基于無(wú)線圖像傳感器網(wǎng)絡(luò)的野生動(dòng)物監(jiān)測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)可靠傳輸研究

張希剛+張軍國(guó)+王遠(yuǎn)+肖江

摘 要 野生動(dòng)物監(jiān)測(cè)是野生動(dòng)物保護(hù)、管理和可持續(xù)利用的重要環(huán)節(jié)。針對(duì)傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)方式效率低的缺點(diǎn)，本文設(shè)計(jì)了基于無(wú)線圖像傳感器網(wǎng)絡(luò)的野生動(dòng)物監(jiān)測(cè)系統(tǒng)；重點(diǎn)設(shè)計(jì)了基于STM32F1芯片和Xbee Pro 模塊的終端節(jié)點(diǎn)和匯聚節(jié)點(diǎn)硬件電路， 并在ZigBee協(xié)議的應(yīng)用層設(shè)計(jì)了數(shù)據(jù)重傳網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議。試驗(yàn)結(jié)果表明，系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)野生動(dòng)物監(jiān)測(cè)圖像數(shù)據(jù)的自助采集、無(wú)線可靠傳輸，在協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)與終端節(jié)點(diǎn)相距100m、150m、200m和250m時(shí)，有應(yīng)用層重傳協(xié)議的節(jié)點(diǎn)丟包率分別為0.64%、0.94%、1.46%、1.83%，相較于無(wú)重傳協(xié)議的節(jié)點(diǎn)，傳輸可靠性有顯著提高。

【關(guān)鍵詞】野生動(dòng)物監(jiān)測(cè) 無(wú)線圖像傳感器 網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù) 可靠傳輸 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)

1 引言

野生動(dòng)物監(jiān)測(cè)是保護(hù)珍貴瀕危野生動(dòng)物，可持續(xù)利用野生動(dòng)物資源的重要環(huán)節(jié)[1，2]。為克服人工野生動(dòng)物監(jiān)測(cè)費(fèi)時(shí)費(fèi)力的缺點(diǎn)，衛(wèi)星監(jiān)測(cè)、“3S”技術(shù)和無(wú)線電項(xiàng)圈等技術(shù)開始應(yīng)用于野生動(dòng)物調(diào)查[3-5]。但這些監(jiān)測(cè)方式在準(zhǔn)確性和實(shí)時(shí)性等方面存在不足。例如，衛(wèi)星監(jiān)測(cè)周期長(zhǎng)，難以監(jiān)測(cè)局部信息。紅外相機(jī)捕獲野生動(dòng)物圖像，省時(shí)省力，費(fèi)用低，已成為野生動(dòng)物調(diào)查的利器[6-8]。但如何將圖像實(shí)時(shí)傳輸給研究者和管理決策部門，成為野生動(dòng)物相機(jī)監(jiān)測(cè)面臨的重要問(wèn)題。

無(wú)線圖像傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)以低功耗、低成本等特點(diǎn)受到研究人員廣泛關(guān)注，在農(nóng)業(yè)、環(huán)境和工業(yè)監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用[9-，11]。無(wú)線圖像傳感器網(wǎng)絡(luò)可以克服野生動(dòng)物相機(jī)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)無(wú)法及時(shí)傳輸?shù)葐?wèn)題。

目前，無(wú)線圖像傳感器技術(shù)在實(shí)際的野生動(dòng)物監(jiān)測(cè)尚不多見(jiàn)。Vladimir Dyo等人[12]采用RFID-WSN實(shí)現(xiàn)了獾的位置監(jiān)測(cè)，但無(wú)法實(shí)現(xiàn)野生動(dòng)物圖像監(jiān)測(cè)。Ravi Bagree等人采用無(wú)線傳感器技術(shù)設(shè)計(jì)了TigerCENSE節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)了老虎的監(jiān)測(cè)[13]，但僅在動(dòng)物園進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn)測(cè)試，沒(méi)有在森林環(huán)境中運(yùn)行。Garcia-Sanchez等人利用Imote節(jié)點(diǎn)開發(fā)了感興趣區(qū)域移動(dòng)目標(biāo)監(jiān)控系統(tǒng)[14]，實(shí)現(xiàn)了經(jīng)過(guò)公路通道的野生動(dòng)物的跟蹤，但監(jiān)測(cè)范圍有限。另外，上述設(shè)計(jì)都沒(méi)有對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可靠傳輸問(wèn)題進(jìn)行討論。

論文針對(duì)野生動(dòng)物監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)無(wú)法及時(shí)傳輸給研究者的問(wèn)題，對(duì)現(xiàn)有野生動(dòng)物監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)充分研究的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了基于無(wú)線圖像傳感器網(wǎng)絡(luò)的野生動(dòng)物監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，并且為適應(yīng)野生動(dòng)物監(jiān)測(cè)，在ZigBee協(xié)議應(yīng)用層設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)重傳機(jī)制，實(shí)現(xiàn)了野生動(dòng)物圖像數(shù)據(jù)可靠傳輸。

