CN213519242U

CN213519242U - 一种林间简易便携的鸟声识别系统

Info

Publication number: CN213519242U
Application number: CN202022433009.5U
Authority: CN
Inventors: 姬梓荣; 徐伟
Original assignee: Nanjing University of Information Science and Technology
Current assignee: Nanjing University of Information Science and Technology
Priority date: 2020-10-28
Filing date: 2020-10-28
Publication date: 2021-06-22
Anticipated expiration: 2030-10-28

Abstract

本实用新型公开了一种林间简易便携的鸟声识别系统，包括拾音头、音频采集模块、FPGA核心板、显示模块、北斗模块、通信模块、存储模块；FPGA核心板包括语音信号处理模块、显示驱动模块、RS232串口和SD卡接口；拾音头，用于将采集的鸣声信号转换为电信号，输出电信号至音频采集模块；音频采集模块，用于将电信号转换成数字音频信号并将其输出至FPGA核心板的语音信号处理模块和SD卡接口，还用于收录鸣声信号的时间，收录鸣声的时间经RS232串口输出至北斗模块；语音信号处理模块，用于对数字音频信号解码、频谱处理后，得到频谱信息，频谱信息通过显示驱动模块输出至显示模块进行显示，频谱信息经通信模块输出至外部的上位机。本系统设备安装便捷易携。

Description

一种林间简易便携的鸟声识别系统

技术领域

本实用新型涉及动物鸣声识别技术系统，特别是一种林间简易便携的鸟声识别系统。

背景技术

鸣声是鸟类重要的生物学特征，不同鸟类之间的鸣声差异较大，这使得利用鸣声进行鸟类识别得以实现。通过鸣声识别鸟类可提高对鸟类资源、种类、数量统计的准确性；便于监测环境变化或污染对鸟类区域性数量的影响；此外，鸟鸣声识别研究也是开展珍稀濒危鸟类搜寻、鸟类迁移方式分析以及鸟类追踪的有力途径。

目前市场上鸟鸣声识别系统较少，国外技术成熟的产品有德国动物鸣声系统、美国的动物声音记录仪Song Meter SM2+系统。国内相关研究较为少见，目前市场上的鸟鸣声识别系统主要依靠进口。中国专利《利用纹理特征与随机森林的快速抗噪鸟鸣声识别方法》(CN201310473337.X)公开了一种鸟鸣声识别方法，但只是提出了理论算法，没有提出硬件实现方案。

国内外鸟类生态监测方法主要包括声探测、人工观察、雷达探测等。在生态定位站、鸟类环志站、保护区或林区等地域，仍然普遍采用基于望远镜等光学工具的人工观察，监测鸟类的活动范围、栖息地选择、行为节律等，人工方式劳动强度大，观察范围小，受天气因素影响较大。

发明内容

本实用新型所要解决的技术问题是克服现有技术的不足而提供一种林间简易便携的鸟声识别系统，本系统设备安装便捷易携。

本实用新型为解决上述技术问题采用以下技术方案：

根据本实用新型提出的一种林间简易便携的鸟声识别系统，包括拾音头、音频采集模块、FPGA核心板、显示模块、北斗模块、通信模块、存储模块；FPGA核心板包括语音信号处理模块、显示驱动模块、RS232串口和SD卡接口；其中，

拾音头，用于将采集的鸣声信号转换为电信号，输出电信号至音频采集模块；

音频采集模块，用于将电信号转换成数字音频信号并将其输出至FPGA核心板的语音信号处理模块和SD卡接口，还用于收录鸣声信号的时间，收录鸣声的时间经RS232串口输出至北斗模块；

语音信号处理模块，用于对数字音频信号解码、频谱处理后，得到频谱信息，频谱信息通过显示驱动模块输出至显示模块进行显示，频谱信息经通信模块输出至外部的上位机；

北斗模块，用于记录收录鸣声的时间与地理位置；

SD卡接口，用于将接收到的数字音频信号输出至存储模块进行存储。

作为本实用新型所述的一种林间简易便携的鸟声识别系统进一步优化方案，音频采集模块包括WM8978音频处理芯片、ADUM5401隔离芯片、第一至第五电容，其中，

ADUM5401隔离芯片的第1引脚与电源、第一电容的正极、第二电容的一端、第三电容的一端分别连接，ADUM5401隔离芯片的第2引脚与第一电容的负极、第二电容的另一端、第三电容的另一端、地、ADUM5401隔离芯片的第8引脚分别连接，ADUM5401隔离芯片的第16引脚与电源、第四电容的一端、第五电容的一端分别连接，ADUM5401隔离芯片的第15引脚与第四电容的另一端、第五电容的另一端、地、ADUM5401隔离芯片的第9引脚分别连接，ADUM5401隔离芯片的第14引脚与WM8978音频处理芯片的第7引脚连接，ADUM5401隔离芯片的第13引脚与WM8978音频处理芯片的第8引脚连接，ADUM5401隔离芯片的第12引脚与WM8978音频处理芯片的第9引脚连接，ADUM5401隔离芯片的第11引脚与WM8978音频处理芯片的第10引脚连接。

