基于无线图像传感器网络的野生动物监测系统数据可靠传输研究

张希刚+张军国+王远+肖江

摘 要 野生动物监测是野生动物保护、管理和可持续利用的重要环节。针对传统监测方式效率低的缺点，本文设计了基于无线图像传感器网络的野生动物监测系统；重点设计了基于STM32F1芯片和Xbee Pro 模塊的终端节点和汇聚节点硬件电路， 并在ZigBee协议的应用层设计了数据重传网络传输协议。试验结果表明，系统能够实现野生动物监测图像数据的自助采集、无线可靠传输，在协调节点与终端节点相距100m、150m、200m和250m时，有应用层重传协议的节点丢包率分别为0.64%、0.94%、1.46%、1.83%，相较于无重传协议的节点，传输可靠性有显著提高。

【关键词】野生动物监测 无线图像传感器 网络数据 可靠传输 网络节点

1 引言

野生动物监测是保护珍贵濒危野生动物，可持续利用野生动物资源的重要环节[1，2]。为克服人工野生动物监测费时费力的缺点，卫星监测、“3S”技术和无线电项圈等技术开始应用于野生动物调查[3-5]。但这些监测方式在准确性和实时性等方面存在不足。例如，卫星监测周期长，难以监测局部信息。红外相机捕获野生动物图像，省时省力，费用低，已成为野生动物调查的利器[6-8]。但如何将图像实时传输给研究者和管理决策部门，成为野生动物相机监测面临的重要问题。

无线图像传感器网络技术以低功耗、低成本等特点受到研究人员广泛关注，在农业、环境和工业监测等领域有广阔的应用[9-，11]。无线图像传感器网络可以克服野生动物相机监测数据无法及时传输等问题。

目前，无线图像传感器技术在实际的野生动物监测尚不多见。Vladimir Dyo等人[12]采用RFID-WSN实现了獾的位置监测，但无法实现野生动物图像监测。Ravi Bagree等人采用无线传感器技术设计了TigerCENSE节点实现了老虎的监测[13]，但仅在动物园进行相关实验测试，没有在森林环境中运行。Garcia-Sanchez等人利用Imote节点开发了感兴趣区域移动目标监控系统[14]，实现了经过公路通道的野生动物的跟踪，但监测范围有限。另外，上述设计都没有对监测数据可靠传输问题进行讨论。

论文针对野生动物监测数据无法及时传输给研究者的问题，对现有野生动物监测系统和无线传感器网络充分研究的基础上，设计了基于无线图像传感器网络的野生动物监测系统，并且为适应野生动物监测，在ZigBee协议应用层设计数据重传机制，实现了野生动物图像数据可靠传输。

2 基于无线图像传感器网络的野生动物监测系统

2.1 监测系统基本结构

该系统由无线图像传感器终端节点、汇聚节点、本地数据监测中心和远程数据监测中心等构成，结构如图1所示。

图像传感器节点和路由节点部署在野生动物监测区域内，以自组织的方式构成无线图像传感器网络，野生动物进入监测视野时，触发相机拍照，将采集到的图像以及温湿度等信息以多跳的网络方式传送到汇聚节点，汇聚节点负责接收和融合网络中所有节点的信息，并通过网关节点将数据传输到本地监测中心，监测中心软件对接收的数据进行分析、处理、存储和图形化显示，实现了野生动物图像及生存环境实时在线监测。本地监测中心可以根据实际需要将获取信息上传网络，有关研究人员和部门可以及时获取数据，从而详细掌握野生动物生存状态等信息。

2.2 无线图像传感器网络节点硬件设计

2.2.1 无线图像传感器网络图像采集节点硬件设计

无线图像传感器网络图像采集节点负责野生动物图像采集、温室度等信息采集以及数据的无线传输。它由处理模块、温湿度传感器模块、图像采集模块、无线通讯模块、存储模块和电源模块等组成。图像硬件节点结构图和实物如图2、3所示。

处理器模块以ST公司的STM32F103VET6微控制器为核心，该控制器是以ARM Cortex-M3为内核，工作频率最高72 MHz，具有多种标准和通信接口（I2C、SPI、SDIO、USART）。带有灵活的静态存储器控制器，支持 SD卡，方便数据存储。

