基于物联网的长江江豚被动声呐定位和追踪系统及方法与流程

本发明涉及物联网中的自动控制技术领域，尤其涉及一种基于物联网的定位和追踪系统。

背景技术：

长江江豚是我国珍稀、濒危的淡水小型鲸类动物，种群数量约1040头，仅分布在长江中下游及其毗邻的鄱阳湖和洞庭湖，2014年被世界自然保护联盟物种生存委员会（iucn）列为极危物种（cr）。由于人类活动的严重干扰（如航运、非法渔业、采砂、水体污染、水利工程建设等），长江豚类栖息地正在逐渐恶化和丧失。种群生存力分析结果显示在目前情况下，如不采取保护措施，长江江豚在未来10年内或将走向灭绝，加强长江江豚的保护已刻不容缓。长江安庆河段是长江江豚分布密度高的江段，安庆市人民政府在大观区西江建立江豚驯养基地保护区，该保护区是我国第三个长江江豚的自然保护区。长江江豚保护区是重要的保护江豚的途径，但如何进行有效保护却是重要的研究课题。江豚研究及保护的早期使用无线电信标进行跟踪，用三角定位方法跟踪记录它的活动路线，之后采用卫星跟踪等手段，然而这些都是不成功的，主要原因是江豚没有背鳍，设备无法长时间被固定在江豚身体上。针对这一问题又研发出对于没有背鳍的江豚，使用固定无线电信标的专用背心，然此方法依旧会随着江豚大幅度的游动导致卫星信标掉入长江中。此外这些设备的造价昂贵，且电池寿命通常只有6个月左右，无法长期地对长江江豚进行系统的跟踪与分析。因此如何研发一款低功耗、可持续工作、准确性高、易于使用及维护的江豚定位与追踪系统就显得尤为关键。长江江豚具有发达的回声定位能力，它们依靠声呐来探测目标，感知外界环境。本发明专利于是开发一种长江江豚被动声呐定位和追踪系统。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题在于提供一种基于物联网的长江江豚被动声呐定位和追踪系统，能对长江江豚声呐信号进行采集，并记录长江江豚实时活动情况，并记录相应水文水质情况，为江豚保护和研究提供数据支持，本系统低功耗、可持续工作、准确性高、易于使用及维护。

为解决上述技术问题，本发明的基于物联网的长江江豚被动声呐定位和追踪系统包括：浮标监测设备层、定位和追踪信息管理层、信息传输层；

所述浮标监测设备层用于采集前端数据并进行处理；

所述浮标监测设备层包括多套浮标监测设备，每套浮标监测设备构成一个江豚定位追踪监测点；

每套浮标监测设备包括多个监测传感器和arm处理单元：所述监测传感器用于对江豚发出的声呐信号以及江豚生活的水质和水文信息进行采集，所述用于监测江豚声音信号的传感器采用sm2m水下生态声学记录仪；

所述arm核心处理单元用于处理传感器采集到的信号；

所述定位和追踪信息管理层用于接收信息、处理信息、分析信息、存储信息；所述定位和追踪信息管理层包括以下模块：江豚声学特征参数提取模块，江豚实时/历史游动轨迹图模块，水质参数数据库存储模块，数据统计分析报表生成模块，江豚保护应急处理报警模块，参数设置模块；

所述信息传输层用于将所述arm核心处理单元处理后的信号数据通过无线通信单元传输到定位和追踪信息管理层的中心服务器；

所述信息传输层采用lora方式实现无线组网通信组网并进行数据的传输。

所述江豚声学特征参数提取模块提取的参数包括：

(1)江豚声呐信号的振幅和变化趋势；

(2)信号持续时间δt，江豚声呐时域信号波形的起始点与终止点之间的时间间隔即信号的持续时间，以波形出现和消失在背景噪音为判断依据；

(3)峰值频率，功率谱图中能量最高时的频率；

(4)3db带宽，在功率谱图中信号功率下降3db时对应横坐标的频率值；

(5)一个波形中的周波数；

(6)功率谱图的相对带宽q,其值为。

所述江豚定位追踪监测点以网格化形式布置在江豚的活动水域，相邻监测点间距不小于300米；所述江豚实时/历史游动轨迹图模块采用三维重建和数据可视化技术获取江豚的游动三维运动信息，并以三维动态图像显示被监测区域江豚的活动轨迹。

所述江豚实时/历史游动轨迹图中，每个江豚定位点上显示其位置坐标。

所述arm核心处理单元包括主控芯片、带通滤波电路、增益放大电路、a/d采样模块、电源管理模块、存储模块，rs232串口模块，gps模块；所述主控芯片用于对江豚信号进行处理，并发出控制指令；所述gps模块用于标定江豚的地理信息坐标。

