CN104396865A - 母猪发情远程自动监测系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种母猪发情远程自动监测系统和方法，解决小规模圈养母猪发情的远程自动监测。本发明的监测系统包括：数据采集单元、路由节点单元、协调节点单元、数据处理单元和终端展示单元。所述数据采集单元安装固定于猪舍中，数据采集单元与就近的路由节点单元相连，所有的路由节点单元与一个协调节点单元相连，协调节点与安装在上位机中的数据处理单元相连，数据处理单元对接收的多组检测数据进行发情分析并将结果发送给终端展示单元，安装在智能手机上的终端展示单元对接收的数据进行展示。本发明利用无线传感网络能同时远程监测多个猪舍的母猪发情情况，并能将监测结果反馈到用户的随身移动设备上，因此更高效、便捷、节省人员成本。

Description

母猪发情远程自动监测系统和方法

技术领域

本发明涉及一种监控检测系统和方法，尤其是一种母猪发情远程自动监测系统和方法。

背景技术

母猪能否正常繁殖,主要取决于准确发现其发情并且及时配种。适期配种是提高母猪受胎率的关键,也是种猪场管理母猪的重要环节。国内母猪发情的检测方法主要是通过外部观察，根据母猪的精神状态，外部的变化和阴户流出的粘性状等判断，这些方法主要有外部观察法、爬跨鉴定法、人工试情法和压背鉴定法等。这些检测方法耗时耗力，误判率高，生产效率底下，已经不适合现代大规模的种猪养殖场的要求。

发明内容

本发明公布了一种母猪发情远程自动监测系统和方法。主要解决小规模圈养母猪发情的远程自动监测。

本发明采用以下技术方案：一种母猪发情远程自动监测系统，所述母猪发情远程自动监测系统，包括：数据采集单元、路由节点单元、协调节点单元、数据处理单元和终端展示单元。

数据采集单元包括：处理器模块，用于对数据采集单元的各个模块进行管理；电源管理模块，用于为数据采集单元的各个模块提供电力；复位电路，用于在系统运行异常时对系统进行复位；活动量传感器，用于采集母猪的活动量；体温传感器，用于采集母猪的体温；温湿度传感器，用于采集猪舍内部环境的温湿度；RFID标签，设置于每一个母猪个体上，用于对母猪进行标识及存储母猪信息；以及RFID读写模块，用于读取RFID标签来识别母猪个体；RS232接口电路，用于转换数据采集单元的通信电压；

数据采集单元中，处理器采用JN5148模块，体温传感器、温湿度传感器和RFID读写模块通过数字输入输出口(DIO)和JN5148相连，而活动量传感器经过该模块的信号放大和稳压调理电路后与JN5148处理器模块的DIO口相连。SP3232芯片与JN5148连接组成串口TTL逻辑电平转RS232逻辑电平电路，用于烧写程序和JN5148与串口之间的信息交互。电源管理模块通过电源适配器将220V的交流电压转化成电路和传感器所需要的不同大小值的直流电压。

数据采集单元安装固定于猪舍中，负责采集和发送母猪的监测数据给就近的路由节点单元；

路由节点单元包括：处理器模块，用于对路由节点单元的各个模块进行管理，接收和汇总数据采集单元传送的数据；电源管理模块，用于为路由节点单元的各个模块提供电力；复位电路，用于在系统运行异常时对系统进行复位；RS232串口转换电路用于转换数据采集单元的通信电压；

路由节点单元中，处理器采用JN5148模块，SP3232芯片与JN5148连接组成串口TTL逻辑电平转RS232逻辑电平电路，电源管理模块通过电源适配器将220V的交流电压转化成电路所需的直流电压。

路由节点单元主要是利用无线网络就近收集多个数据采集节点的数据信号，并将这些数据集中发送给协调节点单元。路由节点单元参与路由发现，转发来自数据采集单元的数据，延长数据采集单元与协调节点单元之间的通信距离。通过增加或减少路由节点单元的数量，能够相应地增加或减少了整个无线传感器网络信号的覆盖范围。

