設(shè)施豬場生豬體溫紅外巡檢系統(tǒng)設(shè)計與試驗

肖德琴 劉 勤 陳 麗 楊秋妹 郭艾俠 林思聰

(1.華南農(nóng)業(yè)大學(xué)數(shù)學(xué)與信息學(xué)院， 廣州 510642； 2.廣東省農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)工程技術(shù)研究中心， 廣州 510642；3.溫氏食品集團(tuán)股份有限公司， 云浮 527300)

0 引言

當(dāng)前，規(guī)模化、集約化養(yǎng)殖已成為我國生豬養(yǎng)殖行業(yè)的發(fā)展趨勢，然而，隨著養(yǎng)殖規(guī)模的擴(kuò)大、飼養(yǎng)密度的增加，容易引起豬只的應(yīng)激反應(yīng)，增加豬病防控的難度[1-2]。體溫是豬只機(jī)體內(nèi)活動的客觀反映，是一項重要的生理指標(biāo)[3]。傳統(tǒng)豬只體溫測量采用人工測量方法，一般用豬的直腸溫度表征體溫[4]，人工接觸式測量不僅效率低下，而且不利于保證其福利水平。研究表明[5-7]，生豬體表溫度是由其皮膚和生活環(huán)境之間的熱交換、新陳代謝和近體表的血液循環(huán)決定的，因此，可作為豬只健康的重要指標(biāo)。

近年來，隨著信息技術(shù)的發(fā)展和深入應(yīng)用，電子信息技術(shù)、計算機(jī)視覺技術(shù)逐漸滲透到各個領(lǐng)域。紅外熱成像作為一種非接觸體溫測量方法，已被作為識別與體溫變化相關(guān)的許多生理和病理過程的工具[8-15]。文獻(xiàn)[10]通過紅外熱像儀可以識別豬只體表最冷和最熱區(qū)域，并可作為評估豬場設(shè)施和動物福利的工具。文獻(xiàn)[11]應(yīng)用紅外熱像儀估計新生豬體溫，并分析其熱應(yīng)激狀態(tài)。文獻(xiàn)[12]通過紅外熱成像評估斷奶仔豬眼睛、耳朵和鼻子區(qū)域表面溫度與不同類型環(huán)境的關(guān)系。文獻(xiàn)[13]對豬只頭部紅外圖像使用差分ROI方法，可用于早期檢測豬體溫的升高。文獻(xiàn)[14]研究了基于改進(jìn)主動模型的豬耳部目標(biāo)區(qū)域檢測方法，為研究生豬規(guī)?；B(yǎng)殖中非接觸式體溫監(jiān)測打下基礎(chǔ)。文獻(xiàn)[15]為研究規(guī)模化生豬養(yǎng)殖中非接觸式體溫測量方法，用改進(jìn)的Otsu算法分別對仔豬、育肥豬和妊娠豬紅外圖像耳根部進(jìn)行了檢測。

上述研究主要建立在人工對紅外圖像進(jìn)行分析、處理的基礎(chǔ)上，在體溫的自動檢測、分析方面尚未取得突破?；谇叭搜芯?，本文采用FLIR A310型紅外熱像儀作為生豬紅外圖像采集器，設(shè)計一種基于紅外技術(shù)的設(shè)施豬場生豬體溫巡檢系統(tǒng)，以實現(xiàn)對巡檢裝置的遠(yuǎn)程控制及生豬體溫的實時監(jiān)測，為后期研究豬只行為、健康信息提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

1 硬件設(shè)計

1.1 硬件體系結(jié)構(gòu)

體溫巡檢系統(tǒng)硬件由紅外移動采集裝置、系統(tǒng)控制裝置和電源組成。硬件體系結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 硬件體系結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 Hardware equipment architecture

1.2 熱像儀選型與標(biāo)定

采用FLIR A310型紅外熱像儀(FLIR Systems公司)作為圖像采集器，如圖2a所示。FLIR A310型熱像儀主要應(yīng)用在安全自動化方面，可實現(xiàn)數(shù)字輸入、輸出，具有熱敏度高、精度高等特點，產(chǎn)品部分參數(shù)如表1所示。為了最大程度采集生豬紅外圖像，熱像儀在內(nèi)置25°鏡頭的基礎(chǔ)上，加裝一個90°鏡頭，如圖2b所示。

