劉廣同，曹淑楠，楊萬林，劉橙，何金成

(福建農(nóng)林大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,福州市,350002)

0 引言

生豬養(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)是我國畜牧業(yè)的支柱性產(chǎn)業(yè),2022年世界豬肉總產(chǎn)量為1.098×108t,相比于2021年,同比上升幅度為2.08%。世界豬肉產(chǎn)量上升的主要原因就是中國生豬產(chǎn)能的快速恢復(fù)[1]。中國生豬市場自2020年1月份以來就面臨著非洲豬瘟疫情與新冠肺炎防控雙重打擊,使得生豬供給出現(xiàn)緊張態(tài)勢,造成豬肉價格劇烈上漲[2]。因此,國內(nèi)養(yǎng)殖企業(yè)逐步大規(guī)模采用封閉式養(yǎng)殖豬舍,降低豬只之間的疾病傳播。其中以方艙豬舍養(yǎng)豬最為典型,方艙形狀規(guī)整,移動方便,能夠根據(jù)養(yǎng)殖需要進(jìn)行任意擺放和隨時轉(zhuǎn)移。它是一個全封閉空間,漏糞板將豬舍一分為二,上層位生豬生活區(qū),下層為集污區(qū)[3-4]。相較于現(xiàn)有技術(shù),方艙豬舍能有效地隔離各種疾病傳染源。然而,當(dāng)前市面上的方艙豬舍豬只缺乏綜合管理和對個體的精準(zhǔn)飼養(yǎng),對于生豬的生長狀況不能及時掌握,對于生豬病疫的爆發(fā)也不能及時預(yù)防,這樣直接制約生豬養(yǎng)殖事業(yè)的發(fā)展。所以對豬只進(jìn)行綜合管理,監(jiān)測豬只的行為活動,分析豬只采食數(shù)據(jù)成為科學(xué)養(yǎng)豬勢在必行的策略。

二十世紀(jì)五十年代,美國海軍研究室開發(fā)了一套名為“辨別敵我系統(tǒng)”的無線識別技術(shù)。在其后的數(shù)十年間,該技術(shù)在物流、制造、倉儲等不同行業(yè)遍地開花[5-6]。隨著我國高新技術(shù)的快速發(fā)展,社會對于糧食安全、智能化管理等方面的要求也逐步提高,這些促使RFID技術(shù)在農(nóng)畜業(yè)快速推廣與普及。當(dāng)前國內(nèi)外市場的多種自動化養(yǎng)豬系統(tǒng)中已經(jīng)成功采用RFID技術(shù)。Ostersen等[7]為了檢測母豬的自動發(fā)情情況,提出一種妊娠期恢復(fù)發(fā)情母豬的自動檢測方法。Chen等[8]設(shè)計了一個基于RFID技術(shù)的智能化監(jiān)測雞舍箱系統(tǒng),可以分析單個母雞的產(chǎn)蛋性能。Li等[9]開發(fā)了UHF RFID系統(tǒng)用于自動監(jiān)測與量化單個母雞的喂養(yǎng)與筑巢行為。Catarinucci等[10]基于RFID技術(shù),研究了小型活體動物的跟蹤系統(tǒng),適用于小動物定位和跟蹤。謝菊芳等[11]設(shè)計了“肉豬工廠化生產(chǎn)質(zhì)量安全監(jiān)控系統(tǒng)”,能促進(jìn)養(yǎng)豬場的工廠集約化管理。高云[12]基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù),提出了養(yǎng)豬綜合監(jiān)測系統(tǒng),能夠?qū)崿F(xiàn)養(yǎng)豬綜合監(jiān)測的網(wǎng)絡(luò)化、智能化。李日華等[13]結(jié)合稱重、PLC養(yǎng)殖生態(tài)環(huán)境控制、智喂精準(zhǔn)控制等技術(shù)設(shè)計基于RFID的智能化養(yǎng)豬系統(tǒng),能對規(guī)?；B(yǎng)豬實現(xiàn)全程智能管控。

