一种基于LoRa的野生动物声音监测系统研究
时间：2021-01-28 00:04:41 来源：达达文档网 本文已影响 人 
许晓东 姜愉 孙卫宁 阳建中 屈百达
摘 要：
针对野生保护动物主要分布于无信号的山区深处而难于监测的情况，提出一种利用LoRa技术的野生动物声音监测系统。文章以野生保护动物大壁虎为例，设计一种包含信息采集、LoRa网关及远程信息接收模块的声音监测系统，并对大壁虎声音进行实验分析。研究结果表明，LoRa扩频通信方式可实现在障碍物较多的山林环境下3 km范围内自行组网并准确传输数据，结合大壁虎声音特性，可准确监测其种群密度。此项研究对山区智慧农业、森林环境监测等领域具备较好参考价值。
关键词：
野生动物; 声音监测; 系统设计; LoRa; 远程通信; 扩频通信
中图分类号：
TN98?34; TP274+.2 文献标识码：
A 文章编号：
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
为了更好地保护野生动物，需要对其数量、种群密度及变化情况进行监测[1]。常用的监测工具包括无人机、红外照相机等，受天气因素、周围环境、动物生活习性影响较大，往往难以准确地估算野生动物数量和种群密度。因此，需要根据具体情况选择适当的监测手段。
对于栖息在山林深处的野生动物，无法进行有线传输，且周围无基站，岩石、灌木等障碍物对信号传输影响较大。因此，需要选取一种能够同时具备较强抗干扰能力和远距离无线传输能力的通信方式。鳴叫是动物传递信息的重要手段，通过鸣音监测可分析动物分布情况。例如，野生保护动物大壁虎，广泛分布于我国南部地区，因在繁殖季节发出独特响亮的鸣叫而闻名[1]。大壁虎多分散栖息于岩石或树木缝隙中，需多节点采集。因此，设计一种具备多节点、远距离无线组网、低功耗、信号传输能力强等特点的无线监测系统对于山林地区野生保护动物种群密度监测具有重要意义。
针对上述情况，本文以大山林立、植被茂盛的广西弄岗自然保护区的大壁虎为例，在分析各类无线通信技术差异的基础上，设计了一种包含信息采集、LoRa网关、远程终端的动物声音监测系统。
1 总体设计
1.1 技术选取
野生动物活动区域周围障碍物多，信息传输时需采用一种绕射能力强、适合远距离传输、性价比高的无线传输技术。无线电波衰减公式为：
式中：[Lfs]表示自由空间损耗;[d]表示通信距离;[f]表示发射频率[2]。由式（1）知，电磁波传输损耗与通信距离、发射频率成正比，即同等传输距离下高频信号传输损耗更大。
表1描述了几种常用无线通信方式的基本性能，其中WiFi，Bluetooth，ZigBee等使用2.4 GHz高频段，传输损耗大，不适合远距离传输;NB?IoT使用频段范围较多，其中1 GHz以下频段需授权、付费，穿越障碍物能力弱;LoRa技术成熟、协议简单、1 GHz以下频段无需授权，功耗极低，传输的核心是扩频通信，根据香农信道容量公式：
式中：[C]是最大信息传送速率;[W]是信道带宽;[SN]是传输信噪比[3]。扩频通信指在传输速率一定时，增大带宽和降低信噪比等价。因此，可以通过增大传输带宽来降低对信噪比的要求[4]。实验结果表明，LoRa传输在信噪比低于20 dB情况下可实现全解调，适合在障碍物复杂的山林环境中使用[5]。
1.2 系统设计
本设计主要由感知层、传输层、应用层3层结构构成[6]。感知层采集野生动物声音，传输层传输声音信息及命令，应用层通过实验分析得出种群密度情况。根据设计要求，感知层需准确采集野生动物声音信息，传输层需可靠、安全、快速传输数据，应用层需结合大壁虎生活习性相关数据进行分析，提取动物种群密度信息，进行可靠分析预测[7]。
多个声音采集节点通过LoRa无线通信模块将采集到的信息发送至LoRa网关，LoRa网关将数据解析后统一规范存储，然后通过GPRS通信模块传送给远程终端，再由远程终端存储处理数据信息及发送控制指令[8]。
2 硬件设计
野生动物声音采集系统主要由控制器、存储器、声音采集模块、GPRS通信模块、LoRa无线通信模块和电源模块组成。图1为系统硬件架构。
主要模块选取情况是：微控制器选取美国德州仪器的MSP430F5438低功耗单片机，LoRa通信模块采用Semtech公司生产的ZM470SX?M_SX1278芯片，GPRS通信模块采用中兴公司的ME3000，录音模块采用广州九芯公司的NR7100S芯片，电源采用锂电池DC?DC降压供电。
2.1 微控制器模块
根据野生动物声音采集过程中MCU连接器件多、处理数据量较大、要求功耗低的特点，选用MSP430F5438单片机，其具有100个封装管脚，4个SPI总线通用串行接口。电源电压低至1.8 V，工作电流0.1～400 μA，低功耗下唤醒时间为6 μs。
2.2 LoRa通信模块
