周 麗,劉 凱,夏瑞學

（1.浙江?？悼萍加邢薰?浙江 杭州 310012；2.中電?？导瘓F有限公司,浙江 杭州 311100）

0 引言

近期,杭州野生動物世界三只金錢豹出逃事件,給周邊居民帶來了一定的安全威脅,也在社會上造成了極大的影響。如何有效加強野生動物監(jiān)管,保障公共安全,成為了社會各界尤其是相關(guān)管理部門關(guān)注的熱點和焦點問題。本文基于RFID和NBIoT等物聯(lián)網(wǎng)技術(shù),設(shè)計一套使用壽命長、定位范圍廣、實用性較強的野生動物監(jiān)管系統(tǒng),實現(xiàn)了野生動物廣域范圍上的定位跟蹤、電子圍欄以及運動檢測等功能,尤其在應(yīng)對突發(fā)事件時能夠做到實時告警、精準定位,有效降低人力、物力投入,提高事件處理效率,最大限度保證了野生動物監(jiān)管的有效性。

1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)整體分為感知設(shè)備、電磁周界設(shè)備以及后臺服務(wù)三個部分,其中以感知設(shè)備有源RFID為核心,為野生動物定制特殊的項圈等裝置。有源RFID集成了125kHz電磁感應(yīng)技術(shù),通過在特定區(qū)域布設(shè)電磁周界設(shè)備,實現(xiàn)了精確的區(qū)域邊界管理。標簽通過對邊界區(qū)域的感知,實現(xiàn)準確的進出區(qū)域判斷,當標簽檢測到已離開規(guī)定區(qū)域,將觸發(fā)越界告警。與此同時,北斗定位開啟,將告警信息以及周界外定位信息通過NB-IoT上傳至管理平臺,推送至相關(guān)責任主體部門。最后通過無人機機載閱讀器以及手持終端設(shè)備實現(xiàn)對目標的精確定位和查找。系統(tǒng)整體框架設(shè)計如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)框圖Figure 1 System block diagram

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 電磁周界設(shè)備

電磁周界設(shè)備主要功能是為有源標簽提供邊界清晰和周期性的電磁觸發(fā)信號,其中125kHz信號電磁邊界精度在30cm以內(nèi)。硬件主要包含電源、主控電路、低頻125kHz全橋驅(qū)動電路以及相關(guān)網(wǎng)絡(luò)硬件接口等。

2.2有源RFID標簽設(shè)計

標簽硬件主要包括MCU最小系統(tǒng)、定位模塊、數(shù)據(jù)傳輸模塊、電磁感應(yīng)、三軸加速度傳感器、電池充電管理等部分。標簽硬件整體框圖如圖2所示。

圖2 標簽硬件整體框圖Figure 2 Overall block diagram of label hardware

主控采用nRF52840 SoC芯片。該芯片支持超低功耗、集成射頻前端的藍牙芯片,具有2路串口、4路SPI等資源,外圍僅需要搭配阻容復(fù)位電路和32MHz晶振即完成該SoC的最小系統(tǒng)。

定位模塊采用華大HD8020模組,全新的CYNOSURE II架構(gòu),使得HD8020即使在密集的城市峽谷也可以實現(xiàn)無縫定位,定位時間較短,并提供優(yōu)良的續(xù)航能力,定位精度小于10m,支持熱啟動模式,在熱啟動狀態(tài)下定位時間小于5s。

鑒于目前運營商2G逐步開始退網(wǎng),而NB-IoT窄帶物聯(lián)網(wǎng)具有廣覆蓋、海量接入、低功耗、低成本優(yōu)勢,因此數(shù)據(jù)傳輸模塊采用移遠BC26模塊。其內(nèi)部集成了MQTT、LWM2M協(xié)議,可以方便終端接入各種物聯(lián)網(wǎng)中間件平臺。

電磁感應(yīng)采用分立器件搭建,主要包含低頻LC選頻電路、信號整形放大電路、二極管檢波電路等。得到基帶信號,通過相應(yīng)的解碼算法獲取空中喚醒信號原始數(shù)據(jù),并根據(jù)預(yù)設(shè)條件判定是否需要相應(yīng)動作,如喚醒、模式修改等。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 電磁激勵功能設(shè)計

作為電磁周界設(shè)備的主要功能,周期性觸發(fā)125kHz載波、曼切斯特編碼數(shù)據(jù)發(fā)送。其中125kHz空中接口協(xié)議包含前導(dǎo)碼、起始位、設(shè)備編號、線圈位置編號、校驗、終止位等信息,詳細如圖3所示。

