外文翻譯-基于GPS的動物跟蹤系統(tǒng)

中文5790字基于GPS的動物跟蹤系統(tǒng)1摘要：野外感知系統(tǒng)是一種用于監(jiān)測沼澤鹿行為和遷徙模式的無線傳感網(wǎng)。該系統(tǒng)將收集微氣候以及動物的位置信息，并將這些信息以數(shù)據(jù)流的方式使用點對點網(wǎng)絡(luò)傳達(dá)到基站?；臼褂镁W(wǎng)關(guān)，將收集到的所有數(shù)據(jù)上傳到互聯(lián)網(wǎng)上的一個數(shù)據(jù)庫和用基于可視化軟件的瀏覽器將這些信息描繪出來。每一個點將顯示五個信息，即：位置（用GPS）,溫度，濕度，前進(jìn)方向和環(huán)境亮度。此外，該節(jié)點將有一個實時時鐘同步網(wǎng)絡(luò)和保持時間信息。一個外部數(shù)據(jù)閃存空間將會用于記錄從傳感器和網(wǎng)絡(luò)節(jié)點上獲取的數(shù)據(jù)。無線電收發(fā)機(jī)通過點對點的通信協(xié)議將數(shù)據(jù)傳送到基站。一個太陽能接受系統(tǒng)為電池提供節(jié)點能量，用于延長節(jié)點的壽命。這個系統(tǒng)將會被做成項圈的形式，這樣能比較容易的套在動物的脖子上。關(guān)鍵詞：GPS跟蹤；野外感知系統(tǒng)；無線傳感網(wǎng)，野生動物跟蹤，微型氣候感知器I.前言無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）總是使用從分布式自治節(jié)點空間獲得的感知。把微型傳感器、微控制器、無線電收發(fā)機(jī)和一種帶有電源,低功耗和廉價的傳感器節(jié)點（我們將簡單地稱之為節(jié)點）結(jié)合可以用于監(jiān)視物理或環(huán)境的條件，如不同位置上的溫度、聲音、振動、壓力、運動等。對于正在移動的節(jié)點這個任務(wù)將變得更具挑戰(zhàn)性。工程所要進(jìn)一步研究的問題是如何使節(jié)點的電力供應(yīng)足夠維持到最后一年。這篇文章的重點就是如何通過對數(shù)據(jù)的處理，改善無限傳感網(wǎng)的設(shè)計來突破無限傳感網(wǎng)在能量方面的束縛。過去已經(jīng)見過各種各樣的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于棲息地監(jiān)控、地震檢測，環(huán)境監(jiān)測、健康系統(tǒng)監(jiān)統(tǒng)等，這些領(lǐng)域很少會遇到移動節(jié)點,動態(tài)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，通信失敗，電力供?yīng)有限，惡劣的環(huán)境條件變化等情況。為了從對野生動物監(jiān)測中尋到解決問題的方法和了解動物與其周圍環(huán)境的復(fù)雜的關(guān)系，科學(xué)家必須親自到現(xiàn)場去收集所需要的數(shù)據(jù)。在某些情況下將無線電發(fā)射機(jī)安置動物身上能讓研究變得更加容易，但是圖像的大部分仍然不能被標(biāo)記出來，因為缺少有效的數(shù)據(jù)收集。有許多理由去解釋為什么頻繁的到現(xiàn)場去做調(diào)查是困難和不明智的。首先，研究物種時要做到完全避免人類干擾幾乎是不可能的。人類頻繁的訪問或打擾已潛移默化中對物種產(chǎn)生了影響［1］。其次,在晚上追蹤活動的動物與其說是做實驗或做研究還不如說是冒險。最后，如果不使用專用的低成本傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。它1作者VishwasRajJain,RaviBagree,AmanKumar,PrabhatRanjan；出處IntelligentSensors,SensorsNetworksandInformationProcessing,2008.ISSNIP2008.不僅費時而且需要花費大量的資金來跟蹤動物遷移以及其飲食習(xí)慣。因此就需要一個自動化的系統(tǒng),帶有擁有眾多網(wǎng)絡(luò)傳感器節(jié)點的自然空間能夠長時間的收集數(shù)據(jù)（即使在夜間）、如果沒有這樣的系統(tǒng)，靠人工檢測，則研究范圍和結(jié)論的準(zhǔn)確率則非常有限。它還能夠在不對生態(tài)造成干擾的情況下收集數(shù)據(jù)和相比傳統(tǒng)研究方式來說，它是一種更為經(jīng)濟(jì)方法來進(jìn)行長期的研究。一些監(jiān)控野生動物運動和習(xí)性的先進(jìn)理念曾做過嘗試，如斑馬網(wǎng)絡(luò)［2］和偉大的鴨子島實驗［1］。通過以上經(jīng)驗的學(xué)習(xí)，我們可以知道生物感知網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建也是出于同樣的出發(fā)點。它是擁有更低能耗，更大的范圍、更加多樣的環(huán)境感知特性和更健壯數(shù)據(jù)備份的系統(tǒng)。野外感知系統(tǒng)是一個用于監(jiān)控沼鹿（澤鹿）行為和遷移模式的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。該系統(tǒng)對于那些中型或大型的物種同樣適用。這個系統(tǒng)中配有GPS、無線收發(fā)器和其他各種傳感器、硬件為支持野生動物監(jiān)控的需要而設(shè)計的。捕獲的數(shù)據(jù)可以提供給野生動物研究人員讓他們完成研究和學(xué)習(xí)的目。它將有助于他們理解瀕危物種的需求，以及這些物種與周圍的環(huán)境關(guān)系。本文在節(jié)點，基地，網(wǎng)絡(luò)的水平上探討了野外感知系統(tǒng)的硬件和軟件設(shè)計的體系結(jié)構(gòu)。特別是它把設(shè)計和測試系統(tǒng)時遇到的問題也體現(xiàn)了出來。II.基于GPS的動物跟蹤系統(tǒng)生物傳感網(wǎng)是一種試圖讓研究人員了解更多有關(guān)沼鹿的生活習(xí)性的途徑。輸入的該系統(tǒng)的設(shè)計要有哪些功能由野生動物研究人員輸入。這個系統(tǒng)計劃將帶有傳感器的輕質(zhì)項圈安放在動物的脖子上。這個項圈會從附近動物中收集到科學(xué)研究所需要的數(shù)。將收集到的有用數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)發(fā)送到其他節(jié)點或基站，（基站越來越偏好的情況下兩者都是可用）。這個系統(tǒng)的主要的功能是使用GPS跟蹤動物的遷徙運動。要獲取的數(shù)據(jù)除了位置信息，還包括動物的生活習(xí)性和它的周圍環(huán)境參數(shù)。也可以說成是一項對動物的活動的研究。動物的生活模式需要被記錄下來。自從監(jiān)測區(qū)域變大后，獲得的數(shù)據(jù)需要不斷的從一個節(jié)點傳到另一個節(jié)點依據(jù)直到它轉(zhuǎn)移到一個基站。最后系統(tǒng)需要運行持續(xù)至少12個月，因此電源設(shè)計和使用需要優(yōu)化位置記錄：在監(jiān)測動物的遷移模式時，GPS需呀能夠精準(zhǔn)的定位。研究人員指定的位置每3個小時能發(fā)生三次GPS位置信息就足以繪畫出這個動物的近一年的運動軌跡周圍環(huán)境:由于在過去的一年里沼鹿的遷徙受地面植被的覆蓋率的影響，所以研究人員還需要監(jiān)控動物的居住和覓食環(huán)境。