一種野生動物野外監(jiān)測裝置制造方法
【專利摘要】一種野生動物野外監(jiān)測裝置，該裝置基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，能以自組織形式形成無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)野生動物監(jiān)測圖像的自動采集和發(fā)送。該野生動物野外監(jiān)測裝置由圖像采集模塊、圖像處理模塊、無線通信模塊、GPS模塊和供電模塊組成。其中圖像采集模塊配備3個熱釋電紅外傳感器、多個紅外LED、光敏傳感器和2個舵機，可以實現(xiàn)野生動物監(jiān)測圖像的自動采集。該野生動物野外監(jiān)測裝置采用基于壓縮感知的圖像壓縮算法，具有較高的能量效率和較高的壓縮比以減少數(shù)據(jù)傳輸量。本發(fā)明是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在野生動物監(jiān)測方面的成功應(yīng)用，可以全天候的獲取野生動物監(jiān)測圖像，幫助研究人員遠程、實時地掌握野生動物資源現(xiàn)狀及其動態(tài)變化。
【專利說明】一種野生動物野外監(jiān)測裝置
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種野生動物野外監(jiān)測裝置，屬于野外檢測領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]野生動物的生存與發(fā)展維系著整個生態(tài)系統(tǒng)的平衡與穩(wěn)定。野生動物種類、數(shù)量和棲息地狀況是生態(tài)系統(tǒng)變化和反映管理策略的重要指示因子。野生動物監(jiān)測可以提供野生動物資源種類、數(shù)量和棲息地狀況的必要信息，幫助研究人員掌握野生動物資源現(xiàn)狀以及野生動物資源的動態(tài)變化，為有效保護、持續(xù)利用、科學(xué)管理野生動物資源提供依據(jù)。
[0003]野生動物監(jiān)測對于保護稀瀕危野生動物物種尤為重要。野生動物監(jiān)測，主要面臨環(huán)境復(fù)雜性、動物習(xí)性特殊性和差異性等挑戰(zhàn)。野生動物監(jiān)測是國內(nèi)外研究的熱點領(lǐng)域，而目前國內(nèi)有關(guān)野生動物的長期動態(tài)監(jiān)測的研究還十分缺乏。概括起來，野生動物監(jiān)測主要有以下幾種方式:1.人工野外調(diào)查，具體方法有截線法、定點計數(shù)法、遇見率法、問卷調(diào)查法等，該方式監(jiān)測范圍有限、勞動強度大，危險性高，而且不能實現(xiàn)全天候監(jiān)測；2.全球定位系統(tǒng)(GPS)項圈方式，相對于傳統(tǒng)的無線電項圈，GPS項圈提供更好的空間分辨率和在更廣闊的時間和空間條件下確定位置，但該監(jiān)測方式不夠友好，也不能獲取動物影像信息；
3.紅外相機方式，紅外相機拍攝的圖像數(shù)據(jù)存儲在本地大容量SD存儲卡內(nèi)，研究人員每隔一定時間間隔，要去現(xiàn)場取出SD卡，讀出數(shù)據(jù)，這種方式存在數(shù)據(jù)采集滯后、監(jiān)測周期長、勞動強度大、危險性高等弊端，也有的紅外相機跟3G網(wǎng)絡(luò)結(jié)合，將采集到的圖像數(shù)據(jù)通過3G網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到用戶手機，該方式依賴3G手機信號覆蓋，而在一些國家級自然保護區(qū)的核心區(qū)是沒有手機信號的；4.無線攝像頭，無線寬帶微波傳輸圖像，該方式需要市電供電，而且由于部署較高，容易受樹冠遮擋，很難獲取林中活動野生動物影像，該設(shè)備造價也比較高；
5.衛(wèi)星遙感監(jiān)測，衛(wèi)星遙感綜合監(jiān)測難以精確測量局部微觀信息，而且存在掃描周期，不能實時監(jiān)測?？梢?，傳統(tǒng)野生動物保護監(jiān)測方式不利于研究人員全面、準(zhǔn)確、及時地掌握野生動物資源現(xiàn)狀以及野生動物資源的動態(tài)變化。