所述浮标监测设备还包括：溶解氧传感器、ph值传感器、江水浊度传感器、水温传感器。

所述浮标监测设备还包括：各类离子传感器、其他扩展传感器。

所述信息传输层包括嵌入在每套浮标监测设备中的lora无线传输模块wh-l100-l；还包括lora集中器usr-lg280。

本发明还提供了一种基于物联网的长江江豚被动声呐定位和追踪方法，包括以下步骤：

a、系统初始化

a1、在江豚活动水域以栅格化形式布置多个江豚定位追踪监测点，相邻监测点之间间距不小于300米，每个监测点设置浮标监测设备一套，每套浮标监测设备包括多个监测传感器和arm处理单元：所述监测传感器用于对江豚发出的声呐信号以及江豚生活的水质和水文信息进行采集，所述用于监测江豚声音信号的传感器采用sm2m水下生态声学记录仪；所述arm核心处理单元用于处理传感器采集到的信号；

a2、首先将lora无线传输模块wh-l100-l嵌入浮标监控系统，每个无线传输模块wh-l100-l与lora集中器usr-lg280建立连接，lora集中器lg280与后端定位和追踪信息处理层服务器平台建立连接；

a3、定位和追踪信息管理层设置有江豚声学特征数据库、江豚实时/历史游动轨迹数据库、水质参数数据库；

b、信息采集与传输

通过sm2m水下生态声学记录仪对江豚声音信号进行采集，通过多个监测传感器对江豚生活环境的水质和水文信息进行采集，采集到的信号传输给arm处理单元进行处理；

所述arm处理单元用于对接收到的信息进行判定并根据判定结果给出控制指令，该arm处理单元包括主控芯片、带通滤波电路、增益放大电路、a/d采样模块、电源管理模块、存储模块，rs232串口模块，gps模块等；所述主控芯片用于对江豚信号进行处理，并发出控制指令；所述带通滤波电路是对监测到的信号进行滤波；所述增益放大电路是对滤波后的信号进行放大；所述sm2m水下生态声学记录仪采集到的模拟信号送到带通滤波电路和增益放大电路进行滤波和信号放大处理，再将放大后的信号送到采样模块进行a/d采样，将采样后的信号输入到主控制arm芯片进行信号处理，经过arm处理单元处理后的信号通过无线通讯网络传输，所述gps模块用于标定江豚的地理信息坐标；

每个无线传输模块wh-l100-l的数据上传到lora集中器usr-lg280中，系统自动为每一个节点设置数据传输时间坐标，所有节点会根据对应时间与lora集中器usr-lg280进行有序传输；浮标监控系统将数据通过wh-l100-l、集中器lg280传输至后端定位和追踪信息处理层服务器平台；

c、信息处理与分析

定位和追踪信息处理层服务器平台接收到水质和水文信息后，将其写入水质和水文数据库；

定位和追踪信息处理层服务器平台接收到江豚信号信息后，计算以下江豚声呐信号数据：

(1)江豚声呐信号的振幅和变化趋势；

(2)信号持续时间δt，江豚声呐时域信号波形的起始点与终止点之间的时间间隔即信号的持续时间，以波形出现和消失在背景噪音中为判断依据；

(3)峰值频率，功率谱图中能量最高时的频率；

(4)3db带宽，在功率谱图中信号功率下降3db时对应横坐标的频率值；

(5)一个波形中的周波数；

(6)功率谱图的相对带宽q,其值为；

若计算结果满足以下条件：声呐信号的最大振幅为-30dbv,信号持续时间δt的范围为30-125us，峰值频率范围为85-145khz，3db带宽范围为9-42khz，一个波形的周波数在4-16个之间，功率谱图的相对带宽范围为3.0-12.5，则判定为捕获到一次江豚声呐信号，并将本次采集到的数据记录到江豚历史游动轨迹数据库，所述江豚历史游动轨迹数据库记录的信息包括：采集时间、监测点id、监测点对应gps信息、声呐信号振幅、信号持续时间、峰值频率、3db带宽、一个波形中的周波数、功率谱图的相对带宽；同时向水质和水文数据库增补该监测点对应的水质和水文信息；

d、生成江豚运动场景模型。

还包括以下步骤：

e、捕获遇险信号

对江豚历史游动轨迹数据库进行数据比对，若指定时间间隔内，同一监测点捕获到雷同的江豚声呐信号的次数超过设定阈值，则判定为捕获到遇险信号，此时触发一个预警动作，所述预警动作包括报告数据库内的以下内容：采集时间、监测点id、监测点对应gps信息；

