一种基于物联网的野生动物智能观测系统论文和设计-任嘉

全文摘要

本实用新型公开了一种基于物联网的野生动物智能观测系统，包括红外跟踪拍摄模块、中继通信模块和云平台；红外跟踪拍摄模块用于拍摄图像；中继通信模块用于将拍摄的图像传输到云平台；云平台用于存储红外图像；红外跟踪拍摄模块包括MCU、摄像头、电动云台、中继通信单元和多个红外热释电传感器；摄像头、中继通信单元、电动云台和多个红外热释电传感器均与MCU相连；红外热释电传感器用于追踪野生动物所在的方位，电动云台用于带动摄像头旋转。该基于物联网的野生动物智能观测系统集成度高，功能丰富。

主设计要求

1.一种基于物联网的野生动物智能观测系统，其特征在于，包括检测终端和服务器；检测终端为红外跟踪拍摄模块；检测终端为多个，检测终端均与服务器通信连接；红外跟踪拍摄模块包括MCU、摄像头、电动云台、中继通信单元和多个红外检测模块；摄像头、中继通信单元、电动云台和多个红外检测模块均与MCU相连；红外热释电传感器用于追踪野生动物所在的方位，电动云台用于带动摄像头旋转。

设计方案

1.一种基于物联网的野生动物智能观测系统，其特征在于，包括检测终端和服务器；

检测终端为红外跟踪拍摄模块；

检测终端为多个，检测终端均与服务器通信连接；

红外跟踪拍摄模块包括MCU、摄像头、电动云台、中继通信单元和多个红外检测模块；

摄像头、中继通信单元、电动云台和多个红外检测模块均与MCU相连；

红外热释电传感器用于追踪野生动物所在的方位，电动云台用于带动摄像头旋转。

2.根据权利要求1所述的基于物联网的野生动物智能观测系统，其特征在于，红外检测模块包括热释电红外传感器、光敏电阻和红外热释电处理芯片U1，红外热释电处理芯片的型号为BISS0001；

热释电红外传感器具有3个端子，热释电红外传感器的第一端和第三端分别接VCC端和地；VCC为直流电源正极；热释电红外传感器的第二脚接U1的14脚；

VCC端依次经电阻R1和光敏电阻D1接地；电阻R1和光敏电阻D1的连接点接U1的9脚；

U1的2脚经电阻R7输出检测信号到红外信号处理芯片的IO端口。

3.根据权利要求1所述的基于物联网的野生动物智能观测系统，其特征在于，热释电红外传感器采用HC-SR501器件。

4.根据权利要求1所述的基于物联网的野生动物智能观测系统，其特征在于，

电动云台具有用于记录旋转角度的编码器。

5.根据权利要求1所述的基于物联网的野生动物智能观测系统，其特征在于，红外热释电传感器通过ZigBee模块与MCU相连；

红外跟踪拍摄模块通过中继通信单元与服务器相连；

中继通信单元为LoRa无线通信单元；

中继通信模块通过GPRS、3G、4G或5G通信模块与云平台通信连接。

6.根据权利要求1-5任一项所述的基于物联网的野生动物智能观测系统，其特征在于，红外热释电传感器采用HC-SR501器件。

7.根据权利要求6所述的基于物联网的野生动物智能观测系统，其特征在于，多个红外跟踪拍摄模块呈一圈或同心的多圈设置，摄像头位于圆心位置。

8.根据权利要求7所述的基于物联网的野生动物智能观测系统，其特征在于，摄像头为多个，一个处于工作状态，其余的处于备用状态。

设计说明书

技术领域

本实用新型涉及一种基于物联网的野生动物智能观测系统。

背景技术

红外相机技术是指通过自动相机系统，如被动式、主动式红外触发相机或定时拍摄相机等来获取野生动物图像数据(如照片和视频)，并通过这些图像来分析野生动物的物种分布、种群数量、行为和生境利用等重要信息，从而为野生动物保护管理和资源利用提供有效的参考信息。

近20年来，红外相机技术在我国的生物多样性监测领域得到了快速发展和广泛应用，已成为野生动物的一项常规监测技术。相比于各种传统技术，红外相机调查技术具有可在野外长时间独立工作、对动物干扰小、较少受调查人员能力差异的影响等优点。国外红外相机或其他自动相机用于野生动物的研究已有较长的历史，而我国起步较晚，近年来，红外相机在我国野生动物监测中也得到了越来越多的应用。据不完全统计，近年我国各地投入使用的红外相机累计达到了1万多台。

