DOI: https://doi.org/10.1111/2041-210x.70241
تاريخ النشر: 2026-01-17
المؤلف: Ravi Umadi
الموضوع الرئيسي: دراسات بيولوجيا وخ ecology الخفافيش
نظرة عامة
تقدم ورقة البحث Esperdyne، وهو نظام مبتكر لمراقبة وتسجيل الموجات فوق الصوتية ثنائي القناة ومفتوح المصدر مصمم للدراسات البيئية، وخاصة في المناطق الغنية بالتنوع البيولوجي حيث الوصول إلى الأجهزة عالية الأداء محدود. باستخدام المتحكم الدقيق ESP32-S3، يعد Esperdyne فعالاً من حيث التكلفة، حيث يبلغ سعر المكونات أقل من 75 يورو، ويتميز بمراقبة هيتردين في الوقت الحقيقي، وتسجيل ستيريو، وواجهة مستخدم بديهية. يدعم الصوت بدقة 192 كيلو هرتز ثنائي الاتجاه وضبط مزدوج النطاق للمراقبة المتزامنة، كل ذلك مع الحفاظ على المرونة في معالجة الصوت دون مكتبات بمعدل ثابت.
أثبتت الاختبارات الميدانية موثوقية Esperdyne في اكتشاف المكالمات ذات نسبة الإشارة إلى الضوضاء العالية من الخفافيش الطائرة، مما يجعله مناسباً للاستطلاعات الصوتية مع الحد الأدنى من التدريب. يتم تكملة النظام بأداة MATLAB، Bat Reviewer، التي تسهل فحص وتصدير التسجيلات. من خلال توفير مخططات الأجهزة وأدوات البرمجيات المتاحة للجمهور، تهدف Esperdyne إلى تقليل الحواجز أمام المراقبة البيولوجية القائمة على الموجات فوق الصوتية، مما يشجع على مشاركة أوسع في الأبحاث البيئية وجهود الحفظ. تعكس هذه المبادرة تحولاً نحو أدوات علمية متاحة، وتعزز التعاون بين التخصصات والابتكار في علم الأحياء الميداني.
مقدمة
تسلط المقدمة الضوء على أهمية المراقبة الصوتية لمكالمات الخفافيش لاستطلاعات الأنواع، والتعرف، واكتشاف الأنواع الجديدة. تعتبر هذه الطريقة أداة تعليمية حيوية في علم بيئة الصوت، مما يسهل فهم التواصل الحيواني والتنوع البيولوجي الليلي. على الرغم من التقدم في التكنولوجيا، لا تزال توفر أجهزة الكشف الهيدردينية المسعرة والمعالجات الميدانية بأسعار معقولة محدوداً، حيث تتراوح أسعار العديد من الأجهزة الاحترافية بين 1400 يورو و3600 يورو، مما يشكل عائقاً أمام المعلمين والطلاب وجهود الحفظ، خاصة في الجنوب العالمي.
يعكس المؤلف تجاربه الشخصية مع التكاليف العالية المرتبطة بالحصول على معدات مراقبة الخفافيش، مشدداً على المفارقة أن المناطق ذات التنوع الغني من الخفافيش غالباً ما تفتقر إلى الأدوات اللازمة. بينما حققت المبادرات مفتوحة المصدر مثل AudioMoth وRPi Bat Projekt تقدمًا في توفير حلول تسجيل ذات تكلفة منخفضة ومستقلة، فإن هذه الأنظمة تفتقر إلى تقديم الاستماع في الوقت الحقيقي وقدرات التسجيل الموجهة من قبل المستخدم، وهي ضرورية للدراسات السلوكية والتواصل التعليمي.
