CN107258581B - 基于蓝牙耳标的猪只运动量监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于蓝牙耳标的猪只运动量监测系统，其特征在于它包括蓝牙耳标、摄像头、蓝牙主机、交换机、服务器、客户端和PC，所述蓝牙耳标挂设于猪耳朵上用以采集猪只运动量数据，并通过蓝牙主机经交换机上传至服务器；所述摄像头用于采集猪只运动状态，并经交换机上传至服务器；服务器分别连接客户端和PC用以发送运动量数据。本系统对猪只运动状况进行24小时实时监测，无需人工值守，系统分析记录猪只的运动状态，能够及时发现异常情况并采取相应措施，减少养殖厂因异常情况造成的损失，有效提高了养殖人员的工作效率。

Description

基于蓝牙耳标的猪只运动量监测方法

技术领域

本发明涉及猪只福利养殖、BLE4.0技术、传感器技术以及算法研究领域，具体是一种基于蓝牙耳标的猪只运动量监测系统及方法。

背景技术

随着现代养殖业的规模化、集约化程度越来越高，自动化养猪将成为养猪业的发展趋势，母猪是猪场的根本，母猪的生产性能在一定程度上，决定了猪场的命运，现在的农场养殖户越来越重视母猪的健康问题,运动量在一定程度上反应母猪的身体健康状态；公猪运动量与精液活力有不可分割的关系，直接影响受胎率。实时准确的监测猪只的运动量,分析猪只行为并采取相应措施，对提高母猪健康程度，增强公猪精液品质，减少仔猪死亡率，提高猪只养殖福利，减小人力成本投入，提高养殖自动化水平具有重要意义。

目前BLE4.0技术已经在医疗，智能家居，汽车等领域得到广泛应用，但是在农业生产领域以及设施养殖产业中的自动化设备并不多见。目前养殖业对猪只运动量的判断主要停留在依靠饲养员的长期目测观察，不仅工作繁重而且容易受饲养员主观经验影响，使得设施福利养殖还没有显现出巨大的现实效益。因此，实时、准确的监测猪只运动量，是研究今后精细养猪中不可避免的发展趋势之一。

发明内容

本发明基于背景技术中存在的问题，提出一种基于蓝牙耳标的猪只运动量监测系统，它包括蓝牙耳标、摄像头、蓝牙主机、交换机、服务器、客户端和PC，所述蓝牙耳标挂设于猪耳朵上用以采集猪只运动量数据，并通过蓝牙主机经交换机上传至服务器；所述摄像头用于采集猪只运动状态，并经交换机上传至服务器；服务器分别连接客户端和PC用以发送运动量数据。

优选的，所述蓝牙耳标包括电路结构和外壳结构，所述电路结构呈PCB板形式设置于外壳结构内。

具体的，所述蓝牙耳标的电路结构包括纽扣电池、滤波电路、蓝牙芯片、射频电路和加速度计，所述纽扣电池连接滤波电路，滤波电路的输出端分别连接蓝牙芯片和加速度计，蓝牙芯片和加速度计彼此相连，蓝牙芯片和射频电路互相连接。

优选的，蓝牙芯片与蓝牙主机相连，蓝牙主机通过交换机连接服务器，服务器向客户端和PC发送运动量数据。

具体的，所述蓝牙耳标的外壳结构包括月台、通孔和圆槽，圆槽呈凹状设置在月台上；在圆槽上开设有通孔，通孔具有内螺纹并与PCB板的固定孔相配合。

本发明还公开了一种基于蓝牙耳标的猪只运动量监测方法，它通过摄像头记录每头猪的运动状态视频，作为人为标定猪只运动状态识别的判定依据；通过蓝牙耳标采集猪只的加速度数据，通过蓝牙技术以广播的形式把加速度数据传输到主机，并上传至服务器存储至数据库；通过选取状态视频中猪只运动状态与此时蓝牙耳标采集的加速度数据进行分析，通过构建决策树，遍历每一个变量的每一种分割方式，找到最好的分割点，对猪只运动状态进行识别，所述运动状态包括走、跑、跳、静止；系统根据猪只的运动状态计算出猪只运动量并做出决策，发生异常情况及时向PC客户端发出猪只异常警告并且给饲养员手机发出报警信号。

