基于无线传感器网络的野生动物图像监测系统设计

64现代制造技术与裝备2017第3期总第244期图2节点硬件结构系统 CPU 采用 STM32F 103VET6。

该芯片为 ARMCor t ex-M332 位的处理器，具有512k B 的Flash。

该芯片功耗较小，工作 时电流为421 u A ，休眠时电流仅为1.9 u A ，适合于野外工 作的节点。

ZigBee通信模块选用美国D I G I 公司生产的XBee-PRO其中，监测节点分布在监测区域内，自组织形成多跳的监 控网络；监测节点所采集的图像数据通过传感器网络传输 到协调节点中，然后再通过4G 网络等将图像传输至上位机。

2硬件平台设计硬件平台设计主要包括监测节点硬件设计和协调节点硬件设计。

其中，监测节点主要由处理器模块、ZigBee通信模块、图像釆集模块和供能 模块四部分组成；协调节点则主要由处理器模块、ZigBee 通信模块、4G 网络模块、供能模块四部分组成。

两者结构 相似，因此本文将两者一起进行设计。

节点的硬件结构， 如图2所示。

引g图像采集是进行野生动物保护以及分析其生存现状的重要组成部分。

现在主要的图像采集方式是使用红外相机 进行采集、卫星遥感监测等方式[1_4]。

但是，这些方法存在 各自的缺陷，如文献[1]中使用的红外相机采集方法，只 能将图像存储于本地S D 卡，由工人去现场取数据，导致人 工耗费大、监测周期较长而卫星遥感监测[4]存在精细度低、 不适用于林区等缺陷。

为实现实时、人工耗费少的野生动物监测，研宄人员 引入无线传感器网络[56] (Wireless Sensor Network, WSN)。

W S N 由监测节点、路由节点和协调节点组成，具备 多跳传输、自组织组网等性能，可以在布线困难、人员难 以到达的一些区域完成远程监测、信息采集等任务。

但是， 由于带宽有限、处理速度有限、能量有限等，W S N 在野生动 物监测中主要用于传输如位置、环境温湿度等简单标量信 息。

为了能直接采集更为直观的野生动物图像信息，研究 人员对基于无线图像传感器网络的野生动物监测系统进行 了研究[7_9]。

文献[8]中，Bagree R.等人构建了针对老虎 的监测系统，实现了老虎图像红外触发采集，并利用无线 传感器网络进行传输，但该节点所用的ATmegal28处理器 存在处理速度有限、内存有限等问题，在性能上不适合图 像节点的后续开发。

文献[9]中，Zhang J.等在研究中实 现了基于ZigBee协议的野生动物监测系统，设计节点的软 硬件，提出要对图像信息进行压缩处理，但文中缺少对数 据传输可靠性方面的研宄。

本文结合图像采集技术和无线传感器网络技术，设计 了一个基于无线传感器网络的野生动物图像监测系统。

文 中对系统的硬件平台及控制程序进行设计，并通过改进的 传输应答协议，实现图像数据的完整、准确传输，提髙了 野生动物图像监测的实时性，降低了人工成本。

1监测系统架构基于无线图像传感器网络的野生动物监测系统，如图1 所示。

监测系统包括监测节点、协调节点和服务器三个部分。

基金项目：国家林业局引进国际先进林业科学技术（948)项目（2014-4-05)基于无线传感器网络的野生动物图像监测系统设计陈善安胡春鹤王远张军国(北京林业大学工学院，北京100083)摘要：针对野生动物图像采集中存在的监测周期长、人工成本高等不足，设计了一个基于无线传感器网络 的图像监测系统。

