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基于无线传感器网络的金丝猴监测系统平台

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基于无线传感器网络的金丝猴监测系统平台

引言

金丝猴是国家一级保护动物，大多分布于中国西南部和中部的温带地区，如图1所示。然而近些年由于人为因素干扰与破坏，其生存面临越来越严重的威胁与挑战。从世界《红皮书》中不难看出，世界上已有相当一部分的高等动植物濒临灭绝，金丝猴整体数量更是呈现出逐年递减的趋势，因此如何对金丝猴进行科学监测，研究其行为规律，进而实现对其有效保护迫在眉睫。

当前，人工观测和记录的方式通常用于金丝猴的行为和生境信息监测，其数据可靠性可想而知。此外对数据的记录、汇总和上传同样会面临诸多困难，比如大量野外数据表格的填写、录入和上传，经常会遇到毁损和丢失，造成长时间数据上传的不同步，影响最终分析的效率。

同时，人工方式往往仅能获取少量的短期数据，由于长期、实时观测数据的匮乏，无法反映出金丝猴的生存环境和活动习性，从而导致其生态习性、生理特点、活动规律、栖息地环境的研究工作难以顺利开展。此外，金丝猴的生存环境是原始的生态系统，在定位跟踪目标方面有一定的困难性和危险性，难以准确识别众多金丝猴个体，往往可能出现跟踪丢失，导致收集的数据有遗漏。最后，在人工调查数据模式中时空是割裂的，难以对所获取的数据进行时间、空间、现象的综合完整分析。因此，传统的人工方式不仅会降低监测保护工作的效率，还会为后期的数据分析带来巨大困扰，降低其科学价值。

基于上述分析，如何运用新的技术手段对野生动物的生存环境进行有效监测，同时在有效个体识别并获取其位置信息的基础上对动物活动规律进行科学分析，是亟待解决的问题之一。

无线传感器网络（WirelessSensorNetworks，WSN）在野外大范围野生动物监控保护中极具优势。在金丝猴的生存环境中部署大量的传感器节点，研究者可以通过不干扰野生动物正常生活的情况下，利用WSN技术，长期、实时、协作地感知监控区域环境信息以及野生动物行为活动信息，研究其生境信息和行为活动规律，为建立濒危种群人工饲养环境积累重要数据。

随着无线传感器网络的广泛应用，出现了一些使用无线传感器网络监测野生动物的应用案例。例如DuckIsland[1]和Zebranet项目[2]。然而上述系统缺乏有效的数据分析，同时其个体识别的方法是通过被监测目标携带RFID标签来实现的。然而对金丝猴等国家珍稀野生动物携带标签或者嵌入RFID需要得到国家林业局批准，同时，给大型珍稀野生动物带项圈或者植入RFID需要麻醉，会有致死危险。因此，上述方法对于金丝猴的监测是不适用的。

综上所述，尽管国内外已经出现了众多基于无线传感器网络的野生动物监测研究案例，但将其部署在真实的野外环境中，通过传感器节点间协作，实时感知动物的生境信息和活动规律仍然面临着以下挑战：

挑战一：节点能量受限

通常传感器节点依靠3.6伏干电池供电，以节点每30分钟采样一次（可以根据不同的应用需求设置）为例，实验表明节点生命周期一般仅能维持几个月。然而，对金丝猴的监测与分析是需要一年甚至几年时间的数据积累，此外，金丝猴所生存的环境大多是人迹罕至的野外环境，人工更换电池也相对困难。因此，如何采用有效的手段延长节点寿命，进而延长网络生存周期，以达到对金丝猴长期监测的目的是所面临的挑战之一。

挑战二：数据分析瓶颈

如何结合动物保护专家经验，同时如何充分利用已有传感器节点感知的数据实现个体识别、位置信息判定是金丝猴监测的关键。因此对传感器网络实时感知的大量数据信息进行有效分析与智能处理是所面临的又一挑战。

为此，本文设计了一个NISL系统（以所在实验室的名字命名）监测秦岭保护区（如图2所示）内的金丝猴生境信息及其活动规律。该系统包括专为野外环境下设计的传感器节点、网关以及数据分析软件平台。系统架构如图3所示，传感器节点部署在金丝猴活动的区域，实时采集环境中温湿度、光照以及视频、音频等数据，通过对数据的有效分析，实现对金丝猴日常活动规律、个体识别以及环境因素与其生存状态之间关系的分析与判定。

图1金丝猴图2秦岭金丝猴保护区

图3NISL系统架构图

1相关工作

近年来，随着WSN技术的不断发展，国内外出现了较多的将WSN用于动物监测的案例[3-10]。其中最为典型的是2002年美国加州大学伯克利分校“In-Situ”研究组在缅因州大鸭岛（GreatDuckIsland）部署传感网，开展对海燕的监测，通过43个传感器节点协作感知光敏、温湿度、压力、红外等信息，对其生存的微环境和巢穴进行监测，首次实现了对野生动物的无入侵式智能监测[1]。

2003年，TekSensor项目[11]，通过使用有源RFID实时监测跟踪家畜的活动，可以实现对牛的位置信息以