מעקב חיות הפך הכרחי עבור שימורים וחוקרים אשר צריכים לפקח על תנועת בעלי חיים, התנהגות ושימוש בגידולים.התגים או צווארוןים הקשורים לבעלי חיים חייבים לפעול לתקופות ארוכות - לעתים קרובות שנים - ללא תחזוקה או החלפת סוללות. דרישה זו מציבה דרישות קיצוניות על יעילות כוח.פיתוח מערכות אולטרה-נמוכות כוח עבור מעקבי חיות בר אינו רק אתגר הנדסי; זה מאפשר יסוד של מחקרים ארוכי טווח על ידי צריכת אנרגיה, תוך צמצום מערכות חסימתיות אלה, תוך כדי צמצום נתונים אימפולס מתמשך של חומרים נוצץ, תוך כדי אימפולסים, תוך כדי דחפים אנרגיה, תוך כדי דחפים דחפים דחפים דחפים דחפים דחפים מתמשכים של חומרים דחפים דחפים דחפים אימפולסים של חומרים אימפולסים של חומרים אימפולסיביים של חומרים אימפולסיביים של חומרים דחפים דחפים מתמשכים של בעלי חיים, בעוד שגורמים דחפים אנרגיה, בעוד שגורמים.

התפקיד הקריטי של Ultra-Low Power ב-Crele Tracking

תגי מעקב של חיות בר מודרניים פרוסים בסביבות מגוונות - מן ה tundra ctic ועד יערות הגשם טרופיים. Re הצבת או recharing סוללות בתחום הוא לעתים קרובות פולשני, מסוכן הן בעלי חיים והן מטפלות, ומחיר בלתי חוקי. תג טיפוסי יכול לאחסן נתונים כל כמה דקות ולהעביר אותו באמצעות לוויין או רשת סלולרית פעם ביום.

מעבר לחיי הסוללה, צריכת חשמל נמוכה מפחיתה את הגודל והמשקל של התג, כי סוללה קטנה יותר ניתן להשתמש. תגים קטנים יותר ניתן להתחבר לבעלי חיים קטנים יותר, הרחבת טווח המינים שניתן ללמוד.לדוגמה, מעקב אחר עופות או חרקים דורש תגים במשקל פחות מגרם - רק ניתן להשיג באמצעות צמצום כוח אגרסיבי וניהול אנרגיה יעיל.

טכנולוגיות מובילות ל- Ultra-Low Power Operation

מיקרו-בקרים בעלי אנרגיה

הלב של כל תג מעקב הוא המיקרובקר (MCU) MCUs מודרני תוכנן עם מצבי כוח נמוך מרובים, כולל שינה עמוקה, עמידה, ומצבי היממה כי לצרוך מעט כמו כמה ננומונים. כאשר idle, MCU יכול להתעורר מיקרו-שניות כדי להזין נתונים או תהליך GPS, ולאחר מכן לחזור לישון.

ניהול חשמל מתקדם וחובה אופניים

ניהול חשמל משתרע מעבר ל- MCU. מערכת מעוצבת היטב מעסיקה את ה-FLT:0duty רכיבה על אופניים FLT:1 - שבו רכיבים כבויים רוב הזמן ורק מופעלים כאשר יש צורך.לדוגמה, מקלט GPS עשוי להיות מופעל רק 10 שניות בכל שעה, בעוד מד תאוצה עשוי לדגום כל 10 דקות.

רגולציה מתח יעיל גם משנה.שימוש ב הרגולטורים נמוכים (LDOs) עם זרם נמוך או, טוב יותר, יעילות גבוהה DC-DC יכול למזער פסולת. כמה תגים גם ליישם מתח דינמי ותדירות (DVS) כדי להתאים את מהירות העיבוד למשימה, צמצום כוח כאשר ביצועים מלאים אינם נדרשים.

