤點模塊（如圖4所示）。牲畜經過稱重、盤點通道入圈時，設備可以給牲畜自動稱重、自動測量體高和體長、數據實時上傳云端管理系統。系統根據牲畜體征信息對牲畜配種、生長測定、每日數量盤點做實時監控和提醒。系統對符合出欄條件的牲畜給予提示，達到提高經濟效益的目的。

圖4 智能稱重盤點模塊

3 結論與展望

綜上所述，本系統通過NB-IoT物聯網技術的項圈結合電子地圖，應用文中提出的在欄判斷等算法，實現牲畜的高效管理，解決了牧民管理牲畜的難題。在調研和開發過程中，發現除牲畜的在欄檢測外，牧民也非常關注對牲畜的發情等行為的檢測。在現代化養殖業中，只有準確地、實時地獲取牲畜個體的健康、體態、運動狀況等數據，才能對牲畜個體做出客觀、嚴謹、實時的評價，進而決定是否需要人工介入，以達到節約人力資源的目的。今后本系統升級迭代的過程中考慮要加入牲畜的生命狀態體征的研究，以提高對牲畜健康狀況的管理水平。