实验题目：智能野生动物观测系统的设计

1. 课程简要信息

课程名称：电子系统设计
课程学时：36(课内) $+ 2 4$ (课外)
适用专业：电子信息工程、自动化、通信工程
学生年级：三年级下期

2. 实验内容与任务（限 500 字，可与“实验过程及要求”合并）

设计并制作一个智能野生动物观测系统，该系统包含一个由无线传感网络组构成的红外拍摄控制器，无线中继数据传输以及云平台数据交互等功能。

1）基本部分

$\textcircled{1}$ 由 3 个及以上的红外传感器构成传感网络。当某一传感器被触发时，拍摄控制器能迅速调整拍摄角度对准该传感器方向。
$\textcircled{2}$ 传感器与拍摄控制器采用无线连接方式。

2） 提高部分

$\textcircled{1}$ 拍摄控制器包含 GPS定位、温湿度采样等环境数据收集功能。
$\textcircled{2}$ 拍摄控制器的数据能通过无线中继的方式传输 5-10KM，并最终上传至 Internet。
$\textcircled{3}$ 拍摄控制器和中继器均采用可充电池供电，降低系统功耗以保障6个月以上的使用时间。

3） 发挥部分

$\textcircled{1}$ 拍摄控制器的数据可以发布至云平台。
$\textcircled{2}$ 设计并制作一个简要的手机应用 APP,可以同过该应用访问云平台上的数据信息。

3. 实验过程及要求（限 300字）

1）根据实验项目的需求，进行查阅资料、选择主要器件模块，实现功能设计。

2）了解拍摄控制器的机械结构、传感器选择、无线通信模块、电机驱动控制电路、电源管理、通信协议制定等相关知识。

3）根据传感器网络布放的要求，选择合适的传感器和无线通讯方案。

4）根据野生动物观测需要，设计拍摄控制器的硬件电路方案，并完成必要的功能测试。

5）制定拍摄控制器与无线传感网络间的通信协议。

6）根据需要传输的数据内容，制定拍摄控制器与无线中继以及 Internet间的通信协议，选择合适的无线通讯方案。

7）各组的实现方案以 PPT形式进行分组演讲与其他组学习交流。

8） 硬件电路设计与制作，软件程序编写与功能调试。

9） 完成实验任务要求，提交验收。

10）撰写设计报告。

4. 相关知识及背景（限 150 字）

目前用于野生动物观测的红外相机都是采用定向拍摄，独立工作的模式。获取信息有限，管理维护难度大。利用 ZigBee 模块和红外传感器组建传感器网络，可提高了相机的使用效率，获取信更多更有价值的影像照片。通过 LoRa 中继和 GPRS 模块将相机工作情况传输至云端，从

而为研究和保护野生动物的工作提供更多便利。

5. 实验环境条件

1）实验仪器设备万用表、示波器、工具箱、电源、计算机等

2）设计软件工具Keil、Altium Designer、Android Studio、串口调试助手等

3） 主要器件

红外热释电传感器，摄像头，Zigbee 模块、LoRa 模块、GPRS 模块、GSM 模块、GPS 模块、嵌入式CPU等

6. 教学目标与目的（限 100 字）

通过一个完整的工程项目设计，使学生了解电子应用系统设计的步骤，引导学生根据工程需求，综合应用所学的专业知识，讨论、设计系统方案，选择元器件，基于模块化方法快速构建系统，培养学生的工程素质和创新能力。

7. 教学设计与引导

本实验的过程是一个比较完整的工程实践项目，要求学生自主设计完成一个智能野生动物观测系统。学生根据实验的要求，分小组独立完成资料查阅和学习、设计方案制定、电路设计、焊接调试、软件编写与调试、系统功能测试以及报告撰写等工作任务。锻炼学生对知识的综合运用能力，提高学生的动手实践能力。在实验教学中，应在以下几个方面加强对学生的引导：

