一种基于北斗短报文的智能放牧系统及其监控方法

本发明属于电子通讯技术领域，具体涉及一种基于北斗短报文的智能放牧设备及其监控方法。

背景技术：

在广袤的中国西北部等青藏高原地区(西藏、青海全域、四川西北部、甘肃、新疆部分地区)，平均海拔4000米，冬季严寒，自然条件十分恶劣，人们的生产生活十分艰辛。四川省甘孜、阿坝、凉山“三州地区”就是典型的高原山地自然环境，山顶植被多为自然草场和低矮灌木，形成天然牧场，人们居住在海拔相对较低的山谷地带，形成了高原藏区千百年来独特的“山下生活居住，山上放牧生产”的习俗，居住区与牧场相距数公里甚至几十公里。高原藏区地形与气候条件独特，每年仅气候温暖的5月到10月适合牧草生长，自然放牧条件下牛羊主要在这一时段长膘。而在其他时段，山顶牧场积雪覆盖，天气寒冷，食物主要为枯草，有限的食物使的牛羊逐渐瘦下来。

在这样的自然条件下，牦牛每年的有效生长周期仅半年时间，通常需要5-6年才能出栏，养殖效率极低，而且由于牧场通常比较大、距离远，在寒冷的冬春两季，牧民不方便远距离运送和投放食物，也很难发现、寻找体弱或生病的牛羊进行干预，更为严重的是，每年的3-4月是牛羊生长的最艰难时段，枯草消耗殆尽，青草尚未发芽，食物及其匮乏，由此带来的牛羊死亡或损失约10％，成为当地农牧民最主要的养殖风险。

鉴于上述问题，如何监测并准确判断牛羊生命体征显得十分关键，而如何准确有效得跟踪定位并找到这些存在风险的牛羊并实施干预也非常重要，然而，在许多农村地区、野外山区以及上述高原牧区都没有这些移动通信服务，所以构建通信网络将居住区的农牧民与牧场上的牛羊联系起来，是实现远程适时监控的必备条件，目前基于北斗系统的短报文通信技术的通讯平台有效解决了牧区与外界的通信问题，短报文通信技术本身具有高发射功率、高耗电特点，但是却存在单机成本高、体积大、电池使用时间短等问题，因此，针对高原山地放牧条件，开发一种用于牛羊位置监控长航时(半年以上)的设备迫在眉睫。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于北斗短报文的智能放牧系统及其监控方法。

本发明的第一个目的是提供一种基于北斗短报文的智能放牧系统，包括北斗短报文发送端、北斗短报文接收端、远程服务器、通讯终端和若干个放牧终端；

放牧终端佩戴于牲畜身上，用于在需要对牲畜进行监控时，获取牲畜定位信息并将其发送至北斗短报文发送端；

北斗短报文发送端位于牧场山顶最高处，用于将定位信息通过北斗卫星发送至北斗短报文接收端；

北斗短报文接收端位于有互联网络且市电供电的地方，用于将接收到的定位信息发送至远程服务器；

远程服务器用于将远程服务器接收到的信息发送至通讯终端；

通讯终端用于接收远程服务器所发送的信息，用于放牧人员及时查看牲畜定位信息，对牲畜进行远程监控；

放牧终端具体用于根据预先配置在本放牧终端内的时间点，获取所述需要对所述牲畜进行监控的时间点；

放牧终端在所述需要对所述牲畜进行监控的时间点自启动；

放牧终端在自启动后获取牲畜定位信息，并将牲畜定位信息发送至北斗短报文发送端。

优选的，放牧终端包括第一主控电路板、gps/北斗双模定位模块、第一lora通信模块和锂电池，所述gps/北斗双模定位模块、第一lora通信模块和锂电池分别与第一主控电路板连接。

优选的，北斗短报文发送端包括第二主控电路板、第一sd卡存储电路、第二lora通信模块、新能源电能供给部分和第一短报文模块，所述第一sd卡存储电路、第二lora通信模块、新能源电能供给部分以及第一短报文模块分别与第二主控电路板连接。

进一步优选的，第二主控电路板包含电源转换及滤波电路、第二主控mcu电路和第四sd卡存储电路。

优选的，北斗短报文接收端包括第三主控电路板、第二sd卡存储电路、wifi模块和第二短报文通信模块，所述第二sd卡储存电路、wifi模块和第二短报文通信模块分别与第三主控电路板连接。

