基于EXLIVE平臺的牧群軌跡數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

江紅紅，王偉強(qiáng)，文春雷，汪傳建，孫世澤

(1.石河子大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，新疆石河子832000;2.兵團(tuán)空間信息工程技術(shù)研究中心，新疆石河子832000;3.兵團(tuán)空間信息工程實(shí)驗(yàn)室，新疆石河子832000)

新疆維吾爾自治區(qū)是我國五大牧區(qū)之一，天然草地面積遼闊、資源豐富，現(xiàn)有天然草地57萬km2，牧場130個，全疆有牧業(yè)縣和半牧業(yè)縣87個，從事牧業(yè)人口138萬人，占農(nóng)村總?cè)丝诘?2.6%［1］。受傳統(tǒng)養(yǎng)殖方式的影響，目前新疆草地荒漠化、草地生產(chǎn)力下降等都在制約著新疆畜牧業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展。因缺乏先進(jìn)的通信方式和技術(shù)手段導(dǎo)致人們不能有效控制放牧行為，同時傳統(tǒng)的牧場管理方式不能有效地監(jiān)測牧民的放牧行為是否合理、畜群是否越過禁牧區(qū)、牧民能否及時轉(zhuǎn)場等，受人員數(shù)量的限制，傳統(tǒng)牧群軌跡數(shù)據(jù)的采集費(fèi)時費(fèi)力且時效性差。因此，通過對牧群軌跡數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，可有效監(jiān)管牧民的放牧行為及牧群的采食情況，能促進(jìn)草地生態(tài)可持續(xù)發(fā)展［2］。

20世紀(jì)90年代末，學(xué)者們將衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)引入放牧畜牧業(yè)中。Rutter等研究表明，盡管全球定位系統(tǒng)(global positioning system，簡稱GPS)受地形影響，具有一定誤差，但仍是識別畜群活動的有效設(shè)備［3－4］;Hansen等研究表明，GPS能夠區(qū)分采食和游走數(shù)據(jù)，當(dāng)觀測數(shù)據(jù)量大時，定位跟蹤技術(shù)遠(yuǎn)優(yōu)于目視觀察［5］;王薩仁娜等采用GPS項(xiàng)圈以一定時間間隔記錄牧群軌跡，并將軌跡數(shù)據(jù)存儲在內(nèi)置存儲器上，每個月僅采集6 d的數(shù)據(jù)，然后統(tǒng)一通過USB數(shù)據(jù)線將軌跡數(shù)據(jù)導(dǎo)入計(jì)算機(jī)［6］;何可等采用 Lotek_7000 MUGPS項(xiàng)圈(lotek wireless inc newmarket ontario canada)記錄2只熊貓的行為，并設(shè)置每隔5 min記錄1次行為數(shù)據(jù)［7］;陳俊將衛(wèi)星定位技術(shù)應(yīng)用于沙漠牧業(yè)中，實(shí)現(xiàn)了牧群位置信息的可視化顯示、運(yùn)動軌跡查詢播放、虛擬圍欄等功能［8］。葛寶明等通過給野生動物佩戴GPS項(xiàng)圈，利用GPS項(xiàng)圈系統(tǒng)進(jìn)行定位記錄其活動位點(diǎn)，獲得大量高質(zhì)量數(shù)據(jù)位點(diǎn)［9］。

以上研究工作主要利用GPS定位系統(tǒng)采集動物的軌跡數(shù)據(jù)，這些研究成果存在2點(diǎn)局限性:(1)終端設(shè)備選型方面的闡述較少，對于設(shè)備選型方式及選擇設(shè)備時應(yīng)考慮的因素較少提及;(2)對于具有借鑒意義的軌跡數(shù)據(jù)獲取解決方案，從目前查閱的文獻(xiàn)資料來看，相關(guān)研究甚少。為此，本研究在已建立的物聯(lián)網(wǎng)位置服務(wù)平臺的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)出一種適用于長期大規(guī)模軌跡數(shù)據(jù)的采集系統(tǒng)，并選擇廣東省深圳市谷米科技有限公司的GT03C作為畜群軌跡數(shù)據(jù)采集終端，主要介紹牧群軌跡數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)所采用的組織結(jié)構(gòu)、設(shè)備選型、項(xiàng)圈定制以及系統(tǒng)在ArcGIS中的應(yīng)用等。