對于生豬的采食行為分析主要有兩個方面:一方面,動物的采食量信息是其健康和生產(chǎn)所需營養(yǎng)物質(zhì)的量化基礎(chǔ)[14],研究動物的采食量對其采食行為有著極其重要的意義;另一方面,生豬在經(jīng)歷疫病亞臨床和臨床表現(xiàn)之前,往往其自身的行為會產(chǎn)生較大的改變,比如日常進(jìn)食量和活動量驟減,糞便干燥,尿液渾濁等[15]。對于非洲豬瘟,其臨床表現(xiàn)有四種:最急性型;急性型;慢性型;溫和型。其中最急性型與溫和型并不多見,而急性型與慢性型往往伴隨著豬只進(jìn)食量的急劇變化[16-17]。因此,監(jiān)控生豬的行為活動和生理表現(xiàn)可以及時有效地發(fā)現(xiàn)疫病爆發(fā)情況,提早發(fā)現(xiàn)異常豬只,防止造成更大規(guī)模的疫病爆發(fā)。

本研究設(shè)計了一種包括RFID在內(nèi)的多傳感器方艙豬舍豬只采食行為分析系統(tǒng),根據(jù)豬只身份信息,記錄豬只的采食量,并分析豬只的采食數(shù)據(jù),預(yù)警飼養(yǎng)員,實現(xiàn)對豬只采食異常的準(zhǔn)確追蹤與病疫預(yù)警。

1 系統(tǒng)設(shè)計

1.1 系統(tǒng)總體設(shè)計方案

豬只的采食行為分析數(shù)據(jù)包括獲取豬只的采食量,采食時間,采食頻率。其中由前文可知采食量又最能直觀反映豬只的健康狀況。而獲取豬只的采食數(shù)據(jù)信息首先要做的就是對豬只的身份進(jìn)行確定。因此,本文采用RFID電子標(biāo)簽對豬只的身份檔案進(jìn)行注冊,然后使用RFID讀寫器標(biāo)定豬只身份,這樣便能對豬只進(jìn)行信息化管理。為了獲取到豬只的采食時間與采食頻率,本文選用圖像識別技術(shù)與稱重傳感器進(jìn)行測定。其中圖像識別技術(shù)和RFDI技術(shù)共同判別豬只是否進(jìn)入采食區(qū)域,以及進(jìn)入采食豬只的身份,而稱重傳感器則是記錄隨時間變化的食槽重量來反應(yīng)豬只采食量、采食時間、采食頻率。

系統(tǒng)由上位機(jī)應(yīng)用軟件和與之相連的下位機(jī)系統(tǒng)設(shè)備兩部分組成。其中系統(tǒng)通過RFID設(shè)備、攝像頭、稱重傳感器以及溫濕度傳感器等設(shè)備對方艙豬舍內(nèi)豬只的生長環(huán)境與狀態(tài)進(jìn)行實時監(jiān)控,用戶可以通過軟件及時得知豬只在成長過程中出現(xiàn)的異常采食數(shù)據(jù)與豬舍的溫濕度環(huán)境信息。系統(tǒng)在獲得數(shù)據(jù)的同時也提供了采食數(shù)據(jù)分析的策略,根據(jù)豬只的歷史采食數(shù)據(jù)與該重量下豬只的科學(xué)進(jìn)食量進(jìn)行判斷與專業(yè)的決策,即對用戶進(jìn)行預(yù)警,防止病疫的傳播,方艙豬舍豬只采食行為分析系統(tǒng)的整體設(shè)計方案如圖1所示。

圖1 方艙豬舍豬只采食行為分析系統(tǒng)框架圖Fig. 1 Framework diagram of feeding behavior analysis system for pigs in square cabin pig houses