协调节点单元包括：处理器模块，用于对协调节点单元的各个模块进行管理，汇总所有路由节点单元传送的数据；电源管理模块，用于为协调节点单元的各个模块提供电力；复位电路，用于在系统运行异常时对系统进行复位；RS232串口转换电路用于转换数据采集单元的通信电压；

协调节点单元中，处理器采用JN5148模块，SP3232芯片与JN5148连接组成串口TTL逻辑电平转RS232逻辑电平电路，电源管理模块通过电源适配器将220V的交流电压转化成电路所需的直流电压。

协调节点单元利用无线网络汇总所有路由节点单元的监测数据，同时将所有的数据通过串口集中发送给数据处理单元。协调节点单元是整个网络的主控节点，负责发起建立新的网络，设定网络参数，管理网络中的节点，接收来数据采集单元的数据，并将该数据通过串口的方式发送到PC机端的数据处理单元。

数据处理单元安装在上位机中，接收协调节点传来的数据，并对所采集到的数据进行预处理、发情分析和生成监测结果。然后将结果通过无线网络发送给终端展示单元。

终端展示单元用来接收和展示数据处理单元发来的监测结果信息。

所述母猪发情远程自动监测系统中，数据采集单元、路由节点单元和协调节点单元通过无线网络进行通信与数据传输。在猪场中，系统的多个数据采集单元、多个路由节点单元与一个协调节点单元共同构建了一个无线传输网络，能够对所有猪舍的母猪发情情况进行采集、传输。

所述母猪发情远程自动监测系统，通过无线网络能够同时监测多个猪舍的发情情况，并进行集中展示。系统终端展示单元为远程的可移动设备，进而能够实现系统的远程监测。

所述母猪发情远程自动监测系统，数据采集单元和路由节点单元带有存储功能，当达到存储阈值时集中发送数据给协调节点单元，这一改进能够防止网络堵塞。

一种母猪发情远程自动监测方法，所述母猪发情远程自动监测方法，包括：数据采集、数据预处理、数据分析和结果输出。

数据采集，将一天划分为6个时间区段，利用数据采集单元采集相关信息：活动量传感器采集母猪的活动量；体温传感器采集母猪的体温信息；温湿度传感器采集猪舍内部环境的温湿度；RFID读写模块识别母猪个体。数据采集单元每隔十分钟上传一次采集到的数据给就近的路由节点单元。协调节点单元汇总所有路由节点单元上传的数据并发送给数据处理单元。

数据预处理，在上位机中数据处理单元首先对每个时间区段内的原始数据进行预处理，提取出有用的数据。计算出母猪的活动量变化的差值、相对偏离程度、体温平均值、环境温度平均值等。

数据分析，在上位机中数据处理单元以预处理后得到的数据作为影响因素，通过模型分析判断母猪是否发情。分别使用线性最小二乘估计和logistic回归分析方法建立两个不同的发情判断模型进行分析、判断。

采用线性最小二乘估计的预测模型模型分析。令z表示第n天母猪的发情状况，“0”表示未发情，“1”表示发情。z结果的产生分别受到6个时段中的5个指标的影响，这五个指标分别为：母猪同一时段前后两天的活动量变化之差，同一时段前后两天母猪活动量的相对偏离程度，母猪的活动增加量的大小，母猪体温平均值和环境平均值。根据最小二乘估计原理，可构建线性观测方程，将预处理后的数据代入上述模型公式中，会得到一个z值，通过比较z值与0和1的靠近程度来判断母猪是否发情。当z值较靠近0时，表示模型判断结果为对应猪圈没有发情母猪；若z值较靠近1，则表示模型判断对应猪圈有发情母猪。

