CN103884280A - 一种移动式多猪圈猪体尺体重监测系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种移动式多猪圈猪体尺体重监测系统，该系统利用无线射频技术、双目视觉技术和自动控制技术，在一栋猪舍的多个猪圈中，自动监测猪的体尺和体重。该系统包括以下部分：猪个体识别设备；相机移动设备；双目视觉设备。通过本系统可以监测多个圈内猪的体尺体重，不会对猪造成应激，不会影响猪的生长，自动化程度高，易于操作，适应猪舍构造，系统成本低。

Description

一种移动式多猪圈猪体尺体重监测系统

技术领域

本发明涉及自动化畜牧养殖技术领域，更具体涉及一种移动式多猪圈猪体尺体重监测系统。

背景技术

在生猪饲养中，猪的体长、体宽、体高、臀宽、臀高、体重等参数是描述生猪生长状况和繁殖性能的重要指标参数。及时监测生猪的生长信息，可以根据体重进行精准饲喂，预测上市的出栏日期，提高上市猪体重均匀度。在传统的生猪饲养中，一般由手工测量获得这些生长参数。体尺等信息采用卷尺或测杖测量，体重则采用体重笼、磅秤来测量。这些手工测量方式费时费力，效率低，给猪造成很大的应激，在测量后一两天，采食量严重下降，给生产带来很大损失。市面上也有一些地秤等设备可以无接触地检测猪的体重，但设备单体造价较高，养殖场难以承受。单独放置的设备需要驱赶猪来称重，建造在猪舍的设备，因为猪舍污秽积累较多，设备精度不易保证。粪尿水的腐蚀性较大，设备容易损坏。

利用图像技术和机器视觉技术可以避免传统测量技术的不足。专利CN100498213C《一种利用双目视觉技术监测猪生长的方法》利用架设在猪采食处上方的两个相机，同时采集猪体背部图像，基于双目视觉原理，检测猪的体尺信息，结合模型估测猪的体重。这种方法很好的解决了应激的问题，但该方法所述的设备无法移动，只能够安装在固定的位置。国内生猪养殖多数为小圈栏饲养，该方法只能检测一个圈栏内猪的体重，检测一栋猪舍所有猪的体重，需要多套设备，成本较高，难以实际应用。该专利主要采用了猪背部面积、猪体高等三个参数估测体重，模型参数较少，准确性不高。另外该系统标定步骤复杂，需要人工对应标定板的空间坐标和图像坐标，带入模型求解，相机一旦移动就需要重新标定。该方法以地面为Z轴原点，假设地面为水平，但实际猪舍地面有一定的排水倾斜角度，这就造成了体尺的检测误差。

澳大利亚AU2010219406和美国专利US20130064432利用图像处理技术自动检测猪背部面积，预估猪的体重，该方法不能检测猪的体高等体尺，用一个参数像素面积和猪体重建立的回归模型不可靠，需要相机保持在唯一的高度上。该方法也不能检测多圈猪的体重，架设在过道的形式，需要对原有猪舍进行改造，也增加了系统的成本。

国外也有针对牛、羊的手持式移动检测设备，但该类设备只针对单只动物，很多需要对动物进行限位，且需要人工选择测量点，无法实现规模化自动化监测。

发明内容

（一）要解决的技术问题

本发明要解决的技术问题：一是提供一种连续、快速、方便、自动监测多圈猪的体尺体重的设备，降低设备的使用成本；二是提高猪体重估测模型的精度；三是简化监测系统校准过程，提高系统实用性。

（二）技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种自动监测一栋猪舍的多个猪圈中猪的体尺和体重的系统，其中包括以下部分：

（1）猪个体识别设备，（2）相机移动设备，（3）双目视觉设备，（4）自动监测模块。

一栋猪舍中的每个猪圈的饮水处安装无线射频识别RFID读卡器，每头猪佩戴无线RFID标签，所有RFID读卡器通过RS-485串口通讯总线连接至串口转网络服务器，在饮水器旁边安装限位栏杆，限制猪饮水时的姿势。

在猪舍饮水器顶部沿猪舍长轴方向架设有两根齿条，齿条与地面水平，且在两根齿条间架设有一根导轨，其两端装有齿轮，通过步进电机可控制齿轮转动，使得相机在齿条上水平移动，步进电机通过RS-485串口通讯总线连接至串口转网络服务器，齿条两端装有光电限位开关，该相机移动设备长度横跨多个猪圈。

