CN114878666A - 一种低功耗环境监测装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种低功耗环境监测装置，包含基于多维感官监测生物的检测器和用于产生由检测器提供的多维感官的反馈的中心处理器。检测器能够对环境中的气味和声音的信息进行采集，并将采集的与环境中的气味和声音相关的信息传输给中心处理器。中心处理器接收与环境中的气味和声音相关的信息。中心处理器处理与环境中的气味和声音相关的信息，并生成向检测器反馈的指令。中心处理器基于不同的监测目的而调节检测器的两个模块的工作状态。两个模块的工作状态被调节的过程减少了检测器监测过程中的能耗。
Description
技术领域
本发明涉及野外监测技术领域，尤其涉及一种低功耗环境监测装置。
背景技术
环境保护中重要的一环为对野生动物的保护。野生动物是人类赖以生存的生态系统的重要组成部分。保护、发展和合理利用野生动物资源，对于维护生态平衡、改善自然环境和促进社会经济持续且稳定发展意义重大。
现有技术中，通过对野生动物的信息采集获得野生动物的行为和其他相关生活习惯的分析结果。对野外环境中的动物的监测主要采用能够记录声音和图像的红外摄像头。公开号为CN103546728B的中国专利公开了一种野生动物野外监测装置。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。该监测装置采用热释红外传感器对进入图像采集范围的生物进行监测。
在野外环境中，热释红外传感器的感应范围小，需要动物移动至距离监测装置比较近的地方才能够使监测装置感应到动物。监测装置的图像采集模块只能朝向一个方向进行监测。一方面，图像采集模块在动物靠近时才能够根据动物的方位进行调整，而调整过程发出的机械声音会干扰动物的自然行为(捕食、休息等)；另一方面，不论是声音还是图像的记录，都需要对动物进行定位，以完成排噪和聚焦的设置，而在动物靠近后再进行调整会损失部分能够记录的动物行为信息。
公开号为CN111629426A的中国专利提供一种基于LoRa通信的低功耗野外声音采集系统，包括声音采集装置和触发唤醒装置，所述声音采集装置设置于野外动物的活动区域内，其包括第一供电模块、声音采集组件、控制模组、存储模块以及第一LoRa通信模块；所述触发唤醒装置佩戴于野外动物的身体上，其包括第二供电模块、第二处理模块、第二LoRa通信模块和定位模块；当佩戴有触发唤醒装置的野外动物进入到设有声音采集装置的有效通信区域时，第一LoRa通信模块与第二LoRa通信模块自动建立连接，此时声音采集装置启动声音采集功能，触发唤醒装置将定位数据传送至声音采集装置，当连接失效后，声音采集功能进入休眠状态。该装置通过声音唤醒降低信息采集过程的能耗，但声音感测比较近，上述提到的感测距离过近的问题依然存在。
本发明采用多维感官的分级触发模式。通过设置包含气味、声音和图像的检测方式的检测器实现多维感官的信息采集和记录。
此外，一方面由于对本领域技术人员的理解存在差异；另一方面由于申请人做出本发明时研究了大量文献和专利，但篇幅所限并未详细罗列所有的细节与内容，然而这绝非本发明不具备这些现有技术的特征，相反本发明已经具备现有技术的所有特征，而且申请人保留在背景技术中增加相关现有技术之权利。
发明内容
针对现有技术之不足，本发明提供了一种低功耗环境监测装置，包含基于多维感官监测生物的检测器和用于产生由检测器提供的多维感官的反馈的中心处理器。检测器能够对环境中的气味和声音的信息进行采集，并将采集的与环境中的气味和声音相关的信息传输给中心处理器。中心处理器接收与环境中的气味和声音相关的信息。中心处理器处理与环境中的气味和声音相关的信息，并生成向检测器反馈的指令。中心处理器发送的指令用于调整检测器中的不同检测模块的工作状态，例如，关闭检测器、调整检测器的检测位置或调整检测器对某个位置的声音信息录制的降噪比。