[0004]無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)是新興的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的核心技術(shù)。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有低成本、低功耗、方便擴展等優(yōu)點，因此獲得了廣泛應(yīng)用。目前，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)主要采集的是數(shù)據(jù)量較小的光照、溫度等簡單的物理信息。近幾年，隨著CMOS圖像傳感器技術(shù)的進步，將低功耗、價格便宜的圖像傳感器引入無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中已經(jīng)成為可能，但是，圖像傳感器產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量巨大。因此無線多媒體傳感器網(wǎng)絡(luò)伴隨著其自身的應(yīng)用領(lǐng)域和挑戰(zhàn)，逐漸成為一個新的研究領(lǐng)域。其中，最有前景的應(yīng)用之一就是野生動物監(jiān)測。

【發(fā)明內(nèi)容】
:
[0005]本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有野生動物監(jiān)測的不足，提出一種基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的野生動物野外監(jiān)測裝置，通過自組織方式形成無線傳感器網(wǎng)絡(luò)進行野生動物圖像信息的采集和傳輸，幫助研究人員遠程、實時掌握野生動物資源現(xiàn)狀以及野生動物資源的動態(tài)變化。為了實現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明實例采用的技術(shù)方案如下:[0006]基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的野生動物野外監(jiān)測裝置包括圖像采集模塊、圖像處理模塊、無線通信模塊、GPS模塊和供電模塊。其中圖像采集模塊配備3個熱釋電紅外傳感器、多個紅外LED、光敏傳感器和2個舵機；熱釋電紅外傳感器的感應(yīng)角度為120°，3個熱釋電紅外傳感器分別朝向3個方向，并且感應(yīng)范圍互不重疊。野生動物野外監(jiān)測裝置采用基于壓縮感知理論的圖像壓 縮算法，該算法具有較高的能量效率和較高的壓縮比以減少數(shù)據(jù)傳輸量。[0007]上述技術(shù)方案中，所述基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的野生動物野外監(jiān)測裝置，其特征在于所述野生動物野外監(jiān)測裝置由圖像采集模塊、圖像處理模塊、無線通信模塊、GPS模塊和供電模塊組成，所述圖像采集模塊配備3個熱釋電紅外傳感器、多個紅外LED、光敏傳感器和2個舵機，所述熱釋電紅外傳感器的感應(yīng)角度為120°，3個熱釋電紅外傳感器分別朝向3個方向，并且感應(yīng)范圍互不重疊。野生動物野外監(jiān)測裝置平常處于休眠狀態(tài)，一旦有野生動物進入探測區(qū)域時，野生動物野外監(jiān)測裝置立即啟動，并通過控制2個舵機的轉(zhuǎn)動角度調(diào)整鏡頭，使其面向檢測到野生動物的熱釋電紅外傳感器所對應(yīng)的方向，進行圖片拍攝。光敏傳感器判斷光線是否充足，光線充足時，所拍照片為彩色圖片；光線不足時啟動紅外LED進行照明，所拍照片為黑白照片。野生動物野外監(jiān)測裝置可以實現(xiàn)全天候的采集、壓縮并發(fā)送野生動物紅外圖像數(shù)據(jù)及轉(zhuǎn)發(fā)其他野生動物野外監(jiān)測裝置的紅外圖像數(shù)據(jù)，同時實現(xiàn)GPS定位功能。
[0008]所述基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的野生動物野外監(jiān)測裝置，以太陽能充電直流電源作為裝置的外接電源，實現(xiàn)雙電源同時供電，延長待機時間。
[0009]所述野生動物野外監(jiān)測裝置廣泛部署在野生動物活動區(qū)域或附近區(qū)域，以ZigBee技術(shù)為基礎(chǔ)，通過自組織方式形成網(wǎng)絡(luò)。
[0010]所述基于壓縮感知理論的圖像壓縮算法其特征為首先將一幅圖像X分成若干個大小為BXB的子塊Xi，對每個子塊進行變換得到相應(yīng)的向量表示Gi，對每個01選取相同的觀測矩陣ΦB進行觀測，得到觀測值Yi = ΦΒΧ Qi，然后對觀測值^進行差分脈沖編碼調(diào)制和哈夫曼編碼，最后得到壓縮的信號P。重構(gòu)是將P進行哈夫曼解碼、差分脈沖解碼調(diào)制，得到觀測值Yi然后對每個觀測值Yi通過迭代投影(SPL)算法重構(gòu)，經(jīng)圖像重組得到恢復(fù)后的圖像X’。