圖3 125kHz空中接口協(xié)議Figure 3 125kHz air interface protocol

系統(tǒng)啟動后完成硬件接口初始化,包括帶死區(qū)控制的互補雙通道125kHz PWM調(diào)制、定時器、IO等,并從內(nèi)部Flash中讀取設(shè)備ID信息以及線圈配置信息,對設(shè)備、線圈信息、校驗進行曼切斯特編碼,并將編碼信息轉(zhuǎn)換成時間編碼。在激勵周期到達時,啟動定時器,按照時間編碼控制PWM的剎車引腳,從而完成基帶曼切斯特編碼數(shù)據(jù)的125kHz載波調(diào)制,通過PWM信號控制全橋驅(qū)動電路,從而實現(xiàn)125kHz電磁信號的周期性發(fā)射。電磁周界設(shè)備電磁激勵功能軟件流程圖如圖4所示。

圖4 電磁周界設(shè)備電磁激勵功能軟件流程圖a）主流程；b）中斷流程Figure 4 Software flow chart of electromagnetic excitation function for electromagnetic perimeter equipment a）Main flow;b）Interrupt flow

3.2 有源RFID功能設(shè)計

有源RFID標簽包含了iBeacon、電磁周界、運動狀態(tài)感知、北斗定位、NB傳輸?shù)裙δ堋Ｆ滠浖髁鞒淘谠O(shè)備啟動后,首先完成系統(tǒng)初始化并輪詢遍歷各子任務(wù)判斷是否需要執(zhí)行,其中電磁感應(yīng)喚醒由中斷完成。系統(tǒng)軟件流程框圖如圖5所示。

圖5 有源標簽軟件流程圖Figure 5 Active label software flow chart

3.2.1 電磁周界功能

通過IO中斷,實現(xiàn)低頻曼切斯特數(shù)據(jù)解碼,并在獲取到完整低頻空口信息后,記錄觸發(fā)設(shè)備ID及線圈信息并開始計時。在超時前,收到了同一設(shè)備ID不同天線的觸發(fā)信息,開始進行數(shù)據(jù)分析。其中根據(jù)線圈先后到達順序即可感知標簽是否離開相應(yīng)區(qū)域。若離開管理區(qū)域則觸發(fā)告警,通過NBIoT將設(shè)備ID、離開/進入信息、時間等發(fā)送至服務(wù)器并觸發(fā)開啟北斗定位、運動檢測等功能。

3.2.2 運動檢測功能

由于動物運動時,加速度信息會呈現(xiàn)規(guī)律性變化,而靜止休息時,基本加速度模值等于重力加速度,因此通過監(jiān)控加速度的變化信息可以實現(xiàn)對動物運動狀態(tài)的檢測,并根據(jù)不同的狀態(tài)動態(tài)調(diào)整定位間隔,從而實現(xiàn)定位精細度和功耗的最佳平衡。

在標簽觸發(fā)開啟北斗定位后,相應(yīng)運動檢測功能也隨之開啟。設(shè)計將三軸加速度傳感器SC7A20的數(shù)據(jù)輸出率ODR（Output Data Rate）設(shè)置為20Hz,并啟用內(nèi)部數(shù)據(jù)緩沖區(qū),通過連續(xù)采樣動物加速度信息,并對模值進行滑動均值濾波,來跟蹤動物加速度變化趨勢,通過對加速度特征提取完成運動狀態(tài)檢測。其中判決門限根據(jù)緩存多組加速度值計算中值并作補償?shù)玫?當加速度超過門限閾值則進行峰值檢測。當連續(xù)檢測到10次有效峰值,則認定處于運動狀態(tài)；當5秒內(nèi)未出現(xiàn)有效峰值,則認定為靜止狀態(tài)。運動監(jiān)測流程如圖6所示。流程回到①所示位置

圖6 運動監(jiān)測流程Figure 6 Exercise monitoring process

4 結(jié)語

在監(jiān)管區(qū)域內(nèi)標簽只周期性發(fā)送iBeacon信息,從而實現(xiàn)了極低功耗,平均功耗在10μA以下。在500mAh電池容量下,如果未觸發(fā)周界告警、北斗定位功能,考慮20%電池自損情況下,設(shè)備可以正常工作約4.56年,在此模式下可以通過無人機實現(xiàn)動物定期盤點。在野生動物逃脫后,觸發(fā)北斗定位及NB-IoT傳輸?shù)?可以在廣域范圍上對動物進行追蹤定位。由于定位非時間連續(xù),動物位置存在滯后性,在北斗定位到大致位置后,通過無人機巡檢iBeacon信息,將范圍縮小至200m范圍內(nèi),最終通過定向手持設(shè)備實現(xiàn)準確定位查找。通過此設(shè)計,可以實現(xiàn)野生動物的長時間、廣域范圍上有效監(jiān)管,尤其在應(yīng)對突發(fā)事件時,可以有效提高處理突發(fā)事件的能力,為人民群眾的生命及財產(chǎn)安全提供強有力的保障。