基于多传感器的方舱猪舍猪只采食行为分析系统.pdf
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1、1 7 6 中国农机化学报2 0 2 3年D O I:1 0.1 3 7 3 3/j.j c a m.i s s n.2 0 9 55 5 5 3.2 0 2 3.0 9.0 2 5刘广同,曹淑楠,杨万林,等.基于多传感器的方舱猪舍猪只采食行为分析系统J.中国农机化学报,2 0 2 3,4 4(9):1 7 6-1 8 2,2 1 3L i u G u a n g t o n g,C a o S h u n a n,Y a n g W a n l i n,e t a l.M u l t i-s e n s o r-b a s e d f e e d i n g b e h a v i o r
2、a n a l y s i s s y s t e m f o r p i g h o u s e p i g s i n s q u a r e c a b i n s J.J o u r n a l o f C h i n e s e A g r i c u l t u r a l M e c h a n i z a t i o n,2 0 2 3,4 4(9):1 7 6-1 8 2,2 1 3基于多传感器的方舱猪舍猪只采食行为分析系统*刘广同,曹淑楠,杨万林,刘橙,何金成(福建农林大学机电工程学院,福州市,3 5 0 0 0 2)摘要:针对当前市面上的方舱猪舍猪只缺乏综合管理和对个体的
3、精准饲养,设计基于多传感器的方舱猪舍猪只采食行为分析系统。首先通过R F I D技术建立猪只档案,识别猪只的身份信息;然后采用基于改进的自适应的高斯混合模型的猪只运动判别算法,判断猪只是否进入采食区域;最后通过称重传感器获取猪只的采食数据。通过上述方法系统能够准确锁定采食猪只的身份以及采食时间、采食频率、采食量。为验证系统的可行性,设计四因素三水平试验,探究读写器功率、标签靠近速度、射频频率、标签靠近方向对R F I D识别效果的影响。试验结果表明:读写器功率为2 7d B m、标签靠近速度慢、射频频率为9 2 0.7 5MH z、标签靠近方向为横向会使得电子标签在距离天线0.5m的范围内识别
4、效果最好。同时进行猪只个体的饲喂测定试验,发现系统的误差为0.0 8%0.1%,能够满足猪场的使用要求。关键词:猪只;采食数据;R F I D技术;图像识别中图分类号:S 8 2 8:T P 2 7 4 文献标识码:A 文章编号:2 0 9 5 5 5 5 3(2 0 2 3)0 90 1 7 6 0 8收稿日期:2 0 2 2年4月4日 修回日期:2 0 2 2年6月2 9日*基金项目:福建省星火项目(2 0 2 0 S 0 0 0 2)第一作者:刘广同,男,1 9 9 6年生,安徽安庆人,硕士研究生;研究方向为农业电气化与信息化。E-m a i l:1 8 7 2 3 3 0 9 9 9q
5、 q.c o m通讯作者:何金成,男,1 9 7 3年生,福建福州人,博士,副教授;研究方向为农业机械设计与性能测试。E-m a i l:b i g h j c 1 6 3.c o mD e v e l o p m e n t o f f e e d i n g b e h a v i o r a n a l y s i s s y s t e m f o r p i g s i n s q u a r e c a b i n p i g h o u s e b a s e d o n m u l t i-s e n s o rL i u G u a n g t o n g,C a o S h
6、 u n a n,Y a n g W a n l i n,L i u C h e n g,H e J i n c h e n g(C o l l e g e o f M e c h a n i c a l a n d E l e c t r i c a l E n g i n e e r i n g,F u j i a n A g r i c u l t u r e a n d F o r e s t r y U n i v e r s i t y,F u z h o u,3 5 0 0 0 2,C h i n a)A b s t r a c t:I n v i e w o f t h e l
7、 a c k o f c o m p r e h e n s i v e m a n a g e m e n t a n d p r e c i s e f e e d i n g o f i n d i v i d u a l p i g s i n t h e s h e l t e r p i g h o u s e o n t h e c u r r e n t m a r k e t,a m u l t i-s e n s o r b a s e d p i g f e e d i n g b e h a v i o r s y s t e m f o r t h e s h e l
8、 t e r p i g h o u s e i s d e s i g n e d.F i r s t o f a l l,T h e p i g f i l e s a r e e s t a b l i s h e d b a s e d o n R F I D t e c h n o l o g y t o i d e n t i f y t h e i d e n t i t y i n f o r m a t i o n o f t h e p i g s,t h e n t h e p i g m o v e m e n t d i s c r i m i n a t i o n
