CN103546728A - 一种野生动物野外监测装置 - Google Patents

Abstract

一种野生动物野外监测装置，该装置基于无线传感器网络技术，能以自组织形式形成无线传感器网络，实现野生动物监测图像的自动采集和发送。该野生动物野外监测装置由图像采集模块、图像处理模块、无线通信模块、GPS模块和供电模块组成。其中图像采集模块配备3个热释电红外传感器、多个红外LED、光敏传感器和2个舵机，可以实现野生动物监测图像的自动采集。该野生动物野外监测装置采用基于压缩感知的图像压缩算法，具有较高的能量效率和较高的压缩比以减少数据传输量。本发明是无线传感器网络在野生动物监测方面的成功应用，可以全天候的获取野生动物监测图像，帮助研究人员远程、实时地掌握野生动物资源现状及其动态变化。

Description

一种野生动物野外监测装置

技术领域

本发明涉及一种野生动物野外监测装置，属于野外检测领域。

背景技术

野生动物的生存与发展维系着整个生态系统的平衡与稳定。野生动物种类、数量和栖息地状况是生态系统变化和反映管理策略的重要指示因子。野生动物监测可以提供野生动物资源种类、数量和栖息地状况的必要信息，帮助研究人员掌握野生动物资源现状以及野生动物资源的动态变化，为有效保护、持续利用、科学管理野生动物资源提供依据。

野生动物监测对于保护稀濒危野生动物物种尤为重要。野生动物监测，主要面临环境复杂性、动物习性特殊性和差异性等挑战。野生动物监测是国内外研究的热点领域，而目前国内有关野生动物的长期动态监测的研究还十分缺乏。概括起来，野生动物监测主要有以下几种方式：1.人工野外调查，具体方法有截线法、定点计数法、遇见率法、问卷调查法等，该方式监测范围有限、劳动强度大，危险性高，而且不能实现全天候监测；2.全球定位系统(GPS)项圈方式，相对于传统的无线电项圈，GPS项圈提供更好的空间分辨率和在更广阔的时间和空间条件下确定位置，但该监测方式不够友好，也不能获取动物影像信息；3.红外相机方式，红外相机拍摄的图像数据存储在本地大容量SD存储卡内，研究人员每隔一定时间间隔，要去现场取出SD卡，读出数据，这种方式存在数据采集滞后、监测周期长、劳动强度大、危险性高等弊端，也有的红外相机跟3G网络结合，将采集到的图像数据通过3G网络发送到用户手机，该方式依赖3G手机信号覆盖，而在一些国家级自然保护区的核心区是没有手机信号的；4.无线摄像头，无线宽带微波传输图像，该方式需要市电供电，而且由于部署较高，容易受树冠遮挡，很难获取林中活动野生动物影像，该设备造价也比较高；5.卫星遥感监测，卫星遥感综合监测难以精确测量局部微观信息，而且存在扫描周期，不能实时监测。可见，传统野生动物保护监测方式不利于研究人员全面、准确、及时地掌握野生动物资源现状以及野生动物资源的动态变化。

无线传感器网络技术是新兴的物联网技术的核心技术。无线传感器网络具有低成本、低功耗、方便扩展等优点，因此获得了广泛应用。目前，无线传感器网络主要采集的是数据量较小的光照、温度等简单的物理信息。近几年，随着CMOS图像传感器技术的进步，将低功耗、价格便宜的图像传感器引入无线传感器网络中已经成为可能，但是，图像传感器产生的数据量巨大。因此无线多媒体传感器网络伴随着其自身的应用领域和挑战，逐渐成为一个新的研究领域。其中，最有前景的应用之一就是野生动物监测。

发明内容：

本发明的目的在于克服现有野生动物监测的不足，提出一种基于无线传感器网络技术的野生动物野外监测装置，通过自组织方式形成无线传感器网络进行野生动物图像信息的采集和传输，帮助研究人员远程、实时掌握野生动物资源现状以及野生动物资源的动态变化。为了实现上述发明目的，本发明实例采用的技术方案如下：

基于无线传感器网络技术的野生动物野外监测装置包括图像采集模块、图像处理模块、无线通信模块、GPS模块和供电模块。其中图像采集模块配备3个热释电红外传感器、多个红外LED、光敏传感器和2个舵机；热释电红外传感器的感应角度为120°，3个热释电红外传感器分别朝向3个方向，并且感应范围互不重叠。野生动物野外监测装置采用基于压缩感知理论的图像压缩算法，该算法具有较高的能量效率和较高的压缩比以减少数据传输量。

