CN107884043A - 一种动态称重装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种动态称重装置及方法，设置检测控制单元和称重结构单元，摄像模块拍摄到有外部活体进入称重通道时，向控制器模块反馈，由控制器模块启动各加速度传感器和压力传感器，并开始接收各加速度数据和压力数据，获取静态时外部活体对弹簧的压力，获取动态时外部活体的加速度和压力经BP神经网络模型处理后的补偿体重数据，与静态下外部活体的压力值相加，得到外部活体的体重，在外部活体行走的过程中完成称重，无需将外部活体一一固定在笼子或容器中，提高了称重效率，还能避免外部活体出现过激反应。

Description

一种动态称重装置及方法

技术领域

本发明涉及养殖场活体称重领域，具体涉及一种动态称重装置及方法。

背景技术

养殖场进行活体称重时，通常是抽取部分活体进行称重，用户一一将活体固定在称重仪器上，人工读取数据，捕捉、固定、读数、释放的过程需花费大量人力，由于活体会活动，称重效率低，同时，活体会产生应激反应，容易出现躁动、流产等负面情况，不利于活体的生长发育，会影响用户的经济创收。现有技术中通常是通过研究各类活体的习性、体型等，研制出相应的用于活体称重固定装置，不具有通用性，同样不能解决称重效率低、活体过激反应的问题。

发明内容

本发明提供一种动态称重装置及方法，解决现有技术存在的称重效率低、待检测活体产生过激反应的问题。

本发明通过以下技术方案解决上述问题：

一种动态称重装置，由检测控制单元和称重结构单元组成；所述检测控制单元包括压力检测模块、加速度检测模块、控制器模块、摄像模块；所述压力检测模块含至少2个压力传感器，各压力传感器检测到的压力信号输入至控制器模块；加速度检测模块含至少1个加速度传感器，各加速度传感器的加速度信号输入至控制器模块；摄像模块在控制器模块的控制下进行启动和关闭，并将拍摄信息输入至控制器模块；所述称重结构单元包括称重通道和至少2个弹簧；所述弹簧的数量与压力传感器数量相同；所述称重通道由各弹簧支撑；在所述称重通道和所述各弹簧之间分别设置1个压力传感器；所述各加速度传感器安装在所述称重通道的下表面。

进一步地，所述称重结构单元还包括入栏通道、入栏活动梯以及出栏通道；所述入栏通道的一端与地面接触，所述入栏通道的另一端与入栏活动梯的一端固连，所述入栏通道的另一端还与称重通道的一端接触；所述入栏活动梯高度可调，至少可调节2个高度，所述入栏活动梯的另一端与地面接触；所述出栏通道的一端与称重通道的另一端接触，所述出栏通道的另一端与地面接触。

进一步地，所述称重结构单元还包括有出栏活动梯，所述出栏活动梯的一端与出栏通道的一端固连，所述出栏活动梯的另一端与地面接触；所述出栏活动梯与所述入栏活动梯的结构相同。

进一步地，所述入栏活动梯由2节支撑杆组成，分别为第一支撑杆和第二支撑杆，所述第一支撑杆的一端与入栏通道的另一端固连，所述第一支撑杆与第二支撑杆的一端卡合连接；所述第二支撑杆的另一端与地面接触；

所述第二支撑杆内壁设有至少2对凸点，每对凸点都对立地设置在第二支撑杆内壁上，成对的凸点的连线与水平面平行；所述第一支撑杆外壁设有至少2对凹点，每对凹点都对立地设置在第一支撑杆外壁上，成对的凹点的连线与水平面平行。

