基于STM32的多功能林区人身防护装置设计

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)

基于STM32的多功能林区人身防护装置设计

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)

当前林区野生动物肇事时有发生，林区工作者的人身安全受到了极大威胁。本文设计了一种多功能林区人身防护装置，能够有效避免人兽冲突致人伤亡的情况发生。此装置是以STM32为控制核心，结合超声波驱逐、强光炫目、高压电击与定位追踪为一体，通过可变频超声波致使攻击方听觉神经紊乱，达到驱逐的目的；通过强光炫目和高压电击功能实现近距离冲突时的有效防护；在GPS和基站的双重定位下，可以通过移动终端实时追踪林区工作者的位置，实现实时安全状况的远程通讯。经过调试实验，本装置实现了在有效范围内对林区工作者的防护作用，将会带来很大的经济利益和社会效益，同时对林区的生态规划以及安全防护等工作具有参考价值，具有广泛的可扩展性。

野生动物；防护装置；STM32；超声波；电击

0 引言

林区工作者遭受野生动物袭击事件频繁发生，野生动物伤人多为大型野兽攻击及毒蛇咬伤。在我国西双版纳地区1991-2010年就有201人受到野生亚洲象攻击[1]；在国外也有学者对大型肉食动物肇事进行了相关研究，Rantnayeke等在斯里兰卡对1983-2004受到懒熊攻击的271人进行了调查，发现动物袭击常发生于人们进入林区工作的时候，且80%发生于人们与懒熊突然的遭遇[2]；毒蛇咬伤更为普遍，我国统计资料表明，每年毒蛇咬伤患者达10万人次，蛇伤死亡率为5%～10%，蛇伤致残丧失劳动能力者占25%～30%[3]。

针对上述问题，需要研究防护性强、作用范围广、适应我国林区的人身防护装置。基于低功耗的STM32单片机控制，结合可变频超声波驱逐、强光与电击近距离防御的多功能林区人身防护装置实现了良好的防护效果，保证了林区工作者的人身安全。

1 装置设计基本思路

本装置由超声驱逐、高压电击、强光炫目3部分组成，并辅以照明与定位追踪功能。

超声驱逐部分实现了多频段切换，频速可调节的技术目标，解决了针对不同类型的攻击目标通过变频以达到驱逐作用，并可以进行频速调节以防止攻击方对单一频段或频率产生免疫力，有效对攻击方的听觉系统进行攻击，使其生理功能紊乱以达到驱逐目的。

近身防御采用高压电击防御，利用警棍的原理，产生瞬间高压低流电对攻击方进行近身防御，并辅以强光使攻击方失去攻击能力。

本装置采用GPS与基站双重定位追踪系统，结合林区工作者长期野外工作的实际情况，可以精确定位到林区工作者位置[4-8]，在意外情况出现时，可以在第一时间找到林区工作者实时位置。

2 装置介绍

2.1 硬件电路设计

系统通过分析人机界面输入的命令与GSM模块的控制信息以及传感器反馈信息，控制超声波防御部分动作，并对当前危险状况进行声音报警。基于林区工作者长时间野外作业，系统对电池电量进行实时检测，当电池电量不足时，由备用电池维持正常运行。系统框图如图1所示，主要由MCU和多个子模块组成，其中子模块包括：36V开关电源模块、备用电池充放电模块、超声波发生模块、高压模块、强光模块、多路传感器接口、实时时钟、人机交互模块和GSM模块等。STM32主要用于分析与处理传感器信息、用户操作信息、控制GSM模块的接收和发送、控制超声波频率和备用电池充电。

图1 系统框图Fig.1 System chart

2.1.1 中央处理电路

控制核心采用STM32F103系列32位闪存微控制器，STM32F103是基于专门为嵌入式应用开发的具有突破性ARM Cortex-M3内核，受益于Cortex-M3架构的增强型功能及性能改进的代码密度更高的Thumb-2指令集，STM32系列不仅大幅提升了中断响应速度，同时兼具业内最低的功耗[9-12]。

为了提高系统的可靠性和稳定性，采用STM32F103系列微控制器采集与处理各传感器反馈信息、GSM模块的信息与使用者通过人机界面的控制信息[13]。例如，超声波波段选择与频率调节；接受微波感应的控制信息发出超声波；将定位信息通过GSM模块发送至查询者手机等功能。

2.1.2 超声波模块

超声波发生模块的设计由3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2所示。

图2 超声波模块Fig.2 Ultrasonic module chart

根据不同频段的超声波对林区野生动物的影响，通常情况下，低频段的超声波对大型肉食性动物有驱逐作用，中高频段的超声波对小型动物有驱逐作用。将可能对林区工作者进行攻击的动物对应的频率信息记录到单片机中，采用20k-65kHz宽范围的超声波进行驱逐。为了防止攻击方对固定频段超声波产生免疫，需通过改变时钟以修改声波频率从而实现了自动扫频，增强了驱逐效果。

由于超声波具有方向性强、易衰减的特点，且只能通过在空间中进行折射与反射传播，所以需要超声波具有较大的功率才可以达到预期的驱逐效果[14]。为了增加超声波功率，采用了推挽式功率放大电路进行功率放大，以保证有足够的功率达到驱逐效果。

