基于無線圖像傳感器網絡的野生動物監測系統數據可靠傳輸研究

張希剛+張軍國+王遠+肖江

摘 要 野生動物監測是野生動物保護、管理和可持續利用的重要環節。針對傳統監測方式效率低的缺點，本文設計了基于無線圖像傳感器網絡的野生動物監測系統；重點設計了基于STM32F1芯片和Xbee Pro 模塊的終端節點和匯聚節點硬件電路， 并在ZigBee協議的應用層設計了數據重傳網絡傳輸協議。試驗結果表明，系統能夠實現野生動物監測圖像數據的自助采集、無線可靠傳輸，在協調節點與終端節點相距100m、150m、200m和250m時，有應用層重傳協議的節點丟包率分別為0.64%、0.94%、1.46%、1.83%，相較于無重傳協議的節點，傳輸可靠性有顯著提高。

【關鍵詞】野生動物監測 無線圖像傳感器 網絡數據 可靠傳輸 網絡節點

1 引言

野生動物監測是保護珍貴瀕危野生動物，可持續利用野生動物資源的重要環節[1，2]。為克服人工野生動物監測費時費力的缺點，衛星監測、“3S”技術和無線電項圈等技術開始應用于野生動物調查[3-5]。但這些監測方式在準確性和實時性等方面存在不足。例如，衛星監測周期長，難以監測局部信息。紅外相機捕獲野生動物圖像，省時省力，費用低，已成為野生動物調查的利器[6-8]。但如何將圖像實時傳輸給研究者和管理決策部門，成為野生動物相機監測面臨的重要問題。

無線圖像傳感器網絡技術以低功耗、低成本等特點受到研究人員廣泛關注，在農業、環境和工業監測等領域有廣闊的應用[9-，11]。無線圖像傳感器網絡可以克服野生動物相機監測數據無法及時傳輸等問題。

目前，無線圖像傳感器技術在實際的野生動物監測尚不多見。Vladimir Dyo等人[12]采用RFID-WSN實現了獾的位置監測，但無法實現野生動物圖像監測。Ravi Bagree等人采用無線傳感器技術設計了TigerCENSE節點實現了老虎的監測[13]，但僅在動物園進行相關實驗測試，沒有在森林環境中運行。Garcia-Sanchez等人利用Imote節點開發了感興趣區域移動目標監控系統[14]，實現了經過公路通道的野生動物的跟蹤，但監測范圍有限。另外，上述設計都沒有對監測數據可靠傳輸問題進行討論。

論文針對野生動物監測數據無法及時傳輸給研究者的問題，對現有野生動物監測系統和無線傳感器網絡充分研究的基礎上，設計了基于無線圖像傳感器網絡的野生動物監測系統，并且為適應野生動物監測，在ZigBee協議應用層設計數據重傳機制，實現了野生動物圖像數據可靠傳輸。

2 基于無線圖像傳感器網絡的野生動物監測系統

2.1 監測系統基本結構

該系統由無線圖像傳感器終端節點、匯聚節點、本地數據監測中心和遠程數據監測中心等構成，結構如圖1所示。

圖像傳感器節點和路由節點部署在野生動物監測區域內，以自組織的方式構成無線圖像傳感器網絡，野生動物進入監測視野時，觸發相機拍照，將采集到的圖像以及溫濕度等信息以多跳的網絡方式傳送到匯聚節點，匯聚節點負責接收和融合網絡中所有節點的信息，并通過網關節點將數據傳輸到本地監測中心，監測中心軟件對接收的數據進行分析、處理、存儲和圖形化顯示，實現了野生動物圖像及生存環境實時在線監測。本地監測中心可以根據實際需要將獲取信息上傳網絡，有關研究人員和部門可以及時獲取數據，從而詳細掌握野生動物生存狀態等信息。

2.2 無線圖像傳感器網絡節點硬件設計

2.2.1 無線圖像傳感器網絡圖像采集節點硬件設計

無線圖像傳感器網絡圖像采集節點負責野生動物圖像采集、溫室度等信息采集以及數據的無線傳輸。它由處理模塊、溫濕度傳感器模塊、圖像采集模塊、無線通訊模塊、存儲模塊和電源模塊等組成。圖像硬件節點結構圖和實物如圖2、3所示。

處理器模塊以ST公司的STM32F103VET6微控制器為核心，該控制器是以ARM Cortex-M3為內核，工作頻率最高72 MHz，具有多種標準和通信接口（I2C、SPI、SDIO、USART）。帶有靈活的靜態存儲器控制器，支持 SD卡，方便數據存儲。