进一步地，所述检测控制单元还包括电机驱动模块和电机模块；所述控制器模块向电机驱动模块发送指令，控制电机模块带动所述入栏活动梯改变高度。

进一步地，所述称重结构单元还包括2个护栏，2个护栏分别设置在所述称重通道的两侧。

进一步地，所述检测控制单元还包括至少2个补光灯；所述补光灯的数量为大于0的偶数，所述各补光灯对称地安装在所述护栏上，2个护栏上的补光灯数量相同且对称。

进一步地，所述称重通道宽度可调。

基于上述一种动态称重装置的称重方法，包括以下步骤：

(1)控制器模块启动摄像模块，捕捉到有外部活体进入称重通道时，启动各加速度传感器和压力传感器，开始检测数据；

(2)各加速度传感器检测外部活体在称重通道直行的加速度，各压力传感器检测外部活体在称重通道上对弹簧施加的压力，控制器模块对各加速度传感器和各压力传感器的检测数据输入至BP神经网络模型，获取动态情况下经加速度补偿的体重补偿值；

(3)执行步骤(2)至少10次，即获取至少10个外部活体静止状态下各压力传感器的检测数据，取平均值，所述平均值为待检测活体的体重参考值。

(4)步骤(3)的体重参考值与步骤(2)的体重补偿值相加，得到的外部活体的实际体重值。

进一步地，步骤(2)中所述BP神经网络模型的获取步骤为：

1)以已知体重的外部活体作为检测对象；

2)控制器模块每隔第一预设时间接收外部活体在行经称重通道4时各加速度传感器的加速度数据以及各压力传感器的压力数据；所述加速度数据和压力数据分别接收至少10个；

3)控制器模块每隔第二预设时间接收外部外部活体在行经称重通道4过程中静止状态下的体重数据；所述体重数据接收至少10个；

4)将步骤1)和2)获得的数据分别进行归一化处理；

5)外部活体的体重补偿值为同一采集次数下，步骤3)的体重减去步骤2)中的压力数据；对所述补偿体重值做归一化处理；

6)将上述步骤3)中归一化后的加速度数据和压力数据作为BP神经网络的输入参数，归一化后不同运动状态下外部活体的补偿体重作为BP神经网络的输出参数，至少进行200次BP神经网络模型训练；

7)当BP神经网络模型的输出结果与实际补偿体重之间的误差达到预设准确率时，BP神经网络模型的训练结束。

与现有技术相比，具有如下特点：

1、设置检测控制单元和称重结构单元，摄像模块拍摄到有外部活体进入称重通道时，向控制器模块反馈，由控制器模块启动各加速度传感器和压力传感器，并开始接收各加速度数据和压力数据，获取静态时外部活体对弹簧的压力，获取动态时外部活体的加速度和压力经BP神经网络模型处理后得到体重补偿值，与静态下外部活体的压力值相加，得到外部活体的实际体重，在外部活体行走的过程中完成称重，无需将外部活体一一固定在笼子或容器中，提高了称重效率，还能避免外部活体出现过激反应；

2、称重结构单元设有入栏通道、出栏通道、入栏活动梯和出栏活动梯，高度均可调，当1个外部活体进入称重通道时，可通过入栏活动梯降低入栏通道的高度，避免2个外部活体同时出现在称重通道上，当没能获取外部活体在称重通道上静态的体重数据时，可通过出栏活动梯降低出栏通道的高度，延长外部活体离开称重通道的时间，为获取静态体重数据提供充分时间，有助于提高检测准确性；

3、称重结构单元的称重通道，其宽度可调，用户可根据外部活体的体型大小适当增大或缩小称重通道的宽度，避免出现活体过大无法正常通过称重通道的情况发生，也可避免外部活体太小而在过大的称重通道中逗留太久，既有助于扩大适用对象，又有助于缩短检测时间；