系統(tǒng)的整個工作過程為:RFID生豬識別模塊利用RFID唯一標(biāo)識的電子耳牌標(biāo)識豬只,建立豬只的管理檔案,從而實現(xiàn)豬只的身份認(rèn)證。限位欄一次只允許一頭生豬進(jìn)入采食,當(dāng)豬只進(jìn)入限位欄后,就進(jìn)入了RFID天線的識別范圍,可以被RFID讀寫器識別,此時系統(tǒng)記錄下豬只的身份信息。圖像識別模塊通過視頻監(jiān)控實時將方艙豬舍內(nèi)的信息及時發(fā)送到上位機(jī)(工控機(jī)),在上位機(jī)端設(shè)計相應(yīng)的豬只運(yùn)動判別算法去判別豬只是否在采食區(qū)域。稱重模塊通過安裝在食槽下方的重力傳感器測量到食槽飼料重量。當(dāng)圖像識別模塊識別到豬只進(jìn)入采食區(qū)域時,系統(tǒng)記錄下當(dāng)前的時間與食槽飼料重量,當(dāng)圖像識別模塊識別到豬只離開采食區(qū)域時,系統(tǒng)再次記錄下當(dāng)前的時間與食槽飼料重量,通過食槽飼料重量的減少值,從而對每只生豬的每次進(jìn)食量數(shù)據(jù)進(jìn)行收集。通過重力傳感器檢測料槽飼料的減少,RFID傳感器對豬只的準(zhǔn)確定位,圖像傳感器對豬只采食位置的識別,三個傳感器確保準(zhǔn)確識別收集到每一個豬只的采食行為和采食量。此外,限位欄內(nèi)安裝有防躺桿,防止因為采食結(jié)束的豬只長期滯留在采食區(qū)域內(nèi)而影響后續(xù)豬只的采食。

1.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)搭建

RFID識別模塊是整個系統(tǒng)構(gòu)成的重要部分,主要包括四個部分,分別是讀寫器,電子標(biāo)簽,增益天線,以及RS485輸出。空間分布為將RFID的增益天線固定在食槽上方,也就是正對限位欄的方向,讀寫器安裝在方艙豬舍的墻壁高處,防止方艙豬舍內(nèi)的雜污對其進(jìn)行腐蝕。電子標(biāo)簽則釘在豬只的耳朵上,隨著豬只的運(yùn)動而不斷移動。由于疫情期間內(nèi)豬場都不允許生人進(jìn)入,所以本文所開發(fā)的系統(tǒng)不能實地測試,只能采用實驗室搭建的豬舍模擬方艙豬舍,布偶豬只模擬生豬對系統(tǒng)進(jìn)行測試,因此將電子標(biāo)簽貼在布偶豬耳朵上?，F(xiàn)場的布局結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 基于多傳感器的方艙豬舍豬只采食行為分析系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig. 2 Schematic diagram of feeding behavior analysis system for pigs in square cabin pig house based on multi-sensor1.RFID系統(tǒng)讀寫器 2.工控機(jī) 3.方艙豬舍 4.限位欄 5.視頻傳感器 6.食槽 7.RFID系統(tǒng)天線 8.漏糞板 9.RFID系統(tǒng)電子標(biāo)簽

由于無法進(jìn)入方艙豬舍的實際養(yǎng)豬場對生豬進(jìn)行實驗,所以根據(jù)方艙豬舍豬只采食行為分析系統(tǒng)的總體設(shè)計方案以及設(shè)備的選型,搭建了模擬現(xiàn)場系統(tǒng)。方艙豬舍的主體限位欄采用220 cm×70 cm×100 cm的加厚熱鍍鋅管來搭建,其特點是易于裝配且承載能力強(qiáng),不易被復(fù)雜的環(huán)境所腐蝕。漏糞板采用了50 cm×60 cm的聚丙烯材料,能夠做到無縫接插,漏糞無死角,而且具有很強(qiáng)的承重能力。對于讀寫器,本文選擇了十六通道超高頻讀寫器,相比于其他頻段,超高頻通過電場來傳輸能量,該頻段識別的距離遠(yuǎn),有較好的讀取距離,其次還有很高的數(shù)據(jù)傳輸速率。本文采用了無源耳標(biāo)式18000-6B電子標(biāo)簽,它施加在動物的耳部,可以承載動物的個體信息,既能節(jié)約成本,又具備極佳的存儲性能和響應(yīng)速度,可靠性極高。監(jiān)測設(shè)備主體是使用了一顆1080P的高清視頻監(jiān)控攝像頭,安裝在方艙豬舍的墻壁內(nèi)側(cè),通過調(diào)整攝像頭角度使得攝像頭能夠正好監(jiān)測到豬只進(jìn)入食槽的采食區(qū)域范圍。稱重傳感器鑲嵌在稱重支架里然后安裝在食槽下方固定住,如圖3所示。

