基于STM32的多功能林區人身防護裝置設計

魏艷秀，李丹丹，許洋，韓旭，徐林通，張純樸

(東北林業大學 機電工程學院，哈爾濱 150040)

基于STM32的多功能林區人身防護裝置設計

魏艷秀，李丹丹*，許洋，韓旭，徐林通，張純樸

(東北林業大學 機電工程學院，哈爾濱 150040)

當前林區野生動物肇事時有發生，林區工作者的人身安全受到了極大威脅。本文設計了一種多功能林區人身防護裝置，能夠有效避免人獸沖突致人傷亡的情況發生。此裝置是以STM32為控制核心，結合超聲波驅逐、強光炫目、高壓電擊與定位追蹤為一體，通過可變頻超聲波致使攻擊方聽覺神經紊亂，達到驅逐的目的；通過強光炫目和高壓電擊功能實現近距離沖突時的有效防護；在GPS和基站的雙重定位下，可以通過移動終端實時追蹤林區工作者的位置，實現實時安全狀況的遠程通訊。經過調試實驗，本裝置實現了在有效范圍內對林區工作者的防護作用，將會帶來很大的經濟利益和社會效益，同時對林區的生態規劃以及安全防護等工作具有參考價值，具有廣泛的可擴展性。

野生動物；防護裝置；STM32；超聲波；電擊

0 引言

林區工作者遭受野生動物襲擊事件頻繁發生，野生動物傷人多為大型野獸攻擊及毒蛇咬傷。在我國西雙版納地區1991-2010年就有201人受到野生亞洲象攻擊[1]；在國外也有學者對大型肉食動物肇事進行了相關研究，Rantnayeke等在斯里蘭卡對1983-2004受到懶熊攻擊的271人進行了調查，發現動物襲擊常發生于人們進入林區工作的時候，且80%發生于人們與懶熊突然的遭遇[2]；毒蛇咬傷更為普遍，我國統計資料表明，每年毒蛇咬傷患者達10萬人次，蛇傷死亡率為5%～10%，蛇傷致殘喪失勞動能力者占25%～30%[3]。

針對上述問題，需要研究防護性強、作用范圍廣、適應我國林區的人身防護裝置。基于低功耗的STM32單片機控制，結合可變頻超聲波驅逐、強光與電擊近距離防御的多功能林區人身防護裝置實現了良好的防護效果，保證了林區工作者的人身安全。

1 裝置設計基本思路

本裝置由超聲驅逐、高壓電擊、強光炫目3部分組成，并輔以照明與定位追蹤功能。

超聲驅逐部分實現了多頻段切換，頻速可調節的技術目標，解決了針對不同類型的攻擊目標通過變頻以達到驅逐作用，并可以進行頻速調節以防止攻擊方對單一頻段或頻率產生免疫力，有效對攻擊方的聽覺系統進行攻擊，使其生理功能紊亂以達到驅逐目的。

近身防御采用高壓電擊防御，利用警棍的原理，產生瞬間高壓低流電對攻擊方進行近身防御，并輔以強光使攻擊方失去攻擊能力。

本裝置采用GPS與基站雙重定位追蹤系統，結合林區工作者長期野外工作的實際情況，可以精確定位到林區工作者位置[4-8]，在意外情況出現時，可以在第一時間找到林區工作者實時位置。

2 裝置介紹

2.1 硬件電路設計

系統通過分析人機界面輸入的命令與GSM模塊的控制信息以及傳感器反饋信息，控制超聲波防御部分動作，并對當前危險狀況進行聲音報警。基于林區工作者長時間野外作業，系統對電池電量進行實時檢測，當電池電量不足時，由備用電池維持正常運行。系統框圖如圖1所示，主要由MCU和多個子模塊組成，其中子模塊包括：36V開關電源模塊、備用電池充放電模塊、超聲波發生模塊、高壓模塊、強光模塊、多路傳感器接口、實時時鐘、人機交互模塊和GSM模塊等。STM32主要用于分析與處理傳感器信息、用戶操作信息、控制GSM模塊的接收和發送、控制超聲波頻率和備用電池充電。

