稻田自動(dòng)化鴨舍聲訓(xùn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)研究

孔愛菊，宋玉秋，鄔立巖，劉翠紅，辛明金，崔紅光，任文濤

(沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué) 工程學(xué)院， 沈陽　110161)

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稻田自動(dòng)化鴨舍聲訓(xùn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)研究

孔愛菊，宋玉秋，鄔立巖，劉翠紅，辛明金，崔紅光，任文濤

(沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué) 工程學(xué)院， 沈陽110161)

摘要：為使稻田自動(dòng)化鴨舍在無人值守的情況下于日落之前自動(dòng)喚鴨回舍，降低人工消耗，設(shè)計(jì)了稻田自動(dòng)化鴨舍的聲訓(xùn)系統(tǒng)。該系統(tǒng)可產(chǎn)生并自動(dòng)播放不同類型、聲壓級(jí)及頻率的純音信號(hào)。以1月齡鴨子為研究對(duì)象，以聲音的聲壓級(jí)和頻率為試驗(yàn)因素，以鴨子回舍時(shí)間為試驗(yàn)指標(biāo)，對(duì)聲訓(xùn)系統(tǒng)進(jìn)行了試驗(yàn)研究。結(jié)果表明:鴨子回舍時(shí)間與聲音參數(shù)存在線性回歸關(guān)系；當(dāng)聲壓級(jí)為85dB、聲音頻率為18 577Hz時(shí)，鴨子回舍時(shí)間最快可達(dá)到19.52s，滿足稻鴨共作生產(chǎn)的要求。研究結(jié)果為稻鴨共作技術(shù)條件下的自動(dòng)化鴨舍設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。

關(guān)鍵詞：稻鴨共作；自動(dòng)化鴨舍；聲訓(xùn)系統(tǒng)

0引言

稻鴨共作技術(shù)是根據(jù)稻鴨共生共長的特性，建立多元化的農(nóng)業(yè)生態(tài)種養(yǎng)系統(tǒng)[1-2]。稻鴨共作開辟了水稻、水禽可持續(xù)發(fā)展的新途徑，把水稻種植與鴨子養(yǎng)殖按照空間結(jié)構(gòu)結(jié)合在一起，利用稻田的水、熱、光及生物資源，增加稻田生態(tài)系統(tǒng)的能量利用率[3-5]。利用鴨的役用性產(chǎn)生水稻防病、除蟲、除草、松土、中耕渾水及刺激生長的作用，實(shí)現(xiàn)稻鴨共生、共長的復(fù)合系統(tǒng)[6-8]。白天鴨子在稻田活動(dòng)，夜間返回鴨舍，鴨舍為鴨子提供夜間補(bǔ)飼、補(bǔ)水、躲避天敵、棲息的場所。然而，鴨雛在水稻田里較大范圍內(nèi)活動(dòng)，晚間趕回舍舍人工消耗很大且勞動(dòng)條件差。為此，設(shè)計(jì)了一個(gè)能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)喚鴨回舍的聲訓(xùn)系統(tǒng)。

聲訓(xùn)是給動(dòng)物施加不同處理的聲音，通過刺激生物的聽覺從而對(duì)生物體產(chǎn)生生化反應(yīng)，使其產(chǎn)生某種行為動(dòng)作的過程。聽覺分辨訓(xùn)練可以重塑初級(jí)聽皮層對(duì)訓(xùn)練目標(biāo)聲音的表達(dá),也能提高大腦皮層對(duì)目標(biāo)聲音的反應(yīng)強(qiáng)度[9-10]。胡恩德等以豚鼠作為研究對(duì)象，以條件刺激和非條件刺激配對(duì)試驗(yàn)，通過訓(xùn)練豚鼠可形成對(duì)聲音的條件反射和學(xué)習(xí)能力[11]。趙燕等對(duì)3組成年大鼠進(jìn)行聽覺空間分辨試驗(yàn)，結(jié)果表明：訓(xùn)練組大鼠能更快速辨別不同方位的聲源，且用時(shí)較短，角度偏差也顯著低于被動(dòng)訓(xùn)練的大鼠[12]。郭飛等利用純聲對(duì)成年大鼠行為訓(xùn)練，對(duì)訓(xùn)練的動(dòng)物的初級(jí)聽皮層的特性頻率拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分析表明：動(dòng)物對(duì)聲音可分辨識(shí)別，初級(jí)聽皮層產(chǎn)生了可塑性的變化[13]。

