基于GPRS的野生動物遠程監測系統設計

趙志強 ， 鄧 璦 ， 葛朝中 ， 陳 麗

（1.重慶郵電大學 生物醫學研究中心，重慶 400065；2.重慶醫科大學 附屬第二醫院，重慶 400010）

基于GPRS的野生動物遠程監測系統設計

趙志強1，2， 鄧 璦1， 葛朝中1， 陳 麗1

（1.重慶郵電大學 生物醫學研究中心，重慶 400065；2.重慶醫科大學 附屬第二醫院，重慶 400010）

針對傳統方法在監測野生動物時存在的一些問題，設計了一套野生動物的遠程監測系統。該系統主要包括野生動物相關參數前端采集、處理及GPRS遠程傳輸。主要介紹了系統的軟硬件實現方案，并在軟件部分闡述了前端微處理器中體溫數據糾錯功能，通過對環境溫度和動物體溫這兩組溫度數據的對比，實現了對動物偷獵行為的預警作用。

GPRS；數據糾錯；預警；無線傳輸；遠程監控

野生動物的生存與發展維系著整個生態系統的平衡與穩定，與人類的生存息息相關。野生動物監測的目的是實時收集野生動物相關數據，利用這些數據進行統計、分析，從而為野生動物的研究與保護提供重要的數據支持與決策信息。

然而，目前野生動物監測存在人與動物交叉感染、實時動態多參數監測困難等問題。大部分的人類傳染病都源自于動物（例如SARS、AIDS），許多野生動物的疫病具有傳染性，能夠通過各種媒介互相傳染，特別是研究人員在近距離研究野生動物時很容易被感染。野生動物的棲息、活動場所廣闊且通常分布在深山密林之中，生存條件惡劣，監測人員難以實現動物的實時監測[1]。為此，筆者從實際應用出發，以GPRS模塊為核心，設計一種無線遠程監測系統，用以檢測野生動物的體溫[2]、運動量和環境溫度[3]，采集導數據經數據處理模塊處理后，通過GPRS接入Internet進行遠程傳輸、控制和管理[4]。實驗表明：GPRS數據傳輸網絡在野生動物環境監測系統中完全適用。

1 總體設計方案

將該前端信號采集系統安裝在動物身上，通過傳感器群采集所需信息并傳入微處理器，微處理器對各種信息整合打包之后定時發送給GPRS模塊[5]，啟動GPRS模塊接入Internet最終將信息送入網絡監測中心。采用模塊化設計思想，其整體結構主要包括前端信號采集調理模塊、進行數據分析管理的控制處理模塊、低電量報警模塊以及進行無線傳輸的GPRS模塊[6]。其結構如圖1所示。

圖1 系統整體結構Fig.1 Structure diagram of system

傳感器群中包含了兩個溫度傳感器、加速度傳感器等，溫度傳感器用于測量動物的體溫及外界環境溫度[7]，當體溫值與外界環境溫度值接近時可以初步認定動物死亡，對于防止偷獵能起到一定的作用。

2 監測終端硬件設計

2.1 電源模塊

采用12C5A60S2單片機和SIM300無線通信模塊構成數據采集終端。外部輸入電壓為9 V，由于傳感器及單片機工作電壓為5 V，而SIM300模塊工作電壓為4.2 V，因此本系統需提供5 V及4.2 V電壓。5 V電源可由7805芯片實現；而對于SIM300模塊采用4.2 V供電，工作時要求電源最高輸出電流必須達到2 A，因此采用MIC29302芯片，電路圖分別如圖2，圖 3所示。

圖2 5 V電源供電電路Fig.2 5 V power supply circuit

圖3 SIM300供電電路Fig.3 SIM300 power supply circuit

2.2 無線傳輸模塊

GPRS無線通信模塊采用Simcom公司的SIM300GSM／GPRS雙頻模塊[8]。主要為語音傳輸、短消息和數據業務提供無線接口。適合于開發一些GSM／GPRS的無線應用產品。同時，SIM300模塊中集成了TCP／IP協議棧，并為用戶提供了擴展的TCP/IP AT命令，使用戶可以輕松地使用TCP/IP協議，實現GPRS網絡與Internet網絡的順利接入。

1）通信電路設計

SIM300提供兩個標準的RS232串行接口，用戶可以通過串行口使用AT命令完成對模塊的操作[5]。串口一共有7個引腳，包括：數據引腳TXD和RXD，狀態引腳RTS和CTS以及控制引腳DTR，DCD，RING。串口一可用于數據交換服務，發送傳真、GPRS服務和發送AT指令。串口二只包括兩個引腳TXD和RXD[9]，使用串口二之前一定要通過AT指令“AT+UART”啟用。串口一和串口二不能同時使用。考慮到需要通過模塊上網，所以使用全部的串口信號引腳，當模塊與主控模塊通信時需要電平轉換，啟動SIM300模塊只需將IGT管腳拉低即可，其連接電路如圖4所示。

2）SIM卡電路設計

SIM卡與SIM300模塊通過板對板連接器進行連接。目前，有6針和8針兩種連接，該方案中采用的是6針連接器。其主要包括SIM卡的電源線、數據線、SIM卡時鐘、復位線和狀態線，SIM卡的供電電壓由SIM300模塊進行供電，根據通信公司提供的SIM卡模塊自動進行選擇。設計中，SIM卡上的 RST、I／O、CLK、VCC 和 GND 分別連接到 SIM300 的相應引腳，VPP懸空，其連接電路圖如圖5所示。