用于測量溫度、濕度，和光線以及動物活動的傳感器也同時安裝在了系統(tǒng)里。數(shù)據(jù)傳輸和恢復(fù)：分散的數(shù)據(jù)只有在被傳播到基站⑸的情況下才能被科學(xué)家收集起來用于分析。因為沼鹿的活動范圍相當(dāng)?shù)拇?，所以不可能在它們的整個活動地區(qū)安裝眾多基站。為了解決這個問題，我們需要通過移動網(wǎng)絡(luò)，采用點對點通信方式是試圖在無線卡插槽上傳輸數(shù)據(jù)［2］。為了彌補(bǔ)時間上的延遲，節(jié)點上安裝了一個較大的外部flash用來容納數(shù)據(jù)在節(jié)點上的生成時間以及傳輸過程中獲取的時間。3.1節(jié)討論更詳細(xì)的討論了數(shù)據(jù)的交流問題。能量獲取:每一個檢測點都必須工作最少一年，用于追蹤遷移路徑，避免人為干預(yù)。他們與其他節(jié)點唯一的連接是通過無線鏈接或基站。而且，由于在節(jié)點的重量上有一個限制，就不能提供一個巨大的電源供應(yīng)。因此，節(jié)點需要輕量級電力備份系統(tǒng)。鑒于這種動物大部分在露天的環(huán)境下活動，所以可以通過太陽能來給系統(tǒng)提供電力供應(yīng)。只要認(rèn)真落實能源采集，補(bǔ)充的管理政策，能源的需求容易得到滿足。能源的提供將會在3.3節(jié)更詳細(xì)地討論III.系統(tǒng)概述大體上生物傳感網(wǎng)系統(tǒng)分為如圖1所示的幾個部分,即硬件、相關(guān)系統(tǒng)軟件和驅(qū)動器，中間設(shè)備服務(wù)器連接數(shù)據(jù)記錄和web主機(jī)服務(wù)設(shè)備最后基于瀏覽器的可視化軟件。圖1生物傳感網(wǎng)系統(tǒng)概述1）硬件架構(gòu)完整的傳感器節(jié)點連同電池充電系統(tǒng)的是以一個項圈的形式呈現(xiàn)的，它被套在了沼鹿的脖子上。生物傳感網(wǎng)節(jié)點的硬件系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)如圖2所示。圖2硬件設(shè)計框架為了滿足在準(zhǔn)確性、能量、電壓兼容性和成本方面的考慮[6],每個組件都在原來的基礎(chǔ)上經(jīng)過了精心挑選。這個組件由如下的一個單個節(jié)點組成：微控制器——ATMegal281V[7],128k字節(jié)程序內(nèi)存，是核心處理單元的設(shè)計。它有4k字節(jié)的eepm和8k字節(jié)的存儲器。有兩個可獨立使用的串口。GPS和無線電收發(fā)機(jī)的通信與核心處理單元同步。這使我們能夠消除軟件章節(jié)3.2節(jié)描述的多路復(fù)用的開銷。當(dāng)連續(xù)通信是，內(nèi)部諧振器是不夠準(zhǔn)確，這時需要在外部加上一個1.83728MHz的晶振。（限制波特誤差百分之零[7]）。實時時鐘——DS3231⑻——為了能夠使所有的節(jié)點在同一個時間啟動以達(dá)到同步。外部RTC必須準(zhǔn)確將這些節(jié)點同步。它還產(chǎn)生周期性的中斷來將微控制器從—斷電”睡眠模式中喚醒。高度的準(zhǔn)確性，集成的溫度測量使設(shè)備的晶體振蕩器（TCXO）、I2C接口在不同的波特率工作時仍能適合這一應(yīng)用。系統(tǒng)中在時間上的任何不匹配（在兩個交互節(jié)點）將會花費大量的電力在網(wǎng)絡(luò)的同步上。由于運行環(huán)境的不同，RTC在不同的節(jié)點上運行是有偏差的。為了維護(hù)節(jié)點與節(jié)點之間通信的準(zhǔn)確性,RTC與GPS設(shè)備每五天實現(xiàn)一次同步，保持1秒內(nèi)的時鐘偏差。GPS-拉森IQGPS接收機(jī)與天線[9],它有封裝小、處于工作模式的時候能耗低（89兆瓦為3.3v）。為了達(dá)到較高的精度，它使用十二處理渠道來跟蹤GPS衛(wèi)星信號。拉森IQGPS支持NMEA協(xié)議的GPRMC通信形式。這一通信協(xié)議包涵了所有需要的內(nèi)

容，即日期、緯度、經(jīng)度和時間。它與單片機(jī)通信頻率為4800個bps。自其讀數(shù)開始，GPS每3小時會自動轉(zhuǎn)換開/關(guān)模式。為了利用GPS的熱啟動功能，我們使用一個電池備份機(jī)制。無線電收發(fā)機(jī)——XBee-Pro［10］——這個數(shù)碼網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵通信模式是基于IEEE802.15.4ZigBee/標(biāo)準(zhǔn)。它運行在2.4ghzISM波段（只有在印度免費提供），通信距離超過一公里。然而和900MHz相比，傳輸距離相同是，這個頻率導(dǎo)致更高的能源消耗，我們得使用更高的數(shù)據(jù)頻率和更小型而緊湊的天線。低成本、低功耗和易用性也是其優(yōu)勢。它還提供了五個睡眠模式來滿足不同應(yīng)用場合的需求。當(dāng)它僅是一個供電系統(tǒng)而不使用其時間功能時，我們用最低功率的睡眠模式。幾毫秒的延遲對于系統(tǒng)來說是允許存在的。內(nèi)存——愛特梅爾公司AT45DB16B數(shù)據(jù)flash［11］，我們需要一個大的內(nèi)存存儲空間來彌補(bǔ)基站與節(jié)點之間通信的延遲。對于我們的無線傳感器網(wǎng)絡(luò),一個節(jié)點需要收集的數(shù)據(jù)來自同行，這要求更高內(nèi)存容量。AT45DB16B擁有SPI接口正好符合了這一要求?；赨CBs環(huán)球文件系統(tǒng)［13］的可操作的內(nèi)部開發(fā)文件系統(tǒng)［12］,的使用，這使得存儲系統(tǒng)簡單和高效。附加的傳感器，為了收集沼鹿周圍環(huán)境的參數(shù)，從大鴨島上的經(jīng)驗試驗［1］中得知我們需要在節(jié)點上安裝數(shù)字傳感器。濕度傳感器有內(nèi)置的加熱器用于蒸發(fā)吸收水。SensirionSHT11的［14］傳感器是一個數(shù)字溫度和濕度傳感器（分辨率:0.01°C和0.05%RH）的組合。這傳感器是被一個蓋帽（IP67標(biāo)準(zhǔn)）遮著，使其感知環(huán)境的同時達(dá)到保護(hù)它的作用。我們使用一個TAOS的TSL2561t［15］這是一款高靈敏度的數(shù)字光傳感器。為了監(jiān)控動物的活動我們使用了飛思卡爾半導(dǎo)體的MMA6270QT［16］模擬加速度計。這些擁有位置信息的數(shù)據(jù)為更加深入的了解沼鹿的遷移模式及與氣候的變化。節(jié)點的設(shè)計采用大量的減少噪音的技術(shù)。為了降低ADC的噪聲，一個LC濾波器（L=10MH和C=0.1yF的）已被添加到的ADC引腳的微控制器。此外，為了減少噪音［6］,AVCC被連接到主電源供應(yīng)系統(tǒng)且沒有任何扇區(qū)出線。整個PCB敷銅用以使噪聲保持在最低水平，同時還消散節(jié)點產(chǎn)生的熱。如圖3所示。節(jié)點的大小為5x6平方厘米，僅重34gms。包括電源（LIION電池與太陽能充電機(jī)制）體系的總重量為,不含項圈小于300gms（使用4鋰離子電池重148克）。II‘I1三:DAIIUT(a)(b)