1） 学习根据实验项目背景、功能需求介绍，抓住任务关键信息。
2） 学习相关科技文献的检索与阅读方法，推荐文献检索的相关网站。
3） 了解嵌入式系统的基本功能、实现功能扩展的应用方法。
4） 了解热释电红外传感器的工作原理，如何拓展传感器的灵敏度。根据监测范围的需要，如何布放传感器组成传感器网络，实现最佳覆盖效果。
5） 熟悉不同的电机驱动方案，实现功能需求的摄像头云台转动功能。
6） 学习无线通信的基本标准，了解各无线通信在带宽、频率以及信道速率等方面的不同。
7） 对比Zigbee、LoRa、WiFi、GPRS等无线通信方式的性能特点。可以借助搭建简易的点对点测试平台实测数据对比。
8） 根据需要传送的信息内容，制定一套通信协议。制定通信协议的要求是占用数据量小，传递信息准确可靠。
9） 在讲解电路设计时，要强调自顶而下的设计理念。任何系统电路设计要先画系统框图，明确各部分功能电路间的连接关系。在 PCB 设计时，除完成电路功能外，还要提醒学生注意工程实践问题，例如电源的处理，电磁兼容抗扰，电路接口处理等。
10）在讲解软件设计时，注意强调避免直接写程序，边加功能边修改的模式。要注重功能任务的规划和程序流程图的作用。在复杂的嵌入式系统中，各功能任务的有序有效执行是系统正常工作的前提条件。
11）在联合调试时，如遇到问题，避免直接替学生指出或解决问题。应该与他门探讨问题存在的可能原因，鼓励学生积极思考，利用各种测试仪器设备和调试手段来分步排查原因，查找问题的根源。并针对问题进行全方面思考后再解决。
12）在功能测试时，要引导学生针对最初的功能需求制定较完善的测试方案和方法，对所设计的功能指标进行量化测试并记录分析。
13）在实验完成后，可以组织学生以项目演讲、答辩、评讲的形式进行交流，了解不同解决方

8. 实验原理及方案

1）系统结构

本系统的结构如图 1 所示，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。

图 1 系统结构图

2）实现方案

系统总体实现方案如图 2 所示，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。

图 2 系统总体实现方案

红外跟踪拍摄系统：

红外跟踪拍摄系统包含红外传感器和拍摄控制器两部分。其系统结构如图 3所示。

图 3 红外跟踪拍摄系统电路方案

图3中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：

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。其结构如图 4所示。

图4 中继通信节点电路方案

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，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。

云平台：

选用中移物联的 OneNET 搭建系统的云平台。云平台和 GPRS 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。

客户端：

客户端 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。其功能结构如图5所示，程序流程图如图 6所示。

图 5 红外跟踪拍摄系统 APP 功能结构图

图 6 红外跟踪拍摄系统程序流程图

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。

9. 教学实施进程

1) 安排任务

对项目进行背景及相关知识的讲解。以3人为一小组，组内分工协作完成文献查阅、方案设计、电路焊接与调试、实验报告撰写等任务。组内每位同学要共同参与且有所侧重，除完成自己的工作任务外还需要了解其他分工任务中的相关知识。

2. 教学指导

展示以往同学的作品功能，让学生直观感受设计任务的功能需求。教师对实验项目的功能任务进行分解，说明各部分任务在设计实现中可能会遇到的问题并提供一些解决问题参考方法。

3. 方案讨论

各组同学通过查阅资料，搭建简单功能测试电路等方法确定每项功能的实现方案。以 PPT现场汇报的形式阐述各组的电路方案。教师对各组的方案进行总结点评，学生归纳整理。

4. 方案实施硬件电路制作和软件调试，同时整理各阶段的报告素材。

5. 测试验收

各小组展示设计成果，并交流设计与制作调试过程中的遇到的问题与解决方法，教师予以点评指导。

10.实验报告要求

实验报告需要反映以下工作：

1）实验需求分析：准确描述本设计项目的各项功能需求。
2） 实现方案论证：针对各项需求提出多种实现方案，给出功能框图并进行讨论。
3） 电路设计与参数选择：主要电路的参数计算。并提供具体的电路原理图和 PCB 图，主要软
件部分的程序框图和流程图。
4） 电路测试方法：阐述调试电路过程，以及此过程中遇到的问题和解决方法等。
5）实验结果总结：总结项目完成情况，阐述创新点和以后改进的方向。

11.考核要求与方法（限 300 字）

1） 实物验收：功能与性能指标的完成程度，完成时间。
2） 实验质量：电路方案的合理性，焊接质量、组装工艺。
3） 自主创新：功能构思、电路设计的创新性，自主思考与独立实践能力。
4） 实验成本：是否充分利用实验室已有条件，材料与元器件选择合理性，成本核算与损耗。
5） 实验数据：测试数据和测量误差。
6） 实验报告：实验报告的规范性与完整性。

12.项目特色或创新（可空缺，限 150 字）

本实验项目与学校特色相结合，从实际应用需求出发，将嵌入式和物联网技术结合到传统的生态观测中，具有较强的实用性和先进性。实验项目涉及嵌入式系统、传感器、电机控制、无线通信、手机 APP 应用等多方知识的综合应用。与实际应用联系紧密，有助于提高学生的实验兴趣，较好地锻炼了学生的动手能力和综合实践能力。

13.教学实施过程记录

图 7 学生作品展示-系统概览

图 8 学生作品展示-红外拍摄系统

图 9 学生作品展示-手机 APP 界面

图 10 野外实地测试

图 11 学生设项目计报告目录

参赛信息表