CN112615984B - 一种一体化野生动物图像自动采集装置及方法 - Google Patents

一种一体化野生动物图像自动采集装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种一体化野生动物图像自动采集装置及方法，该装置部署于野生动物监测区域内，包括：电源管理模块，用于为整个装置提供电源，同时进行设备功耗监测、充电管理及电源路径管理；图像自动采集模块，用于实现野生动物图像的自动采集；其中，图像自动采集模块包括红外相机、感光元件、滤光片、红外LED灯阵、光照强度传感器、主控制器以及热释电传感器组；外设模块，用于实现图像的远程传输、本地存储以及本地预览；其有益效果是：以红外相机为主体，配置电源管理模块、图像自动采集模块及外设模块，解决了野生动物监测设备的供电问题、复杂光线环境下的图像清晰度问题、设备的功耗问题等，进而提高野生动物监测系统的智能化水平。

Description

一种一体化野生动物图像自动采集装置及方法
技术领域
本发明涉及野生动物智能监测技术领域，具体涉及一种一体化野生动物图像自动采集装置及方法。
背景技术
野生动物资源是我国重要的战略资源之一，为了对野生动物进行保护以及合理的开发利用，需要及时获取野生动物出现的领域、种类、数量、环境条件等必要的信息，因此需要可靠且实用的野生动物监测手段。
传统的野生动物监测方法，如人工野外调查、GPS定位项圈等方法监测效率低且需要耗费大量的人力物力财力，而较智能化的监测手段如航拍无人机监测范围有限且无法保证长时间的工作，基于遥感卫星技术的监测方法成本较高，且图像处理技术难度较大，也不适合长时间使用。
结合野生动物监测保护的特点及需求，需要一种可靠性高、有效覆盖区域广、环境侵入小、造价低且可长时间工作的监测手段。
红外触发相机通过使用传感器探测野生动物发出的红外线触发抓拍，可以用于证明被抓拍物种的存在，同时也可以用于种群密度等多种数据的调查。该技术属于非侵入性监测方法，具有操作简单、数据直观、易于布设等优点。
但要将红外相机应用到野生动物监测之中，需要考虑设备的供电问题、复杂光线环境条件下图像的清晰度问题、设备的功耗问题以及数据的实时传输等智能化问题。
发明内容
本发明的发明目的在于：提供了一种一体化野生动物图像自动采集装置及方法，用以提高野生动物监测系统的智能化水平。
第一方面：一种一体化野生动物图像自动采集装置，该装置均匀部署于野生动物监测区域内，包括：
电源管理模块，用于为整个装置提供电源，同时进行设备功耗监测、充电管理及电源路径管理；
图像自动采集模块，用于实现野生动物图像的自动采集；其中，所述图像自动采集模块包括红外相机、感光元件、滤光片、红外LED灯阵、光照强度传感器、主控制器以及热释电传感器组；
所述热释电传感器组用于探测运动红外触发源；
所述光照强度传感器用于获取当前环境的光照强度；
所述红外LED灯阵用于夜间拍摄时进行红外补光；
所述滤光片用于调整在不同光照条件下的拍摄效果；
所述感光元件用于接收红外辐射信号；
所述红外相机用于野生动物图像的采集；
所述主控制器用于根据各传感器的信号，控制拍照时的补光与滤光片的使用决策；
外设模块，用于实现图像的远程传输、本地存储以及本地预览。
作为本申请一种可选的实施方式，所述热释电传感器组由主热释电传感器和辅助热释电传感器组成；所述主热释电传感器感应该装置正前方的视角范围，与所述红外相机的视角一致；所述辅助热释电传感器感应该装置侧面的视角范围，其感应视角大于所述主热释电传感器。
作为本申请一种可选的实施方式，所述电源管理模块包括太阳能板、太阳能充电管理单元、电量计、充电与电源路径管理单元、线性稳压器组和锂电池；
所述太阳能板、太阳能充电管理单元、充电与电源路径管理单元和线性稳压器组依次连接，所述充电与电源路径管理单元还通过所述电量计与所述锂电池连接。
作为本申请一种可选的实施方式，所述设备功耗监测通过具有I2C接口的双向功耗监测器件实现，该器件可以对设备的实时功耗参数进行测量；