进一步优选的，第三主控电路板包含第三主控mcu电路、北斗短报文模块、第五sd卡存储电路、wifi模块和电源。

进一步优选的，第一短报文模块和第二短报文通信模块的结构相同，均包含rd模块、北斗短报文天线和北斗卡。

优选的，第一主控电路板包含电源滤波电路、第一主控mcu电路和第三sd卡存取电路。

优选的，放牧终端包括项圈和防水盒，所述第一主控电路板、gps/北斗定位模块、第一lora通信模块和锂电池均设置于防水盒内，所述防水盒设置于项圈上，所述防水盒上设置有用于开启防水盒内部电路模块的开关，项圈佩戴于牲畜颈部。

本发明的第二个目的在于提供一种上述智能放牧系统的监控方法，包括以下步骤：

s1、将放牧终端佩戴于牲畜颈部，并打开开关，放牧终端每隔一定时间获取牲畜定位信息并保存于第三sd卡存取电路，当放牧终端没有传送数据的时候，处于休眠状态；

s2、北斗短报文发送端每隔一定时间通过第二lora通信模块发送唤醒信息给放牧终端的第一lora通信模块，然后第一lora通信模块将放牧终端保存的定位信息发送给北斗短报文发送端，并保存于北斗短报文发送端的第一sd卡存储电路里；

s3、北斗短报文发送端将定位信息通过第一北斗短报文通信模块发送给北斗短报文接收端，并保存于第二sd卡存储电路里，北斗短报文接收端再利用wifi模块将接收到的数据上传到远程服务器，然后发送到通讯终端，放牧人员通过连接有互联网的通讯终端对牲畜定位信息进行查阅。

本发明与现有技术相比，其有益效果在于：

(1)本发明提供的基于北斗短报文的智能放牧系统，通过基于北斗短报文技术，搭建完整的项圈-短报文通信网络，智能项圈用于定位信息获取，同时将收集到的信息通过lora通信技术传输给北斗短报文发送端，利用北斗卫星将相关信息传输到外部互联网环境下的北斗短报文接收端，通过外部网络环境下的基站上传至远程服务器，再通过手机app实现牛羊位置及生理特征信息分享，使得牧民可以方便地利用手机进行牛羊远程监控，实时接收监控牦牛的运动轨迹；

(2)本发明获得的牲畜监控数据可发送到当地农牧局，农牧局分析数据生成健康生命报告，支撑广泛的农牧业科学研究与市场销售；

(3)本发明通过对智能项圈的低功耗设计、间歇性休眠设计等实现了6个月以上的长航时工作目标；通过对北斗短报文发送端的功耗设计及实验，有效开发了满足当地天气条件的太阳能和风能充电续航方案，实现了北斗短报文发送端的持续供电；

(4)本发明采用的lora通信技术是一项开放的通信技术，硬件设备一次性投入后不产生通信服务费用，且北斗短报文发送端同样属于一次性硬件投入，因此本发明具有非常低的成本投入，非常有助于该项技术推广，极大程度地减轻广大农牧民的劳动作业强度，极大程度地提高放牧效率，有效监测、监控生态资源及养殖安全风险。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

图1为本发明实施例1提供的智能放牧系统的结构框图；

图2为本发明实施例1提供的智能放牧系统的放牧终端的框图；

图3为本发明实施例1提供的智能放牧系统的北斗短报文发送端的框图；

图4本发明实施例1提供的智能放牧系统的北斗短报文接收端的框图；

图5为本发明实施例1提供的智能放牧系统的放牧终端的第一主控电路板的电源滤波电路的电路图；

图6为本发明实施例1提供的智能放牧系统的放牧终端的第一主控电路板的第一主控mcu电路的电路图；

图7为本发明实施例1中gps/北斗定位模块与第一主控mcu电路的连接电路图；

图8为本发明实施例1中第一lora通信模块与第一主控mcu电路的连接电路图；

图9为本发明实施例1提供的智能放牧系统的北斗短报文发送端的第二主控电路板的电源转换及滤波电路的电路图；

图10为本发明实施例1提供的智能放牧系统的北斗短报文发送端的第二主控电路板的第二主控mcu电路的电路图；

图11为本发明实施例1中第二lora通信模块与第二主控mcu电路的连接电路图；

图12为本发明实施例1中第一短报文模块与第二主控mcu电路的连接电路图；

图13为本发明实施例1中第一sd卡与第二主控mcu电路的连接电路图；

图14为本发明实施例1中wifi模块与第三主控mcu电路的连接电路图；

图15为本发明实施例1提供的智能放牧系统的放牧终端的主函数流程图；

图16为本发明实施例1提供的智能放牧系统的放牧终端的串口1中断子函数流程图；

图17为本发明实施例1提供的智能放牧系统的放牧终端的外部中断子函数流程图；

图18为本发明实施例1提供的智能放牧系统的北斗短报文发送端的流程图；

图19为本发明实施例1提供的智能放牧系统的北斗短报文接收端的主函数流程图；

图20为本发明实施例1提供的智能放牧系统的北斗短报文接收端的串口1中断函数流程图。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。