目前市场上的红外相机都只是单向拍摄，拍摄角度有限，而且从触发到拍照有短暂的时间差，难以捕获快速行进的野生动物的影像，增加相机数量又会使成本高昂。同时，由于野生动物生活的环境远离人类活动区，大多不在网络的覆盖范围内，工作人员难以及时获取相机的工作情况，无法判断相机是否正常工作，是否拍摄到野生动物。同时，现有的红外相机如果投入野外进行拍摄活动，需要人工巡查进行维护，无疑增加了更多的人力成本。

因此，有必要设计一种基于物联网的野生动物智能观测系统。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题是提供一种基于物联网的野生动物智能观测系统，该基于物联网的野生动物智能观测系统集成度高，功能丰富。

实用新型的技术解决方案如下：

一种基于物联网的野生动物智能观测系统，其特征在于，包括检测终端和服务器；

检测终端为红外跟踪拍摄模块；

检测终端为多个，检测终端均与服务器通信连接；

红外跟踪拍摄模块包括MCU、摄像头、电动云台、中继通信单元和多个红外检测模块；

摄像头、中继通信单元、电动云台和多个红外检测模块均与MCU相连；

红外热释电传感器用于追踪野生动物所在的方位，电动云台用于带动摄像头旋转。

红外检测模块包括热释电红外传感器、光敏电阻和红外热释电处理芯片U1，红外热释电处理芯片的型号为BISS0001；

热释电红外传感器具有3个端子，热释电红外传感器的第一端和第三端分别接VCC端和地；VCC为直流电源正极(一般为5V或3.3V)；热释电红外传感器的第二脚接U1的14脚；

VCC端依次经电阻R1和光敏电阻D1接地；电阻R1和光敏电阻D1的连接点接U1的9脚；

U1的2脚经电阻R7输出检测信号到红外信号处理芯片的10端口。红外信号处理芯片再将红外检测信号通过ZigBee模块发送到主控制器(即MCU)。

热释电红外传感器采用HC-SR501器件。

电动云台具有用于记录旋转角度的编码器。

红外热释电传感器通过ZigBee模块与MCU相连；

红外跟踪拍摄模块通过中继通信单元与服务器相连；

中继通信单元为LoRa无线通信单元。LoRa无线模块通信距离受到使用环境、发射功率、灵敏度、干扰等因素的影响，因此不同功率的模块在不同环境下使用通信距离都是不一样的。LoRa模块通信距离可达到8千米以上，能够解决复杂中的超远距离通信的问题。

中继通信模块通过GPRS、3G、4G或5G通信模块与云平台通信连接。

红外热释电传感器采用HC-SR501器件。

多个红外跟踪拍摄模块呈一圈或同心的多圈设置，摄像头位于圆心位置。(呈一圈设置，是指多个红外跟踪拍摄模块的连线形成一个圆圈，同心的多圈设置是指，将多个红外跟踪拍摄模块分为多组，每一组的多个红外跟踪拍摄模块排成一圈，总共形成多个同心圆，这样能实现无死角的检测)

摄像头为多个，一个处于工作状态，其余的处于备用状态。

摄像头由电动云台驱动旋转。目标未出现时，摄像头处于休眠状态，本次拍摄完成后，摄像头回复到休眠状态。

当热释电红外传感器未检测到目标时(此时认为目标未出现，或从监控区域消失)，控制摄像头处于休眠状态。

本实用新型的特点：

(1)利用ZigBee模块和红外传感器组建一个立体的红外感应网络，当有动物进入感应范围，主机根据触发的传感器判断野生动物接近的方向。

(2)通过云台提前将摄像头对准目标方向，当动物在拍摄范围时自动进行拍摄。解决了动物快速移动时难以拍摄的问题，提高了相机的使用效率，可获取信息更丰富、更有价值的照片。

(3)拍摄完成后，通过多个LoRa模块作为中继将相机拍摄照片的时间、数量等信息传输到有网络的地方，再通过GPRS将信息传输到OneNET云平台进行数据存储。

(4)管理者可以在手机APP上看到何时、何地的红外相机拍摄到了多少张动物照片，便于及时对相机进行维护、获取照片，提高管理效率。

有益效果：

本实用新型的基于物联网的野生动物智能观测系统，具有以下特征：

一、监控系统工作方式：本系统采用由安装在可旋转的云台上的红外相机和多个组成阵列的红外传感器构成监控系统。这种结构可以减少较贵的红外相机的布放数量，同时达到监控更广阔区域的目标。相比只能固定拍摄角度的相机更灵活，另外，相比相机不停的自动转动的方案，本实用新型采取的是长时间待机，触发后快速转动到预定方位再拍照的方法，更节能，即能节约电能，延长使用时间。