为了满足远距离传输、低功耗、抗干扰能力强等要求，系统选取通信性能较强的ZM470SX?M_SX1278型通信模块。图2给出了SX1278与MCU之间的管脚连接关系。NSS用作SPI总线片选输入;SCK为时钟输入;通过MISO和MOSI管脚与MCU传输数据;DIO0～DIO3管脚用作中断输出。MCU通过中断方式从FIFO寄存器中存取数据。SX1278外围配置收发电路及天线。
2.3 GPRS通信模块
GPRS通信模块负责将动物声音信息传输至远程终端及接收终端命令[9]。模块选取信号较强的华为通信芯片ME3000，图2给出了ME3000与MCU的管脚连接关系。UART_RXD和UART_TXD管脚与MCU进行收发数据，UART_/RTS和UART_/CTS管脚用作请求发送和清除发送数据指令。
2.4 录音模块
录音模块用九芯公司的NR7100S芯片，NR7100S具备串口控制模式，采用外挂SPI总线存储器，可大量存储声音数据，录音时间长，符合野生动物声音采集要求。
2.5 电源模块
微处理器、声音采集模块和LoRa无线通信模块采用3.7 V锂电池经LM1117?3.3降压至3.3 V供电。GPRS通信模块需要2 A以上的驱动电流，采用9 V锂电池经LM2596芯片降压提供。
3 软件设计
软件设计部分主要包括节点、网关、远程終端3部分，包含采集、传输、存储等过程，软件开发采用IAR Embedded Workbench开发工具。
声音采集节点与LoRa网关组网接收命令并传输数据。LoRa网关对节点传输过来的数据进行解析存储并通过GPRS模块传输至远程控制终端[8]。远程控制终端将数据储存在数据库中供数据分析使用。
3.1 LoRa网关软件设计
LoRa网关的主要功能是管理LoRa无线网络、收集节点数据通过GPRS转发至远程服务器终端[8]。具体流程如图3所示。
网关初始化后与远程服务器通过TCP协议建立连接，连接中断后自行重新连接;采用LoRa私有通信协议，网关与节点采用独立激活入网方式组网，构成星型组网;转发服务器命令至节点及检测LoRa模块数据情况，通过GPRS模块发送至远程服务器终端。系统收发数据采用中断控制程序方式进行[9]。
3.2 声音采集节点软件设计
声音采集节点主要功能是采集野生动物声音数据，加入LoRa网络和通过LoRa通信模块发送数据至网关。
野生动物声音采集节点激活后首先初始化声音采集芯片，发送加入网络请求，收到LoRa网关的建立连接指令后与网关建立连接，采用LoRa无线传输模块将野生动物声音数据传送至LoRa网关。传输结束后进入休眠，等待唤醒。
3.3 远程终端软件设计
远程控制终端在Internet连接成功后可通过GPRS无线通信协议发送声音采集命令和停止命令，接收LoRa网关通过GPRS模块发送的数据帧。对数据帧进行协议解析，提取有效数据并存放在数据库中，供数据分析使用[10]。
4 数据分析
远程控制终端接收到GPRS模块传输过来的大壁虎声音数据。大壁虎完整的鸣叫分为A，B两段。A段为6声ga，ga的急促单音节，鸣声较弱，150 m范围内可闻;B段为aei，aei的双音节，鸣叫节奏较慢，鸣声较强，在300～400 m范围内可闻[1]。
频谱图用于反映声音的频率特征，取大壁虎一次完整鸣叫过程进行频谱分析，如图4所示。
根据频谱图可以发现大壁虎一次完整的鸣叫过程中，鸣音频率主要集中在低频、2 700～3 800 Hz及5 500～7 000 Hz，其中低频为工频干扰，可以排除。为确定大壁虎鸣音A，B段的主要频率范围，考虑到B段声音较强，能量较大，采用分频率范围能量分析的方式进行统计。
采集多次大壁虎声音信息，从能量角度进行归一化统计，如表2所示。从声谱能量分布表可以看出大壁虎的声音能量主要集中在低频和4 000～8 000 Hz。考虑到大壁虎鸣音频率特点，说明能量主要集中在高频，由于B段声音较强，能量较大，可确定B段主要频率为5 500～7 000 Hz，A段主要频率为2 700～3 800 Hz。
在广西弄岗自然保护区中选取3个小山体，进行现场人工监测与远程鸣音监测比较实验。时间选取10：30—17：00，每达到一次完整的声音频谱为一次鸣叫。如表3所示，鸣音检测鸣叫次数与现场监测次数相似度达到92.73%以上。结合鸣音采集时段平均鸣叫次数1.8次，估测大壁虎数量，相似度达到92.59%以上。种群密度监测以准确估测数量范围为首要目标，因此完全符合种群密度监测要求。考虑误差主要是由于节点间距离较远，某些声音较低的鸣音没能完整采集。
5 结 语
野生保护动物种群密度是反映野生动物数量的重要指标。本文利用LoRa通信方式实现大壁虎声音采集系统，实现在障碍物较多的山林环境下3 km范围内自行组网及准确传输数据，同时根据大壁虎声音特性分析大壁虎种群密度，效果良好。
LoRa扩频通信技术适合在障碍物较多的山林地带远距离通信，在野生动物保护、森林环境监测、山区智慧农业等领域具备独特的优势和应用空间。
注：本文通信作者为姜愉。
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