圖3 食槽與稱重壓力臺Fig. 3 Feeding trough and weighing pressure table1.稱重支架 2.稱重傳感器 3.食槽

2 豬只采食行為判別分析

2.1 圖像處理技術(shù)

2.1.1 自適應(yīng)高斯混合模型

傳統(tǒng)高斯混合模型對目標(biāo)物體的運(yùn)動檢測過程中,在對背景場景進(jìn)行建模的時候,需要對每一個像素點建立K個高斯分布[18]。在進(jìn)行背景建模和目標(biāo)運(yùn)動檢測時,對于所截獲的每幀圖像都需要建立固定數(shù)量的高斯分布去進(jìn)行描述,同時再對高斯混合模型進(jìn)行更新時,需要對其所有的像素點均進(jìn)行同步更新,這樣就使得高斯混合模型的算法運(yùn)算量變得極其龐大而且加重了對于后臺硬件設(shè)備的運(yùn)行負(fù)擔(dān),同時冗余的運(yùn)算量更是無法保證檢測的實時效果[19-20]。改進(jìn)后的高斯混合模型的算法如下。

第一步,自適應(yīng)的高斯混合模型的分布初始化。對于監(jiān)控視圖里所有的像素點均只建立一個高斯模型,但是需要對其分布數(shù)K0進(jìn)行賦值,K0賦值的計算方法如式(1)所示,K0一般為1～5。

(1)

式中:KL、KM、KS——初始化時不同的高斯分布數(shù)初值設(shè)定;

σ02——初始化設(shè)置的方差;

Tk1、Tk2——分配的不同初始分布數(shù)的閾值。

第二步,自適應(yīng)的高斯混合模型的動態(tài)調(diào)整。

1)α的更新。在高斯混合模型中,運(yùn)動檢測算法的參數(shù)學(xué)習(xí)率α是一個固定值,這就導(dǎo)致了高斯混合模型對于場景背景中運(yùn)動目標(biāo)其速度變化的情形難以適應(yīng)[21]。場景背景的更新速度取決于學(xué)習(xí)率α的取值情況,一旦場景變化率產(chǎn)生了變化,那么此時學(xué)習(xí)率α也會隨之更新,其更新規(guī)則按式(2)所示。

(2)

式中:α0——初始設(shè)定的學(xué)習(xí)率,根據(jù)經(jīng)驗所得,一般取值范圍在0.01～0.1之間;

f——高斯分布在單位時間內(nèi)的變化次數(shù);

Tf——所設(shè)閾值。

2) 高斯分布的更新。將高斯混合模型的K個高斯分布按照權(quán)重值大小進(jìn)行排序,若當(dāng)前的觀察值與K個高斯分布均不匹配的時候,就新增加一個分布,K已經(jīng)達(dá)到了所設(shè)的最大值,就刪除掉權(quán)重值最小的高斯分布,然后再增加一個高斯分布。若高斯分布滿足式(3),則對均值相似的兩個高斯分布進(jìn)行合并,對權(quán)重值較大的分布進(jìn)行更新處理,較小的則需要刪除。

|μx-μy|≤Tμ

(3)

式中:μx——均值為x的高斯分布;

μy——均值為y的高斯分布;