实施例1

如图1所示，本发明实施例提供的智能放牧系统，具体包括北斗短报文发送端、北斗短报文接收端、远程服务器、通讯终端和若干个放牧终端；若干个放牧终端每隔一个小时采集牛的位置信息，其他时间处于休眠状态，等北斗短报文发送端通过lora通信唤醒放牧终端，放牧终端传送位置信息给北斗短报文发送端，北斗短报文发送端每隔一分钟将数据通过北斗卫星发送给北斗短报文接收端，北斗短报文接收端通过wifi/4g将接收到的数据上传到远程服务器(本实施例中远程服务器采用云服务器平台)，然后发送到通讯终端(本实施例中通讯终端选择采用手机)，放牧人员通过手机通过手机查看牛的监控信息。放牧终端还包括项圈和防水盒，每个项圈上都标注有独立的编号；

放牧终端佩戴于牲畜身上，用于在需要对牲畜进行监控时，获取牲畜定位信息，并将其发送至北斗短报文发送端，具体为将放牧终端佩戴于牲畜颈部，并打开开关，放牧终端每隔一定时间获取牲畜定位信息并保存于第一主控电路板的存储器里，当放牧终端没有传送数据的时候，处于休眠状态，然后第一lora通信模块将放牧终端保存的定位信息发送给北斗短报文发送端，并保存于北斗短报文发送端的第一sd卡存储电路里，

北斗短报文发送端位于牧场山顶最高处，覆盖整个牧场周围5公里，用于将定位信息通过北斗卫星发送至北斗短报文接收端；

北斗短报文接收端位于有互联网络且市电供电的地方，用于将接收到的定位信息发送至远程服务器；

远程服务器用于将远程服务器接收到的信息发送至通讯终端；

通讯终端用于接收远程服务器所发送的信息，用于放牧人员及时查看牲畜定位信息，对牲畜进行远程监控；

放牧终端具体用于根据预先配置在本放牧终端内的时间点，获取所述需要对所述牲畜进行监控的时间点；

放牧终端在所述需要对所述牲畜进行监控的时间点自启动；

放牧终端在自启动后获取牲畜定位信息，并将牲畜定位信息发送至北斗短报文发送端。

如图2所示，本发明实施例中放牧终端包括第一主控电路板、gps/北斗定位模块、第一lora通信模块和锂电池，所述gps/北斗定位模块、第一lora通信模块和锂电池分别与第一主控电路板连接。第一主控电路板、gps/北斗定位模块、第一lora通信模块和锂电池设置于防水盒内，所述防水盒设置于项圈上，所述防水盒上设置有用于开启防水盒内部电路模块的开关，所述项圈佩戴于牦牛颈部。当放牧终端没有传送数据的时候，处于休眠状态，将功耗降到最低，每隔一个小时被唤醒，将位置信息通过第一lora通信模块传送给北斗短报文发送端，也可以根据手机app端进行数据更新设置来定发送数据时间。

第一主控电路板包含电源滤波电路、第一主控mcu电路和第三sd卡存取电路。电源滤波电路和第一主控mcu电路的电路图分别如图5和6所示，第一主控mcu电路选用stm32系列stm32f103c8t6，stm32系列微控制器集高性能、低功耗、低电压等特性，具有cortexm3内核，工作主频72mhz，有64kb的flash和20kb的sram，供电电压为2.0～3.6v，有两个i2c接口、3个usart接口及两路spi接口，有低功耗模式，满足低功耗的需求，封装为lqfp48，封装面积为7×7mm，能减小主控电路板面积。电源滤波电路实现将锂电池5v转为mcu供电3.3v，并进行滤波处理。第一主控mcu电路为stm32f103c8t6最小系统，并留有swd下载口，uart1与gps/北斗模块连接，uart2与lora通信模块连接。第一主控mcu电路stm32f103c8t6与gps/北斗定位模块的连接图如图7所示，通过gps/北斗定位模块的串口与第一主控mcu串口1连接。

gps/北斗定位模块选用的是atk-s1216f8-bd定位模块。atk-s1216f8-bd定位模块可通过串口进行参数设置，参数设置可保存于内部flash，自带ipx接口，可以连接各种有源天线，兼容3.3/5v电平，方便连接单片机，自带可充电后备电池，可以掉电保持星历数据等特点，输出的gps/北斗定位数据采用nmea-0183协议，控制协议为skytraq协议。nmea-0183协议采用ascii码来传递gps定位信息，nmea-0183协议可以直接使用第一主控mcu的stm32f103c8t6来解析s1216f8-bd模组送出的串口信息就可以获得定位信息。