圖1 系統框圖Fig.1 System chart

2.1.1 中央處理電路

控制核心采用STM32F103系列32位閃存微控制器，STM32F103是基于專門為嵌入式應用開發的具有突破性ARM Cortex-M3內核，受益于Cortex-M3架構的增強型功能及性能改進的代碼密度更高的Thumb-2指令集，STM32系列不僅大幅提升了中斷響應速度，同時兼具業內最低的功耗[9-12]。

為了提高系統的可靠性和穩定性，采用STM32F103系列微控制器采集與處理各傳感器反饋信息、GSM模塊的信息與使用者通過人機界面的控制信息[13]。例如，超聲波波段選擇與頻率調節；接受微波感應的控制信息發出超聲波；將定位信息通過GSM模塊發送至查詢者手機等功能。

2.1.2 超聲波模塊

超聲波發生模塊的設計由3部分構成，包括信號產生單元、信號調制與放大單元、超聲波發射單元。超聲波模塊通過電源模塊供能并通過單片機進行信號控制后發射超聲波。關系圖如圖2所示。

圖2 超聲波模塊Fig.2 Ultrasonic module chart

根據不同頻段的超聲波對林區野生動物的影響，通常情況下，低頻段的超聲波對大型肉食性動物有驅逐作用，中高頻段的超聲波對小型動物有驅逐作用。將可能對林區工作者進行攻擊的動物對應的頻率信息記錄到單片機中，采用20k-65kHz寬范圍的超聲波進行驅逐。為了防止攻擊方對固定頻段超聲波產生免疫，需通過改變時鐘以修改聲波頻率從而實現了自動掃頻，增強了驅逐效果。

由于超聲波具有方向性強、易衰減的特點，且只能通過在空間中進行折射與反射傳播，所以需要超聲波具有較大的功率才可以達到預期的驅逐效果[14]。為了增加超聲波功率，采用了推挽式功率放大電路進行功率放大，以保證有足夠的功率達到驅逐效果。

2.1.3 高壓電擊模塊

根據警用電擊棍電路原理，現設計高壓放電電路如圖3所示。由三極管BG1、BG2與變壓器B1構成交直流變換器，變壓器B1升壓后經QL整流給C2充電。三極管BG3、BG4組成多諧振蕩器，輸出脈沖觸發可控硅3CT5導通。電容C2經可控硅3CT5和變壓器B2、B3、B4的初級放電。于是B2、B3、B4各次級相串聯輸出近萬伏高壓。

變壓器B1截取20mm和30mm長中波磁棒各兩段并繞上線圈，使用環氧樹脂膠合成磁環。變壓器B2、B3、B4用XD型380V/6.3V指示燈變壓器即可，將變壓器初次級倒過來使用，將6.3V次級并聯起來作初級，將380V初級串聯起來作次級。在連接時要注意次級電勢相串聯，否則會造成輸出電壓不足。三極管BG1、BG2應選擇性能盡量接近且β值大于60。

圖3 高壓放電模塊Fig.3 High voltage discharge module

2.1.4 電源模塊

電源模塊框圖如圖4所示，輸入220V交流電，通過開關電源產生36V的直流電源，滿足為36V鋰電池的供電。為避免外圍電路對主控制電路的影響，經過DCDC降壓模塊與LDO芯片降壓后為主控電路供電，高壓電擊部分和傳感器部分供電，直接由DCDC降壓芯片降壓后供電。主控電路與外圍電路分別供電提高了系統的可靠性。