[0011]傳統(tǒng)的野生動物監(jiān)測手段技術(shù)落后、效率低，嚴(yán)重妨礙了野生動物保護工作的正常進行。利用本發(fā)明的基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的野生動物野外監(jiān)測裝置，組成無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)對野生動物監(jiān)測區(qū)域的完全覆蓋；本發(fā)明通過野生動物野外監(jiān)測裝置自動拍攝野生動物的監(jiān)測圖像，無需人工參與；本發(fā)明基于先進的壓縮感知理論提出適合于處理能力、電源續(xù)航時間和信道傳輸帶寬均受限的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的低復(fù)雜度的圖像壓縮算法。本發(fā)明設(shè)計是壓縮感知在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)方面的成功應(yīng)用，有利于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的低功耗和多媒體信息的低數(shù)據(jù)量傳輸。
【專利附圖】

【附圖說明】:
[0012]圖1為野生動物野外監(jiān)測裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0013]圖2為野生動物野外監(jiān)測裝置的硬件結(jié)構(gòu)示意圖；
[0014]圖3為野生動物野外監(jiān)測裝置的工作流程圖；[0015]圖4為基于壓縮感知的圖像壓縮算法流程圖。
【具體實施方式】:
[0016]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做進一步的說明。
[0017]本發(fā)明的野生動物野外監(jiān)測裝置，其組成結(jié)構(gòu)如附圖1所示，具體說明如下:
[0018]為了適應(yīng)圖像數(shù)據(jù)處理復(fù)雜和兼顧能耗的問題，本發(fā)明設(shè)計以ARM為核心控制芯片的野生動物野外監(jiān)測裝置，可以完成圖像采集及壓縮、無線路由和通信傳輸功能。本發(fā)明的野生動物野外監(jiān)測裝置系統(tǒng)設(shè)計組成主要包括:圖像采集模塊、圖像處理中心、ZigBee無線通信模塊和太陽能電池供電模塊等四個部分。野生動物野外監(jiān)測裝置配備3個熱釋電紅外傳感器(5)和多個紅外LED(I)，熱釋電紅外傳感器(5)的感應(yīng)角度為120°，3個熱釋電紅外傳感器(5)分別朝向3個方向，并且感應(yīng)范圍互不重疊。野生動物野外監(jiān)測裝置平常處于休眠狀態(tài)，一旦有野生動物進入熱釋電紅外傳感器(5)探測區(qū)域時，野生動物野外監(jiān)測裝置立即啟動，并通過控制2個舵機(4)的轉(zhuǎn)動角度調(diào)整鏡頭，使其面向檢測到野生動物的熱釋電紅外傳感器(5)所對應(yīng)的方向，進行圖片拍攝。通過光敏傳感器(3)判斷光線是否充足，光線充足時，所拍照片為彩色圖片；夜間光線不足時啟動紅外LED(I)進行照明，所拍照片為黑白照片。此外，野生動物野外監(jiān)測裝置的其他模塊都安放在保護殼(6)中，支架(7)可以根據(jù)需要調(diào)整拍攝的高度。
[0019]野生動物野外監(jiān)測裝置硬件框圖如附圖2所示。其中，圖像采集模塊由紅外發(fā)光LED、熱釋電紅外傳感器、光敏傳感器、圖像傳感器和2個舵機組成。圖像處理中心以ARM微處理器為核心，包括圖像信息中斷控制、圖像數(shù)據(jù)編解碼設(shè)備、圖像數(shù)據(jù)A/D轉(zhuǎn)換、圖像數(shù)據(jù)存儲設(shè)備、同/異步串行接口和通用I/O接口等外圍擴展電路。ZigBee無線通信模塊包括低噪聲放大器、濾波與混頻器、功率放大器、調(diào)制與解調(diào)、A/D與D/A和控制邏輯等模塊。太陽能電池供電模塊由蓄電池、斬波電路、太陽能電池、控制器和測量電路等組成。
[0020]野生動物野外監(jiān)測裝置相當(dāng)于匯聚節(jié)點的子節(jié)點，自組織式聯(lián)網(wǎng)，是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的基層環(huán)節(jié)，直接和野生動物圖像采集相關(guān)聯(lián)，將圖像數(shù)據(jù)壓縮編碼后進行傳遞，主要工作有:裝置喚醒、野生動物圖像采集、圖像壓縮編碼、發(fā)送數(shù)據(jù)、進入休眠等，具體工作流程如圖3所示。