طرق
يستخدم نظام Esperdyne المتحكم الدقيق ESP32-S3، الذي تم اختياره بسبب هيكله ثنائي النواة وقدراته في معالجة الصوت فوق الصوتي بدقة كاملة، facilitated by its two independent I2S ports. يتضمن النظام محول ADC ستيريو WM8782 بدقة 24 بت لإدخال الصوت ومحول DAC PCM5102A لإخراج الصوت. يتم التقاط الصوت فوق الصوتي باستخدام ميكروفونات SPU0410LR5H-QB MEMS، ويتم تحويله إلى رقمية عبر WM8782، ومعالجته للتحويل الهيدرديني بناءً على ترددات الحامل المحددة من قبل المستخدم. يتم إخراج الصوت المعالج عبر DAC PCM5102A، بينما يتم تخزينه في نفس الوقت في ذاكرة مؤقتة PSRAM بحجم 8 ميجابايت، مما يسمح بتخزين الصوت لمدة تصل إلى 20 ثانية بمعدلات أخذ عينات وأعماق بت محددة.
بالإضافة إلى ذلك، يتميز النظام بشاشة splash وواجهة مستخدم OLED توفر تغذية بصرية في الوقت الحقيقي، تعرض معلومات أساسية مثل الترددات، والزيادة، والوضع، وفهرس الملف، ووضع التشغيل في تخطيط مدمج 128×32. تم بناء التجميع بالكامل على لوحات دوائر مطبوعة مثقوبة بحجم 6×8 سم مع أسلاك ملحومة يدويًا من نقطة إلى نقطة، مما يضمن تصميمًا قويًا وعمليًا.
النتائج
تتفصل نتائج الدراسة عن تجميع واختبار ميداني لنموذج Esperdyne، وهو جهاز مراقبة خفافيش خفيف الوزن (150 جرام) تم بناؤه على لوحة دوائر مطبوعة مثقوبة مع اتصالات ملحومة يدويًا. تم اختبار الجهاز على طول نهر إيسار، حيث تم التقاط حوالي 20 تسجيلًا لنشاط الخفافيش على مدى 30 دقيقة. تم تطوير واجهة مستخدم رسومية مخصصة تعتمد على MATLAB، Bat Reviewer، لتسهيل تنظيم وتحليل هذه التسجيلات، مما يسمح بالاختيار الفعال للبيانات عالية الجودة. تم التأكيد على النطاق الديناميكي الواسع للميكروفون كعنصر حاسم لاستيعاب مستويات الصوت المتنوعة لأنواع الخفافيش المختلفة، مع توصيات لدمج مضخم صوت لتحسين المرونة.
تشمل الميزات الرئيسية لـ Esperdyne أوضاع السمع القابلة للتعديل المصممة لسيناريوهات البحث عن الطعام متعددة الأنواع، مما يكون مفيدًا بشكل خاص في التمييز بين مكالمات أنواع الخفافيش المختلفة. يسجل النظام مقاطع صوت ستيريو مدتها 5 ثوانٍ لتحسين جودة البيانات، مع التركيز على التسجيلات ذات نسبة الإشارة إلى الضوضاء العالية (SNR). تعزز أدوات إدارة الملفات في الجهاز ومؤشرات الوقت الحقيقي تجربة المستخدم، بينما أكدت الاختبارات على سرعة كتابة بطاقة SD المستدامة بحوالي 1.5 ميجابايت/ثانية، مما يتطلب استخدام بطاقات microSD عالية السرعة لمنع فقدان البيانات. بشكل عام، يمثل نموذج Esperdyne تقدمًا كبيرًا في أدوات البحث البيولوجي المفتوحة المصدر، مع إمكانية التطوير إلى تصاميم أكثر قوة وقابلية للتصنيع مناسبة لظروف ميدانية متنوعة.
