基于天线阵列无线宽带通信的动植物实时监测系统的制作方法

1.本发明涉及野生动植物保护技术领域，尤其涉及一种基于天线阵列无线宽带通信的动植物实时监测系统。


背景技术：

2.近年来，多地政府为了完善中国保护地体系的生态文明建设，在生态保护区和国家公园的重点区域设置动植物监测系统。然而在一些保护区的核心区域是没有手机信号的，也无法广泛布置地面基站和交流电充电设备，使得目前已有监测系统存在信息回收周期长、监控设备续航低等问题。现有动植物监测系统中，环境因子传感器数据、视频监控数据往往存储在本地大容量sd存储卡内，研究人员每隔一定时间要去现场取出sd卡读取数据并更换监控设备的电池，这种方式信息回收周期长、劳动强度大、危险性高，不利于研究人员全面、准确、及时地掌握野生动植物资源的动态变化。
3.目前，已有某些专利技术涉及野生动植物保护技术领域，如申请号为201811185285.5，名称为基于lora的野生动物保护跟踪方法及系统，通过超远程、低速率的lora通信技术传输野生动物的身体状态及生活轨迹信息，但由于lora的数据传输率低，该系统只能传输环境参数等小数据量的传感器数据，而无法实时传输视频数据。公开号为cn103561242a，名称为一种基于无线图像传感器网络的野生动物监测系统，将无线红外图像传感器节点广泛部署在野生动物活动区域或附近区域，通过近距离、低速率的zigbee通信技术自组织方式形成网络，该系统也只能传输对带宽要求低的数据（如专利中的压缩后的图像数据），而无法实时传输视频数据。申请号为202011441765.0，名称为一种基于边缘计算的野保无人机监测系统，在生态保护区中布置生态因子传感器、野保相机、远红外视频等监控设备对野生动植物进行调查监测，在无法广泛布置地面基站的环境下，指派无人机组前往监控设备处收集数据并通过边缘计算设备进行处理，将部分有效数据保存并在返程后上传至数据中心，由于无人机续航时间有限且需要人为操控，这种方式无法实现监控数据长期的实时获取。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于解决目前动植物监测系统在公网缺失或信号不佳环境下存在的信息回收周期长以及监控设备续航低等问题，提供一种基于天线阵列无线宽带通信的动植物实时监测系统，该系统可以实现对动植物所处环境因子和现场视频的远距离实时监控。
5.为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种基于天线阵列无线宽带通信的动植物实时监测系统，包括远程服务器和至少一组监测设备；监测设备包括环境因子采集模块、视频采集模块、天线阵列通信模块、用于为整个监测设备供电的供电模块，环境因子采集模块、视频采集模块能够通过天线阵列通信模块与远程服务器进行通信；
所述环境因子采集模块包括mcu控制单元及与该mcu控制单元连接的可插拔传感器接口单元、定位单元；所述可插拔传感器接口单元可根据应用场景接入多个接口兼容的传感器；所述定位单元用于实现环境因子采集模块的定位功能；mcu控制单元按照环境因子采集周期从可插拔传感器接口单元、定位单元分别读取环境因子数据、地理经纬度和高程数据，再对数据按照协议格式将环境因子采集模块编号、环境因子数据、地理经纬度和高程数据封装成数据包，最后通过天线阵列通信模块发送给远程服务器；所述视频采集模块包括至少一个野保摄像机和/或烟火摄像机，多个摄像机之间通过wifi或有线连接；多个野保摄像机沿着山谷线或山脊线垂直断面呈带状分布，或根据需求实施环型部署或丁字型部署，以最大限度监控动物活动轨迹，相邻野保摄像机之间形成“z”字型，相邻野保摄像机至少保证一路视频探头看到，形成一个立体交叉监控网络，在带状范围内能够全方位监控动物活动轨迹、监控野保摄像机本身是否有损坏或位移异常以及使动物穿越监测区域时可被重复监测到两次；野保摄像机将采集视频数据通过wifi或有线传输至交换机，然后利用天线阵列通信模块将视频数据传输到远程服务器；所述天线阵列通信模块之间形成天线阵列无线宽带自组网络；所述远程服务器基于b/s结构编写显示终端程序，对监测的环境因子数据、地理经纬度和高程数据、视频数据进行接收、存储、可视化和分析，还能够对环境因子采集模块下发指令；显示终端程序对于接收的数据包，根据协议格式解析出环境因子采集模块编号、环境因子数据、地理经纬度和高程数据，存储到数据库中；显示终端程序集成有百度地图，根据地理经纬度信息，在百度地图上显示环境因子采集模块的位置、编号及环境因子数据，当某项环境因子触及阈值时，发出报警；显示终端程序对于接收的视频数据，通过实时流协议获取视频流，能够在浏览器中显示不同视频采集模块厂家的视频数据，将视频根据不同视频采集模块编号分别存储，并按时间顺序分段存储到本地文件系统；显示终端程序通过机器学习算法对视频数据进行动物出没时间和种类识别。
6.相较于现有技术，本发明具有以下有益效果：1、通过天线阵列自组网络进行通信，在公网缺失或信号不佳的环境下，可实时传输包括视频数据在内的监测信息。
7.2、设计了可插拔的传感器接口，可根据应用场景接入多个接口兼容的传感器，灵活性好。