二、数据传输：考虑到监测装置在野外布放，研究人员不易经常到达现场，查看设备的工作状况以及获取照片的信息。本系统可以通过LoRa技术，将这这些信息通过自构建的通信中继传送到有网络覆盖地区，再传送到云端服务器，供研究人员查看使用，成本低，易于实施。或采用的是地面站+物联卫星的组网模式传输模式。后者，虽然传输数据量大，传输可靠性较高，但是构建和使用的成本都是相对较大的，而且对电能供应要求较高。

而且，本实用新型的基于红外相机的拍摄系统能满足数据量大、数据精度和质量高、方便复查的优势。

总而言之，这种方案易于实施，成本低，灵活性好，反应灵敏，适合推广实施。

附图说明

图1为系统总体规划图；

图2为系统结构图；

图3为红外跟踪拍摄系统结构图；

图4为中继通信节点结构示意图；

图5为APP功能结构图；

图6为云平台功能结构图；

图7为系统硬件构成；

图8为红外跟踪拍摄系统结构示意图；

图9为中继通信节点示意图；

图10为红外跟踪拍摄系统程序流程图；

图11为云平台数据上传流程图；

图12为数据传输流程图；

图13为红外检测模块的电路原理图；

图14为红外跟踪拍摄系统程序流程图；

图15为现有拍摄系统与本实用新型的拍摄系统的功能对照图。

图16为履带式拍照车的结构示意图；

图17为汽车无线充电系统的总体结构示意图(侧视图)；

图18为汽车无线充电系统的总体结构示意图(俯视图)；

图19为盖板盖合时的示意图；

图20为盖板抬起时的示意图；

图21为防压框的结构示意图；

图22为调光电路原理图；

图23为恒流充电原理图；

图24为多功能飞行器的总体结构示意图；

图25为四旋翼伸缩支架以及旋翼的结构示意图(俯视图)；

图26为具有四旋翼伸缩支架的飞行器的结构示意图(仰视图，未示出副旋翼、云台和相机等部件)；

图27为主旋翼与副旋翼的位置关系示意图；

图28为伸缩式悬臂的爆炸图；

图29为伸缩式悬臂组装完成后的结构示意图；

图30为锁扣的结构示意图；

图31为支腿的结构示意图；

图32为复合式镜头与相机的结构示意图；

图33为六角星形支架及旋翼的结构示意图。

标号说明：21-外臂，22-内臂，23-主旋翼，24-插孔，25-锁扣；26-副旋翼，27-涵道风扇固定件，28-支腿，29-底盘，30-横梁，31-交叉位，32-支架；33-云台；51-壳体，52-插脚，53-倒刺，511-外壳体，512-压块，513-压簧；70-飞行器上相机，71-子镜头，72-复合式镜头，73-转轴，74-光反射片，75-光电发射与接收装置，76-CCI)传感器，77-机身；81-上支腿，82-弹簧，83-导向杆，84-下支腿，85-套筒，86-脚钉，87-垫环。101-车载平台，102-相机支杆，103-主相机，104-主水箱，105-飞行器，106-拍照车，107-搭板，108-主喷枪；109-水管，111-履带式行走机构，112-支撑平台，113-辅水箱；114-车载相机，115-辅喷枪，116-拉绳，117-喷枪驱动电机，118-旋转平台，119-从动齿轮，120-支撑座，121-旋转平台驱动电机，122-第一主动齿轮。

201-凹陷部，202-底层活动平台，203-第一电机，204-限位开关，205-导轨，206-第一齿条轨，207-第二主动齿轮，208-码盘，209-行走轮，210-升降平台，211-第二齿条轨，212-导线，213-接电插头，214-发射线圈，215-剪叉式升降机构，216-上层活动平台，217-推杆，218-防压框，219-活动式盖板。