圖3（a）頂視圖（b）(a)2）軟件架構(gòu)設(shè)計主要解決的是問題是能源,wildCENSE軟件工具的有效的調(diào)度和事件同步。節(jié)點大部分時間都保持在休眠/無效模式。以一個產(chǎn)生周期性中斷的實時時鐘（RTC）為基礎(chǔ)，從的傳感器和GPS上收集所需的數(shù)據(jù)。準(zhǔn)確性的RTC有助于實現(xiàn)節(jié)點到節(jié)點，或節(jié)點與基地之間信息的同步。GPS每3小時發(fā)送一次數(shù)據(jù)，并安設(shè)定好的每十分鐘喚醒相應(yīng)的傳感器。無線收發(fā)機(jī)，GPS和外接存儲器都有獨立的端口，即USART0，USART1，SPI，我們都能同時使用它們。當(dāng)GPS處于開機(jī)狀態(tài)，并在修理的過程，如果附近有節(jié)點/基站則可以無線電進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸。當(dāng)前讀/寫數(shù)據(jù)段的指針存儲在微控制器的EEPROM。這的優(yōu)點是在重新啟動的情況下，（如看門狗復(fù)位）,數(shù)據(jù)段指針可以從EEPROM中重新獲取，一旦發(fā)現(xiàn)了節(jié)點/基站，所以得節(jié)點會在相同的時間開啟和并同時進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。成功轉(zhuǎn)移到所述基站的數(shù)據(jù)是將會從節(jié)點中刪除。微控制器和無線收發(fā)信機(jī)之間的通訊波特率被設(shè)置為57600，雖然這個無線電收發(fā)機(jī)也支115200的波特率。我們的測試結(jié)果表明，在較低的波特率（57600）數(shù)據(jù)有更好的可靠性，因此使用了這以波特率。3）系統(tǒng)能源管理WSN的能源需求是設(shè)計時要考慮的最最關(guān)鍵的要素。當(dāng)權(quán)衡節(jié)點的重和它的能量所需時，野生動物監(jiān)測方案變得更具挑戰(zhàn)性。在本節(jié)中，我們將在軟件和硬件水平上討論我們的能源管理技術(shù)，和野外感知體系。圖4中所示的是一個節(jié)點能源消耗的比例圖。能量的具體消費計算在本節(jié)C部分。inT6iXBee-PflQ24i26,inT6iXBee-PflQ24i26,：i/"FlaihM^rftorvi0.3:6^005^Temp&HumriSsnsorEG辭叫別申觀Seri5°f7北澤AccHerometerBuck/BODht圖4野外感知系統(tǒng)節(jié)點的功耗必比例圖硬件級別的能源管理理想的檢測節(jié)點包涵一定數(shù)量的傳感器沿與其他外圍設(shè)備，如RTC,外部閃存和無線電收發(fā)信機(jī)。為這樣復(fù)雜的系統(tǒng)設(shè)計一個簡單的電源供應(yīng)器是一個巨大的挑戰(zhàn)。所有組件和傳感器都經(jīng)過精心挑選，都是低功耗以及幾乎相同的輸入電壓范圍3.3V。該系統(tǒng)是由一個可再充電的鋰離子電池供電，它可以安全地電壓范圍為2.7V至4.2V。太陽能發(fā)電被附加上去以便進(jìn)一步增強(qiáng)節(jié)點的壽命。此外，未用引腳和數(shù)字輸入緩沖器分別被配置成輸出引腳和禁用，最大限度地減少他們的能源泄漏。使用一個共同的電壓（3.3V）的決定不僅是為了節(jié)點電壓設(shè)計的簡單，同時也能夠節(jié)省那些浪費在不同的電壓調(diào)節(jié)上的能量。為了最大限度的利用電池的能量，一個DC/DC轉(zhuǎn)換器，德州儀器（TI）［17］的一款降壓升壓器TPS63001被使用。它可提供恒定的輸出電壓3.3V的最大輸出電流1.8A;轉(zhuǎn)換效率高達(dá)96%。軟件級別的能源管理當(dāng)節(jié)點處于非活動狀態(tài)時，野外感知系統(tǒng)采用微控制器的關(guān)機(jī)睡眠模式，從而節(jié)省了大量的能源。另一種方法是使用雙時鐘方案，而不是睡眠模式，但是使用外部實時定時器時鐘的同時，我們?nèi)阅軌蛲ㄟ^它自身的掉電模式功能節(jié)省能源。這個斷電模式的特點是把所有的一切都關(guān)機(jī)，并且通常包括時鐘源⑺，在3.3V的電壓下消耗的電流小于10uA的看門狗。掉電檢測器是在睡眠模式狀態(tài)狀態(tài)下［18］唯一工作的模擬量模塊。但是，因為自從該模塊在我們的設(shè)計中不需要以后，我們已經(jīng)把它永久關(guān)閉，確保進(jìn)一步降低斷電睡眠模式的供電。在處理和讀取傳感器時需要較小的延時，這個時候另一個節(jié)省功耗的模式，省電睡眠模式將被使用。隨著微控制器，其他外圍設(shè)備也提出休眠模式，以最大限度地減少能源的使用。當(dāng)節(jié)點是在睡眠模式時GPS被關(guān)閉。這是通過電源開關(guān)TPS2092［19］來實現(xiàn)的，。應(yīng)用程序不是每時每刻的使用使我們有機(jī)會讓無線收發(fā)器處在最低功耗模式下，這一模式的功耗不到其他模式1/5。節(jié)點壽命估算表1說明了節(jié)點上的各個組件的電力需求。以下假設(shè)是基于每個節(jié)點的組件能工作最低一年：?節(jié)點每3小時進(jìn)行測量。?假設(shè)，大部分的時候，沼鹿活動在露天的環(huán)境里，可得到一個明確的GPS位置信息。?每隔一小時，節(jié)點通過RTC同步試圖與其他節(jié)點/基地進(jìn)行聯(lián)系，。?只有70%的鋰離子電池的能量已經(jīng)假定可用［20］。?最后，我們假設(shè)一個節(jié)點，每天會從其他節(jié)點收到最多7頁數(shù)據(jù)并想其他節(jié)點發(fā)送一頁的轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)。在一個月的時間里，該節(jié)點把它的所以數(shù)據(jù)都傳輸給基站。按上述的假設(shè)和使用所述的硬件，每個節(jié)點每天需要13.5mAh能量或7040mAh一年。為了滿足上述要求，鋰離子電池包8Ah的容量是足夠的。太陽能充電可進(jìn)一步延長節(jié)點的工作時間。在表1中，我們將用TX”代表發(fā)送模式，RX”代表接收模式和PD”代表斷電模式。組件在不同模式下的平均電流（以毫秒安培）的要求在第4欄給出。第5列T”給所采取的傳感器及其它外設(shè)單次讀出的典型時間（單位為秒）。最后一列，即C”是在不同的模式下各個組件每天的電流需求（mAh）。表1節(jié)點壽命估計乩No.Ci&inpitnirfthUdt-ETc1CTSAce申TO5.4SleepOW0.4S2Optica.!SeziECirA■匚tii'e0240.0529E-06Sleep32E-O+0.0S3&Hiunidjn'Ai'erige0.02^0.5534E-WSleepOSE-CWD.OEAAteelertnueTaiAj:tin'e0.5OCT24E-0630E-0+0.075BuckBcoieActn：e0&40.5S6Actn:e0E-04Sleep0.112.647FlambMamoiyWrire150.2WE-04Read4o.ai59E-06Sieep20E-CW0.058RF(NodeDiitcrveiy)□2950.1E0.35Rx450.1S0.05Pag已TrnnsfertcpeerTk型3.77a盟Rn4530.04PassRecedeperday0295211.72Rk4525.35033AvgpagedaD□fertcbaseTh邸isi0.21Rx450.03PD0010.24LiNTicTOCGutrcllerActn'e0.25PD0010.J4IV總結(jié)本文提出了一種用于監(jiān)測野生動物的無線傳感網(wǎng)操作原型。