廣域野生動物追蹤系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

劉笑寒 楊 濤 閻保平

（中國科學(xué)院計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)信息中心 北京 100190）

廣域野生動物追蹤系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

劉笑寒 楊 濤 閻保平

（中國科學(xué)院計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)信息中心 北京 100190）

隨著可穿戴技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，野生動物追蹤領(lǐng)域面臨革新式的進(jìn)步。通過對追蹤技術(shù)的發(fā)展進(jìn)行全面的闡述，設(shè)計和實現(xiàn)了基于衛(wèi)星定位和移動通信技術(shù)的野生動物追蹤系統(tǒng)。根據(jù)安裝在動物身上的追蹤設(shè)備采集的定位、加速度、信號強(qiáng)度等信息，我們開展了初步的系統(tǒng)節(jié)能機(jī)制、動物行為判斷等研究，并對實證實驗和系統(tǒng)改進(jìn)進(jìn)行討論。本系統(tǒng)提供了野生動物短時間內(nèi)活動和行為的監(jiān)測方法，對物種的生態(tài)學(xué)研究具有重要的意義。

野生動物追蹤；可穿戴技術(shù)；行為判斷；節(jié)能機(jī)制

1 引 言

近年來，人們逐漸認(rèn)識到保護(hù)生態(tài)環(huán)境和野生動物的重要性，科研人員采用多種通信技術(shù)對野生動物進(jìn)行追蹤，應(yīng)用于遷徙路線、棲息地、環(huán)境變化等研究領(lǐng)域。

過去 5 年，可穿戴技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)迅速發(fā)展，定位追蹤領(lǐng)域迎來革新式的進(jìn)步。

追蹤系統(tǒng)根據(jù)應(yīng)用場景可采用衛(wèi)星、無線通信等技術(shù)進(jìn)行定位，并可采用移動通信、無線通信等技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

1.1 野生動物追蹤系統(tǒng)相關(guān)技術(shù)

野生動物的活動具有廣域性，因此定位主要采用衛(wèi)星定位技術(shù)，主要有美國的 GPS 系統(tǒng)、俄羅斯的 Glonass 系統(tǒng)、歐洲的 Galileo 系統(tǒng)、中國的北斗系統(tǒng)等。野生動物定位及監(jiān)測信息的傳輸技術(shù)主要有：無線通信、衛(wèi)星通信、移動通信、短距離無線通信技術(shù)等。

（1）無線通信

野生動物無線追蹤技術(shù)自上世紀(jì) 50 年代發(fā)明以來，從采用無線電信號強(qiáng)度判斷動物所在位置，發(fā)展到現(xiàn)在采用無線通信傳輸動物的定位信息，已經(jīng)有了廣泛的應(yīng)用。研究人員提出了很多無線通信系統(tǒng)，如荷蘭阿姆斯特丹大學(xué)的 UvABits 系統(tǒng)［1］，微軟劍橋研究院的 Mataki 系統(tǒng)［2］，日本新潟大學(xué)的 WABMS 系統(tǒng)［3］，美國普林斯頓大學(xué)的 ZebraNet［4］等。

然而無線追蹤系統(tǒng)只能在幾公里范圍內(nèi)實現(xiàn)追蹤，適合活動范圍不廣的野生動物。若安裝在遷徙動物身上，只能在動物返回棲息地時獲取歷史定位信息。

（2）衛(wèi)星通信

從上世紀(jì) 80 年代開始，科研人員采用衛(wèi)星通信進(jìn)行信息傳輸實現(xiàn)野生動物追蹤，如 Argos系統(tǒng)、NorthStar 系統(tǒng)、GlobalStar 系統(tǒng)、銥星系統(tǒng)等。衛(wèi)星通信可以實現(xiàn)全球范圍內(nèi)的信息傳輸，然而其上行通信費用較高，普及困難。

（3）移動通信

近年來，移動通訊技術(shù)和智能終端飛速發(fā)展，采用 GSM/GPRS 的追蹤技術(shù)越來越多地被人們所熟知。由于移動通信的通信費用較低，從汽車追蹤，到兒童老人的定位看護(hù)，都有著廣泛的應(yīng)用。

但是，很多野外環(huán)境沒有安裝移動通信基站，而且由于通信標(biāo)準(zhǔn)的差異，移動通信的傳輸方式多限于國內(nèi)使用。所以，信息的存儲與發(fā)送方式、通信可信區(qū)域的判定是采用該方式傳輸?shù)闹攸c研究方向。

