CN104064011B

CN104064011B - 基于无线传输的种猪产房监控系统及方法

Info

Publication number: CN104064011B
Application number: CN201410308643.2A
Authority: CN
Inventors: 张荣标; 王鹏; 宁东敏
Original assignee: Jiangsu University
Current assignee: Jiangsu University
Priority date: 2014-07-02
Filing date: 2014-07-02
Publication date: 2017-02-01
Anticipated expiration: 2034-07-02
Also published as: CN104064011A

Abstract

本发明公开一种基于无线传输的种猪产房监控系统及方法，两个摄像头同时定时在t=30秒拍摄一次仔猪吃奶区域，并将采集的照片分别存入到两个SDRAM存储器中，两个DSP处理单元分别从两个SDRAM存储器中读取图像，对图像实时处理，实现标签定位并将标签的特征送至ARM微处理器；通过对采集的声音和照片进行处理，自动监测出种猪产房内异常状况，计算出各个仔猪每天的吃奶量，并将结果通过GPRS无线网络传输送到养殖户设定的手机上，由此远程实时监控种猪产房情况，保证各个仔猪都能吃到充足的奶水，提高仔猪成活率。

Description

基于无线传输的种猪产房监控系统及方法

技术领域

本发明涉及种猪产房监控技术，以监控种猪产房的情况，具体是监控产房中每只仔猪吃奶情况及判断产房内是否有异常状况的发生。

背景技术

初生仔猪是否健康是养猪规模化生产中的首要环节，也是影响养猪业获得利润高低的最直接、最关键的因素之一。仔猪的健康不仅直接关系到仔猪的成活率，而且对其抗病力、后备猪生产性能、种猪利用价值等都有重大影响。因此如何提高初生仔猪成活率，减少初生仔猪死亡率、弱化率是增加猪场效益的关键。由于哺乳期仔猪自身生理条件及环境因素的影响，常导致哺乳仔猪大量死亡，给养殖生产带来重大损失。仔猪因感染疾病死亡和非疾病性因素是造成仔猪死亡的两个重要原因，统计调查结果表明，疾病造成仔猪死亡占14%，而非疾病造成仔猪死亡则高达76%。非疾病性因素造成仔猪死亡主要包括：（1）因管理不当主要造成仔猪被冻死、压死、踩死、母猪咬死。由于仔猪体温调节能力差，身体活动能力差，因此容易被母猪踩死或压死；初产母猪，母猪体型较大、产后体质弱、产仔舍未设立护栏或护仔间、仔舍保温不好等，也增加了仔猪被压、踩、冻死的比率；另外，个别母猪有咬食仔猪的恶癖，或患有乳房炎时，容易咬死仔猪。（2）母乳不足。由于母猪病理或生理机理下降、营养摄入不足等原因，造成产后少乳或缺乳，仔猪吃不到奶饥饿而死，或因营养不良导致体质下降，最终发生衰竭或感染疾病而死。（3）弱胎。发生弱胎的主要原因是妊娠期母猪体质差、母猪年龄偏大、窝产仔数过多、饲料营养不全或发霉变质等。弱胎仔猪出生后，往往争食不到乳汁，活动能力弱、抗病力差，大部分会死亡。

现有种猪工业化养殖中，哺乳期仔猪及弱小仔猪的护理都是通过产房工作人员的不间断看护，产房工作人员护理主要是要做到“一听、二查、三治疗”。“听”仔猪叫声(区别争吮吸乳头的叫声和仔猪受踩压的叫声)；“查”各个仔猪是否都有吃奶，有无吃不上奶的仔猪；“治疗”对出现病症的仔猪及时用药。但是随着种猪养殖业的的快速发展，人工看护这种传统方法会因为工作人员的疲劳，工作人员的疏忽和不仔细，会造成仔猪营养不良甚至压踩死亡，给给养殖生产带来重大损失。