1 系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

基于超越位置服務(wù)(EXLIVE)平臺的牧群軌跡數(shù)據(jù)采集技術(shù)架構(gòu)是根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)的3層體系結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)的，3層體系結(jié)構(gòu)分別是感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層，如圖1所示。

感知層是物聯(lián)網(wǎng)在牧群軌跡數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的基礎(chǔ)。感知層的感知節(jié)點(diǎn)一般包括傳感器、射頻識別(RFID)定位［10］、GPS、二維碼等，本研究主要通過GPS感知技術(shù)獲得畜群軌跡數(shù)據(jù)，將GPS項(xiàng)圈部署在畜群中，對畜群的經(jīng)緯度、時間、速度等信息進(jìn)行實(shí)時采集，并按照數(shù)據(jù)傳輸標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行封裝后將數(shù)據(jù)傳輸至網(wǎng)絡(luò)層。

網(wǎng)絡(luò)層是連接感知層和應(yīng)用層的橋梁，感知層將采集的數(shù)據(jù)傳遞至網(wǎng)絡(luò)層，應(yīng)用層對網(wǎng)絡(luò)層傳遞的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和存儲，網(wǎng)絡(luò)層主要用于解決數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程異地傳輸問題。該層通過GPRS/3G移動通信網(wǎng)絡(luò)、短信和因特網(wǎng)(Internet)實(shí)現(xiàn)畜群軌跡數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸［11－13］，結(jié)合相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)安全協(xié)議和路由協(xié)議，將數(shù)據(jù)安全快速地傳輸?shù)綌?shù)據(jù)中心［14］。

應(yīng)用層主要用于實(shí)現(xiàn)對感知層數(shù)據(jù)的處理和人機(jī)交互，是對事件決策起重要作用的系統(tǒng)神經(jīng)中樞，該層由遠(yuǎn)程服務(wù)器和各客戶端組成。服務(wù)器從感知層接收信息，并實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的解析、處理、存儲等功能，并可通過服務(wù)器端發(fā)送控制指令完成遠(yuǎn)程參數(shù)設(shè)置，使得管理員在任何時間地點(diǎn)，只要登錄系統(tǒng)服務(wù)器，即可在線實(shí)時監(jiān)測信息［15］、查看信息及遠(yuǎn)程設(shè)置等，實(shí)現(xiàn)客戶端對傳感器節(jié)點(diǎn)的遠(yuǎn)程參數(shù)設(shè)置功能［16］。在本研究中的主要功能是從各個GPS項(xiàng)圈獲取軌跡數(shù)據(jù)信息，并將信息進(jìn)行處理和分析后存入數(shù)據(jù)庫，以便用戶進(jìn)一步分析研究。

2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

2.1 EXLIVE 平臺簡介

本研究的系統(tǒng)是在現(xiàn)有的EXLIVE超越位置服務(wù)平臺的基礎(chǔ)上構(gòu)建的。EXLIVE平臺由陜西省西安超越軟件有限公司研發(fā)，兼容市場上190多種主流的GPS及北斗定位終端，并支持北斗/GPS、基站、無限保真(wireless fidelity，簡稱Wi－Fi)等多種定位模式，是一個開放的、多用戶的物聯(lián)網(wǎng)平臺，具有通用性、架構(gòu)的高可靠可伸縮性、成本低、開放性二次開發(fā)、兼容性等優(yōu)勢。截至目前，入網(wǎng)使用的平臺設(shè)備超過230萬臺。其監(jiān)控客戶端支持谷歌、百度、高德、365等多種地圖，客戶端的主要功能有定位、軌跡回放、發(fā)送各種設(shè)備指令、標(biāo)注信息點(diǎn)、設(shè)置報警參數(shù)等，且客戶端加載數(shù)據(jù)快、操作簡單流暢，適用于需要批量監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的用戶使用。

