CN115517664B - 动物体征量测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及动物体征量测量领域,具体涉及一种动物体征量测量方法,极大地提高了对动物体征量测量的全面性,同时保证了测量的准确度。技术方案概况为:采集动物日常的运动数据,根据对动物的日常动作的实际观察结果将运动数据分类存储,并对数据设置不同的动作分类标签,再将运动数据切分成统一长度建立数据集;通过数据集对三层全连接神经网络进行训练,通过训练后的神经网络对动物的动作进行分类识别,并对不同动作的持续时间进行记录;在动作持续时间内通过基于频域分析的规律性动作频率判断算法测量该动作对应的体征量。本发明适用于对动物体征量的测量。
Description
技术领域
本发明涉及动物体征量测量领域,具体涉及一种动物体征量测量方法。
背景技术
当前对动物体征量的测量主要通过体温、心率、采食量等。例如CN107157458A公开了一种动物个体采食量与健康状况监测的传感系统,包括RFID耳标识别模块、传感器系统、上位机、通讯设备和PC机,所述传感器系统包括红外传感器、测量动物采食量模块、体温测量模块和心率测量模块,测量动物采食量模块包括一个微型震动传感器,体温测量模块包括一个红外温度传感器,心率测量模块包括一个心率传感器,解决了畜类动物采食量与健康状况的实时、在线检测。但其采集的指标较少,仅通过体温、心率、采食量判断动物的健康状况,对体征量测量不够全面,且准确度不高。
发明内容
本发明的目的是提供一种动物体征量测量方法,从多指标数据出发,并且结合神经网络训练与相关算法对动物的体征量进行测量,极大地提高了对动物体征量测量的全面性,同时提高了测量的准确度。
本发明采取如下技术方案实现上述目的,动物体征量测量方法,所述动物佩戴电子耳标,所述电子耳标内置陀螺仪或加速度传感器,所述陀螺仪或加速度传感器用于采集动物日常的运动数据,根据对动物的日常动作的实际观察结果将运动数据分类存储,并对数据设置不同的动作分类标签,每个分类标签设置对应的类别号,再将运动数据切分成统一长度建立数据集,所述动作分类标签包括:进食、饮水、反刍、运动、休憩;
建立三层全连接神经网络,通过数据集对三层全连接神经网络进行训练;
使用五折交叉验证法选择参数对三层全连接神经网络进行验证,得到优化后的三层全连接神经网络;网络输出运动数据属于不同动作分类的概率,通过求解最大概率对应的类别号分出动作分类结果;
使用时,将网络参数放至服务器,将动物耳标采集的数据输入优化后的三层全连接神经网络对动物的动作进行分类识别,并对不同动作的持续时间进行记录;
在动作持续时间内通过基于频域分析的规律性动作频率判断算法测量该动作对应的体征量,体征量具体包括:呼吸频率、反刍频率、饮水量、进食量、运动量、温度;
基于动物的动作时长与该动作对应的体征量对动物的健康状况进行判断;
所述基于频域分析的规律性动作频率判断算法具体包括时域平滑和频域估计,所述时域平滑具体包括使用卡尔曼平滑算法对动作序列信号进行平滑,减少惯性信号在实际测量中因微小波动引起的信号毛刺,为频域估计提供更光滑的周期信号;
所述频域估计基于傅里叶变换提取信号频域特征,并通过频域幅值分布提取周期信号峰值的重复频率,获得运动频率的估计数值。设置输入信号序列为长度为L的signal数组,则首先通过离散傅里叶变换得到信号的傅里叶系数fft_signal = fft(signal),取一半傅里叶系数计算信号的能量值power_signal=abs(fft_signal(1:L/2)).^2,通过寻找动作频率函数函数从当前能量值序列估计出动作频率,即为所需的动作频率估计结果。
进一步的是,若识别为休憩动作状态,并且已持续第一阈值时间,则启动呼吸频率估计算法,具体包括:通过电子耳标获取惯性传感数据,使用基于频域分析的规律性动作频率判断算法对惯性数据进行处理,将输出的动作频率作为当前时间的呼吸频率进行输出。