发明内容

本发明的目的是为克服现有种猪产房通过工作人员的不间断看护易造成仔猪营养不良甚至压踩死亡的缺陷，提供一种基于无线传输的种猪产房监控系统及方法，采用机器听觉与视觉检测代替产房工作人员的“听”和“看”，并与无线传输相结合代替人工看护进行种猪产房远程监控。

本发明基于无线传输的种猪产房监控系统采用的技术方案是：在种猪产房的母猪室的上方设有两个摄像头和一个麦克风，两个摄像头的正下方对应仔猪吃奶区域，其特征是：母猪室的上方还设有天线及监控模块，每个仔猪背的正上方设有一个经松紧带固定的标签，标签的上表面是长方形区域，长方形区域的四边框为黑色，中间底色为白色，中间底色上有仔猪编码，仔猪编码为1至6根任意横线和竖线的组合，两个摄像头拍摄各个仔猪背上的仔猪编码图像；监控模块包括ARM微处理器、3个DSP处理单元、GPRS模块、3个SDRAM存储器、前置处理电路，ARM微处理器中预设由仔猪编码形成的仔猪编码表，ARM微处理器通过GPRS模块连接天线，通过通信串口分别连接3个DSP处理单元；第一个DSP处理单元经第一个SDRAM存储器连接第一个摄像头，第二个DSP处理单元经第二个SDRAM存储器连接第二个摄像头，第三个DSP处理单元经前置处理电路连接麦克风。

本发明基于无线传输的种猪产房监控方法采用的技术方案是具有以下步骤：

（1）两个摄像头同时定时在t=30秒拍摄一次仔猪吃奶区域，并将采集的照片分别存入到两个SDRAM存储器中，两个DSP处理单元分别从两个SDRAM存储器中读取图像，对图像实时处理，实现标签定位并将标签的特征送至ARM微处理器；

（2）ARM微处理器根据标签的特征和仔猪编码表判断出相邻两个采集周期内的当前吃奶仔猪，计算出第x头仔猪的当前总吃奶时间，为第x头仔猪上一采集周期的总吃奶时间，，n是仔猪的总头数，并计算出第x头仔猪的当前总吃奶量

，为当前吃奶时间最长的仔猪的总吃奶时间；

（3）将当前总吃奶量用当前总吃奶量分数，来代替，根据当前总吃奶量将仔猪吃奶状况划分为优、良、合格、差四个等级，当=4，为优，当=3，为良，该仔猪吃奶较多；当=2时，为合格，该仔猪吃奶较少；当=1时，为差，该仔猪吃奶很少，通过GPRS模块和天线将当前吃奶很少的仔猪信息发送出去，需要人为干预。

当前吃奶很少的仔猪在经人为干预后，再由ARM微处理器计算出每头仔猪每天的吃奶时间，，m是仔猪的吃奶总天数，为第x头仔猪i天以来的总吃奶时间；并计算出每头仔猪每天的吃奶量，为第x头仔猪第i天的吃奶时间，第i天吃奶时间最长的仔猪的吃奶时间；最后根据每头仔猪每天的吃奶量分数，将每头仔猪每天的吃奶量划分为合格和不合格两个等级，当=1时，为合格，表明这一天该仔猪吃奶量较多，人为干预后有效果；当=0时，为不合格，表明这一天该仔猪吃奶量较少，人为干预后效果不明显。

进一步地，ARM微处理器将仔猪的当前总吃奶量分数和每头仔猪每天的吃奶量分数组成仔猪吃奶记录，通过GPRS模块和天线定时发送到养殖户手机上。

本发明的有益效果为：

1、本发明采用机器听觉与视觉检测代替产房工作人员的“听”和“看”，通过对采集的声音和照片进行处理，自动监测出种猪产房内异常状况，计算出各个仔猪每天的吃奶量，并将结果通过GPRS无线网络传输送到养殖户设定的手机上，由此远程实时监控种猪产房情况，减少了人力、物力，且具有很强的实用性。

