CN108670256A - 一种奶牛呼吸频率监测系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明实施例提供了一种奶牛呼吸频率监测系统及方法，所述系统包括两个传感器支架、两个深度传感器及工控机；所述两个传感器支架相距第一预设距离正对设置，且所述第一预设距离大于待监测奶牛的宽度，所述两个深度传感器分别设置在所述两个传感器支架上，且所述两个深度传感器正对设置，所述两个深度传感器分别与所述工控机连接。通过深度传感器采集待监测奶牛呼吸时身体两侧的深度图像，再通过工控机中预装的图像处理软件得到待监测奶牛在一段时间内的呼吸频率曲线，实现对待监测奶牛呼吸频率的监测，该系统能够实现全自动、非接触的精确监测，克服了现有技术存在的问题，能够为奶牛生理特征监测、健康状况监测以及养殖环境评估提供量化依据。
Description
技术领域
本发明实施例涉及养殖技术领域，更具体地，涉及一种奶牛呼吸频率监测系统及方法。
背景技术
在我国现代农业生产中，畜牧业所占的比重日益增加，畜牧养殖业是中国农业增效、农民增收的重要产业。近年来，现代畜牧业不断向规模化和集约化方向发展，动物疫病、动物行为异常等动物健康福利问题也越来越严重。因此，对养殖的畜禽动物的生命体征进行准确及时的监控十分必要。而传统的人工检测的方式受到人员、场地、种群数量等因素的限制，往往难以达到准确、快速、及时监测的目的。随着现代信息化、自动化技术手段的发展，特别是传感器、物联网、计算机技术在农业领域的深入应用，为传统的畜禽动物性状参数获取、测量与分析以及动物行为、生命体征监测等领域带来全新的技术手段和实用工具，通过构建基于物联网传感器的自动化监测系统系统，实现准确、高效、快速、及时的动物生命体征监测，为畜牧业生产提供实时准确的数据支持，从而提高畜牧业高产、稳产能力，对于推动现代农业的快速发展有着巨大的促进作用。
畜牧业生产中，养殖环境的温度和湿度是影响奶牛生产性能和繁殖性能的重要因素，当奶牛受环境胁迫时会产生呼吸频率异常症状，其呼吸频率的变化和异常反映养殖环境是否适宜。因此，准确、及时获知奶牛呼吸频率对于饲养管理和生产具有重要意义。现有技术中除了采用人工观察法对奶牛呼吸频率进行监测，还有以下两种奶牛呼吸频率监测方法：
(1)华南农业大学尹令等设计了基于无线传感器网络的奶牛行为特征监测系统。为了能自动准确地识别奶牛是否发情或生病，在奶牛颈部安装无线传感器节点，通过各种传感器获取奶牛的体温、呼吸频率和运动加速度等参数，采用K-均值聚类算法对提取的各种参数进行行为特征多级分类识别，以此建立的动物行为监测系统能准确区分奶牛静止、慢走、爬跨等行为特征，从而可以长时间监测奶牛的健康状态。
(2)西北农林科技大学赵凯旋、何东健等为实现奶牛呼吸状态信息获取的自动化、智能化，在构建奶牛视频实时采集系统的基础上，研究并提出了奶牛呼吸频率与异常检测方法。用光流法计算视频帧图像各像素点的相对运动速度，根据各点速度，对像素点进行循环Otsu处理筛选出呼吸运动点，动态计算速度方向曲线的周期即可检测牛只呼吸频率，并根据单次呼吸耗时检测呼吸是否异常。
综上所述，上述三种类型的奶牛呼吸频率监测方法分别存在以下不足：人工观察法人力成本高，且对观察人员要求高、工作强度大，难以满足规模化养殖管理需求。传感器方式通常需要在奶牛身上固定一个辅助系统，带来诸多不便。虽然自动化的非接触式方法在众多智能监控领域得到广泛应用，计算机智能视频监控是信息技术领域一个新兴的研究方向，这种方式正逐步被应用于养殖业并实现管理的自动化、智能化。但是，对于奶牛呼吸频率监测而言，智能视频监测这种方式的主要缺陷在于采集方式的准确性和算法有效性较差，仍然难以获得较好的计量精度。