物聯(lián)網(wǎng)流量卡用于解決使用物聯(lián)網(wǎng)時產(chǎn)生的流量問題，與EXLIVE平臺緊密結(jié)合，在監(jiān)控端可查詢流量、發(fā)送短信、查詢開關(guān)機(jī)狀態(tài)等，通電直接激活，最長沉默期達(dá)6個月。

2.2 定位終端選擇及項(xiàng)圈設(shè)計(jì)

畜群定位終端的需求包括:(1)因牧場面積大，須大范圍定位;(2)牲畜所佩戴設(shè)備質(zhì)量不能影響其正?；顒?(3)價格適中，可大量購買;(4)方便安裝和拆卸;(5)續(xù)航時間合理;(6)防水、防丟失。

目前，主流的定位技術(shù)有衛(wèi)星定位、RFID定位、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN)定位等［17］，對主流定位技術(shù)進(jìn)行比較，具體見表1。

表1 主流定位技術(shù)比較

由表1可知，對大區(qū)域的牧場進(jìn)行定位時，RFID和WSN定位技術(shù)的共同點(diǎn)是所需設(shè)備數(shù)量多、成本高且定位范圍小，不符合實(shí)際應(yīng)用的需求，而衛(wèi)星定位技術(shù)只需少量設(shè)備即能實(shí)現(xiàn)大范圍的目標(biāo)定位，所以選用衛(wèi)星定位。

Hulbert等研究表明，GPS設(shè)備的質(zhì)量與羊的質(zhì)量之比小于2.2%時，不會對羊的正?；顒釉斐捎绊懀?8］。而羊在15～20 kg時才可出欄，所以定位項(xiàng)圈的質(zhì)量最大不應(yīng)超過330 g。綜合比較表2的各項(xiàng)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，深圳谷米科技有限公司的GT03C定位跟蹤器價格經(jīng)濟(jì)且質(zhì)量僅有202 g(＜330 g)，滿足野外大量畜群定位要求，所以選擇該設(shè)備作為數(shù)據(jù)采集終端。

由于定位設(shè)備安裝在畜群的頸部，為了使項(xiàng)圈設(shè)計(jì)適合畜群佩戴，設(shè)計(jì)項(xiàng)圈時應(yīng)考慮到畜群生活的環(huán)境以及畜群頸部的大小。因畜群長期在野外進(jìn)行牧食，所以設(shè)備要能在高溫、低溫、下雨、大風(fēng)等環(huán)境中正常工作，在定位項(xiàng)圈制作時內(nèi)部采用防水的材質(zhì)做成防雨袋。防雨袋的形狀如圖2所示。定位項(xiàng)圈的大小主要根據(jù)畜群中最大的羊的頸部大小進(jìn)行設(shè)計(jì)的，初期設(shè)計(jì)采用卡扣方式(圖2－a)進(jìn)行佩戴，但是這種方式的項(xiàng)圈在使用過程中，易造成卡扣脫落導(dǎo)致設(shè)備丟失，且項(xiàng)圈具有一定質(zhì)量，羊在進(jìn)食過程中，由于項(xiàng)圈大小不合適導(dǎo)致其自由晃動，進(jìn)而影響羊的進(jìn)食。為了解決上述問題，在第1代定位項(xiàng)圈的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了第2代定位項(xiàng)圈，如圖2－b所示，該項(xiàng)圈主要改進(jìn)了項(xiàng)圈佩戴的部分，將原來的卡扣改為有松緊的圈，這樣直接戴在羊的頸部可有效防止項(xiàng)圈脫落。在部署終端時，將配置成功的GPS設(shè)備裝入防雨袋內(nèi)并在畜群中隨機(jī)選取10只具有代表性的綿羊佩戴GPS項(xiàng)圈進(jìn)行定位。