作为本实用新型所述的一种林间简易便携的鸟声识别系统进一步优化方案，拾音头采用GRAS 40PH型号麦克风。

作为本实用新型所述的一种林间简易便携的鸟声识别系统进一步优化方案，音频采集模块选用Wolfson的WM8978音频处理芯片。

作为本实用新型所述的一种林间简易便携的鸟声识别系统进一步优化方案，拾音头采用GRAS 12AL型号电源模块进行供电，供能方式为2节LR6 AA型号电池。

作为本实用新型所述的一种林间简易便携的鸟声识别系统进一步优化方案，FPGA核心板采用5V电源，通过开关电源适配器对其进行供电。

本实用新型采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

(1)本实用新型设计的鸟声识别系统采用的音频处理器WM9878具有高级的片上数字信号处理功能，包含一个5路均衡功能，一个用于ADC和线路输入之间的混合信号的电平自动控制功能；此外，在ADC的线路上提供了一个数字滤波的功能，可以更好的应用于信号滤波，如“减少雨噪”；

(2)音频采集模块中加了一个隔离芯片ADUM5401，该芯片提供4个独立的隔离通道，支持多种不同的通道配置和数据速率，同时可以防止雷电或过电压给电路造成破坏，能够起到对信号进行干扰隔离的作用，保证信号传输的稳定性；

(3)系统对音频信号的处理以FPGA的IP核为核心，能够通过鸟类鸣声的音素、音节数量、主频率、频谱等特性识别鸟的种类，使直接从事鸟类研究职业的人员和间接受到鸟类威胁部门的人员避免大量的数据采集工作，节省人力物力资源，提高工作效率；

(4)该系统设备安装便捷易携，可以不受环境因素影响，在不同时间、不同地点全天候的进行工作，采集工作人员需要的鸟类信息。

附图说明

图1是系统总体设计框图。

图2是FPGA核心板接口图。

图3是音频采集模块图。

图4是电源模块电路图。

图5是通信模块接口电路图。

图6是RTL8201CP模块电路图。

图7是JTAG接口模块电路图。

图8是LCD模块结构图。

图9是FLASH模块结构图。

图10是ADUM5401模块电路图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型的技术方案做进一步的详细说明：

鸟声识别系统能够不受时间、地形、天气等因素的限制，不间断地在设定区域工作，节省人力资源，效率高。国外较为成熟的鸟声识别设备功能比较完善，能够实现对鸟声的频谱、频率、种属类别、地域范围、数量统计等信息的显示。相关从业人员可以利用系统采集到的信息对鸟类进行研究分析，极大地提高了工作效率，能有效地保护相关行业产业设备安全和鸟类种群安全。

此外，为有效地防止飞机与鸟群相撞、果园受鸟群侵害；可利用鸟鸣声识别系统实时监测指定区域的鸟类活动。一旦检测到鸟鸣声，可使用扩音器播放猛禽等鸟类的鸣声，用以驱散鸟群，减少灾害。

如图1所示，本实用新型提出的一种林间简易便携的鸟声识别系统，包括拾音头、音频采集模块、FPGA核心板、显示模块、北斗模块、通信模块、存储模块；FPGA核心板包括语音信号处理模块、显示驱动模块、RS232串口和SD卡接口；其中，

北斗模块，用于记录收录鸣声的时间与地理位置；

如图10所示，ADUM5401隔离芯片的第1引脚与电源、第一电容C42的正极、第二电容C41的一端、第三电容C40的一端分别连接，ADUM5401隔离芯片的第2引脚与第一电容的负极、第二电容的另一端、第三电容的另一端、地、ADUM5401隔离芯片的第8引脚分别连接，ADUM5401隔离芯片的第16引脚与电源、第四电容C43的一端、第五电容C44的一端分别连接，ADUM5401隔离芯片的第15引脚与第四电容的另一端、第五电容的另一端、地、ADUM5401隔离芯片的第9引脚分别连接，ADUM5401隔离芯片的第14引脚与WM8978音频处理芯片的第7引脚连接，ADUM5401隔离芯片的第13引脚与WM8978音频处理芯片的第8引脚连接，ADUM5401隔离芯片的第12引脚与WM8978音频处理芯片的第9引脚连接，ADUM5401隔离芯片的第11引脚与WM8978音频处理芯片的第10引脚连接。