אנרגיה: חיים ארוכים מעבר לסוללות

קצירת אנרגיה היא טכנולוגיה טרנספורמטיבית למעקב אחר חיות בר.על ידי השקעת אנרגיה מהסביבה, תגים יכולים לטעון מחדש את סוללותיהם או supercapacitors, מרחיבים באופן דרסטי את החיים התפעוליים.

  • (FLT:0) SolarveFLT:1) - תאים פוטו-וולטאיים קטנים יעילים לבעלי חיים שמבלים זמן באור יום.
  • (הופנה מהדף LT:0)Kinetic (הנעה)FLT:1) – גנרטורים Piezoelectric או אלקטרומגנטיים יכולים לקצור אנרגיה מתנועת בעלי חיים.זאב רץ או עטלף מעופף יוצר רטטים שניתן להמירם לחשמל.
  • (ב) ניתן לנצל את ה- 0 (thermoelectricFLT:1) - הבדלים בטמפרטורות בין הגוף של החיה לסביבה, אם כי ניתן לנצל את התפוקה של הכוח בדרך כלל קטן.
  • (FLT:0) תדירות רדיו (RF)FLT:1 - אנרגיית RF Ambient ממגדלי תאים או משדרי רדיו ניתן לקצור, אבל רמות הכוח הן נמוכות מאוד ולא תמיד אמינות.

שילוב טכניקות קציר מרובות עם סוללה ראשונית קטנה יוצר מערכת היברידית שיכולה להשיג כמעט ללא תחרות עבור מינים רבים.

פרוטוקולים אלחוטיים בעלי עוצמה נמוכה ל-Data Transmission

(העברה אלחוטית היא לעתים קרובות הצרכן הגדול ביותר של אנרגיה בתג מעקב.בחירת הפרוטוקול הנכון הוא חיוני.עבור שידורים לטווח קצר (עד כמה קילומטרים), Bluetooth Low Energy (BLE) הוא פופולרי בשל זמינותו הרחבה וצריכה נמוכה הנוכחית.עבור טווח ארוך יותר, LoRa (טווח ארוך) מציע קילומטרים של טווח עם תפוקת חשמל תת-מילימטרית, מה שהופך אותו אידיאלי לתגישים יכול להיות ליד שער אינטרנטי, אך ורק עבור מערכת חשמל מקומית (ERFlow) או שימוש ב-N) או תחנת חשמל מקומית (טווח מוגבל של 1BV) או יותר, אך ורק לכיסוי חשמל מקומי (טווח מוגבל של מספר מוגבל של LT2) הוא מציע רק ל-ERV) הוא מציע רק לכיסוי חשמל (טווח מוגבל של LTE-ERVal) או יותר, אך ורק ל-ERV2) של LTE-ERV2 (טווח) הוא מציע רק ל-ERLV2 (טווח) כולל של מספר מוגבל של LTE-ERV) כולל:

עיצוב ואתגרי הנדסה

גודל, משקל וגורם טפסים

עבור כל תג מעקב, הכלל הוא לשמור מסה מתחת 3 עד 75% של משקל הגוף של החיה כדי למנוע פגיעה התנועה.זה מגביל באופן חמור את גודל הסוללה ובחירת רכיב. מהנדסים חייבים לבחור את הסוללה הקטנה ביותר שיכולה לענות על תקציב האנרגיה, לעתים קרובות בצורת מותאם אישית כדי להתאים את התג.מיניון של PCBs והשימוש בחבילות בקנה שבב הם הכרחי. 3D מודפס דיור יכול להפחית את המשקל תוך שמירה על עמידות משקל.

יציבות סביבתית והגנה

תגי חיות פנים אל פני גשם, בוץ, מים מלוחים, טמפרטורות קיצוניות והשפעות פיזיות.הדיור חייב להיות עמיד למים (IP68 או טוב יותר) ועמיד בפני ה-UV. Potting תרכובות חותם אלקטרוניקה, ומחברים חייבים להיות מחוספסים או מסולקים. כמה תגים נועדו להיות מוצצים על ידי בעלי חיים למעקב פנימי, הדורשים יכולת ביולוגית והתנגדות לחמצוקה.