表2 國內(nèi)外定位設(shè)備比較

2.3 服務(wù)器的安裝與配置

2.3.1 服務(wù)器安裝 服務(wù)器安裝時，所選操作系統(tǒng)為Window Server 2008;數(shù)據(jù)庫為SQL Server 2008;GPS監(jiān)控服務(wù)器需要開的端口有 89、3873、1098、1501、6969、6767、2099，各端口類型及功能見表3。

表3 GPS監(jiān)控服務(wù)器各端口的類型及功能

確保各端口成功開啟后，登錄EXLIVE主網(wǎng)站 www.exlive.cn，在下載中心→基礎(chǔ)服務(wù)→位置服務(wù)平臺(GSevrer)中，點(diǎn)擊“安裝包下載”下載安裝程序并進(jìn)行安裝，系統(tǒng)安裝過程中按照默認(rèn)的選項(xiàng)進(jìn)行安裝，值得注意的是在安裝過程中須將文件安裝在內(nèi)存比較大的磁盤內(nèi)，而且文件名必須為非中文。

2.3.2 配置EXLIVE定位服務(wù)平臺系統(tǒng)參數(shù) 通過配置EXLIVE定位服務(wù)平臺系統(tǒng)參數(shù)實(shí)現(xiàn)與數(shù)據(jù)庫的連接，將采集到的畜群的定位數(shù)據(jù)上傳至數(shù)據(jù)庫，便于用戶對軌跡數(shù)據(jù)的研究。

在數(shù)據(jù)庫連接參數(shù)配置過程中，數(shù)據(jù)庫類型選擇SQL Server 2008;數(shù)據(jù)庫所在服務(wù)器的 IP 地址為 127.0.0.1，端口為1433;數(shù)據(jù)庫名稱默認(rèn)為畜群定位數(shù)據(jù)庫(gserver_synth);并設(shè)置連接數(shù)據(jù)庫的賬號及密碼;對于附加數(shù)據(jù)庫選項(xiàng)在第1次安裝時必須選擇，而對于啟動服務(wù)器選項(xiàng)可按自己需求進(jìn)行選擇，若選中此項(xiàng)，則安裝完成后會自動啟動畜群定位服務(wù)器;配置完成后須進(jìn)行服務(wù)器外網(wǎng)IP配置。

在配置服務(wù)器外網(wǎng)IP時，服務(wù)器外網(wǎng)地址必須是固定IP，配置完成后，如果在數(shù)據(jù)庫連接參數(shù)配置中選擇了啟動服務(wù)器，則程序會自動啟動網(wǎng)上查羊、后臺管理、GPS畜群監(jiān)控服務(wù)器這3個應(yīng)用程序，否則須要按照后臺管理、Tomcat網(wǎng)上查羊、GPS畜群監(jiān)控服務(wù)器的順序進(jìn)行開啟，若程序不按照順序打開，其他應(yīng)用程序占用后臺管理的端口，這樣可能會造成后臺無法添加、修改信息的問題。

服務(wù)器初始化時，按要求填寫信息，其中服務(wù)器IP為配置服務(wù)器外網(wǎng)IP時所設(shè)置的固定IP，服務(wù)器默認(rèn)端口號為2099，信息填寫完成之后須檢測端口，查看所需端口是否通暢，若所需端口均打開，即可正常初始化服務(wù)器。