系统使用储能电池作为备用电源，以延长系统工作时间，便于野外环境下工作。

本系统设计是基于FPGA中的IP核，系统初始化后，首先进行鸣声信号采集，拾音头采集到鸣声信号后，通过音频采集芯片中模数转换模块将信号进行转换，然后通过FPGA中音频信号接口控制模块进行数据处理，并送入FPGA进行处理，最终通过显示驱动模块驱动LCD屏幕进行显示。系统工作期间，北斗模块用来记录收录鸣声的地理位置与时间，本地存储模块用来存储收录的鸣声，通信模块用来向上位机实时传送收录的鸣声信息。系统总体设计框图如图1所示，FPGA核心板接口图如图2所示。

拾音头是用来采集现场声音再传送到后端设备的一个器件，是一种靠接收声音振动，将声音进行降噪、放大的电声学仪器。本系统采用GRAS 40PH型号麦克风作为系统拾音头，带宽10-20000Hz，灵敏度50mv/pa，可全方位收集鸣声，通过专用屏蔽线与音频采集模块接口相连。

音频处理模块选用Wolfson的WM8978音频处理芯片，模块电路如图3所示。WM8978音频采集模块实现对音频信号的采集与数模转换，将得到的数字信号送入FPGA中的IP核进行FFT运算。

拾音头采用GRAS 12AL型号电源模块进行供电，供能方式为2节LR6 AA型号电池；系统核心板采用5V电源，通过开关电源适配器对其进行供电，电源模块电路图如图4所示。

系统处理音频的部分主要包括PLL模块、WM8978模块、FFT模块、LCD模块。PLL模块通过反馈信号的频率和相位来控制内部振荡器产生信号的频率和相位，实现对信号频率的改变。通过配置FPGA中的IP核ALTPLL实现锁相环的功能，达到系统时钟需求。PLL模块为FPGA的内部实体电路，WM8978模块为音频采集模块，FFT模块为FPGA内部的IP核，LCD模块即为显示模块。

FPGA首先通过控制接口配置WM8978相关的寄存器，然后接收WM8978传输过来的鸣声数据。WM8978模块包含配置模块、接收模块和发送模块。音频配置模块实现FPGA对WM8978接口进行控制和相关寄存器的配置；音频接收模块接收来自WM8978的音频数据，并将输入的串行数据转换成并行数据，便于FPGA处理；音频发送模块是将FPGA输出的并行数据进行串行处理，再输出至WM8978。

音频数据缓存模块是一个FIFO，音频数据先经音频数据缓存模块进行缓存，当FFT控制模块输出的读请求信号拉高，并产生数据传输的控制信号，此时数据从缓存模块进入IP核进行处理，处理后的数据进行取模，最后再将得到的结果输出。

通信模块利用以太网接口模块RJ45与FPGA上的RTL8201CP芯片相连，FPGA与RTL8201CP芯片采用MII接口相连，通过网线将存储的数据发送到上位机，以太网接口模块电路如图5所示，RTL8201CP模块电路如图6所示。

JATG模块用于控制系统中IP核对鸣声信号进行数据分析，模块电路如图7所示。

LCD模块用于对系统分析后的鸣声信息进行屏幕显示，模块电路如图8所示。

FLASH模块采用SPI协议与FPGA进行通信，保证FPGA在重新上电后能正常进行工作，模块电路如图9所示。

北斗模块能够将拾音头采集到的鸣声信息进行地理定位，并记录收录鸣声的时间。

本地存储利用一容量为256G的内存卡存储系统收录的鸣声数据，定期进行内存卡更换以确保系统能够正常运行，收录更多的鸣声。

以上所述，仅为本实用新型的具体实施方式，但本实用新型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实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围内。

Claims

1.一种林间简易便携的鸟声识别系统，其特征在于，包括拾音头、音频采集模块、FPGA核心板、显示模块、北斗模块、通信模块、存储模块；FPGA核心板包括语音信号处理模块、显示驱动模块、RS232串口和SD卡接口；其中，

北斗模块，用于记录收录鸣声的时间与地理位置；

2.根据权利要求1所述的一种林间简易便携的鸟声识别系统，其特征在于，音频采集模块包括WM8978音频处理芯片、ADUM5401隔离芯片、第一至第五电容，其中，

3.根据权利要求1所述的一种林间简易便携的鸟声识别系统，其特征在于，拾音头采用GRAS 40PH型号麦克风。

4.根据权利要求1所述的一种林间简易便携的鸟声识别系统，其特征在于，音频采集模块选用Wolfson的WM8978音频处理芯片。

5.根据权利要求1所述的一种林间简易便携的鸟声识别系统，其特征在于，拾音头采用GRAS 12AL型号电源模块进行供电，供能方式为2节LR6 AA型号电池。

6.根据权利要求1所述的一种林间简易便携的鸟声识别系统，其特征在于，FPGA核心板采用5V电源，通过开关电源适配器对其进行供电。