在对生物进行声音信息采集时，背对生物、侧对生物或面对生物时检测器采集的该生物的声音效果具有巨大差异。在声音信息采集过程中，现有技术中的设备往往是在获得生物声音后开启采集。为了保证自身的安全，动物在非特殊时间行动声音较低。发出较低声音的动物需要距离设备非常近才能够被设备感知到。
根据一种优选实施方式，检测器至少包含第一感官模块和第二感官模块，第一感官模块于第一感测距离产生第一感知力，其中，在生物进入检测器检测范围时，检测器的第一感官模块在生物与检测器处于第一感测距离时接收生物的气味分子，基于生物的气味分子的传播来源，中心处理器生成检测器的第二感官模块的生物信息最优接收角度，从而使第二感官模块获得生物信息。优选地，第一感知力为嗅觉。
第一感官模块感知气味。在生物距离检测器较远距离时，检测器能够感知生物飘散的气味，以确定感知范围内是否存在生物。当携带气味的生物逐渐靠近检测器时，检测器检测到的生物飘散的气味浓度逐渐增大。由于生物并未进入第二感测距离，检测器具有充足的调整时间。通过对生物靠近方向的感测，检测器的第二感官模块能够调整其对动物信息的接收角度。由于生物并未靠近检测器，第二感官模块转动或移动的声音不会惊扰到生物的自然行为。识别气味的第一感官模块精校识别声音的第二感官模块的接收声音信息的位置和角度。精校后的第二感官模块能够在动物进入第二感官模块接收声音信息的第二感测距离前基于中心处理器的调节而处于生物信息最优接收角度。第二感官模块的生物信息最优接收角度能够使第二感官模块接收到生物在第二感测距离内生成的更优质的声音信息，例如动物细小的啼叫声、动物潜行时踩踏草地的声音等。
根据一种优选实施方式，第二感官模块于第二感测距离产生第二感知力，其中，检测器的第二感官模块响应于生物进入检测器的第二感测距离接收生物发出的声音并发送至中心处理器，中心处理器基于检测器的第二感官模块提供的生物的声音的传播来源更新检测器的第二感官模块的生物信息最优接收角度。第一感官模块的第一感测距离大于第二感官模块的第二感测距离。部分食草类动物基于不被天敌发现的目的体味较轻。在第一感官模块模糊判断该类动物的移动方向时，第二感官模块能够进行第一次的幅度较大的位置或角度的调整。在该生物进入第二感测距离后，第二感官模块能够基于其接收的与该类动物相关的声音信息而判断该类动物的方位。基于第二感官模块提供的生物声音的传播来源，中心处理器能够对第二感官模块进行位置和夹角的二次调整，而提高第二感官模块接收的声音信息的品质。优选地，第二感知力为听觉。
根据一种优选实施方式，在中心处理器生成/更新检测器的第二感官模块的生物信息最优接收角度时，第二感官模块基于中心处理器的指令在三个相互垂直的坐标轴X、Y与Z中至少一个坐标轴移动，以形成生物信息最优接收角度。本发明的监测装置能够在以监测装置为中心位置，直径为第一感测距离的圆形范围内对生物的存在与否以气味的方式进行判别。进一步地，本监测装置还能够升起不超过M米的高度并对地面的上述圆形范围内的生物进行监测。在升起不超过M米的高度的位置上能够避免地面障碍物对监测装置的信息干扰。第二感官模块在三个相互垂直的坐标X、Y与Z中的至少一个坐标移动，即调整第二感官模块相对生物的高度或朝向。优选地，M不大于10。