עיצוב אנטנה וביצועי RF

יעילותאנטנה היא קריטית עבור קבלת הפנים GPS ו שידור אלחוטי.אנטנה קטנה במתכת או דיור מלא מים יכול להיות יעיל.מהנדסים צריכים לכוון בזהירות את האנטנה לסביבה של התג, אשר עשוי לשנות אם התג מחובר חיה רטובה או קבור בפרווה. כמה עיצובים להשתמש בגוף של החיה כחלק ממטוס אנטנה.

אינטגרציה ואיכות נתונים

חיישנים נפוצים כוללים GPS, accelerometers, מגנטים, לחץ, טמפרטורה ואור.כל חיישן לצרוך כוח. GPS ברזולוציה גבוהה שבבי GPS, למשל, יכול לצייר 50 mA במהלך הרכישה.כדי להפחית אנרגיה, תגים רבים משתמשים ב-FLT:0dead-reckoning נתונים (pLT:1 או FFLT:2GPS) טכניקות סימולציות במהירות גבוהה יותר של פעילות לוויינים.

ניהול תרמית ובחירת סוללות

סוללות בתגי מעקב חייבות לפעול בטווח רחב של טמפרטורה. Lithium thionyl chloride (LiSOCl2) תאים נפוצים בגלל צפיפות האנרגיה הגבוהה שלהם וטווח תפעול רחב (-55 ° C עד +85 ° C), עם זאת, עלייה האיטום הפנימי שלהם בטמפרטורות נמוכות, צמצום הנוכחים זמין חייב להבטיח את מעגל ניהול הכוח יכול לטפל בירידה או להשתמש במגירה.

יישומים אמיתיים ומקריות

(ב) כמה פרויקטים בקנה מידה גדול מפגינים את הצלחת המעקב אחר כוח אולטרה-נמוך (FLT:0ICARUSFLT:1) יוזמה (שיתוף פעולה בינלאומי לחקר בעלי חיים) מפרסמת תגים קטנים, המופעלים על ידי השמש על ציפורים, מתקשרים באמצעות תחנת החלל הבינלאומית צפים, תגים אלה שוקלים פחות מ-5 גרם ויכולים להעביר במשך שנים.

בתחום המעקב אחר חרקים, ה-FLT:0.2 גרם לתגי מכ"ם הרמוניים (FLT:1) בשימוש עבור דבורים וחמאה הם פסיביים - הם משקפים אות מכ"ם ללא כל סוללה, עם זאת, לתגים פעילים שגלומים נתונים, חוקרים מאוניברסיטת וושינגטון פיתחו תגים קלים:21-1-גרם סולריים 3 LT עבור דרקונים, באמצעות מדד זעיר ומעטים של תאים, ומעטים של פחות ממין, ומעטים, ומעטים, ומעטים, בעזרת טמפרטורות זעירות.

עבור יונקים גדולים יותר כמו זאבים ופילים, תגי צווארון משתמשים לעתים קרובות בשילוב של תקשורת לווייני GPS ו Iridium. חברות כמו Iridium:0LocastcioFLT:1 ו-FLT:2Vectronic AerospaceFLT 3:3 מייצרים צווארוןים שיכולים לפעול במשך 2–3 שנים על סוללה אחת, באמצעות מחזורים מתוחכמות ותצורה מרחוק.

תוכנה ואופטימיזציה של תוכנה

חומרה יעילה כוח היא רק חצי מהסיפור.חברות תוכנה חייבת להיות כתובה עם מודעות אנרגיה.זה אומר להימנע מלשאול הלולאות, באמצעות I / O מונע להפריע, למקסם את הזמן MCU לבלות בשינה עמוקה. נתונים יעיל נתונים להפחית זמן שידור - החל מיקום 10 על ידי 10 אינץ ' במקום 100-byte NMEA לחסוך אנרגיה משמעותית.