8.3、设计了由多块太阳能电池板、蓄电池、光伏控制器、电池保温箱组成的供电模块，作为环境因子采集模块、视频采集模块、天线阵列通信模块的外接电源，延长待机时间，解决监控设备续航低的问题。
9.4、显示终端程序通过实时流协议获取视频流，可在浏览器中显示不同视频采集模块厂家的视频数据。
10.5、设计了一种新颖的野保摄像机的部署方案。相邻摄像机之间形成“z”字型，相邻摄像机至少保证一路视频探头可看到，形成一个立体交叉监控网络，在带状范围内可全方位监控动物活动轨迹、监控到摄像机本身是否有损坏或位移异常以及使动物穿越监测区域时可被重复监测到两次。
附图说明
11.图1为本发明可插拔传感器接口单元电路图。
12.图2为本发明定位单元电路图。
13.图3为本发明野保摄像头部署示例图。
14.图4为本发明系统整体结构框图。
15.图5为本发明天线阵列自组网络模拟图。
具体实施方式
16.下面结合附图，对本发明的技术方案进行具体说明。
17.本发明一种基于天线阵列无线宽带通信的动植物实时监测系统，可以实现对动植物所处环境因子和现场视频的远距离实时监控。该系统包括远程服务器和一组或多组监测设备，其中，监测设备包括环境因子采集模块、视频采集模块、天线阵列通信模块、供电模块，且能够通过天线阵列通信模块与远程服务器进行通信。
18.所述环境因子采集模块包括可插拔传感器接口单元、mcu控制单元、定位单元，其特征在于可插拔传感器单元可根据应用场景接入多个接口兼容的传感器。可插拔传感器接口单元预留j201、j202、j203、j204、j205、u204六个传感器接口，这些接口都是i/o端口，其中j201、j202两个接口具有支持模数转换（adc）的附加功能，电路图见图1。定位单元选用国产atgm336h全星座定位导航模块，工作电压为3.3v～5v直流，工作电流约25ma，输出为uart接口，提供ipex接口用于外接天线，电路图见图2。mcu控制单元选用stm32f407zet6单片机。可插拔传感器接口单元、定位单元与mcu控制单元电连接。mcu控制单元按照采集周期从可插拔传感器接口单元、定位单元分别读取环境因子数据、地理经纬度和高程数据，再对数据按照协议格式将环境因子采集模块编号、各个传感器的环境因子数据、地理经纬度和高程数据封装成数据包，最后通过天线阵列通信模块发送给远程服务器。环境因子采集模块的工作流程为：（1）用户根据应用场景在远程服务器显示终端程序中配置环境因子采集周期和数据包协议格式；（2）远程服务器对环境因子采集模块下发环境因子采集周期和数据包协议格式的指令；（3）环境因子采集模块的mcu控制单元根据指令中的采集周期读取可插拔传感器接口单元和定位单元的数据，并根据与远程服务器的协议格式将数据处理成一条数据包，再通过天线阵列通信模块发送给远程服务器；所述视频采集模块包括一个或多个野保摄像机和/或烟火摄像机等多种视频采集设备，多个摄像机之间通过wifi或有线连接。野保摄像机的部署方式示例如图3所示。多个野保摄像机节点沿着山谷线或山脊线垂直断面呈带状分布，或根据特定需求实施环型部署或丁字型部署，以最大限度监控到动物活动轨迹，相邻摄像机之间形成“z”字型，相邻摄像机至少保证一路视频探头可看到，形成一个立体交叉监控网络，在带状范围内可全方位监控动物活动轨迹、监控到摄像机本身是否有损坏或位移异常以及使动物穿越监测区域时可被重复监测到两次。考虑到单个高灵敏度双被动红外（pir）探测器的有效工作距离只有15
米，因此野保摄像机间距设置小于30米，若大于30米，会相应降低重复监测几率。野保摄像机将采集视频数据通过wifi或有线传输至交换机，然后利用天线阵列通信模块将视频数据传输到远程服务器。
19.所述天线阵列通信模块之间形成天线阵列无线自组网络（图5为天线阵列自组网络模拟图）。环境因子采集模块、视频采集模块与天线阵列通信模块电连接。
20.所述供电模块用于给环境因子采集模块、视频采集模块、天线阵列通信模块供电，包括多块太阳能电池板、蓄电池、光伏控制器、电池保温箱。多块太阳能电池板通过光伏控制器给蓄电池充电。
21.所述远程服务器基于b/s结构编写显示终端程序，对监测的环境因子、地理经纬度和高程、视频数据进行接收、存储、可视化和分析，还可对环境因子采集模块下发指令。远程服务器通过天线阵列通信模块接收数据。显示终端程序对于接收的数据包，根据协议格式解析出环境因子采集模块编号、各个传感器的环境因子数据、地理经纬度和高程信息，存储到数据库中。显示终端程序集成了百度地图，根据地理经纬度信息，在百度地图上显示环境因子采集模块的位置、编号及环境因子数据，当某项环境因子触及阈值时，会发出报警。显示终端程序对于接收的视频数据，通过实时流协议获取视频流，可在浏览器中显示不同视频采集模块厂家的视频数据，将视频根据不同视频采集模块编号分别存储，并按时间顺序分段存储到本地文件系统。显示终端程序通过机器学习算法对视频进行动物出没时间和种类识别。
22.基于天线阵列无线宽带通信的动植物实时监测系统的整体结构框图如图4所示。
23.以上是本发明的较佳实施例，凡依本发明技术方案所作的改变，所产生的功能作用未超出本发明技术方案的范围时，均属于本发明的保护范围。