使用GPS和慣性傳感器的設(shè)備來監(jiān)控動物的運動

描述

我們的目標(biāo)

該項目旨在回答有關(guān)處于脆弱狀態(tài)的本地動物物種的基本生物學(xué)問題。為此，我們設(shè)計和開發(fā)設(shè)備，進(jìn)行現(xiàn)場監(jiān)測，分析我們從活動中提取的數(shù)據(jù)，并將運動模型與獲得的數(shù)據(jù)相匹配。

關(guān)于我們

我們是一個由生物學(xué)家、物理學(xué)家和工程師組成的團(tuán)隊，我們已經(jīng)跨學(xué)科工作了 5 年，涉及不同的動物物種、不同的棲息地和挑戰(zhàn)。我們在阿根廷里奧內(nèi)格羅的圣卡洛斯德巴里洛切的巴里洛切原子中心進(jìn)行研究。

...我們是如何開始的？

五年前，我在吉列爾莫·艾布拉姆森博士的指導(dǎo)下開發(fā)動物運動的理論模型。在我博士的后半段，我和研究有必要從真正的動物監(jiān)測開始。我們首先在其自然棲息地監(jiān)測有袋動物Dromiciops gliroides 。鑒于這種動物生活在沒有 GPS 信號的森林中，它的重量約為 20 克（這極大地限制了可用的設(shè)備），而且它是一種夜行動物（必須進(jìn)行監(jiān)測），因此這項工作變得非常具有挑戰(zhàn)性。晚上出去）。我們開發(fā)了自己的天線來設(shè)置接收站，并將發(fā)射器放置在D. gliroides個體身上。

我們的項目繼續(xù)發(fā)展，許多生態(tài)團(tuán)體找我們詢問我們是否可以開發(fā)任何可以適應(yīng)他們環(huán)境的監(jiān)測系統(tǒng)。我們開始開發(fā)自己的監(jiān)控系統(tǒng)，包括 GPS、慣性傳感器（加速度計、陀螺儀和磁力計）和溫度傳感器。一方面，我們在監(jiān)控系統(tǒng)的研發(fā)方面取得了進(jìn)步，此外，我們還收到了 TinyML 套件，它也可以成為跟蹤系統(tǒng)。現(xiàn)在，有了 SenseCAP K1100，我們可以組建一個連接的設(shè)備網(wǎng)絡(luò)，同時監(jiān)控動物。

如今...

使用這些監(jiān)控系統(tǒng)（我們將在下一節(jié)中詳細(xì)介紹），我們可以獲得動物的軌跡。特別是，我們現(xiàn)在有興趣監(jiān)測位于阿根廷里奧內(nèi)格羅省圣安東尼奧奧斯特自然棲息地的烏龜Chelonoidis chilensis的種群。該物種處于脆弱狀態(tài)（IUCN 2014，并且對其生物學(xué)知之甚少。我們相信，通過研究系統(tǒng)跨學(xué)科（開發(fā)和實施跟蹤設(shè)備、分析數(shù)據(jù)和開發(fā)理論模型），我們可以更多地了解這個物種。了解動物如何移動、調(diào)查它們的軌跡、尋找它們的巢穴、研究它們的行為如何依賴于外部變量（例如溫度或風(fēng)）是制定有助于保護(hù)它們的指導(dǎo)方針的關(guān)鍵。

監(jiān)控系統(tǒng)

我們使用包含 GPS 和慣性傳感器的設(shè)備來監(jiān)控動物的運動，并根據(jù)不同的變量（一天中的時間、天氣條件等）確定它們的活動。這些設(shè)備可能在技術(shù)和性能上有所不同，但必須足夠輕巧，以滿足每個生物系統(tǒng)的要求。這樣，可能性就降低了。我們將在下面介紹我們正在使用的 2 個監(jiān)控系統(tǒng)。

• 我們團(tuán)隊設(shè)計的跟蹤系統(tǒng)。該設(shè)備使用 CC1312R1F3RGZT 微控制器，包含 GPS、慣性傳感器、溫度傳感器和麥克風(fēng)（參見“原理圖和電路圖”中的原理電路“使用 CC1312R1F3RGZT 微控制器的動物監(jiān)控系統(tǒng)”）。我們包含用于該設(shè)備的 IMU 模塊發(fā)送和接收數(shù)據(jù)的代碼示例（請參閱“代碼”部分中的“發(fā)送/接收 IMU 數(shù)據(jù)的示例代碼”）。在本節(jié)中，我們還包括一個 Python 代碼“圖形用戶界面”，以交互方式顯示溫度和加速度計測量值。使用我們?yōu)榇嗽O(shè)備開發(fā)的第一個原型，. 有了這些結(jié)果，我們提交了手稿“通過互補技術(shù)監(jiān)測易受傷害的龜龜Chelonoidis chilensis的運動研究”。

我們團(tuán)隊開發(fā)的監(jiān)控設(shè)備的三維視圖。該監(jiān)控單元的尺寸為 63x48 毫米。

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在下一次監(jiān)測活動（2023 年 1 月）中，我們將使用該設(shè)備跟蹤個人并獲取新的運動數(shù)據(jù)。目前，數(shù)據(jù)存儲在內(nèi)存中，因此在檢索內(nèi)存之前我們不會獲取數(shù)據(jù)。我們的目標(biāo)是采用遠(yuǎn)程低功耗通信協(xié)議作為 LoRa，以便能夠?qū)崟r查看動物行為。

