【正文】 基于 GPS的 動(dòng)物跟蹤系統(tǒng) 1摘要： 野外 感知系統(tǒng) 是一種用于監(jiān)測(cè)沼澤鹿行為和遷徙模式的無(wú)線傳感網(wǎng)。該系統(tǒng)將收集微氣候以及動(dòng)物 的 位置信息 ，并將這些信息以數(shù)據(jù)流的方式使用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò) 傳達(dá)到基站 。 基站 使用網(wǎng)關(guān)，將收集到的所有數(shù)據(jù)上傳到互聯(lián)網(wǎng)上 的一個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù) 和 用基于可視化軟件的瀏覽器將這些信息描繪出來。每一個(gè)點(diǎn)將顯示五個(gè)信息，即：位置（用GPS），溫度，濕度，前進(jìn)方向和環(huán)境亮度。此外，該節(jié)點(diǎn)將有一個(gè)實(shí)時(shí)時(shí)鐘同步網(wǎng)絡(luò)和保持時(shí)間信息。 一個(gè)外部數(shù)據(jù)閃存空間將會(huì)用于記錄從傳感器和網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)上獲取的數(shù)據(jù)。無(wú)線電收發(fā)機(jī)通過點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的通信協(xié)議將數(shù)據(jù)傳送到基站。一個(gè)太陽(yáng)能接受系統(tǒng)為電池提供節(jié)點(diǎn)能量，用于延長(zhǎng)節(jié)點(diǎn)的壽命。這個(gè)系統(tǒng)將會(huì)被做成項(xiàng)圈的形式，這樣能比較容易的套在動(dòng)物的脖子上。 關(guān)鍵詞： GPS 跟蹤 ； 野外感知系統(tǒng)；無(wú)線傳感網(wǎng)，野生動(dòng)物跟蹤 ，微 型 氣候感知 器 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò) (WSN)總是使用從分布式自治節(jié)點(diǎn)空間 獲得 的 感知。 把 微型 傳感器、微控制器、無(wú)線電收發(fā)機(jī) 和一種帶有電源 ,低功耗和廉價(jià)的傳感器節(jié)點(diǎn) (我們將簡(jiǎn)單地稱之為節(jié)點(diǎn) )結(jié)合 可以 用于 監(jiān)視物理或環(huán)境 的 條件 ,如 不同位置上的 溫度、聲音、振動(dòng)、壓力、運(yùn)動(dòng)等。 對(duì)于正在移動(dòng)的節(jié)點(diǎn) 這個(gè)任務(wù) 將 變得更具挑戰(zhàn)性。 工程所要 進(jìn)一步 研究的 問題 是 如何使節(jié)點(diǎn)的電力供應(yīng) 足夠 維持 到最后一年。這篇文章的重點(diǎn)就是如何通過對(duì)數(shù)據(jù)的處理，改善無(wú)限傳感網(wǎng)的設(shè)計(jì)來突破無(wú)限 傳感網(wǎng)在能量方面的束縛。 過去已經(jīng)見過各種各樣的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò) 應(yīng)用于 棲息地監(jiān)控、地震檢測(cè) ,環(huán)境監(jiān)測(cè)、健康 系統(tǒng) 監(jiān)統(tǒng)等 ,這些 領(lǐng)域很少會(huì)遇到 移動(dòng)節(jié)點(diǎn) ,動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?,通信失敗 ,電力供應(yīng)有限 ,惡劣 的環(huán)境條件變化 等情況 。 為了從對(duì)野生動(dòng)物監(jiān)測(cè)中尋到解決問題的方法 和了解 動(dòng)物與其周圍環(huán)境的 復(fù)雜的關(guān)系 ,科學(xué)家必須 親自到現(xiàn)場(chǎng)去收集所需要的數(shù)據(jù) 。在某些情況下 將無(wú)線電發(fā)射機(jī)安置動(dòng)物身上能讓研究 變得更加容易 ,但是 圖像 的大部分仍然不能被標(biāo)記出來，因?yàn)槿鄙?