中科院攜手阿里云構(gòu)建LoRa野保系統(tǒng)

黃杰是中科院水生生物研究所的博士研究生。今年夏天，這樣一幅圖景在他的腦海中定格：他穿著防水褲，站在鄱陽湖的泥沼中，舉著幾米高的“特制魚竿”，眼睛緊盯著水面，耐心“捕鯨”。

他所要“捕捉”的鯨，是長江中目前惟一還存活的鯨類——長江江豚。當(dāng)然，黃杰并不是真的要抓到一頭長江江豚。而是要用手中的“特制魚竿”——信號(hào)接收天線，來捕捉從江豚身上的LoRa信標(biāo)發(fā)射出的信號(hào)。

LoRa就是遠(yuǎn)距離無線電（Long Range Radio），它最大特點(diǎn)就是在同樣的功耗條件下，信號(hào)比其他無線方式傳播的距離更遠(yuǎn)——比傳統(tǒng)的無線射頻通信距離遠(yuǎn)3~5倍。至于為何在江豚身上使用這項(xiàng)技術(shù)，其中還有一段曲折。

江豚追蹤研究遇困

長江江豚，這種僅在我國長江中下游干流及洞庭湖、鄱陽湖中有所分布的小型齒鯨類動(dòng)物，已經(jīng)處于極度瀕危的狀況。但由于其生活在水下，出水時(shí)間極短，很難對(duì)它們進(jìn)行定位和追蹤。

“如何定位長江江豚以了解其生活習(xí)性、活動(dòng)范圍是保護(hù)的重要一步，這對(duì)于陸地上的生物很好實(shí)現(xiàn)，但對(duì)于主要在水下的江豚卻難倒了全球的保護(hù)組織。”在近日由阿里云組織的“科技能量保護(hù)江豚”活動(dòng)上，黃杰介紹說，江豚平均浮出水面只有0.81秒，傳統(tǒng)裝置難以定位、追蹤。

記者了解到，在野保領(lǐng)域的追蹤技術(shù)上，主流的定位信標(biāo)是采用GPS或者北斗衛(wèi)星系統(tǒng)定位，然后通過衛(wèi)星系統(tǒng)或手機(jī)通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。不過，項(xiàng)目組成員、從事物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)產(chǎn)品研發(fā)的北京領(lǐng)先億民電子產(chǎn)品有限公司CTO劉曉康告訴《中國科學(xué)報(bào)》記者，衛(wèi)星信標(biāo)定位設(shè)備的通信時(shí)間需要2~3秒，且每隔一段時(shí)間都需要進(jìn)行衛(wèi)星校準(zhǔn)——這需要在水面長時(shí)間進(jìn)行，才能保證定位的精度。考慮到長江江豚的平均出水間隔，理論上當(dāng)前的衛(wèi)星定位設(shè)備無法完成江豚的準(zhǔn)確出水定位。

“在過去5年，項(xiàng)目組嘗試租用或者購買商用的各種衛(wèi)星定位設(shè)備，在網(wǎng)箱養(yǎng)殖的江豚身上進(jìn)行測試，都無法完成定位。”黃杰說，此外，由于衛(wèi)星覆蓋度有限，每天只有固定的時(shí)間才能夠有效傳輸數(shù)據(jù)。而如果遭遇云層，衛(wèi)星的通信還會(huì)受到較大影響，數(shù)據(jù)傳輸效果變差。

LoRa技術(shù)解難題

此路不通，項(xiàng)目組開始不斷尋找新的解決方案。功夫不負(fù)有心人，一個(gè)偶然的機(jī)會(huì)，項(xiàng)目組了解到了阿里云IoT事業(yè)部的LoRa物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)。

據(jù)阿里云loT事業(yè)部高級(jí)產(chǎn)品專家李國財(cái)介紹說，LoRa技術(shù)具有低功耗、長距離、開放組網(wǎng)等特性，通信芯片和網(wǎng)絡(luò)所需功耗非常低，相對(duì)于無線網(wǎng)絡(luò)，單基站的覆蓋范圍提升數(shù)十倍。更重要的是，借助LoRa物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，信標(biāo)和基站可以瞬間完成鏈接，在提高定位和跟蹤精度的同時(shí)，還一舉解決了數(shù)據(jù)傳輸?shù)南拗茊栴}。

LoRa的這些特點(diǎn)，恰好符合長江江豚追蹤研究項(xiàng)目的需求。隨著LoRa技術(shù)納入方案，項(xiàng)目得以順利實(shí)施。2017年4月底，由中科院水生生物研究所副研究員梅志剛負(fù)責(zé)、北京領(lǐng)先億民電子產(chǎn)品有限公司與廈門四信通信科技有限公司共同配合的項(xiàng)目組，向農(nóng)業(yè)農(nóng)村部長江流域漁政監(jiān)督管理辦公室提交了在鄱陽湖開展長江江豚定位跟蹤研究的請示。今年5月中旬，項(xiàng)目獲得通過，并獲批“立即實(shí)施”。