在导轨上安装有两台同型号的相机，相机安装定焦镜头，两台相机平行放置，垂直向下，相机通过千兆网线连接至千兆交换机，然后交换机连接至工控机。

自动监测模块主要功能包括：相机校准、图像采集、图像处理、关键点提取、计算体尺和估算体重。

优选地，上述的限位栏杆使得猪饮水时姿势平直，与相机CCD长边平行，获得高质量的图像。

优选地，上述的RFID读卡器和标签，读写频率为134.2KHz，满足ISO11784/5动物识别国际标准。

优选地，上述的一体化步进电机，集成了控制器和步进电机驱动器，具有RS-485串口通讯功能。

优选地，上述的自动监测模块的计算体尺功能包括计算猪的体长、体宽、体高、臀宽、臀高。

优选地，上述的两台平行放置的相机的间距为50-200mm，相机安装在防护罩内部，相机距离地面高度为180-230cm。

优选地，上述的自动监测模块的图像采集功能在于使用RFID读卡器的信号作为图像采集触发信号。

优选地，上述的图像处理功能包括：灰度均一化、自动二值化、形态学处理、粒子过滤、猪体形状识别。

优选地，上述的关键点提取功能包括：轮廓提取、头尾截取点提取、体宽臀宽测点提取、关键点过滤。

优选地，上述的计算体尺功能包括读取立体校准参数、计算视差、计算关键点三维坐标、计算体尺、体尺过滤。

（三）有益效果

本发明提供的一种自动监测多圈栏中猪的体尺和体重的系统解决了原有猪体尺、体重检测方法落后，猪应激较大的问题；本发明系统只需要标定一次系统，就可以检测多圈猪的体尺和体重，大大提高了效率，降低了猪生长的监测成本。本发明系统还解决了现有技术中检测方法设备校准过程复杂的问题，提高了系统的实用性。

本发明和专利CN100498213C提出的双目视觉检测猪体尺体重的方法相比监测猪的数量大大提高，单猪检测成本大大降低，仅为其的16.7%。本发明和专利CN100498213C的方法相比，通过简化的系统校准方法使部署的时间大大缩短，仅为其的一半。本发明检测猪的五个体尺来估测体重，稳定性更强，更加精确。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是系统硬件构架示意图；

图2是系统关键流程图；

图3是图像采集流程图；

图4是图像处理流程图；

图5是关键点提取流程图；

图6是体尺测量流程图；

图7是体重估测流程图；

图中标记：1-齿条，2-导轨，3-一体化步进电机，4-限位开关，5-串口转网络服务器，6-相机，7-饮水器，8-限位栏杆，9-RFID耳号，10-RFID读卡器，11-交换机，12-工控机，13-串口信号线，14-千兆网线。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不能用来限制本发明的范围。

本发明针对猪体尺体重无接触监测的需求和我国养猪生产实际的饲养方式，提出了一种在一栋猪舍的多个猪圈中利用无线射频技术、双目视觉技术和自动控制技术的移动式多猪圈猪体尺体重监测系统。系统主要包括系统硬件和自动监测模块。

系统硬件见图1，图1是系统硬件的构架示意图。

一栋猪舍有12个圈栏，每个猪圈安装有1个饮水器。

在猪舍顶部水平架设两根平行齿条，间隔0.5米，齿条和猪舍长方向平行，与猪舍地面水平，架设在猪舍饮水器一侧顶部。

导轨架设在两根齿条中间，长度为0.5米与齿条垂直，平行于猪舍地面。

步进电机安装在导轨两端，可带动导轨在齿条两个方向上自由移动。

齿条两端有光电限位开关，防止步进电机移动导轨超出齿条范围。

一体化步进电机集成了控制器和步进电机驱动器，控制器有485通讯接口，同步控制两个步进电机精确移动，只在每个饮水器上方停留。

串口转网络服务器连接步进电机、读卡器和交换机，负责网络信号和485信号的转换。

两个GigE Vision相机平行架设在导轨上，垂直向下。负责同时采集猪背部图像，转换成网络信号。

饮水器旁安装有限位栏杆，使得只能有一头猪饮水，猪饮水时体长方向和相机CCD较长方向平行。

无线射频（Radio Frequency Identification Devices，RFID）耳号打在每一头需要估测体尺和体重的猪的右耳，RFID耳号符合ISO11784/5标准，频率为134.2KHz。

RFID读卡器安装在每个猪圈饮水器的右侧，当猪饮水时，可以自动读取猪的耳号。读卡器通过串口信号线连接至串口转网络服务器，使得工控机可以通过网络读取猪的耳号。

交换机通过千兆网线连接两个GigE Vision相机、串口转网络服务器、工控机。

工控机负责运行自动监测模块，控制步进电机，发送运动控制命令，精确移动相机到饮水器上方。

自动监测模块主要包括相机校准、图像采集、图像处理、关键点提取、计算体尺和估算体重共六方面功能。自动监测模块流程图如图2所示。

系统应用前需要标定系统。通过相机校准功能自动抓拍标定板空间位置不同的十几对图像，进行标定计算，获得双目视觉设备的标定参数，其中包括：相机模型参数，立体校准参数。相机模型参数包含：1、相机内参数：相机畸变模型和参数，焦距和光心；2、相机外参数：相机坐标系和真实世界坐标新的旋转和平移矩阵。立体校准参数包含：旋转矩阵、平移矩阵、本质矩阵和基础矩阵。立体校准参数包含了两个相机的相对位置信息。