鴨子為集群活動(dòng)，可馴化程度高，放入稻田之前可配合喂飼進(jìn)行聲音信號(hào)訓(xùn)練，使得鴨子對(duì)聲音產(chǎn)生應(yīng)激反應(yīng)，在特定時(shí)間播放音樂，調(diào)動(dòng)鴨子從稻田自行返回鴨舍。聲訓(xùn)系統(tǒng)要求鴨子對(duì)聲音信號(hào)反應(yīng)快速，且回舍率高。潘愛娜等通過單片機(jī)搭建聲訓(xùn)系統(tǒng)，研究發(fā)現(xiàn)播放音樂可實(shí)現(xiàn)召喚鴨群回歸的效果[14]。徐佳等通過試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)鴨子回舍情況與音樂類型和音量有關(guān)，歡快低音音樂的鴨子回歸情況優(yōu)于舒緩低音、舒緩高音和歡快高音[15]。本文建立適合于稻鴨共作的聲訓(xùn)系統(tǒng)，探索最優(yōu)的聲音參數(shù)組合，為自動(dòng)化鴨舍的設(shè)計(jì)奠定基礎(chǔ)。

1聲訓(xùn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

遼寧地區(qū)稻田養(yǎng)鴨主要集中在6月末到8月中旬，日落溫度差異不大，且風(fēng)力較小，溫度和風(fēng)力對(duì)聲音的傳播影響較小。聲音傳播的主要影響因素為聲壓級(jí)和頻率?；谝陨峡紤]，聲訓(xùn)系統(tǒng)應(yīng)滿足不同頻率、音量的發(fā)聲要求。現(xiàn)有的聲訓(xùn)系統(tǒng)具有成本高、功能固定、可擴(kuò)展性差等問題，本文利用計(jì)算機(jī)多媒體聲卡和音箱作為硬件，在LabView環(huán)境下開發(fā)聲訓(xùn)系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)不同頻率和聲壓級(jí)的純音輸出信號(hào)，為鴨子聲訓(xùn)試驗(yàn)創(chuàng)造條件。

1.1　聲訊系統(tǒng)硬件

利用LabView搭建發(fā)聲器軟件包，通過聲卡實(shí)現(xiàn)聲音電信號(hào)與數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)換[16]，音箱將聲音放大發(fā)送出去。系統(tǒng)硬件組成如圖1所示。

圖1　聲訓(xùn)系統(tǒng)硬件組成

1.2　系統(tǒng)前面板設(shè)計(jì)

系統(tǒng)前面板分為4個(gè)部分：聲卡輸入配置、聲道1、聲道2及疊加聲道。聲卡輸入配置可調(diào)節(jié)聲卡采樣的各個(gè)參數(shù)，即總音量、采樣率、通道數(shù)、每采樣比特?cái)?shù)、每通道采樣數(shù)及設(shè)備ID等[17]。為實(shí)現(xiàn)與音箱左右聲道相匹配，聲訓(xùn)系統(tǒng)包括兩個(gè)聲道。聲道1、2可發(fā)生基本純音信號(hào)，調(diào)節(jié)前面板上的控制按鍵改變發(fā)聲函數(shù)。發(fā)聲函數(shù)包括基本函數(shù)和公式函數(shù)：基本函數(shù)可改變信號(hào)類型；公式函數(shù)可發(fā)出由公式編輯的波形，通過公式輸入產(chǎn)生純音疊加而成的復(fù)音，其波形不再是單純的正弦波?；竞瘮?shù)和公式函數(shù)都可通過控制按鍵改變頻率和幅值。疊加波形是對(duì)1、2聲道的疊加合成的結(jié)果，是最終產(chǎn)生的聲音。聲訓(xùn)系統(tǒng)的前面板如圖2所示，系統(tǒng)界面中的信號(hào)波形由基本函數(shù)和公式函數(shù)產(chǎn)生。

圖2　聲訓(xùn)系統(tǒng)的前面板

1.3　聲訓(xùn)系統(tǒng)程序框圖

聲訓(xùn)系統(tǒng)程序框圖如圖3所示。

圖3　聲訓(xùn)系統(tǒng)程序框圖

聲訓(xùn)系統(tǒng)主要包括聲卡格式配置、發(fā)聲器、控制開關(guān)等。通過LabView的Sound Output Configure.vi配置聲卡采樣的聲音格式、采樣模式、每通道采樣數(shù)和結(jié)果聲音格式[18]。電腦設(shè)備的采樣率包括44 100Hz、22 050Hz、48 000Hz等3個(gè)采樣頻率；通道數(shù)為左右2個(gè)通道；每通道的比特?cái)?shù)為16個(gè)。聲卡配置輸出子vi用來配置聲音輸出設(shè)備。

