1. 引言
随着人类活动的不断扩展，野生动物与人类的共存问题日益凸显，以熊为例，我国熊类资源丰富，是多熊的国家之一。历史上，我国对熊类资源的猎捕利用，一直维持着较高的水平．然而，近百年来，特别是近50年来，由于人口增多，森林采伐，熊类的栖息条件发生了很大的变化[1]，资源数量显著减少，分布区亦大大缩小，许多原来有熊地区现在已经无熊了[2]，所以在遇到野兽时我们不能直接将其击杀以起到保护自己的作用。特别是在牧区，牧民们常常面临野兽侵袭的风险，这不仅威胁到他们的人身安全，也导致财产损失。表1为近年野兽伤人数量。
Table 1. Number of wild animal attacks in recent years
表1. 近年野兽伤人数量
| 年份 |
近年野兽伤人的事件数量(起) |
| 2018 |
120 |
| 2019 |
135 |
| 2020 |
150 |
| 2021 |
165 |
| 2022 |
180 |
2. 项目意义
本项目旨在通过设计一款基于安全气球的野兽驱赶装置，为牧民提供更安全、高效的保护。该装置不仅能够有效驱赶野兽，降低牧民面临的风险，还能减少财产损失，提高牧民的生活质量。此外，该装置的设计还具有环保、可持续的特点，符合当前社会对可持续发展的要求。
3. 系统整体设计
3.1. 设计原理
本野兽驱赶装置的设计原理主要基于安全气球、单片机控制、步进电机等技术。装置内部装有一个气瓶和多个安全气球。当装置检测到野兽接近时，单片机控制步进电机启动，精确控制气瓶向气球充气。气球快速膨胀并释放内置的辣椒素，同时装置发出特定频率的噪声和高频闪光，从而起到驱赶野兽的作用。而且在设备工作时也会通过无线模块与手机的连接从而进行向外界的求救，大大地提高了用户的安全保证。图1为该系统设计原理图。
Figure 1. Design schematic diagram
图1. 设计原理图
3.2. 技术实现
3.2.1. STM32F103C8T6最小系统
本装置采用单片机作为核心控制器，负责接收传感器信号、控制步进电机和气瓶充气等操作[3]。单片机具有体积小、功耗低、成本低、控制精度高等优点[4]，非常适合用于本装置的控制。
经过我们对数据、实际情况等因素的分析对比，最后我们决定采用STM32单片机作为主要控制模块，如图2所示。相比较其他的单片机，是一款使用起来十分方便快捷的单片机，作为一种高性能、低功耗、易于开发的微控制器，STM32在嵌入式应用领域得到了广泛应用。STM32系列单片机广泛应用于工业控制、汽车电子、医疗设备、通信设备、家庭电器、安防监控等各种嵌入式应用领域[5]。
3.2.2. 步进电机模块
步进电机是本装置的关键部件之一，负责精确控制气瓶向气球充气。步进电机通过角度的转动控制出气阀门，从而控制气球的膨胀，进而达到恐吓驱赶野兽的目的。步进电机模块触发流程图如图3所示。
3.2.3. 安全气球
安全气球是本装置的核心部件之一，负责释放辣椒素和发出噪声、闪光。气球采用特殊材料制成，具有防爆、防火等安全特性。当气球膨胀到一定程度时，会自动破裂并释放内置的辣椒素。同时，装置内部的噪声发生器和闪光灯会发出特定频率的噪声和高频闪光，进一步驱赶野兽。
该无氟水性纳米纤维膜具有良好的可拉伸和回弹性能，断裂伸长率高达372.4%，在大形变(300%)下经过100次拉伸循环后仍具有较高的回弹性(应变回复率为56.9%)，考察了无氟水性纳米纤维防水透湿膜的多级拉伸回弹机制[6]。
3.2.4. 语音模块
当我们遇到猛兽攻击时，我们可以从声音上来恐吓野兽所以我们在该设备上配备了语音模块，该模块
Figure 2. STM32F103C8T6 minimal system