模块的图像采集功能负责通过RFID读卡器检测是否有猪在饮水，控制步进电机移动相机到有猪的饮水器上方，采集和存储图像。流程图如图3所示。

模块的图像处理功能首先对图像进行均一化处理，增强图像对比；进行自动二值化，获得二值化图像；对图像进行形态学处理，修整猪体二值化图像；然后进行例子筛选，得到猪体形状，最后判断获得的粒子是否为俯视猪体的形状，正确则保留用作下一步处理。流程图如图4所示。

模块的关键点提取功能首先提取猪体的轮廓和包络，通过凸包法提取猪的头尾截取点共四个，头部截取点和尾部截取点的中点为体长测量点，从头部截取点向后找到体宽测量点，从尾部截取点向前找到臀宽测量点，判断测量点是否有异常的情况，如果有则抛弃结果并输出错误。流程图如图5所示。

模块的体尺测量功能首先读取系统标定参数，以左图像为基础，计算相应的视差图，利用关键点的二维坐标，计算关键点的三维空间坐标，然后计算体尺，最后判断每个体尺是否在正常范围内，是则输出体尺，否则抛弃此次结果。流程图如图6所示。

模块的体重估测功能首先估算体重模型，将得到的体尺带入模型，推算猪的活体体重，最后对猪体体重进行阈值判断，是否在正常范围内，如果在就输出体重，否则抛弃此次结果。流程图如图7所示。

实施例：

在一栋长45米宽9米的猪舍中，共有12个猪圈，每个猪圈长7米，宽3.4米，饮水器设置在猪舍北侧，料槽设置在南侧。在饮水器一侧上方装有移动式猪体尺体重监测系统，两根齿条之间距离0.5米，长40米，导轨长0.5米，两端安装两个步进电机，通过齿轮在齿条上移动，齿条两端装有红外光电开关，限制导轨移动范围。步进电机控制器通过485信号线连接至串口转网络服务器。两个GigE Vision相机分辨率为1280*960，CCD大小为4.8*3.6mm，曝光时间为自动，相机间距为100mm，距离地面为2.0米，镜头焦距为5mm。每个猪圈装有一个饮水器，饮水器右侧装有RFID读卡器，所有读卡器通过485信号线连接至串口转网络服务器。每头猪右耳装有频率为134.2Khz的耳号。

打印一张30*40cm的校准板，校准板上有14×19个直径为1cm的黑色圆点，两两圆点的圆心间距为2cm。运行校准功能，将校准板放两个相机视野内，放置五个不同的位置，每个位置与其他的位置平面角度差异大于3度，校准功能自动抓拍校准板图像，并计算圆点圆心的空间坐标，通过解方程获得立体校准参数，并保存到数据库。为保证精度，可以在每个饮水处上方单独标定。

在当任意圈栏中有猪饮水时，猪耳携带的电子耳标（RFID）靠近RFID读卡器，读卡器读到猪的耳号信息，通过串口转网络服务器将耳号发送给工控机。工控机运行的自动监测模块识别出猪的个体信息，检索数据库，如果已有当前猪当日的体重信息，则不对猪进行拍照，否则读取现在相机的位置，如果相机在猪体上方，则直接拍照，否则控制相机移动到对应饮水器上方，然后控制两个相机同时拍下猪体背部图像。图像处理功能首先进行是否可用的初步判断，检查猪体是否清晰、是否正常曝光、是否只有一头猪在图像内，满足所有条件的图像保存到硬盘，并将保存路径等信息写入数据库。

图像处理功能对左图像进行滤波，去除图像的噪点；进行均一化处理，增强图像的对比，然后自动二值化，得到二值图像；用形态学处理，去掉图像的空洞和较小的粒子；接着根据粒子面积大小去除其他粒子，如果粒子个数多于一个，则选取最大的粒子，最后对粒子进行判断，是否为猪体轮廓。

关键点提取功能首先计算猪体轮廓线和猪体的包络线，利用两个包络线的重合点，将包络线分为几部分，选取包络线长度较长的几部分，计算对应轮廓线到包络线的距离，每一段选取距离最大的轮廓线上的点作为耳根和尾根的截取点，然后根据截取点相对猪体长轴的位置关系，筛选出耳根截取点和尾根截取点，如果两种截取点个数不为两个，则输出错误。从耳根截取点向后1/3体长，寻找最宽的两个点为体宽测量点，从尾根向前寻找最宽的两个点为臀宽测量点。最后对体尺测量点进行判断，是否有相同的点，是否有坐标为（0，0）的点，有的话就输出错误，抛弃结果，否则保存结果。