具体流程是：

第一步：设计蓝牙耳标进行加速度数据的采集以及对数据的加权平均预处理，并将处理后的加速度数据以广播的形式发送到空中；

第二步：设计蓝牙接收主机模块，通过射频电路来抓取空中的广播加速度数据包从而为服务器获得数据做准备；

第三步：蓝牙主机通过与串口服务器相连采用http通信将获得数据全部上传至服务器并将其数据存入数据库；

第四步：在服务器中计算合加速度和加速度差，加上原先对应的三轴加速度数据作为一条完整的数据记录，为后续数据分析及特征提取做准备；

第五步：采用决策树分析方法将记录(a_xi，a_yi，a_zi，a_i，Δa_i)看做一个节点，将所有节点分为训练节点和测试节点，通过训练节点与摄像头所采集到视频进行人为标定方式判定猪只的运动状态(走，跑，跳，静止)，采取“有导师学习”方式进行高强度样本训练；

第六步：通过第五步标定出来的训练节点，遍历每一个变量的每一种分割方式，找到最好的分割点，总共分割成4个节点：走，跑，跳，静止，对4个节点分别执行第二步到第三步，采用熵

来量化它的“纯度”，直到每个节点足够“纯”为止；

第七步：通过训练好的算法去判定测试节点，通过计算测试成功与失败之间的比例，来判定算法及算法参数的优劣性；

第八步：若测试结果较差将重复执行第五步到第七步之间的操作过程，直到准确度满意为止；

第九步：通过自定义量化标准，将每种运动状态给予一个分数值；

第十步：以固定时间间隔单元对运动量进行分数累加，从而计算出猪只的运动量及其运动程度，若出现异常情况及时向PC客户端发出猪只异常警告并且给饲养员手机发出报警信号。

具体的，第四步中，加速度数据需要经过以下预处理：

将采集到的加速度数据进行滤波、去噪处理，通过加权平均滤波算法对数据进行预处理：

对每1秒采集到的100组X轴，Y轴，Z轴加速度数据进行加权平均滤波、去噪处理，得到预处理的加速度数据，用下式求平均值：

式中，a₀,a₁,...,a_N均为常数且应满足下式：

通过式

计算合加速度a，其中a_x，a_y，a_z分别表示X轴，Y 轴，Z轴方向的加速度

计算每组数据的

其中i表示第i秒。

优选的，蓝牙耳标1s内采集100组加速度数据，由于某一时刻的数据无法判断当前猪只处于何种运动状态，因此要在一段时间内判断一次猪只运动状态，第五步中，每10 秒判断一次猪只运动状态。

具体的，第十步中，以10秒的间隔时间为一个单元，进行运动量的计算，

其中y_n表示10秒内运动量量化标准所对应的总分数，S_n表示不同运动状态所对应的分数，t_n为运动行为所对应的持续时间。

本发明的有益效果

(1)本系统对猪只运动状况进行24小时实时监测，无需人工值守，系统分析记录猪只的运动状态，能够及时发现异常情况并采取相应措施，减少养殖厂因异常情况造成的损失，有效提高了养殖人员的工作效率。

(2)与传统的猪只检测系统相比，该系统成本低廉、安装方便，同时对实现饲养管理的福利化、自动化提供科学依据。

(3)系统采用蓝牙4.0无线通信技术，避免了传统布线带来的成本和稳定性上的不足，系统能够保证长期稳定的工作。此外，无线技术方便数据的实时采集，保证系统的工作效率。

附图说明

图1为本发明的系统框图。

图2为本发明蓝牙耳标的电路框图。

图3为本发明的整体框图。

图4为本发明蓝牙耳标的外壳结构图。

图5为电源模块电路图。

图6为加速度计电路图。

图7为状态指示灯电路图。

图8为射频电路图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步说明，但本发明的保护范围不限于此：

实施例1：结合图1，一种基于蓝牙耳标的猪只运动量监测系统，它包括蓝牙耳标、摄像头、蓝牙主机、交换机、服务器、客户端和PC，所述蓝牙耳标挂设于猪耳朵上用以采集猪只运动量数据，并通过蓝牙主机经交换机上传至服务器；所述摄像头用于采集猪只运动状态，并经交换机上传至服务器；服务器分别连接客户端和PC用以发送运动量数据。

