基於機器視覺技術的群養母豬飲水行為無線監測系統的製作方法

2023-07-11 13:19:26

專利名稱：基於機器視覺技術的群養母豬飲水行為無線監測系統的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及母豬福利養殖、無線網絡通信技術及機器視覺技術領域，尤其是通過機器視覺技術和ZigBee無線網絡通信技術對群養母豬飲水行為進行監測的系統，具體地說是一種基於機器視覺技術的群養母豬飲水行為無線監測系統。
背景技術：
機器視覺技術，是一門涉及人工智慧、神經生物學、心理物理學、計算機科學、圖像處理、模式識別等諸多領域的交叉學科。機器視覺主要用計算機來模擬人的視覺功能，從客觀事物的圖像中提取信息，進行處理並加以理解，最終用於實際檢測、測量和控制。機器視覺技術最大的特點是速度快、信息量大、功能多。目前，母豬的飲水是最值得關注的動物行為之一，水是母豬需求量最大的營養物質，飲水行為是母豬健康與否的重要判斷依據。我國目前的母豬養殖主要採用限餵欄，這種餵養方式嚴重限制了母豬自由活動的空間，不符合動物福利要求，歐盟已經決定於2013年禁止使用限餵欄，對妊娠期母豬採用群養方式飼養，有必要針對這種飼養模式下的母豬飲水行為設計一套智能化精準監測系統。目前無線通信、機器視覺等技術已經在農業生產領域得到應用，但是母豬養殖產業中的自動化設備並不多見，特別是利用現代電子、通信技術精確監測、分析群養母豬個體飲水行則更是空白。健康母豬飲水行為有規律可循，母豬個體飲水行為是否正常可以作為判斷動物健康狀況的重要指標，養殖人員每天僅需重點關注飲水行為異常的母豬個體，及時發現出現健康問題的母豬，大大降低疾病帶來經濟損失的同時也減少人工消耗的時間和精力。因此，對於群養母豬個體飲水行為的自動化精準監測、實時寬帶傳輸是亟待的重要課題。
發明內容本實用新型的目的是針對母豬養殖產業中的自動化設備缺少的問題，提出一種基於機器視覺技術的群養母豬飲水行為無線監測系統。本實用新型的技術方案是—種基於機器視覺技術的群養母豬飲水行為無線監測系統，它包括多個飲水點設備、網關節點以及中心伺服器，在各待監測豬舍中的飲水點均設有一飲水點設備，各飲水點設備均包括飲水器、圖像傳感器、處理器、紅外感應模塊、流量計和飲水點設備ZigBee協調器，所述的紅外感應模塊安裝在飲水器的上方，用於感應母豬貼近飲水器，各紅外感應模塊的信號輸出端與對應處理器的感應信號端相連，各處理器的圖像信號控制端、流量信號控制端分別與對應的圖像傳感器、流量計的信號端雙向連接，各處理器的通訊信號端通過對應的ZigBee協調器與網關節點的ZigBee協調器無線連接，網關節點通過網絡與中心伺服器無線連接。本實用新型的飲水器的兩側均設有第一擋板，兩第一擋板的上方安裝第二擋板，在該第二擋板上安裝紅外感應模塊。。本實用新型的第一擋板為水泥擋板，第二擋板為亞克力擋板。本實用新型的第一擋板高1. 5m、寬0. 6m，兩第一擋板的間距為0. 6m。這個系統中兩第一擋板的作用是保證一次只有一隻豬接近飲水器，由於兩第一擋板間距設定為0. 6m, 因此豬的體型最好比較大，母豬符合這一要求。本實用新型的處理器採用ARM處理器，圖像傳感器採用CMOS圖像傳感器，該圖像傳感器通過ARM處理器的CMOS攝像頭接口與ARM處理器連接。本實用新型的有益效果本實用新型的系統採用機器視覺技術自動識別飲水母豬編號，採用水流量計採集母豬單次飲水量，該系統能夠準確記錄母豬個體日飲水頻率及日消耗水量，避免了人為觀察飲水行為過程中的主觀性強、精確度、穩定性不夠的缺點。本實用新型的網關採用3G撥號和乙太網兩種方式與伺服器連接，有效解決了豬舍地處偏僻而無法遠程監控的問題，而採用3G網絡比GPRS網絡在速度上有了很大的提高， 因此，在傳輸數據時效率更高、優越性更明顯；還簡化了網關與中心伺服器之間的通信。本實用新型的網關採用ZigBee無線通信協議與飲水點ARM通信，這種無線通信方式避免了傳統布線帶來的成本和穩定性上的不足，高度的魯棒性能夠保證本系統長期穩定工作。此外，ZigBee網絡具有高度的實時性，方便數據的實時採集，保證系統的工作效率。飲水行為是母豬健康與否的重要判斷依據，本系統利用自動化技術準確監測母豬日飲水頻率及水資源的日消耗總量，系統能夠將水消耗量異常的母豬個體編號自動發送給養殖人員，使得這個母豬能夠得到及時的關注，從而降低疾病對母豬的生長、生產影響，有效提升了母豬養殖的經濟效益。