有 效的數(shù)據(jù)收集 。有許多理由去解釋為什么頻繁的到 現(xiàn)場(chǎng) 去做調(diào)查 是困難和不明智的 。首先 ,研究物種時(shí)要做到完全避免人類干擾 幾乎是不可能的。人類 頻繁的 訪問或 打 擾 已潛移默化中對(duì)物種產(chǎn)生了 影響 [1]。其次 ,在晚上 追蹤活動(dòng)的動(dòng)物 與其說是做實(shí)驗(yàn)或做 研究 還不如說是冒險(xiǎn) 。最后 , 如果不使用專用的低成本傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。 它不僅費(fèi)時(shí)而且 需要花費(fèi)大量的資金 來跟蹤動(dòng)物遷移以及其 飲 食習(xí)慣 。 因此就需要一個(gè)自動(dòng)化的系統(tǒng) ,帶有擁有 眾多網(wǎng)絡(luò)傳感器節(jié)點(diǎn) 的自然空間 能夠長(zhǎng) 1作者 Vishwas Raj Jain, Ravi Bagree, Aman Kumar, Prabhat Ranjan； 出處 Intelligent Sensors, Sensors Networks and Information Processing, 2021. 時(shí)間的收集數(shù)據(jù) (即使在夜間 )、 如果沒有這樣的系統(tǒng)，靠人工檢測(cè)，則研究范圍和結(jié)論的準(zhǔn)確率則非常有限 。它還能夠在不對(duì)生態(tài)造成干擾的情況下 收集數(shù)據(jù)和 相比傳統(tǒng)研究方式來說，它是一種更為 經(jīng)濟(jì)方法 來 進(jìn)行長(zhǎng)期 的 研究。 一些 監(jiān)控野生動(dòng)物運(yùn)動(dòng)和習(xí)性的先進(jìn)理念曾做過嘗試，如斑馬網(wǎng)絡(luò) [2]和偉大的鴨子島實(shí)驗(yàn) [1]。 通過以上 經(jīng)驗(yàn)的學(xué)習(xí)，我們可以知道生物感知網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建也是出于同樣的出發(fā)點(diǎn) 。它是擁有 更低 能耗 ,更大 的范圍、 更加 多樣的環(huán)境感知特性和更健壯數(shù)據(jù)備份 的 系統(tǒng)。 野外感知系統(tǒng) 是一個(gè) 用于 監(jiān)控 沼鹿 (澤鹿 )行為和遷移模式的 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng) 。 該 系統(tǒng) 對(duì)于那些中型或大型的物種同樣適用 。 這個(gè)系統(tǒng)中 配有 GPS、 無(wú)線 收發(fā)器和其他各種傳感器、硬件 為 支持野生動(dòng)物監(jiān)控的需要 而設(shè)計(jì)的 。捕獲的數(shù)據(jù) 可以提供給野生動(dòng)物研究人員讓他們完成 研究 和學(xué)習(xí)的目 。它將有助于他們理解瀕危物種的 需求 ,以及這些物種與周圍的環(huán)境 關(guān)系 。本文 在節(jié)點(diǎn)，基地，網(wǎng)絡(luò)的水平上 探討了 野外感知系統(tǒng) 的 硬件和軟件設(shè)計(jì)的體系結(jié)構(gòu)。特別是它 把設(shè)計(jì)和測(cè)試系統(tǒng)時(shí)遇到的問題也體現(xiàn)了 出來。 GPS 的動(dòng)物跟蹤系統(tǒng) 生物傳感網(wǎng) 是一種試圖讓研究人員了解更多有關(guān)沼鹿的生活習(xí)性的途徑。 輸入的該系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 要有哪些功能由 野生動(dòng)物研究人員 輸入 。這個(gè)系統(tǒng)計(jì)劃將帶有傳感器的輕質(zhì)項(xiàng)圈安放在動(dòng)物的脖子上。 這 個(gè)項(xiàng)圈 會(huì) 從附近動(dòng)物中 收集 到科學(xué)研究 所需要的 數(shù) 。將 收集到的 有用 數(shù)據(jù) 數(shù)據(jù) 發(fā)送到其他節(jié)點(diǎn)或基站 , (基站越來越偏好的情況下兩者都是可用 )。 