发明内容
本发明实施例提供了一种克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的奶牛呼吸频率监测系统及方法。
一方面本发明实施例提供了一种奶牛呼吸频率监测系统，包括：两个传感器支架、两个深度传感器及工控机；其中，
所述两个传感器支架相距第一预设距离且正对设置；所述第一预设距离大于待监测奶牛胸腔的宽度，所述两个深度传感器分别设置在所述两个传感器支架上，且所述两个深度传感器正对设置，所述两个深度传感器分别与所述工控机连接。
进一步地，所述奶牛呼吸频率监测系统还包括RFID读卡器，所述RFID读卡器设置在所述两个传感器支架中的任一传感器支架上，且所述RFID读卡器与所述工控机连接。
进一步地，所述奶牛呼吸频率监测系统还包括无线网络模块、物联网云平台及服务器；且所述无线网络模块与所述工控机连接，所述物联网云平台与所述服务器连接，所述物联网云平台与所述无线网络模块无线连接。
进一步地，所述两个深度传感器中的每一深度传感器与所述待监测奶牛身体间隔第二预设距离设置，且所述第二预设距离为1-2m。
进一步地，所述两个深度传感器中的任一深度传感器的采集频率设置为10帧/秒至20帧/秒。
另一方面本发明实施例提供了一种利用上述奶牛呼吸频率监测系统进行奶牛呼吸频率监测的方法，所述方法包括：
通过两个深度传感器分别获取待监测奶牛身体两侧表面的深度图像，并将所述深度图像发送至工控机；
利用所述工控机中的图像处理软件获取所述深度图像中多个预设位置的深度值，并根据所述多个预设位置的深度值得到所述待监测奶牛的呼吸频率曲线。
进一步地，在所述根据所述多个预设位置的深度值得到所述待监测奶牛的呼吸频率曲线之后，所述方法还包括：
通过无线网络模块将所述待监测奶牛的呼吸频率曲线及所述待监测奶牛的奶牛信息发送至物联网云平台，并通过所述物联网云平台将所述待监测奶牛的呼吸频率曲线及所述待监测奶牛的奶牛信息上传至服务器，并将所述待监测奶牛的呼吸频率曲线及所述待监测奶牛的奶牛信息一一对应的存储至所述服务器的数据库中。
进一步地，所述方法还包括：
在通过两个深度传感器分别获取待监测奶牛身体两侧表面的深度图像时，利用RFID读卡器读取所述待监测奶牛所携带RFID标签中的所述待监测奶牛的奶牛信息。
本发明实施例提供的一种奶牛呼吸频率监测系统及方法，所述系统包括两个传感器支架、两个深度传感器及工控机；其中，所述两个传感器支架相距第一预设距离正对设置，且所述第一预设距离大于待监测奶牛的宽度，所述两个深度传感器分别设置在所述两个传感器支架上，且所述两个深度传感器正对设置，所述两个深度传感器分别与所述工控机连接。通过深度传感器采集待监测奶牛呼吸时身体两侧的深度图像，再通过工控机中预装的图像处理软件得到待监测奶牛在一段时间内的呼吸频率曲线，实现对待监测奶牛呼吸频率的监测，该系统能够实现全自动、非接触的精确监测，克服了现有技术存在的问题，能够为奶牛生理特征监测、健康状况监测以及养殖环境评估提供量化依据。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种奶牛呼吸频率监测系统的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的一种奶牛呼吸频率监测系统的俯视图；
图3为本发明实施例提供的一种奶牛呼吸频率监测的方法的流程图；
图4为本发明实施例中未经信号处理的原始呼吸频率曲线；