若同时出现多个预警动作，且多个预警动作所记录到的监测点在地理位置上相邻，则触发报警动作。

本发明的优点体现在：a、本发明以被动声呐信号记录江豚活动情况，活动记录准确性高，江豚身体无需加装任何设备，有利于江豚保护。b、使用了物联网技术，监测点以栅格化形式部署，易于扩展，低功耗、可持续工作、准确性高、易于使用及维护。c、可记录相应水文水质情况，为江豚保护和研究提供数据支持，同时水质水文情况与江豚活动情况同步记录，便于实时监控，便于提供更精细的研究数据。d、提供预警、报警等选项，进一步提高保护力度。e、使用数据库技术，便于数据长期记录和分析。

附图说明

图1是本发明的基于物联网的长江江豚被动声呐定位和追踪系统的结构图。

具体实施方式

本实施例以长江安庆段为例进行说明，安庆市西江是长江江豚的重要栖息地，为加强江豚保护工作，安徽省安庆市人民政府2007年批准建立安庆市江豚自然保护区，在安庆市大观区西江建立江豚驯养基地。安庆西江系长江下游典型的鹅头型河道，河道全长约9km，常水位下平均宽度约300m，平均水深约8.7m，最大水深超过20m。

目前，该保护区约有50头江豚生活，为长江江豚的保护和研究提供良好的平台，每300米布置一个江豚定位追踪监测点，以网格化形式部署多套浮标监测系统，采用三维重建和数据可视化技术获取江豚的游动三维运动信息，重构出具备很强真实感的三维运动场景模型，绘制出江豚监测段的三维动态图像，同时对长江西江段进行可以形象生动的直观展示出江豚的生活状态，实时看到江豚的分布情况及其游动轨迹，并生成动画进行展示，同时每个江豚点上显示其位置坐标便于定点追踪，在遇到突发情况时可以及时保护江豚。

如图1可见，本发明的本发明的基于物联网的长江江豚被动声呐定位和追踪系统包括：浮标监测设备层、定位和追踪信息管理层、信息传输层。

所述浮标监测设备层用于采集前端数据并进行处理；

所述浮标监测设备层包括多套浮标监测设备，每套浮标监测设备构成一个江豚定位追踪监测点；每套浮标监测设备包括多个监测传感器和arm处理单元：所述监测传感器用于对江豚发出的声呐信号以及江豚生活的水质和水文信息进行采集，所述用于监测江豚声音信号的传感器采用sm2m水下生态声学记录仪。所述arm核心处理单元用于处理传感器采集到的信号。

所述定位和追踪信息管理层用于接收信息、处理信息、分析信息、存储信息；

所述定位和追踪信息管理层包括以下模块：江豚声学特征参数提取模块，江豚实时/历史游动轨迹图模块，水质参数数据库存储模块，数据统计分析报表生成模块，江豚保护应急处理报警模块，参数设置模块。

所述信息传输层用于将所述arm核心处理单元处理后的信号数据通过无线通信单元传输到定位和追踪信息管理层的中心服务器；

所述信息传输层采用lora方式实现无线组网通信组网并进行数据的传输。

所述江豚声学特征参数提取模块提取的参数包括：

(1)江豚声呐信号的振幅和变化趋势；

(2)信号持续时间δt，江豚声呐时域信号类似于一个“滴答声”（buzz）的波形，此波形的起始点与终止点之间的时间间隔事信号的持续时间，以波形出现和消失在背景噪音为判断依据；

(3)峰值频率，功率谱图中能量最高时的频率；

(4)3db带宽，在功率谱图中信号功率下降3db时对应横坐标的频率值；

(5)一个波形中的周波数；

(6)功率谱图的相对带宽q,其值为。

所述江豚定位追踪监测点以网格化形式布置在江豚的活动水域，相邻监测点间距不小于300米；所述江豚实时/历史游动轨迹图模块采用三维重建和数据可视化技术获取江豚的游动三维运动信息，并以三维动态图像显示被监测区域江豚的活动轨迹。

所述江豚实时/历史游动轨迹图中，每个江豚定位点上显示其位置坐标。

所述arm核心处理单元包括主控芯片、带通滤波电路、增益放大电路、a/d采样模块、电源管理模块、存储模块，rs232串口模块，gps模块；所述主控芯片用于对江豚信号进行处理，并发出控制指令；所述gps模块用于标定江豚的地理信息坐标。