所述充电管理与电源路径管理通过电源管理器件实现，该器件可以通过调整输入电源对锂电池与装置供电的电流分配关系，使得装置供电被放在优先位置，该器件可自动判断电源是否满足充电需求，若需要充电则会按照预先设定的充电参数自动开始新一轮的充电周期，在充电过程中会自动监测相应的参数，并配置充电定时器作为充电保护手段。
作为本申请一种可选的实施方式，所述外设模块包括无线传输模块、LCD显示屏、TF存储卡、FLASH及RAM芯片组；其中，所述无线传输模块为Zigbee无线传输模块，所述携带Zigbee无线传输模块的野生动物图像自动采集装置作为整个网络数据传输系统的子节点，携带Zigbee无线传输模块的网关设备作为整个网络数据传输系统的主节点，所述子节点接受主节点的安排调度，并基于自定义的数据传输协议向主节点传输本地数据，最后由主节点负责将数据传输到数据中心。
作为本申请一种可选的实施方式，所述自定义的数据传输协议为基于Xmodem协议的数据传输协议。
作为本申请一种可选的实施方式，所述红外相机具体用于：
当野生动物触发主热释电传感器时，则立即触发红外相机进行拍照；
红外相机在进行抓拍的时候，先拍摄高分辨率图像m张，再连续拍摄低分辨率图像n秒；其中，所述m和n均为正整数；
随后判断所采集到的低分辨率图像是否为误触发图像，是则将采集到的所有图片删除，否则将抓拍的图像存储至存储卡中。
第二方面：一种一体化野生动物图像自动采集装置的管理方法，应用于第一方面所述的一种一体化野生动物图像自动采集装置，所述方法包括：
步骤1：检测辅助热释电传感器是否被野生动物触发；
步骤2：被触发时，红外相机开启初始化程序；
步骤3：由光照强度传感器获得当前的光照强度；
步骤4：判断当前的光照强度是否小于阈值，若是，则执行步骤5，否则执行步骤6；
步骤5：光照强度较弱，启动红外LED灯阵补光且滤光片切出；
步骤6：光照强度较强，关闭红外LED灯阵补光且滤光片切入；
步骤7：当野生动物触发主热释电传感器时，则立即触发红外相机进行抓拍，先拍摄高分辨率图像m张，再连续采集低分辨率图像n秒；其中，所述m和n均为正整数；
步骤8：判断所采集到的低分辨率图像是否为误触发图像，若是，执行步骤9，否则，执行步骤10；
步骤9：图像为误触发图像，将当前拍摄的图片删除；
步骤10：图像不是误触发图像，将拍摄到的图像进行压缩存储。
作为本申请一种可选的实施方式，结束上述抓拍流程且监测范围内无野生动物后，该装置进入休眠模式。
采用上述技术方案，具有以下优点：本发明提出的一种一体化野生动物图像自动采集装置及方法，以红外相机为主体，通过滤光片、红外LED灯阵等器件的使用保证了设备在不同光照环境下的拍摄效果，而且可以减少补光对野生动物带来的影响；利用电源管理模块不仅可以保证设备的供电，而且可以对设备的功耗进行监测，通过功耗监测器件与电源管理器件对锂电池进行充放电精细化管理；外设模块可以确保本地数据的实时传输，可以省去人力回收图像的操作，且可以摆脱通信基础设施的依赖，提高了设备的自动化水平。
附图说明
图1是本发明实施例所提供的一种一体化野生动物图像自动采集装置的结构示意图；
图2是本发明实施例所提供的一种一体化野生动物图像自动采集装置的的采集方法的流程图。
具体实施方式
下面将详细描述本发明的具体实施例，应当注意，这里描述的实施例只用于举例说明，并不用于限制本发明。在以下描述中，为了提供对本发明的透彻理解，阐述了大量特定细节。然而，对于本领域普通技术人员显而易见的是：不必采用这些特定细节来实行本发明。
在整个说明书中，对“一个实施例”、“实施例”、“一个示例”或“示例”的提及意味着：结合该实施例或示例描述的特定特征、结构或特性被包含在本发明至少一个实施例中。因此，在整个说明书的各个地方出现的短语“在一个实施例中”、“在实施例中”、“一个示例”或“示例”不一定都指同一实施例或示例。此外，可以以任何适当的组合和、或子组合将特定的特征、结构或特性组合在一个或多个实施例或示例中。此外，本领域普通技术人员应当理解，在此提供的示图都是为了说明的目的，并且示图不一定是按比例绘制的。
下面结合附图，对本发明作详细的说明。
