基于GPRS的野生动物远程监测系统设计

摘要：针对传统方法在监测野生动物时存在的一些问题，设计了一套野生动物的远程监测系统。该系统主要包括野生动物相关参数前端采集、处理及GPRS远程传输。主要介绍了系统的软硬件实现方案，并在软件部分阐述了前端微处理器中体温数据纠错功能，通过对环境温度和动物体温这两组温度数据的对比，实现了对动物偷猎行为的预警作用。
关键词：GPRS；数据纠错；预警；无线传输；远程监控

    野生动物的生存与发展维系着整个生态系统的平衡与稳定，与人类的生存息息相关。野生动物监测的目的是实时收集野生动物相关数据，利用这些数据进行统计、分析，从而为野生动物的研究与保护提供重要的数据支持与决策信息。
    然而，目前野生动物监测存在人与动物交叉感染、实时动态多参数监测困难等问题。大部分的人类传染病都源自于动物(例如SARS、AID S)，许多野生动物的疫病具有传染性，能够通过各种媒介互相传染，特别是研究人员在近距离研究野生动物时很容易被感染。野生动物的栖息、活动场所广阔且通常分布在深山密林之中，生存条件恶劣，监测人员难以实现动物的实时监测。为此，笔者从实际应用出发，以GPRS模块为核心，设计一种无线远程监测系统，用以检测野生动物的体温、运动量和环境温度，采集导数据经数据处理模块处理后，通过GPRS接入Internet进行远程传输、控制和管理。实验表明：GPRS数据传输网络在野生动物环境监测系统中完全适用。

1 总体设计方案
    将该前端信号采集系统安装在动物身上，通过传感器群采集所需信息并传入微处理器，微处理器对各种信息整合打包之后定时发送给GPRS模块，启动GPRS模块接入Internet最终将信息送入网络监测中心。采用模块化设计思想，其整体结构主要包括前端信号采集调理模块、进行数据分析管理的控制处理模块、低电量报警模块以及进行无线传输的GPRS模块。其结构如图1所示。

    传感器群中包含了两个温度传感器、加速度传感器等，温度传感器用于测量动物的体温及外界环境温度，当体温值与外界环境温度值接近时可以初步认定动物死亡，对于防止偷猎能起到一定的作用。

2 监测终端硬件设计
2．1 电源模块
    采用12C5A60S2单片机和SIM300无线通信模块构成数据采集终端。外部输入电压为9 V，由于传感器及单片机工作电压为5 V，而SIM300模块工作电压为4．2 V，因此本系统需提供5 V及4．2 V电压。5 V电源可由7805芯片实现；而对于SIM300模块采用4．2 V供电，工作时要求电源最高输出电流必须达到2 A，因此采用MIC29302芯片，电路图分别如图2，图3所示。

2．2 无线传输模块
    GPRS无线通信模块采用Simcom公司的SIM300GSM／GPRS双频模块。主要为语音传输、短消息和数据业务提供无线接口。适合于开发一些GSM／GPRS的无线应用产品。同时，SIM300模块中集成了TCP／IP协议栈，并为用户提供了扩展的TCP／IP AT命令，使用户可以轻松地使用TCP／IP协议，实现GPRS网络与Internet网络的顺利接入。
    1)通信电路设计
    SIM300提供两个标准的RS232串行接口，用户可以通过串行口使用AT命令完成对模块的操作。串口一共有7个引脚，包括：数据引脚TXD和RXD，状态引脚RTS和CTS以及控制引脚DTR，DCD，RING。串口一可用于数据交换服务，发送传真、GPRS服务和发送AT指令。串口二只包括两个
引脚TXD和RXD，使用串口二之前一定要通过AT指令“AT+UART”启用。串口一和串口二不能同时使用。考虑到需要通过模块上网，所以使用全部的串口信号引脚，当模块与主控模块通信时需要电平转换，启动SIM300模块只需将IGT管脚拉低即可，其连接电路如图4所示。

    2)SIM卡电路设计
    SIM卡与SIN300模块通过板对板连接器进行连接。目前，有6针和8针两种连接，该方案中采用的是6针连接器。其主要包括SIM卡的电源线、数据线、SIM卡时钟、复位线和状态线，SIM卡的供电电压由SIM300模块进行供电，根据通信公司提供的SIM卡模块自动进行选择。设计中，SIM卡上的RST、I／O、CLK、VCC和GND分别连接到SIM300的相应引脚，VPP悬空，其连接电路图如图5所示。
2．3 系统软件设计
    在以上硬件上进行软件编写，采用C语言编程。主要包括初始化部分，传感器数据采集部分，对收到的数据进行纠错、压缩处理部分以及数据发送部分。在发送部分，单片机通过串口以AT指令形式与sim300模块进行通信，系统采用TCP点对点连接方式。总体程序流程图如图6所示。

    系统采用使用GPRS传输数据采用TCP方式进行连接，通过服务器端的IP地址进行本地设置，发起连接。初始化过程中优先启动两路温度传感器，测量动物体温及环境温度，防止监测终端发热影响温度测量的准确值。系统在处理数据过程中将处理器接收到的体温数据与上一次得到体温数据进行比较，若数据相差绝对值超过0．2摄氏度则舍弃前一次数据以期对温度数据进行简单纠错，保证数据的精确。

3 实验结果与分析
    使用本系统中用于体温测量的温度传感器对室温进行测量，测量结果如图7所示。

    由图7可以看出由于在初始测温时传感器温度急剧上升，变化量过快而导致温度结果不显示，随着时间推移所测温逐渐趋于稳定，与实际温度基本相符。对于长时间工作能有效防止测量误差，测量温度稳定。

4 结束语
    本系统主要是针对野生动在野外生存的参数进行采集，由传感器采集数据发送至微处理器，再通过SIM300无线通信模块和Intemet相连，进行数据的无线传输，实现野生动物的生理参数的实时监测，同时，该系统预留了端口，可用于后期GPS或者其它功能扩展。系统中引入的两路温度信号比较对于保护珍稀野生动物、防止偷猎也能起到一定预警作用。采用GPRS无线通信，实时稳定的远程监测野生动物的运动量、体温以及外界环境温度，为对野生动物的研究、监测节省了大量的人力、物力，对保护野生动物资源具有重要的意义。