该系统使用红外传感器感应野生动物，利用图像传感器采集图像，并通过低功耗的无线传感器 网络将图像传输至协调节点，再利用4G 网络上传至服务器。

文中对系统的硬件平台及软件程序进行设计，并在 ZigBee协议的基础上增加应答协议，提高了图像传输成功率。

测试结果表明，两个节点之间距离在170m 以内时， 传输成功率能达到90%以上，且整个系统能通过多跳方式拓宽监测区域。

关键词：野生动物监测无线传感器网络节点设计应答协议SD 卡存储器4G 模块M -S 雜衮册滿浒设计与研究65DigiMesh 900模块作为无线通信模块。

该模块为900MHz 工作频段，无线通讯频率为156kb/s，发送功率为+17dBm (50mW)，传输距离较长，适用于监测节点所布置的野外 林区环境。

图像采集模块主要由摄像头和红外传感器组成。

其 中，摄像头使用0V7725 C0M S模块，所采集图像分辨率为 640X480/320X240。

该模块带有F I F O存储器，可将拍摄 的图片先进行缓存，然后处理器再从中读取图像数据进行 保存。

红外传感器模块选用的是HC-SR501感应模块，灵敏 度髙，探测距离最远可达15m。

4G网络模块选用USR-LTE-7S4模块。

通过该模块可根 据监测区域的实际情况，选择移动、联通或者电信的4G网络上传数据。

该模块通过串口和协调节点C P U进行连接，通过4G网络将所采集图像数据上传至服务器。

针对野外环境，节点使用锂电池和太阳能电池板结合 供能。

锂电池使用12V，容量为12000mAh，最大输出功率 可达100W;太阳能电池板选用12V的多晶太阳能充电板，充电电流可达0. 58A。

3系统程序设计3.1监测节点程序设计监测节点是野生动物监测系统的最前沿部分。

它的功 能主要为采集野生动物图像及其周围环境信息、无线传输 图像数据等。

当野生动物经过节点前方时，会被红外传感 器感应，并触发节点进行图像采集。

所采集的图像保存在 本地S D卡中，当接收协调节点发送空闲状态信号时，监测 节点上传图像数据。

监测节点程序流程，如图4所示。

图4监测节点程序流程3.2协调节点程序设计协调节点是无线局域网的核心，具备组建、管理网络，接收监测节点所采集的数据等功能。

在建立无线局域网后，协调节点向监测节点广播空闲状态信息，并进入等待状态，直至有图像数据传入，则广播繁忙状态信息。

在接收数据时，对图像数据包进行判定；在接收完一包图像数据后，返回接收信号，直至接收完成。

监测节点程序流程，如图5所示。

3.3传输应答设计与传统的简单数据（如温度、湿度、光照等）不同，图像数据很大。

ZigBee协议中，每一个数据包（包含包头、包尾）最大的容量为255字节，因此需要对图像数据进行 分包传输。

在监测节点中，根据所采集的图像大小S，按每 包120字节将图像分成N包，即N=S/120。

图5监测节点程序流程为提髙传输成功率，监测节点每传输一包数据，协调 节点返回一个接收标志位，以保证图像数据的正确传输。

图像数据从某一监测节点传输至协调节点的过程中，其他监测节点也可能请求上传数据。

为防止传输过程中发 生抢占冲突，本文在协调节点中设置状态标志位。

当协调 节点处于忙碌状态时，将忙碌状态（busy)广播发送给所 有的监测节点；当处于空闲状态时，则将空闲状态（free)广播发送给所有的监测节点。

监测节点根据所接受的标志 位，判断是否发送图像数据。

4实验测试本文在北京市国家奥林匹克森林公园进行实验测试，选取公园里一片直径为1公里的树林模拟野外林区环境进 行性能测试。

4.1林中无线单跳传输测试将一个监测节点和一个协调节点放在林中，固定协调 节点的位置，移动监测节点，测试其无线传输性能。

实验 结果如图4所示，传输距离与传输时间成正相关，传输距 离与传输成功率成负相关。

当两个节点相距170m时，节点 的工作效率最好；当两个节点距离超过200m时，节点的传 输效果较差。

4.2林中无线多跳传输测试将3个监测节点和1个协调节点放在一条直线上，以协调节点的位置为起点，将监测节点A放在距离170m处，监测节点B放置在300m，监测节点C放置在500m处。