2 基于無(wú)線圖像傳感器網(wǎng)絡(luò)的野生動(dòng)物監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

2.1 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)

該系統(tǒng)由無(wú)線圖像傳感器終端節(jié)點(diǎn)、匯聚節(jié)點(diǎn)、本地?cái)?shù)據(jù)監(jiān)測(cè)中心和遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)中心等構(gòu)成，結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖像傳感器節(jié)點(diǎn)和路由節(jié)點(diǎn)部署在野生動(dòng)物監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)，以自組織的方式構(gòu)成無(wú)線圖像傳感器網(wǎng)絡(luò)，野生動(dòng)物進(jìn)入監(jiān)測(cè)視野時(shí)，觸發(fā)相機(jī)拍照，將采集到的圖像以及溫濕度等信息以多跳的網(wǎng)絡(luò)方式傳送到匯聚節(jié)點(diǎn)，匯聚節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)接收和融合網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)的信息，并通過(guò)網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)奖镜乇O(jiān)測(cè)中心，監(jiān)測(cè)中心軟件對(duì)接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、處理、存儲(chǔ)和圖形化顯示，實(shí)現(xiàn)了野生動(dòng)物圖像及生存環(huán)境實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)。本地監(jiān)測(cè)中心可以根據(jù)實(shí)際需要將獲取信息上傳網(wǎng)絡(luò)，有關(guān)研究人員和部門可以及時(shí)獲取數(shù)據(jù)，從而詳細(xì)掌握野生動(dòng)物生存狀態(tài)等信息。

2.2 無(wú)線圖像傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)

2.2.1 無(wú)線圖像傳感器網(wǎng)絡(luò)圖像采集節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)

無(wú)線圖像傳感器網(wǎng)絡(luò)圖像采集節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)野生動(dòng)物圖像采集、溫室度等信息采集以及數(shù)據(jù)的無(wú)線傳輸。它由處理模塊、溫濕度傳感器模塊、圖像采集模塊、無(wú)線通訊模塊、存儲(chǔ)模塊和電源模塊等組成。圖像硬件節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)圖和實(shí)物如圖2、3所示。

處理器模塊以ST公司的STM32F103VET6微控制器為核心，該控制器是以ARM Cortex-M3為內(nèi)核，工作頻率最高72 MHz，具有多種標(biāo)準(zhǔn)和通信接口（I2C、SPI、SDIO、USART）。帶有靈活的靜態(tài)存儲(chǔ)器控制器，支持 SD卡，方便數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。

無(wú)線傳輸模塊采用XBee-PRO 900HP，它和單片機(jī)通過(guò)串口或SPI接口連接，并通過(guò)API協(xié)議通訊。該模塊采用了Digimesh的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，可自組織成無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)。

圖像采集模塊由CMOS圖像感光元器件OV775和緩存芯片ALB422B組成，利用SCCB總線協(xié)議配置攝像頭不同格式輸出、分辨率調(diào)整、亮度和增益等。

SL620人體感應(yīng)模塊是基于紅外線技術(shù)的自動(dòng)控制產(chǎn)品，靈敏度高，感應(yīng)距離在0-20m，可靠性強(qiáng)，超低電壓工作模式。

2.2.2 無(wú)線圖像傳感器網(wǎng)絡(luò)匯聚節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)

無(wú)線圖像傳感器網(wǎng)絡(luò)匯聚節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)匯聚野生動(dòng)物圖像信息，以及通過(guò)以太網(wǎng)傳輸?shù)奖镜毓芾碇行幕蛘咄ㄟ^(guò)3G網(wǎng)絡(luò)上傳服務(wù)器。匯聚節(jié)點(diǎn)在終端節(jié)點(diǎn)的基礎(chǔ)上增加了以太網(wǎng)模塊和3G無(wú)線路由器模塊，其結(jié)構(gòu)圖和實(shí)物圖分別如圖4、5所示。

匯聚節(jié)點(diǎn)的以太網(wǎng)模塊選取了WIZnet公司的W5500，其內(nèi)部集成全硬件TCP/IP協(xié)議棧，具有簡(jiǎn)單快速、可靠性高、安全性好等顯著優(yōu)勢(shì)。W5500 提供了 SPI作為外設(shè)主機(jī)接口，使得微控制器接入以太網(wǎng)方案的硬件設(shè)計(jì)更為簡(jiǎn)捷和高效。

3G模塊選用W3100系列 3G路由器，其內(nèi)置無(wú)線通信模塊，通過(guò)交換機(jī)可實(shí)現(xiàn)PC機(jī)和匯聚節(jié)點(diǎn)共同連接到Internet上，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸。

3 野生動(dòng)物監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可靠傳輸研究

確認(rèn)機(jī)制是ZigBee協(xié)議MAC層保證數(shù)據(jù)可靠性傳輸?shù)挠行Р呗?。匯聚節(jié)點(diǎn)接收終端節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)包后，發(fā)送ACK應(yīng)答，但森林環(huán)境中，由于無(wú)線信道不穩(wěn)定或者信號(hào)衰減，ACK應(yīng)答容易被湮沒(méi)；當(dāng)終端節(jié)點(diǎn)無(wú)法正常接收ACK應(yīng)答時(shí)會(huì)重復(fù)發(fā)送該數(shù)據(jù)包，直到收到ACK應(yīng)答或達(dá)到最大重傳次數(shù)閾值。另外，森林環(huán)境下，數(shù)據(jù)包丟率高也是無(wú)法回避。