[0021]野生動物野外監(jiān)測裝置通常情況下處于休眠模式，當(dāng)接收到紅外熱感應(yīng)觸發(fā)信號被喚醒后，馬上發(fā)出命令通過舵機調(diào)整鏡頭，使其面向檢測到野生動物的熱釋電紅外傳感器所對應(yīng)的方向，同時，通過光敏傳感器判斷光線是否充足，若不充足，啟動紅外LED照明，圖像傳感器進行野生動物圖像采集，然后將采集到的圖像數(shù)據(jù)發(fā)送給圖像處理模塊進行壓縮編碼；GPS模塊啟動，并獲取定位數(shù)據(jù)；與此同時，發(fā)送請求加入網(wǎng)絡(luò)，等待匯聚節(jié)點的應(yīng)答成功加入網(wǎng)絡(luò)后，開始將壓縮編碼后的圖像數(shù)據(jù)和定位數(shù)據(jù)發(fā)送到匯聚節(jié)點，匯聚節(jié)點發(fā)送應(yīng)答位，確定接收成功后，野生動物野外監(jiān)測裝置又轉(zhuǎn)入休眠狀態(tài)，這樣循環(huán)往復(fù)。
[0022]所述基于壓縮感知理論的圖像壓縮算法為首先將一幅圖像X分成若干個大小為BXB的子塊Xi，對每個子塊進行變換得到相應(yīng)的向量表示Gi，對每個01選取相同的觀測矩陣ΦB進行觀測，得到觀測值Yi = ΦΒΧ Θ i，然后對觀測值71進行差分脈沖編碼調(diào)制和哈夫曼編碼，最后得到壓縮的信號P。重構(gòu)是將P進行哈夫曼解碼、差分脈沖解碼調(diào)制，得到觀測值Yi然后對每個觀測值Yi通過迭代投影(SPL)算法重構(gòu)，經(jīng)圖像重組得到恢復(fù)后的圖像 V。
[0023]以上所述，僅為本發(fā)明較佳的【具體實施方式】，但本發(fā)明的保護范圍并不局限于此，任何熟悉本【技術(shù)領(lǐng)域】的技術(shù)人員在本發(fā)明實施例揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到的變化或替換，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。因此本發(fā)明的保護范圍應(yīng)該以權(quán)利要求的保護范圍為準(zhǔn)。
【權(quán)利要求】
1.一種野生動物野外監(jiān)測裝置，其特征在于采用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，實現(xiàn)野生動物監(jiān)測圖像自動采集、壓縮和通過無線傳感器網(wǎng)絡(luò)進行傳輸；所述野生動物野外監(jiān)測裝置由圖像采集模塊、圖像處理模塊、無線通信模塊、GPS模塊和供電模塊組成，所述圖像采集模塊配備3個熱釋電紅外傳感器、多個紅外LED、光敏傳感器和2個舵機，所述熱釋電紅外傳感器的感應(yīng)角度為120°，3個熱釋電紅外傳感器分別朝向3個方向，并且感應(yīng)范圍互不重疊；野生動物野外監(jiān)測裝置平常處于休眠狀態(tài)，一旦有野生動物進入探測區(qū)域時，野生動物野外監(jiān)測裝置立即啟動，并通過控制2個舵機的轉(zhuǎn)動角度調(diào)整鏡頭，使其面向檢測到野生動物的熱釋電紅外傳感器所對應(yīng)的方向，進行圖片拍攝；光敏傳感器判斷光線是否充足，光線充足時，所拍照片為彩色圖片；光線不足時啟動紅外LED進行照明，所拍照片為黑白照片；野生動物野外監(jiān)測裝置實現(xiàn)全天候的采集、壓縮并發(fā)送野生動物紅外圖像數(shù)據(jù)及轉(zhuǎn)發(fā)其他野生動物野外監(jiān)測裝置的紅外圖像數(shù)據(jù)，同時實現(xiàn)GPS定位功能；所述野生動物野外監(jiān)測裝置用于處理能力、電源續(xù) 航時間和信道傳輸帶寬受限的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，通過將一幅圖像X分成若干個大小為BXB的子塊Xi，對每個子塊進行變換得到相應(yīng)的向量表示Gi，對每個Θ i選取相同的觀測矩陣ΦΒ進行觀測，得到觀測值Ji = ΦΒΧ Θ ,，然后對觀測值Ji進行差分脈沖編碼調(diào)制和哈夫曼編碼，最后得到壓縮的信號P ;重構(gòu)是將P進行哈夫曼解碼、差分脈沖解碼調(diào)制，得到觀測值Yi然后對每個觀測值Yi通過迭代投影(SPL)算法重構(gòu)，經(jīng)圖像重組得到恢復(fù)后的圖像X 。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種野生動物野外監(jiān)測裝置，其特征在于以太陽能充電直流電源作為該裝置的外接電源，實現(xiàn)雙電源同時供電，延長待機時間。
【文檔編號】H04N7/18GK103546728SQ201310563161
【公開日】2014年1月29日 申請日期:2013年11月14日 優(yōu)先權(quán)日:2013年11月14日
【發(fā)明者】張軍國, 羅鑫, 李文彬, 向秋敏 申請人:北京林業(yè)大學(xué)