圖1是本實用新型的結構示意圖。圖2是本實用新型的飲水點設備的結構示意圖。圖3是本實用新型監測系統的實施流程圖。
具體實施方式
以下結合附圖和實施例對本實用新型作進一步的說明。如圖1所示，一種基於機器視覺技術的群養母豬飲水行為無線監測系統，它包括多個飲水點設備、網關節點以及中心伺服器，在各待監測豬舍中的飲水點均設有一飲水點設備，各飲水點設備均包括飲水器、圖像傳感器、處理器、紅外感應模塊、流量計和飲水點設備ZigBee協調器，所述的紅外感應模塊安裝在飲水器的上方，用於感應母豬貼近飲水器， 各紅外感應模塊的信號輸出端與對應處理器的感應信號端相連，各處理器的圖像信號控制端、流量信號控制端分別與對應的圖像傳感器、流量計的信號端雙向連接，各處理器的通訊信號端通過對應的ZigBee協調器與網關節點的ZigBee協調器無線連接，網關節點通過網絡與中心伺服器無線連接。本實用新型的飲水器的兩側均設有第一擋板，兩第一擋板的上方安裝第二擋板， 在該第二擋板上安裝紅外感應模塊。。[0023]本實用新型的第一擋板為水泥擋板，第二擋板為亞克力擋板。本實用新型的第一擋板高1. 5m、寬0. 6m，兩第一擋板的間距為0. 6m。這個系統中兩第一擋板的作用是保證一次只有一隻豬接近飲水器，由於兩第一擋板間距設定為0. 6m, 因此豬的體型最好比較大，母豬符合這一要求。本實用新型的處理器採用ARM處理器，圖像傳感器採用CMOS圖像傳感器，該圖像傳感器通過ARM處理器的CMOS攝像頭接口與ARM處理器連接。如圖3所示，應用基於機器視覺技術的群養母豬飲水行為無線監測系統，使用時， 包括以下步驟(a)、在各待監測豬舍中，對待檢測母豬進行編號標記於豬背上，紅外感應模塊對進入飲水點的母豬進行探測，一旦探測到有母豬進入飲水點，紅外感應模塊輸出的電平信號由低電平變為高電平觸發處理器記錄開始時間，處理器驅動圖像傳感器拍攝圖像並存儲，同時讀取流量計的數值；(b)、當紅外感應模塊探測到有母豬離開飲水點時，紅外感應模塊的輸出信號由高電平變為低電平再次觸發處理器記錄結束時間，處理器通過檢測電平上升沿判斷有豬進入飲水點，檢測下降沿判斷豬離開，同時處理器讀取流量計的數值；(C)、處理器通過數字識別方法對步驟(a)中拍攝的圖像進行識別讀取豬背上的編號，記錄該母豬的編號；(d)、處理器將兩次流量計讀數相減得到對應母豬的飲水量，隨後處理器將飲水點 ID號、此次飲水的母豬編號、開始飲水、結束飲水的時間和飲水量通過串口發送給飲水點設備ZigBee模塊，飲水點設備ZigBee模塊將數據轉發給網關ZigBee模塊，網關通過網絡將信息發送到中心伺服器。本實用新型的紅外感應模塊的感應距離為0. 8-1. ail。本實用新型的步驟(a)中，圖像傳感器拍攝至少一幀圖像。監測方法還包括查詢步驟中心伺服器工作人員輸入想要查詢的飲水點的ID號， 中心伺服器將該ID號通過網關發送到其管理的所有飲水點處理器中，收到ID號的處理器比較該ID與其自身ID，若匹配則對應處理器將設定時間段內監測到的母豬飲水信息通過飲水點設備ZigBee模塊發送到網關ZigBee模塊，網關節點通過網絡發送到中心伺服器；若 ID號匹配不成功，則該飲水點的處理器丟棄從網關收到飲水點查詢ID信息。本實用新型的中心伺服器根據專家決策系統對信息進行判斷，若母豬個體飲水次數超過預設的閾值上限或低於閾值下限，則報警並將結果通過簡訊人員。具體實施時(1)飲水點設備如圖2所示，飲水監測點是飲水行為監測系統的基本組成單元，需要具備水流量採集、母豬編號識別、數據處理、無線通信等功能。結合母豬飲水行為監測特點，飲水監測點結構飲水器兩側的水泥擋板確保每次僅有一頭母豬接近飲水器，在上方的擋板上安置CMOS 圖像傳感器0V7620，該傳感器通過ARM S3C2440開發板上的CMOS攝像頭接口與ARM處理器連接，24h監測母豬飲水行為。在上方擋板上安裝紅外感應模塊，調節感應距離為lm，當有母豬接近飲水器時會觸發紅外感應模塊，將感應輸出高電平連接到開發板上的I/O 口，ARM 處理器不斷檢測該I/O 口電平，若有高電平信號則驅動0V7620拍攝一幅圖片並將該圖片存