采用二值Logistic回归模型分析。对于母猪是否发情的判断结果只有发情和未发情两种，影响因素为6个时段的5项指标：母猪同一时段前后两天的活动量变化之差，同一时段前后两天母猪活动量的相对偏离程度，母猪的活动增加量的大小，母猪体温平均值和环境平均值。对预处理后的数据进行二值Logistic回归分析，回归方法为强迫引入法。设定一个阈值，当模型检测的结果大于这个阈值时判断又发情母猪，反之则没有。

结果输出，在上位机中的数据处理单元将分析和判断的结果发送给终端展示单元，安装在远程便携设备中的终端展示单元对监测结果进行展示，使得用户通过便携设备能够远程监测整个猪场的发情情况。

所述母猪发情远程自动监测方法中，通过数据采集获取多组原始的监测数据；通过数据预处理对采集到的数据进行初步的计算与处理；数据分析通过构建模型对预处理后的数据进行分析和判断并生成相应的结果；结果输出将数据分析的结果展示给用户。

所述母猪发情远程自动监测方法，利用母猪活动量，辅助母猪近身体温度和环境温湿度信息来实现母猪发情的判断识别。通过采集和分析母猪的活动量、体温数据，总结发情母猪的活动特征规律，建立发情母猪的判断模型来鉴定母猪是否发情。

所述母猪发情远程自动监测方法，通过系统构建的无线传感网络，同时采集多个猪舍内的发情监测数据。利用远程的可移动设备对监测结果进行统一展示。

本发明将新兴的短距离、底复杂、低功耗、低速率、低成本的ZigBee无线通信技术应用于种猪养殖场，可以提高鉴定发情的准确率，减少养殖场的人工成本等。

就相同的发明创造同时申请了发明和实用新型。

附图说明

图1为猪舍结构及本发明专利数据采集单元安装位置。

图2为本发明数据采集单元硬件框图。

图3为本发明路由节点单元硬件框图。

图4为本发明的母猪体温采集流程。

图5为本发明的数据操作流程。

图6为本发明的温湿度采集流程。

图7为本发明的数据传递流程图。

具体实施方式

本发明采用无线传感网络技术和温度、热释电红外传感器等设计基于JN5148微控制器组建的ZigBee协议的无线传感网络环境，用于远程自动监测母猪发情情况。通过传感器测量母猪活动量、体温等数据，建立发情检测模型，判断和识别发情母猪。

母猪发情时的运动特征与正常时明显不同，身体温度也会增加，而且环境温度的高低也会对母猪发情产生影响。又由于母猪每天的运动量曲线具有周期性特点。因此将母猪活动量的变化、母猪体温变化和环境温度的变化作为影响因素，采用基于线性最小二乘估计和logistic回归分析的方法分别建立母猪发情预测模型。

在猪场进行母猪活动量、体温和环境温湿度数据的采集。每个猪舍的长度为50m，宽度为9m，每个猪舍之间相距100m。猪舍内每个猪圈长2.7m、宽2m，一般存放1～4头母猪。以配种猪舍内的8个猪圈为例，每个猪圈各安装一台母猪发情监测设备(终端节点)。将同批次断奶的母猪分别赶入到8个猪圈当中，每个猪圈存放1～4头母猪，并且将以后被饲养员检测出发情的母猪移出猪圈，等到最后清栏时将所有剩下的未发情母猪全部带走，并将下一批次断奶的母猪赶入8个实验猪圈内。猪圈内床面为水泥地板，母猪可自由饮水，每天07:00和16:00分别喂一次食。利用无线传感器网络技术对采集的数据进行传输。

安装固定于猪舍的数据采集单元利用传感器采集母猪的相关信息：

(1)母猪活动量的采集。系统设置一热释电红外传感器采集母猪的活动量数据。该传感器被配置为在接收到外界辐射时产生温度变化，继而发出一相应的电信号。将热释电红外传感器模块的OUT端与JN5148芯片的DIO8相连，要获得活动量数据只需计量一段时间内DIO8口产生高电平的个数。具体实施方式中通过每十分钟计量DIO8口上升沿电平的个数作为母猪的活动量数据。