图5为本发明实施例中经信号处理后的呼吸频率曲线。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
图1为本发明实施例提供的一种奶牛呼吸频率监测系统，其特征在于，包括：两个传感器支架1、两个深度传感器2及工控机4。其中：
所述两个传感器支架1相距第一预设距离且正对设置；所述第一预设距离大于待监测奶牛的宽度，所述两个深度传感器2分别设置在所述两个传感器支架1上，且所述两个深度传感器2正对设置，所述两个深度传感器2分别与所述工控机4连接。
其中，两个传感器支架1可以是镂空的防护栏结构，其上的栏杆可以供深度传感器2等器件附着安装。两个传感器支架间隔第一预设距离设置，第一预设距离大于待监测奶牛的宽度是为了使奶牛能够顺畅进出两个传感器支架之间。两个深度传感器2分别与工控机4连接，深度传感器将采集到的数据传输至工控机4，工控机4同时也为深度传感器2供电。
奶牛呼吸过程中，身体两侧胸腹部会产生对应的起伏，本系统的目的是监测起伏变化幅度的数值，测量方式主要采用基于深度传感器2的三维测距功能，传感器支架1两侧分别对向安装两个深度传感器2，深度传感器2以设定的帧率采集可见区域内目标物体的三维表面，并将三维数据传输到布置在养殖场内的工控机4内，在工控机上使用预装的图像处理软件计算三维表面数据在一段连续的时间内的变化情况，并生成深度值的数据文件。
具体地，如图2所示，当待监测奶牛8站立在两个传感器支架1之间时，通过正对设置的两个深度传感器2分别采集待监测奶牛8身体两侧的深度图像，两个深度传感器2将采集到的深度图像分别发送至工控机4，工控机4中预装的图像处理软件对深度图像进行处理，得出待监测奶牛8的呼吸频率曲线，即实现对待监测奶牛8的呼吸频率的监测。
本发明实施例提供的一种奶牛呼吸频率监测系统，包括：两个传感器支架、两个深度传感器及工控机；其中，所述两个传感器支架相距第一预设距离正对设置，且所述第一预设距离大于待监测奶牛的宽度，所述两个深度传感器分别设置在所述两个传感器支架上，且所述两个深度传感器正对设置，所述两个深度传感器分别与所述工控机连接。通过深度传感器采集待监测奶牛呼吸时身体两侧的深度图像，再通过工控机中预装的图像处理软件得到待监测奶牛在一段时间内的呼吸频率曲线，实现对待监测奶牛呼吸频率的监测，该系统能够实现全自动、非接触的精确监测，克服了现有技术存在的问题，能够为奶牛生理特征监测、健康状况监测以及养殖环境评估提供量化依据。
在上述实施例中，所述奶牛呼吸频率监测系统还包括RFID读卡器3，所述RFID读卡器3设置在所述两个传感器支架1中的任一传感器支架上，且所述RFID读卡器3与所述工控机4连接。
其中，每个待监测奶牛会携带有RFID标签，在RFID标签存储有每个待监测奶牛的奶牛信息，奶牛信息至少包括奶牛的编号、年龄、性别、重量等信息。再次参见图1、2，可知在待检测奶牛进入两个传感器支架1之间时，RFID读卡器3会感应到待检测奶牛所携带的RFID标签，并读取其RFID标签中的奶牛信息，并将奶牛信息发送至工控机4中，在工控机4中每一待监测奶牛的奶牛信息与其呼吸频率曲线相对应。通过设置RFID读卡器3可以识别不同的奶牛，以供后续对特定奶牛进行精确看护。
在上述实施例中，所述奶牛呼吸频率监测系统还包括无线网络模块5、物联网云平台6及服务器7；且所述无线网络模块5与所述工控机4连接，所述物联网云平台6与所述服务器7连接，所述物联网云平台6与所述无线网络模块5无线连接。
具体地，无线网络模块5所起的作用是连接物联网云平台6和工控机4，通过设置无线网络模块5可以将工控机4中的数据上传至物联网云平台6，进而存储在服务器7上，使得用户可以通过移动终端或PC等网络设备实时远程监控奶牛的状态，对养殖环境进行评估。