Tμ——均值最小間隔的閾值。

對高斯分布進(jìn)行處理后,再進(jìn)行權(quán)重值的比較,若權(quán)重值低于閾值,就將當(dāng)前的高斯分布舍去。

2.1.2 基于自適應(yīng)的高斯混合模型的豬只運(yùn)動判別算法

對于豬只的運(yùn)動行為判別來說,采用改進(jìn)的自適應(yīng)高斯混合模型可以得到理想的豬只運(yùn)動判別效果。

首先需要對攝像頭傳輸過來的圖像幀進(jìn)行截取,對其進(jìn)行灰度化預(yù)處理,得到灰度化圖像幀。這樣做是為了減少原始的圖像數(shù)據(jù)量,便于后續(xù)計算量的消減,因為對于圖像處理而言,并不是所有的彩色圖像都需要對RGB三個顏色通道的分量都進(jìn)行處理。然后創(chuàng)建一個改進(jìn)的自適應(yīng)高斯混合模型用于視頻幀的背景減法,它的作用是更新背景模型,輸出前景掩碼。然后用特定的圖像和當(dāng)前時間戳更新motionHistory對象,將上述灰度化圖像添加進(jìn)motionHistory對象中作為基準(zhǔn)圖像。接著獲取到運(yùn)動目標(biāo)的蒙版副本并增強(qiáng)它的顏色。這里采用蒙版是為了進(jìn)行前景分離,它是一個灰度圖,每一個像素點的灰度值便表示在原始圖像中每個這個像素屬于運(yùn)動前景的程度。最后定義運(yùn)動區(qū)域范圍,用閾值來降低檢測微小運(yùn)動的值。最后在特點的運(yùn)動區(qū)域內(nèi)遍歷每個運(yùn)動組件,輸出運(yùn)動像素數(shù)量?；谧赃m應(yīng)的高斯混合模型豬只運(yùn)動判別算法流程圖如圖4所示。

圖4 豬只運(yùn)動判別算法流程圖Fig. 4 Flowchart of pig motion discrimination algorithm

當(dāng)豬只未進(jìn)入采食區(qū)域時,由于都是靜態(tài)的背景(場景未變化),改進(jìn)的高斯混合模型檢測不到目標(biāo)運(yùn)動點的信息,也不能得到符合豬只進(jìn)入的運(yùn)動像素點的信息,如圖5所示。

圖5 豬只未進(jìn)入時檢測圖像Fig. 5 Detect images when pigs are not entering

當(dāng)豬只采食區(qū)域后如圖6所示,此時靜態(tài)的背景場景被打破,在豬只運(yùn)動判別算法的作用下,豬只的運(yùn)動像素被記錄下,自定義的運(yùn)動區(qū)域內(nèi)運(yùn)動組件的遍歷數(shù)量也大幅度增加,豬只的運(yùn)動像素點被記錄下來上傳給數(shù)據(jù)庫的表中供程序調(diào)用。

圖6 豬只進(jìn)入時檢測圖像Fig. 6 Detect images when pigs are entering

2.2 數(shù)據(jù)融合實現(xiàn)豬只采食行為判別

對豬只的采食行為判別是對豬只進(jìn)行采食數(shù)據(jù)收集的前提,豬只的采食行為判別分為三個部分。首先是RFID設(shè)備對豬只身份的確定,當(dāng)采食豬只進(jìn)入了限位欄內(nèi)RFID增益天線所能識別的最大有效距離(0.5 m)后,由于電子標(biāo)簽的響應(yīng),上位機(jī)系統(tǒng)能很快接收到豬只身份信息,完成對豬只的信息化定位。其次,當(dāng)豬只前進(jìn)到攝像頭所能監(jiān)控到的采食區(qū)域后,根據(jù)上文所述,上位機(jī)會受到一個基于自適應(yīng)的高斯混合模型的豬只運(yùn)動判別算法返回的運(yùn)動像素點。此時需判斷此運(yùn)動像素點是否大于豬只運(yùn)動點閾值T1(這個閾值在本文中設(shè)為200 000),若大于,則判定被RFID設(shè)備所識別的豬只已經(jīng)進(jìn)入采食區(qū)域,反之,則豬只未進(jìn)入采食區(qū)域。