4、在护栏上对称设置补光灯，为摄像模块提供均匀、明亮的灯光，可避免出现误判、漏判的情况发生。

5、还设有显示模块和无线通信模块，现场显示各个活体的体重数据，将各个活体的体重数据发送至终端，为现场工作人员和远程管理人员查看提供方便。

附图说明

图1为本发明称重结构单元原理框图。

图中标号为：1、入栏通道；2、入栏活动梯；3、出栏通道；4、称重通道；5、护栏；6、补光灯；7、压力传感器；8、弹簧、9、加速度传感器。

图2为本发明检测控制单元原理框图以及检测控制单元与称重结构单元的控制关系图。

具体实施方式

以下结合实施例对本发明作进一步说明，但本发明并不局限于这些实施例。

一种动态称重装置，由检测控制单元和称重结构单元组成；所述检测控制单元包括压力检测模块、加速度检测模块、控制器模块、摄像模块；所述压力检测模块含至少2个压力传感器7，各压力传感器7检测到的压力信号输入至控制器模块；加速度检测模块含至少1个加速度传感器9，各加速度传感器的加速度信号输入至控制器模块；摄像模块在控制器模块的控制下进行启动和关闭，并将拍摄信息输入至控制器模块；所述称重结构单元包括称重通道4和至少2个弹簧8；所述弹簧8的数量与压力传感器7数量相同；所述称重通道4由各弹簧支撑；在所述称重通道4和所述各弹簧8之间分别设置1个压力传感器7；所述各加速度传感器9安装在所述称重通道4的下表面。

摄像模块检测到有活体进入称重通道4，反馈给控制器模块，控制器模块启动各加速度传感器和各压力传感器，并开始接收加速度传感器和压力传感器的检测信息，获取外部活体在称重通道上行走和静止的体重信息，以及静止时外部活体的体型信息。对外部活体的称重，是外部活体在称重通道4上行走或逗留时自动完成的，称重效率高，而且无需将活体固定在限定空间内，能减少对活体的刺激。

摄像模块为至少1个摄像头，拍摄活体进入或离开称重通道4，为控制器模块提供控制信息，还在活体逗留时的静态下拍摄活体的体型信息。

在弹簧8与称重通道4之间设置压力传感器，检测活体经过时的压力，输入至控制器模块中，为计算活体的体重提供参考数据。

在称重通道4的下表面设置至少1个加速度传感器，检测活体经过是的加速度，用于判断活体是在行走还是静止逗留，为计算活体的体重提供参考数据，便于进行加速度补偿处理。

称重通道4由至少2个弹簧8支撑，活体经过称重通道4时，必然对弹簧8产生作用力，通过对弹簧8的力进行测量，可获取活体的体重信息，通过对称重通道4的加速度检测，可获取活体在称重通道4行走的加速度。

进一步地，所述称重结构单元还包括入栏通道1、入栏活动梯2以及出栏通道3；所述入栏通道1的一端与地面接触，所述入栏通道1的另一端与入栏活动梯2的一端固连，所述入栏通道1的另一端还与称重通道4的一端接触；所述入栏活动梯2高度可调，至少可调节2个高度，所述入栏活动梯2的另一端与地面接触；所述出栏通道3的一端与称重通道4的另一端接触，所述出栏通道3的另一端与地面接触。

入栏通道1为斜坡状，与地面成一定倾斜角度，外部活体通过入栏通道1进入称重通道4；入栏活动梯2高度可调，当1个活体进入称重通道时，可考虑将入栏活动梯2升高或降低，阻止第2只外部活体进入称重通道，避免2只活体同时出现在称重通道上出现误判的情况。外部活体完成称重之后，从出栏通道3离开。

进一步地，所述称重结构单元还包括有出栏活动梯，所述出栏活动梯的一端与出栏通道3的一端固连，所述出栏活动梯的另一端与地面接触；所述出栏活动梯与所述入栏活动梯2的结构相同。

当称重过程出现意外情况无法正常完成称重时，当外部活体在称重通道4上未出现静止状态时，可通过升高或降低出栏活动梯的高度，让外部活体无法通过出栏通道3离开，适当延长称重时间。

