基于物联网技术的电子围栏系统设计

吴源源，武凛威，黄林隽，林静敏

（1厦门城市职业学院 福建 厦门 361001）

（2福建固维科技有限公司 福建 厦门 361001）

0 引言

电子围栏技术综合应用物联网、通信技术和计算机技术，是目前较为先进的边界防盗报警系统。该系统主要由两部分构成，一是前端探测围栏，二是服务器端的控制中心[1]。电子围栏前端的探测围栏又由两部分组成，一部分是发射无线信号的前端配件，另一部分是接收无线信号的电子围栏主机。一旦触网、短路、断路及无线信号中断等情况在前端发生时，前端配件能够及时准确发出告警信号或者预警信息，同时将预警信息发送至云端服务器端的控制中心，由应用服务器触发报警单元。本文阐述了一种基于窄带物联网（NB-IoT）技术实现的电子围栏系统的设计方法，并于2022年6月23日获得计算机软件著作权，登记号为2022SR0830500。本系统帮助福建L县的畜牧业养殖户实现牲畜的提纯保种繁育和规范化养殖。

1 系统需求

在需求分析阶段了解到L县畜牧业养殖户遇到一些下牲畜纯保种繁育规模化养殖实际问题，例如：

（1）偷盗走失状况时有发生。某品种牲畜必须放养散养，无法实时看护时，不法分子偷盗或牲畜迷途走失事件时有发生；

（2）杂交品种扰乱纯种繁育。需要有良好的技术手段配合品种溯源。

针对这几个实际的需求，本系统在设计的时候对牲畜的定位项圈做了详细的需求分析：

（1）定位项圈的数据交换的数据量要相对较低而且报文长度要相对有限；

（2）设备应具有较小的尺寸和重量，相对耐用可靠，功耗要低，避免不断更换电池或者充电，设备信号的传输距离要尽可能长；

（3）能按牧民要求的时间间隔定时上传牲畜的地理位置和生命体征信息；

（4）需要有Web端和手机移动端能对牲畜的异常行为进行告警提醒。

2 系统设计

根据上述需求分析，本系统设计分为前端探测围栏和服务器端的控制中心两部分组成。前端探测围栏又分为定位项圈和虚拟电子围栏两部分组成，定位项圈采用带有北斗卫星导航系统（BeiDou Navigation Satellite System，BDS）和全球定位系统（global positioning system,GPS）两种定位系统的地理位置数据，定位项圈应用NB-IoT技术（Narrow Band Internet of Things,NB-IoT）通过网络进行信号传输，可以对牲畜进行精准定位，并且不影响牲畜的正常活动。本系统基于B/S（浏览器/服务器）的模式开发，并利用Android Studio的WebView控件编写极少量代码即可在安卓移动端部署APP。包含牲畜位置精准监测、防丢失、防被盗、牲畜异常奔跑、体征监测、牲畜盘点等功能[2]。本系统结构框图见图1。

图1 生态养殖电子围栏系统结构框图

2.1 牲畜行为数据采集及数据传输

为了满足需求，针对牲畜定位项圈的硬件方案对比了NB-IoT、LoRa、蓝牙等物联网常用技术手段，决定采用NB-IoT技术设计牲畜的定位项圈。其具有四大优点：一是广覆盖；二是具备支撑连接能力；三是更低功耗，超长待机；四是更低的模块成本，单个模块硬件成本低于40元人民币[3]。

本产品NB-IoT模块与电信运营商的基站通信，可以降低系统安装建设的成本。所有的定位项圈都需要准备一张有效的NB-IoT SIM卡，应用移远公司的BC26模块硬件解决方案，程序通过对BC26模块发送指令控制NB-IoT模块。

本系统的定位项圈通过GPS或者北斗获得牲畜的准确的经纬度，项圈通过BC26模块将牲畜的位置信息和由NTC温度传感器获取的牲畜的体温数据传递到云端。本系统传递数据使用自己定义的JSON数据格式，数据示例如下：

JSON数据中，每一只牲畜对应唯一的设备ID（DeviceID）；ver对应自定义的数据格式版本号；Location定义设备获取的经纬度、高度和坐标系标识信息；time标识时间戳；temperature标识体温；power用于传输项圈的剩余电量。

系统数据库中要对每一只牲畜给予一个唯一溯源官方认证识别码，此码要和项圈的设备ID做一一对应的外键匹配，此码贯穿牲畜纯种养殖的全生命周期，设立提纯保种智慧“云屏障”。

