龐金生，胡 山，張 龍，孫銀斌，陳偉濤，楊 鵬

（天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)，天津300222）

1 系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

護(hù)林系統(tǒng)主要包括聲音模型、聲音數(shù)據(jù)采集終端和太陽能發(fā)電裝置。利用華為云平臺實(shí)現(xiàn)對聲音模型的構(gòu)建和訓(xùn)練，將訓(xùn)練好的模型部署到服務(wù)器當(dāng)中。使用Android開發(fā)一款實(shí)現(xiàn)位置定位、采集聲音數(shù)據(jù)和上傳聲音數(shù)據(jù)到服務(wù)器功能的手機(jī)APP。將手機(jī)終端上傳的聲音數(shù)據(jù)進(jìn)行識別和分析，當(dāng)聲音數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常時，及時把位置信息和報(bào)警信息通過短信和郵件等形式通知護(hù)林人員[3]。通過太陽能板、鋰電池等相結(jié)合解決手機(jī)終端的供電問題，晴天情況下可以對單節(jié)2 000 mAh容量的鋰電池完成一次充電，能給手機(jī)提供的充電次數(shù)由實(shí)際使用的手機(jī)型號來確定。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件裝置主要由舊手機(jī)、太陽能板、充電電路板模塊、充電管理模塊等組成。硬件裝置充電功能如圖1所示。

圖1 硬件裝置充電功能

2.1 太陽能板

采用多塊5 V太陽能電池板，電池板最大提供工作電流30 mA，體積小，便于在森林的樹木上面進(jìn)行安裝和使用。根據(jù)實(shí)際場景可以通過二極管并聯(lián)多塊太陽能板，滿足更大鋰電池容量的充電需求。

2.2 鋰電池充電電路板模塊

充電電路板模塊以CN3791芯片為核心，該芯片具有PWM降壓、渦流、恒流和恒壓充電模式，包括輸入低電壓鎖存和電池端過壓保護(hù)，適合對單節(jié)鋰電池充電進(jìn)行管理，適用于太陽能板供電的實(shí)際應(yīng)用。

2.3 充電管理模塊

充電管理模塊包括STM32單片機(jī)最小系統(tǒng)、OLED液晶顯示屏模塊、升壓模塊、穩(wěn)壓模塊、USB充電接口、鋰電池和防水外殼等。

通過STM32F103C8T6單片機(jī)采集當(dāng)前太陽能板的充電電壓和充電電流，并通過單片機(jī)控制OLED液晶顯示屏來顯示當(dāng)前數(shù)據(jù)，主要用于安裝過程中的功能測試。硬件裝置系統(tǒng)運(yùn)行如圖2所示。

圖2 硬件裝置系統(tǒng)運(yùn)行

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 聲音模型搭建及部署

系統(tǒng)采用華為云AI開發(fā)平臺ModelArts的自動學(xué)習(xí)功能構(gòu)建聲音模型，需要將收集到的電鋸聲音數(shù)據(jù)集和卡車聲音數(shù)據(jù)集添加到對象存儲服務(wù)中，聲音數(shù)據(jù)格式為WAV格式，單條聲音數(shù)據(jù)大于1 s且小于10 s。模型搭建流程如圖3所示，第一步是收集系統(tǒng)所需的電鋸聲音數(shù)據(jù)和卡車行駛時的聲音數(shù)據(jù)[4]，創(chuàng)建聲音分類項(xiàng)目，對不同的聲音數(shù)據(jù)集進(jìn)行標(biāo)注，設(shè)置訓(xùn)練參數(shù)后開始訓(xùn)練模型，訓(xùn)練完成后將得到模型的召回率、精確率、準(zhǔn)確率和F1（綜合考慮召回率和精確值）值，方便快捷。

圖3 模型的搭建及部署流程

訓(xùn)練好的模型部署到在線服務(wù)，模型處于運(yùn)行中時可以開始進(jìn)行服務(wù)測試，測試方法有多種，可以直接在預(yù)測界面直接添加待測試的聲音文件進(jìn)行測試，也可以采取調(diào)用API的方式進(jìn)行聲音測試，每次測試都會返回聲音識別結(jié)果，識別結(jié)果包括被測聲音的預(yù)測類別和預(yù)測置信度。模型詳細(xì)信息如圖4所示。

圖4 模型詳細(xì)信息

3.2 數(shù)據(jù)采集終端的軟件搭建

手機(jī)軟件功能主要包括采集當(dāng)前環(huán)境的聲音數(shù)據(jù)并上傳到所搭建的服務(wù)器中，通過GPS定位采集當(dāng)前位置的經(jīng)緯度信息。通過ModelArts在線服務(wù)提供的API接口地址與服務(wù)器實(shí)時通訊，把在線服務(wù)返回的識別結(jié)果發(fā)送到手機(jī)上，當(dāng)識別結(jié)果為電鋸聲音或卡車聲音等異常聲音時，立即將當(dāng)前位置信息通過短信和郵件等形式通知相關(guān)的護(hù)林人員。APP起始界面如圖5所示。

