許曉東 姜愉 孫衛(wèi)寧 陽建中 屈百達(dá)

摘? 要： 針對野生保護(hù)動物主要分布于無信號的山區(qū)深處而難于監(jiān)測的情況，提出一種利用LoRa技術(shù)的野生動物聲音監(jiān)測系統(tǒng)。文章以野生保護(hù)動物大壁虎為例，設(shè)計(jì)一種包含信息采集、LoRa網(wǎng)關(guān)及遠(yuǎn)程信息接收模塊的聲音監(jiān)測系統(tǒng)，并對大壁虎聲音進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析。研究結(jié)果表明，LoRa擴(kuò)頻通信方式可實(shí)現(xiàn)在障礙物較多的山林環(huán)境下3 km范圍內(nèi)自行組網(wǎng)并準(zhǔn)確傳輸數(shù)據(jù)，結(jié)合大壁虎聲音特性，可準(zhǔn)確監(jiān)測其種群密度。此項(xiàng)研究對山區(qū)智慧農(nóng)業(yè)、森林環(huán)境監(jiān)測等領(lǐng)域具備較好參考價(jià)值。

關(guān)鍵詞： 野生動物; 聲音監(jiān)測; 系統(tǒng)設(shè)計(jì); LoRa; 遠(yuǎn)程通信; 擴(kuò)頻通信

中圖分類號： TN98?34; TP274+.2? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號： 1004?373X（2020）18?0097?04

Abstract： In allusion to the situation that the protected wild animals are mainly distributed in the interior of mountains without signal， and are difficult to be monitored， a wild animal sound monitoring system based on LoRa technology is proposed. Taking the big gecko， a wild protected animal， as an example， a sound monitoring system including information collection， LoRa gateway and remote information receiving modules is designed， and an experimental analysis of the gecko′s sound is performed. The research results show that the LoRa spread spectrum communication mode can realize the self networking and accurately transfer data within the scope of 3 km in the mountain environment with more obstacles， and can accurately monitor the population density of the gecko in combination with its sound characteristics. This research has a certain reference value in the fields of intelligent agriculture in mountainous areas and forest environmental monitoring.

Keywords： wild animal; sound moniting; system design; LoRa; remote communication; spread spectrum communication

為了更好地保護(hù)野生動物，需要對其數(shù)量、種群密度及變化情況進(jìn)行監(jiān)測[1]。常用的監(jiān)測工具包括無人機(jī)、紅外照相機(jī)等，受天氣因素、周圍環(huán)境、動物生活習(xí)性影響較大，往往難以準(zhǔn)確地估算野生動物數(shù)量和種群密度。因此，需要根據(jù)具體情況選擇適當(dāng)?shù)谋O(jiān)測手段。

對于棲息在山林深處的野生動物，無法進(jìn)行有線傳輸，且周圍無基站，巖石、灌木等障礙物對信號傳輸影響較大。因此，需要選取一種能夠同時具備較強(qiáng)抗干擾能力和遠(yuǎn)距離無線傳輸能力的通信方式。鳴叫是動物傳遞信息的重要手段，通過鳴音監(jiān)測可分析動物分布情況。例如，野生保護(hù)動物大壁虎，廣泛分布于我國南部地區(qū)，因在繁殖季節(jié)發(fā)出獨(dú)特響亮的鳴叫而聞名[1]。大壁虎多分散棲息于巖石或樹木縫隙中，需多節(jié)點(diǎn)采集。因此，設(shè)計(jì)一種具備多節(jié)點(diǎn)、遠(yuǎn)距離無線組網(wǎng)、低功耗、信號傳輸能力強(qiáng)等特點(diǎn)的無線監(jiān)測系統(tǒng)對于山林地區(qū)野生保護(hù)動物種群密度監(jiān)測具有重要意義。

針對上述情況，本文以大山林立、植被茂盛的廣西弄崗自然保護(hù)區(qū)的大壁虎為例，在分析各類無線通信技術(shù)差異的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種包含信息采集、LoRa網(wǎng)關(guān)、遠(yuǎn)程終端的動物聲音監(jiān)測系統(tǒng)。