实施例2：如实施例1所述的监测系统，所述蓝牙耳标包括电路结构和外壳结构，所述电路结构呈PCB板形式设置于外壳结构内。

实施例3：结合图2，如实施例2所述的监测系统，所述蓝牙耳标的电路结构包括纽扣电池、滤波电路、蓝牙芯片、射频电路和加速度计，所述纽扣电池连接滤波电路，滤波电路的输出端分别连接蓝牙芯片和加速度计，蓝牙芯片和加速度计彼此相连，蓝牙芯片和射频电路互相连接。

在一些优选的实施例中：

结合图5，电源模块通过所述纽扣电池给蓝牙耳标供电，通过在电源两端并联一个2.2uf 的电容来减小电源的交流内阻，防止电子电路产生寄生震荡等不良后果。

结合图6，通过在加速度计的SCL，SDA引脚上去串联一个4.7K的电阻，并且通过VCC(3.3V)电源将其电位进行上拉，保证其能正常工作，并且也在电源两侧并联了一个100nf的电容，进行一定程度的滤波。

结合图7，在PCB电路设计中加入状态指示灯，通过主芯片的P1.0引脚对其进行控制，并串联一个470欧的电阻形成指示回路，当蓝牙耳标装上纽扣电池正常工作时，状态指示灯将以500ms的间隔闪烁3次，提醒使用者蓝牙耳标已经处于正常运行状态，随后状态指示灯将不再闪烁，降低蓝牙耳标功耗。

结合图8，在射频电路中采用2450BM15A002巴伦滤波器搭载板载射频天线AN1进行无线射频的信号发送与接收，为蓝牙耳标与蓝牙主机接收之间的正常接收做好准备。

在从机发送功率为0db，发送接收模块间隔15米的距离下实测数据如表1所示

表1数据传输的稳定性测试

射频电路使用的是巴伦滤波器以及TI推荐的2.4G板载PCB天线，在实际测量中，主机能在距离23m范围内(无任何遮挡物)接收到从机广播数据，并且稳定传输。在从机发送功率为0db，发送模块发送固定20个字节的数据，实测传输距离如表2所示

表2蓝牙耳标的传输距离测试

采用带内核的低功耗蓝牙芯片，在协议栈中开启低功耗模式，并且根据不同应用以及工作状态，通过系统调度自适应进入不同的低功耗模式(PM1、PM2、PM3)；在蓝牙耳标程序设计中对于在设定阈值范围内的波动数据自适应滤除，降低蓝牙的广播功耗；对数据进行打包压缩，减少开启关闭广播造成的功耗；在加速度传感器的选型上采用低功耗的加速度计。

实施例4，结合图3，如实施例3所述的监测系统，蓝牙芯片与蓝牙主机相连，蓝牙主机通过交换机连接服务器，服务器向客户端和PC发送运动量数据(服务器端应用程序主要依靠数据库中实时保存的信息，以可视化界面的形式展示猪舍中猪只的运动信息)。

实施例5：结合图4，如实施例2所述的监测系统，所述蓝牙耳标的外壳结构包括月台1、通孔2和圆槽4，圆槽4呈凹状设置在月台1上；在圆槽4上开设有通孔2，通孔2具有内螺纹并与PCB板的固定孔相配合。

实施例6：如实施例1所述一种基于蓝牙耳标的猪只运动量监测方法，它通过摄像头记录每头猪的运动状态视频，作为人为标定猪只运动状态识别的判定依据；通过蓝牙耳标采集猪只的加速度数据，通过蓝牙技术以广播的形式把加速度数据传输到主机，并上传至服务器存储至数据库；通过选取状态视频中猪只运动状态与此时蓝牙耳标采集的加速度数据进行分析，通过构建决策树，遍历每一个变量的每一种分割方式，找到最好的分割点，对猪只运动状态进行识别，所述运动状态包括走、跑、跳、静止；系统根据猪只的运动状态计算出猪只运动量并做出决策，发生异常情况及时向PC客户端发出猪只异常警告并且给饲养员手机发出报警信号。