（4）短距離無線通信

30 年前，Mark Weiser 提出普適計算，近 10年間，我們逐漸進(jìn)入物聯(lián)網(wǎng)和萬物互聯(lián)的時代。傳感器網(wǎng)絡(luò)相關(guān)技術(shù)如 IEEE 802.15.4、Zigbee、射頻識別技術(shù)（Radio Frequency Identifica-tion，RFID）、近場通信技術(shù)（Near Field Communication，NFC）已被應(yīng)用到野生動物追蹤領(lǐng)域。

短距離無線通信更適合棲息地監(jiān)測研究以及動物小范圍內(nèi)的行為監(jiān)測研究。如用于棲息地監(jiān)測的美國加州大學(xué)伯克利分校的 MOTE 系統(tǒng)［5］、日本長岡科技大學(xué)的 Arkas 系統(tǒng)［6］等；用于采集和分析動物活動信息的美國路易斯安那大學(xué)拉菲特分校的 FINDERS 系統(tǒng)［7］等。

以上通信方式各有特點，在實際應(yīng)用中應(yīng)根據(jù)不同物種的生活習(xí)性、活動范圍選擇相應(yīng)通信方式進(jìn)行追蹤。除定位和通信技術(shù)外，追蹤器的小型化設(shè)計、供電系統(tǒng)及節(jié)能機(jī)制也是重要的研究方向。

1.2 研究基礎(chǔ)

青海湖是我國面積最大的內(nèi)陸咸水湖泊，是青藏高原野生動物的重要棲息地。野生動植物資源極為豐富，其中國家一、二類保護(hù)動物 35種，占全國的 32.3%。但是，目前 15%～20% 野生動植物資源瀕臨滅絕。普氏原羚是我國特有的珍稀物種，僅生存于青海湖流域。青海湖在野生鳥類的南北大遷徙中處于重要的地理位置，是野生鳥類的重要棲息繁殖地，特別是遷徙到東南亞、西伯利亞、澳大利亞以及新西蘭的候鳥的必經(jīng)路線。

在過去的研究工作中，我們在青海湖流域采用無線電技術(shù)、RFID 技術(shù)、Argos 衛(wèi)星通信系統(tǒng)對鳥類進(jìn)行追蹤［8］。2007 年至 2008 年，我們和青海湖管理局、中國科學(xué)院動物研究所、美國地質(zhì)調(diào)查局（United States Geological Survey，USGS）合作開展候鳥遷徙路線衛(wèi)星跟蹤研究。兩年內(nèi)分四次在保護(hù)區(qū)為野生鳥類捕捉安裝 GPS 跟蹤器 64 個。截至 2009 年 5 月，共獲得 48 萬條數(shù)據(jù)，經(jīng)過格式轉(zhuǎn)換、排重等預(yù)處理，共獲得超過10 萬條數(shù)據(jù)，建立了鳥類衛(wèi)星跟蹤數(shù)據(jù)庫。主要用于研究鳥類遷徙行為、鳥的遷徙與病毒傳播的關(guān)系以及鳥的遷徙與環(huán)境樣帶的關(guān)系等。

隨著可穿戴技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，研發(fā)新一代野生動物追蹤系統(tǒng)非常重要。本研究設(shè)計和實現(xiàn)基于衛(wèi)星定位和移動通信技術(shù)的野生動物追蹤系統(tǒng)。根據(jù)追蹤設(shè)備采集的定位、加速度、信號強(qiáng)度、高度等信息，我們在節(jié)能機(jī)制、動物行為判斷等方面開展了初步的研究。本文第二部分介紹系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)，第三部分介紹初步的實證實驗，第四部分進(jìn)行總結(jié)并介紹近期的研究計劃。

2 野生動物追蹤系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

系統(tǒng)的初期設(shè)計分為兩部分，均采用衛(wèi)星定位技術(shù)：采用 GSM/GPRS 進(jìn)行信息傳輸?shù)南到y(tǒng)A 如圖 1 所示；采用無線通信進(jìn)行信息傳輸?shù)南到y(tǒng) B 如圖 2 所示。

2.1 系統(tǒng)設(shè)計

2.1.1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)包括硬件層、中間件、應(yīng)用層等三部分。應(yīng)用層主要包括定位和動物行為識別；中間件包括數(shù)據(jù)通信協(xié)議、數(shù)據(jù)存儲、節(jié)能算法、通信可信區(qū)域的判定與更新；追蹤器硬件框圖如圖 3 所示，由控制單元（MCU）、存儲器、GPS 模塊、GSM/GPRS 通信模塊、傳感器、供電系統(tǒng)等部分組成。其中，傳感器包括加速度計、高度計、光照計、溫度計。