所述浮标监测设备还包括：溶解氧传感器、ph值传感器、江水浊度传感器、水温传感器。

所述浮标监测设备还包括：各类离子传感器、其他扩展传感器。

所述信息传输层包括嵌入在每套浮标监测设备中的lora无线传输模块wh-l100-l；还包括lora集中器usr-lg280。

本发明还提供了一种基于物联网的长江江豚被动声呐定位和追踪方法，包括以下步骤：

a、系统初始化

a1、在江豚活动水域以栅格化形式布置多个江豚定位追踪监测点，相邻监测点之间间距不小于300米，每个监测点设置浮标监测设备一套，每套浮标监测设备包括多个监测传感器和arm处理单元：所述监测传感器用于对江豚发出的声呐信号以及江豚生活的水质和水文信息进行采集，所述用于监测江豚声音信号的传感器采用sm2m水下生态声学记录仪；所述arm核心处理单元用于处理传感器采集到的信号；

a2、首先将lora无线传输模块wh-l100-l嵌入浮标监控系统，每个无线传输模块wh-l100-l与lora集中器usr-lg280建立连接，lora集中器lg280与后端定位和追踪信息处理层服务器平台建立连接；

a3、定位和追踪信息管理层设置有江豚声学特征数据库、江豚实时/历史游动轨迹数据库、水质参数数据库。

b、信息采集与传输

通过sm2m水下生态声学记录仪对江豚声音信号进行采集，通过多个监测传感器对江豚生活环境的水质和水文信息进行采集，采集到的信号传输给arm处理单元进行处理；

所述arm处理单元用于对接收到的信息进行判定并根据判定结果给出控制指令，该arm处理单元包括主控芯片、带通滤波电路、增益放大电路、a/d采样模块、电源管理模块、存储模块，rs232串口模块，gps模块等；所述主控芯片用于对江豚信号进行处理，并发出控制指令；所述带通滤波电路是对监测到的信号进行滤波；所述增益放大电路是对滤波后的信号进行放大；所述sm2m水下生态声学记录仪采集到的模拟信号送到带通滤波电路和增益放大电路进行滤波和信号放大处理，再将放大后的信号送到采样模块进行a/d采样，将采样后的信号输入到主控制arm芯片进行信号处理，经过arm处理单元处理后的信号通过无线通讯网络传输，所述gps模块用于标定江豚的地理信息坐标；

每个无线传输模块wh-l100-l的数据上传到lora集中器usr-lg280中，系统自动为每一个节点设置数据传输时间坐标，所有节点会根据对应时间与lora集中器usr-lg280进行有序传输；浮标监控系统将数据通过wh-l100-l、集中器lg280传输至后端定位和追踪信息处理层服务器平台。lora是lpwan通信技术中的一种，一种基于扩频技术的超远距离无线传输方案。目前，lora主要在全球免费频段运行，包括433、868mhz等。lora技术具有远距离、低功耗(电池寿命长)、多节点、低成本的特性。

c、信息处理与分析

定位和追踪信息处理层服务器平台接收到水质和水文信息后，将其写入水质和水文数据库；

定位和追踪信息处理层服务器平台接收到江豚信号信息后，计算以下江豚声呐信号数据：

(1)江豚声呐信号的振幅和变化趋势；

(2)信号持续时间δt，江豚声呐时域信号波形的起始点与终止点之间的时间间隔即信号的持续时间，以波形出现和消失在背景噪音中为判断依据；

(3)峰值频率，功率谱图中能量最高时的频率；

(4)3db带宽，在功率谱图中信号功率下降3db时对应横坐标的频率值；

(5)一个波形中的周波数；

(6)功率谱图的相对带宽q,其值为；

若计算结果满足以下条件：声呐信号的最大振幅为-30dbv,信号持续时间δt的范围为30us-125us，峰值频率范围为85khz-145khz，3db带宽范围为9khz-42khz，一个波形的周波数在4-16个之间，功率谱图的相对带宽范围为3.0-12.5，则判定为捕获到一次江豚声呐信号，并将本次采集到的数据记录到江豚历史游动轨迹数据库，所述江豚历史游动轨迹数据库记录的信息包括：采集时间、监测点id、监测点对应gps信息、声呐信号振幅、信号持续时间、峰值频率、3db带宽、一个波形中的周波数、功率谱图的相对带宽；同时向水质和水文数据库增补该监测点对应的水质和水文信息；