2.3 系統軟件設計

圖4 GPRS模塊通信電路Fig.4 GPRS module communication circuits

圖5 SIM卡電路圖Fig.5 SIM card circuit

在以上硬件上進行軟件編寫，采用C語言編程。主要包括初始化部分，傳感器數據采集部分，對收到的數據進行糾錯、壓縮處理部分以及數據發送部分。在發送部分，單片機通過串口以AT指令形式與sim300模塊進行通信，系統采用TCP點對點連接方式。總體程序流程圖如圖6所示。

圖6 軟件流程圖Fig.6 Flow chart of software

系統采用使用GPRS傳輸數據采用TCP方式進行連接，通過服務器端的IP地址進行本地設置，發起連接[10]。初始化過程中優先啟動兩路溫度傳感器，測量動物體溫及環境溫度，防止監測終端發熱影響溫度測量的準確值。系統在處理數據過程中將處理器接收到的體溫數據與上一次得到體溫數據進行比較，若數據相差絕對值超過0.2攝氏度則舍棄前一次數據以期對溫度數據進行簡單糾錯，保證數據的精確。

3 實驗結果與分析

使用本系統中用于體溫測量的溫度傳感器對室溫進行測量，測量結果如圖7所示。

由圖7可以看出由于在初始測溫時傳感器溫度急劇上升，變化量過快而導致溫度結果不顯示，隨著時間推移所測溫度逐漸趨于穩定，與實際溫度基本相符。對于長時間工作能有效防止測量誤差，測量溫度穩定。

圖7 溫度數據（虛線為實際測量溫度）Fig.7 Temperature data（dashed line is the actual measured temperature）

4 結束語

本系統主要是針對野生動在野外生存的參數進行采集，由傳感器采集數據[11]發送至微處理器，再通過SIM300無線通信模塊和Internet相連，進行數據的無線傳輸，實現野生動物的生理參數的實時監測，同時，該系統預留了端口，可用于后期GPS或者其它功能擴展。系統中引入的兩路溫度信號比較對于保護珍稀野生動物、防止偷獵也能起到一定預警作用。采用GPRS無線通信，實時穩定的遠程監測野生動物的運動量、體溫以及外界環境溫度，為對野生動物的研究、監測節省了大量的人力、物力，對保護野生動物資源具有重要的意義。

[1]粱妃學.遠程生理診斷儀設計的關鍵技術研究[D].廣州：第一軍醫大學，2006.

[2]Zhang P，Sadler C M.Hardware design experiences in zebraNet[C]//In Proceedings of SenSys 04，Bahimore，Maryland，USA，2004.

[3]MA Ding.Application development and analysis of mobile communication GPRS module[J].Modern Business，2009 （23）：213-214.

[4]王鵬，譚寶成.基于GSM／MODEM無線通信自動抄表系統實現[J].西安工業學院學報，2002（1）：22-26.

WANG Peng，TAN Bao-cheng.The implementation of remote automatic reading meter based wireless communication of GSM/MODEM[J].Journal of Xi’an Institute of Technology，2002（1）：22-26.

[5]Tilak S，Abu-Ghazaleh NB，Heinzelman W.A taxonomy of wireless micro-sensor network models[J].Mobile Computing and Communications Review，2002，1（2）：1-8.

[6]Herring C，Kaplan S.Componment-based software systems for smart e nvironments[C]//IEEE Personal Communications，2000：6-8.

[7]Akyildiz I F，Su W，Sankarasubramaniam Y，et al.A survey on sensor net works[J].IEEE Communications Magazine，2002（4）：102-114.

[8]Simcom Co.，Ltd.SIM300 Hardware Specification[EB/OL].（2005-12-25）[2011-02].http://www.sim.com/wm/News/photo/200947111746.pdf.

[9]王本年.深入分析串口通訊 [J].計算機編程技巧與維護，2000（12）：53-59.

WANG Ben-nian.In-depth analysis of serial communication[J].The Programming Skills and Maintenance of Computer，2000（12）：53-59.

[10]Grochla K.Simulation comparison of active queue management algorithms in TCP/IP networks[J].Telecommunication Systems，2008，39（2）：1-2.

[11]黃華東，郭張軍，彭鵬.基于分布式多傳感器融合技術的壩基地下水宏觀動態監測數據分析[J].陜西電力，2011（3）:13-16.

HUANG Hua-dong，GUO Zhang-jun，PENG Peng.Study on macroscopic regime of groundwater under dam section based ondistributedmulti-sensordatafusiontheory[J].ShaanxiElectric Power，2011（3）：13-16.

Design of remote monitoring system for wildlife based on GPRS

ZHAO Zhi-qiang1，2， DENG Ai1， GE Zhao-zhong1， CHEN Li1
（1.Biomedical Engineering Research center，Chongqing University of Posts&Telecommunications，Chongqing400065，China； 2.The Second Collegeand Affiliated Hospital（SCCAH），Chongqing Medical University（CQMU），Chongqing400010，China）

According to the traditional method’s problem of monitoring wild animals， a remote monitroring system for wild animals is designed.The system includes three parts with wildlife-related parameters， which are the front-end collection，processing and GPRS remote transmission.The software and hardware of the system are described.The founction of data error correction in the front-end microprecessor is introduced in the part of software.Comparing the ambient temperature with the animal’s body temperature， the early warning of animal poaching is achieved.

GPRS； data error correction； early warning；wireless transmission； remote monitoring

TN6

A

1674－6236（2012）04-0097-03

2011-12-20 稿件編號：201112118

趙志強（1976—），男，重慶人，博士，副教授。研究方向：智能醫療儀器。