体尺测量功能首先利用系统标定获得的立体视觉参数，计算左右图像的矫正图像；通过块匹配算法或者半全局块匹配算法进行图像匹配，获得和左图像对应的视差图，依据视差图获得关键点的三维空间坐标；然后对空间坐标进行阈值判断，当有空值或无穷大时，采用关键点的邻近点的三维空间坐标均值代替；根据体尺测量点的三维空间坐标计算体尺，对体尺进行阈值判断，如果有超出阈值的体尺，则输出错误。

体重估测功能利用预先建立的体尺体重相关模型，估算猪的体重，并进行阈值判断，如果有超过阈值的体尺，则输出错误；与以前体重进行比较，如果超出一定阈值，则输出错误。如果符合范围要求则存储该条记录至数据库，最后每日体重为当日内所有正确体重的均值。

本系统监测猪体尺体重方便、快捷，对监测的猪只无应激，省时省力，一套设备可以长时间，稳定地监测整栋猪舍中猪的体尺和体重，不需要对原有猪舍进行大规模改造，每头猪的监测成本较低。

以上实施方式仅用于说明本发明，而非对本发明的限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行各种组合、修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种自动监测一栋猪舍的多个猪圈中猪的体尺和体重的系统，其特征在于，其中包括以下部分：

（1）猪个体识别设备，（2）相机移动设备，（3）双目视觉设备，（4）自动监测模块；

所述的相机移动设备包括：在猪舍饮水器顶部沿猪舍长轴方向架设有两根齿条，齿条与地面水平，且在两根齿条间架设有一根导轨，其两端装有齿轮，通过一体化步进电机可控制齿轮转动，使得相机在齿条上水平移动，步进电机通过RS-485串口通讯总线连接至串口转网络服务器，齿条两端装有光电限位开关，该相机移动设备长度横跨多个猪圈；

所述的双目视觉设备包括：在导轨上安装有两台同型号的相机，相机安装定焦镜头，两台相机平行放置，垂直向下，相机通过千兆网线连接至千兆交换机，然后交换机连接至工控机；

所述的自动监测模块的主要功能包括：相机校准、图像采集、图像处理、关键点提取、计算体尺和估算体重。

2.根据权利要求1的自动监测一栋猪舍的多个猪圈中猪的体尺和体重的系统，其特征在于，所述的猪个体识别设备包括：一栋猪舍中的每个猪圈的饮水处安装无线射频识别RFID读卡器，每头猪佩戴无线RFID标签，所有RFID读卡器通过RS-485串口通讯总线连接至串口转网络服务器，在饮水器旁边安装限位栏杆，限制猪饮水时的姿势。

3.根据权利要求2所述的自动监测一栋猪舍的多个猪圈中猪的体尺和体重的系统，其特征在于，所述的RFID读卡器和标签，读写频率为134.2KHz，满足ISO11784/5动物识别国际标准。

4.根据权利要求1-3任一项的自动监测一栋猪舍的多个猪圈中猪的体尺和体重的系统，其特征在于，所述的一体化步进电机，集成了控制器和步进电机驱动器，具有RS-485串口通讯功能。

5.根据权利要求1-3任一项的自动监测一栋猪舍的多个猪圈中猪的体尺和体重的系统，其特征在于，所述的自动监测模块的计算体尺功能包括计算猪的体长、体宽、体高、臀宽、臀高。

6.根据权利要求1-3任一项的自动监测一栋猪舍的多个猪圈中猪的体尺和体重的系统，其特征在于，所述的两台平行放置的相机的间距为50-200mm，相机安装在防护罩内部，相机距离地面高度为180-230cm。

7.根据权利要求1-3任一项的自动监测一栋猪舍的多个猪圈中猪的体尺和体重的系统，其特征在于，所述的自动监测模块的图像采集功能在于使用RFID读卡器的信号作为图像采集触发信号。

8.根据权利要求1-3任一项的自动监测一栋猪舍的多个猪圈中猪的体尺和体重的系统，其特征在于，所述的图像处理包括：灰度均一化、自动二值化、形态学处理、粒子过滤、猪体形状识别。

9.根据权利要求1-3任一项的自动监测一栋猪舍的多个猪圈中猪的体尺和体重的系统，其特征在于，所述的关键点提取包括：轮廓提取、头尾截取点提取、体宽臀宽测点提取、关键点过滤。

10.根据权利要求1-3任一项的自动监测一栋猪舍的多个猪圈中猪的体尺和体重的系统，其特征在于，所述的计算体尺包括：读取立体校准参数、计算视差、计算关键点三维坐标、计算体尺、体尺过滤。

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