圖5 APP起始界面

3.2.1 對當(dāng)前環(huán)境聲音采集

通過手機(jī)內(nèi)置的麥克風(fēng)捕獲音頻數(shù)據(jù)和存儲[5]，本系統(tǒng)采用間斷錄音上傳的方式進(jìn)行工作，每次錄音時長為5 s左右，完成錄音后實(shí)時上傳到華為云平臺的在線服務(wù)進(jìn)行聲音識別。

3.2.2 上傳音頻文件訪問在線服務(wù)

在線服務(wù)的狀態(tài)處于“運(yùn)行中”時，會為用戶提供可調(diào)用的API，API為標(biāo)準(zhǔn)Restful API?？梢酝ㄟ^Token認(rèn)證、AK/SK簽名認(rèn)證和APP認(rèn)證3種方式調(diào)用在線服務(wù)，在線服務(wù)將識別結(jié)果以json格式返回給用戶。通過判斷返回的識別結(jié)果決定是否要發(fā)送報(bào)警信息。

3.2.3 使用高德地圖平臺實(shí)現(xiàn)定位功能

在高德開放平臺注冊賬號并創(chuàng)建新應(yīng)用，創(chuàng)建的應(yīng)用如圖6所示，選擇綁定的服務(wù)為“Android平臺SDK”，獲取相應(yīng)的安全碼并配置相關(guān)文件，獲取定位數(shù)據(jù)的過程包括初始化定位、配置參數(shù)并啟動定位、選擇相應(yīng)的定位模式、獲取定位結(jié)果和停止定位。

圖6 使用高德開發(fā)平臺創(chuàng)建應(yīng)用

高精度定位模式：同時使用網(wǎng)絡(luò)定位和GPS定位，優(yōu)先返回最高精度的定位結(jié)果和對應(yīng)的地址描述信息。

低功耗定位模式：不會使用GPS和其他傳感器，只會使用網(wǎng)絡(luò)定位（Wi-Fi和基站定位）。

僅用設(shè)備定位模式：不需要連接網(wǎng)絡(luò)，只使用GPS進(jìn)行定位，這種模式下不支持室內(nèi)環(huán)境的定位，需要在室外環(huán)境下才可以成功定位。

本系統(tǒng)結(jié)合實(shí)際應(yīng)用需求優(yōu)先選擇高精度定位模式，系統(tǒng)設(shè)置以單次定位為主，當(dāng)聲音數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常時才會獲取當(dāng)前的位置信息。通過解析AMapLocation對象的具體字段，可以獲取當(dāng)前的緯度、經(jīng)度、精度信息、地址、國家信息、省信息、城市信息、城區(qū)信息、街道信息、城市編碼、地區(qū)編碼、GPS的當(dāng)前狀態(tài)和定位時間等。

3.2.4 發(fā)送報(bào)警短信

Android有SmsManager發(fā)送短信和內(nèi)置Intent發(fā)送短信兩種方式[6]。本系統(tǒng)采用第一種方式，創(chuàng)建SmsManager對象之后，使用sendDataMessage()方法指定的手機(jī)號碼發(fā)送短信。聲音數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常時才會執(zhí)行發(fā)送功能，把需要的地理位置信息和報(bào)警信息等發(fā)送到護(hù)林人員的通訊設(shè)備中。APP啟動運(yùn)行如圖7所示。

圖7 APP啟動運(yùn)行

4 結(jié)束語

隨著科技的快速發(fā)展，無人化監(jiān)控和無線化監(jiān)控已成為社會發(fā)展的必然需求，深度學(xué)習(xí)正在逐漸成為人工智能領(lǐng)域的主流發(fā)展方向，利用深度學(xué)習(xí)技術(shù)實(shí)現(xiàn)對聲音數(shù)據(jù)的識別可靠性正在不斷提高[7]。本系統(tǒng)通過聲音識別技術(shù)來監(jiān)聽森林的實(shí)時聲音數(shù)據(jù)，當(dāng)監(jiān)聽到電鋸伐木或卡車行駛等異常聲音時及時通知護(hù)林人員，更高效率地實(shí)現(xiàn)對森林生態(tài)系統(tǒng)的保護(hù)，減少了人力資源的浪費(fèi)。利用太陽能板解決手機(jī)終端的無線供電需求，手機(jī)終端使用回收的舊手機(jī)進(jìn)行制作，從而減少對電能資源和終端設(shè)備資源的消耗。