根据一种优选实施方式，由第一感官模块识别的生物的气味分子的出现触发第二感官模块对环境声音的监测。第一感官模块在监测装置处于打开状态时实时对第一感测距离范围内的气味分子进行检测。第二感官模块在监测装置处于打开状态时能够在休眠状态和工作状态中切换。用于野外的监测装置使用移动电源进行能量供给，而声音识别是能量消耗的主力之一，因此，本监测装置的第一感官模块和第二感官模块在正常工作状态下为非并行工作的状态。第一感官模块工作，向中心处理器发送气味信息。中心处理器基于变化的气味信息而触发第二感官模块的打开和第一感官模块的关闭。在第二感官模块接收的声音信息趋于平稳(或只有环境音)，中心处理器控制第一感官模块打开而第二感官模块关闭。通过第一感官模块和第二感官模块之间工作状态的切换，减少第一感官模块和第二感官模块的无效工作时间，并降低监测装置的耗能。气味检测在某些技术选择下可以基于化学触媒而实现被动式检测，即仅有特定气味分子进入第一感官模块并与特定化学触媒产生反应之后才会被感官模块的特定检测回路所检测，也即说明本方案所采用的第一感官模块即便是长期处于对气味分子进行搜索的工作模式下也是非常省电的，这对于长期无人维护监管式的野外环境或者野外生物检测装置有益效果明显，设备自持性、续航、免维护性大幅提高。
根据一种优选实施方式，检测器的第一感官模块能够监测第二感测距离范围内各个方向的生物的气味分子数量，从而确定包含生物的气味分子数量最多的生物的来源的方向。气味分子具有扩散性。当目标进入第一感测距离的范围时，目标的气味扩散至检测器的位置，第一感官模块在多角度范围内均能够感应到环境中气味分子的变化。气味传播时，传播源头的气味分子数量较多即气味浓郁。第一感官模块能够感应气味分子在各个方向的传播数量。中心处理器基于第一感官模块发送的信息将传播气味分子数量最高(或气味最浓郁)的方向判定生物的移动方向。优选地，本发明中的目标能够为野外生活的生物。
根据一种优选实施方式，在第一感测距离和第二感测距离之间设置至少三个感测距离阈值。第一感官模块向中心处理器提交的包含生物的气味分子的信息以分级渐进式进行更新。生物不全都是直线移动。将第一感官模块的感知范围划分为多个等级，中心处理器接收多次结果。多次结果的更新能够使中心处理器及时调整或更新其第一次对第二感官模块发出的与生物信息最优接收角度相关的指令。在发现目标在多个分级的区域内形成不同的方向时，中心处理器能够以最靠近第二感测距离的分级区域的目标气味来源位置为第二感官模块的校准的根据。通过多个分级区域的设定，使第一感官模块对部分非直线移动的生物的移动方向形成至少三次的气味监测，避免了因第一感官模块实时监测产生大数据处理量而造成的监测装置高耗能、高卡顿的问题。
根据一种优选实施方式，监测装置包含接收生物图像信息的第三感官模块，第三感官模块基于中心处理器生成/更新的生物信息最优接收角度形成生物信息最优接收角度。优选地，第三感官模块能够为摄像头或红外摄像头。基于中心处理器的指令，第三感官模块调整角度。调整角度后的第三感官模块能够采集到动物清晰且完整的图像信息。
附图说明
图1是本发明提供的一种应用设备的结构图；
图2是本发明提供的一种优选实施方式的模块连接关系示意图。
附图标记列表
中心处理器：100；检测器：200。
具体实施方式
下面结合附图进行详细说明。
野外生存环境中，气味是动物社交、捕食和自我保护的重要感官之一。动物通过气味能够获知群体内的其他个体的友好程度，从而在群体内或针对其他个体完成交配、联盟等种内行为。动物还能够通过气味识别捕食者或被捕食者的存在。羚羊的鼻子能闻到二十米内的动物体味，以逃脱天敌的捕食。在野外环境中，大部分动物接收气味信息早于声音信息和图像信息。
现有技术中，对动物的多维感官监测难度较大，即使是图像或声音的信息采集，也需要经验丰富的动物学家推测动物可能经过的位置和方向，以期提前布置好摄像录音的最佳角度。