1? 總體設(shè)計(jì)

1.1? 技術(shù)選取

野生動物活動區(qū)域周圍障礙物多，信息傳輸時需采用一種繞射能力強(qiáng)、適合遠(yuǎn)距離傳輸、性價(jià)比高的無線傳輸技術(shù)。無線電波衰減公式為：

式中：[Lfs]表示自由空間損耗;[d]表示通信距離;[f]表示發(fā)射頻率[2]。由式（1）知，電磁波傳輸損耗與通信距離、發(fā)射頻率成正比，即同等傳輸距離下高頻信號傳輸損耗更大。

表1描述了幾種常用無線通信方式的基本性能，其中WiFi，Bluetooth，ZigBee等使用2.4 GHz高頻段，傳輸損耗大，不適合遠(yuǎn)距離傳輸;NB?IoT使用頻段范圍較多，其中1 GHz以下頻段需授權(quán)、付費(fèi)，穿越障礙物能力弱;LoRa技術(shù)成熟、協(xié)議簡單、1 GHz以下頻段無需授權(quán)，功耗極低，傳輸?shù)暮诵氖菙U(kuò)頻通信，根據(jù)香農(nóng)信道容量公式：

式中：[C]是最大信息傳送速率;[W]是信道帶寬;[SN]是傳輸信噪比[3]。擴(kuò)頻通信指在傳輸速率一定時，增大帶寬和降低信噪比等價(jià)。因此，可以通過增大傳輸帶寬來降低對信噪比的要求[4]。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，LoRa傳輸在信噪比低于20 dB情況下可實(shí)現(xiàn)全解調(diào)，適合在障礙物復(fù)雜的山林環(huán)境中使用[5]。

1.2? 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)主要由感知層、傳輸層、應(yīng)用層3層結(jié)構(gòu)構(gòu)成[6]。感知層采集野生動物聲音，傳輸層傳輸聲音信息及命令，應(yīng)用層通過實(shí)驗(yàn)分析得出種群密度情況。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，感知層需準(zhǔn)確采集野生動物聲音信息，傳輸層需可靠、安全、快速傳輸數(shù)據(jù)，應(yīng)用層需結(jié)合大壁虎生活習(xí)性相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，提取動物種群密度信息，進(jìn)行可靠分析預(yù)測[7]。

多個聲音采集節(jié)點(diǎn)通過LoRa無線通信模塊將采集到的信息發(fā)送至LoRa網(wǎng)關(guān)，LoRa網(wǎng)關(guān)將數(shù)據(jù)解析后統(tǒng)一規(guī)范存儲，然后通過GPRS通信模塊傳送給遠(yuǎn)程終端，再由遠(yuǎn)程終端存儲處理數(shù)據(jù)信息及發(fā)送控制指令[8]。

2? 硬件設(shè)計(jì)

野生動物聲音采集系統(tǒng)主要由控制器、存儲器、聲音采集模塊、GPRS通信模塊、LoRa無線通信模塊和電源模塊組成。圖1為系統(tǒng)硬件架構(gòu)。

主要模塊選取情況是：微控制器選取美國德州儀器的MSP430F5438低功耗單片機(jī)，LoRa通信模塊采用Semtech公司生產(chǎn)的ZM470SX?M_SX1278芯片，GPRS通信模塊采用中興公司的ME3000，錄音模塊采用廣州九芯公司的NR7100S芯片，電源采用鋰電池DC?DC降壓供電。

2.1? 微控制器模塊

根據(jù)野生動物聲音采集過程中MCU連接器件多、處理數(shù)據(jù)量較大、要求功耗低的特點(diǎn)，選用MSP430F5438單片機(jī)，其具有100個封裝管腳，4個SPI總線通用串行接口。電源電壓低至1.8 V，工作電流0.1～400 μA，低功耗下喚醒時間為6 μs。

