可跟踪便携式林区人身防护器的设计

魏艳秀，李丹丹，许 洋，韩 旭，徐林通，张纯朴

(东北林业大学 机电工程学院，哈尔滨 150040)



可跟踪便携式林区人身防护器的设计

魏艳秀，李丹丹，许 洋，韩 旭，徐林通，张纯朴

(东北林业大学 机电工程学院，哈尔滨 150040)

随着人们对林区资源的深入研究与探索，在获取丰硕研究成果的同时，野生动物肇事问题也日趋严重，野生动物与人发生冲突致使人员伤亡、财产损失的事件时有发生，林业工作者的人身与财产安全受到了极大威胁。如何解决林区野生动物肇事及避免人兽冲突成为当下研究热点，针对这一问题，设计一种以STM32为控制核心，结合超声波、强光、电击的多功能林区人身防护装置。介绍了装置设计原理并对其进行了性能测试与模拟试验，验证其可行性。

可跟踪便携式林区人身防护器；STM32；防护装置；超声波；电击

随着我国生态建设的不断加强以及禁枪禁猎政策的实施，野生动物得以生产繁衍，与此同时，也引发了人与野生动物的冲突，近年来多起野生动物肇事事件就是这一冲突的集中体现，例如：东北虎、黑熊、金钱豹、狼、毒蛇等野生动物伤人事件频繁发生[1]。林业工作者长期在林区进行作业，更容易遭受野生动物袭击。如何主动对野生动物的袭击进行有效防御成为研究的热点问题。

本文基于STM32微控制器设计了可跟踪便携式林区人身防护器，采用超声波驱逐、强光与高压电击进行防御，采用GPS与基站双重定位，实时反馈使用者位置信息。本装置具有良好的防护效果，作用范围广，适用于在林区作业时进行人身防护。

1 装置设计方案

本装置通过GPS与基站双重定位，定位精度高，适用于林区工作者在野外的工作环境，可以对使用者位置进行实时定位追踪，当意外情况发生时，可以通过本装置迅速准确地进行救援，降低人员伤亡的概率。

通过超声波、高压放电、强光组成的防御系统可以对使用者进行安全防护。超声波驱逐部分可实现频段与频速的调节，保证对不同攻击方的攻击效果同时又避免了对单一频段与频率产生免疫，可以对攻击方的听觉神经造成创伤，使攻击方生理功能紊乱从而达到驱逐目的。高压放电模块可以产生瞬间高电压对攻击方进行打击，辅以强光照射使攻击方失去视野从而丧失攻击能力。

2 硬件电路设计

可跟踪便携式林区人身防护器的系统框图如图1所示，系统采用STM32微控制器为控制核心，通过用户操作人机界面或传感器反馈信息对各功能模块进行控制，包括:GSM模块、定位跟踪模块、高压放电模块以及超声波发射模块。STM32微处理器用于分析与处理来自人机界面的操作信息、传感器反馈信息以及GSM模块的接收与发送等任务，并按照相应的优先级排列顺序执行任务。

图1 系统框图Fig.1 System chart

2.1 中央处理电路

STM32F103是意法半导体(ST)公司出品的内核为Cortex-M3的增强型微控处理器。拥有睡眠、停机和待机模式使它具有低功耗的特点。它的最高工作频率可达72 MHZ，在存储器的0等待周期访问时速率可达1.25 Mbps，并且它的使用非常灵活，拥有丰富的I/O接口。同时，它在最小的系统里集成了复位电路、低电压检测、精确的RC振荡器、调压器等，拥有128 KB的闪存使得它的性价比很高[2-3]。

中央处理器系统采用STM32F103微控处理器将人机界面操作信息、传感器反馈信息、GSM模块接收到的信息均采集到MCU处进行处理，提高了系统的可靠性。系统通过USART实现GSM模块与系统之间的通信，并将位置信息通过GSM模块发送到查询者移动终端[4]。

2.2 定位模块

为了更准确地反馈使用者的实时位置，本设计采用基站和GPS双重定位，将定位信息通过GSM模块发送至查询者手机。GPS通信通过GPS外设模块采用卫星定位，在开阔地的定位精确率较高。基站定位通过移动运营网GPRS的识别信息将位置发送至中央处理器，作为GPS模块的补充[5]。

图2 定位模块框图Fig.2 Locator module chart

定位模块框图如图2所示，将基站和GPS模块接收到的实时定位信息通过GSM模块发送至查询者移动终端。定位信息通过主控制器进行处理，并将信息通过USART发送至GSM模块进行通信。

2.3 超声波模块

超声波发生模块由三部分构成，包括信号产生单元、信号调制与放大单元、超声波发射单元。超声波模块通过电源模块供能并通过单片机进行信号控制后发射超声波，关系图如图3所示。