這個(gè)系統(tǒng)的主要的功能 是 使用 GPS 跟蹤 動(dòng)物的 遷徙運(yùn)動(dòng)。 要獲取的數(shù)據(jù) 除了位置 信息 ,還包括動(dòng)物的生活習(xí)性 和它的 周圍環(huán)境參數(shù)。也可以說成是一項(xiàng)對(duì) 動(dòng)物的活動(dòng) 的研究。 動(dòng)物的 生活 模式需要被記錄下來。自從監(jiān) 測(cè)區(qū)域變 大 后 ,獲得的數(shù)據(jù)需要不斷的從 一個(gè)節(jié)點(diǎn) 傳 到 另一個(gè) 節(jié)點(diǎn)依據(jù)直到它轉(zhuǎn)移到一個(gè)基站。最后系統(tǒng)需要運(yùn)行持續(xù)至少 12 個(gè)月 ,因此電源設(shè)計(jì) 和 使用需要優(yōu)化 位置 記錄 : 在監(jiān)測(cè)動(dòng)物的遷移模式時(shí)， GPS 需呀能夠精準(zhǔn)的定位 。 研究人員指定的位置 每 3 個(gè)小時(shí) 能發(fā)生三次 GPS 位置信息就 足以 繪畫出這個(gè) 動(dòng)物的 近一年的 運(yùn)動(dòng)軌跡 周圍環(huán)境 :由于在過去的一年里沼鹿的遷徙受地面植被的覆蓋率的影響 ,所以 研究人員還 需要監(jiān)控 動(dòng)物 的 居住 和覓食環(huán)境。 用于測(cè)量溫度、濕度 ,和光線以及動(dòng)物活動(dòng)的傳感器也同時(shí)安裝在了 系統(tǒng) 里 。 數(shù)據(jù)傳輸和恢復(fù) : 分散的數(shù)據(jù)只有在被傳播到基站 (s)的情況下才能被科學(xué)家收集起來用于分析 。 因?yàn)檎勇沟幕顒?dòng)范圍 相當(dāng) 的大 ，所以不可能在它們的 整個(gè) 活動(dòng) 地區(qū)安裝 眾多基站。為了解決這個(gè)問題 ,我們需要 通過移動(dòng) 網(wǎng)絡(luò) ,采用 點(diǎn)對(duì) 點(diǎn)通信 方式 是試 圖在 無(wú)線卡插槽上傳輸數(shù)據(jù) [2]。為了彌補(bǔ)時(shí)間上的 延遲 ,節(jié)點(diǎn) 上安裝了一個(gè)較大的 外部 flash 用 來容納數(shù) 據(jù)在節(jié)點(diǎn)上的生成時(shí)間以及傳輸過程中獲取的時(shí)間 。 節(jié)討論更詳細(xì)的 討論了數(shù)據(jù)的 交流 問題 。 能量 獲取 :每一個(gè)檢測(cè)點(diǎn)都必須工作最少 一年 ,用于 追蹤遷移路徑 ,避免人為 干預(yù)。他們 與其他節(jié)點(diǎn) 唯一的 連接是通過 無(wú)線鏈接 或基站 。而且 ,由于 在 節(jié)點(diǎn) 的重量上有一個(gè)限制 ,就不能提供一個(gè)巨大的電源供應(yīng)。 因此 ,節(jié)點(diǎn)需要輕量級(jí)電力備份系統(tǒng)。鑒于這種動(dòng)物 大部分在露天的環(huán)境下活動(dòng) ,所 以 可以通過太陽(yáng)能來給系統(tǒng)提供 電力供應(yīng) 。只要認(rèn)真落實(shí)能源采集，補(bǔ)充的管理政策 ,能源 的 需求 容易得到滿足。能源的提供將會(huì)在 節(jié) 更詳細(xì)地討論 III．系統(tǒng)概述 大體上生物傳感 網(wǎng) 系統(tǒng)分為 如圖 1 所示 的幾個(gè)部分 ,即硬件、相關(guān)系統(tǒng)軟件和 驅(qū)動(dòng)器 ,中間設(shè)備 服務(wù)器 連接數(shù)據(jù) 記錄和 web 主機(jī)服務(wù) 設(shè)備 最后基于瀏覽器的可視化軟件。 圖 1 生物傳感網(wǎng) 系統(tǒng)概述 1)硬件架構(gòu) 完整的傳感器節(jié)點(diǎn)連同電池充電系統(tǒng)的 是以一個(gè)項(xiàng)圈的 形式 呈現(xiàn)的，它被套在了沼鹿的脖子上 。 生物傳感網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的 硬件系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu) 如 圖 2 所示 。 