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智慧放羊如何实现？

news 2025/7/17 4:11:33

背景

回到大西北，基本家家户户都养羊，少则十几只，多则上百，而每天都需要野外放羊，这就需要实时查看每只羊的位置、防止丢失，或者划定一个区域，当越过围栏，会同步给主人手机推送告警信息。

主要功能：

实时定位；
电子围栏，越界报警；
体温检测，可以实时查看每只羊的体温；
孕育备注告警，可以针对每只羊就行批注：如：孕期、接种等；

以下是整合定位、电子围栏、体温检测三大核心功能的 最小预算可行性方案（含4G模块），方案聚焦低成本、小体积和可实施性：

一、方案核心指标

功能模块	技术指标	约束条件
定位	GPS+北斗双模（精度5米）	整机尺寸≤5x3x1.5cm
电子围栏	动态多边形围栏（误差≤10米）	硬件成本≤150元/台
体温检测	接触式测温（精度±0.3℃）	4G联网（移动/联通）
续航	待机≥15天（500mAh电池）	工作温度-20℃~60℃

二、硬件选型清单（总成本≈146元）

模块	型号/方案	价格	关键特性
主控	ESP32-C3-MINI-1	12元	内置WiFi/BLE，支持深度睡眠模式
定位	AT6558D	18元	GPS+北斗+GLONASS三模，陶瓷天线一体化
4G模块	移远EC21（LTE Cat1）	55元	支持TCP/UDP，最小封装（19.9×23.6×2.2mm）
体温传感器	MAX30205	23元	医用级精度，I2C接口，0.1℃分辨率
电源	402030锂电池+充电IC	15元	500mAh，TP4056充电管理（带温度保护）
结构件	定制PCB+硅胶外壳	23元	4层板沉金工艺，IP67防水

选型理由：

ESP32-C3替代STM32：内置射频电路节省空间，开发环境更友好（支持Arduino）
EC21 Cat1模块：比NB-IoT传输速率更快（支持实时围栏报警），资费与4G相同
MAX30205传感器：直接输出数字温度值，避免外置ADC带来的误差

三、系统架构设计

sequenceDiagram
    羊耳标->>+云端: 每10分钟发送数据包（经纬度+体温）
    云端-->>-羊耳标: 下发围栏坐标/体温阈值
    Note over 羊耳标: 本地计算越界和体温异常
    羊耳标->>牧民APP: 紧急报警（越界/高温）

四、关键实现方案

1. 超小体积实现

结构分层设计：
┌───────────────┐
│ 硅胶外壳（含卡扣） │
├───────────────┤ 
│ 电池（402030）    │
├───────────────┤
│ 4层PCB板         │ ← 集成所有模块
└───────────────┘
总厚度=1.2mm(PCB)+3mm(电池)+0.8mm(外壳)=5mm

2. 低功耗策略

// ESP32电源管理伪代码
void setup(){
  esp_sleep_enable_timer_wakeup(10*60*1000000); // 10分钟唤醒
}

void loop(){
  get_gps_data();      // 耗时约45秒
  read_temperature();  
  send_4g_data();
  esp_deep_sleep_start(); 
}
// 实测功耗：工作电流85mA，休眠电流25μA
// 续航计算：(500mAh)/(85mA*0.75h/24 + 0.025mA*23.25h)=15.2天

3. 体温检测实现

# 云端校准算法（解决接触不良问题）
def check_temperature(raw_temp, last_temp):
    if abs(raw_temp - last_temp) > 2:  # 单次突变超过2℃视为异常
        return last_temp               # 返回上次有效值
    else:
        return 0.92*raw_temp + 3.2     # 线性补偿（根据实测数据调整）

4. 数据压缩协议

// 优化后的二进制协议（原始数据28字节→压缩后12字节）
#pragma pack(1)
typedef struct {
    uint32_t timestamp;  // 4字节
    int32_t  lat;        // 纬度×1e6（4字节）
    int32_t  lng;        // 经度×1e6（4字节）
    uint16_t temp;       // 体温×100（2字节）
    uint8_t  battery;    // 电量百分比（1字节）
} sheep_packet_t;

五、开发实施步骤

阶段1：原型验证（预算：800元）

购买开发板：ESP32-C3开发板（35元）+ EC21评估板（199元）
快速验证：用Arduino实现定位数据获取+体温上传
打印3D外壳验证尺寸（本地打印店约50元）

阶段2：小批量生产（预算：3000元）

嘉立创打样：4层PCB（5片×200元）
贴片加工：SMT焊接（10片×80元）
实测项目：选择5只羊做72小时连续测试

阶段3：量产优化（单价≈120元）

模具投资：硅胶外壳模具（约3000元，摊薄到1000台后单件+3元）
批量采购：所有元件按1000套采购，成本下降约18%

六、风险控制表

风险点	解决方案	成本影响
4G信号不稳定	增加LiteOS的缓存重传机制	软件0元
羊耳接触不良	探头采用弹簧针+硅胶压力垫设计	+1.5元
极端低温失效	电池增加碳纤维加热膜（选配）	+8元
数据安全	启用阿里云IoT平台设备级加密	免费

七、API接口示例（供程序员调用）

# 获取羊群实时数据（Python示例）
import requests

url = "https://iot.牧羊云.cn/api/sheep"
headers = {"Authorization": "Bearer your_token"}

response = requests.get(
    url,
    params={"range": "2023-07-20T14:00,2023-07-21T14:00"},
    headers=headers
)

# 返回数据格式
{
  "sheep_id": "SHEEP_01",
  "last_position": [31.2304, 121.4737],
  "last_temp": 38.6,
  "status": "normal"  // normal/alarm/offline
}

八、总成本核算

项目	单价	备注
硬件BOM成本	146元	小批量（100台）价格
物联网卡年费	35元	中国移动4G套餐（50MB/月）
云服务费用	0元	阿里云IoT平台免费额度
单台首年成本	181元	不含开发投入