具体实施方式

以下将结合附图和具体实施例对本实用新型做进一步详细说明：

实施例1：如图1～15，红外拍摄系统由一个摄像云台与若干个红外节点构成，与当有动物通过红外拍摄系统覆盖的范围时，摄像机将进行连续拍照。系统将拍摄得到的照片通过LoRa传送至附近的中继通讯节点，当通讯节点能够使用移动网络时，通过GPRS将照片信息上传至云端，云端传输照片至电脑与手机客户端。

功能实现

参见图2，本系统由红外跟踪拍摄系统、中继通信节点、云平台和客户端四部分组成。红外跟踪拍摄系统参见图3，红外跟踪拍摄系统包含红外传感器和拍摄控制器两部分。

红外传感器由红外热释电传感模块、ZigBee通信模块和电池组成，当有野生动物进入到红外传感器的感应范围内时，红外传感器通过ZigBee模块触发拍摄控控制器。

拍摄控制器由STM32控制器、ZigBee模块、GPS模块、LoRa模块、摄像机等模块构成，当ZigBee模块收到红外传感器发送的触发信号，STM32控制器根据触发传感器编号控制云台旋转，将摄像头对准被触发的传感器方向进行拍摄，照片以时间为文件名存储在SD内，拍摄控制器通过LoRa通信模块将GPS授时的拍摄时间、位置和照片数量等信息发送出去。

中继通信节点参见图4，中继通信节点分为LoRa中继通信节点和GPRS中继通信节点。LoRa中继通信节点负责将数据中继传输到有通信基站的地方，GPRS中继通信节点负责将数据传输至云平台。

LoRa中继通信节点由STM32控制板和LoRa模块两部分组成，LoRa接收数据，校验后再转发至下一个中继节点。由于拍摄系统安装在野外无人区，周围难有通信基站，我们选择通过LoRa模块作为中继站，将拍摄信息传输到有通信基站的地方。

GPRS中继通信节点由STM32控制板、LoRa模块、GPRS模块三部分组成。LoRa模块接收LoRa中继发送的数据，校验后通过GPRS模块转发到云平台。

APP功能

参见图5，手机APP可以检查链路是否通畅、查询各节点剩余电量以及摄像机的拍摄信息，包括照片拍摄的时间、地点、数量以及缩略图等。

云平台功能

如图6，选用中移物联的OneNET搭建系统的云平台。云平台和6PRS模块以HTTP协议通信，系统的工作状态和拍摄的照片信息等都存储在云平台上，用户可以登录云平台查看系统数据，也可以响应客户端的查询命令。

硬件电路设计

如图7-9，系统硬件部分由红外跟踪拍摄系统、中继通信节点两部分构成。

硬件电路使用到的模块及芯片如下表所示：

表1模块及芯片

控制器

STM32F103是意法半导体(ST)公司出品的32位ARM微控制器，其内核是Cortex-M3。

(2)LoRa通信模块

LoRa模块采用Semtech公司生产的SXl276芯片，这是一个低功耗、低速率、远距离的通信模块。模块使用低功耗技术，关断电流仅5uA；采用LoRa扩频技术，发射距离可达10Km。(3)GPRS模块或3G，4G或5G模块

GPRS模块采用SIM900A。GPS模块

GPS模块基于Air530模块开发，是一块高性能、高集成度的多模卫星定位模块，它具有体积小功耗低的特点，支持GPS+北斗。在本系统中，主要用于系统时间校正和卫星定位。

传感器

(1)红外热释电传感器

本实用新型选用的HC-SR501模块作为拍摄系统的传感器，用来感应野生动物的接近。

(2)摄像头

摄像头选用30万像素的0V7725，配以强大的DSP图像处理芯片，通过串口输出压缩比可设的JPEG图像，用以模拟红外相机拍摄照片的缩略图。

软件构架及开发环境

主程序流程

如图10，红外跟踪拍摄系统在没有红外触发信号和LoRa通信信号时，进入休眠模式以降低功耗。当有红外触发信号时，主控制器退出休眠模式，控制舵机旋转以及拍照，然后进行数据上传。拍照结束后进入休眠模式。LoRa触发后，处理相关数据，完成后进入休眠模式。

OneNET云平台

OneNET作为中国移动通信集团推出的第一个也是唯一一个专业的物联网开放云平台，提供了丰富的智能硬件开发工具和可靠的服务，助力各类终端设备迅速接入网络，实现数据传输、数据存储、数据管理等完整的交互流程。