本发明提供了一种低功耗环境监测装置，包含基于多维感官监测生物的检测器200和用于产生由检测器200提供的多维感官的反馈的中心处理器100。检测器200能够对环境中的气味和声音的信息进行采集，并将采集的与环境中的气味和声音相关的信息传输给中心处理器100，如图2所示。检测器200至少包含第一感官模块和第二感官模块，第一感官模块于第一感测距离产生第一感知力，其中，在生物进入检测器200检测范围时，检测器200的第一感官模块在生物与检测器200处于第一感测距离时接收生物的气味分子，基于生物的气味分子的传播来源，中心处理器100生成检测器200的第二感官模块的生物信息最优接收角度，从而使第二感官模块获得生物信息。第二感官模块于第二感测距离产生第二感知力，其中，响应于生物进入检测器200的第二感测距离，检测器200的第二感官模块接收生物发出的声音并发送至中心处理器100，中心处理器100基于检测器200的第二感官模块提供的生物的声音的传播来源更新检测器200的第二感官模块的生物信息最优接收角度。第一感官模块的第一感测距离大于第二感官模块的第二感测距离。本发明中的系统能够应用于如图1所示的野外摄像头中。
具体地，当狮子距离监测装置20米时，第一感官模块感应到环境中弥散的狮子种群的气味，第一感官模块的每个气味传感器将检测到的气味信息发送至中心处理器100。中心处理器100筛选气味分子数量，从而获得位于检测器200的南边的某个或某几个气味传感器检测到的气味最浓郁。中心处理器100发送指令。第二感官模块调整信息摄取的角度，使其朝向检测器200的南边。在狮子距离监测装置5米时，第二感官模块录制狮子的声音信息。
根据一种优选实施方式，第一感官模块周向设置有多个气味传感器，使第一感官模块能够在360°范围内接收到气味分子，并通过其设置的气体传感器阵列的复杂组分识别气味分子。本发明中设计的气体传感器能够为AAO气体传感器。AAO气体传感器包含一对电极、三维多孔结构、电绝缘层和加热器。第一感官模块和第二感官模块共用供电，高度集成，从而形成气味识别和声音识别的联动模式。
根据一种优选实施方式，中心处理器100设置有运算放大模块和信号转换模块，其中，运算放大模块和信号转换模块能够在信号处理单元使能的情况下，使得检测器200采集的信号类型转化为与后端设备处理的信号类型相同的类型。检测器200采集到的数据信号传输至中心处理器100，经中心处理器100处理后的数据信号以数字信号的形式输出。优选地，第一感官模块为气体传感器，第二感官模块为MEMS传感器。优选地，信号转换模块是AD转换模块。优选地，信号转换模块为I2S接口。I2S是音频转换器和处理器的一种通用数字接口。I2S麦克风拥有与PDM麦克风相同的系统设计优势，但不再输出高采样速率的PDM信号，它输出的数字数据采用抽取过的基带音频采样率。在PDM麦克风方案中，抽取基带音频采样率是在编解码器或DSP中实现的，但在I2S麦克风方案中，基带音频采样率的抽取过程直接在麦克风中完成，因此在某些系统中可以完全取消ADC或编解码器。
根据一种优选实施方式，由第一感官模块识别的生物的气味分子的出现触发第二感官模块对环境声音的监测。第一感官模块在监测装置处于打开状态时实时对第一感测距离范围内的气味分子进行检测。第二感官模块在监测装置处于打开状态时能够在休眠状态和工作状态中切换。为保证监测装置在野外能够长时间工作，耗能最大的检测器200需要提高工作效率，避免无监测目标时还进行监测的问题。本发明采用气味监测。气味监测触发声音监测，使第一感官模块和第二感官模块能够处于一开一关的状态，避免了第一感官模块和第二感官模块双开的高耗电问题。
根据一种优选实施方式，在第一感测距离和第二感测距离之间设置至少三个感测距离阈值。第一感官模块向中心处理器100提交的包含生物的气味分子的信息以分级渐进式进行更新。具体地，以监测装置为中心，以第一感测距离为半径形成第一外圆。以监测装置为中心，以第二感测距离为半径形成第一内圆。将第一外圆多出第一内圆的部分以环形分割为三个等级。检测器200分别将生物在三个等级的区域移动的生物的气味信息分三次发送至中心处理器100。
根据一种优选实施方式，监测装置包含接收生物图像信息的第三感官模块，第三感官模块基于中心处理器100生成/更新的生物信息最优接收角度形成生物信息最优接收角度。优选地，第三感官模块为摄像组件。第三感官模块和第二感官模块能够同时更改信息接收的角度和位置。