2、本发明设计了一种固定在仔猪背上的标签，通过对标签上编码的识别完成各个仔猪的识别及监控。这种编码不再使用常用的阿拉伯数字，而是更为简洁的1-6根横竖线组合。相比于数字编码识别，本发明中的编码不仅区别度大，容易识别，降低了图像处理算法的复杂度。适用于DSP这种内部FLASH和SRAM容量低，算法时间复杂度和空间复杂度不能高的嵌入式场合。

3、本发明实现了种猪产房内异常状况监测。使用麦克风采集种猪产房内声音信息，DSP对声音信息进行实时处理，监测到有异常情况时及时给养殖户发送警报信息，避免了压、踩、咬等造成仔猪死亡。

4、本发明所述的基于无线传输的种猪产房监控系统与方法，核心为仔猪吃奶量等级评判方法，通过该等级评判，养殖户可以清楚的了解每天各个仔猪的吃奶状况，各个仔猪处于哪一个等级，对于吃奶量相对较少的仔猪养猪户可以及时人为干预，保证各个仔猪都能吃到充足的奶水，提高仔猪成活率。

附图说明

图1是本发明一种基于无线传输的种猪产房监控系统的结构示意图；

图2是种猪产房中的仔猪识别部件结构图；

图3是图1中的监控模块10及其外接图；

图4是种猪产房监控系统的工作流程图；

图5是图4中DSP处理单元对图像进行实时处理时的仔猪标签识别流程图。

附图中的各部分序号及名称：1、猪栏；2、仔猪室；3、母猪室；4、母猪仔猪分隔栏；5a、5b、摄像头；6、麦克风；7、监控模块支架；8、电路板；9、天线；10、监控模块；11、松紧带；12、调节扣；13、标签。

具体实施方式

参见图1，种猪产房由种猪工业化养殖中常用的猪栏1组成，猪栏1内部由母猪仔猪分隔栏4将猪栏1分成仔猪室2和母猪室3。仔猪一般在仔猪室2中活动，吃奶时仔猪通过分隔栏4来到母猪室3，而母猪体型较大只能在母猪室3中活动，避免了初生仔猪由于反应迟钝、行动不灵活而被母猪压死或踩死。在母猪室3的上方固定安装监控模块支架7，监控模块支架7为木板，在监控模块支架7下端安装了两个摄像头和一个麦克风6，两个摄像头分别是摄像头5a和摄像头5b，麦克风6用来采集产房声音信息，两个摄像头用来采集产房图像信息。摄像头5a、5b的正下方对应仔猪吃奶区域，该区域是位于母猪室3内以母猪奶头为中心的长为A宽为B的长方形区域，仔猪在这个长方形区域吃奶。监控模块支架7上端面上安装了电路板8，电路板8上安装天线9及监控模块10，用来处理图像声音信息和无线传输数据及警报信息。

参见图2，是仔猪识别部件结构图，整个部件由松紧带11、调节扣12和标签13组成，松紧带11套在仔猪身上，调节扣12调节大小松紧带11的内径大小，可以根据仔猪的生长通过松紧带11和调节扣12来调节大小，不会影响到仔猪的生长。标签13通过松紧带11固定在仔猪背上，保证标签13位于仔猪背的正上方，以便摄像头5a、5b拍摄捕捉到各个仔猪背上的标签13，从而完成仔猪个体的识别。标签13的上表面有长为30mm宽为15mm的长方形区域，方形区域的四边框为黑色，中间底色为白色，在标签13的方形区域是中间底色上有仔猪编码，使用黑色字体编码各个仔猪，这样DSP进行图像处理时容易定位图片中的各个标签13。由于DSP内部FLASH和SRAM容量低，算法时间复杂度和空间复杂度不能高。为了降低仔猪编码识别的复杂度，本发明设计了特殊的仔猪编码，形成仔猪标签编码表见表1，表1中的各个阿拉伯数字代表第几个仔猪个体，对应的是其标签编码。