图3 超声波模块框图Fig.3 Ultrasonic module chart

超声波模块由12 V锂电池供电，供电电路中加入保护电路防止漏电短路的发生。由STM32F103的内部时钟PLL产生8 MHz的超声方波，通过信号调制模块由系统控制产生20～65 kHz的有效驱逐超声波，并且超声波频率与频速不断变化、自动扫描以应对野生动物对某一特定频率产生免疫的情况。

由于经STM32F103产生的超声波功率较小，达不到驱逐动物的目的。所以产生的超声波经过推挽式功率放大电路进行功率放大，然后通过超声波发射单元采用处于防护器四周的换能器向四周发射，以降低超声波的方向性和易衰减产生的影响，从而能够更好地驱逐周围的野生动物。

2.4 高压电击模块

根据高压电击棍电路原理，由电源、功率管触发电路、升压隔离变压器以及电压整形及LC谐振电路组成的高压电击模块，采用系统+12 V电源输入，通过功率管触发电路产生低压脉冲用来为升压变压器提供输入，再通过升压隔离变压器将低压脉冲波转换为高压脉冲，最后采用滤波方式将脉冲的前沿电压升高经由LC谐振电路再次升压后就可以产生150 kV～200 kV脉冲高压输出，高压放电模块如图4所示。

图4 高压放电模块框图Fig.4 High voltage discharge module chart

2.5 电源模块

电源模块如图5所示，系统采用12 V锂电池供电。为了减少外围电路对控制电路的干扰，主控电路采用DCDC降压模块及LDO芯片将12 V电压转化为3.3 V电压进行供电，高压放电部分和传感器部分的供电，由DCDC降压芯片进行降压后直接供电。将控制电路与外围电路分别进行供电，提高了系统的稳定性。

图5 电源模块框图Fig.5 Power module chart

3 程序设计

STM32F103的Cortex-M3内核具有优越的嵌套向量中断控制器(NVIC)做可嵌套中断，并且具有良好的动态优先级调整性能，终端延迟时间短，响应速度快。结合STM32F103的优越性能，设计系统主程序及中断服务程序如图6所示。系统上电后进行系统初始化，主程序循环检测是否有中断任务发生，如果有中断任务产生，则根据任务的优先级排序后依顺序执行。

通过定时器产生超声波并且改变超声波的频率值，从而达到超声波扫频效果，有效防止了攻击方对单一频率的免疫。当检测到有攻击方靠近时启动高压放电装置及报警装置进入防护状态。

图6 系统主程序与中断程序流程图Fig.6 Main program and interrupt routine flow chart

4 结语

本文提出了在林区有效避免人兽冲突的解决方案，详细介绍了便携式林区人身防护装置的设计与实现。该装置具有成本低、低功耗、抗适应性强等特点。经多次试验测试，在有效作用面积内有明显作用效果，适用于长期进行野外作业或进入林区进行教学科研活动的专家学者进行人身防护。

可跟踪便携式林区人身防护器是电工学与生态学的交叉结晶，它可以有效解决林区工作者的安全问题，将带来极大的经济效益和社会效益。同时，在林区的生态规划以及安全防护等研究领域也具有很高的参考价值。

[1] 刘文燕.论野生动物致害的生态法律责任[C]//林业、森林与野生动植物资源保护法制建设研究——2004年中国环境资源法学研讨会(年会)论文集(第二册)，2004.

[2] 黄智伟，王兵，朱卫华. STM32f32位ARM微控制器应用设计与实践[M].北京:北京航空航天大学出版社，2012.

[3] Liu J Y，Sun S Y. Design and Implementation of Servo Motor Speed Control System Based on STM32[J].Applied Mechanics and Materials，2013，(427)：999-1002.

[4] 韩斌杰.GSM原理及其网络优化[M].北京:机械工业出版社，2009.

[5] 秦艳珊，宁彬，徐凯，等.蜂窝网络单基站定位技术的研究与实现[J].计算机时代，2015，(07):20-22.

The design of portable GPS tracked forest area personal protection device

WEI Yan-xiu,LI Dan-dan,XU Yang,HAN Xu,XU Lin-tong,ZHANG Chun-pu

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

With the research and exploration for forest resources has been deepened gradually,wildlife accident is increasingly serious,and there are so many casual incidents leading to casualties and property loss,so this causes a huge threat to the individual and property safety of forest workers. How to prevent conflicts between human and wild animals and reduce the damages caused by wildlife has become the hot issues in the related studies. In view of this problem,we aim to design a kind of multi-functional forest personal protective device which is controlled by STM32 integrating with a variety of technologies such as ultrasonic,high strength light and electric shock. The design principle and the feasibility of the device verified by performance and simulation test were introduced in this paper.

Portable GPS tracked forest area personal protection device; STM32; Defensive equipment; Ultrasonic; Electric shock

2017-01-12

国家级大学生创新创业训练计划项目 (201610225041)

魏艳秀(1995-)，男，本科在读，e-mail:wyx@nefu.edu.cn。

李丹丹(1981-)，女，博士研究生，讲师，e-mail:lidandan@nefu.edu.cn。

S778

A

1674-8646(2017)06-0106-03