若识别为反刍动作状态,并且已持续第一阈值时间,则启动反刍频率估计算法,具体包括:通过电子耳标获取惯性传感数据,根据惯性信号幅度划分每个草团的咀嚼时长,使用基于频域分析的规律性动作频率判断算法根据草团划分后的咀嚼数据,获取其咀嚼动作的频率,取所有草团的频率均值作为动物当前的反刍频率。
若识别为饮水动作状态,并且持续时间小于第二阈值时间,则判断动物未处于规律性饮水状态,不进行估算;若饮水动作持续时间大于等于第二阈值时间,则记录饮水动作状态下的所有数据直到饮水动作状态切换为其他动作状态,再通过基于频域分析的规律性动作频率判断算法得出估计的饮水频率,用饮水状态持续总时长乘以饮水频率,再乘以单次饮水量,得出动物此次饮水的分量,并统计动物在一天24小时内的总饮水分量输出为动物的日饮水量体征。
若识别为进食动作状态,并且持续时间小于第一阈值时间,则判断动物未处于规律性进食状态,不进行估算;若进食动作持续时间大于等于第一阈值时间,则记录进食动作状态下的所有数据直到进食动作状态切换为其他动作状态,再通过基于频域分析的规律性动作频率判断算法得出估计的进食频率,用进食状态持续总时长乘以进食频率,再乘以单次进食量,得出动物此次进食的分量,并统计动物在一天24小时内的总进食分量输出为动物的日进食量体征。
若识别为运动动作状态,并且持续时间小于第一阈值时间,则不进行估算;则记录运动状态下的所有数据直到运动状态切换为其他动作状态,统计开始和结束时间计算出动物此次的运动时长;统计动物在一天24小时内的总运动时长输出为动物的日运动量体征。
进一步的是,基于动物的动作时长与该动作对应的体征量对动物的健康状况进行判断的具体方法包括:
将采集的动作时长与该动作对应的体征量与标准健康范围的数据进行对比,若动作时长与该动作对应的体征量都在标准健康范围内,则判断健康度为优;若动作时长与该动作对应的体征量与标准健康范围的数据差值在第一阈值范围,则判断健康度为良;若动作时长与该动作对应的体征量与标准健康范围的数据差值超出第一阈值范围,则判断健康度处于不健康状态。
本发明的有益效果为:
本发明根据对动物的日常动作的实际观察结果将运动数据分类存储,并对数据设置不同的动作分类标签,包括进食、饮水、反刍、运动、休憩等,将数据进行精细化分类,并将数据切分成统一长度建立数据集,便于对神经网络进行训练,提高了神经网络识别的动物动作的准确性;
在动作持续时间内通过基于频域分析的规律性动作频率判断算法测量该动作对应的体征量,体征量具体包括:呼吸频率、反刍频率、饮水量、进食量、运动量、温度;基于频域分析的规律性动作频率判断算法提高了体征量计算的准确性。
附图说明
图1 为本发明实施例提供的动物体征量测量的方法流程图。
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、完整地描述。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。
本发明所述的动物佩戴电子耳标,所述电子耳标内置陀螺仪或加速度传感器,所述电子耳标内置陀螺仪或加速度传感器,所述陀螺仪或加速度传感器用于采集动物日常的运动数据。
本发明动物体征量测量方法,如图1所示,包括:采集动物日常的运动数据,根据对动物的日常动作的实际观察结果将运动数据分类存储,并对数据设置不同的动作分类标签,再将运动数据切分成统一长度建立数据集,所述动作分类标签包括:进食(类别号1)、饮水(类别号2)、反刍(类别号3)、运动(类别号4)、休憩(类别号5)、其他(0);
在本发明的一种实施例中,根据圈养的肉牛动作分类结果cla,识别动作特征,见下表(某牛的100次实验数据):
动作特征 | cla(该牛100次实验的众数值) | 最容易误分为的类别 |