参考图1所示，一种一体化野生动物图像自动采集装置，该装置均匀部署于野生动物监测区域内，包括：
电源管理模块，用于为整个装置提供电源，同时进行设备功耗监测、充电管理及电源路径管理。
具体地，所述电源管理模块包括太阳能板、太阳能充电管理单元、电量计、充电与电源路径管理单元、线性稳压器组、锂电池和电源芯片组；
所述太阳能板、太阳能充电管理单元、充电与电源路径管理单元和线性稳压器组依次连接，所述充电与电源路径管理单元还通过所述电量计与所述锂电池连接；
太阳能板的输出经由太阳能充电管理单元至10Ah锂电池，锂电池的输出电压经由充电与电源路径管理模块，最后由线性稳压器组转换为+3.3V、+2.8V、+1.3V供各级电路使用；所述设备功耗监测通过具有I2C接口的双向功耗监测器件实现，该器件可以对设备的实时功耗参数进行测量；
所述充电管理与电源路径管理通过电源管理器件实现，该器件可以通过调整输入电源对锂电池与装置供电的电流分配关系，使得装置供电被放在优先位置，该器件可以自动判断电源是否满足充电需求，若需要充电则会按照预先设定的充电参数自动开始新一轮的充电周期，在充电过程中会自动监测相应的参数如锂电池的电压电流、温度等，并配置充电定时器作为充电保护手段。
图像自动采集模块，用于实现野生动物图像的自动采集；其中，所述图像自动采集模块包括红外相机、感光元件、滤光片、红外LED灯阵、光照强度传感器、主控制器以及热释电传感器组；所述红外相机与滤光片共同组成图像采集模块，再配合红外LED灯阵、光照强度传感器可以用来实现昼夜拍照的自动切换，同时配置密封透镜来对图像采集模块进行密封；
所述热释电传感器组用于探测运动红外触发源；
所述光照强度传感器用于获取当前环境的光照强度；
所述红外LED灯阵用于夜间拍摄时进行红外补光；
所述滤光片用于调整在不同光照条件下的拍摄效果；
所述感光元件用于接收红外辐射信号；
所述红外相机用于野生动物图像的采集；
所述主控制器用于根据各传感器的信号，控制拍照时的补光与滤光片的使用决策；
其中，所述热释电传感器组由主热释电传感器和辅助热释电传感器组成；所述主热释电传感器只感应设备正前方的视角范围，与红外相机的视角基本一致；所述辅助热释电传感器感应距离稍短，但感应视角很宽；
热释电传感器组的工作流程为：当野生动物从设备侧面进入时，将首先触发辅助热释电传感器，设备将从此时开始进行红外相机初始化，当拍摄目标进入主热释电传感器视角，即可立即触发红外相机进行拍照，从而缩短红外相机触发延时，提高设备抓拍性能，保证整体野生动物图像的获取。
具体的，所述自动化图像采集设备抓拍流程为：首先野生动物触发辅助热释电传感器，红外相机开始初始化，同时光照强度传感器立刻获取当前的环境光照强度；光照强度较弱时，设备启动红外LED灯阵进行补光且滤光片切出，如果环境光照强度较强则关闭红外LED灯阵，同时启用滤光片来滤除红外光以免拍摄图片偏白(应用时，主控制器还可通过驱动器来控制所述滤光片和红外LED灯阵)；当野生动物触发主热释电传感器时，则立即触发红外相机进行拍照，红外相机在进行抓拍的时候，先拍摄高分辨率图像m张，再连续拍摄低分辨率图像n秒，随后判断所采集到的低分辨率图像是否为误触发图像，是的话则将采集到的所有图片删除，否则将抓拍的图像存储至存储卡中，结束上述流程且监测范围内无野生动物后设备进入休眠；
所述主控制器还可以控制充电与电源路径管理单元的运行模式，同时可以控制线性稳压器的启停；在工作时关闭不需要的模块供电，进而有效地提高供电效率。
进一步地，所述采集高分辨率图像的张数m以及采集低分辨率图像的时间n是可以根据实际情况进行配置的，其中，所述m和n均为正整数；在无特殊要求的情况下，m取默认值5，n取默认值10。
外设模块，用于实现图像的远程传输、本地存储以及本地预览。
具体地，所述外设模块包括无线传输模块、LCD显示屏、TF存储卡、FLASH及RAM芯片组；其中，所述无线传输模块为Zigbee无线传输模块，所述携带Zigbee无线传输模块的野生动物图像自动采集装置作为整个网络数据传输系统的子节点，携带Zigbee无线传输模块的网关设备作为整个网络数据传输系统的主节点，所述子节点接受主节点的安排调度，并基于自定义的数据传输协议向主节点传输本地数据，最后由主节点负责将数据传输到数据中心；