進(jìn)入了采食區(qū)域的豬只并不一定會進(jìn)行采食,有可能只是滯留,所以要判斷豬只的采食行為還需要稱重傳感器所提供的食槽重量的數(shù)據(jù)支撐。一旦豬只被RFID設(shè)備識別,又進(jìn)入了攝像頭所監(jiān)控的采食區(qū)域,而且此時重力傳感器能夠監(jiān)測到食槽飼料重量的波動,便認(rèn)為豬只已經(jīng)正在進(jìn)行采食行為,記錄下此時的時間作為豬只采食開始的時間。同理,當(dāng)上位機(jī)收到的返回的運(yùn)動像素點小于豬只運(yùn)動點閾值T2(這個閾值在本文中設(shè)為5 000),且稱重傳感器不再檢測到食槽重量值的波動,就認(rèn)為豬只已經(jīng)完成了本次的采食行為,記錄下此時的時間作為豬只采食結(jié)束的時間。最后,通過食槽前后重量的對比,可以很清晰的得出豬只本次的進(jìn)食量,完成一個完整的豬只采食行為收集過程。

3 系統(tǒng)上位機(jī)設(shè)計

軟件設(shè)計的一個很重要環(huán)節(jié)是確定開發(fā)工具和編程語言。在進(jìn)行系統(tǒng)的軟件開發(fā)時,本項目使用Visio Stdio2019軟件來編寫、調(diào)試、編譯程序。為了方便軟件的二次開發(fā)與通用性,本設(shè)計使用基于C#語言的窗體程序進(jìn)行編程。對于軟件開發(fā)的架構(gòu),本文選擇了C#經(jīng)典的三層架構(gòu)進(jìn)行開發(fā)。數(shù)據(jù)庫方面考慮到成本、功能,本文選擇了MySQL數(shù)據(jù)庫。

通過上文對于系統(tǒng)的構(gòu)建分析,設(shè)計滿足以下的系統(tǒng)功能:(1)新的生豬進(jìn)入豬舍后,飼養(yǎng)員可為其建立一個全新的身份檔案,用于后續(xù)采食行為的分析。(2)系統(tǒng)須包含對于RFID設(shè)備的操作功能,如更改RFID讀寫器的功率等。(3)系統(tǒng)需包含豬只運(yùn)動檢測功能。(4)系統(tǒng)需包含對于稱重傳感器的操作功能,如清零,標(biāo)定等。(5)系統(tǒng)需對方艙豬舍內(nèi)的豬只進(jìn)行采食數(shù)據(jù)分析,確保采食異常的豬只能被及時預(yù)警,此外豬只的采食數(shù)據(jù)能被導(dǎo)出,供用戶使用。

3.1 系統(tǒng)主控模塊

系統(tǒng)主控模塊是系統(tǒng)跳轉(zhuǎn)各種功能界面的接口,其本身也包括了預(yù)警信息,異常豬只信息,以及豬舍環(huán)境信息與視頻監(jiān)測的部分內(nèi)容,如圖7所示。

圖7 系統(tǒng)主控界面Fig. 7 System master interface

今日預(yù)警信息是后臺對豬只采食數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,其流程先獲取豬只一天的采食量然后再與該豬只的前一天進(jìn)食量進(jìn)行對比,如果進(jìn)食量小于前一天的二分之一,就接著比較該豬只進(jìn)食量和其體重類似的豬只科學(xué)進(jìn)食量官方數(shù)據(jù),若還是小于,那就對飼養(yǎng)技術(shù)員進(jìn)行預(yù)警,顯示在主控界面上,此豬存在采食異常狀況,可能發(fā)生病情,需要重點關(guān)注。其他的子功能窗體都由主控界面的按鍵跳轉(zhuǎn),如點擊RFID設(shè)置便能跳轉(zhuǎn)到RFID設(shè)置界面。

3.2 RFID設(shè)置模塊

RFID讀寫器的開發(fā)是基于Winform窗體下的程序開發(fā)。采用了UHFREADER288.DLL動態(tài)連接庫,該開發(fā)包可以支持程序調(diào)用C語言接口函數(shù),對開發(fā)者屏蔽RFID設(shè)備的下層硬件協(xié)議,大大減少了開發(fā)者的工作量。上位機(jī)應(yīng)用程序可以通過UHFREADER288.DLL操作讀寫器讀寫R2000系列的18000-6C與18000-6B格式的電子標(biāo)簽,并同時支持上位機(jī)程序在多個接口同時打開多個讀寫器。通過設(shè)置界面,用戶可以完成連接上位機(jī)與讀寫器,設(shè)置讀寫器的地址,設(shè)置查詢的響應(yīng)時間,對射頻頻率、射頻輸出功率進(jìn)行控制,對增益天線進(jìn)行設(shè)置等一系列功能。