2.2? LoRa通信模塊

為了滿足遠(yuǎn)距離傳輸、低功耗、抗干擾能力強(qiáng)等要求，系統(tǒng)選取通信性能較強(qiáng)的ZM470SX?M_SX1278型通信模塊。圖2給出了SX1278與MCU之間的管腳連接關(guān)系。NSS用作SPI總線片選輸入;SCK為時鐘輸入;通過MISO和MOSI管腳與MCU傳輸數(shù)據(jù);DIO0～DIO3管腳用作中斷輸出。MCU通過中斷方式從FIFO寄存器中存取數(shù)據(jù)。SX1278外圍配置收發(fā)電路及天線。

2.3? GPRS通信模塊

GPRS通信模塊負(fù)責(zé)將動物聲音信息傳輸至遠(yuǎn)程終端及接收終端命令[9]。模塊選取信號較強(qiáng)的華為通信芯片ME3000，圖2給出了ME3000與MCU的管腳連接關(guān)系。UART_RXD和UART_TXD管腳與MCU進(jìn)行收發(fā)數(shù)據(jù)，UART_/RTS和UART_/CTS管腳用作請求發(fā)送和清除發(fā)送數(shù)據(jù)指令。

2.4? 錄音模塊

錄音模塊用九芯公司的NR7100S芯片，NR7100S具備串口控制模式，采用外掛SPI總線存儲器，可大量存儲聲音數(shù)據(jù)，錄音時間長，符合野生動物聲音采集要求。

2.5? 電源模塊

微處理器、聲音采集模塊和LoRa無線通信模塊采用3.7 V鋰電池經(jīng)LM1117?3.3降壓至3.3 V供電。GPRS通信模塊需要2 A以上的驅(qū)動電流，采用9 V鋰電池經(jīng)LM2596芯片降壓提供。

3? 軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)部分主要包括節(jié)點(diǎn)、網(wǎng)關(guān)、遠(yuǎn)程終端3部分，包含采集、傳輸、存儲等過程，軟件開發(fā)采用IAR Embedded Workbench開發(fā)工具。

聲音采集節(jié)點(diǎn)與LoRa網(wǎng)關(guān)組網(wǎng)接收命令并傳輸數(shù)據(jù)。LoRa網(wǎng)關(guān)對節(jié)點(diǎn)傳輸過來的數(shù)據(jù)進(jìn)行解析存儲并通過GPRS模塊傳輸至遠(yuǎn)程控制終端[8]。遠(yuǎn)程控制終端將數(shù)據(jù)儲存在數(shù)據(jù)庫中供數(shù)據(jù)分析使用。

3.1? LoRa網(wǎng)關(guān)軟件設(shè)計(jì)

LoRa網(wǎng)關(guān)的主要功能是管理LoRa無線網(wǎng)絡(luò)、收集節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)通過GPRS轉(zhuǎn)發(fā)至遠(yuǎn)程服務(wù)器終端[8]。具體流程如圖3所示。

網(wǎng)關(guān)初始化后與遠(yuǎn)程服務(wù)器通過TCP協(xié)議建立連接，連接中斷后自行重新連接;采用LoRa私有通信協(xié)議，網(wǎng)關(guān)與節(jié)點(diǎn)采用獨(dú)立激活入網(wǎng)方式組網(wǎng)，構(gòu)成星型組網(wǎng);轉(zhuǎn)發(fā)服務(wù)器命令至節(jié)點(diǎn)及檢測LoRa模塊數(shù)據(jù)情況，通過GPRS模塊發(fā)送至遠(yuǎn)程服務(wù)器終端。系統(tǒng)收發(fā)數(shù)據(jù)采用中斷控制程序方式進(jìn)行[9]。

3.2? 聲音采集節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

聲音采集節(jié)點(diǎn)主要功能是采集野生動物聲音數(shù)據(jù)，加入LoRa網(wǎng)絡(luò)和通過LoRa通信模塊發(fā)送數(shù)據(jù)至網(wǎng)關(guān)。

野生動物聲音采集節(jié)點(diǎn)激活后首先初始化聲音采集芯片，發(fā)送加入網(wǎng)絡(luò)請求，收到LoRa網(wǎng)關(guān)的建立連接指令后與網(wǎng)關(guān)建立連接，采用LoRa無線傳輸模塊將野生動物聲音數(shù)據(jù)傳送至LoRa網(wǎng)關(guān)。傳輸結(jié)束后進(jìn)入休眠，等待喚醒。