各类水质参数包含：溶解氧浓度，ph值大小，江水浑浊度，水温，离子的浓度。系统将得到的实时数据保存到数据库服务器，然后对数据进行各种处理：

(1)打印分析统计报表。系统对得到的数据进行分析处理，得到各种长江的水质环境监控指标，包括ph值、溶解氧浓度，ph值大小，江水浑浊度，水温，离子的浓度和设备运行状态等的报告，以及报警信息和设备运行状态报表。

(2)形成各种分析图表。系统对数据进行分析处理，得到各种图表，图表的类型包括柱形图、折线图、点图等，图表可以形象直观地反映整体和未来的趋势。

(3)形成强大的信息查询功能。系统提供查询、打印各种信息的功能。查询的内容包括江豚的声呐特征参数，以及长江支流西江的水质环境情况等。

(4)利用系统中的有关数据开发bs架构的应用软件，同时开发基于安卓移动平台的app应用程序，让江豚研究人员和自然保护区管理人员通过安卓移动设备，就能完成对于江豚生活的生态水质环境和江豚的生活状态进行监测和设备的管理，为江豚的保护提供有力的支撑。

系统中的元数据是指:统计信息体系(包括江豚被动声呐特征信息、江豚生活环境信息等一系列统计目录)、查询分类/分组标准(包括各类数据库信息)、统计数据等。系统对上述元数据进行统一编码、描述、分类分域管理。系统可以动态扩展和维护元数据，并以元数据为纽带，保持不同历史时期数据的内在联系，实现数据的共享，为大数据技术、数据挖掘技术、江豚声呐数据的特征提取以及模式识别的应用和开展等后续应用奠定基础。系统支持不同用户类型和不同角色，系统的用户对象:政府部门、长江流域江豚保护组织、高校科研人员、环保协会人员、系统管理员等。

d、生成江豚运动场景模型。

本实施例中，以网格化形式部署多套浮标监测系统，采用三维重建和数据可视化技术获取江豚的游动三维运动信息，重构出具备很强真实感的三维运动场景模型，绘制出江豚监测段的三维动态图像，同时对长江西江段进行可以形象生动的直观展示出江豚的生活状态，实时看到江豚的分布情况及其游动轨迹，并生成动画进行展示，同时每个江豚点上显示其位置坐标便于定点追踪，在遇到突发情况时可以及时保护江豚。

本实施例中，采用夏普（sharp）lcd-70lx255a3d液晶电视作为屏幕输出，通过hdmi高清数字线与客户端电脑相连接。在客户端电脑上的操作，会完整的1:1形式复制到电视机屏幕，极大的方便了管理人员、科研人员对实时数据的掌控。该液晶电视通过专用挂架，固定在墙面，可以多角度、多方向调节（左倾斜、右倾斜、上仰、下俯、前后拉伸）。

还包括以下步骤：

e、捕获遇险信号

对江豚历史游动轨迹数据库进行数据比对，若指定时间间隔内，同一监测点捕获到雷同的江豚声呐信号的次数超过设定阈值，则判定为捕获到遇险信号，此时触发一个预警动作，所述预警动作包括报告数据库内的以下内容：采集时间、监测点id、监测点对应gps信息；

若同时出现多个预警动作，且多个预警动作所记录到的监测点在地理位置上相邻，则触发报警动作。

正常情况下，江豚活动频繁，且每10～30分钟浮出水面进行一次换气，只要其活动位置变化，指定时间段内，同一监测点记录到的江豚声呐信号不会高度雷同。因此理论上，某个时间段内，同一监测点捕获到雷同的江豚声呐信号的次数超过设定阈值，则有可能发生江豚活动受到限制。如果若干个相邻监测点都捕获到雷同信号，则江豚有可能遇险，且遇险位置与若干个相邻监测点关联。

本实施例中，指定时间间隔为10分钟，雷同的江豚声呐信号的捕获次数设定为20次。即在10分钟内，若某一个监测点连续监测到20次雷同信号，则触发预警动作。若多个监测点均发生预警动作，且这几个监测点在地理位置上相邻，则判定江豚遇险，且其声呐信号同时被周边的监测点同时检测到，此时触发报警动作。

本步骤中，所述雷同的江豚声呐信号是指声呐信号指标相同或差值在指定范围内，具体用于判定的指标包括：声呐信号的最大振幅、信号持续时间δt、峰值频率、3db带宽范围、一个波形的周波数、功率谱图的相对带宽。

本步骤中，江豚声呐信号雷同的比对仅在监测点id相同的数据库记录之间进行，即针对同一监测点，在指定的时间段内进行自我比对，从而降低计算量，提高比对精度和反应速度。

本发明的具体实施方式包括但不局限于上述实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但仍然落入本发明的保护范围。