聲音發(fā)生模塊有基本波形和函數(shù)輸入波形兩種實(shí)現(xiàn)方式。基本函數(shù)信號(hào)發(fā)聲器和公式波形控件嵌入到條件結(jié)構(gòu)，通過While條件結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)兩種發(fā)聲模式的切換，通過枚舉控件實(shí)現(xiàn)While條件的轉(zhuǎn)變?；竞瘮?shù)發(fā)聲器可根據(jù)信號(hào)類型創(chuàng)建輸出波形，實(shí)現(xiàn)正弦波、三角波、方波和鋸齒波等基本波形，其頻率、幅值、信號(hào)類型可通過輸入控件改變。公式波形通過輸入的公式字符串指定要使用的時(shí)間函數(shù)，創(chuàng)建輸出波形，波形可根據(jù)需要自行指定，即任意時(shí)間函數(shù)都可實(shí)現(xiàn)。左右兩通道聲音的產(chǎn)生原理相同。通過“加”運(yùn)算將兩通道的聲音合成，將聲音寫入聲音輸出設(shè)備，配置聲音輸出vi實(shí)現(xiàn)聲音信號(hào)連續(xù)寫入。

整個(gè)聲訓(xùn)系統(tǒng)的開關(guān)是由While條件結(jié)構(gòu)控制，條件結(jié)構(gòu)的接線端連接布爾開關(guān)控件，實(shí)現(xiàn)整個(gè)發(fā)聲器的開關(guān)。

2聲訓(xùn)系統(tǒng)的試驗(yàn)研究

2.1　試驗(yàn)因素的選取

在稻田鴨舍聲訓(xùn)系統(tǒng)中，聲音是鴨子回舍的輸入信號(hào)，鴨群接收到信號(hào)后自動(dòng)返回鴨舍，實(shí)現(xiàn)鴨子回舍的自動(dòng)控制。聲音對(duì)鴨群回舍時(shí)間的影響需要考慮的因素很多，如頻率、聲壓級(jí)、波形、環(huán)境溫度及風(fēng)速等；但由于稻田養(yǎng)鴨的特殊時(shí)間和地點(diǎn)，環(huán)境溫度和風(fēng)速的影響較小，可不考慮。因此，選取聲音的頻率、聲壓級(jí)作為試驗(yàn)因素，鴨子全部召回所用時(shí)間為試驗(yàn)指標(biāo)。

2.2　試驗(yàn)材料和方法

選取沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)機(jī)實(shí)驗(yàn)室門前空地為試驗(yàn)場所。試驗(yàn)儀器包括LabView聲訓(xùn)系統(tǒng)、DBL音箱、秒表、米尺、聲級(jí)計(jì)、風(fēng)速儀、盛有鴨飼料和水的容器各1個(gè)，1月齡鴨子21只(經(jīng)過5天時(shí)間訓(xùn)練，對(duì)聲音可形成條件反射)。按照鴨子飼養(yǎng)標(biāo)準(zhǔn)每日飼喂4次，準(zhǔn)備好水和飼料后，將鴨子全部趕至距離鴨舍20m的位置，啟動(dòng)聲訓(xùn)系統(tǒng)，研究聲壓級(jí)、頻率與鴨回舍時(shí)間之間的規(guī)律。利用風(fēng)速儀測量風(fēng)速，風(fēng)速在整個(gè)試驗(yàn)期間的變化范圍為0~0.3m/s，風(fēng)速變化影響較小可忽略。每組試驗(yàn)進(jìn)行3次，取平均值，利用SPSS軟件對(duì)試驗(yàn)結(jié)果分析。

2.3　試驗(yàn)結(jié)果與分析

試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，應(yīng)用正交回歸設(shè)計(jì)的統(tǒng)計(jì)分析方法，利用SPSS13.0軟件對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析[19-20]，建立鴨回舍時(shí)間t與聲音聲壓級(jí)x1和頻率x2之間關(guān)系的回歸方程為

t=243.42-4.05x1-6.36×10-3x2+

(1)