(1)协议选择：

平台提供有公开协议产品和私有协议产品两种产品类型(平台为公开协议产品又提供有HTTP、EDP、MQTT、MODBUS等多种协议的选择)。在产品中创建设备，为设备新增数据流。设备端编写终端接入代码，主要完成数据采集、协议封装、数据上传等工作，终端设备的数据上传成功后，平台在相应数据流下会生成随时间推移的数据点。本系统选择HTTP协议接入OneNET云平台。

(2)触发器管理：

触发器功能是基于设备的数据流，用户可以用触发器对数据流进行监控，实现特定条件的事件告警；根据事先设定好所要监控的数据流、事件触发条件、告警信息的接受方式，一旦监控的数据流数据满足设定的条件，触发器就可以以邮件以及用户提供的URL地址的推送方式向用户发送告警信息；

(3)数据管理：

基于设备的数据流，用户可以为设备下的数据流创建相关的应用并在线发布，通过发布页面，可以对数据趋势进行直观展示；

OneNET应用孵化器提供了曲线图、柱状图、表盘、物体位置、图片和开关等应用，用户创建应用进行数据展示的前提是终端数据已经上传至OneNET平台；

数据上传流程如图11所示.为了实现数据上传和下发，首先在平台创建一个产品，并且将设备接入协议选择为HTTP，创建产品后，记录该产品的产品ID和APIKey。在创建好的产品下点击添加设备，输入设备名称和鉴权信息(即设备编号)，记录下该设备ID。通过使用TCP透传命令，设备将与服务器建立TCP连接，使用HTTP的封装格式和SDK中提供的接口函数，将数据上传到平台或将数据从平台下发到终端，如果需要继续上传数据，则再次与服务器建立连接。至此，平台准备工作已经完成，APP将基于TCP接口进行功能开发。

APP控制界面和功能实现

APP基于Android3.0进行开发，采用HTTP协议实现了设备信息查询，拍摄信息查询的功能。

在主界面，可分别点击不同按钮来查询每个观测点设备的状态信息和拍摄信息。主界面要求能够将界面跳转为显示各观测点设备的详细信息界面，或显示图片界面。由此，主界面主要包含各观测点详细信息界面的跳转按钮，以及在底栏添加了图片展示界面的跳转按钮来满足功能需求。

在设备信息界面，显示了每个观测点各个设备的详细信息，点击刷新按钮即可更新信息，点击照片按钮可查询对应观测点采集到的图片信息。设备详细信息界面要求实时显示所选择观测点各个设备的详细信息，并能跳转到图片显示界面。由此，界面采用轮播图为基础分栏显示各观测站各节点的详细信息，并添加了刷新按钮通过HTTP协议的POST方法来刷新数据，以及添加了图片展示界面的跳转按钮通过HTTP协议的GET方法来满足此功能需求。

照片显示界面显示了之前点击的观测点所采集到的图片信息。照片显示界面要求显示所选择观测站拍摄的照片。由此，界面根据GET方法传回的二进制数据来分时显示图片信息。数据传输技术应用

参见图12，红外传感器数据与拍摄控制器间以ZigBee技术进行通讯，拍摄完成后通过LoRa技术将数据传输到有网络基站的地方，再由GSM\/GPRS模块上传至云平台，云平台对数据进行管理与存储，APP从云平台获取数据并显示。

ZigBee通讯

在本系统中，利用ZigBee技术将红外传感器的数据发送给红外跟踪拍摄新系统的主控制器。

触发过程：传感器有目标触发后，ZigBee内的单片机产生中断，子节点把传感器状态的4个字节数据发送到主ZigBee节点，主节点再通过串口把数据上传给STM32。

查询过程：STM32把要查询的传感器编号发给主ZigBee节点，主节点根据要查询的传感器编号发送给对应的子节点。子节点收到传感器编号后和自己的编号进行比对，如果相同，就把传感器状态的4个字节数据发送到主节点，主节点再通过串口把数据上传给STM32。

GPRS通讯

系统通过GPRS技术将LoRa模块中继过来的数据上传到云平台，由于系统产生的数据量不大，使用GPRS技术即可满足需求。上传数据时，以文件名为ID在云平台创建文件，并保存数据。发送查询命令时，云平台发送要查询的文件名给GPRS节点，节点根据要查询的文件下发查询指令。

LoRa通信

由于我们的监测系统的工作在野外无人区，需要自组网进行数据传输，LoRa低功耗、易组网、成本低、传输距离远的特点非常适合我们的需求。我们以LoRa模块作为中继节点，将设备信息传输至有通信基站的地方。