2.3.3 定位時間間隔的選擇 設(shè)置設(shè)備的刷新頻率時應(yīng)考慮其實(shí)時性和續(xù)航時間。GPS項(xiàng)圈懸掛在畜群的頸部，應(yīng)盡量減少用戶更換電池和充電次數(shù)，而且對于移動的物體，如果位置信息刷新較慢，會出現(xiàn)位置信息滯后問題，導(dǎo)致軌跡不準(zhǔn)確，但是刷新速度過快，會使終端功耗高，使用時間短，即實(shí)時性高的續(xù)航時間短，而續(xù)航時間長的實(shí)時性低。為了在續(xù)航時間和實(shí)時性之間尋找一個平衡點(diǎn)，本研究預(yù)先進(jìn)行了20 s、1 min、3 min、10 min時間間隔的畜群定位測試，具體見表4。最終因時間間隔為3 min的設(shè)備續(xù)航時間長且能詳細(xì)、不冗余地記錄畜群牧采食軌跡數(shù)據(jù)分布而應(yīng)用于本研究，對于設(shè)備刷新速率［19］的設(shè)置可通過服務(wù)器進(jìn)行設(shè)置，也可通過發(fā)送短信的方式進(jìn)行設(shè)置，發(fā)送短信的具體指令如下:(1)“mode，2#”;//更改設(shè)備工作模式;(2)“TIMER，1，180#”;//更改設(shè)備發(fā)送頻率;(3)“SF，OFF#”//關(guān)閉終端過濾。

表4 畜群刷新頻率比較

3 系統(tǒng)的應(yīng)用

本研究所提出的這種牧群軌跡數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)方案主要用于畜群軌跡數(shù)據(jù)的實(shí)時跟蹤，目前在新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)農(nóng)八師一五一團(tuán)天山北麓牧場得到初步應(yīng)用，且已采集2年(2015—2016年)數(shù)據(jù)，1 d所采集數(shù)據(jù)約4萬條。汪傳建等在研究牧群采食量分布模型中應(yīng)用了該設(shè)計(jì)方案，使得該系統(tǒng)得到充分驗(yàn)證［20］。

以新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)農(nóng)八師一五一團(tuán)天山北麓牧場為研究區(qū)，進(jìn)行牧群軌跡數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的實(shí)例應(yīng)用與測試。將軌跡數(shù)據(jù)作為ArcGIS的主要數(shù)據(jù)來源，分析可得畜群在牧場采食過程中的路線。以研究區(qū)2016年8月28日牧群軌跡數(shù)據(jù)為例進(jìn)行測試，系統(tǒng)運(yùn)行結(jié)果如圖3所示。對2016年的牧群軌跡數(shù)據(jù)進(jìn)行軌跡地圖顯示，反映2016年全年的牧群采食量分布如圖4所示。

4 結(jié)論與討論

本研究結(jié)合牧業(yè)發(fā)展的需求，基于EXLIVE平臺實(shí)現(xiàn)牧群軌跡數(shù)據(jù)采集。采用衛(wèi)星定位技術(shù)獲取數(shù)據(jù)，將定位設(shè)備放入特制的定位項(xiàng)圈中，可將數(shù)據(jù)顯示在客戶端，也可將數(shù)據(jù)顯示在ArcGIS中，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，可快速大范圍地獲取軌跡數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)軌跡信息的監(jiān)測。軌跡數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)農(nóng)八師一五一團(tuán)天山北麓牧場得到初步應(yīng)用且已采集2年約288萬條數(shù)據(jù)。

結(jié)果表明，該系統(tǒng)具有大范圍、快速、實(shí)時采集數(shù)據(jù)等優(yōu)點(diǎn)，對于數(shù)據(jù)分析處理方法的進(jìn)一步優(yōu)化及結(jié)合需求提供更加全面的數(shù)據(jù)信息服務(wù)有很大的提升空間。下一步工作主要是通過算法實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)分析處理方法的優(yōu)化并通過已知信息的組合實(shí)現(xiàn)更多信息的顯示。

致謝:新疆農(nóng)墾科學(xué)院楊永林老師、紫泥泉種羊場工作人員提供軌跡數(shù)據(jù)采集的支持與幫助，謹(jǐn)此致謝!