對電子標(biāo)簽進(jìn)行讀取和寫入操作是RFID模塊最重要的功能。本文所述讀寫器可對多張18000-6B標(biāo)簽進(jìn)行同時讀取,當(dāng)讀寫器接收到用戶讀取電子標(biāo)簽的命令后,便開始讀取每張標(biāo)簽由起始位開始的8位字節(jié)數(shù)據(jù),識別電子標(biāo)簽完成后返回本次識別的標(biāo)簽數(shù)目,并將標(biāo)簽信息置入數(shù)據(jù)庫。

3.3 稱重模塊

稱重模塊是將稱重傳感器獲取到的有效采食信息實時傳輸?shù)较到y(tǒng)的數(shù)據(jù)庫中。除了基本的獲取稱重傳感器的稱重數(shù)據(jù)外,還開發(fā)一些高級功能,如對稱重傳感器進(jìn)行清零、標(biāo)定等操作。其中清零是為了消除因為溫度原因所引起的零點漂移,對于校正稱重傳感器還是很有必要的。

3.4 信息查詢模塊

3.4.1 豬只身份信息管理模塊

當(dāng)有新的豬苗進(jìn)入方艙豬舍或者是有豬只離開方艙豬舍時都需要對豬只的身份進(jìn)行登記或修改。豬只的身份信息包括豬只編號、性別、豬齡(以月為單位)、產(chǎn)地、異常信息五個部分組成,其中編號是RFID賦予的電子耳標(biāo)編號,也是系統(tǒng)準(zhǔn)確定位到該豬只的唯一方式,異常信息就是該豬只所有的異常采食數(shù)據(jù)信息。豬只身份信息管理模塊的增加、修改、刪除功能均是以豬只編號為索引,通過MySQL語句對數(shù)據(jù)庫進(jìn)行操作。如圖8所示為查詢豬齡大于三個月的方艙豬舍所有豬只。

圖8 豬只身份信息管理模塊功能展示圖Fig. 8 Pig identity information management module function display diagram

3.4.2 豬只采食信息管理模塊

豬只采食信息管理模塊主要提供給用戶三個主要的查詢功能,第一是豬只的歷史采食數(shù)據(jù)查詢,可以通過豬只的編號和采食時間分開檢索,也可以結(jié)合兩者綜合檢索,這里同樣是通過查詢語句對數(shù)據(jù)庫進(jìn)行查詢操作。第二是查詢RFID數(shù)據(jù)功能,這里有區(qū)別于RFID設(shè)置里的RFID實時數(shù)據(jù)顯示的是,在這里可以查詢到RFID歷史數(shù)據(jù),而在RFID設(shè)置界面內(nèi)只能查詢到實時識別的RFID標(biāo)簽數(shù)據(jù)。第三是數(shù)據(jù)導(dǎo)出,數(shù)據(jù)導(dǎo)出是將控件的數(shù)據(jù)導(dǎo)出到excel。圖9展示的是查詢編號為1000591120621的豬只于2021年12月5日的所有采食數(shù)據(jù)。

圖9 豬只身份信息管理模塊功能展示圖Fig. 9 Pig identity information management module function display diagram

4 測試與分析

4.1 RFID設(shè)備影響參數(shù)

在豬只的采食行為判別過程中,RFID設(shè)備起到的是對豬只身份進(jìn)行識別的作用,而在系統(tǒng)中對于豬只的有效識別距離則是需要一個適當(dāng)?shù)闹?本文選取的有效識別距離為0.5 m)。既能保證當(dāng)豬只進(jìn)入采食范圍后能被確定其身份,又能保證識別的精確度,不會誤檢到其他的未采食豬只。