3.3? 遠(yuǎn)程終端軟件設(shè)計(jì)

遠(yuǎn)程控制終端在Internet連接成功后可通過GPRS無線通信協(xié)議發(fā)送聲音采集命令和停止命令，接收LoRa網(wǎng)關(guān)通過GPRS模塊發(fā)送的數(shù)據(jù)幀。對數(shù)據(jù)幀進(jìn)行協(xié)議解析，提取有效數(shù)據(jù)并存放在數(shù)據(jù)庫中，供數(shù)據(jù)分析使用[10]。

4? 數(shù)據(jù)分析

遠(yuǎn)程控制終端接收到GPRS模塊傳輸過來的大壁虎聲音數(shù)據(jù)。大壁虎完整的鳴叫分為A，B兩段。A段為6聲ga，ga的急促單音節(jié)，鳴聲較弱，150 m范圍內(nèi)可聞;B段為aei，aei的雙音節(jié)，鳴叫節(jié)奏較慢，鳴聲較強(qiáng)，在300～400 m范圍內(nèi)可聞[1]。

頻譜圖用于反映聲音的頻率特征，取大壁虎一次完整鳴叫過程進(jìn)行頻譜分析，如圖4所示。

根據(jù)頻譜圖可以發(fā)現(xiàn)大壁虎一次完整的鳴叫過程中，鳴音頻率主要集中在低頻、2 700～3 800 Hz及5 500～7 000 Hz，其中低頻為工頻干擾，可以排除。為確定大壁虎鳴音A，B段的主要頻率范圍，考慮到B段聲音較強(qiáng)，能量較大，采用分頻率范圍能量分析的方式進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。

采集多次大壁虎聲音信息，從能量角度進(jìn)行歸一化統(tǒng)計(jì)，如表2所示。從聲譜能量分布表可以看出大壁虎的聲音能量主要集中在低頻和4 000～8 000 Hz。考慮到大壁虎鳴音頻率特點(diǎn)，說明能量主要集中在高頻，由于B段聲音較強(qiáng)，能量較大，可確定B段主要頻率為5 500～7 000 Hz，A段主要頻率為2 700～3 800 Hz。

在廣西弄崗自然保護(hù)區(qū)中選取3個小山體，進(jìn)行現(xiàn)場人工監(jiān)測與遠(yuǎn)程鳴音監(jiān)測比較實(shí)驗(yàn)。時間選取10：30—17：00，每達(dá)到一次完整的聲音頻譜為一次鳴叫。如表3所示，鳴音檢測鳴叫次數(shù)與現(xiàn)場監(jiān)測次數(shù)相似度達(dá)到92.73%以上。結(jié)合鳴音采集時段平均鳴叫次數(shù)1.8次，估測大壁虎數(shù)量，相似度達(dá)到92.59%以上。種群密度監(jiān)測以準(zhǔn)確估測數(shù)量范圍為首要目標(biāo)，因此完全符合種群密度監(jiān)測要求。考慮誤差主要是由于節(jié)點(diǎn)間距離較遠(yuǎn)，某些聲音較低的鳴音沒能完整采集。

5? 結(jié)? 語

野生保護(hù)動物種群密度是反映野生動物數(shù)量的重要指標(biāo)。本文利用LoRa通信方式實(shí)現(xiàn)大壁虎聲音采集系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)在障礙物較多的山林環(huán)境下3 km范圍內(nèi)自行組網(wǎng)及準(zhǔn)確傳輸數(shù)據(jù)，同時根據(jù)大壁虎聲音特性分析大壁虎種群密度，效果良好。

LoRa擴(kuò)頻通信技術(shù)適合在障礙物較多的山林地帶遠(yuǎn)距離通信，在野生動物保護(hù)、森林環(huán)境監(jiān)測、山區(qū)智慧農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域具備獨(dú)特的優(yōu)勢和應(yīng)用空間。

注：本文通信作者為姜愉。

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