(2)母猪体温的采集。系统采用红外温度传感器采集母猪的体温数据。其测量输出的温度数据是探头圆形视场内物体的平均温度值，所测值为代表母猪在所处环境中体温的近似值。体温数据采集是通过在协议栈的物理层和应用层中添加温度传感器的驱动代码来实现的。在协议栈的应用层任务中包含一个专门的事件用于温度传感器读取温度信息并发送给协调器。

(3)猪舍环境温湿度的采集。系统采用温湿度传感器采集猪舍内部环境温湿度数据，它有其固定的协议。在发送每一个命令之前需要有一个传输初始化信号，即一个传输起始序列：由主机拉低DATA线，在DATA为低电平期间，SCK线发送一个高一低一高的序列。

(4)母猪个体信息的采集。系统采用RFID读写模块采集猪舍内的母猪个体信息，便于用户确定发情猪只的个体。

数据采集单元每隔一段时间通过ZigBee无线网络向就近的路由节点单元发送一次采集到的数据。

路由节点单元主要功能是作为中继来传输和保存网络数据：

(1)加入网络。路由节点单元上电或复位并完成初始化后，会在指定的信道上发出请求并根据得到的回应来确定加入哪个网络，所加入网络的网络服务ID必须与预设值完全一致，节点申请加入网络后，相应的节点会根据自身的情况(路由表是否有空间，该类型子节点是否达到上限等)判断是否允许其加入，成功加入网络后协议栈也会产生E_JENIE_NETWORK_UP事件。加入网络后，网络深度为1的路由节点会注册数据存储服务，其它节点通过请求该服务即可获得具有这些服务的路由节点的MAC地址。如未加入网络则注册会失败，因此需要在E_JENIE_NETWORK_UP事件产生后注册服务。

(2)数据存储。为了减少网络堵塞的可能，当数据采集单元采集到的传感器数据远低于阈值时，可以将数据暂时保存在一些路由节点单元上，并等待协调节点单元来主动获取这些数据，当数据采集单元釆集到的数据接近或超过阈值时可将数据直接发送给协调节点单元，以免延误处理险情的时机，网络深度为1的路由节点单元具备数据存储功能。

路由节点单元将就近收集到的多个数据采集节点的数据通过无线网络集中发送给协调节点单元。

协调节点单元的主要作用是建立网络，为了防止大量节点同时发送数据时导致的网络阻塞，数据采集单元一般会将数据保存在网络深度为1的路由节点单元上，等待协调节点单元来获取数据。

(1)网络建立。协调节点启动之后，首先会确定一个信道来建立网络。当确定信道以后协调节点会检查是否存在网络冲突，然后节点会根据预先设定的网络服务ID建立网络，然后等待其它节点加入。协调节点上电或复位后协议栈会首先运行vJenie_CbConfigureNetwork(),对网络的参数进行配置，然后协议栈会调用vJenie_Cblnit(bool_t bWannStart)，对节点进行初始化，并通过eJenie_Start(E_JENIE_COORDINATOR)函数以协调节点的身份启动协议栈，如果网络建立成功会产生协议栈事件E_JENIE_NETWORK_UP。

(2)发送与接收数据。网络建立且稳定后，协调节点单元将通过请求数据保存服务，已注册这些服务的路由节点会对请求予以回应，协调节点将回应的节点地址全部保存起来，此后协调节点定期的对这些节点进行查询，以获取保存的数据。当路由节点保存过多的监测数据时，路由节点也会主动的将数据发送给协调节点。

(3)串口程序。协调节点提取完数据以后要将其发送给计算机。系统使用JN5148模块内部的独立的串口0接收数据，在使用串口之前要对串口进行初始化配置。设置之后即可直接通过串口0向上位机发送数据。串口收到数据时，系统会调用处理硬件中断事件的函数判断是否中断，然后利用函数即可读取串口收到的数据。