9、 a l g o r i t h m b a s e d o n t h e i m p r o v e d a d a p t i v e G a u s s i a n m i x t u r e m o d e l i s u s e d t o j u d g e w h e t h e r t h e p i g s e n t e r t h e f e e d i n g a r e a s,f i n a l l y,t h e f e e d i n g d a t a o f p i g s a r e o b t a i n e d b y w e i g h i n g
10、 s e n s o r s T h r o u g h t h e a b o v e-m e n t i o n e d s y s t e m,t h e i d e n t i t y,f e e d i n g t i m e,f e e d i n t a k e a n d f e e d i n t a k e a m o u n t o f t h e f e e d i n g p i g s c a n b e a c c u r a t e l y l o c k e d.I n o r d e r t o v e r i f y t h e f e a s i b i
11、 l i t y o f t h e s y s t e m,a f o u r-f a c t o r a n d t h r e e-l e v e l e x p e r i m e n t i s d e s i g n e d t o e x p l o r e t h e e f f e c t s o f r e a d e r p o w e r,t a g a p p r o a c h s p e e d,r a d i o f r e q u e n c y,a n d t a g a p p r o a c h d i r e c t i o n o n t h e R
12、 F I D r e c o g n i t i o n e f f e c t.T h e t e s t r e s u l t s s h o w t h a t t h e r e a d e r p o w e r i s 2 7d B m,t h e t a g a p p r o a c h s p e e d i s s l o w,t h e r a d i o f r e q u e n c y i s 9 2 0.7 5MH z,a n d t h e t a g a p p r o a c h d i r e c t i o n i s h o r i z o n t
13、a l,w h i c h w i l l m a k e t h e e l e c t r o n i c t a g i d e n t i f y t h e b e s t w i t h i n t h e r a n g e o f 0.5m f r o m t h e a n t e n n a.A t t h e s a m e t i m e,a p i g i n d i v i d u a l f e e d i n g t e s t i s c a r r i e d o u t,a n d t h e t e s t s h o w s t h a t t h e
14、 e r r o r o f t h e s y s t e m i s 0.0 8%-0.1%,w h i c h m e e t s t h e r e q u i r e m e n t s o f t h e p i g f a r m.K e y w o r d s:p i g s;f e e d i n t a k e d a t a;R F I D t e c h n o l o g y;i m a g e r e c o g n i t i o n0 引言生猪养殖产业是我国畜牧业的支柱性产业,2 0 2 2年世界猪肉总产量为1.0 9 81 08t,相比于2 0 2 1年,同比
15、上升幅度为2.0 8%。世界猪肉产量上升的主要原因就是中 国 生 猪 产 能 的 快 速 恢 复1。中 国 生 猪 市 场 自第4 4卷 第9期2 0 2 3年9月中国农机化学报J o u r n a l o f C h i n e s e A g r i c u l t u r a l M e c h a n i z a t i o nV o l.4 4 N o.9S e p.2 0 2 3第9期刘广同 等:基于多传感器的方舱猪舍猪只采食行为分析系统1 7 7 2 0 2 0年1月份以来就面临着非洲猪瘟疫情与新冠肺炎防控双重打击,使得生猪供给出现紧张态势,造成猪肉价格剧烈上涨2。因此,国内养
16、殖企业逐步大规模采用封闭式养殖猪舍,降低猪只之间的疾病传播。其中以方舱猪舍养猪最为典型,方舱形状规整,移动方便,能够根据养殖需要进行任意摆放和随时转移。它是一个全封闭空间,漏粪板将猪舍一分为二,上层位生猪生活区,下层为集污区34。相较于现有技术,方舱猪舍能有效地隔离各种疾病传染源。然而,当前市面上的方舱猪舍猪只缺乏综合管理和对个体的精准饲养,对于生猪的生长状况不能及时掌握,对于生猪病疫的爆发也不能及时预防,这样直接制约生猪养殖事业的发展。所以对猪只进行综合管理,监测猪只的行为活动,分析猪只采食数据成为科学养猪势在必行的策略。二十世纪五十年代,美国海军研究室开发了一套名为“辨别敌我系统”的无线识
17、别技术。在其后的数十年间,该技术在物流、制造、仓储等不同行业遍地开花56。随着我国高新技术的快速发展,社会对于粮食安全、智能化管理等方面的要求也逐步提高,这些促使R F I D技术在农畜业快速推广与普及。当前国内外市场的多种自动化养猪系统中已经成功采用R F I D技术。O s t e r s e n等7为了检测母猪的自动发情情况,提出一种妊娠期恢复发情母猪的自动检测方法。C h e n等8设计了一个基于R F I D技术的智能化监测鸡舍箱系统,可以分析单个母鸡的产蛋性能。L i等9开发了UH F R F I D系统用于自动 监 测 与 量 化 单 个 母 鸡 的 喂 养 与 筑 巢 行 为。