无线传输模块采用XBee-PRO 900HP，它和单片机通过串口或SPI接口连接，并通过API协议通讯。该模块采用了Digimesh的网络协议，可自组织成无线传感器网络。

图像采集模块由CMOS图像感光元器件OV775和缓存芯片ALB422B组成，利用SCCB总线协议配置摄像头不同格式输出、分辨率调整、亮度和增益等。

SL620人体感应模块是基于红外线技术的自动控制产品，灵敏度高，感应距离在0-20m，可靠性强，超低电压工作模式。

2.2.2 无线图像传感器网络汇聚节点硬件设计

无线图像传感器网络汇聚节点负责汇聚野生动物图像信息，以及通过以太网传输到本地管理中心或者通过3G网络上传服务器。汇聚节点在终端节点的基础上增加了以太网模块和3G无线路由器模块，其结构图和实物图分别如图4、5所示。

汇聚节点的以太网模块选取了WIZnet公司的W5500，其内部集成全硬件TCP/IP协议栈，具有简单快速、可靠性高、安全性好等显著优势。W5500 提供了 SPI作为外设主机接口，使得微控制器接入以太网方案的硬件设计更为简捷和高效。

3G模块选用W3100系列 3G路由器，其内置无线通信模块，通过交换机可实现PC机和汇聚节点共同连接到Internet上，实现数据远程传输。

3 野生动物监测数据可靠传输研究

确认机制是ZigBee协议MAC层保证数据可靠性传输的有效策略。汇聚节点接收终端节点发送数据包后，发送ACK应答，但森林环境中，由于无线信道不稳定或者信号衰减，ACK应答容易被湮没；当终端节点无法正常接收ACK应答时会重复发送该数据包，直到收到ACK应答或达到最大重传次数阈值。另外，森林环境下，数据包丢率高也是无法回避。

BMP图片文件头和位图信息头包含文件类型、文件大小和位图尺寸等重要信息，这些数据一旦丢失，图片将无法还原。而BMP图片位图数据少量丢失对图片还原不会造成致命伤害。为使野生动物图像数据可靠性传输与速度相结合，本文在应用层设计了重传机制，流程图如图6所示。

为每一个数据包进行ID标号，对于文件头和文件尾包进行无限次的重传，直到汇聚节点正确接收到数据。而对位图数据设定重传阈值，当数据包无法正确接收后进行重传，但当重传次数达到设定的重传阈值后，舍弃这个数据包，进行下一包数据发送。等到整个结束包发送完毕后读取汇聚节点未正确接收数据包ID，根据ID标号对舍弃数据包重新发送。另外，设定ID标号，也可以避免汇聚节点数据重复接收。

4 实验测试

利用本文设计的系统，对图像数据丢包率进行了测试。通过图像数据丢包率测试验证系统网络传输的稳定性和可靠性。

试验时，在内蒙古赛罕乌拉自然保护区选取野生动物经常出没的区域；设置天线距离地面高度为1.5m，节点以最大发射功率（24dBm）发送数据，固定汇聚节点于野生动物监测区域中心位置，将野生动物监测节点分别放置于与汇聚节点相距100m、150m、200m和250m的树林下。采用休眠唤醒机制降低网络能量消耗，当野生动物进入监测视野范围时，启动设备，抓取图片，进行无线传输。终端节点实验图和网络丢包率实验结果分别如图7、8所示。

由实验结果可以看出，随着距离增大，图像数据包丢包率也不断增大。在有应用层数据重传网络协议的节点丢包率明显减少，在100m、150m、200m、250m丢包率分別为0.64%、0.94%、1.46%、1.83%。

5 结论

为有效监测野生动物，本文设计了基于无线图像传感器网络的野生动物监测系统。首先设计了以STM32F103VE为核心、以Xbee Pro为无线传输模块的终端节点硬件电路。然后，在终端节点的基础上增加了以太网模块和3G路由模块形成了汇聚节点。为解决林区环境中由于无线信道不稳定引起的汇聚节点丢包和数据重复接收问题，设计了数据重传网络协议。试验证明，系统不仅能实现监测区域野生动物的图像监测和无线传输，而且有效减少了图像数据传输中的丢包率。为野生动物监测提供了一种有效的解决方案。后续工作将在系统的能耗和节点故障监测方面做进一步研究。

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