野外感應(yīng)是一種緊湊，準(zhǔn)確，高效節(jié)能的感應(yīng)。除了高效節(jié)能，它還提供詳細(xì)的位置信息且擁有非常高的精度。軟件協(xié)議和硬件實現(xiàn)都經(jīng)過精心設(shè)計，以實現(xiàn)優(yōu)化系統(tǒng)能源的要求。雖然GPS和無線電收發(fā)器等單元要消耗相當(dāng)大的能源，但是利用太陽能充電機(jī)制，節(jié)點壽命將大為提咼。英文原文：wildCENSE:GPSbasedAnimalTrackingSystemAbstract—wildCENSEisaWirelessSensorNetwork(WSN)systemwhichattemptstomonitorthebehaviourandmigrationpatternsofBarasingha(SwampDeer).Thesystemwouldcollectthemicro-climaticaswellaspositionalinformationoftheanimalandcommunicateittoabasestationthroughfloodingofdatausingpeer-to-peernetwork.Thebasestation,usingagateway,uploadallthecollecteddatatoadatabaseserveronInternetandportraytheinformationusingbrowserbasedvisualizationsoftware.Eachnodewouldmonitorfiveparametersnamelyposition(usingGPS),temperature,humidity,headorientationandambientlight.Also,thenodewillhavearealtimeclockforthesynchronizationofthenetworkandtokeeptiminginformation.Anexternaldataflashmemorywouldbeusedtorecordthedatacollectedfromsensorsandotherpeernodes.Aradiotransceiverwouldtransmitthedatatothebasestationbyusingapeertopeercommunicationprotocol.Asolarenergyharvestingsystemforrechargingnode'spowersupplybatteriesisbeingaddedtoprolongthelifetimeofnodes.Thesystemwouldbeintegratedintheformofacollarthatcanbeeasilyfittedontheneckofanimal.Keywords-GPSTracking;wildCENSE;micro-climatesensing;WirelessSensorNetworks;wildlifetrackingINTRODUCTIONWirelesssensornetworks(WSN)invariablyemploysensingfromspatiallydistributedautonomousnodes.Withalittlejuggleryofsensors,micro-controllers,radiotransceiverandanenergysource,low-powerandinexpensivesensornodes(we'llsimplycallthemnodes)canbemadetocooperativelymonitorphysicalorenvironmentalconditions,suchastemperature,sound,vibration,pressure,motionetc.atdifferentlocations.Thetaskbecomesmorechallengingwhenthenodesaremobile.Tofurtherquestiontheengineeringeffortisthecase,wherethenode'spowersupplyshouldbesufficientforittolastyears.Hencetheacquisition,accumulationandrelayofdataimposeagreatchallengeontheWSN'sdesignviz.thestrictenergyconstraints.TherecentpasthasseenawidevarietyofWSNapplicationsnamelyHabitatmonitoring,SeismicDetection,Environmentalmonitoring,Healthmonitoringsystemsetc.,ofwhichmobilenodes,dynamicnetworktopology,communicationfailure,limitedpowersupply,harshenvironmentalconditionsarefewofthevariedchallenges.Toaddresstheissuesinwildlifemonitoringandtounderstandthecomplexrelationshipofanimalswiththeirsurrounding,scientistshadtocollecttherequireddatamanuallybyvisitingthesite.Insomecasesthesearchwasmadeeasierbytaggingtheanimalwithradiotransmitterstorelocatethemeasily,butyettheseeminglybiggerpartofthepictureremainedun-addressed:theefficientdatacollection.Therearenumerousreasonswhyitisdifficultandnotadvisabletovisitthesitefrequently.Firstly,studyingthespecieswithoutavoidinghumancontactisalmostimpossible.Frequenthumanvisitsordisturbancesaffectthespeciesinwaysunknown[1].Secondly,keepingtrackofanimalactivityinthedarkafterduskbecomemoreofanadventurethananexperimentorastudy.Finally,itisnotonlytimeconsumingbutalsomoneyintensivejobtokeeptrackofanimalmigrationaswellasitsfeedinghabitswithoutusingdedicatedlowcostsensornetworkingequipments.Anautomatedsystemwouldthusbedesired,equippingnaturalspaceswithnumerousnetworkedsensornodestoenablelong-termdatacollectionattimes(evenatnight),scalesandresolutionwhichareverydifficultifnotimpossible,toachievebymanualmonitoring.Italsoallowscollectingdatawithoutdisturbingtheecologyandyetrepresentsasubstantiallymoreeconomicalmethodforconductinglong-termstudiesthantraditionalone.SignificantproofsofconceptsandpreviousattemptstomonitorwildlifemovementandhabitathavebeenmadeliketheZebraNet[2]andGreatDuckIslandExperiment[1].Learningfromtheexperiencesoftheaforementioned,wildCENSEisanattemptonthesamefootprint,designedtohavelowerpowerconsumption,betterrange,variedenvironmentsensingfeaturesandmorerobustdatabackupsystem.wildCENSEisaWSNsystemwhichattemptstomonitorthebehaviorandmigrationpatternsofBarasingha(SwampDeer).Systembeingdesignedcanbesuitableformanymorespeciesofmediumtolargesize.EquippedwithaGPS,Radiotransceiverandvariousothersensors,thehardwareisdesignedtosupporttheneedsofwildlifemonitoring.Thecaptureddatacanbeprovidedtothewildliferesearchersfortheirresearchandstudypurposes.Itwillbehelpfultothemtounderstandtheneedsoftheendangeredspecies,andtherelationshipthesespeciessharewiththesurroundings.ThepaperfundamentallydiscussesthehardwareandsoftwaredesignarchitectureofthewildCENSEsystematthenode,baseandnetworklevels.Inparticular,itembodiestheissuesandconstraints,whichweremetduringthedesignandtestingofthesystem.GPSBASEDANIMALTRACKINGSYSTEMTheBarasinghaisnativetoIndiaandNepal.OnceitpopulatedthroughoutthebasinsoftheIndus,GangesandBrahmaputrarivers,aswellaspartsofcentralIndiareachingouttilltheriverGodavari.ButinpastfewdecadesitspopulationhasdeclinedsignificantlylistingthemasendangeredspeciesbyIUCNfrom1984to1996andasvulnerablesince1996[4].WildliferesearcherswhilesurveyingJhilmilTall(Uttaranchal)areacameacrosssome30headsoftheBarasinghaonFebruary3,2005[5].TrailsindicatethattheymighthavemigratedacrosstheNepalborder.Butyettheirexactmigratorypathisunknown;henceitisimportanttomonitortheirmovementandprotectthem.wildCENSEisanattempttowardsdiscoveringthispathalongwithhelpingtheresearchersknowmoreabouttheirhabitat.Theinputforthedesignofthesystemcamefromwildliferesearchers.Inthesystemproposed,speciallydesignedlight-weightcollar,withsensornodeattached,wouldbeputontheanimal.Thesecollarswouldcollectdataaboutthedesiredparametersfromthevicinityoftheanimal.Thedatamaythenbesenttoothernodesorthebasestation,dependingontheavailabilityofeither(basestationgettingapreferenceincaseofbothbeingavailable).TheprimerequirementistotrackthemigratorymovementoftheanimalwhichisdoneusingaGlobalPositioningSystem(GPS).Besidesthelocation,theanimal'shabitatanditsambientenvironmentparametersareofinterest.Alsoastudyoftheanimal'sactivitiesviz.thegrazingpatternsoftheanimalneedstoberecorded.Sincetheareaundersurveillanceislarge,theacquireddataneedstobepropagatedonanodetonodebasisuntilitistransferredtoabasestation.Lastlythesystemneedstoruncontinuouslyforaminimumof12months,sothepowersupplydesignanditsusageneedoptimization.PositionalLogs:TheGPSreadingneedstobeaccurateandprecise,inviewwiththemigrationpatternoftheanimal.Asresearchersspecify,alocationreadingevery3hourswouldbeenoughtodrawacloseenoughmovementtrackoftheanimaloverayear.AmbientEnvironment:Withtheanimalcoveringalotofgroundduringitsmigrationovertheyear,theresearchersalsoneedtomonitortheenvironmentinwhichtheanimaldwellsandgrazes.Sensorsformeasuringthetemperature,humidity,andlightaswellasanimalactivityareembodiedinthesystem.DataTransmissionandRecovery:Tocollectthedisperseddataforanalysisbytheresearchers,itneedstobetransmittedtothebasestation(s).SincetheBarasinghahasafairlylargemovementtrackitisnotpossibletoequiptheentireregionwithnumerousbasestations.Toaddressthisissue,thedataneedstobemovedthroughthenetwork,employingnodetonodecommunicationsaswasattemptedinZebranet[2].Inordertocompensateforhighlatency,thenodehasalargeexternalflashtoaccommodatedatageneratedonthenodeaswellasacquiredthroughpeerinteraction.Section3.1discussesthecommunicationinmoredetail.Energyharvesting:Thenodesneedtobealiveforaminimumofayear,trackingthemigrationpath,avoidinganyhumanintervention.Theironlycontactisthewirelesslinkwithothernodesorthebasestationasthecasemaybe.Also,sincethereisalimitationontheweightofthenode,abulkypowersupplyisforbidden.Hence,thenodeneedstohavelightweightpowerbackupsystem.Giventhattheanimalwillmostlybeinlargefieldsunderopenskies,therequiredpowersupplycouldbeequippedwithsolarenergyharvestingfeatures.Withcarefulenergymanagementpolicy,supplementedbyharvesting,theenergyrequirementscanbeeasilymet.ThepowersupplyisdiscussedinmoredetailinSection3.3SystemOverviewBroadlythewildCENSEsystemisdividedasinFigure1,namelythehardware,relatedsystemsoftwareanddrivers,middlewareserverswithdataloggingandwebhostingservicesandfinallythebrowserbasedvisualizationsoftware.HardwareArchitectureThecompletesensornodealongwiththebatteryrechargingsystemisintheformofacollartobewornbytheanimal.HardwaresystemarchitectureofwildCENSEnodeisasdepictedinFigure2.ThedesignissuesasdiscussedinSection2havebeencarefullymet.Eachcomponenthasbeencarefullyselectedbasedonearlierprototypestomeetaccuracy,power,voltagecompatibilityandcostconsiderations[6].Thecomponentsthatmakeupasinglenodeareasfollows:Micro-controller-ATMegal281V[7],with128Kbytesprogrammemory,isthecoreprocessingunitofourdesign.Ithas4KbytesofEEPROMand8KbytesofSRAM.Theavailabilityof2USARTportsenablesindependentDatalDEziiiEontoserverandbackendAhoEtbiEoFthadataonthmintmui螢.RasaEtatioDandGatE-^vtotranmiitdita+Jtos&n.DatalDEziiiEontoserverandbackendAhoEtbiEoFthadataonthmintmui螢.RasaEtatioDandGatE-^vtotranmiitdita+Jtos&n.iw￡.+-1SyEtma￡仃丘書伍aniicDiwQnmiit:hMms.+1)BrowsbisedVisualLzatLonSvstsm.2Hardware-in-zluoiries?nsors.pow?rtupplv.eolarc?lls.GFS.xadioandoth2r:-irzuitn.p.4Figure1.wildCENSESystemOverviewcommunicationofGPSandRadiotransceiverwiththecoreprocessingunitsimultaneously.Thisallowsustoremovethemultiplexingoverheadasdescribedinthesoftwaresection3.2.Theinternalresonatorisnotaccurateenoughforserialcommunication,soanexternalcrystalof1.83728MHzisused.(limitingbauderrortozeropercent[7]).RealTimeClock-DS3231[8]-Fornodediscovery,allthenodesneedtowakeupatthesametimerequiringthemtobesynchronized.ExternalRTCisrequiredtoaccuratelysynchronizethesenodes.Italsogeneratesperiodicinterruptstowakeupthemicro-controllerfromits—PowerDown''sleepmode.Featureslikeextremeaccuracy,integratedtemperaturecompensatedcrystaloscillator(TCXO),I2Cinterfacingatdifferentbaudratesmakethedeviceidealforthisapplication.Anymismatchinthetimeinthesystem(betweentwointeractingnodes)cancostalotofpowerinnetworksynchronization.RTCrunningondifferentnodesareskewedduetotheenvironment.Tomaintaintheaccuracyofnodetonodecommunications,theRTCissynchronizedbytheGPSdeviceeveryfivedays,keepingtheclockskewwithin1sec.GPS—LasseniQGPSReceiverwithantenna[9]—Ithasasmallfootprint,lowenergyconsumption(89mWat3.3V)inactivemode.Toachievehighaccuracy,itusestwelveprocessingchannelstotracktheGPSsatellitesignals.LasseniQGPSsupportstherequiredNMEAprotocolwithGPRMCmessageformat,whichcontainsalltherequiredinformationnamelydate,latitude,longitudeandtime.Itseriallycommunicateswiththemicrocontrollerat4800bps.OurGPSisusedinOn/Offmodesincereadingsaretakenevery3hours.Toutilize—Warmstart''featureofGPS,weuseabatterybackupmechanism.RadioTransceiver—XBee-Pro[10]-ThisDigi-KeycommunicationmoduleisbasedonZigBee/IEEE802.15.4standard.Itoperatesat2.4GHz(onlyfreelyavailableISMbandinIndia),providingarangeofmorethanakilometer.Whileusingthisfrequencyresultsinhigherpowerconsumptionforsamerangecomparedto900MHz,wegainintermsofmuchhigherdatarateandsmallercompactantenna.Lowcost,lowpowerandeaseofuseareamongtheotheradvantages.Italsoprovidesfivesleepmodestomeetvariousneedsofdifferentapplications.Weuselowestpowersleepmodeasitisnotatimebutpowercriticalsystem.Delayoffewmillisecondsofwakeuparewellwithinthesystem'stolerancepowersupply.Memory—ATMELAT45DB16BDataflash[11]Ahighmemorystorageisrequiredtocomplementthelonglatencyofcommunicationbetweenthebaseandthenode.ForourWSN,anodeneedstocollectdatafromitspeers,askingforahighermemorycapacity.AT45DB16B,withSPIinterfacinglooksquitepromisingforthescenario.Anoperationalin-housedevelopedfilesystem[12],basedonUCBsMatchboxfilesystem[13],isbeingused,whichmakesthestoragesystemsimpleandefficient.Additionalsensors-Tocollecttheambientenvironmentparametersoftheanimal,thenodemostlyincorporatesdigitalsensors,asfromtheexperiencesofGreatDuckIslandExperiment[1].Thehumiditysensorhasaninbuiltheatertoevaporateabsorbedwater.AmongthesetofsensorsaretheSensirion'sSHT11[14]whichisadigitaltemperaturhumiditysensor(Resolution:0.01°Cand0.05%RH).Thissensorisshieldedbyacap(IP67standard)whichletsitsensetheenvironmentbutatthesametimeprotectsitfromthesame.WeuseahighsensitivitydigitallightsensorfromTAOS,TSL2561t[15].TomonitortheactivityoftheanimalananalogaccelerometerfromFreescaleSemiconductorMMA6270QT[16]isused.Thisdataalongwiththepositionlogsprovidesmoreinsightintothemigrationpatternoftheanimalaswellasitsmicro-climaticpreferences.Thenodehasbeendesignedemployingnumerousnoisereductiontechniques.ToreducetheADCnoise,aLCfilter(L=10mHandC=0.1uF)hasbeenaddedtotheADCpinsofthemicro-controller.Also,theAVCCisconnectedtothemainpowersupplywithoutanyinbetweenfanoutlines,toreducenoise[6].ThewholePCBhascopperpouringtokeepthenoiseataminimumlevelasalsotodissipateanyheatgeneratedbythenode.Figure3depictthenode.Thesizeofthenodeis5x6cm2,weighingonly34gms.Includingthepowersupply(Liionbatterywithsolarchargingmechanism),thetotalweightofthesystem,excludingthecollarislessthan300gms(using4Li-Ioncellsweighing148gms).