表1

1	2	3	4	5	6	7

8	9	10	11	12	13	14

15	16	17	18	19	20

为了便于图像处理时识别到各个仔猪，这种编码不使用常用的阿拉伯数字，而是更为简洁的1-6根任意横线和竖线的组合。相比于数字编码识别中的数字，例如1和7、3和8、6和9容易混淆、不容易区分、图像处理算法复杂、识别难度大的特点，本发明中横线和竖线的组合编码更为简洁。一个编码最多使用6根直线，区别度大，图像处理算法的复杂度较低，而且通过组合可以编出二十几种不同的码，足够一窝仔猪使用。

为了能够准确识别到仔猪背上的标签，要求分辨率达到0.5mm。如果选用像素点为M*N的摄像头拍摄A*B的吃奶区域，摄像头一行有M个像素点，需要拍摄的视场宽度为A，则M=A/L，同理N=B/L。要使摄像头视场宽度能够覆盖仔猪吃奶区域，根据现实中母猪的大小，吃奶区域长度A大于1200mm，宽度B大于450mm，要达到0.5mm的测量精度，则需要摄像头的行像素点为M=A/L=1200/0.5=2400mm，列像素点N=B/L=450/0.5=900mm，因此至少需要像素点为2400*900的摄像头，达到这样分辨率要求的摄像头较少且价格昂贵。因此，本专利选用两个1600*1200的CCD摄像头将仔猪吃奶区域分为2个区域，各自拍摄一块区域，这种分辨率的摄像头市场上较多且价格便宜，且能满足测量精度要求。

种猪产房监控模块10的结构及连接如图3所示，包括ARM微处理器、3个DSP处理单元、GPRS模块、3个SDRAM存储器、前置处理电路等。仔猪编码表预置在ARM微处理器中，ARM微处理器通过GPRS模块连接天线9，通过通信串口分别连接3个DSP处理单元。第一个DSP处理单元经第一个SDRAM存储器连接第一个摄像头5a，第二个DSP处理单元经第二个SDRAM存储器连接第二个摄像头5b，第三个DSP处理单元经前置处理电路连接麦克风6。3个DSP处理单元相应地对麦克风6、摄像头5a、5b采集的声音信号、图像信息进行处理，并将结果通过串口传送到ARM微处理器, 由ARM微处理器控制GPRS模块，将信息经天线9无线传输发送给养殖户手机。

种猪产房监控系统具体流程如图4所示，主要分为声音识别产房异常情况和图像识别统计仔猪吃奶时间两个部分，第一部分产房异常情况识别包括如下步骤：

（1）麦克风6定时采集种猪产房的声音，前置处理电路将麦克风6采集的产房内声音信号进行放大、滤波和模数转换后传入第三个DSP处理单元。

（2）通过第三个DSP处理单元强大的数据处理能力对声音信息进行实时处理，快速提取出声音频率，并通过串口将声音信号的频率传送到ARM微处理器。

（3）ARM微处理器通过声音信号的频率来判断产房内是否有异常情况发生。正常情况下，种猪产房内声音的频率在20Hz~800Hz之间；当有异常情况发生时（如仔猪吃奶时受到压踩），仔猪会发出尖锐的叫声，相应的声音频率会超过800Hz，此时ARM微处理器控制GPRS模块，通过天线9向养殖户手机发送报警信息，养殖户可以及时了解到产房内发生异常状况，以便养殖户尽早处理，避免仔猪长时间压踩而窒息死亡。

第二部分是图像信息处理统计仔猪吃奶时间，包括如下步骤：

（1）摄像头5a、5b同时定时在t=30秒拍摄一次仔猪吃奶区域，并将采集的照片存入到第一个SDRAM、第二个SDRAM存储器中。

（2）由第一个DSP处理单元、第二个DSP处理单元分别从第一个SDRAM存储器、第二个SDRAM存储器中读取图像，通过DSP处理单元强大的数据处理能力应用图像处理算法对整副图像进行实时处理，参见图5。首先，DSP处理单元将照片进行图像预处理（包括采用中值滤波去除图像噪声、灰度变换增强图像的对比度及对图像进行数学形态滤波消除二值化图像中的杂点和孤立噪声），然后对图像进行逐行线性扫描，搜索出各个标签13在图像中的位置，实现标签定位，最后将各个标签13上的字符分割，提取出每个标签13的特征，将结果送至ARM微处理器。