休憩 | 5 | 3 |
反刍 | 3 | 1 |
进食 | 1 | 2 |
饮水 | 2 | 1 |
运动 | 4 | 2 |
使用时,将网络参数放至服务器,将动物耳标采集的数据输入优化后的三层全连接神经网络对动物的动作进行分类识别,并对不同动作的持续时间进行记录,具体包括:记录当前动作的开始时间为,当前动作持续时间/>(其中,t为当前时间点);
在动作持续时间内通过基于频域分析的规律性动作频率判断算法测量该动作对应的体征量,体征量具体包括:呼吸频率、反刍频率、饮水量、进食量、运动量、温度;
基于动物的动作时长与该动作对应的体征量对动物的健康状况进行判断,具体包括:将采集的动作时长与该动作对应的体征量与标准健康范围的数据进行对比,若动作时长与该动作对应的体征量都在标准健康范围内,则判断健康度为优;若动作时长与该动作对应的体征量与标准健康范围的数据差值在第一阈值范围,则判断健康度为良;若动作时长与该动作对应的体征量与标准健康范围的数据差值超出第一阈值范围,则判断健康度处于不健康状态。
基于频域分析的规律性动作频率判断算法具体包括时域平滑和频域估计,所述时域平滑具体包括使用卡尔曼平滑算法对动作序列信号进行平滑,减少惯性信号在实际测量中因微小波动引起的信号毛刺,为频域估计提供更光滑的周期信号;
频域估计基于傅里叶变换提取信号频域特征,并通过频域幅值分布提取周期信号峰值的重复频率,获得运动频率的估计数值。设置输入信号序列为长度为L的signal数组,频率估计函数为。首先通过离散傅里叶变换得到信号的傅里叶系数fft_signal = fft(signal),取一半傅里叶系数计算信号的能量值power_signal=abs(fft_signal(1:L/2)).^2,设计网络/>实现从能量分布中寻找动作频率点功能,网络包含两个并行的能量传播层/>与/>,一个能量特征聚合层/>与一个预测层/>。其中,/>与分别负责对能量进行两个方向的传播,以方便后续的能量聚合和频率预测,每层包含3个隐藏参数/>,对输入的power_signal序列/>,,/>,超出序列范围/>和/>用0值补足。能量特征聚合层/>将经/>层传播的能量特征与原始特征加和,输出聚合后的总能量特征表示:/>,预测层/>基于总能量特征,使用全连接神经网络层进行预测,包含n个隐含参数/>,/>层输出动作频率,
在对动物动作进行分类识别时,若识别为休憩动作状态,并且已持续第一阈值时间,则启动呼吸频率估计算法,具体包括:通过电子耳标获取惯性传感数据,使用基于频域分析的规律性动作频率判断算法对惯性数据进行处理,将输出的动作频率作为当前时间的呼吸频率进行输出。
若识别为反刍动作状态,并且已持续第一阈值时间,则启动反刍频率估计算法,具体包括:通过电子耳标获取惯性传感数据,根据惯性信号幅度划分每个草团的咀嚼时长,使用基于频域分析的规律性动作频率判断算法根据草团划分后的咀嚼数据,获取其咀嚼动作的频率,取所有草团的频率均值作为动物当前的反刍频率:,其中,N为草团总数,/>为第i个草团的反刍频率,由函数估计得到。
若识别为饮水动作状态,并且持续时间小于第二阈值时间,则判断动物未处于规律性饮水状态,不进行估算;若饮水动作持续时间大于等于第二阈值时间(>thre2,thre2=1min),则记录饮水动作状态下的所有数据直到饮水动作状态切换为其他动作状态,再通过基于频域分析的规律性动作频率判断算法得出估计的饮水频率/>,用饮水状态持续总时长/>乘以饮水频率,再乘以单次饮水量(α),得出动物此次饮水的分量,并统计动物在一天24小时内的总饮水分量输出为动物的日饮水量体征/>,