由于LoRa通信模块数据缓存只有512字节，每帧数据不超过512字节，超出字节数的数据包分为多帧发送。每帧发送后需要进行校验，校验成功后进行‘0K’应答，校验失败则应答‘ER’，发送方重新发送，三次发送失败则取消发送。节点接收到数据包后判断是上行还是下行，将数据进行转发。摄像机节点接收到查询信息指令后，将相应文件上传。

HTTP通信

与需要保持连接状态TCP相比，HTTP不需要持续地保持连接，是一个无状态的连接，不会产生TCP所产生的断线重连的问题，服务器也不需要维护过多的连接，适合我们不定时通信的需求。

红外感应以及如何动态调整拍摄角度的详细说明：

利用ZigBee模块和红外传感器组建一个立体的红外感应网络，当有动物进入感应范围，主控制器根据触发的传感器判断野生动物接近的方向。通过云台提前将摄像头对准目标方向，当动物在拍摄范围时自动进行拍摄。

每个传感器与一个ZigBee模块绑定并编码，安装传感器时，设定并每个传感器与摄像头初始位置的偏差角度。主控制器上电时，步进电机使摄像头转至初保存始位置，初始位置安装霍尔传感器作为限位信号。当有红外传感器感应到目标时，感应信号通过ZigBee节点发送至主控制器，主控制器可根据传感器编码判断野生动物接近的方向并得出摄像头需要偏转的角度，通过步进电机提前将摄像头对准目标方向，当动物在拍摄范围时自动进行拍摄。

参见图13，HC-SR501模块由热释电红外传感器、光敏电阻、BISS0001组成的信号检测及处理电路。红外热释电红外传感器只对波长为10μm左右的红外辐射敏感，所以除人和动物以外的其他物体不会引发探头动作。探头内包含两个互相串联或并联的热释电元，而且制成的两个电极化方向正好相反，环境背景辐射对两个热释元件几乎具有相同的作用，使其产生释电效应相互抵消，于是探测器无信号输出。一旦动物进入探测区域内，动物红外辐射通过部分镜面聚焦，并被热释电元接收，但是两片热释电元接收到的热量不同，热释电也不同，不能抵消，于是输出检测信号。ZigBee模块内部集成单片机内核，可以检测热释电传感器的输出信号变化，通过ZigBee通信将感应信号传输至主控制器。

BISS0001是由运算放大器、电压比较器、状态控制器、延迟时间定时器以及封锁时间定时器等构成的数模混合专用集成电路。当外界光强较强时，光敏电阻阻值很小，BISS0001检测到低电平，从而封锁14脚，禁止传感器的信号。当外界光强较弱时，光敏电阻阻值很大，BISS0001检测到高电平，开启14脚；热释电红外传感器检测到有动物活动时，产生微弱的信号输出，经R3、R4、R6、C1、C2、C3组成的信号放大滤波电路。R2、R5、C5和C6组成的延时电路。信号经处理后从2脚输出。

电动云台采用步进电机控制。步进电机是一种感应电机，它的工作原理是利用电子电路，将直流电变成分时供电的，多相时序控制电流，用这种电流为步进电机供电，步进电机才能正常工作。步进电机则按照节拍工作，可以旋转极小的角度，使用步进电机可以做到偏转角度精确可控。

红外拍摄系统由一个摄像主控制器与若干个红外节点构成，与当有动物通过红外拍摄系统覆盖的范围时，摄像机将进行连续拍照。系统将拍摄得到的照片信息通过LoRa传送至附近的中继通讯节点，当通讯节点能够使用移动网络时，通过GPRS将照片信息上传至云端，电脑与手机客户端可从云端获取数据。

红外跟踪拍摄系统主控制器电路由主控芯片电路、ZigBee模块、LoRa模块、步进电机及其驱动电路、摄像头、SD卡电路等电路组成，红外感应节点通过ZigBee模块与主控芯片通信，传输触发信号，主控制器控制步进电机旋转摄像头方向对准目标，摄像头拍摄照片并将照片存储至SD卡。每天使用GPS\/BDS模块对控制电路授时，定时通过LoRa模块将照片信息上传至云平台。

另外，如图16，智能观测系统还包括便于在野外行走的拍照车106，还包括飞行器；拍照车和飞行器上的相机能采集野生动物的图像时发送至云服务器；从而大大加强了系统的灵活性。