（3）第一个DSP处理单元、第二个DSP处理单元将识别结果通过串口送至ARM微处理器，ARM微处理器根据表一的仔猪编码表判断相邻两个采集周期所采集图像中有哪一头或哪一些仔猪，即识别到有哪一头或哪一些仔猪在吃奶，累积计算出该仔猪的总吃奶时间。例如：本次摄像头拍摄仔猪吃奶照片，图像处理识别到第x头仔猪在吃奶，而上一采集周期图像处理也识别到该仔猪在吃奶，说明在这个t=30s的周期内第x头仔猪当前仍在吃奶，则第x头仔猪的当前总吃奶时间为

（1）

为第x头仔猪上一采集周期的总吃奶时间，其中，n是仔猪的总头数，通过上式（1）依次计算出每头仔猪的总吃奶时间、……。

本发明所述的基于无线传输的种猪产房监控方法设计了仔猪总吃奶量等级评判方法和仔猪每天吃奶量等级评判方法，分别用来评估各个仔猪长期吃奶状况及每天吃奶状况。仔猪总吃奶量等级评判算法计算步骤如下：

（1）计算出每头仔猪的当前总吃奶量。为了横向比较每头仔猪的吃奶状况，量化吃奶较多仔猪与吃奶较少仔猪吃奶量的差别，第x头仔猪的当前总吃奶量可由下式（2）计算得出，

（2）

为第x头仔猪的当前总吃奶时间，为当前吃奶时间最长的仔猪的总吃奶时间。由上式（2）依次计算出当前每头仔猪的当前总吃奶量、……，可见其数值均位于0与1之间。

（2）将仔猪的当前总吃奶量将仔猪吃奶状况划分为优、良、合格、差四个等级，并用当前总吃奶量分数来代替，优为4分，良为3分，合格为2分，差为1分。当被测量的等级低于合格时代表仔猪吃奶量不容乐观，需要养殖户采取人为干预措施去改善。第x头仔猪的当前总吃奶分数计算如下，

（3）

由上式（3）依次得出每头仔猪的当前总吃奶量分数、……。当=4或=3时，代表该仔猪吃奶较多，摄入足够量的奶水；当=2时，代表该仔猪吃奶较少，摄入奶水量不足；当=1时，代表该仔猪吃奶很少，摄入奶水量严重不足，需要发出警报给养殖户，养殖户人为干预，让该仔猪多吃点奶。

仔猪每天吃奶量等级评判是用来监测每头仔猪每天吃奶量的变化，而观察吃奶较少仔猪在经人为干预后该仔猪吃奶状况有无改善，还需要进一步按如下步骤实施：

（1）计算出每头仔猪每天的吃奶时间。仔猪每天的吃奶时间可由仔猪相邻两天的总吃奶时间相减得出。第x头仔猪第一天的时间为，第二天的吃奶时间为，则第x头仔猪第i天的吃奶时间为：

（4）

其中，m是仔猪的吃奶总天数，为第x头仔猪i天以来的总吃奶时间。以下都以仔猪第i天吃奶状况为例说明，第i天各个仔猪的吃奶时间为，……。

（2）计算出每头仔猪每天的吃奶量。由下式（4）计算出第x头仔猪第i天的吃奶量，

（4）

为第x头仔猪第i天的吃奶时间，第i天吃奶时间最长的仔猪的吃奶时间。依次计算出每头仔猪第i天的的吃奶量，……。

（3）计算出每头仔猪每天的吃奶量分数。将每头仔猪每天的吃奶量划分为合格和不合格两个等级，并用1、0来表示。由下式（5）计算出第x头仔猪第i天的吃奶量分数，

（5）

依次计算出每头仔猪第i天的的吃奶量分数，……。当=1时，为合格，表明这一天该仔猪吃奶量较多，人为干预后效果显著；当=0时，为不合格，表明这一天该仔猪吃奶量较少，人为干预后效果不明显，该仔猪有饿死的危险，需要对该仔猪特别关照。