在阿里云的技術(shù)支持下，項(xiàng)目組很快搭建了LoRa野保系統(tǒng)——整個(gè)系統(tǒng)由無侵入式江豚穿戴式LoRa信標(biāo)、LoRa定位基站，以及江豚蹤跡分析服務(wù)器組成。項(xiàng)目中，LoRa信標(biāo)以每2秒鐘向外周期性發(fā)射江豚編號(hào)，安裝于江豚活動(dòng)湖域旁邊的LoRa定位基站接收到信標(biāo)的周期性信號(hào)后，通過4G網(wǎng)絡(luò)上報(bào)到服務(wù)器。服務(wù)器通過解析獲得的江豚編號(hào)，便可以得出江豚的位置等信息。

隨后，項(xiàng)目組研制出自動(dòng)接收基站，并將20個(gè)基站布設(shè)在預(yù)定的航標(biāo)柱或航標(biāo)船上，同時(shí)完成在阿里云端服務(wù)器上的信號(hào)實(shí)時(shí)接收和顯示軟件的開發(fā)。一切就緒后，6月6日，項(xiàng)目組在江西省余干縣瑞洪鎮(zhèn)康山河段捕撈和挑選了2頭合適的雄性江豚，開始了對(duì)這一神秘水下動(dòng)物的追蹤。

2頭江豚穿上信標(biāo)之后隨即釋放，實(shí)驗(yàn)人員監(jiān)測到它們在一起活動(dòng)，并觀察到它們?nèi)谌肓酥苓叺慕嗳骸Ｆ溟g，項(xiàng)目組發(fā)現(xiàn)動(dòng)物背負(fù)信標(biāo)出水形態(tài)正常，游泳速度與周邊動(dòng)物無差異。直至16天后，動(dòng)物信號(hào)消失（穿戴式信標(biāo)安全脫落），跟蹤實(shí)驗(yàn)結(jié)束。

22940分鐘，100980次出水，這是第一次在野外環(huán)境下對(duì)長江江豚實(shí)行最長時(shí)間的安全跟蹤。通過追蹤，研究人員發(fā)現(xiàn)了江豚大量生活習(xí)性。“江豚有沒有江、湖遷移行為？遷移的時(shí)間和路線是怎樣的？遷移的規(guī)模有多大？這些謎團(tuán)有望被逐個(gè)解開。”黃杰說，這將為如何劃定長江流域的保護(hù)區(qū)、禁漁區(qū)，在江豚遷徙季節(jié)的線路上如何保護(hù)江豚等問題的解決提供重要參考。

“讓LoRa像WiFi一樣廣泛應(yīng)用”

在今年9月的杭州云棲大會(huì)上，使用LoRa技術(shù)保護(hù)江豚的項(xiàng)目獲得了阿里云IoT極客創(chuàng)新挑戰(zhàn)賽亞軍。

“長江江豚的定位跟蹤是我們在物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)中的第一步。以后我們會(huì)把物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)拓展到生活中的各個(gè)角落。” 李國財(cái)對(duì)《中國科學(xué)報(bào)》記者說，例如在菜鳥的物流園區(qū)，20萬平方米的面積內(nèi)，通過LoRa技術(shù)搭建的物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，可對(duì)園區(qū)內(nèi)所有水電表、井蓋、產(chǎn)品堆高、車輛通行，進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。“未來菜鳥所有的倉儲(chǔ)物流網(wǎng)絡(luò)，都會(huì)被阿里云IoT覆蓋。”

劉曉康也告訴記者，基于長江江豚定位的技術(shù)還可以應(yīng)用在針對(duì)被困人員的單兵救援黑匣子系統(tǒng)當(dāng)中。該系統(tǒng)可在人員發(fā)送被困信息后，脫離北斗或GPS系統(tǒng)，單機(jī)運(yùn)行。特別是在水下、地下室、隧道等衛(wèi)星信號(hào)無法覆蓋的區(qū)域提供定位服務(wù)，為挽救生命提供第一手的位置保障。

目前，阿里云也在探索相關(guān)IoT技術(shù)在非洲大象以及四川保護(hù)區(qū)等更多野生動(dòng)物保護(hù)項(xiàng)目上的應(yīng)用。在今年的阿里云棲大會(huì)上，阿里云IoT發(fā)布了可以上天入地的“LoRa天空物聯(lián)網(wǎng)”，實(shí)現(xiàn)從40000米高空到地下20米的聯(lián)網(wǎng)覆蓋，可在海洋、森林等人類難以到達(dá)的場景下應(yīng)用，支持更多的野生動(dòng)物保護(hù)、森林保護(hù)等業(yè)務(wù)。

“LoRa技術(shù)可以完美解決物聯(lián)網(wǎng)連接中長距離、低功耗問題，最高接收靈敏度可達(dá)-148dBm，可以主攻遠(yuǎn)距離低功耗的物聯(lián)網(wǎng)無線通信市場。”阿里云IoT的Link WAN產(chǎn)品負(fù)責(zé)人貝喬向《中國科學(xué)報(bào)》記者說，阿里云IoT的Link WAN平臺(tái)支持LoRa的自由部署，“我們希望讓LoRa像WiFi一樣廣泛應(yīng)用，滿足各種物聯(lián)網(wǎng)需求”。

（原載于《中國科學(xué)報(bào)》2018-11-08 第5版 技術(shù)經(jīng)濟(jì)周刊)