基于冬圈夏草模式电子羊圈控制终端的设计与实现
李春青 尼玛扎西 格桑德吉
摘 要：通过试验研究，设计了软硬件相结合的智能电子羊圈设备。该装置有预警和驱赶功能，通过配套的控制软件可实現用户在家轻松掌控羊群的功能，既方便了用户，又保障了安全。通过安装在手机上的软件，用户可控制硬件设备、接收监控录像和反馈信息等，实现羊圈信息化、智能化远程管理，充分发挥物联网技术在设施畜牧业生产中的作用，保护羊群安全，实现安全化管理，帮助牧民降低损失、增加收益。
关键词：电子羊圈;冬圈夏草;预警系统;物联网;掌上畜牧
文章编号：1004-7026（2020）11-0102-02 ? ? ? ? 中国图书分类号：TP319;X43? ? ? ?文献标志码：A
中国经济社会的发展离不开畜牧业。过去畜牧业经常受到狼等外来动物入侵，造成很大的经济损失，牧场主束手无策。国家的“安居工程”“精准扶贫”等政策出台，为广大西藏牧民带来实惠的同时，将人畜混住的传统圈养方式改变为人畜分离的现代文明生活方式，导致人畜联系减弱，入侵者（狼、野狗、偷窃者等）乘虚而入，对羊群构成威胁。随着科技发展，以电子羊圈的方式预防外来入侵，牧场主可以实现指尖管理羊群。倘若羊圈受到威胁，客户端会以振铃方式通知牧场主，实现牧场主智能化掌握羊圈信息[1]。西藏畜牧业朝产业化方向发展，使西藏畜牧业更具竞争优势。
1 ?系统总体方案
本项目制作一个电子羊圈设备，通过太阳能光伏板提供能源，在羊圈四周设置红外监测装置，监测大型动物的入侵情况。若有大型动物接近羊圈，电子羊圈就会及时采用无线传输技术将信息（如外来动物入侵时间、规模等）传输给客户端，电子羊圈会自动开启闪光模式及超声波驱赶模式。倘若以上驱逐方式仍然无法驱离外来动物，并且逗留时间超过用户在客户端自定义的时间，软件会启动振铃模式，提醒牧民需要人为驱赶[2]。
2 ?系统硬件设计与实现
2.1 ?系统硬件设计
装置通过太阳能光伏板发电，利用入侵检测技术探测有害动物出现的位置，从而有针对性地驱赶有害动物。当羊群遇到危险及设备发生故障时，能及时上传数据，通过终端通知用户。通过物联网和APP控制技术，制作羊圈控制客户端，实现了智能化管理羊圈的目的[3-4]。
2.2 ?硬件实现方式
（1）通信协议选择。应用手机Wi-Fi与外部Wi-Fi模块进行通讯，采用Uart接口符合Wi-Fi无线网络标准的嵌入式模块，实现用户串口数据到无线网络之间的转换。模块内部采用单片机的串口通信协议及I2C串行总线连接各模块。
（2）系统设计。装置利用太阳能发电，蓄电池储存电能用于夜间使用，单片机采用STM32F107VCT6芯片作为主控制器;利用红外线传感器计数清点羊群数量，采用京西BISS0001热释电红外处理芯片和尼塞拉RE200BP热释电红外传感器;利用频率为22～55 kHz超声波驱赶装置，利用入侵检测技术对有害动物出现的位置进行探测，从而有针对性地驱赶有害动物。
2.2.1 ?总控处理电路
根据项目和具体的技术指标需求，选择能监测羊群活动周边数据的传感器，并选择特定超声波发生装置定向驱赶入侵者，从而实现保护羊群的功能。以激光闪动器、超声波发生器作为整个装置的驱赶功能实现模块，用内置的红外线传感器作为设备的监控功能模块（图1）。
2.2.2 ?超声波驱赶板块电路
装置最大的特色为超声波驱赶装置，超音波对这些动物的听觉神经系统有攻击性，会使其感到痛苦，进而自主离开。经过研究发现，超声波频率为22～55 kHz的超声波对羊圈入侵者有很大的驱赶和威慑作用。
经过一系列电路设计，实现了特定频率的超声波调制，再通过具体的控制电路，实现定向定驱赶入侵者的功能，具体电路设计如图2。
2.2.3 ?预警警告电路