本发明提出一个自定义标准，标准内容具体是将走、跑、跳、静止进行分数量化如表3 所示：

表3猪只运动状态量化标准

实施例7：如实施例6所述的监测方法，具体流程是：

第一步：设计蓝牙耳标进行加速度数据的采集以及对数据的加权平均预处理，并将处理后的加速度数据以广播的形式发送到空中；

第二步：设计蓝牙接收主机模块，通过射频电路来抓取空中的广播加速度数据包从而为服务器获得数据做准备；

第三步：蓝牙主机通过与串口服务器相连采用http通信将获得数据全部上传至服务器并将其数据存入数据库；

第四步：在服务器中计算合加速度和加速度差，加上原先对应的三轴加速度数据作为一条完整的数据记录，为后续数据分析及特征提取做准备；

第五步：采用决策树分析方法将记录(a_xi，a_yi，a_zi，a_i，Δa_i)看做一个节点，将所有节点分为训练节点和测试节点，通过训练节点与摄像头所采集到视频进行人为标定方式判定猪只的运动状态(走，跑，跳，静止)，采取“有导师学习”方式进行高强度样本训练；

第六步：通过第五步标定出来的训练节点，遍历每一个变量的每一种分割方式，找到最好的分割点，总共分割成4个节点：走，跑，跳，静止，对4个节点分别执行第二步到第三步，采用熵

来量化它的“纯度”，直到每个节点足够“纯”为止；

第七步：通过训练好的算法去判定测试节点，通过计算测试成功与失败之间的比例，来判定算法及算法参数的优劣性；

第八步：若测试结果较差将重复执行第五步到第七步之间的操作过程，直到准确度满意为止；

第九步：通过自定义量化标准，将每种运动状态给予一个分数值；

第十步：以固定时间间隔单元对运动量进行分数累加，从而计算出猪只的运动量及其运动程度，若出现异常情况及时向PC客户端发出猪只异常警告并且给饲养员手机发出报警信号。

实施例8：如实施例7所述的监测方法，第四步中，加速度数据需要经过以下预处理：

将采集到的加速度数据进行滤波、去噪处理，通过加权平均滤波算法对数据进行预处理：

对每1秒采集到的100组X轴，Y轴，Z轴加速度数据进行加权平均滤波、去噪处理，得到预处理的加速度数据，用下式求平均值：

式中，a₀,a₁,...,a_N均为常数且应满足下式：

通过式

计算合加速度a，其中a_x，a_y，a_z分别表示X轴，Y 轴，Z轴方向的加速度

计算每组数据的

其中i表示第i秒。

实施例9：如实施例8所述的监测方法，蓝牙耳标1s内采集100组加速度数据，由于某一时刻的数据无法判断当前猪只处于何种运动状态，因此要在一段时间内判断一次猪只运动状态，第五步中，每10秒判断一次猪只运动状态。

实施例10：如实施例7所述的监测方法，第十步中，以10秒的间隔时间为一个单元，进行运动量的计算，

其中y_n表示10秒内运动量量化标准所对应的总分数，S_n表示不同运动状态所对应的分数，t_n为运动行为所对应的持续时间。

本发明还提出一个猪只运动量量化标准如表4所示：

表4猪只运动量量化标准

本发明所提出的监测系统功能说明：

(1)加速度数据的采集与滤波

由于猪只正常活动情况下会偶尔进行耳朵扇动的行为，造成蓝牙耳标的晃动，导致蓝牙耳标采集到的加速度数据异常；加速度传感器本身也有一定的零漂和温漂，所以要对采集到的加速度数据进行滤波，从而确保采集到的加速度数据的准确性。