試驗選取了對系統(tǒng)影響可能較大的4個因素進(jìn)行試驗,分別是RFID讀寫器功率、豬只靠近速度、射頻頻率以及RFID電子標(biāo)簽的靠近方向。由于無法進(jìn)入實際方艙豬舍養(yǎng)豬場對豬只進(jìn)行試驗,所以本文選用了基于STM32芯片(速度編程可控)的智能小車來模擬豬只,同時設(shè)計了小車的行車軌道2 m。實際試驗過程中將小車按照橫線(與天線接觸面最大)、縱向和斜向,分別貼在小車上讓小車靠近增益天線,使得電子標(biāo)簽的信息被讀寫器讀取。根據(jù)以上影響因素,以RFID電子標(biāo)簽的有效識別距離作為評判標(biāo)準(zhǔn),設(shè)計四因素三水平的正交試驗,各因素的三水平如表1所示。

表1 試驗因素水平表Tab. 1 Experimental factors and level table

表2中的k1、k2、k3表示每個因素在3次試驗所得RFID有效識別距離的平均值,R代表平均數(shù)的極差,A、B、C、D為因素編碼值。R的大小代表著變化的幅度,R越大,說明該因素對于最后的有效識別效果有著顯著的影響效果。

表2 正交試驗分析結(jié)果Tab. 2 Analysis results of orthogonal experiment

由表2可知,R最大的為D,其次是A,而B、C相對較小,故標(biāo)簽的靠近方向與讀寫器的功率對于電子標(biāo)簽的識別效果有著重要的作用。且該表因素的優(yōu)水平為:A3B3C2D1,也就意味著讀寫器的功率為27 dBm,小車靠近速度為最慢的0.11 m/s,射頻頻率為920.75 MHz,標(biāo)簽靠近方向為橫向靠近會使得電子標(biāo)簽在0.5 m左右的識別效果最好,超過這個范圍會使得電子標(biāo)簽不能被識別,滿足需求,也與實際情況相符。

4.2 豬只個體飼喂測定試驗

試驗隨機(jī)選取了300 g、400 g、500 g、600 g作為豬只的一次進(jìn)食的標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量。每個標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量重復(fù)模擬飼喂50次,測試前采用電子秤校準(zhǔn)進(jìn)食標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量,測試結(jié)果如表3所示,表明在實際的工作過程中,系統(tǒng)具有較好的精度以及比較小的誤差,能夠滿足實際生產(chǎn)需求。

表3 采食數(shù)據(jù)收集性能測定表Tab. 3 Measurement table of feeding data collection performance

5 結(jié)論

1) 設(shè)計了一種集豬只識別、豬只采食量收集、數(shù)據(jù)處理于一體的方艙豬舍豬只采食行為分析系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用RFID技術(shù)和圖像處理技術(shù),選擇了基于改進(jìn)的自適應(yīng)的高斯混合模型的豬只運(yùn)動判別算法,能夠準(zhǔn)確將豬只是否進(jìn)入采食區(qū)域判斷出來,結(jié)合RFID技術(shù)與稱重傳感器提供的數(shù)據(jù)支撐,能夠準(zhǔn)確分析豬只的采食數(shù)據(jù),實現(xiàn)豬只的精準(zhǔn)飼養(yǎng)和綜合管理。

2) 完成了系統(tǒng)的功能開發(fā),根據(jù)方艙豬舍的豬只采食行為分析需求設(shè)計了不同的系統(tǒng)模塊,各個模塊之間分工明確共同實現(xiàn)對豬只身份的認(rèn)證和采食量的收集。通過RFID設(shè)備影響參數(shù)正交試驗確定了RFID設(shè)備的實際應(yīng)用參數(shù)設(shè)定,讀寫器的功率為27 dBm,射頻頻率為920.75 MHz,標(biāo)簽靠近方向為橫向靠近會使得識別效果最好。另外通過豬只個體的飼喂測定試驗表明系統(tǒng)有較好的精度以及比較小的誤差(0.08%～0.1%),能夠滿足實際生產(chǎn)需求。