無線傳輸模塊采用XBee-PRO 900HP，它和單片機通過串口或SPI接口連接，并通過API協議通訊。該模塊采用了Digimesh的網絡協議，可自組織成無線傳感器網絡。

圖像采集模塊由CMOS圖像感光元器件OV775和緩存芯片ALB422B組成，利用SCCB總線協議配置攝像頭不同格式輸出、分辨率調整、亮度和增益等。

SL620人體感應模塊是基于紅外線技術的自動控制產品，靈敏度高，感應距離在0-20m，可靠性強，超低電壓工作模式。

2.2.2 無線圖像傳感器網絡匯聚節點硬件設計

無線圖像傳感器網絡匯聚節點負責匯聚野生動物圖像信息，以及通過以太網傳輸到本地管理中心或者通過3G網絡上傳服務器。匯聚節點在終端節點的基礎上增加了以太網模塊和3G無線路由器模塊，其結構圖和實物圖分別如圖4、5所示。

匯聚節點的以太網模塊選取了WIZnet公司的W5500，其內部集成全硬件TCP/IP協議棧，具有簡單快速、可靠性高、安全性好等顯著優勢。W5500 提供了 SPI作為外設主機接口，使得微控制器接入以太網方案的硬件設計更為簡捷和高效。

3G模塊選用W3100系列 3G路由器，其內置無線通信模塊，通過交換機可實現PC機和匯聚節點共同連接到Internet上，實現數據遠程傳輸。

3 野生動物監測數據可靠傳輸研究

確認機制是ZigBee協議MAC層保證數據可靠性傳輸的有效策略。匯聚節點接收終端節點發送數據包后，發送ACK應答，但森林環境中，由于無線信道不穩定或者信號衰減，ACK應答容易被湮沒；當終端節點無法正常接收ACK應答時會重復發送該數據包，直到收到ACK應答或達到最大重傳次數閾值。另外，森林環境下，數據包丟率高也是無法回避。

BMP圖片文件頭和位圖信息頭包含文件類型、文件大小和位圖尺寸等重要信息，這些數據一旦丟失，圖片將無法還原。而BMP圖片位圖數據少量丟失對圖片還原不會造成致命傷害。為使野生動物圖像數據可靠性傳輸與速度相結合，本文在應用層設計了重傳機制，流程圖如圖6所示。

為每一個數據包進行ID標號，對于文件頭和文件尾包進行無限次的重傳，直到匯聚節點正確接收到數據。而對位圖數據設定重傳閾值，當數據包無法正確接收后進行重傳，但當重傳次數達到設定的重傳閾值后，舍棄這個數據包，進行下一包數據發送。等到整個結束包發送完畢后讀取匯聚節點未正確接收數據包ID，根據ID標號對舍棄數據包重新發送。另外，設定ID標號，也可以避免匯聚節點數據重復接收。

4 實驗測試

利用本文設計的系統，對圖像數據丟包率進行了測試。通過圖像數據丟包率測試驗證系統網絡傳輸的穩定性和可靠性。

試驗時，在內蒙古賽罕烏拉自然保護區選取野生動物經常出沒的區域；設置天線距離地面高度為1.5m，節點以最大發射功率（24dBm）發送數據，固定匯聚節點于野生動物監測區域中心位置，將野生動物監測節點分別放置于與匯聚節點相距100m、150m、200m和250m的樹林下。采用休眠喚醒機制降低網絡能量消耗，當野生動物進入監測視野范圍時，啟動設備，抓取圖片，進行無線傳輸。終端節點實驗圖和網絡丟包率實驗結果分別如圖7、8所示。

由實驗結果可以看出，隨著距離增大，圖像數據包丟包率也不斷增大。在有應用層數據重傳網絡協議的節點丟包率明顯減少，在100m、150m、200m、250m丟包率分別為0.64%、0.94%、1.46%、1.83%。

5 結論

為有效監測野生動物，本文設計了基于無線圖像傳感器網絡的野生動物監測系統。首先設計了以STM32F103VE為核心、以Xbee Pro為無線傳輸模塊的終端節點硬件電路。然后，在終端節點的基礎上增加了以太網模塊和3G路由模塊形成了匯聚節點。為解決林區環境中由于無線信道不穩定引起的匯聚節點丟包和數據重復接收問題，設計了數據重傳網絡協議。試驗證明，系統不僅能實現監測區域野生動物的圖像監測和無線傳輸，而且有效減少了圖像數據傳輸中的丟包率。為野生動物監測提供了一種有效的解決方案。后續工作將在系統的能耗和節點故障監測方面做進一步研究。

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