需要注意的是，上述具体实施例是示例性的，本领域技术人员可以在本发明公开内容的启发下想出各种解决方案，而这些解决方案也都属于本发明的公开范围并落入本发明的保护范围之内。本领域技术人员应该明白，本发明说明书及其附图均为说明性而并非构成对权利要求的限制。本发明的保护范围由权利要求及其等同物限定。本发明说明书包含多项发明构思，诸如“优选地”、“根据一个优选实施方式”或“可选地”均表示相应段落公开了一个独立的构思，申请人保留根据每项发明构思提出分案申请的权利。在全文中，“优选地”所引导的特征仅为一种可选方式，不应理解为必须设置，故此申请人保留随时放弃或删除相关优选特征之权利。
Claims (10)
1.一种低功耗环境监测装置，包含基于多维感官监测生物行为的检测器(200)和用于产生由所述检测器(200)提供的多维感官的反馈的中心处理器(100)，
其特征在于，
所述检测器(200)至少包含第一感官模块和第二感官模块，所述第一感官模块于第一感测距离产生第一感知力，其中，
在生物进入所述检测器(200)检测范围时，所述检测器(200)的第一感官模块在所述生物与所述检测器(200)处于第一感测距离时接收所述生物的气味分子，基于所述生物的气味分子的传播来源，所述中心处理器(100)生成所述检测器(200)的第二感官模块的生物信息最优接收角度，从而使所述第二感官模块获得生物信息。
2.根据权利要求1所述的监测装置，其特征在于，所述第二感官模块于第二感测距离产生第二感知力，其中，所述检测器(200)的第二感官模块响应于所述生物进入所述检测器(200)的第二感测距离接收所述生物发出的声音并发送至所述中心处理器(100)，所述中心处理器(100)基于所述检测器(200)的第二感官模块提供的所述生物的声音的传播来源更新所述检测器(200)的第二感官模块的生物信息最优接收角度。
3.根据权利要求1或2所述的监测装置，其特征在于，所述第一感官模块的第一感测距离大于所述第二感官模块的第二感测距离。
4.根据权利要求1～3任一项所述的监测装置，其特征在于，在所述中心处理器(100)生成/更新所述检测器(200)的第二感官模块的生物信息最优接收角度时，所述第二感官模块基于所述中心处理器(100)的指令在三个相互垂直的坐标轴X、Y与Z中的至少一个坐标轴移动，以形成所述生物信息最优接收角度。
5.根据权利要求1～4任一项所述的监测装置，其特征在于，由所述第一感官模块识别的所述生物的气味分子的出现触发所述第二感官模块对环境声音的监测。
6.根据权利要求1～5任一项所述的监测装置，其特征在于，所述检测器(200)的第一感官模块能够监测第二感测距离范围内各个方向的所述生物的气味分子数量，从而确定包含所述生物的气味分子数量最多的所述生物的来源的方向。
7.根据权利要求1～6任一项所述的监测装置，其特征在于，在所述第一感测距离和第二感测距离之间设置至少三个感测距离阈值，所述第一感官模块向所述中心处理器(100)提交的包含所述生物的气味分子的信息以分级渐进式进行更新。
8.根据权利要求1～7任一项所述的监测装置，其特征在于，所述第一感官模块在所述监测装置处于打开状态时实时对第一感测距离范围内的气味分子进行检测。
9.根据权利要求1～8任一项所述的监测装置，其特征在于，所述第二感官模块在所述监测装置处于打开状态时能够在休眠状态和工作状态中切换。
10.根据权利要求1～9任一项所述的监测装置，其特征在于，所述监测装置包含接收所述生物图像信息的第三感官模块，所述第三感官模块基于所述中心处理器(100)生成/更新的所述生物信息最优接收角度形成所述生物信息最优接收角度。
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