2.2 牲畜在栏判断

2.2.1 矩形区域处理

针对形状为矩形的牧场，牲畜是否在栏，判断和处理就相对简单。如图2坐标系为二维X-Y坐标系，ABCD四个点为矩形牧场的四个顶点，坐标分别为A(x1,y1)、B(x2,y2)、C(x3,y3)、D(x4,y4)。设牲畜所处的位置为E(x5,y5)，数据库中找到在栏牲畜的ID的SQL语句为：select DeviceID from PositionInfo where longitude＞x3 and longitudey3 and latitude

图2 矩形区域示意图

2.2.2 多边形区域处理

如图3，判断p点是否在多边形牧场内的方法：通过p点画水平线和多边形相交，取所有的交叉点，如果经过p点的水平线和多边形区域的交点数量在p点两侧都是奇数个时，说明p点在多边形牧场内，即铅垂线内点法[4]。此方法适用于包括带孔的凸多边形和凹多边形在内的任意多边形。下面给出这种算法的Java代码，其中iPolyPoints是多边形的顶点数量，iPolyX存放顶点的x坐标数组，iPolyY存放顶点的Y坐标数组。若方法返回值为true则表明牲畜仍然在牧场内，false表示不在。

图3 多边形区域示意图

2.3 牲畜异常行为告警

2.3.1 异常行为类型

牲畜在牧场中的异常行为包括：牲畜跑出牧场、被盗、有野兽袭击导致牲畜受惊，某只牲畜因患病导致长时间移动缓慢等。定位项圈提供的数据可以为牲畜是否存在异常行为提供参考数据。如：（1）牲畜的经纬度信息长时间保持不变，并且体温数据异常，可能定位项圈丢失或牲畜健康状况异常；（2）定位项圈的地理坐标离开牧场标定范围，则有可能牲畜被盗或者牧场围栏破损导致牲畜走失；（3）如果突然出现多只牲畜同时快速奔跑的情况，有可能对应环境变化或野兽袭击导致牲畜受惊的异常。

2.3.2 定位项圈配置方案

基于设备能耗的考虑，NB-IoT硬件的超长待机和超低功耗可以满足定位项圈长达数月甚至数年的使用，减少充电的次数。本系统采用定位项圈15 min向云服务器传递一次数据，这种数据传送频率可以保证定位项圈的电池能保持续航数月。NB-IoT创造性地引入PSM（Power Saving Mode,PSM）模式，当设备的地理位置长时间没有变化时，使设备处在低功率的状态，从而达到节能的目的[5]。BC26的PSM_EINT接口是唤醒引脚，项圈电路配置时需要在BC26的模块上对此引脚做信号设置。PSM_EINT引脚对应19号引脚，DC特性为VILmax=0.35 V、VIHmin=1.7 V、VIHmax=3.6 V。此引脚触发是下降沿有效触发，也就是说此引脚由高电平向低电平跃变的时刻设备才能由低功率状态转变到正常工作状态。激活项圈时，程序控制此引脚的电压从3.6 V降到1.7 V以下。

2.3.3 告警准确率测试

由于民用GPS定位精度为10 m，北斗的定位精度为5 m，这导致定位项圈的地理位置信息存在误差。系统传送位置频率越高，判断牲畜是否在栏越准确，但是项圈续航时间越短，越需要在准确率和续航时间这两个参数之间取平衡点。为此将一定数量的牲畜放在一个较小的牧场区域内，这样牲畜触及牧场边界的次数会增加，比较容易触发告警信号，通过此方法做了大量的实验，实验的数据结果见表1。

表1 定位项圈告警准确率测试表

从表1可以做出判断，如果把项圈发送信号的频率调整为15 min一次，就可以在续航和告警准确率这两个指标之间取得较好的平衡。因此最终系统实际应用时采用15min采样间隔。

2.4 牲畜智能称重盘点模块

在牧场的牲畜入圈的入口处，可配置称重盘点模块（如图4所示）。牲畜经过称重、盘点通道入圈时，设备可以给牲畜自动称重、自动测量体高和体长、数据实时上传云端管理系统。系统根据牲畜体征信息对牲畜配种、生长测定、每日数量盘点做实时监控和提醒。系统对符合出栏条件的牲畜给予提示，达到提高经济效益的目的。

图4 智能称重盘点模块

3 结论与展望

综上所述，本系统通过NB-IoT物联网技术的项圈结合电子地图，应用文中提出的在栏判断等算法，实现牲畜的高效管理，解决了牧民管理牲畜的难题。在调研和开发过程中，发现除牲畜的在栏检测外，牧民也非常关注对牲畜的发情等行为的检测。在现代化养殖业中，只有准确地、实时地获取牲畜个体的健康、体态、运动状况等数据，才能对牲畜个体做出客观、严谨、实时的评价，进而决定是否需要人工介入，以达到节约人力资源的目的。今后本系统升级迭代的过程中考虑要加入牲畜的生命状态体征的研究，以提高对牲畜健康状况的管理水平。