圖 2 硬件設(shè)計(jì)框架 為了滿足在準(zhǔn)確性、能量、電壓兼容性和成本方面的考慮 [6]，每個(gè)組件都在原來的基礎(chǔ)上經(jīng)過了 精心挑選。這個(gè)組件 由如下的 一個(gè)單個(gè)節(jié)點(diǎn) 組成 : 微控制器 ——ATMega1281V[7],128 k 字節(jié)程序內(nèi)存 ,是核心處理單元的設(shè)計(jì)。它有 4 k 字節(jié)的 eepm 和 8 k 字節(jié)的存儲(chǔ)器。 有兩個(gè)可獨(dú)立使用的串口。 GPS 和無(wú)線電收發(fā)機(jī) 的通信 與核心處理單元 同步 。這使我們能夠 消 除 軟件章節(jié) 節(jié)描述的 多路復(fù)用的開銷。 當(dāng)連續(xù)通信是， 內(nèi)部諧振器是不夠準(zhǔn)確 ，這時(shí)需要在外部加上一個(gè) MHz 的晶振 。 (限制波特誤差百分之零 [7])。 實(shí)時(shí)時(shí)鐘 ——DS3231[8]——為了能夠使 所有的 節(jié)點(diǎn)在同一個(gè)時(shí)間啟動(dòng)以達(dá)到同步 。外部 RTC 必須準(zhǔn)確 將 這些節(jié)點(diǎn)同步。它還 產(chǎn)生 周期 性的 中斷 來將 微控制器 從 ―斷電 ‖睡眠 模式中喚醒 。 高度的準(zhǔn) 確性 ,集成的溫度 測(cè)量使設(shè)備的 晶體振蕩器 (TCXO)、 I2C接口在不同的波特率 工作時(shí)仍能適合這一應(yīng)用 。 系統(tǒng)中在時(shí)間上的任何不匹配 (在兩個(gè)交互節(jié)點(diǎn) )將會(huì) 花費(fèi)大量的電力 在 網(wǎng)絡(luò) 的 同步 上 。 由于運(yùn)行環(huán)境的不同， RTC 在不同的節(jié)點(diǎn) 上運(yùn)行是有偏差的 。 為了 維護(hù)節(jié)點(diǎn) 與節(jié)點(diǎn)之間通信 的準(zhǔn)確性 ,RTC 與 GPS 設(shè)備每五天 實(shí)現(xiàn)一次同步 ,保持 1 秒內(nèi)的時(shí)鐘偏差。 GPS 拉森 IQ GPS 接收機(jī)與天線 [9],它有 封裝小 、 處于工作模式的時(shí)候 能耗低 (89兆瓦為 v)。 為了 達(dá)到較高的精度 ,它使用十二處理渠道來跟蹤 GPS 衛(wèi)星信號(hào)。拉森 IQ GPS 支持 NMEA 協(xié)議的 GPRMC 通信形式。這一通信協(xié)議包涵了所有需要的內(nèi)容， 即日期、緯度、經(jīng)度和時(shí)間。它 與單片機(jī)通信頻率為 4800 個(gè) bps。 自其讀數(shù)開始， GPS 每 3 小時(shí)會(huì)自動(dòng)轉(zhuǎn)換 開 /關(guān)模式。 為了 利用 GPS 的 ―熱啟動(dòng) ‖功能 ,我們使用 一個(gè)電池備份機(jī)制。 無(wú)線電收發(fā)機(jī) ——XBeePro[10]——這個(gè)數(shù)碼網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵 通信模 式 是基于 IEEE ZigBee /標(biāo)準(zhǔn)。它運(yùn)行在 ghz ISM 波段 (只有 在印度 免費(fèi)提供 ),通信距離 超過一公里。 然而和 900 MHz 相比，傳輸距離相同是， 這個(gè)頻率導(dǎo)致更高的能源消耗 ,我們 得使用 更高的數(shù)據(jù) 頻 率和 更 小型 而 緊湊的天線。 低成本、低功耗和易用性也 是 其優(yōu)勢(shì)。它還提供了五個(gè)睡眠模式來滿足不同 應(yīng)用場(chǎng)合 的需求。 當(dāng)它僅是一個(gè)供電系統(tǒng)而不使用其時(shí)間功能時(shí)，我們用最低 功率 的 睡眠模式 。幾毫秒的延遲對(duì)于系統(tǒng)來說是允許存在的。 內(nèi)存 ——愛特梅爾公司 AT45DB16B 數(shù)據(jù) flash[11]，我們需要一個(gè)大的 內(nèi)存存儲(chǔ)空間來彌補(bǔ)基站與節(jié)點(diǎn)之間通信的 延遲。