ARM微处理器根据上面计算将仔猪的当前总吃奶量分数和每头仔猪每天的吃奶量分数组成仔猪吃奶记录，通过GPRS模块和天线9定时将这些仔猪吃奶记录发送到养殖户手机上。仔猪的当前总吃奶量分数用来长期监测各个仔猪的吃奶情况，通过优、良、合格、差四个等级养殖户可以清楚地的了解仔猪当天的吃奶情况，对于等级为差，即吃奶量很少的仔猪给予特殊照顾，必要时养殖户可以人为干预，使各个仔猪都能吃到母猪奶水。而仔猪的每天吃奶量分数用来监测每天各个仔猪的吃奶状况，判断人为干预后该仔猪吃奶量是否有所改善，防止有些仔猪因为吃不到奶而消瘦甚至死亡，大大提高仔猪成活率。

Claims

1.一种基于无线传输的种猪产房监控系统的监控方法，采用基于无线传输的种猪产房监控系统，该种猪产房监控系统包括在种猪产房的母猪室的上方设有两个摄像头和一个麦克风，两个摄像头的正下方对应仔猪吃奶区域，母猪室的上方还设有天线及监控模块，每个仔猪背的正上方设有一个经松紧带固定的标签，标签的上表面是长方形区域，长方形区域的四边框为黑色，中间底色为白色，中间底色上有仔猪编码，仔猪编码为1至6根任意横线和竖线的组合，两个摄像头拍摄各个仔猪背上的仔猪编码图像；监控模块包括ARM微处理器、3个DSP处理单元、GPRS模块、3个SDRAM存储器、前置处理电路，ARM微处理器中预设由仔猪编码形成的仔猪编码表，ARM微处理器通过GPRS模块连接天线，通过通信串口分别连接3个DSP处理单元；第一个DSP处理单元经第一个SDRAM存储器连接第一个摄像头，第二个DSP处理单元经第二个SDRAM存储器连接第二个摄像头，第三个DSP处理单元经前置处理电路连接麦克风，其特征是具有以下步骤：

，为当前吃奶时间最长的仔猪的总吃奶时间；

2.根据权利要求1所述基于无线传输的种猪产房监控系统的监控方法，其特征是：步骤3）中，当前吃奶很少的仔猪在经人为干预后，再由ARM微处理器计算出每头仔猪每天的吃奶时间，，m是仔猪的吃奶总天数，为第x头仔猪i天以来的总吃奶时间；并计算出每头仔猪每天的吃奶量，为第x头仔猪第i天的吃奶时间，第i天吃奶时间最长的仔猪的吃奶时间；最后根据每头仔猪每天的吃奶量分数，将每头仔猪每天的吃奶量划分为合格和不合格两个等级，当=1时，为合格，表明这一天该仔猪吃奶量较多，人为干预后有效果；当=0时，为不合格，表明这一天该仔猪吃奶量较少，人为干预后效果不明显。

3.根据权利要求2所述基于无线传输的种猪产房监控系统的监控方法，其特征是：ARM微处理器将仔猪的当前总吃奶量分数和每头仔猪每天的吃奶量分数组成仔猪吃奶记录，通过GPRS模块和天线定时发送到养殖户手机上。

4.根据权利要求2所述基于无线传输的种猪产房监控系统的监控方法，其特征是：麦克风定时采集种猪产房的声音，由前置处理电路将声音信号放大、滤波和模数转换后传入第三个DSP处理单元；第三个DSP处理单元对声音信息处理并提取出声音频率传送到ARM微处理器；ARM微处理器通过声音频率判断产房内是否有异常情况发生，当声音频率超过800Hz，ARM微处理器经GPRS模块通过天线向养殖户手机发送报警信息。