(a)(b)Figure3.wildCENSEnode,(a)topview(b)bottomviewSoftwareArchitectureAddressingthemaindesignconstraint,theenergy;wildCENSEsoftwareimplementseffectiveschedulingandsynchronizingofevents.Thenodeiskeptinsleep/inactivemodeformostofthetime.DesireddataiscollectedfromsensorsandGPSonthebasisofperiodicinterruptsgeneratedbyarealtimeclock(RTC).TheaccuracyoftheRTChelpsthenodeinsynchronizationduringnodetonodeinteractionsasalsowiththebase.GPSsamplesaretakenevery3hoursandthewakeupofrespectivesensorsisscheduledeverytenminute.SincetheRadiotransceiver,GPSandexternalflashmemoryareonseparateportsnamelyUSART0,USART1andSPI,wecanaffordtousethemsimultaneously.WhiletheGPSisswitchedonandtriestogetafix,aradiotransmissioncouldbeachievedifanothernode/baseisdiscoveredinthevicinity.Thepointerstocurrentread/writedatasegmentontheflasharestoredintheEEPROMofthemicro-controller.Thisisadvantageousinrestartsituations(e.g.awatchdogreset),thepointerstodatasegmentcanberetrievedfromEEPROM.Allofthenodeswakeupatthesametimeandthedataexchangeprocessisinitiated,oncethenode/basediscoveryisdone.Datatransferredtothebasestationissuccessivelydeletedfromthenodes.Thecommunicationbaudratebetweenthemicro-controllerandradiotransceiverissettobe57600,thoughahigherbaudrateof115200issupportedbythisradiotransceiver.Ourtestresultsshowbetterdatareliabilityatthelowerbaud(57600)andhencethetrade-off.SystemEnergyManagementWSNenergyrequirementsarebyfarthemostcriticalandimportantdesignconsiderations.Incaseofwildlifemonitoringthescenariobecomesmorechallenging,whereatrade-offisneededbetweentheweightofthenodeanditsenergyrequirement.Inthissectionwediscussourtechniquesforenergymanagement,atthesoftwarelevelandthehardwarelevelaswellforwildCENSE.Aninstanceofthenode'spowerconsumption

isshowninFigure4.ThedetailsofenergyconsumptioncalculationaregiveninpartCofthissection.HardwareLevelEnergyManagementThedesirednodeispopulatedbynumberofsensorsalongwithotherperipheralincludingRTC,externalflashmemoryandradiotransceiver.Designingasimplepowersupplyforsuchcomplexsystemwasachallenge.Allcomponentsandsensorswerecarefullyselectedtohavelowenergyprofileandalmostsimilarinputsupplyrangewith3.3Vasthecommonvoltage.Thesystemispoweredbyare-chargeableLi-ionbattery,whichcansafelyhavevoltagesfrom2.7Vto4.2V.Solarpowerisbeingaddedtofurtherenhancethenodelife.Alsotheunusedpinsanddigitalinputbuffersareconfiguredasoutputpinsanddisabledrespectively,tominimizetheirenergyleakage.Thedecisionofusingacommonvoltage(3.3V)notonlymadethepowersupplyforthenodesimplebutalsosavedlotsofenergy,whichotherwise,wouldhavebeenwastedinregulatingitfordifferentvoltages.Toutilizethebatteryenergytothemaximum,aDC/DCconverter,TPS63001buckboosterfromTexasInstruments[17],isused.Itprovidesaconstant3.3Voutputwithamaximumof1.8Aofcurrent;beingratedupto96percentefficient.24.26%JFlashMemoryV0.36%CRTC^19.61呀microcontroller3.64%OpticalSensor0.57%GPS43.65%0.05%Temp&Humi5mnsor731%AccelerometerBuck/BoostFigure4.PowerConsumptionbreakdownofawildCENSEnodeSoftwareLevelEnergyManagementwildCENSEemploys—PowerDown''sleepmodeofthemicro-controllerforthetimethenodeisinactive,therebysavingsubstantialamountofenergy.Anotheroptioncouldbetouseadualclockschemeinsteadofsleepmode,butwhileusinganexternalRealTimerClock,weareabletosavetherequiredpowerinour—PowerDown'sleepmodeitself.ThePowerDownmodefeaturesputtingeverythingtoacompleteshutdown,includingthe

clocksource[7]andtypicallyconsumeslessthan10uAofcurrentwith"Watchdog"enabledat3.3V.Brown-outdetectorremainstheonlyanalogmoduleintermsofpowerconsumptionduringasleepmodestate[18].Butsinceeventhismoduleisnotrequiredinourdesignwehaveturneditpermanentlyoffensuringfurtherlowerpowered“PowerDown"sleepmode.Anotherpowersavingmode,the“PowerSave"sleepmodeisemployedwhensma