其中，t為鴨子全部回舍所用時(shí)間(s)；x1為聲音聲壓級(jí)(dB)；x2為聲音頻率(Hz)。

表1　試驗(yàn)結(jié)果

Z1、Z2為試驗(yàn)因素聲音聲壓級(jí)x1、聲音頻率x2的編碼規(guī)范變量。

對(duì)回歸方程的顯著性進(jìn)行檢驗(yàn)可知：回歸方程的決定系數(shù)R2等于0.905，表明模型擬合情況較理想；F回歸>F0.002(5,7)，表明所建立的回歸方程以及各偏回歸系數(shù)都達(dá)到了顯著水平；顯著水平為0.002，說明鴨子回舍時(shí)間與聲音變量之間存在顯著回歸的關(guān)系，試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案可行，回歸模型有意義。F0.025(3,4)=9.98>F失擬，檢查結(jié)果表明：回歸方程失擬不顯著，回歸模型與實(shí)際情況擬合得很好，可表示鴨回舍時(shí)間與聲壓級(jí)和頻率之間的關(guān)系。

3參數(shù)優(yōu)化

在建立了系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，在MatLab環(huán)境下建立鴨回舍時(shí)間與聲音參數(shù)之間的曲線關(guān)系，[21]研究回舍時(shí)間隨各個(gè)變量的變化趨勢，并對(duì)鴨回舍時(shí)間進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)。通過參數(shù)的優(yōu)化計(jì)算獲得聲音聲壓級(jí)和頻率的最優(yōu)值，使鴨子對(duì)聲音信號(hào)反應(yīng)最迅速、鴨回舍時(shí)間降低到最小。聲壓級(jí)和聲音頻率對(duì)鴨回舍時(shí)間的影響如圖4所示。

圖4　聲音參數(shù)對(duì)鴨回舍時(shí)間的影響

優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)為

mint=243.42-4.05x1-6.36×10-3x2+

(2)

約束函數(shù)為

(3)

利用MatLab進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化，得到優(yōu)化結(jié)果，求出最優(yōu)聲音參數(shù)為聲壓級(jí)和頻率分別為：Lp=85dB, f=18577Hz，對(duì)應(yīng)的鴨回舍最短時(shí)間t=19.52s。

根據(jù)參數(shù)優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)，選用聲壓級(jí)為85 dB、頻率為18577 Hz的純音信號(hào)對(duì)鴨子訓(xùn)練，經(jīng)3次試驗(yàn)取平均值，鴨子全部回舍所用的時(shí)間為20.2s，與理想數(shù)值誤差為3.48%，在允許誤差范圍內(nèi)，證明參數(shù)優(yōu)化結(jié)果可靠。

4結(jié)論

1) 利用LabView建立適用于稻鴨共作的聲訓(xùn)系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)不同頻率和聲壓級(jí)的純音輸出信號(hào)，為鴨子聲訓(xùn)試驗(yàn)創(chuàng)造條件。

3) 通過參數(shù)優(yōu)化計(jì)算可知：最優(yōu)聲音參數(shù)組合為Lp=85dB, f=18577Hz，對(duì)應(yīng)的鴨回舍最短時(shí)間t=19.52s。經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，參數(shù)優(yōu)化結(jié)果可靠。

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Design of Voice Training System for Automatic Duck Shed in Paddy Field

Kong Aiju, Song Yuqiu, Wu Liyan, Liu Cuihong, Xin Mingjin, Cui Hongguang, Ren Wentao

(The Engineering College, Shenyang Agricultural University, Shenyang 110161, China)

Abstract：A vocal duck training and gathering system automatic duck shed in paddy field was designed to summon ducks back the shed before sunset without manual intervene to reduced labor consumption. The system can generate and broadcast kinds of pure tone which sound pressure level and frequency can be modified. Experimental study on the vocal duck training and gathering system was carried out to ducks of one month age, with sound pressure level and frequency as experimental factors, and the time of ducks returning shed as experimental index. The results showed that the time of duck returning shed was in linear regression relationship with sound parameters. The time of ducks returning shed was 19.52s at sound pressure level of 85dB and frequency of 18 577Hz. It indicates that the system can meet the requirements of rice-duck eco-farming. The research results may provide references for the design of automatic duck shed.

Key words：rice-duck eco-farming; automatic duck shed; vocal duck training system

中圖分類號(hào)：S126

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1003-188X(2016)08-0169-04

作者簡介：孔愛菊(1980-)，女，山東菏澤人，講師，博士研究生，( E-mail)kaj9818@126.com。通訊作者：任文濤(1958-)，男，遼寧海城人，教授，博士生導(dǎo)師，( E-mail)rwt@syau.edu.cn。

基金項(xiàng)目：沈陽市農(nóng)業(yè)科技共建項(xiàng)目(沈農(nóng)經(jīng)發(fā)[2013]54號(hào))

收稿日期：2015-09-10