拍照车上设有电池和子相机114。拍照车上设有定位模块(如GPS或北斗模块)和无线通信模块；无线通信模块为PPRS、3G、4G或5G通信模块，拍照车通过无线通信模块与远程控制平台(与云服务器)或远程控制终端(如PC机、笔记本电脑和平板电脑等)通信连接。可以实现远程监视。在野外具体基于光伏模块，光伏模块与无线充电模块相连，无线充电模块用于为拍照车和无人机充电。

如图17-21，无线充电模块包括设置在凹陷部201中的支撑平台和设置在支撑平台上的发射线圈214；所述的支撑平台包括底层活动平台202、上层活动平台216和连接底层活动平台与上层活动平台的升降机构；底层活动平台上设有纵向平移机构；上层活动平台上设有横向平移机构。所述的升降机构为缸式升降机构或剪叉式升降机构215。缸式升降机构为推杆式驱动机构，如采用气压缸或液压缸驱动。纵向平移机构包括设置在凹陷部底部的导轨205和第一齿条轨206；所述的导轨为2条；齿条轨为一条，齿条轨和导轨平行布置；底层活动平台底部设有多个能在所述导轨上滚动的行走轮209；行走轮为4个，一边2个。底层活动平台的前端设有第一电机203；第一电机的转轴上设有齿轮207，齿轮与所述的第一齿条轨啮合；第一电机旋转时，能带动底层活动平台沿第一齿条轨纵向(前后)平移。横向平移机构包括第二齿条轨211和第二电机；第二齿条轨横向设置，所述的第二电机上层活动平台左端或右端；第二电机的转轴上设有与所述第二齿条轨相啮合的齿轮，第二电机旋转时，能带动上层活动平台沿着第二齿条轨横向(左右)平移。第一电机和第二电机的转轴上均设有码盘208。码盘用于检测电机旋转的圈数，从而可以换算成平台行进的位移。凹陷部的开口处设有电动的活动式盖板219。电动是指电机驱动，或电信号控制液压缸或气缸驱动。活动式盖板为2块，凹陷部内设有用于驱动活动式盖板的推杆，推杆的上端与活动式盖板地面相连。凹陷部的开口处还设有防压机构210，活动式盖板展平时，防压机构能支撑活动式盖板。防压机构为方框形。采用不锈钢或铸铁材质，强度高。所述的汽车无线充电系统还包括控制单元，控制单元包括MCU，横向平移机构和纵向平移机构均受控于MCU；MCU还连接有通信模块。通信模块用于与远程服务器相连，还用于与汽车基于蓝牙或wifi通信，或用于能通过手机(如手机APP)控制。另外，限位开关和码盘输出信号到MCU；所述的第一电机和第二电机均为步进电机。第一齿条轨位于2条导轨之间。底层活动平台的后端设有限位开关204；电机的前端设有限位开关204。限位开关动作，说明前方或后方到位，停止电机转动，从而保障整个设备安全运行。底层活动平台上还设有MCU以及单相桥式整流及逆变电路；单相桥式整流及逆变电路包括整流桥和逆变桥，整流桥采用4个功率二极管，逆变器采用4个IGBT，连接方式为现有成熟技术，IGBT的G极受控于MCU发出的脉冲。整流桥的输入侧与市电相接，整流桥的输出侧通过逆变器接发射线圈；整流桥用于将交流电变成直流电，逆变器用于将直流电转成不同频率的交流电，改变频率以提高充电效率。显示屏设置在凹陷部内，与MCU相连，用于现场调试，以及实时显示现场状态数据。