אלגוריתמים של Power-aware יכולים להתאים את שיעורי הדגימה המבוססים על מתח סוללה ופעילות קודמת.לדוגמה, אם הסוללה פועלת נמוך, תג עשוי להפחית את תדירות תיקון ה-GPS מפעם אחת ביום, או לעבור רק לנתונים של מאינטרמטר עד לטעינה. התנהגויות הסתגלות אלה מרחיבות את תוחלת החיים של התג באופן משמעותי.

כיוונים עתידיים

על גבי AI ו- Edge Processing

אחת המגמות המבטיחות ביותר היא שילוב של מאיצים ברשת עצבית בעלי כוח נמוך על התג.על ידי עיבוד דפוסי מד תאוצה בזמן אמת, התג יכול לסווג התנהגויות (למשל הליכה, טיסה, מנוחה) מבלי לשלוח נתוני חיישן גולמי.זה מקטין שידור נתונים על ידי פקודות של גודל, חיסכון שבבים ייעודיים כמו LT:0Syntiant NFoloating, אופטימיזציה של מודלים זעירים או microp2x.

פעילות אנרגיה-ניטראלית

כשטכנולוגיות קצירת אנרגיה בוגרות, אנו ניגשים לתגיות שפועלות ללא סוללות – המופעלות לחלוטין על ידי אנרגיה מצירפת (למשל, שמש + supercapacitor) זה מסיר את הצורך בהחלפת סוללות ומבטל פסולת מסוכנת. Prototypes קיימים עבור תגי GPS המופעלים על ידי השמש על ציפורים גדולות, אך אתגרים נשארים עבור חיות נוקלות או מינים עמוקים של ים.

שיפור קישוריות

(ב) לוויינים (LEO) לוויינים כמו FLT:0) Iridium NEXTreaFLT 1 ו- UpcomingFLT:2StarlinkirFLT 3 טרמינלים תואמים יכולים להציע כוח נמוך יותר ורוחב פס גבוה יותר.

שילוב עם IoT ו-Cloud Analytics

נתוני מעקב חיות נאספים יותר ויותר לפלטפורמות ענן כמו FLT:0 (MovebankFLT:1 או FLT:2ZoaTrackveFLT 3: 3 מבוסס ענן למידה מכונה יכול לנתח דפוסים תנועה בקנה מידה.התגים עצמם להיות חלק האינטרנט של בעלי חיים (IoA), המאפשרת התראות שימור בזמן אמת (למשל, לזהות כאשר תגים מתויגים באמצעות רשת אלחוטית או לוויינים).

מסקנה

פיתוח מערכות אולטרה-נמוכות של מעקב חיות בר הוא אתגר רב תחומי המשלב הנדסה חשמלית, חומרים מדע, אקולוגיה ועיצוב תוכנה.התגמולים הם עצומים: נתונים טובים יותר לשימור, מופחתים הפרעות בעלי חיים, ומחקרים ארוכי טווח.כפי יעילות אנרגיה משתפרת וקצירת טכניקות מתקדמות, הדור הבא של תגים יהיה קטן, חכם יותר, ומהנדסים אוטונומיים יותר, עובדים על מערכות אלה אינם רק דוחפים את הגבולות של עיצוב ישיר של כוכבי הלכת שלנו, אלא גם על מנת לקדם את המגוון הישיר של כוכבי הלכת שלנו.

(ב) ראו את הנתונים (FLT:0) מהנתונים שלMovebank RepositoryFLT:1 עבור נתונים מעקב בעלי חיים גלובליים, פרויקט FLT:2ICARUS ProjectFLT 3 עבור מעקב מבוסס חלל, ומדריכים טכניים על מעבדי חשמל של 4FLT:5 מטקסס.