所述传输协议指基于Xmodem协议的数据传输协议，本发明结合了Xmodem协议，针对Zigbee模块的帧长度，设计了自定义传输帧格式，图像数据传输时，将按照帧格式进行文件的分包传输；所述自定义传输帧格式主要包括帧头、路由路径、数据包、校验等，通过调整xmodem标准的数据包长度，从数据包中划分出一部分数据用于路由控制，在满足保障数据准确传输的前提下，更贴合无线传感器网络的应用。
本发明以红外相机为主体，配置电源管理模块、图像自动采集模块及外设模块，解决了野生动物监测设备的供电问题、复杂光线环境下的图像清晰度问题、设备的功耗问题等，且配置无线传输模块保证了本地数据的实时上传，具有造价低、性能高、功耗低、应用范围广、使用周期长的优势，满足了野生动物监测系统的实际需求；
本发明中的红外触发相机在抓拍过程中，采用两个不同的热释电传感器触发红外相机，缩短红外相机的触发延时，提高设备抓拍性能，保证整体野生动物图像的获取，通过滤光片、红外LED灯阵等器件保证了设备在不同光照环境下的拍摄效果，而且可以减少补光对野生动物带来的影响；
本发明中的电源管理模块不仅可以保证设备的供电，而且可以对设备的功耗进行监测，通过功耗监测器件与电源管理器件对锂电池进行充放电精细化管理，使用太阳能电池板以延长使用周期；
本发明配置无线传感模块可以确保本地数据的实时传输，可以省去人力回收图像的操作，且可以摆脱通信基础设施的依赖，提高了设备的自动化水平。
参照图2所示，本发明实施例还提供了一种一体化野生动物图像自动采集装置的采集方法，应用于前文所述的一种一体化野生动物图像自动采集装置，所述方法包括：
S101，检测辅助热释电传感器是否被野生动物触发；
S102，被触发时，红外相机开启初始化程序；
S103，由光照强度传感器获得当前的光照强度；
S104，判断当前的光照强度是否小于阈值，若是，则执行S105，否则执行S106；
S105，光照强度较弱，启动红外LED灯阵补光且滤光片切出；
S106，光照强度较强，关闭红外LED灯阵补光且滤光片切入；
S107，当野生动物触发主热释电传感器时，则立即触发红外相机进行抓拍，先拍摄高分辨率图像m张，再连续采集低分辨率图像n秒；其中，所述m和n均为正整数；
S108，判断所采集到的低分辨率图像是否为误触发图像，若是，执行步骤S109，否则，执行步骤S110；
S109，图像为误触发图像，将当前拍摄的图片删除；
S110，图像不是误触发图像，将拍摄到的图像进行压缩存储。
需要说明的是，图2中的红外灯阵与所述红外LED灯阵的含义相同；步骤S105和S106均是由主控制器启动红外LED灯阵补光且滤光片切出或关闭红外LED灯阵补光且滤光片切入；
对应的，结束上述抓拍流程且监测范围内无野生动物后，该装置进入休眠模式；进而是节约能耗的同时，减少对环境的侵入性干扰；其中，所述滤光片为红外滤光片。
采用上述技术方案，以红外相机为主体，通过滤光片、红外LED灯阵等器件的使用保证了设备在不同光照环境下的拍摄效果，而且可以减少补光对野生动物带来的影响。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。

Claims (5)

1.一种一体化野生动物图像自动采集装置，其特征在于，该装置均匀部署于野生动物监测区域内，包括：
电源管理模块，用于为整个装置提供电源，同时进行设备功耗监测、充电管理及电源路径管理；
图像自动采集模块，用于实现野生动物图像的自动采集；其中，所述图像自动采集模块包括红外相机、感光元件、滤光片、红外LED灯阵、光照强度传感器、主控制器以及热释电传感器组；所述红外相机与滤光片共同组成图像采集模块，再配合红外LED灯阵、光照强度传感器用来实现昼夜拍照的自动切换，同时配置密封透镜来对图像采集模块进行密封；
所述热释电传感器组用于探测运动红外触发源；
所述光照强度传感器用于获取当前环境的光照强度；