圖1 系統(tǒng) A：采用 GSM/GPRS 進(jìn)行信息傳輸Fig. 1 System A： Data transmission using GSM/GPRS

圖2 系統(tǒng) B：采用無線通信進(jìn)行信息傳輸Fig. 2 System B： Data transmission using wireless communication

圖3 追蹤器硬件框圖Fig. 3 Wildlife tracker's hardware configuration

系統(tǒng)還具有余電量檢測、信號強(qiáng)度測定等功能。

2.1.2 軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件包括系統(tǒng)基本功能和系統(tǒng)節(jié)能機(jī)制的實現(xiàn)。為節(jié)省系統(tǒng)能耗，可根據(jù)不同傳感器的信息，控制各組件啟動和休眠時序。追蹤器的工作過程如圖 4 所示。

圖4 追蹤器工作過程Fig.4Wildlife tracker's working process

在追蹤器中，高度計和加速度計一直工作，追蹤器根據(jù)加速度計和高度計的信息進(jìn)行動物的行為識別，如飛行、靜止等。當(dāng)判斷動物從休息狀態(tài)轉(zhuǎn)換到活動狀態(tài)時，相繼啟動 MCU、GPS獲取定位數(shù)據(jù)，根據(jù)通信可信區(qū)域的判定，啟動移動通信模塊進(jìn)行信息傳輸，照度和溫度數(shù)據(jù)對動物行為判斷提供參考作用。以系統(tǒng) A 為例，MCU、GPS 模塊、移動通信模塊的樣例時序如圖 5 所示。

2.2 節(jié)能機(jī)制

野生動物生活的環(huán)境大多遠(yuǎn)離城市，遷徙鳥類會在世界范圍內(nèi)飛行，當(dāng)動物在通信可信區(qū)域外活動的時候，大量數(shù)據(jù)會存儲在存儲器。因此數(shù)據(jù)存儲管理和通信可信區(qū)域判定對于追蹤器的有效工作與能耗節(jié)省非常重要。我們從以下幾方面開展系統(tǒng)節(jié)能機(jī)制研究：

圖5 追蹤器硬件工作時序Fig. 5 Wildlife tracker's hardware working sequence

（1）數(shù)據(jù)的區(qū)分和存儲方法

追蹤器根據(jù)對傳感數(shù)據(jù)和系統(tǒng)數(shù)據(jù)的區(qū)分、處理和分析，對各組件模塊進(jìn)行控制，并篩選出可傳輸數(shù)據(jù)，通過通信模塊發(fā)給數(shù)據(jù)中心。

（2）系統(tǒng)組件啟動和休眠機(jī)制

根據(jù)動物的活動規(guī)律和傳感器數(shù)據(jù)，設(shè)計具有適應(yīng)性的、可擴(kuò)展的系統(tǒng)組件控制機(jī)制和算法。

（3）通信可信區(qū)域判定及更新機(jī)制

在一些鳥類、獸類生活的野外環(huán)境中，由于移動通信基站數(shù)量少，或鳥類飛行高度過高等原因，會出現(xiàn)追蹤器不在有效通信范圍內(nèi)的情況，不能及時將信息發(fā)送到基站。為此，我們針對系統(tǒng) A 和系統(tǒng) B 的兩種通信方式，設(shè)計并實現(xiàn)通信可信區(qū)域的判定及通信機(jī)制。

在數(shù)據(jù)中心一側(cè)，根據(jù)追蹤器發(fā)來的歷史信息和野生動物的活動習(xí)性，預(yù)估動物所在位置范圍，定時向追蹤器發(fā)送通信信報。

在追蹤器一側(cè)，建立通信可信區(qū)域數(shù)據(jù)庫。追蹤器收到通信信報后，同數(shù)據(jù)中心建立握手連接，即進(jìn)行信息傳輸。傳輸后，將所在區(qū)域加入到通信可信區(qū)域數(shù)據(jù)庫，進(jìn)行更新，并根據(jù)信息接收成功率判斷不同位置、高度的通信品質(zhì)。

（4）定位與動物行為識別應(yīng)用研究

在（1）和（2）的基礎(chǔ)上，開展定位數(shù)據(jù)分析與控制處理、動物行為識別準(zhǔn)確性的提高算法等研究。動物的行為主要根據(jù)加速度計的數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷，并參考高度計、照度計、溫度計的數(shù)據(jù)。本文著重于根據(jù)數(shù)據(jù)和時間進(jìn)行動作的區(qū)分與行為的定義。