所述入栏活动梯2由2节支撑杆组成，分别为第一支撑杆和第二支撑杆，所述第一支撑杆的一端与入栏通道1的另一端固连，所述第一支撑杆的另一端与第二支撑杆的一端卡合连接；所述第二支撑杆的另一端与地面接触；所述第二支撑杆内壁设有至少2对凸点，每对凸点都对立地设置在第二支撑杆内壁上，成对的凸点的连线与水平面平行；所述第一支撑杆外壁设有至少2对凹点，每对凹点都对立地设置在第一支撑杆外壁上，成对的凹点的连线与水平面平行。所述出栏活动梯由2节支撑杆组成，分别为第三支撑杆和第四支撑杆，所述第三支撑杆的一端与出栏通道3的一端固连，所述第三支撑杆的另一端与第四支撑杆的一端卡合连接；所述第四支撑杆的另一端与地面接触；所述第四支撑杆内壁设有至少2对凸点，每对凸点都对立地设置在第四支撑杆内壁上，成对的凸点的连线与水平面平行；所述第三支撑杆外壁设有至少2对凹点，每对凹点都对立地设置在第三支撑杆外壁上，成对的凹点的连线与水平面平行。上述结构设置，可由用户根据需求人工调整入栏活动梯2和出栏活动梯的高度。

关于入栏活动梯2和出栏活动梯的高度调整，可人工实现也可自动实现。自动实现时，可在检测控制单元增设电机驱动模块和电机模块；所述控制器模块向电机驱动模块发送指令，控制电机模块带动所述入栏活动梯2和出栏活动梯改变高度。

对入栏活动梯2结构进行适当的改善，将第一支撑杆和第二支撑杆设置为中空结构，内设一根入栏端弹簧，入栏端弹簧的一端与第一支撑杆固定，入栏端弹簧的另一端与第二支撑杆的另一端固定，入栏端弹簧自然状态时的长度对应第一支撑杆、第二支撑杆的原始高度。在电机模块与入栏端弹簧的一端时间设置连杆，当入栏活动梯2需降低高度时，电机模块顺时针转动，向连杆施加下压的力，入栏端弹簧处理压缩状态，带动第一支撑杆向下运动，在新的凹凸点进行卡合，进而降低入栏通道1的高度；当电机模块逆时针转动时，减小对连杆的施加力或者对连杆施加上提的力，入栏端弹簧恢复自然状态或者变成拉伸状态，提高第一支撑杆的高度，在新的凹凸点进行卡合，进而提高入栏通道1的高度。同理，对出栏活动梯的结构也进行相应的改善，使得电机模块同时还能升高或降低出栏通道3的高度。

进一步地，所述称重结构单元还包括2个护栏5，2个护栏5分别设置在所述称重通道4的两侧。护栏5的设置，外部活体经过时，能避免外部活体从称重通道4掉下来或者因为高度不适应产生恐惧心里，进而产生过激反应，对外部活体起到保护作用。

进一步地，所述检测控制单元还包括至少2个补光灯6；所述补光灯6的数量为大于0的偶数，所述各补光灯6对称地安装在所述护栏5上，2个护栏5上的补光灯6数量相同且对称。受限于称重场地、天气、时间等因素影响，称重现场可能会出现光线不足的情况，此时，需增设补光灯为摄像模块提供充足的灯关，必满出现误判、漏判的情况发生。安装补光灯时，对称设置，有助于为摄像头提供充足的、均匀的光线。

进一步地，所述称重通道4宽度可调。用户可根据外部活体的体型大小适当增大或缩小称重通道4的宽度，避免出现活体过大无法正常通过称重通道4的情况发生，也可避免外部活体太小而在过大的称重通道4中逗留太久，既有助于扩大适用对象，又有助于缩短检测时间。

进一步地，所述检测控制单元还包括显示模块，所述显示模块与控制器模块连接。显示模块LCD液晶显示器，用于显示外部活体的体重和体型信息。现场工作人员可通过LCD液晶显示器查看各个活体的体重和提醒信息。

进一步地，还包括无线通信模块和终端；所述无线通信模块与控制器模块连接，所述无线通信模块与终端连接。检测到的体重和提醒信息，通过无线通信模块发送至终端，管理人员可通过终端查看各个活体的信息。无线通信模块为GPRS通信。

基于上述结构的一种动态称重称重方法，包括以下步骤：

(1)控制器模块启动摄像模块，捕捉到有外部活体进入称重通道4时，启动各加速度传感器9和压力传感器7，开始检测数据；

(2)各加速度传感器9检测外部活体在称重通道4直行的加速度，各压力传感器7检测外部活体在称重通道4上对弹簧8施加的压力，控制器模块对各加速度传感器9和各压力传感器7的检测数据输入至BP神经网络模型，获取动态情况下经加速度补偿的体重补偿值；