上述技术方案中，所述基于无线传感器网络技术的野生动物野外监测装置，其特征在于所述野生动物野外监测装置由图像采集模块、图像处理模块、无线通信模块、GPS模块和供电模块组成，所述图像采集模块配备3个热释电红外传感器、多个红外LED、光敏传感器和2个舵机，所述热释电红外传感器的感应角度为120°，3个热释电红外传感器分别朝向3个方向，并且感应范围互不重叠。野生动物野外监测装置平常处于休眠状态，一旦有野生动物进入探测区域时，野生动物野外监测装置立即启动，并通过控制2个舵机的转动角度调整镜头，使其面向检测到野生动物的热释电红外传感器所对应的方向，进行图片拍摄。光敏传感器判断光线是否充足，光线充足时，所拍照片为彩色图片；光线不足时启动红外LED进行照明，所拍照片为黑白照片。野生动物野外监测装置可以实现全天候的采集、压缩并发送野生动物红外图像数据及转发其他野生动物野外监测装置的红外图像数据，同时实现GPS定位功能。

所述基于无线传感器网络的野生动物野外监测装置，以太阳能充电直流电源作为装置的外接电源，实现双电源同时供电，延长待机时间。

所述野生动物野外监测装置广泛部署在野生动物活动区域或附近区域，以ZigBee技术为基础，通过自组织方式形成网络。

所述基于压缩感知理论的图像压缩算法其特征为首先将一幅图像X分成若干个大小为B×B的子块x_i，对每个子块进行变换得到相应的向量表示θ_i，对每个θ_i选取相同的观测矩阵Φ_B进行观测，得到观测值y_i＝Φ_B×θ_i，然后对观测值y_i进行差分脉冲编码调制和哈夫曼编码，最后得到压缩的信号p。重构是将p进行哈夫曼解码、差分脉冲解码调制，得到观测值y_i然后对每个观测值y_i通过迭代投影(SPL)算法重构，经图像重组得到恢复后的图像X′。

传统的野生动物监测手段技术落后、效率低，严重妨碍了野生动物保护工作的正常进行。利用本发明的基于无线传感器网络技术的野生动物野外监测装置，组成无线传感器网络，实现对野生动物监测区域的完全覆盖；本发明通过野生动物野外监测装置自动拍摄野生动物的监测图像，无需人工参与；本发明基于先进的压缩感知理论提出适合于处理能力、电源续航时间和信道传输带宽均受限的无线传感器网络的低复杂度的图像压缩算法。本发明设计是压缩感知在无线传感器网络方面的成功应用，有利于无线传感器网络的低功耗和多媒体信息的低数据量传输。

附图说明：

图1为野生动物野外监测装置的结构示意图；

图2为野生动物野外监测装置的硬件结构示意图；

图3为野生动物野外监测装置的工作流程图；

图4为基于压缩感知的图像压缩算法流程图。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明做进一步的说明。

本发明的野生动物野外监测装置，其组成结构如附图1所示，具体说明如下：

为了适应图像数据处理复杂和兼顾能耗的问题，本发明设计以ARM为核心控制芯片的野生动物野外监测装置，可以完成图像采集及压缩、无线路由和通信传输功能。本发明的野生动物野外监测装置系统设计组成主要包括：图像采集模块、图像处理中心、ZigBee无线通信模块和太阳能电池供电模块等四个部分。野生动物野外监测装置配备3个热释电红外传感器(5)和多个红外LED(1)，热释电红外传感器(5)的感应角度为120°，3个热释电红外传感器(5)分别朝向3个方向，并且感应范围互不重叠。野生动物野外监测装置平常处于休眠状态，一旦有野生动物进入热释电红外传感器(5)探测区域时，野生动物野外监测装置立即启动，并通过控制2个舵机(4)的转动角度调整镜头，使其面向检测到野生动物的热释电红外传感器(5)所对应的方向，进行图片拍摄。通过光敏传感器(3)判断光线是否充足，光线充足时，所拍照片为彩色图片；夜间光线不足时启动红外LED(1)进行照明，所拍照片为黑白照片。此外，野生动物野外监测装置的其他模块都安放在保护壳(6)中，支架(7)可以根据需要调整拍摄的高度。