• TinyML 套件 + Edge Impulse。我們的團(tuán)隊是 TinyML 網(wǎng)絡(luò)的一部分。由于這一壯觀的舉措，我們收到了 10 個 TinyML 套件，其中包括包含 9 軸慣性測量單元 (IMU) 和溫度的 Nano 33 BLE Sense 等組件。結(jié)合 GPS、電池和內(nèi)存，我們可以用作新的動物監(jiān)測設(shè)備。使用足夠輕巧的監(jiān)控設(shè)備以及數(shù)據(jù)分析和機器學(xué)習(xí)算法，可以在現(xiàn)場確定個人的行為。使用 TinyML 套件和 Edge Impulse 平臺，我們能夠訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對C. chilensis的行為進(jìn)行分類個人。我們使用從該物種個體在其自然棲息地的 5 次監(jiān)測活動中提取的加速度計時間序列。我們使用 Keras 設(shè)計了一個分類模型，首先區(qū)分運動和靜止。隨后，目標(biāo)是區(qū)分不同類型的行為：進(jìn)食、行走、交配、挖巢產(chǎn)卵等。此類研究的一個具體應(yīng)用是找到雌性產(chǎn)下的卵并幫助保護(hù)它們：通過通過描述來自“挖巢產(chǎn)卵”活動的加速度計信號以及來自 GPS 的個人位置，我們可以識別這些沉積地點并保護(hù)雞蛋免受潛在威脅。

左：使用包括慣性傳感器的設(shè)備在其自然棲息地監(jiān)測 C. chilensis 個體。該裝置被放置在外殼上，并使用偽裝膠帶固定以防止捕食。右圖：來自 x、y、z 加速度計的原始數(shù)據(jù)（上）、頻譜圖（中）、用于提取頻譜特征的頻域（下）。右邊的三張圖取自 Edge Impulse。

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我們已經(jīng)使用 Wio 終端和 Arduino 代碼測試了分類器（請參閱“代碼”部分中的“使用加速計訓(xùn)練的 NN 的動物運動分類器”）以及圈養(yǎng)烏龜?shù)倪\動。這樣，我們就可以實時確定分類結(jié)果，并通過藍(lán)牙在我們的手機上獲取結(jié)果（“Active”或“Inactive”）。由于 Wio 終端的重量和尺寸，我們將在現(xiàn)場使用 TinyML 套件。

加入 SenseCAP K1100 的好處！

在野外工作中，每個人都配備了一個使用偽裝膠帶防止捕食的裝置。到目前為止，數(shù)據(jù)都是在設(shè)備的內(nèi)存被移除后獲取的。這個過程是戰(zhàn)役中最繁重和最耗時的任務(wù)，因為我們必須找到分布在相對較大的自然區(qū)域內(nèi)植被粗糙的動物。重要的是，這樣做我們也會強烈干擾我們想要研究的自然行為。我們的目標(biāo)是采用遠(yuǎn)程低功耗通信協(xié)議作為 LoRa，以便能夠?qū)崟r查看動物行為。

我們可以將 SenseCAP K1100 傳感器整合到兩個監(jiān)控系統(tǒng)中：一個由我們的團(tuán)隊開發(fā)，一個由 TinyML 套件實現(xiàn)。有了足夠多的 LoRa 設(shè)備，我們就可以創(chuàng)建一個連接它們的網(wǎng)絡(luò)。這將使我們能夠發(fā)送存儲的信息，而無需靠近個人，也無需觸摸已安裝的設(shè)備，這些設(shè)備經(jīng)過精心偽裝和保護(hù)。LoRa 還帶來了擴展研究和實時監(jiān)控多個個體或“節(jié)點”的可能性，例如檢測可能的集體行為。它還可用于從一個或多個監(jiān)控/控制中心以非侵入方式更新設(shè)備設(shè)置和所有這些任務(wù)。

Nano 33 BLE 的示意圖連接，以實現(xiàn)具有遠(yuǎn)程通信的完整跟蹤設(shè)備。這使得能夠構(gòu)建實時監(jiān)控的設(shè)備網(wǎng)絡(luò)。

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SenseCAP K1100 套件還為我們尚未探索的傳感器融合開辟了新的視角，并解決了溫度、濕度和光線對陸龜行為的影響問題。更多地了解個人的活動以建立有助于保護(hù)他們的指導(dǎo)方針，這一點至關(guān)重要。利用 SenseCAP K1100 的優(yōu)勢，在監(jiān)測動物的同時，我們可以測量它們生活的自然棲息地的環(huán)境變量。例如，一種類型的烏龜庇護(hù)所由地下的洞穴組成。現(xiàn)在，我們可以測量這些地方的濕度。

除了在陸龜中實施外，我們的目標(biāo)是在野外的其他動物物種中使用它，只要設(shè)備滿足尺寸和重量要求。例如，我們開始與研究小蜥蜴和小鳥行為的團(tuán)體合作。

最后，重要的是要說我們真的很喜歡這個項目，還有很多工作要做。使用不同的技術(shù)為不同動物物種的監(jiān)測做出貢獻(xiàn)對于更多地了解每種動物的生物學(xué)并為脆弱物種的保護(hù)制定指導(dǎo)方針非常有價值。