第一lora通信模块选用的是atk-lora-01无线模块，该模块具有四种工作模式，包括一般模式、唤醒模式、省电模式和休眠模式。休眠模式下可以接收参数设置命令，在运行时自由切换，其中省电模式下电流消耗仅为几十ua。该模块还可以配置为透明传输、定点传输。其通过uart接口2与stm32f103c8t6微控制器通信，通过该模块发送数据到北斗短报文接收端。

第一lora通信模块与第一主控mcu电路连接电路图如图8所示，通过第一lora通信模块的串口与第一主控mcu的stm32f103c8t6的uart2接口连接。

如图3所示，本发明实施例中北斗短报文发送端包括第二主控电路板、第一sd卡存储电路、第二lora通信模块、新能源电能供给部分和第一短报文模块，所述第一sd卡存储电路、第二lora通信模块、新能源电能供给部分以及第一短报文模块分别与第二主控电路板连接。第二lora通信模块每隔1小时依次唤醒每个放牧终端，获得放牧终端数据更新保存到第一sd卡固定位置，每隔1分钟，依次将第一sd卡存储电路的数据通过第一短报文模块发送到北斗短报文接收端。因北斗短报文发送端安装于山顶，供电部分利用太阳能和风能同时进行电池充电，以长期满足北斗短报文发送端的供电需求。

第二主控电路板包含电源转换及滤波电路、第二主控mcu电路和第四sd卡存储电路，第二主控mcu电路与第一主控mcu电路的型号相同，电源转换及滤波电路的电路图如图9所示，具体使用tps54527芯片实现将电池电压转换为5v电压，给第一短报文模块供电，使用tps70933稳压芯片将5v电压转换为3.3v，给第二lora通信模块、第二主控mcustm32f103c8t6以及sd卡存储电路供电。第二主控mcu电路的电路图如图10所示，第二主控mcu电路的uart3接口与第二lora通信模块串口连接，连接图如图11所示，第二主控mcu电路的uart1接口与第一短报文模块串口连接，连接图如图12所示。

第一短报文模块和第二短报文通信模块的结构相同，均包含rd模块、北斗短报文天线和北斗卡。rd模块选用rd05w3035模块，尺寸30mm*35mm，高度3.5mm，待机功耗≤0.55w，小体积、低功耗、抗蓝牙和wifi干扰能力强。北斗短报文天线选用外置防水天线，直径52.8mm，高度23.3mm，带sma母直头，军工级ip67防水。北斗卡用于接入北斗卫星网络，基于北斗系统的短报文通信，能够直接使用地面终端通过卫星信号进行双向通信，通信以短报文(类似手机短信)为传输基本单位，是北斗卫星导航系统附带的一项功能特性。北斗短报文通信具有快速响应能力、快速响应能力，短消息通信时延约为0.5s，点对点通信时延为1～5s；通信抗干扰强，同时采用s/l波段卫星传输，可穿透平流层和对流层，可保证极端天气条件下的通信；设备要求低、设备价格低、性价比高；组网方便，以指挥型用户机为核心，可以快速组成一对多的通信网络；北斗短报文的无网通信是我们选择它的主要原因，在普通移动通讯信号不能覆盖的场景下，采用利用北斗卫星通过短报文实现远距离通信。

第一sd卡与第二主控mcu电路的连接图如图13所示，第一sd卡是一种基于半导体快闪记忆器的设备，广泛用于便携式装置上。第一sd卡基于spi与第二主控mcu电路通信，作为接收放牧终端信息与发送短报文消息的缓存区，将所有放牧终端传送过来的定位信息存储在第一sd卡上，每隔一分钟，北斗短报文发送端依次将数据发送到北斗短报文接收端。

本发明实施例提供的北斗短报文接收端的硬件电路设计与北斗短报文发送端相似，在北斗短报文发送端的电路基础上增加了wifi模块通信和减少了lora模块，实现将北斗短报文模块收到的数据通过wifi模块上传到云平台。

如图4所示，北斗短报文接收端包括第三主控电路板、第二sd卡存储电路、wifi模块和第二短报文通信模块，所述第二sd卡存储电路、wifi模块和第二短报文通信模块分别与第三主控电路板连接。将每隔1分钟收到的数据保存于第二sd卡存储电路，并通过wifi模块将数据上传到云平台。