5入存儲器，通過號碼識別算法識別其編號。為了降低光線變化對圖像採集的影響，使用兩個環形白色光源為監測點提供均勻光照。水流量計選用LZDH型金屬轉子流量計，供水管通徑15mm的情況下該流量計能測到的流量範圍為10-100升/h，符合豬用飲水器流速要求。金屬轉子流量計流量信號以 4-20mA模擬電流量輸出，經過負載電阻轉化為輸出電壓，將輸出電壓信號通過GPIO 口連接到ARM處理器，ARM處理器通過電壓與流量關係確定母豬個體單次飲水量。飲水點工作原理為當紅外感應模塊探測到有母豬進入飲水點，則觸發ARM處理器記錄開始時間，並拍攝一幀圖像，同時讀取流量計的數值。當紅外感應模塊探測到有母豬離開飲水點，則再次觸發ARM處理器記錄結束時間，並讀取流量計的數值。ARM處理器通過數字識別算法對圖像進行識別，記錄該母豬的編號，將兩次流量計讀數相減得到飲水量。隨後ARM處理器將此次的母豬編號、時間段(開始-結束)、飲水量通過串口發送給ZigBee模塊，ZigBee模塊將數據轉發給網關ZigBee模塊。(2)網關節點網關主要由ZigBee模塊、3G模塊、ARM模塊和電源模塊組成，其中ZigBee模塊和 ARM模塊之間通過串口相連。其工作原理為網關開始工作，即作為客戶端與中心伺服器端建立socket連接，然後進入等待數據狀態，網關ARM模塊持續監聽串口 ZigBee模塊是否有數據，如果有數據則緩存數據，網關進而檢測其與中心伺服器的TCP連接是否正常，如果正常則將緩存中的數據通過3G模塊或RJ45網口發送給中心伺服器，如果TCP連接不正常，則重新建立連接並監聽串口，等到下一次有數據需要發送時將緩衝區中緩存的所有數據全部發往中心伺服器。(3)中心伺服器中心伺服器通過socket通信技術接收網關發回的數據後，提供對數據的預處理、 存儲等功能。同時中心伺服器還提供對數據的網絡發布功能，採用B/S架構將數據以網頁的形式對外發布，用戶可以在hternet中的任何一臺計算機或者PDA上訪問伺服器查看數據。本實用新型未涉及部分均與現有技術相同或可採用現有技術加以實現。
權利要求1.一種基於機器視覺技術的群養母豬飲水行為無線監測系統，其特徵是它包括多個飲水點設備、網關節點以及中心伺服器，在各待監測豬舍中的飲水點均設有一飲水點設備， 各飲水點設備均包括飲水器、圖像傳感器、處理器、紅外感應模塊、流量計和飲水點設備 ZigBee協調器，所述的紅外感應模塊安裝在飲水器的上方，用於感應母豬貼近飲水器，各紅外感應模塊的信號輸出端與對應處理器的感應信號端相連，各處理器的圖像信號控制端、 流量信號控制端分別與對應的圖像傳感器、流量計的信號端雙向連接，各處理器的通訊信號端通過對應的ZigBee協調器與網關節點的ZigBee協調器無線連接，網關節點通過網絡與中心伺服器無線連接。
2.根據權利要求1所述的基於機器視覺技術的群養母豬飲水行為無線監測系統，其特徵是所述的飲水器的兩側均設有第一擋板，兩第一擋板的上方安裝第二擋板，在該第二擋板上安裝紅外感應模塊。
3.根據權利要求2所述的基於機器視覺技術的群養母豬飲水行為無線監測系統，其特徵是所述的第一擋板為水泥擋板，第二擋板為亞克力擋板。
4.根據權利要求2所述的基於機器視覺技術的群養母豬飲水行為無線監測系統，其特徵是所述的第一擋板高1. 5m、寬0. 6m，兩第一擋板的間距為0. 6m。
5.根據權利要求1所述的基於機器視覺技術的群養母豬飲水行為無線監測系統，其特徵是所述的處理器採用ARM處理器，圖像傳感器採用CMOS圖像傳感器，該圖像傳感器通過 ARM處理器的CMOS攝像頭接口與ARM處理器連接。
專利摘要一種基於機器視覺技術的群養母豬飲水行為無線監測系統，系統包括多個飲水點設備、網關節點以及中心伺服器，在各待監測豬舍中的飲水點均設有一飲水點設備，各飲水點設備用於感應母豬靠近，觸發各處理器記錄飲水時間和流量，飲水點設備通過網關節點利用網絡與中心伺服器無線連接。飲水行為是母豬健康與否的重要判斷依據，本系統利用自動化技術準確監測母豬日飲水頻率及水資源的日消耗總量，系統能夠將水消耗量異常的母豬個體編號自動發送給養殖人員，使得這個母豬能夠得到及時的關注，從而降低疾病對母豬的生長、生產影響，有效提升了母豬養殖的經濟效益。
文檔編號H04L29/08GK202282791SQ201120441639
公開日2012年6月20日 申請日期2011年11月9日 優先權日2011年11月9日
發明者劉永華, 劉龍申, 周波, 姚文, 孫玉文, 孫欽偉, 曾慶傑, 楊曉靜, 沈明霞, 熊迎軍, 王志國, 趙茹茜, 路順濤, 陸明洲, 陳仕進, 陳林峰 申請人:南京農業大學