為簡化開關電源設計，并提高穩定性，使用TOP227芯片，該芯片集成度高、外圍電路簡單、性能穩定[15]。同時具有過流、過熱保護，電路設計如圖5所示。

圖4 電源模塊框圖Fig.4 Power module chart

圖5 電源模塊電路圖Fig.5 Power module circuit diagram

2.2 程序的設計

定時器T0用作產生基礎頻率為20KHz的超聲波，定時器T1用作改變超聲波的頻率值，以達到超聲波掃頻發射的效果。主程序循環地檢測是否有攻擊方靠近，當檢測到有攻擊方靠近時啟動高壓放電裝置及報警裝置[16-20]。如圖6～圖8所示，如果使用者按下停止工作按鍵則裝置停止報警、高壓電擊模塊和超聲波模塊的工作。若使用者按下發送短信按鍵則裝置發送定位信息的短信至指定號碼求救。報警時LED燈閃爍，LCD屏幕顯示報警動物類型。

3 實驗與分析

3.1 可變頻超聲波測試

為了驗證超聲驅逐模塊性能，采用試驗動物老鼠20只進行驗證性試驗。為保證試驗正確性，將試驗鼠分為對照組與測試組。兩組除測試組放置多功能林區人身防護裝置外，其余實驗環境均相同。試驗方法示意如圖9所示，動物驅趕試驗情況見表1、表2。

圖6 主程序流程圖Fig.6 Main program flow chart

圖7 子程序流程圖Fig.7 Subroutine flow chart

圖8 中斷服務程序流程圖Fig.8 Interrupt service program flow chart

圖9 試驗方法示意圖Fig.9 Experimental method schematic diagram

只

表2 對照組老鼠數量 只

通過上述試驗可以得出超聲驅逐模塊可以有效的對攻擊方進行驅逐。

3.2 電擊模塊性能指標測試

根據國外實驗研究，小于30 kV的高壓不能使人或大型動物瞬間喪失活動能力，本設計中通過對高壓模塊進行放電測試，使用Cadence16.3仿真軟件對于所設計的電路進行仿真[21]，仿真結果如圖10所示，從圖中可觀察到輸出電壓很高，經測試電壓一般在150～210 kV區間內。

一般大型動物若被一高壓電擊中，肌肉會陷入失控狀態約3～15 min。所以連續的一高壓窄脈沖電擊，可以有效地瞬間使攻擊方喪失活動能力，同時，不會對其產生永久性的致命性的傷害。

3.3 電源模塊測試

針對電源模塊最終的設計并結合系統微調后，對于所設計的電路進行仿真，觀察輸出電壓與輸出電流是否可以滿足需求。

針對滿載情況下的電流的仿真輸出波形如圖11所示。

圖10 輸出電壓波形Fig.10 Output voltage waveform

圖11 電源滿載輸出電流波形Fig.11 Power supply full load current waveform

通過圖12我們可以發現在滿載情況下的最大輸出電流再經過大約0.8 ms的上升時間之后，能夠相對穩定的維持在2 A左右的一個范圍之內而且不會出現太過明顯的擺幅。

圖12 電源滿載輸出電壓波形Fig.12 Power supply full load output voltage waveform

同理測試了在滿載情況下的輸出電壓情況，同樣由圖12可以發現最終的輸出電壓能夠維持在大約36 V左右的范圍之內，而且紋波的峰值也幾乎維持在1 V以內。

4 結束語

基于國內禁槍現狀，為保證林區工作者的人身與財產安全，本文提出了一種在林區有效避免人獸沖突解決方案，從軟件和硬件兩個方面詳細介紹了多功能林區人身防護裝置的設計與實現。該裝置具有成本低、低功耗、抗適應性、開發維護方便等特

點。經多次實際應用試驗，在有效作用面積150 m2內作用效果明顯。適用于長期在林區作業或進入林區進行教科研活動的工作者進行人身防護。

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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

國家級大學生創新創業訓練計劃項目(201610225041)

魏艷秀，本科生。研究方向：自動化。

李丹丹，講師，博士生，研究方向：控制理論與控制工程。E-mail：lidandan@nefu.edu.cn

魏艷秀，李丹丹，許洋，等.基于STM32的多功能林區人身防護裝置設計[J].森林工程，2017，33(5)：85-90.