调节好预定点位器后，通过外置红外线传感器所采集的红外光谱图，通过总控数据概率累加处理后给出一个信号强度，从D1输出给对应的预警电路输入口OUT1，经过LM358运算放大器放大后，由OUT2接入蜂鸣器。
为了能更好地实现人机交互能力，对于入侵人员采用语音式警告。在设备上使用语音芯片和功率放大电路，对人员入侵时进行自动语音播报提示，如果无果后将警报信息传送给控制应用。
3 ? 终端控制软件设计与实现
控制客户端系统总体设计方案是基于Wi-Fi模块智能开关系统而组成，通过APP控制软件实现用户对牛羊圈的界面控制功能。
利用客户终端自带的Wi-Fi模块与外界设备进行通信，实现利用手机终端来控制羊圈设备的愿景，让用户足不出户就可以管理羊圈。当羊圈发生意外时，客户端将发出相应的声音警示，以便牧民可以及时了解并采取相应的措施。
3.1 ?终端控制应用通信协议
应用手机终端自带Wi-Fi与外部Wi-Fi模块进行通讯，并引用内置无线网络协议IEEE802.11协议栈及TCP/IP协议栈，实现用户串口数据到无线网络之间的转换。在客户端采用SOCKET进行通信，使用基于TCP/IP网络的API接口实现APP控制外部设备的目标。
3.2 ?终端控制应用界面设计
系统采用最简约的界面UI设计，采用Tranlucent沉浸式，以获得简明友好的界面设计，扁平化简约圆形按钮，导航抽屉快捷方便，最大限度地节省界面空间布局。在界面窗口，用户首先选择一个Wi-Fi终端并连接网络，然后进入主功能窗口。功能区有3个模块：设备选择与连接、参数设置、警报信息与监控，具体功能如下。
（1）设备选择与连接。利用终端设备与各種实体操作工具建立连接，并且在终端上进行操作与控制。
（2）参数设置。控制实体操作工具的工作起止时间、运行时间，控制运行状态。
（3）警报信息与监控。当家畜遇到危险及实体操作工具发生故障时，能及时上传数据，通过终端通知用户[5]。
4 ?系统测试
4.1 ?硬件测试
在牧场设置一个羊圈，准备完备的所需设备仪器，进行为期1个月的测试。在电子羊圈正常运行的情况下，对设备运行情况进行检验。
4.2 ?总控程序测试
项目拟采用大量试验实施整个项目。首先通过大量对比试验确定最佳的控制方案，再通过试验对比选出最佳的、符合要求的软硬件。通过理论与实践相结合的方式，完善电子羊圈设备。
5 ?结束语
项目旨在用现代的方式解决传统放牧生活中遇到的种种困扰。西藏地区是全国四大牧区之一，特殊的自然环境和气候条件决定了放牧的流动性大。冬季在定居点，夏天到夏季牧场放牧。由于夏季牧场没有很好的羊圈，即使有羊圈也是用草坯简单垒起来的，不能保护羊群免受野狼等野生动物的侵害，常常给牧民造成很大损失，牧民迫切需要一种能够防止狼野等野生动物对羊群侵害的羊圈。设计的设备既能满足牧民的畜牧需求，又能实现智能化管控羊圈实现掌上畜牧，值得推广。
参考文献：
[1]ZHAO Y，WANG J. Intelligent Temperature Controller Design on Dry-type Transformer Basedon ATmega16 [J].Instrumentation Technology，2005（1）：47-48.
[2]周时伟，谢维波.基于Android的智能家居终端设计与实现[J].微型机与应用，2012，31（14）：10-13.
[3]应山.基于Android系统的便携式智能家居控制终端技术研究[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2012.
[4]陈云恩，李盛华.移动式红外线电子羊圈的研究与开发[J].青海科技，2008（1）：24-25.
[5]刘思瑶.面向服务器端的肉羊养殖数据通信和信息管理系统的设计与实现[D].南京：南京农业大学：2014.
