基于物联网的长江江豚被动声呐定位和追踪系统及方法技术方案

本发明专利技术所提供了一种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；浮标监测设备层用于采集前端数据并进行处理；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；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；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。本发明专利技术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。

【技术实现步骤摘要】
基于物联网的长江江豚被动声呐定位和追踪系统及方法
本专利技术涉及物联网中的自动控制
，尤其涉及一种基于物联网的定位和追踪系统。
技术介绍
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。本专利技术专利于是开发一种长江江豚被动声呐定位和追踪系统。
技术实现思路
本专利技术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，本专利技术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。本专利技术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)本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种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。

【技术特征摘要】
1.一种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。2.根据权利要求1所述的基于物联网的长江江豚被动声呐定位和追踪系统，其特征在于：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。3.根据权利要求1所述的基于物联网的长江江豚被动声呐定位和追踪系统，其特征在于：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。4.根据权利要求3所述的基于物联网的长江江豚被动声呐定位和追踪系统，其特征在于：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。5.根据权利要求1所述的基于物联网的长江江豚被动声呐定位和追踪系统，其特征在于：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。6.根据权利要求1所述的基于物联网的长江江豚被动声呐定位和追踪系统，其特征在于：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。7.根据权利要求1所述的基于物联网的长江江豚被动声呐定位和追踪系统，其特征在于：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。8.根据权利要求1所述的基于物联网的长江江豚被动声呐定位和追踪系统，其特征在于：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。9.一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...

【专利技术属性】
技术研发人员：胡浪涛，王广军，
申请(专利权)人：安庆师范大学，
类型：发明
国别省市：安徽,34