所述红外LED灯阵用于夜间拍摄时进行红外补光；
所述滤光片用于调整在不同光照条件下的拍摄效果；
所述感光元件用于接收红外辐射信号；
所述红外相机用于野生动物图像的采集；
所述主控制器用于根据各传感器的信号，控制拍照时的补光与滤光片的使用决策；
外设模块，用于实现图像的远程传输、本地存储以及本地预览；
所述热释电传感器组由主热释电传感器和辅助热释电传感器组成；所述主热释电传感器感应该装置正前方的视角范围，与所述红外相机的视角一致；所述辅助热释电传感器感应该装置侧面的视角范围，其感应视角大于所述主热释电传感器；
所述设备功耗监测通过具有I2C接口的双向功耗监测器件实现，该器件可以对设备的实时功耗参数进行测量；
所述充电管理与电源路径管理通过电源管理器件实现，该器件可以通过调整输入电源对锂电池与装置供电的电流分配关系，使得装置供电被放在优先位置，该器件可自动判断电源是否满足充电需求，若需要充电则会按照预先设定的充电参数自动开始新一轮的充电周期，在充电过程中会自动监测相应的参数，并配置充电定时器作为充电保护手段；
所述外设模块包括无线传输模块、LCD显示屏、TF存储卡、FLASH及RAM 芯片组；其中，所述无线传输模块为Zigbee无线传输模块，携带Zigbee无线传输模块的野生动物图像自动采集装置作为整个网络数据传输系统的子节点，携带Zigbee无线传输模块的网关设备作为整个网络数据传输系统的主节点，所述子节点接受主节点的安排调度，并基于自定义的数据传输协议向主节点传输本地数据，最后由主节点负责将数据传输到数据中心；
所述自定义的数据传输协议为基于Xmodem协议的数据传输协议，该传输协议结合了Xmodem协议，针对Zigbee模块的帧长度，设计了自定义传输帧格式，图像数据传输时，将按照帧格式进行文件的分包传输；所述自定义传输帧格式主要包括帧头、路由路径、数据包、校验，通过调整xmodem标准的数据包长度，从数据包中划分出一部分数据用于路由控制。
2.根据权利要求1所述的一种一体化野生动物图像自动采集装置，其特征在于，所述电源管理模块包括太阳能板、太阳能充电管理单元、电量计、充电与电源路径管理单元、线性稳压器组和锂电池；
所述太阳能板、太阳能充电管理单元、充电与电源路径管理单元和线性稳压器组依次连接，所述充电与电源路径管理单元还通过所述电量计与所述锂电池连接。
3.根据权利要求2所述的一种一体化野生动物图像自动采集装置，其特征在于，所述红外相机具体用于：
当野生动物触发主热释电传感器时，则立即触发红外相机进行拍照；
红外相机在进行抓拍的时候，先拍摄高分辨率图像m张，再连续拍摄低分辨率图像n秒；其中，所述m和n均为正整数；
随后判断所采集到的低分辨率图像是否为误触发图像，是则将采集到的所有图片删除，否则将抓拍的图像存储至存储卡中。
4.一种一体化野生动物图像自动采集装置的采集方法，其特征在于，应用于权利要求1所述的一种一体化野生动物图像自动采集装置，所述方法包括：
步骤1：检测辅助热释电传感器是否被野生动物触发；
步骤2：被触发时，红外相机开启初始化程序；
步骤3：由光照强度传感器获得当前的光照强度；
步骤4：判断当前的光照强度是否小于阈值，若是，则执行步骤5，否则执行步骤6；
步骤5：光照强度较弱，启动红外LED灯阵补光且滤光片切出；
步骤6：光照强度较强，关闭红外LED灯阵补光且滤光片切入；
步骤7：当野生动物触发主热释电传感器时，则立即触发红外相机进行抓拍，先拍摄高分辨率图像m张，再连续采集低分辨率图像n秒；其中，所述m和n均为正整数；
步骤8：判断所采集到的低分辨率图像是否为误触发图像，若是，执行步骤9，否则，执行步骤10；
步骤9：图像为误触发图像，将当前拍摄的图片删除；
步骤10：图像不是误触发图像，将拍摄到的图像进行压缩存储。
5.根据权利要求4所述的一种一体化野生动物图像自动采集装置的采集方法，其特征在于，结束上述抓拍流程且监测范围内无野生动物后，该装置进入休眠模式。
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