نقاش
ت outlines قسم النقاش في ورقة البحث تصميم ووظائف جهاز Esperdyne، الذي يتميز بواجهة سهلة الاستخدام تتكون من مشفر دوار، وأزرار لمسية، وشاشة OLED بدقة 128×32 بكسل. تسهل هذه الواجهة التعديلات في الوقت الحقيقي على معلمات الهيدردين، مثل تردد الحامل ($F$) وزيادة التشغيل ($V$)، مع توفير تغذية بصرية واضحة على شاشة OLED. يتضمن الجهاز ميزة النقر للحفظ التي تسجل آخر خمس ثوانٍ من الصوت على بطاقة SD، ويسمح بضبط مستقل للقنوات الثنائية لتعزيز المراقبة. يدعم البرنامج الثابت، الذي تم تنفيذه باستخدام إطار عمل Arduino، معالجة الصوت عالية السرعة وتفاعل المستخدم، مما يضمن أداءً منخفض الكمون أثناء الاستخدام الميداني.
تستخدم بنية معالجة الإشارة أجهزة I2S ثنائية للإدخال والإخراج الصوتي، مع ذاكرة مؤقتة ستيريو لمدة 5 ثوانٍ لإدارة الصوت بكفاءة. تعمل معالجة الهيدردين على دفق صوت بدقة 192 كيلو هرتز، مما يتيح التعديلات في الوقت الحقيقي لترددات الحامل بين 10 كيلو هرتز و85 كيلو هرتز. ي prioritizes تصميم النظام الاستقرار والاستجابة، مع ميزات مثل تبديل أوضاع الستيريو والمزج، وتكوين ADC قوي يقلل من آثار التداخل. بالإضافة إلى ذلك، يتم تشغيل الجهاز بواسطة بطارية ليثيوم أيون قابلة لإعادة الشحن، مما يوفر حوالي سبع ساعات من وقت التشغيل. تعزز الأداة المرافقة المعتمدة على MATLAB، Bat Reviewer، قابلية استخدام النظام من خلال السماح للمستخدمين بتصفح والاستماع إلى وتصدير التسجيلات، مما يسهل عملية تنظيم البيانات. بشكل عام، يمثل Esperdyne تقدمًا كبيرًا في البحث البيولوجي الصوتي، مما يعزز الوصول وسهولة الاستخدام في المراقبة البيئية وجهود الحفظ.
DOI: https://doi.org/10.1111/2041-210x.70241
Publication Date: 2026-01-17
Author(s): Ravi Umadi
Primary Topic: Bat Biology and Ecology Studies
Overview
The research paper introduces Esperdyne, an innovative open-source dual-channel ultrasound monitoring and recording system designed for ecological studies, particularly in biodiversity-rich regions where access to high-performance devices is limited. Utilizing the ESP32-S3 microcontroller, Esperdyne is cost-effective, with a component price under €75, and features real-time heterodyne monitoring, stereo recording, and an intuitive user interface. It supports full-duplex 192 kHz audio and dual-band tuning for simultaneous monitoring, all while maintaining flexibility in audio processing without fixed-rate libraries.
Field tests have demonstrated Esperdyne’s reliability in detecting high-SNR calls from free-flying bats, making it suitable for acoustic surveys with minimal training. The system is complemented by a MATLAB tool, Bat Reviewer, which facilitates the inspection and export of recordings. By providing publicly available hardware schematics and software tools, Esperdyne aims to lower barriers to ultrasound-based biodiversity monitoring, encouraging broader participation in ecological research and conservation efforts. This initiative reflects a shift towards accessible scientific instrumentation, promoting interdisciplinary collaboration and innovation in field biology.
Introduction
The introduction highlights the significance of acoustic monitoring of bat calls for species surveys, identification, and the discovery of new taxa. This method serves as a vital educational tool in soundscape ecology, facilitating the understanding of animal communication and nocturnal biodiversity. Despite advancements in technology, the availability of affordable heterodyne detectors and field recorders remains limited, with many professional-grade devices priced between €1400 and €3600, posing a barrier for educators, students, and conservation efforts, particularly in the Global South.
