描述

我們的目標(biāo)

該項(xiàng)目旨在回答有關(guān)處于脆弱狀態(tài)的本地動(dòng)物物種的基本生物學(xué)問(wèn)題。為此，我們?cè)O(shè)計(jì)和開發(fā)設(shè)備，進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，分析我們從活動(dòng)中提取的數(shù)據(jù)，并將運(yùn)動(dòng)模型與獲得的數(shù)據(jù)相匹配。

關(guān)于我們

我們是一個(gè)由生物學(xué)家、物理學(xué)家和工程師組成的團(tuán)隊(duì)，我們已經(jīng)跨學(xué)科工作了 5 年，涉及不同的動(dòng)物物種、不同的棲息地和挑戰(zhàn)。我們?cè)诎⒏⒗飱W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(dòng)物運(yùn)動(dòng)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(dòng)物監(jiān)測(cè)開始。我們首先在其自然棲息地監(jiān)測(cè)有袋動(dòng)物Dromiciops gliroides 。鑒于這種動(dòng)物生活在沒有 GPS 信號(hào)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(dòng)物（必須進(jìn)行監(jiān)測(cè)），因此這項(xiàng)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(lái)設(shè)置接收站，并將發(fā)射器放置在D. gliroides個(gè)體身上。

我們的項(xiàng)目繼續(xù)發(fā)展，許多生態(tài)團(tuán)體找我們?cè)儐?wèn)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(cè)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(jì)、陀螺儀和磁力計(jì)）和溫度傳感器。一方面，我們?cè)诒O(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(gè)連接的設(shè)備網(wǎng)絡(luò)，同時(shí)監(jiān)控動(dòng)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(dòng)物的軌跡。特別是，我們現(xiàn)在有興趣監(jiān)測(cè)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(duì)其生物學(xué)知之甚少。我們相信，通過(guò)研究系統(tǒng)跨學(xué)科（開發(fā)和實(shí)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(gè)物種。了解動(dòng)物如何移動(dòng)、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(lái)監(jiān)控動(dòng)物的運(yùn)動(dòng)，并根據(jù)不同的變量（一天中的時(shí)間、天氣條件等）確定它們的活動(dòng)。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(gè)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(gè)監(jiān)控系統(tǒng)。

• 我們團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)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(dòng)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(qǐng)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(gè) Python 代碼“圖形用戶界面”，以交互方式顯示溫度和加速度計(jì)測(cè)量值。使用我們?yōu)榇嗽O(shè)備開發(fā)的第一個(gè)原型，. 有了這些結(jié)果，我們提交了手稿“通過(guò)互補(bǔ)技術(shù)監(jiān)測(cè)易受傷害的龜龜Chelonoidis chilensis的運(yùn)動(dòng)研究”。

我們團(tuán)隊(duì)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(cè)活動(dòng)（2023 年 1 月）中，我們將使用該設(shè)備跟蹤個(gè)人并獲取新的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)。目前，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在內(nèi)存中，因此在檢索內(nèi)存之前我們不會(huì)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(shí)查看動(dòng)物行為。

• TinyML 套件 + Edge Impulse。我們的團(tuán)隊(duì)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(gè) TinyML 套件，其中包括包含 9 軸慣性測(cè)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(dòng)物監(jiān)測(cè)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(jī)器學(xué)習(xí)算法，可以在現(xiàn)場(chǎng)確定個(gè)人的行為。使用 TinyML 套件和 Edge Impulse 平臺(tái)，我們能夠訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)C. chilensis的行為進(jìn)行分類個(gè)人。我們使用從該物種個(gè)體在其自然棲息地的 5 次監(jiān)測(cè)活動(dòng)中提取的加速度計(jì)時(shí)間序列。我們使用 Keras 設(shè)計(jì)了一個(gè)分類模型，首先區(qū)分運(yùn)動(dòng)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(gè)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(guò)通過(guò)描述來(lái)自“挖巢產(chǎn)卵”活動(dòng)的加速度計(jì)信號(hào)以及來(lái)自 GPS 的個(gè)人位置，我們可以識(shí)別這些沉積地點(diǎn)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(cè) C. chilensis 個(gè)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(lái)自 x、y、z 加速度計(jì)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(cè)試了分類器（請(qǐng)參閱“代碼”部分中的“使用加速計(jì)訓(xùn)練的 NN 的動(dòng)物運(yùn)動(dòng)分類器”）以及圈養(yǎng)烏龜?shù)倪\(yùn)動(dòng)。這樣，我們就可以實(shí)時(shí)確定分類結(jié)果，并通過(guò)藍(lán)牙在我們的手機(jī)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(chǎng)使用 TinyML 套件。

加入 SenseCAP K1100 的好處！

在野外工作中，每個(gè)人都配備了一個(gè)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(gè)過(guò)程是戰(zhàn)役中最繁重和最耗時(shí)的任務(wù)，因?yàn)槲覀儽仨氄业椒植荚谙鄬?duì)較大的自然區(qū)域內(nèi)植被粗糙的動(dòng)物。重要的是，這樣做我們也會(huì)強(qiáng)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(shí)查看動(dòng)物行為。

我們可以將 SenseCAP K1100 傳感器整合到兩個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)中：一個(gè)由我們的團(tuán)隊(duì)開發(fā)，一個(gè)由 TinyML 套件實(shí)現(xiàn)。有了足夠多的 LoRa 設(shè)備，我們就可以創(chuàng)建一個(gè)連接它們的網(wǎng)絡(luò)。這將使我們能夠發(fā)送存儲(chǔ)的信息，而無(wú)需靠近個(gè)人，也無(wú)需觸摸已安裝的設(shè)備，這些設(shè)備經(jīng)過(guò)精心偽裝和保護(hù)。LoRa 還帶來(lái)了擴(kuò)展研究和實(shí)時(shí)監(jiān)控多個(gè)個(gè)體或“節(jié)點(diǎn)”的可能性，例如檢測(cè)可能的集體行為。它還可用于從一個(gè)或多個(gè)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(shí)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(shí)時(shí)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(duì)陸龜行為的影響問(wèn)題。更多地了解個(gè)人的活動(dòng)以建立有助于保護(hù)他們的指導(dǎo)方針，這一點(diǎn)至關(guān)重要。利用 SenseCAP K1100 的優(yōu)勢(shì)，在監(jiān)測(cè)動(dòng)物的同時(shí)，我們可以測(cè)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(cè)量這些地方的濕度。

除了在陸龜中實(shí)施外，我們的目標(biāo)是在野外的其他動(dòng)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(shuō)我們真的很喜歡這個(gè)項(xiàng)目，還有很多工作要做。使用不同的技術(shù)為不同動(dòng)物物種的監(jiān)測(cè)做出貢獻(xiàn)對(duì)于更多地了解每種動(dòng)物的生物學(xué)并為脆弱物種的保護(hù)制定指導(dǎo)方針?lè)浅Ｓ袃r(jià)值。