BMP圖片文件頭和位圖信息頭包含文件類型、文件大小和位圖尺寸等重要信息，這些數(shù)據(jù)一旦丟失，圖片將無(wú)法還原。而BMP圖片位圖數(shù)據(jù)少量丟失對(duì)圖片還原不會(huì)造成致命傷害。為使野生動(dòng)物圖像數(shù)據(jù)可靠性傳輸與速度相結(jié)合，本文在應(yīng)用層設(shè)計(jì)了重傳機(jī)制，流程圖如圖6所示。

為每一個(gè)數(shù)據(jù)包進(jìn)行ID標(biāo)號(hào)，對(duì)于文件頭和文件尾包進(jìn)行無(wú)限次的重傳，直到匯聚節(jié)點(diǎn)正確接收到數(shù)據(jù)。而對(duì)位圖數(shù)據(jù)設(shè)定重傳閾值，當(dāng)數(shù)據(jù)包無(wú)法正確接收后進(jìn)行重傳，但當(dāng)重傳次數(shù)達(dá)到設(shè)定的重傳閾值后，舍棄這個(gè)數(shù)據(jù)包，進(jìn)行下一包數(shù)據(jù)發(fā)送。等到整個(gè)結(jié)束包發(fā)送完畢后讀取匯聚節(jié)點(diǎn)未正確接收數(shù)據(jù)包ID，根據(jù)ID標(biāo)號(hào)對(duì)舍棄數(shù)據(jù)包重新發(fā)送。另外，設(shè)定ID標(biāo)號(hào)，也可以避免匯聚節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)重復(fù)接收。

4 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

利用本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)，對(duì)圖像數(shù)據(jù)丟包率進(jìn)行了測(cè)試。通過(guò)圖像數(shù)據(jù)丟包率測(cè)試驗(yàn)證系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)姆€(wěn)定性和可靠性。

試驗(yàn)時(shí)，在內(nèi)蒙古賽罕烏拉自然保護(hù)區(qū)選取野生動(dòng)物經(jīng)常出沒(méi)的區(qū)域；設(shè)置天線距離地面高度為1.5m，節(jié)點(diǎn)以最大發(fā)射功率（24dBm）發(fā)送數(shù)據(jù)，固定匯聚節(jié)點(diǎn)于野生動(dòng)物監(jiān)測(cè)區(qū)域中心位置，將野生動(dòng)物監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)分別放置于與匯聚節(jié)點(diǎn)相距100m、150m、200m和250m的樹林下。采用休眠喚醒機(jī)制降低網(wǎng)絡(luò)能量消耗，當(dāng)野生動(dòng)物進(jìn)入監(jiān)測(cè)視野范圍時(shí)，啟動(dòng)設(shè)備，抓取圖片，進(jìn)行無(wú)線傳輸。終端節(jié)點(diǎn)實(shí)驗(yàn)圖和網(wǎng)絡(luò)丟包率實(shí)驗(yàn)結(jié)果分別如圖7、8所示。

由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，隨著距離增大，圖像數(shù)據(jù)包丟包率也不斷增大。在有應(yīng)用層數(shù)據(jù)重傳網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的節(jié)點(diǎn)丟包率明顯減少，在100m、150m、200m、250m丟包率分別為0.64%、0.94%、1.46%、1.83%。

5 結(jié)論

為有效監(jiān)測(cè)野生動(dòng)物，本文設(shè)計(jì)了基于無(wú)線圖像傳感器網(wǎng)絡(luò)的野生動(dòng)物監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。首先設(shè)計(jì)了以STM32F103VE為核心、以Xbee Pro為無(wú)線傳輸模塊的終端節(jié)點(diǎn)硬件電路。然后，在終端節(jié)點(diǎn)的基礎(chǔ)上增加了以太網(wǎng)模塊和3G路由模塊形成了匯聚節(jié)點(diǎn)。為解決林區(qū)環(huán)境中由于無(wú)線信道不穩(wěn)定引起的匯聚節(jié)點(diǎn)丟包和數(shù)據(jù)重復(fù)接收問(wèn)題，設(shè)計(jì)了數(shù)據(jù)重傳網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。試驗(yàn)證明，系統(tǒng)不僅能實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)區(qū)域野生動(dòng)物的圖像監(jiān)測(cè)和無(wú)線傳輸，而且有效減少了圖像數(shù)據(jù)傳輸中的丟包率。為野生動(dòng)物監(jiān)測(cè)提供了一種有效的解決方案。后續(xù)工作將在系統(tǒng)的能耗和節(jié)點(diǎn)故障監(jiān)測(cè)方面做進(jìn)一步研究。

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