2.3 追蹤器 1.0

目前已經(jīng)完成追蹤器 1.0 版，追蹤器硬件（除去電池和外盒）如圖 6 所示，MCU 采用STC 15W32S4，GPS 采用 Holux M9339，加速度計采用 InvenSense MPU-6050。

圖6 追蹤器 1.0Fig. 6 Wildlife tracker 1.0

3 實證實驗

我們對追蹤器 1.0 開展了硬件性能測試，包括增減電壓試驗：測試追蹤器在電壓出現(xiàn)波動時（3.5～4.4 V）的工作情況；靜電實驗：測試追蹤器在靜電干擾下（±15 kV）的工作情況；信賴性實驗：測試追蹤器在各種環(huán)境下（高溫 40℃、低溫－20℃、高濕 90%）的工作情況，追蹤器均通過測試并能夠正常工作。

追蹤器 1.0 的正常工作電流小于 50 mA，滿負(fù)荷工作電流為 102 mA，待機(jī)電流 0.8 mA，鋰電池容量為 300 mAh，太陽能板最大充電電流為30 mA。理論上無日照待機(jī)時間為 26 天，若追蹤器工作頻度為 1 小時，無日照可正常工作 8 天。

目前已開展了初期試驗，具體實驗內(nèi)容有：野外實際環(huán)境的動物追蹤；設(shè)備是否影響動物日常生活和行為實驗；系統(tǒng)供電能效實驗；信息傳送延遲、處理時間測定實驗及信息傳輸機(jī)制研究。其中，追蹤試驗如圖 7 所示，采用加速度計的動物行為識別試驗如圖 8 所示。

圖7 追蹤實驗Fig. 7 Tacking experiment

圖8 動物行為識別實驗Fig. 8 Wildlife behavior recognition experiment

4 總 結(jié)

隨著微系統(tǒng)技術(shù)的不斷發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)越來越貼近人們的日常生活。野生動物觀測設(shè)備的小型化、輕量化，以及更有效地觀測更多樣的指標(biāo)，是本文的研究重點。

本文在對野生動物追蹤技術(shù)和發(fā)展趨勢進(jìn)行全面分析的基礎(chǔ)上，介紹初步的野生動物追蹤系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)，及相關(guān)試驗工作。根據(jù)追蹤器采集的定位、加速度、信號強(qiáng)度、高度等信息，可以觀測野生動物短時間內(nèi)的活動和行為，可作為物種生態(tài)學(xué)研究的重要輔助手段。

對于系統(tǒng)的信息傳輸，移動通信和無線通信各有優(yōu)勢，在實際部署中，應(yīng)根據(jù)物種的習(xí)性，合理選擇通信方式。在對系統(tǒng)的節(jié)能機(jī)制研究上，本文從數(shù)據(jù)區(qū)分和存儲方法、系統(tǒng)組件啟動和休眠時序、通信可信區(qū)域判定及更新、動物行為識別等 4 個方面進(jìn)行了討論。

同過去廣泛采用的 Argos 追蹤器相比，本研究設(shè)計的追蹤器除具有定位功能外，在數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性、動物行為識別方法、系統(tǒng)節(jié)能機(jī)制等方面具有一定的優(yōu)勢，對相關(guān)學(xué)科領(lǐng)域的研究人員具有借鑒意義。

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Design and Implementation of Wide-Area Wildlife Monitoring System

LIU Xiaohan YANG Tao YAN Baoping
（ Computer Network Information Center， Chinese Academy of Sciences， Beijing 100190， China ）

With the development of wearable technology and Internet of Things industry， the field of wildlife tracking was undergoing innovative progress. In this paper， the development of tracking technology was reviewed comprehensively， wildlife tracking system based on satellite positioning and mobile communication technology was designed and realized. According to those signals such as location， acceleration and signal intensity， which was collected by tracking devices installed on animals， preliminary research of system energy saving mechanism and animal behavior recognition were carried out. In addition， the empirical test and system improvement were discussed. This proposed method for monitoring wildlife short-time movement and behavior has great significance for species ecology research.

wildlife tracking； wearable technology； behavior recognition； energy saving

TP 399

A

2015-04-25

2015-07-15

中國科學(xué)院計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)信息中心青年基金；中國科學(xué)院青年創(chuàng)新促進(jìn)會經(jīng)費

劉笑寒（通訊作者），副研究員，研究方向為下一代互聯(lián)網(wǎng)、傳感器網(wǎng)絡(luò)，E-mail： liuxiaohan@cnic.cn；楊濤，高級工程師，研究方向為科研信息化；閻保平，研究員，研究方向為科研信息化。