野生动物野外监测装置硬件框图如附图2所示。其中，图像采集模块由红外发光LED、热释电红外传感器、光敏传感器、图像传感器和2个舵机组成。图像处理中心以ARM微处理器为核心，包括图像信息中断控制、图像数据编解码设备、图像数据A/D转换、图像数据存储设备、同/异步串行接口和通用I/O接口等外围扩展电路。ZigBee无线通信模块包括低噪声放大器、滤波与混频器、功率放大器、调制与解调、A/D与D/A和控制逻辑等模块。太阳能电池供电模块由蓄电池、斩波电路、太阳能电池、控制器和测量电路等组成。

野生动物野外监测装置相当于汇聚节点的子节点，自组织式联网，是无线传感器网络中的基层环节，直接和野生动物图像采集相关联，将图像数据压缩编码后进行传递，主要工作有：装置唤醒、野生动物图像采集、图像压缩编码、发送数据、进入休眠等，具体工作流程如图3所示。

野生动物野外监测装置通常情况下处于休眠模式，当接收到红外热感应触发信号被唤醒后，马上发出命令通过舵机调整镜头，使其面向检测到野生动物的热释电红外传感器所对应的方向，同时，通过光敏传感器判断光线是否充足，若不充足，启动红外LED照明，图像传感器进行野生动物图像采集，然后将采集到的图像数据发送给图像处理模块进行压缩编码；GPS模块启动，并获取定位数据；与此同时，发送请求加入网络，等待汇聚节点的应答成功加入网络后，开始将压缩编码后的图像数据和定位数据发送到汇聚节点，汇聚节点发送应答位，确定接收成功后，野生动物野外监测装置又转入休眠状态，这样循环往复。

所述基于压缩感知理论的图像压缩算法为首先将一幅图像X分成若干个大小为B×B的子块x_i，对每个子块进行变换得到相应的向量表示θ_i，对每个θ_i选取相同的观测矩阵Φ_B进行观测，得到观测值y_i＝Φ_B×θ_i，然后对观测值y_i进行差分脉冲编码调制和哈夫曼编码，最后得到压缩的信号p。重构是将p进行哈夫曼解码、差分脉冲解码调制，得到观测值y_i然后对每个观测值y_i通过迭代投影(SPL)算法重构，经图像重组得到恢复后的图像X′。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明实施例揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (2)

1.一种野生动物野外监测装置，其特征在于采用无线传感器网络技术，实现野生动物监测图像自动采集、压缩和通过无线传感器网络进行传输；所述野生动物野外监测装置由图像采集模块、图像处理模块、无线通信模块、GPS模块和供电模块组成，所述图像采集模块配备3个热释电红外传感器、多个红外LED、光敏传感器和2个舵机，所述热释电红外传感器的感应角度为120°，3个热释电红外传感器分别朝向3个方向，并且感应范围互不重叠；野生动物野外监测装置平常处于休眠状态，一旦有野生动物进入探测区域时，野生动物野外监测装置立即启动，并通过控制2个舵机的转动角度调整镜头，使其面向检测到野生动物的热释电红外传感器所对应的方向，进行图片拍摄；光敏传感器判断光线是否充足，光线充足时，所拍照片为彩色图片；光线不足时启动红外LED进行照明，所拍照片为黑白照片；野生动物野外监测装置实现全天候的采集、压缩并发送野生动物红外图像数据及转发其他野生动物野外监测装置的红外图像数据，同时实现GPS定位功能；所述野生动物野外监测装置用于处理能力、电源续航时间和信道传输带宽受限的无线传感器网络，通过将一幅图像X分成若干个大小为B×B的子块x_i，对每个子块进行变换得到相应的向量表示θ_i，对每个θ_i选取相同的观测矩阵Φ_B进行观测，得到观测值y_i＝Φ_B×θ_i，然后对观测值y_i进行差分脉冲编码调制和哈夫曼编码，最后得到压缩的信号p；重构是将p进行哈夫曼解码、差分脉冲解码调制，得到观测值y_i然后对每个观测值y_i通过迭代投影(SPL)算法重构，经图像重组得到恢复后的图像X′。

2.根据权利要求1所述一种野生动物野外监测装置，其特征在于以太阳能充电直流电源作为该装置的外接电源，实现双电源同时供电，延长待机时间。

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