(2)数据的传输

蓝牙芯片通过蓝牙4.0技术将采集到的加速度数据以2.4GHz ISM无线频段技术传送给蓝牙主机，为实时采集猪只的运动状态数据提供了保障。

(3)视频采集

视频监控记录每头猪运动状态，通过选取视频中猪只特定运动状态与此时传感器采集的加速度数据，按照猪只运动状态对加速度数据进行分类，确定猪只运动状态与加速度数据间的对应关系。视频监控是作为猪只运动状态识别的判断依据，在对应关系建立后只需通过实时加速度数据判断猪只运动状态，无需再进行视频采集。

(4)运动量分析

服务器通过接收到的加速度数据建立运动状态模型，采用具体的算法将运动状态进行分类处理，并根据自主定义的量化标准进行数据处理，最后将其存入数据库，发生异常情况及时向PC客户端发出猪只异常警告并且给饲养员手机发出报警信号。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神做举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (4)

1.一种基于蓝牙耳标的猪只运动量监测方法，其特征在于它通过摄像头记录每头猪的运动状态视频，作为人为标定猪只运动状态识别的判定依据；通过蓝牙耳标采集猪只的加速度数据，通过蓝牙把加速度数据传输到主机，并上传至服务器存储至数据库；通过选取状态视频中猪只运动状态与此时蓝牙耳标采集的加速度数据进行分析，对猪只运动状态进行识别，所述运动状态包括走、跑、跳、静止；系统根据猪只的运动状态计算出猪只运动量并做出决策，发生异常情况及时向PC客户端发出猪只异常警告并且给饲养员手机发出报警信号；具体流程是：

第一步：设计蓝牙耳标进行加速度数据的采集以及对数据的加权平均预处理，并将处理后的加速度数据以广播的形式发送到空中；

第二步：设计蓝牙接收主机模块，通过射频电路来抓取空中的广播加速度数据包从而为服务器获得数据做准备；

第三步：蓝牙主机通过与串口服务器相连采用http通信将获得数据全部上传至服务器并将其数据存入数据库；

第四步：在服务器中计算合加速度和加速度差，加上原先对应的三轴加速度数据作为一条完整的数据记录，为后续数据分析及特征提取做准备；

第五步：采用决策树分析方法将记录(a_xi，a_yi，a_zi，a_i，Δa_i)看做一个节点，将所有节点分为训练节点和测试节点，通过训练节点与摄像头所采集到视频进行人为标定方式判定猪只的运动状态，采取“有导师学习”方式进行高强度样本训练；

第六步：通过第五步标定出来的训练节点，遍历每一个变量的每一种分割方式，找到最好的分割点，总共分割成4个节点：走，跑，跳，静止，对4个节点分别执行第二步到第三步，计算熵

直到每个节点的熵均高于设定值；

第七步：通过训练好的算法去判定测试节点，通过计算测试成功与失败之间的比例，来判定算法及算法参数的优劣性；

第八步：若测试结果较差将重复执行第五步到第七步之间的操作过程，直到准确度满意为止；

第九步：通过自定义量化标准，将每种运动状态给予一个分数值；

第十步：以固定时间间隔单元对运动量进行分数累加，从而计算出猪只的运动量及其运动程度，若出现异常情况及时向PC客户端发出猪只异常警告并且给饲养员手机发出报警信号。

2.根据权利要求1所述的监测方法，其特征在于第四步中，加速度数据需要经过以下预处理：

将采集到的加速度数据进行滤波、去噪处理，通过加权平均滤波算法对数据进行预处理：

对每1秒采集到的100组X轴，Y轴，Z轴加速度数据进行加权平均滤波、去噪处理，得到预处理的加速度数据，用下式求平均值：

式中，a₀,a₁,...,a_N均为常数且应满足下式：

通过式

计算合加速度a，其中a_x，a_y，a_z分别表示X轴，Y轴，Z轴方向的加速度

计算每组数据的

其中i表示第i秒。

3.根据权利要求1所述的监测方法，其特征在于第五步中，每10秒判断一次猪只运动状态。

4.根据权利要求1所述的监测方法，其特征在于第十步中，以10秒的间隔时间为一个单元，进行运动量的计算，

其中y_n表示10秒内运动量量化标准所对应的总分数，S_n表示不同运动状态所对应的分数，t_n为运动行为所对应的持续时间。

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