若识别为进食动作状态,并且持续时间小于第一阈值时间,则判断动物未处于规律性进食状态,不进行估算;若进食动作持续时间大于等于第一阈值时间,则记录进食动作状态下的所有数据直到进食动作状态切换为其他动作状态,再通过基于频域分析的规律性动作频率判断算法得出估计的进食频率,用进食状态持续总时长/>乘以进食频率,再乘以单次进食量(β),得出动物此次进食的分量,并统计动物在一天24小时内的总进食分量输出为动物的日进食量体征/>,/>。
若识别为运动动作状态,并且持续时间小于第一阈值时间,则不进行估算;则记录运动状态下的所有数据直到运动状态切换为其他动作状态,统计开始和结束时间计算出动物此次的运动时长;统计动物在一天24小时内的总运动时长输出为动物的日运动量体征:,其中,/>为24h内第i次运动的时长,24h内共存在M次运动。
本发明以牛为具体实施例,对牛的健康状况进行判断,具体包括:
步骤1.牛动作智能识别
将牛体的日常动作集合定义为“进食、饮水、反刍、运动、休憩、其他”六大类别。采集大量不同牛各动作的耳标传感数据,训练小型快速的分类神经网络实现牛动作的智能识别。步骤如下:
1)数据集采集与标注:
为牛棚中所有牛佩戴上耳标,通过网络实时回传耳标中的惯性传感信息(陀螺仪采集到的三轴加速度)到服务器,根据对牛体动作的实际观察结果将数据切分存储,并给予不同的动作标签(“进食、饮水、反刍、运动、休憩、其他”六类之一);将不同动作数据切分成统一长度(500),建立数据集。
2)分类网络搭建与训练:
搭建三层全连接神经网络(三层的卷积核数量分别为128,64,6),使用1)中采集的数据集训练网络,使网络学习到牛不同动作之间的惯性数据区分(如‘进食’时头部小幅度上下左右摆动,‘饮水’时较进食存在摆动频率差异,‘休憩’时仅有呼吸幅度,‘反刍’时头部动作较小但比休憩的幅度大,‘运动’时有规律步态等)。网络训练采用SoftMax损失函数进行训练,通过实际训练结果调整寻找最佳的学习率、步长和训练轮次等具体参数。
3)网络评测与使用:
使用时,将网络参数放至服务器,根据牛耳标上报信息对其动作进行分类,并对不同动作的持续时间进行记时。
步骤2.牛体征测量与估计
牛体征测量包含呼吸频率、反刍频率、饮水量、进食量、运动量、温度等与健康相关的体征。其中,牛体温度直接通过耳标测量获得,呼吸、反刍频率、饮水量、进食量、运动量等分别在牛处于‘休憩’、‘反刍’、‘饮水’、‘进食’、‘运动’动作期间使用算法估计得到。
体征估计中涉及的关键技术为:基于频域分析的规律性动作频率判断算法,通过对规律性动作的频域特征分析得出其可能的动作频率,结合对牛体生理信号的判断分析实现对具体体征的估计。这一算法主要包含时域平滑和频域估计两大步骤。
步骤一:时域平滑步骤。使用卡尔曼平滑算法对动作序列信号进行平滑,减少惯性信号在实际测量中因微小波动引起的信号毛刺,为频域估计提供更光滑的周期信号。
步骤二:频域估计步骤。基于傅里叶变换提取信号频域特征,并通过频域幅值分布提取周期信号峰值的重复频率,获得运动频率的估计数值。假设输入信号序列为长度为L的signal数组,则首先通过离散傅里叶变换得到信号的傅里叶系数fft_signal = fft(signal),取一半傅里叶系数计算信号的能量值power_signal=abs(fft_signal(1:L/2)).^2。通过寻找最大值函数找到当前能量值最大的频率点,即为所需的动作频率估计结果。根据圈养的肉牛规律性动作所对应能量值power_signal,识别动作特征,见下表(10头牛的100次实验数据):
动作特征 | power_signal范围 |
休憩 | 1.136 ~ 1.287 |
反刍 | 1.711 ~ 1.768 |
进食 | 1.787 ~ 1.799 |
饮水 | 1.801 ~ 1.823 |
运动 | 2.121 ~ 4.752 |
各体征的具体估计算法如下。
1)呼吸频率估计算法:
当步骤1中分类器判断牛处于‘休憩’状态且已持续5分钟时,启动呼吸频率估计算法:通过耳标获取1分钟的惯性传感数据,使用‘基于频域分析的规律性动作频率判断算法’进行处理,将输出的动作频率作为当前时间估计的呼吸频率进行输出。