The author reflects on personal experiences with the high costs associated with acquiring bat monitoring equipment, emphasizing the irony that regions with rich bat diversity often lack access to necessary tools. While open-source initiatives like AudioMoth and RPi Bat Projekt have made strides in providing low-cost, autonomous recording solutions, these systems fall short in offering real-time listening and user-directed recording capabilities, which are essential for behavioral studies and educational outreach.
Methods
The Esperdyne system utilizes the ESP32-S3 microcontroller, chosen for its dual-core architecture and capabilities in full-duplex ultrasonic audio processing, facilitated by its two independent I2S ports. The system incorporates a WM8782 24-bit stereo ADC for audio input and a PCM5102A DAC for audio output. Ultrasonic audio is captured using SPU0410LR5H-QB MEMS microphones, digitized via the WM8782, and processed for heterodyne conversion based on user-defined carrier frequencies. The processed audio is output through the PCM5102A DAC, while simultaneously being buffered in an 8MB PSRAM ring buffer, allowing for up to 20 seconds of audio storage at specified sampling rates and bit depths.
Additionally, the system features a splash screen and an OLED user interface that provides real-time visual feedback, displaying essential information such as frequencies, gain, mode, file index, and playback mode in a compact 128×32 layout. The entire assembly is constructed on 6×8 cm perforated prototyping PCBs with hand-soldered point-to-point wiring, ensuring a robust and functional design.
Results
The results of the study detail the assembly and field testing of the Esperdyne prototype, a lightweight (150 g) bat monitoring device constructed on a perforated PCB with hand-soldered connections. The device was tested along the river Isar, capturing approximately 20 recordings of bat activity over a 30-minute period. A custom MATLAB-based graphical user interface, Bat Reviewer, was developed to facilitate the curation and analysis of these recordings, allowing for efficient selection of high-quality data. The microphone’s wide dynamic range was emphasized as crucial for accommodating the varying vocalization levels of different bat species, with recommendations for incorporating a preamplifier to enhance versatility.
Key features of the Esperdyne include adjustable hearing modes designed for multi-species foraging scenarios, particularly beneficial for distinguishing between calls of different bat species. The system records 5-second stereo audio clips to optimize data quality, focusing on high signal-to-noise ratio (SNR) recordings. The device’s file management tools and real-time indicators enhance user experience, while testing confirmed a sustained SD card write speed of approximately 1.5 MB/s, necessitating the use of high-speed microSD cards to prevent data loss. Overall, the Esperdyne prototype represents a significant advancement in open-source bioacoustic research tools, with potential for further development into more robust, manufacturable designs suitable for diverse field conditions.
Discussion
The discussion section of the research paper outlines the design and functionality of the Esperdyne device, which features a user-friendly interface comprising a rotary encoder, tactile buttons, and a 128×32 pixel OLED display. This interface facilitates real-time adjustments of heterodyne parameters, such as carrier frequency ($F$) and playback gain ($V$), with clear visual feedback provided on the OLED. The device includes a tap-to-save feature that records the last five seconds of audio to an SD card, and it allows independent tuning of dual channels for enhanced monitoring. The firmware, implemented using the Arduino framework, supports high-speed audio processing and user interaction, ensuring low-latency performance during field use.
The signal processing architecture employs dual I2S peripherals for audio input and output, with a 5-second stereo ring buffer for efficient audio management. The heterodyne processing operates on a 192 kHz audio stream, enabling real-time adjustments of carrier frequencies between 10 kHz and 85 kHz. The system’s design prioritizes stability and responsiveness, with features such as a toggle for stereo and mix modes, and a robust ADC configuration that minimizes aliasing artifacts. Additionally, the device is powered by a rechargeable Li-ion battery, providing approximately seven hours of operational time. The accompanying MATLAB-based tool, Bat Reviewer, enhances the usability of the system by allowing users to browse, listen to, and export recordings, thereby streamlining the data curation process. Overall, Esperdyne represents a significant advancement in bioacoustic research, promoting accessibility and usability in ecological monitoring and conservation efforts.