在协调节点单元与上位机采用串口通信时均会采用“消息类型+MAC地址+数据长度+数据”这种消息格式进行通信，通过这样规定能很方便的对数据进行处理。

数据处理单元通过使用串口接收工具接收协调节点单元发送的数据。首先选择合适的串口和需连接的服务器，测试串口是否被正常打开和服务器是否正常连接，如果都两者都正常的话，先预读接收缓冲区以清除残留数据，进入等待数据状态；数据进入接收缓冲区后，程序依次读取缓冲区现有的所有数据并转化成字符串型数据，在字符串数据中寻找第一个数据的开始标志和结束标志，若不能找到，则返回开始读取新的缓冲区数据；若能找到，则把该条数据内容插入到对应数据库表单中，然后继续查找下一条数据，如此循环往复，完成对数据的接收。

数据采集，通过将一天划分为6个时间区段，分别对母猪的活动量、体温、环境温湿度和RFID数据进行采集。数据采集单元每隔十分钟上传一次传感器采集到的数据。

数据预处理，对每个时间区段内的原始数据进行预处理，提取出有用的数据。计算出母猪的活动量变化的差值、相对偏离程度、体温平均值、环境温度平均值等。

数据分析，以预处理后得到的数据作为影响因素，通过模型分析判断母猪是否发情。分别使用线性最小二乘估计和logistic回归分析方法建立两个不同的发情判断模型进行分析、判断。

采用线性最小二乘估计的预测模型模型分析。令z表示第n天母猪的发情状况，“0”表示未发情，“1”表示发情。z结果的产生分别受到6个不同时段中D(m,n)、R(m,n)、D(m,n)×R(m,n)、S(m,n)和T(m,n)的影响，根据最小二乘估计原理，可构建线性观测方程。将单个猪圈单天采集的数据进行预处理后的所得到的数据作为1组数据，该模型的建立使用了系统采集得到的35组样本数据。将预处理后的数据代入上述模型公式中，会得到一个z值，通过比较z值与0和1的靠近程度来判断母猪是否发情。当z值较靠近0时，表示模型判断结果为对应猪圈没有发情母猪；若z值较靠近1，则表示模型判断对应猪圈有发情母猪。

采用二值Logistic回归模型分析。对于母猪是否发情的判断结果只有发情和未发情两种，影响因素包括6个时段的D、R、D×R、S和T。对预处理后的数据进行二值Logistic回归分析，回归方法为强迫引入法(Enter)。对数据进行多次拟合试验后，发现选择每个时段的D×R作为单一自变量得到结果的准确率比D、R、D×R、S和T之间的任何一种组合得结果的准确率都要高，因此，将I时段和II时段的D×R分别作为方程的自变量x1和x2建立回归方程。设定一个阈值，当模型检测的结果大于这个阈值时判断又发情母猪，反之则没有。

终端展示单元安装在用户的Android系统智能手机上，主要用来接收和展示数据处理单元发来的监测结果信息。若判断结果为猪圈有发情母猪，会将猪圈的位置信息和发情时间发送给手机App，App根据发情时间提示管理人员按照计划日期对发情母猪进行配种。进而提醒饲养员掌握配种时间和及时对被检测发情母猪进行配种。

上面所述的实施方式仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神前提下，本领域普通工程技术人员对本发明方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明的权利要求书确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种母猪发情远程自动监测系统，其特征在于：系统包括数据采集单元、路由节点单元、协调节点单元、数据处理单元和终端展示单元；

数据采集单元包括：处理器模块，用于对数据采集单元的各个模块进行管理；电源管理模块，用于为数据采集单元的各个模块提供电力；复位电路，用于在系统运行异常时对系统进行复位；活动量传感器，用于采集母猪的活动量；体温传感器，用于采集母猪的体温；温湿度传感器，用于采集猪舍内部环境的温湿度；RFID标签，设置于每一个母猪个体上，用于对母猪进行标识及存储母猪信息；以及RFID读写模块，用于读取RFID标签来识别母猪个体；RS232接口电路，用于转换数据采集单元的通信电压；