拍照车和飞行器端设有恒流充电电路，用于高效地为锂电池充电。

凹陷部开口处设有用于感应上方有汽车的感应器，如采用超声波或光电传感器；有利于实现自动充电。

该充电系统还包括用于调节显示屏(显示屏位于车载平台的驾驶室)发光亮度的亮度调节电路；所述的亮度调节电路包括MCU、LED灯串、三极管、电位器Rx和A\/D转换器；三极管为NPN型三极管；显示屏的固定架上海设有旋钮开关与电位器Rx同轴相连；电位器Rx和第一电阻R1串接形成分压支路，分压支路一端接电源正极Vcc，分压支路的另一端接地；电位器Rx和第一电阻R1的连接点接A\/D转换器的输入端；A\/D转换器的输出端接MCU的数据输入端口；LED灯串包括多个串接的LED灯；LED灯串的正极接电源正极Vcc；LED灯串的负极接三极管的C极，三极管的E极经第二电阻R2接地；三极管的B极的接MCU的输出端。电源正极Vcc为5V，A\/D转换器为8位串行输出型转换器。恒流充电电路包括恒压驱动芯片和电流反馈电路；(1)恒压驱动芯片的电压输出端为恒流充电电路的正输出端VOUT+；恒压驱动芯片的负输出端接地；恒压驱动芯片由直流电压供电端VIN+和VIN-供电；(2)所述的电流反馈电路包括电阻R1、R2和R5和参考电压端VREF+；参考电压端VREF+通过依次串联的电阻R1、R2和R5接地；电阻R5与R2的连接点为恒流充电电路的负输出端VOUT-；电阻R1与R2的连接点接恒压驱动芯片的反馈端FB。恒流充电电路还包括电压反馈电路；电压反馈电路包括电阻R3和R4以及二极管D1；电阻R3和R4串联后接在恒流充电电路的正输出端VOUT+与地之间；电阻R3和R4的连接点接二极管D1的阳极；二极管D1的阴极接恒压驱动芯片的反馈端FB。

如图24-33，多功能航拍飞行器，包括支架32、旋翼、底板29、云台33、支腿28和相机70；旋翼和云台设置在支架上；底板固定在支架底部；相机安装在云台上；支腿固定在底板的底部；相机包括机身77和复合式镜头72；机身内设有CCD传感器76，机身上设有用于镜头对准的光电发射与接收装置75；复合式镜头上设有转轴73；复合式镜头内集成有4个子镜头71；子镜头沿复合式镜头的周向均匀布置；复合式镜头的后端还设有与所述光电发射与接收装置适配的光反射片74；机身内还设有用于驱动镜头旋转的步进电机。光电发射与接收装置和光反射片可以是多套，优选2套，呈轴线对称，对准效果更好，只有2套光电发射与接收装置和光反射片都对准后，才认为镜头与CCD传感器对准了，这样对准精度更高。支腿为4根，支腿竖直设置，相邻支腿之间的设置有水平的横梁；支腿包括上支腿81、下支腿84和脚钉86；上支腿下端设有导向槽；下支腿上端设有导向杆83；导向杆插装在导向槽中；在导向槽内设有弹簧82；弹簧设置在导向槽的顶壁(最里端的内壁)与导向杆顶端之间；下支腿的下端部设有脚钉86。下支腿的下端部的外壁设有外螺纹；下支腿的下端部套接有带内螺纹的套筒85，套筒的下端设有垫环87。底盘上还设置有陀螺仪和无线通信模块。陀螺仪用于导航，无线通信模块用于接收遥控器的指令，并将拍摄的照片和视频信息传送到地面接收端设备。所述的支架为由4个结构相同的伸缩式悬臂组成的十字形悬臂架；每一个伸缩式悬臂包括外臂21和内臂22；外臂的内端部与内臂的外端部通过锁扣25相连；锁扣上设有带倒刺53的插脚52；锁扣为多个；外臂的内端部和内臂的外端部均设有多组用于插脚穿过的插孔24；每组插孔包括至少2个插孔；旋翼包括主旋翼和副旋翼；在外臂的外端部设有主旋翼23和副悬臂26；主旋翼和副悬臂共轴线设置，且主旋翼位于外臂的上方，副旋翼位于外臂的下方；主旋翼的桨径大于副旋翼的桨径；副旋翼为涵道风扇，副旋翼通过涵道风扇固定件7固定在外臂的底部；锁扣具有壳体51；壳体包括外壳体511、压块512和压簧513；插脚为2根；插脚固定在外壳体上；压块位于外壳体内并套装在2根插脚上；压块能沿插脚移动；压块与插脚之间设有压簧，压簧套装在插脚的根部。外臂的内端部设有2组用于插脚穿过的插孔；外臂上的每组插孔包括2个插孔；锁扣为2个；内臂的外端部上等间距设有4组用于插脚穿过的插孔；内臂上的每组插孔包括2个插孔。副旋翼的桨径与主旋翼的桨径之比为0.2-0.35；优选值为0.25和0.3。垫环为橡胶材质，脚钉为不锈钢材质。

设计图

一种基于物联网的野生动物智能观测系统论文和设计

一种基于物联网的野生动物智能观测系统论文和设计-任嘉

全文摘要

主设计要求

设计方案

设计说明书

设计图

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