优选地，所述两个深度传感器2中的任一深度传感器与所述待监测奶牛身体间隔第二预设距离设置，且所述第二预设距离为1-2m。
优选地，所述两个深度传感器2中的任一深度传感器的采集频率设置为10帧/秒至20帧/秒。
具体地，深度传感器2与待监测奶牛身体表面距离控制在1-2m，深度传感器采集频率设定在10帧/秒至20帧/秒，并记录数据。深度传感器获取的深度图像分辨率设置为640*480像素，实施过程中，取固定的9个点的深度值，并绘制9条连续的曲线；选取的点分别为深度图像的中心点和中心点左侧、右侧、上方、下方、左上、左下、右上、右下等9个点，左右偏移距离为w，上下距离为h。
根据系统获取的不同奶牛个体的呼吸监测数据，生成对应的奶牛个体的监测时间范围内连续的呼吸频率曲线，峰值、频率等指标为奶牛生理体征监测、健康状况监测、养殖环境评估提供定量化的依据，从而达到提升现代畜牧业奶牛养殖生产效率和质量的目的。
图3为本发明实施例提供的一种奶牛呼吸频率监测的方法的流程图，如图2所示，所述方法包括：
S1，通过两个深度传感器分别获取待监测奶牛身体两侧表面的深度图像，并将所述深度图像发送至工控机；
S2，利用所述工控机中的图像处理软件获取所述深度图像中多个预设位置的深度值，并根据所述多个预设位置的深度值得到所述待监测奶牛的呼吸频率曲线。
具体地，当待监测奶牛站立在两个传感器支架之间时，通过正对设置的两个深度传感器分别采集待监测奶牛身体两侧的深度图像，两个深度传感器将采集到的深度图像分别发送至工控机，工控机中预装的图像处理软件对深度图像进行处理，得出待监测奶牛的呼吸频率曲线，即实现对待监测奶牛的呼吸频率的监测。
本发明实施例提供的一种奶牛呼吸频率监测方法，包括：通过两个深度传感器分别获取待监测奶牛身体两侧表面的深度图像，并将所述深度图像发送至工控机；利用所述工控机中的图像处理软件获取所述深度图像中多个预设位置的深度值，并根据所述多个预设位置的深度值得到所述待监测奶牛的呼吸频率曲线。通过深度传感器采集待监测奶牛呼吸时身体两侧的深度图像，再通过工控机中预装的图像处理软件得到待监测奶牛在一段时间内的呼吸频率曲线，实现对待监测奶牛呼吸频率的监测，该系统能够实现全自动、非接触的精确监测，克服了现有技术存在的问题，能够为奶牛生理特征监测、健康状况监测以及养殖环境评估提供量化依据。
在上述实施例中，在所述根据所述多个预设位置的深度值得到所述待监测奶牛的呼吸频率曲线之后，所述方法还包括：
通过无线网络模块将所述待监测奶牛的呼吸频率曲线及所述待监测奶牛的奶牛信息发送至物联网云平台，并通过所述物联网云平台将所述待监测奶牛的呼吸频率曲线及所述待监测奶牛的奶牛信息上传至服务器，并将所述待监测奶牛的呼吸频率曲线及所述待监测奶牛的奶牛信息一一对应的存储至所述服务器的数据库中。
在上述实施例中，所述方法还包括：
在通过两个深度传感器分别获取待监测奶牛身体两侧表面的深度图像时，利用RFID读卡器读取所述待监测奶牛所携带RFID标签中的所述待监测奶牛的奶牛信息。
进一步地，由于监测得到的原始曲线不仅包含奶牛的呼吸波动，还包括因奶牛身体整体移动产生的大幅度低频波动，以及因体表绒毛等因素产生的噪声，如图4所示，定义原始曲线为C0(t)，其中，横坐标代表时间t(单位秒s)；纵坐标代表深度值d(单位mm)；对原始曲线进行信号处理，首先进行时域信号处理，然后再依次进行以下处理：
(a)信号去噪(限幅滤波)和AR模型预测算法，得到C1(t)；
(b)递推平均(5点平滑)，得到C2(t)；