数据采集单元将所采集的信息发送给就近的路由节点单元；

路由节点单元包括：处理器模块，用于对路由节点单元的各个模块进行管理，接收和汇总数据采集单元传送的数据；电源管理模块，用于为路由节点单元的各个模块提供电力；复位电路，用于在系统运行异常时对系统进行复位；RS232串口转换电路用于转换数据采集单元的通信电压；

路由节点单元接收附近多个数据采集单元的监测数据，同时将这些数据集中发送给协调节点单元；

协调节点单元包括：处理器模块，用于对协调节点单元的各个模块进行管理，汇总所有路由节点单元传送的数据；电源管理模块，用于为协调节点单元的各个模块提供电力；复位电路，用于在系统运行异常时对系统进行复位；RS232串口转换电路用于转换数据采集单元的通信电压；

协调节点单元汇总所有路由节点单元的监测数据，同时将所有的数据集中发送给数据处理单元；

数据处理单元安装在上位机中，接收协调节点传来的数据，并对所采集到的数据进行预处理、发情分析和生成监测结果。然后将结果通过无线网络发送给终端展示单元。

终端展示单元用来接收和展示数据处理单元发来的监测结果信息。

2.根据权利要求1所述母猪发情远程自动监测系统，其特征在于：数据采集单元、路由节点单元和协调节点单元通过无线网络进行通信与数据传输。在猪场中多个数据采集单元、多个路由节点单元与一个协调节点单元共同构建了一个无线传感网络。

3.根据权利要求1所述母猪发情远程自动监测系统，其特征在于：通过无线网络能够同时监测多个猪舍的发情情况，并进行集中展示。

4.根据权利要求1所述母猪发情远程自动监测系统，其特征在于：终端展示单元为远程的可移动设备，进而能够实现系统的远程监测。

5.根据权利要求1所述母猪发情远程自动监测系统，其特征在于：数据采集单元和路由节点单元带有存储功能，当达到存储阈值时集中发送数据给协调节点单元，这一改进能够防止网络堵塞。

6.一种母猪发情远程自动监测方法，其特征在于：数据采集、数据预处理、数据分析、结果输出。

数据采集，将一天划分为6个时间区段，利用数据采集单元采集相关信息：活动量传感器采集母猪的活动量；体温传感器采集母猪的体温信息；温湿度传感器采集猪舍内部环境的温湿度；RFID读写模块识别母猪个体。数据采集单元每隔十分钟上传一次采集到的数据给就近的路由节点单元。协调节点单元汇总所有路由节点单元上传的数据并发送给数据处理单元。

数据预处理，在上位机中数据处理单元首先对每个时间区段内的原始数据进行预处理，提取出有用的数据。计算出母猪的活动量变化的差值、相对偏离程度、体温平均值、环境温度平均值等。

数据分析，在上位机中数据处理单元以预处理后得到的数据作为影响因素，通过模型分析判断母猪是否发情。分别使用线性最小二乘估计和logistic回归分析方法建立两个不同的发情判断模型进行分析、判断。

结果输出，在上位机中的数据处理单元将分析和判断的结果发送给终端展示单元，安装在远程便携设备中的终端展示单元对监测结果进行展示，使得用户通过便携设备能够远程监测整个猪场的发情情况。

7.根据权利要求6所述母猪发情远程自动监测方法，其特征在于：通过母猪的活动量，辅助以母猪近身体温度和环境温度来判断和识别母猪是否发情。

8.根据权利要求6所述母猪发情远程自动监测方法，其特征在于：通过系统构建的无线传感网络，同时采集多个猪舍内的发情监测数据。

9.根据权利要求6所述母猪发情远程自动监测方法，其特征在于：利用远程的可移动设备对监测结果进行统一展示。

10.根据权利要求6所述母猪发情远程自动监测方法，其特征在于：利用线性最小二乘法和基于logistic回归分析法对预处理后的数据进行分析。分析母猪体温和环境温度的平均值，母猪每个时段活动量的平均值、偏离值和相对增加量。