第三主控电路板包含第三主控mcu电路、北斗短报文模块、第五sd卡存储电路、wifi模块和电源，电源转换及滤波电路、第二主控mcu电路和第五sd卡存储电路组成一块电路板即为第三主控电路板。

wifi模块采用esp-12swifi模块，其核心处理器esp8266在较小尺寸封装中集成了tensilical106超低功耗32位微型mcu，带有16位精简模式，主频支持80mhz和160mhz，支持rtos，集成wi-fimac/bb/rf/pa/lna。该模块支持标准的ieee802.11b/g/n协议，完整的tcp/ip协议栈，用户可以使用该模块为现有的设备添加组网功能，也可以构建独立的网络控制器。wifi模块与第三主控mcu电路的连接电路图如图14所示，通过esp-12swifi模块进行联网，将接收到的数据上传到云服务器，便于远程监控管理。

放牧终端通电后，每隔1个小时，在80秒以内的时间，串口1数据变化，进入串口1中断函数，获取gps/北斗定位信息，利用＄gnrmc查找串口数据起始位，根据“，”来查找需要信息，第4个“，”之前的数据是维度，保存到数组str_latitude1中，第6个“，”之前的数据是经度，保存到数组str_longtidude1中，由第一lora通信模块的aux引脚的上升沿进入到外部中断函数，唤醒第一lora通信模块进入发送状态，将每个项圈编号和定位信息写入buffer，选择地址信道发送数据，并配置第一lora通信模块进入休眠状态。放牧终端的主函数流程图如图15所示，放牧终端的串口1中断子函数如图16所示，放牧终端的外部中断子函数如图17所示。

北斗短报文发送端调用lora_senddata()函数发送信息给放牧终端以唤醒放牧终端获取定位信息，等待100ms，判断是否收到定位数据，没有收到数据，再进行100ms延时，直到接收到数据，将有效数据提取到数组daihuan中，然后调用子函数sd_dealwith，将dest数组以“％+编号(项图的编号)+dest”的格式存入sd卡中，在存入时判断编号是否存在，有编号的数据进行，没编号的数据直接在写入在最后，利用定时器实现每隔1分钟调用短报文发送函数bd_sprintf()将数据发送到北斗短报文接收端，bd_print()函数功能为，先判断是否计时到一分钟，然后从sd卡中提取数据和校验位放入strcctxa数组中，最后通过串口一中断函数将strcctxa数组发送给短报文模块，流程图如图18所示。

北斗短报文接收端等待接收短报文数据，当接收到数据时就会进入串口1中断子函数，将接收到的数据存入数组usart_rx_buf里，根据换行符(ascall值为0x0a)判断是否接收完成，再根据开头是否有"$bdtxr，"判断数据是否是短报文的数据，选取有效数据存入shuju数组中，调用wifi传云函数wifiuse()，将数据发送到阿里云，其主函数流程图如图19所示，串口1中断函数如图20所示。

实施例2

本实施例基于实施例1的基于北斗短报文的智能放牧系统。

上述基于北斗短报文的智能放牧系统的监控方法，具体包括以下步骤：

s1、将放牧终端佩戴于牲畜颈部，并打开开关，放牧终端每隔一定时间获取牲畜定位信息并保存于第三sd卡存取电路，当放牧终端没有传送数据的时候，处于休眠状态；

s2、北斗短报文发送端每隔一定时间通过第二lora通信模块发送唤醒信息给放牧终端的第一lora通信模块，然后第一lora通信模块将放牧终端保存的定位信息发送给北斗短报文发送端，并保存于北斗短报文发送端的第一sd卡存储电路里；

s3、北斗短报文发送端将定位信息通过第一北斗短报文通信模块发送给北斗短报文接收端，并保存于第二sd卡存储电路里，北斗短报文接收端再利用wifi模块将接收到的数据上传到远程服务器，然后发送到通讯终端，放牧人员通过连接有互联网的通讯终端对牲畜定位信息进行查阅。

综上所述，本发明实施例搭建了一种基于智能项圈和北斗短报文基站的牛羊位置信息监测网络，并通过手机app实现牛羊信息的远程分享的基础平台。放牧终端用于定位，同时将收集到的信息通过lora通信技术传输给北斗短报文发送端，利用北斗卫星将相关信息传输到外部互联网环境，在通过手机app实现牛羊位置信息分享，使得牧民可以方便地利用手机进行牛羊远程监控。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。