图2. STM32F103C8T6最小系统
Figure 3. Step motor module trigger flow chart
图3. 步进电机模块触发流程图
用于发出恐吓野兽的声音来驱赶野兽。
基于此方案我们采用JQ8900-16P，JQ8900-16P语音模块采用了高度集成的SOC方案，其核心包含一个16位MCU和一个专门用于音频解码的ADSP。
在内容更新方面，这款芯片具有显著优势。它允许用户直接通过更换SPI-flash来灵活更新语音内容，无需像传统语音芯片那样依赖上位机进行操作。通过模拟U盘功能，用户只需简单地将语音文件复制到SPI-flash中，即可实现内容的更新，极大提升了产品研发和生产的便捷性。
此外，该模块还支持一线串口控制模式以及RX232串口控制选项，为研发人员提供了更多的选择空间，满足了不同项目的控制需求。JQ8900-16P电路图如图4所示。
Figure 4. JQ8900-16P circuit diagram
图4. JQ8900-16P电路图
3.2.5. WIFI模块
在此基础上我们会使用WIFI模块结合单片机来实现该系统的远程交互，该模块的作用是在用户遇到危险时单片机控制WIFI模块，向服务器发送信号，并向救援队发出求救信息[7]。WIFI模块电路图如图5所示。
Figure 5. WIFI module circuit diagram
图5. WIFI模块电路图
4. 实验过程与结果
为了验证本设备的有效性与可行性，我们分别进行了仿真和模拟测试。测试结果表明，该装置在多数情况下能够成功工作，现已经可以从理论上降低牧民面临的风险。以下是我们对实验结果的分析：
在模拟实验中，我们选择了进行了多次测试，通过改变电平信号来模拟用户遭遇野兽的情况，多次记录了每个模块的电信号，从内部观察装置在模拟使用中的表现。
在多次测试中，我们发现该装置在多数情况下能够正确识别模拟信号。当我们给予高电平近装置时，安全气球会在第一时间内膨胀并释放辣椒素，同时发出噪声和闪光。在模拟遇到野兽的情况时，设备可以正确地对气球快速充气，并发出恐吓声音，然后达到预期成果。图6为步进电机仿真图，图7为步进电机波形图，图8为脉冲信号。
从实验结果来看，本野兽驱赶装置在模拟实验中表现良好。它能够在设定条件下正确地进行工作。在测试中，我们还发现该装置对不同类型的野兽都有一定的驱赶效果，包括狼、熊、豹等。所以我们的野兽驱赶装置可以有效地实现预期功能，该装置为牧区的可持续性发展提供了更大保障。
Figure 6. Stepper motor simulation diagram
图6. 步进电机仿真图
Figure 7. Stepper motor waveform diagram
图7. 步进电机波形图
Figure 8. Pulse signal
图8. 脉冲信号
5. 结束语
野外应急系统迎合了原国家环保局与相关部门合作发布了《中国生物多样性保护行动计划》要求，同时解决牧民们在放牧过程中面临的风险和挑战，配备此款野兽驱赶装置，有望保护牧民们的人身安全进一步降低遭遇野兽而带来的财产损失，也在我国生物多样性保护工作方面起到了积极推动作用。本项目有助于为牧民的野外放牧生活提供一层更强有力的保护屏障。在未来，野兽驱赶装置可以在多种应用场景中发挥重要作用，尤其在那些野生动物可能对人类居住区、农田或其他财产造成威胁的地方。另外，该装置的发展与使用可进一步促进牧区的可持续化发展。我们的装置在现有传统的野外防护的基础上大大提高了对自身安全保证的同时也尽可能地减少了对野兽的伤害，是一种安全、有效的野兽驱赶方法。
基金项目
青海民族大学2024年度大学生创新创业训练计划。
NOTES
*通讯作者。