(3)执行步骤(2)至少10次，即获取至少10个外部活体静止状态下各压力传感器7的检测数据，取平均值，所述平均值为待检测活体的体重参考值。

(4)步骤(3)的体重参考值与步骤(2)的体重补偿值相加，得到的外部活体的实际体重值。

本发明在步骤(2)中构建BP神经网络模型对活体进行动态称重，通过采集活体在不同运动状态下的加速度和压力数据以及活体静止状态下实际体重数据，根据这些检测数据对BP神经网络进行迭代训练，直至BP神经网络模型满足一定准确率，最后将所述训练好的BP神经网络模型植入控制器模块中。

BP神经网络模型的获取以已知体重的外部活体为检测对象，具体步骤如下：

1)控制器模块每隔第一预设时间t₁接收外部活体在行经称重通道4时各加速度传感器的加速度数据a_i、各压力传感器的压力数据p_i，其中，i表示第i次采集，i≥10；

2)控制器模块每隔第二预设时间t₂接收外部外部活体在行经称重通道4过程中静止状态下的体重数据m_i，i表示第i次采集，i≥10；

3)将步骤1)和2)获得的数据进行归一化处理：

其中，a_min和a_max为采集时段内的加速度数据集中的加速度最小值和加速度最大值；

其中，p_min和p_max为采集时段内的压力数据集中的压力最小值和压力最大值；

其中，m_min和m_max为采集时段内静止状态下体重数据集中的体重最小值和体重最大值；

4)外部活体的体重补偿值d_i＝m_i-p_i，其中，d_i值可取正值、负值或0,将补偿体重d_i进行归一化处理：其中d_min和d_max分别表示采集数据集中的补偿体重数据集中的体重补偿最小值和体重补偿最大值；

5)将上述步骤3)中归一化后的加速度数据a_i和压力数据p_i作为BP神经网络的输入参数，归一化后不同运动状态下外部活体的补偿体重d_i作为BP神经网络的输出参数，至少进行200次BP神经网络模型训练；

6)BP神经网络模型的输出结果与实际补偿体重之间的误差达到预设准确率时，BP神经网络模型的训练结束。

在步骤6)中，判断BP神经网络模型训练是否结束，必须满足和其中，d_i表示BP神经网络模型预测的体重补偿值，为实际的补偿体重，实际的补偿体重等于活体实际体重减去压力，即E为构建的模型输出结果(即预测补偿体重值)与实际实际补偿体重之间的均方差。E达到预设准确率则结束训练。n为采集总次数。

Claims (10)

1.一种动态称重装置，其特征在于：

由检测控制单元和称重结构单元组成；

所述检测控制单元包括压力检测模块、加速度检测模块、控制器模块、摄像模块；所述压力检测模块含至少2个压力传感器(7)，各压力传感器(7)检测到的压力信号输入至控制器模块；加速度检测模块含至少1个加速度传感器(9)，各加速度传感器的加速度信号输入至控制器模块；摄像模块在控制器模块的控制下进行启动和关闭，并将拍摄信息输入至控制器模块；

所述称重结构单元包括称重通道(4)和至少2个弹簧(8)；所述弹簧(8)的数量与压力传感器(7)数量相同；所述称重通道(4)由各弹簧支撑；在所述称重通道(4)和所述各弹簧(8)之间分别设置1个压力传感器(7)；所述各加速度传感器(9)安装在所述称重通道(4)的下表面。

2.根据权利要求1所述的一种动态称重装置，其特征在于：

所述称重结构单元还包括入栏通道(1)、入栏活动梯(2)以及出栏通道(3)；所述入栏通道(1)的一端与地面接触，所述入栏通道(1)的另一端与入栏活动梯(2)的一端固连，所述入栏通道(1)的另一端还与称重通道(4)的一端接触；所述入栏活动梯(2)高度可调，至少可调节2个高度，所述入栏活动梯(2)的另一端与地面接触；所述出栏通道(3)的一端与称重通道(4)的另一端接触，所述出栏通道(3)的另一端与地面接触。