2.1.3 高压电击模块

根据警用电击棍电路原理，现设计高压放电电路如图3所示。由三极管BG1、BG2与变压器B1构成交直流变换器，变压器B1升压后经QL整流给C2充电。三极管BG3、BG4组成多谐振荡器，输出脉冲触发可控硅3CT5导通。电容C2经可控硅3CT5和变压器B2、B3、B4的初级放电。于是B2、B3、B4各次级相串联输出近万伏高压。

变压器B1截取20mm和30mm长中波磁棒各两段并绕上线圈，使用环氧树脂胶合成磁环。变压器B2、B3、B4用XD型380V/6.3V指示灯变压器即可，将变压器初次级倒过来使用，将6.3V次级并联起来作初级，将380V初级串联起来作次级。在连接时要注意次级电势相串联，否则会造成输出电压不足。三极管BG1、BG2应选择性能尽量接近且β值大于60。

图3 高压放电模块Fig.3 High voltage discharge module

2.1.4 电源模块

电源模块框图如图4所示，输入220V交流电，通过开关电源产生36V的直流电源，满足为36V锂电池的供电。为避免外围电路对主控制电路的影响，经过DCDC降压模块与LDO芯片降压后为主控电路供电，高压电击部分和传感器部分供电，直接由DCDC降压芯片降压后供电。主控电路与外围电路分别供电提高了系统的可靠性。

为简化开关电源设计，并提高稳定性，使用TOP227芯片，该芯片集成度高、外围电路简单、性能稳定[15]。同时具有过流、过热保护，电路设计如图5所示。

图4 电源模块框图Fig.4 Power module chart

图5 电源模块电路图Fig.5 Power module circuit diagram

2.2 程序的设计

定时器T0用作产生基础频率为20KHz的超声波，定时器T1用作改变超声波的频率值，以达到超声波扫频发射的效果。主程序循环地检测是否有攻击方靠近，当检测到有攻击方靠近时启动高压放电装置及报警装置[16-20]。如图6～图8所示，如果使用者按下停止工作按键则装置停止报警、高压电击模块和超声波模块的工作。若使用者按下发送短信按键则装置发送定位信息的短信至指定号码求救。报警时LED灯闪烁，LCD屏幕显示报警动物类型。

3 实验与分析

3.1 可变频超声波测试

为了验证超声驱逐模块性能，采用试验动物老鼠20只进行验证性试验。为保证试验正确性，将试验鼠分为对照组与测试组。两组除测试组放置多功能林区人身防护装置外，其余实验环境均相同。试验方法示意如图9所示，动物驱赶试验情况见表1、表2。

图6 主程序流程图Fig.6 Main program flow chart

图7 子程序流程图Fig.7 Subroutine flow chart

图8 中断服务程序流程图Fig.8 Interrupt service program flow chart

图9 试验方法示意图Fig.9 Experimental method schematic diagram

只

表2 对照组老鼠数量 只

通过上述试验可以得出超声驱逐模块可以有效的对攻击方进行驱逐。

3.2 电击模块性能指标测试

根据国外实验研究，小于30 kV的高压不能使人或大型动物瞬间丧失活动能力，本设计中通过对高压模块进行放电测试，使用Cadence16.3仿真软件对于所设计的电路进行仿真[21]，仿真结果如图10所示，从图中可观察到输出电压很高，经测试电压一般在150～210 kV区间内。

一般大型动物若被一高压电击中，肌肉会陷入失控状态约3～15 min。所以连续的一高压窄脉冲电击，可以有效地瞬间使攻击方丧失活动能力，同时，不会对其产生永久性的致命性的伤害。

3.3 电源模块测试

针对电源模块最终的设计并结合系统微调后，对于所设计的电路进行仿真，观察输出电压与输出电流是否可以满足需求。

针对满载情况下的电流的仿真输出波形如图11所示。

图10 输出电压波形Fig.10 Output voltage waveform

图11 电源满载输出电流波形Fig.11 Power supply full load current waveform

通过图12我们可以发现在满载情况下的最大输出电流再经过大约0.8 ms的上升时间之后，能够相对稳定的维持在2 A左右的一个范围之内而且不会出现太过明显的摆幅。

图12 电源满载输出电压波形Fig.12 Power supply full load output voltage waveform

同理测试了在满载情况下的输出电压情况，同样由图12可以发现最终的输出电压能够维持在大约36 V左右的范围之内，而且纹波的峰值也几乎维持在1 V以内。

4 结束语

基于国内禁枪现状，为保证林区工作者的人身与财产安全，本文提出了一种在林区有效避免人兽冲突解决方案，从软件和硬件两个方面详细介绍了多功能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、开发维护方便等特

点。经多次实际应用试验，在有效作用面积150 m2内作用效果明显。适用于长期在林区作业或进入林区进行教科研活动的工作者进行人身防护。

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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

国家级大学生创新创业训练计划项目(201610225041)

魏艳秀，本科生。研究方向：自动化。

李丹丹，讲师，博士生，研究方向：控制理论与控制工程。E-mail：lidandan@nefu.edu.cn

魏艳秀，李丹丹，许洋，等.基于STM32的多功能林区人身防护装置设计[J].森林工程，2017，33(5)：85-90.