2)反刍频率估计算法:
当步骤1中分类器判断牛处于‘反刍’状态且已持续5分钟时,启动反刍频率估计算法:通过耳标获取惯性传感数据,根据惯性信号幅度划分每个草团的咀嚼时长(牛种约在采食后30-60分钟开始反刍,每个草团重新咀嚼1-2分钟,持续时长约1小时,每天约8小时处于反刍状态,每个草团的咀嚼次数根据牛种不同有各自的健康范围)。使用‘基于频域分析的规律性动作频率判断算法’处理按草团划分后的咀嚼数据,获取其咀嚼动作的频率,取所有草团的频率均值作为牛当前的反刍频率。
3)饮水量估计算法:
当步骤1中分类器判断牛处于‘饮水’状态时,若‘饮水’状态持续时长小于1分钟,则认为牛未处于规律性饮水状态,不进行估算;若‘饮水’状态持续时长大于1分钟,则记录所有数据直至‘饮水’状态切换为其他状态。将饮水持续期间的耳标惯性传感数据输入‘基于频域分析的规律性动作频率判断算法’得出估计的饮水频率;用饮水状态持续总时长乘以饮水频率,再乘以单次饮水量(根据牛种预设的固定值),得出牛此次饮水的分量;统计牛在一天24h内的总饮水分量输出为牛的日饮水量体征。
4)进食量估计算法:
当步骤1中分类器判断牛处于‘进食’状态时,若‘进食’状态持续时长小于5分钟,则认为牛未处于规律性进食状态,不进行估算;若‘进食’状态持续时长大于1分钟,则记录所有数据直至‘进食’状态切换为其他状态。将进食持续期间的耳标惯性传感数据输入‘基于频域分析的规律性动作频率判断算法’得出估计的饮水频率;用进食状态持续总时长乘以进食频率,再乘以单次进食量(根据牛种预设的固定值),得出牛此次进食的分量;统计牛在一天24h内的总进食分量输出为牛的日进食量体征。
5)运动量估计算法:
当步骤1中分类器判断牛处于‘运动’状态时,若‘运动’状态持续时长小于5分钟,则不进行估算;若‘运动’状态持续时长大于1分钟,则记录所有数据直至‘运动’状态切换为其他状态,统计开始和结束时间计算出牛此次的运动时长;统计牛在一天24h内的总运动时长输出为牛的日运动量体征。
步骤3.基于牛体动作与体征的定制化健康度评价系统
系统根据牛种不同设置对应的健康状态的数据范围,如每天的运动时长、休憩时长、进食时长、饮水时长、反刍频率、体温波动范围等。将步骤1中采集到的各动作时长、步骤2中测量或估计到的体征数据与健康范围进行比对,若全部状态均处于健康范围内,则健康度评价为‘优’;若部分状态小量超出范围,则健康度评价为‘良’;若存在某状态大幅度超出范围,则健康度评价为‘不健康’。
此外,系统根据牛的反刍频率单独给出喂食建议。例如,该品种正常的牛反刍每次咀嚼50-60次。如果实际估测的反刍频率小于50,则提示“精细饲料给量过多,并且精细与粗糙饲料比例不合理”;如果超过60,则提示“粗饲料喂食过多,浓缩饲料不足,细饲料与粗饲料的比例不合理”。
下表给出了本发明的测试10头牛10次(共100组)特征的实验验证结果,其中,特征识别正确率为基于频域特征的频率估计算法的估计准确度(估计频率与频率真值相差5%范围内判为正确),数据识别正确率为动作分类网络的分类准确率。
动作特征 | 测试组数 | 特征识别正确率 | 数据识别正确率 |
休憩(呼吸) | 100 | 100% | 97% |
反刍 | 100 | 98% | 94% |
进食 | 100 | 97% | 96% |
饮水 | 100 | 97% | 96% |
运动 | 100 | 100% | 100% |
综上所述,本发明极大地提高了对动物体征量测量的全面性,同时保证了测量的准确度。
Claims (5)