C2(t)＝(-3(C1(t-2Δt)+12C1(t-Δt)+17C1(t)+12C1(t+Δt)-3C1(t+2Δt))/35 (2)
(c)经验模式分解(Em-pirical Mode Decomposition，EMD)，计算C2(t)的上下包络线，进而计算得到上下包络线的平均值曲线，得到C3(t)；
(d)信号相减等算法，得到C4(t)，如图5所示，其中，横坐标代表时间t(单位秒s)；纵坐标代表深度值d(单位mm)：
C4(t)＝C2(t)-C3(t) (3)
滤波后得到曲线，认为是去除了整体移动、绒毛扰动等因素的呼吸频率曲线，接下来再对曲线进行Hilbert变换，分析信号曲线的Hilbert谱，提取频域特征，Hilbert变换如公式(4)-(5)所示，其中P为柯西主值：
其中，为信号的瞬时频率。
根据实际观测的待监测奶牛呼吸频率对模型进行验证和校准，确定修正系数。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (8)
1.一种奶牛呼吸频率监测系统，其特征在于，包括：两个传感器支架、两个深度传感器及工控机；其中，
所述两个传感器支架相距第一预设距离且正对设置；所述第一预设距离大于待监测奶牛胸腔的宽度，所述两个深度传感器分别设置在所述两个传感器支架上，且所述两个深度传感器正对设置，所述两个深度传感器分别与所述工控机连接。
2.根据权利要求1所述奶牛呼吸频率监测系统，其特征在于，所述奶牛呼吸频率监测系统还包括RFID读卡器，所述RFID读卡器设置在所述两个传感器支架中的任一传感器支架上，且所述RFID读卡器与所述工控机连接。
3.根据权利要求1所述奶牛呼吸频率监测系统，其特征在于，所述奶牛呼吸频率监测系统还包括无线网络模块、物联网云平台及服务器；且所述无线网络模块与所述工控机连接，所述物联网云平台与所述服务器连接，所述物联网云平台与所述无线网络模块无线连接。
4.根据权利要求1-3任一项所述奶牛呼吸频率监测系统，其特征在于，所述两个深度传感器中的每一深度传感器与所述待监测奶牛身体间隔第二预设距离设置，且所述第二预设距离为1-2m。
5.根据权利要求1-3任一项所述奶牛呼吸频率监测系统，其特征在于，所述两个深度传感器中的任一深度传感器的采集频率设置为10帧/秒至20帧/秒。
6.一种利用如权利要求1-5任一项所述奶牛呼吸频率监测系统进行奶牛呼吸频率监测的方法，其特征在于，所述方法包括：
通过两个深度传感器分别获取待监测奶牛身体两侧表面的深度图像，并将所述深度图像发送至工控机；
利用所述工控机中的图像处理软件获取所述深度图像中多个预设位置的深度值，并根据所述多个预设位置的深度值得到所述待监测奶牛的呼吸频率曲线。
7.根据权利要求6所述方法，其特征在于，在所述根据所述多个预设位置的深度值得到所述待监测奶牛的呼吸频率曲线之后，所述方法还包括：
通过无线网络模块将所述待监测奶牛的呼吸频率曲线及所述待监测奶牛的奶牛信息发送至物联网云平台，并通过所述物联网云平台将所述待监测奶牛的呼吸频率曲线及所述待监测奶牛的奶牛信息上传至服务器，并将所述待监测奶牛的呼吸频率曲线及所述待监测奶牛的奶牛信息一一对应的存储至所述服务器的数据库中。
8.根据权利要求7所述方法，其特征在于，所述方法还包括：
在通过两个深度传感器分别获取待监测奶牛身体两侧表面的深度图像时，利用RFID读卡器读取所述待监测奶牛所携带RFID标签中的所述待监测奶牛的奶牛信息。
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