3.根据权利要求2所述的一种动态称重装置，其特征在于：

所述称重结构单元还包括有出栏活动梯，所述出栏活动梯的一端与出栏通道(3)的一端固连，所述出栏活动梯的另一端与地面接触；所述出栏活动梯与所述入栏活动梯(2)的结构相同。

4.根据权利要求3所述的一种动态称重装置，其特征在于：

所述入栏活动梯(2)由2节支撑杆组成，分别为第一支撑杆和第二支撑杆，所述第一支撑杆的一端与入栏通道(1)的另一端固连，所述第一支撑杆与第二支撑杆的一端卡合连接；所述第二支撑杆的另一端与地面接触；

所述第二支撑杆内壁设有至少2对凸点，每对凸点都对立地设置在第二支撑杆内壁上，成对的凸点的连线与水平面平行；所述第一支撑杆外壁设有至少2对凹点，每对凹点都对立地设置在第一支撑杆外壁上，成对的凹点的连线与水平面平行。

5.根据权利要求1所述的一种动态称重装置，其特征在于：

所述检测控制单元还包括电机驱动模块和电机模块；所述控制器模块向电机驱动模块发送指令，控制电机模块带动所述入栏活动梯(2)改变高度。

6.根据权利要求1所述的一种动态称重装置，其特征在于：

所述称重结构单元还包括2个护栏(5)，2个护栏(5)分别设置在所述称重通道(4)的两侧。

7.根据权利要求6所述的一种动态称重装置，其特征在于：

所述检测控制单元还包括至少2个补光灯(6)；所述补光灯(6)的数量为大于0的偶数，所述各补光灯(6)对称地安装在所述护栏(5)上，2个护栏(5)上的补光灯(6)数量相同且对称。

8.根据权利要求2所述的一种动态称重装置，其特征在于：所述称重通道(4)宽度可调。

9.基于权利要求1-8中任意一项所述的一种动态称重装置的称重方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)控制器模块启动摄像模块，捕捉到有外部活体进入称重通道(4)时，启动各加速度传感器(9)和压力传感器(7)，开始检测数据；

(2)各加速度传感器(9)检测外部活体在称重通道(4)直行的加速度，各压力传感器(7)检测外部活体在称重通道(4)上对弹簧(8)施加的压力，控制器模块对各加速度传感器(9)和各压力传感器(7)的检测数据输入至BP神经网络模型，获取动态情况下经加速度补偿的体重补偿值；

(3)执行步骤(2)至少10次，即获取至少10个外部活体静止状态下各压力传感器(7)的检测数据，取平均值，所述平均值为待检测活体的体重参考值。

(4)步骤(3)的体重参考值与步骤(2)的体重补偿值相加，得到的外部活体的实际体重值。

10.根据权利要求9所述的一种动态称重装置的称重方法，其特征在于：

步骤(2)中所述BP神经网络模型的获取步骤为：

1)以已知体重的外部活体作为检测对象；

2)控制器模块每隔第一预设时间接收外部活体在行经称重通道(4)时各加速度传感器(9)的加速度数据以及各压力传感器(7)的压力数据；所述加速度数据和压力数据分别接收至少10个；

3)控制器模块每隔第二预设时间接收外部外部活体在行经称重通道(4)过程中静止状态下的体重数据；所述体重数据接收至少10个；

4)将步骤1)和2)获得的数据分别进行归一化处理；

5)外部活体的体重补偿值为同一采集次数下，步骤3)的体重数据减去步骤2)中的压力数据；对所述体重补偿值做归一化处理；

6)将上述步骤3)中归一化后的加速度数据和压力数据作为BP神经网络的输入参数，归一化后不同运动状态下外部活体的补偿体重作为BP神经网络的输出参数，至少进行200次BP神经网络模型训练；

7)当BP神经网络模型的输出结果与实际补偿体重之间的误差达到预设准确率时，BP神经网络模型的训练结束。