1.动物体征量测量方法,其特征在于,所述动物佩戴电子耳标,所述电子耳标内置陀螺仪或加速度传感器,所述陀螺仪或加速度传感器用于采集动物日常的运动数据,根据对动物的日常动作的实际观察结果将运动数据分类存储,并对数据设置不同的动作分类标签,所述动作分类标签包括进食、饮水、反刍、运动、休憩,每个分类标签设置对应的类别号,再将运动数据切分成统一长度建立数据集;
建立三层全连接神经网络,通过数据集对三层全连接神经网络进行训练;
使用五折交叉验证法选择参数对三层全连接神经网络进行验证,得到优化后的三层全连接神经网络;网络输出运动数据属于不同动作分类的概率,通过求解最大概率对应的类别号分出动作分类结果;
使用时,将网络参数放至服务器,将动物耳标采集的数据输入优化后的三层全连接神经网络对动物的动作进行分类识别,并对不同动作的持续时间进行记录;
在动作持续时间内通过基于频域分析的规律性动作频率判断算法测量该动作对应的体征量;
所述基于频域分析的规律性动作频率判断算法具体包括时域平滑和频域估计,所述时域平滑具体包括使用卡尔曼平滑算法对动作序列信号进行平滑,减少惯性信号在实际测量中因微小波动引起的信号毛刺,为频域估计提供更光滑的周期信号;
所述频域估计基于傅里叶变换提取信号频域特征,并通过频域幅值分布提取周期信号峰值的重复频率,获得运动频率的估计数值,设置输入信号序列为长度为L的signal数组,则首先通过离散傅里叶变换得到信号的傅里叶系数fft_signal = fft(signal),取一半傅里叶系数计算信号的能量值power_signal=abs(fft_signal(1:L/2)).^2,通过寻找动作频率函数从当前能量值序列估计出动作频率,即为所需的动作频率估计结果;
若识别为饮水动作状态,并且持续时间小于第二阈值时间,则判断动物未处于规律性饮水状态,不进行估算;若饮水动作持续时间大于等于第二阈值时间,则记录饮水动作状态下的所有数据直到饮水动作状态切换为其他动作状态,再通过基于频域分析的规律性动作频率判断算法得出估计的饮水频率,用饮水状态持续总时长乘以饮水频率,再乘以单次饮水量,得出动物此次饮水的分量,并统计动物在一天24小时内的总饮水分量输出为动物的日饮水量体征;
若识别为运动动作状态,并且持续时间小于第一阈值时间,则不进行估算;则记录运动状态下的所有数据直到运动状态切换为其他动作状态,统计开始和结束时间计算出动物此次的运动时长;统计动物在一天24小时内的总运动时长输出为动物的日运动量体征。
2.根据权利要求1所述的动物体征量测量方法,其特征在于,体征量具体包括:呼吸频率、反刍频率、饮水量、进食量、运动量、温度。
3.根据权利要求2所述的动物体征量测量方法,其特征在于,若识别为休憩动作状态,并且已持续第一阈值时间,则启动呼吸频率估计算法,具体包括:通过电子耳标获取惯性传感数据,使用基于频域分析的规律性动作频率判断算法对惯性数据进行处理,将输出的动作频率作为当前时间的呼吸频率进行输出。
4.根据权利要求2所述的动物体征量测量方法,其特征在于,若识别为反刍动作状态,并且已持续第一阈值时间,则启动反刍频率估计算法,具体包括:通过电子耳标获取惯性传感数据,根据惯性信号幅度划分每个草团的咀嚼时长,使用基于频域分析的规律性动作频率判断算法根据草团划分后的咀嚼数据,获取其咀嚼动作的频率,取所有草团的频率均值作为动物当前的反刍频率。
5.根据权利要求2所述的动物体征量测量方法,其特征在于,若识别为进食动作状态,并且持续时间小于第一阈值时间,则判断动物未处于规律性进食状态,不进行估算;若进食动作持续时间大于等于第一阈值时间,则记录进食动作状态下的所有数据直到进食动作状态切换为其他动作状态,再通过基于频域分析的规律性动作频率判断算法得出估计的进食频率,用进食状态持续总时长乘以进食频率,再乘以单次进食量,得出动物此次进食的分量,并统计动物在一天24小时内的总进食分量输出为动物的日进食量体征。
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