测试 3个节点的传输情况，观察其所拍摄图片否能成功传输至协 调节点。

实验结果如表1所示，增加中继节点能拓宽监测66现代制造技术与裝备2017第3期总第244期节点的传输范围。

图4单跳传输实验结果表1多跳传输测试结果监测节点传输距离传输成功率A170100%B30090%C50090%4.3多节点协调工作测试在监测区域内布置1个协调节点，以协调节点为圆心 布置10个监测节点，分别编号1〜10,测试监测系统多节 点协调工作情况。

在开启节点后，协调节点进入监听等待 状态。

触发监测节点1，使其向协调节点传输数据。

此时，再触发其他节点，测试是否会对监测节点1的数据传输产 生干扰。

实验中，当监测节点1在传输状态时，其他监测节点 可以进行触发拍照，但不会进行数据传输，不会对正在传 输中的节点产生干扰。

在本文所设计的监测系统中，多个 节点能有序地进行数据传输。

5结语本文设计一个基于无线图像传感器网络的野生动物监 测系统。

该系统实现在野外林区根据红外感应自动拍摄野 生动物图像，通过无线传感器网络能将图像无线远程传输 至服务器。

文中设计传输应答协议，改善了系统的传输稳 定性。

通过试验测试，所设计的节点在野外林区的有效单 跳通讯距离为170m，可通过多跳传输方式，提高传输距离，拓宽监测区域。

通过该系统，工作人员可以在服务器上直 接获取林区野生动物的图像，实时性较好，且人工损耗小。

参考文献[1] Figueroa K, Camarena-Ibarrola A, Garcia J, et al. FastAutomatic Detect i on of Wildlife in Images from Trap Cameras[C]. Iberoamerican Congress on Pattern Recognition, Springer International Publishing, 2014：940-947.[2] 曾陈颖.面向珍稀野生动物保护的图像监测与识别技术研宄[D].北京：北京林业大学，2015.[3] 郑新华，王绍源.嵌入式无线野生动物监测系统设计[J].传感器与微系统，2012，31 (11) :104-107.[4] :Wark T, Swain D, Cro s sma n C, et al.Sens o r andA c t u a t o r N e t w o r k s：P r o t e c t i n g E n v i r o n m e n t a l l ySensitive Areas[J]. IEEE Pervasive Computing,2009,l(8)b 30-36.[5] Singh R, Asutkar G M. Survey on Various Wireless SensorNetwork Techniques for Monitoring Activities of Wild Animals[C]. Innovations in Information, Embedded and Communication Systems (ICIIECS) ,2015：1-5.[6] Sanjyot S, Rekha P. Rare Wild Animal Tracking in theForest area with Wireless Sensor Network in Network Si mu lator-2[J].International Journal of Computer Applications, 2016, 133 (4) ：1-4.[7] Yap F G H, Yen H H. A Survey on Sensor Coverage andVisual Data Capturing /Processing/Transmission in Wireless Visual Sensor Networks[J].Sensors,2014,14(2> 3506-3527.[8] Bagree R, Jain V, Kumar A, et al. TigerCENSE：WirelessImage Sensor Network to Monitor Tiger Movement[J].Real-World Wireless Sensor Networks, 2010：13-24.[9] Zhang J, Luo X, Chen C, et al. A wildlife MonitoringSystem based on Wireless Image Sensor Networks[J].Sensors & Transducers, 2014, 180 (10) ：104-109.Design of Wildlife Image Monitoring System Based on Wireless Sensor NetworksCHEN Shan，an, HU Chunhe, WANG Yuan, ZHANG Junguo(Beijing Forestry University, Beijing 100083)Abstract：In order to surmount drawbacks like long monitor cyclicity and high labor costs which exiting in the wildlifes* image acquisition, a kind of image monitoring system based on wireless sensor networks was designed. The system senses wildlife by passive infrared sensor and uses image sensors to acquire animals’ image. The image was transmitted to coordinate node through the low consumption wireless sensor network and then them were uploaded into server by 4G network. In this paper, the hardware platform and software was designed, and to improve the success rate of image transmission a response protocol based on the ZigBee protocol was implemented. The test results showed that the distance between two nodes within 170m, the transmission rate could reach over than 90% and the monitoring system could broaden the monitoring area by the way of multiple-hop.Key words：wildlife monitoring, wireless sensor network,node designed, response protocol。