18、C a t a r i n u c c i等1 0基于R F I D技术,研究了小型活体动物的跟踪系统,适用于小动物定位和跟踪。谢菊芳等1 1设计了“肉猪工厂化生产质量安全监控系统”,能促进养猪场的工厂集约化管理。高云1 2基于无线传感器网络技术,提出了养猪综合监测系统,能够实现养猪综合监测的网络化、智能化。李日华等1 3结合称重、P L C养殖生态环境控制、智喂精准控制等技术设计基于R F I D的智能化养猪系统,能对规模化养猪实现全程智能管控。对于生猪的采食行为分析主要有两个方面:一方面,动物的采食量信息是其健康和生产所需营养物质的量化基础1 4,研究动物的采食量对其采食行为有着极其重要的
19、意义;另一方面,生猪在经历疫病亚临床和临床表现之前,往往其自身的行为会产生较大的改变,比如日常进食量和活动量骤减,粪便干燥,尿液浑浊等1 5。对于非洲猪瘟,其临床表现有四种:最急性型;急性型;慢性型;温和型。其中最急性型与温和型并不多见,而急性型与慢性型往往伴随着猪只进食量的急剧变化1 61 7。因此,监控生猪的行为活动和生理表现可以及时有效地发现疫病爆发情况,提早发现异常猪只,防止造成更大规模的疫病爆发。本研究设计了一种包括R F I D在内的多传感器方舱猪舍猪只采食行为分析系统,根据猪只身份信息,记录猪只的采食量,并分析猪只的采食数据,预警饲养员,实现对猪只采食异常的准确追踪与病疫预警。1
20、 系统设计1.1 系统总体设计方案猪只的采食行为分析数据包括获取猪只的采食量,采食时间,采食频率。其中由前文可知采食量又最能直观反映猪只的健康状况。而获取猪只的采食数据信息首先要做的就是对猪只的身份进行确定。因此,本文采用R F I D电子标签对猪只的身份档案进行注册,然后使用R F I D读写器标定猪只身份,这样便能对猪只进行信息化管理。为了获取到猪只的采食时间与采食频率,本文选用图像识别技术与称重传感器进行测定。其中图像识别技术和R F D I技术共同判别猪只是否进入采食区域,以及进入采食猪只的身份,而称重传感器则是记录随时间变化的食槽重量来反应猪只采食量、采食时间、采食频率。系统由上位机
21、应用软件和与之相连的下位机系统设备两部分组成。其中系统通过R F I D设备、摄像头、称重传感器以及温湿度传感器等设备对方舱猪舍内猪只的生长环境与状态进行实时监控,用户可以通过软件及时得知猪只在成长过程中出现的异常采食数据与猪舍的温湿度环境信息。系统在获得数据的同时也提供了采食数据分析的策略,根据猪只的历史采食数据与该重量下猪只的科学进食量进行判断与专业的决策,即对用户进行预警,防止病疫的传播,方舱猪舍猪只采食行为分析系统的整体设计方案如图1所示。图1 方舱猪舍猪只采食行为分析系统框架图F i g.1 F r a m e w o r k d i a g r a m o f f e e d i
22、n g b e h a v i o r a n a l y s i s s y s t e m f o r p i g s i n s q u a r e c a b i n p i g h o u s e s1 7 8 中国农机化学报2 0 2 3年系统的整个工作过程为:R F I D生猪识别模块利用R F I D唯一标识的电子耳牌标识猪只,建立猪只的管理档案,从而实现猪只的身份认证。限位栏一次只允许一头生猪进入采食,当猪只进入限位栏后,就进入了R F I D天线的识别范围,可以被R F I D读写器识别,此时系统记录下猪只的身份信息。图像识别模块通过视频监控实时将方舱猪舍内的信息及时发送到
23、上位机(工控机),在上位机端设计相应的猪只运动判别算法去判别猪只是否在采食区域。称重模块通过安装在食槽下方的重力传感器测量到食槽饲料重量。当图像识别模块识别到猪只进入采食区域时,系统记录下当前的时间与食槽饲料重量,当图像识别模块识别到猪只离开采食区域时,系统再次记录下当前的时间与食槽饲料重量,通过食槽饲料重量的减少值,从而对每只生猪的每次进食量数据进行收集。通过重力传感器检测料槽饲料的减少,R F I D传感器对猪只的准确定位,图像传感器对猪只采食位置的识别,三个传感器确保准确识别收集到每一个猪只的采食行为和采食量。此外,限位栏内安装有防躺杆,防止因为采食结束的猪只长期滞留在采食区域内而影响后
24、续猪只的采食。1.2 系统结构搭建R F I D识别模块是整个系统构成的重要部分,主要包括四个部分,分别是读写器,电子标签,增益天线,以及R S 4 8 5输出。空间分布为将R F I D的增益天线固定在食槽上方,也就是正对限位栏的方向,读写器安装在方舱猪舍的墙壁高处,防止方舱猪舍内的杂污对其进行腐蚀。电子标签则钉在猪只的耳朵上,随着猪只的运动而不断移动。由于疫情期间内猪场都不允许生人进入,所以本文所开发的系统不能实地测试,只能采用实验室搭建的猪舍模拟方舱猪舍,布偶猪只模拟生猪对系统进行测试,因此将电子标签贴在布偶猪耳朵上。现场的布局结构图如图2所示。图2 基于多传感器的方舱猪舍猪只采食行为分
25、析系统结构示意图F i g.2 S c h e m a t i c d i a g r a m o f f e e d i n g b e h a v i o r a n a l y s i s s y s t e m f o r p i g s i n s q u a r e c a b i n p i g h o u s e b a s e d o n m u l t i-s e n s o r1.R F I D系统读写器 2.工控机 3.方舱猪舍 4.限位栏5.视频传感器 6.食槽 7.R F I D系统天线8.漏粪板 9.R F I D系统电子标签由于无法进入方舱猪舍的实际养猪场对生猪
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