對(duì)于我們的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò) ,一個(gè)節(jié)點(diǎn)需要收集的數(shù)據(jù)來自同行 ,這 要求更高內(nèi)存容量。 AT45DB16B 擁有 SPI 接口 正好符合了這一要求 。 基于 UCBs 環(huán)球文件系統(tǒng) [13]的可 操作的內(nèi)部開發(fā)文件系統(tǒng) [12], 的 使用 ,這使得存儲(chǔ)系統(tǒng)簡(jiǎn)單和高效。 附加 的傳感器 ,為了收集沼鹿周圍 環(huán)境 的參數(shù) ， 從大鴨島上的經(jīng)驗(yàn)試驗(yàn) [1]中得知我們需要在節(jié)點(diǎn)上安裝數(shù)字傳感器 。濕度傳感器有內(nèi)置的加熱器 用于 蒸發(fā)吸收水。Sensirion SHT11的 [14]傳感器是 一 個(gè)數(shù)字溫度和濕度傳感器 (分辨率 :176。 C和 % RH)的組合 。這傳感器是 被一個(gè)蓋帽 (IP67 標(biāo)準(zhǔn) )遮著， 使其 感知環(huán)境的 同時(shí) 達(dá)到 保護(hù)它 的作用。 我們使用一個(gè) TAOS 的 TSL2561t[15]這是一款 高靈敏度的數(shù)字光傳感器。 為了 監(jiān)控 動(dòng)物的活動(dòng)我們使用了飛思卡爾半導(dǎo)體 的 MMA6270QT[16]模擬加速度計(jì) 。這些 擁有位置信息的數(shù)據(jù)為更加深入的了解沼鹿的遷移模式及與氣候的變化。 節(jié)點(diǎn) 的 設(shè)計(jì)采用大量的 減少 噪音 的 技術(shù)。為了降低 ADC 的噪聲，一個(gè) LC 濾波器（ L =10MH 和 C= 的）已被添加到的 ADC 引腳的微控制器。此外， 為了 減少噪音 [6]， AVCC 被連接到主 電源供應(yīng)系統(tǒng)且沒有任何扇區(qū)出線。 整個(gè) PCB 敷銅 用以使噪聲 保持 在 最低水平 ，同時(shí)還 消散節(jié)點(diǎn) 產(chǎn)生的熱 。 如 圖 3 所 示。節(jié)點(diǎn)的大小為 56平方厘米，僅重 34gms。包括電源（ LIION 電池與太陽(yáng)能充電機(jī)制） 體系 的總重量為，不含 項(xiàng)圈 小于 300gms（使用 4 鋰離子電池重 148 克）。 圖 3 （ a）頂視圖 （ b）底視圖 （ a） （ b） 2）軟件架構(gòu) 設(shè)計(jì)主要 解決 的 是問題是 能源 ， wildCENSE軟件 工具的 有效的調(diào)度和事件同步。節(jié)點(diǎn) 大部分時(shí)間 都 保持在休眠 /無(wú)效模式。 以 一個(gè)產(chǎn)生周期性中斷 的 實(shí)時(shí)時(shí)鐘（ RTC）為 基礎(chǔ) ， 從的傳感器和 GPS 上收集所需的數(shù)據(jù) 。準(zhǔn)確性的 RTC 有助于 實(shí)現(xiàn) 節(jié)點(diǎn)到節(jié)點(diǎn) ，或節(jié)點(diǎn)與基地之間信息的同步。 GPS 每 3 小時(shí) 發(fā)送一次數(shù)據(jù)，并安設(shè)定好的每十分鐘 喚醒相應(yīng)的傳感器 。無(wú)線收發(fā)機(jī)， GPS 和外接存儲(chǔ)器都 有 獨(dú)立的端口，即USART0， USART1， SPI，我們 都 能同時(shí)使用它們。 當(dāng) GPS 處于開機(jī)狀態(tài)，并 在 修理的過程 ， 如果附近 有 節(jié)點(diǎn) /基 站則可以無(wú)線電進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸 。當(dāng)前讀 /寫數(shù)據(jù)段的指針存儲(chǔ)在 微控制器的 EEPROM。這 的優(yōu)點(diǎn)是在 重新啟動(dòng)的情況下，（如看門狗復(fù)位），數(shù)據(jù)段指針可以 從 EEPROM 中 重新獲取 ， 一旦 發(fā)現(xiàn)了 節(jié)點(diǎn) /基站，所以得節(jié)點(diǎn)會(huì) 在相同的時(shí)間 開啟 和