圖2 熱像儀及鏡頭Fig.2 Thermal imager and lens

參數(shù)數(shù)值/標(biāo)準(zhǔn)紅外分辨率/(像素×像素)320×240圖像幀頻/Hz30對象溫度/℃-20～120熱靈敏度/℃<0.05(@30)精度/℃±2文件格式標(biāo)準(zhǔn)JPEG格式,包含16位測量數(shù)據(jù)以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)IEEE 802.3

在實驗室設(shè)定的條件下，用一定數(shù)量已知溫度的黑體進(jìn)行熱像儀標(biāo)定，標(biāo)定時采用斯蒂芬-玻爾茲曼定律所給出的黑體輻射能量與其溫度的關(guān)系式

W=εδT4

(1)

式中W——輻射功率，W/m2

ε——灰體的發(fā)射率，由物體材質(zhì)決定，介于0～1之間，物體為黑體時，ε=1

δ——史蒂芬-玻爾茲曼比例常數(shù)，取5.67×10-8W/(m2·K4)

T——熱力學(xué)溫度，K

通過熱像儀測得的輻射能及材料固有的發(fā)射率參數(shù)，理論上就可以計算得到物體各點的溫度，形成熱像圖。然而，熱像儀接收的有效輻射除了物體自身輻射外，還包括周圍環(huán)境的反射輻射、大氣輻射。因此需進(jìn)行修正補償，補償公式為

Wtot=ετWobj+(1-ε)τWrefl+(1-τ)Watm

(2)

式中τ——大氣傳輸率

Wtot——熱像儀接收到的全部輻射能，W/m2

Wobj——來自目標(biāo)物體的輻射能，W/m2

Wrefl——周圍環(huán)境的反射輻射能，W/m2

Watm——大氣輻射能，W/m2

本文采用相對溫度對生豬紅外圖像進(jìn)行溫度數(shù)據(jù)分析。因此，在誤差允許范圍內(nèi)，熱像儀標(biāo)定后，只需根據(jù)現(xiàn)場情況設(shè)定豬只個體發(fā)射率[16]、相對濕度、大氣溫度、反射溫度、距離等參數(shù)，建立有效的溫度分布熱像圖。

1.3 紅外移動采集裝置

紅外移動采集裝置主要由FLIR A310型紅外熱像儀和滑軌裝置組成，如圖3所示。為去除環(huán)境因素對熱像儀的腐蝕和干擾，采用32 cm×11 cm×10 cm的亞克力透明板作為熱像儀的保護(hù)殼，在保護(hù)殼的底部使用鍺片作為紅外高透光濾光片?；壯b置主體采用電泳涂裝的工業(yè)型鋁材作為材料，由若干支架和主、副軌道組成，支架用于固定在豬場限位欄上，軌道上搭載帶有步進(jìn)電機(jī)的四輪移動小車及若干電纜滑車。紅外熱像儀安裝在移動小車上，電纜滑車主要用于搭載電纜滑線，以實現(xiàn)供電及數(shù)據(jù)的傳輸，支架及電纜滑車的數(shù)量根據(jù)軌道的長度而定。

圖3 紅外移動采集裝置示意圖Fig.3 Schematic of infrared mobile acquisition device1.豬舍限位欄 2.紅外采集裝置 3.移動小車 4.軌道 5.支架 6.電纜滑車 7.電纜線

1.4 系統(tǒng)控制裝置

系統(tǒng)控制裝置主要包括上位機(jī)模塊和下位機(jī)模塊。上位機(jī)需要實現(xiàn)與紅外熱像儀及下位機(jī)的交互，并完成紅外圖像數(shù)據(jù)的存儲、轉(zhuǎn)發(fā)，因此對上位機(jī)的處理速度、內(nèi)存容量及應(yīng)用能力有一定的要求。對此，上位機(jī)選擇惠普ProDesk 400 G2 MINI微型計算機(jī)，其核心處理器為英特爾Core i7-6700T，主頻2.8 GHz，內(nèi)存8 GB，硬盤容量1 TB，機(jī)器符合設(shè)計要求。下位機(jī)采用信捷電氣公司的XP2-18R/RT型整體式控制器，控制器整合了PLC和文本顯示OP功能，不僅實現(xiàn)一定的運算和控制功能，而且可以動態(tài)顯示文本。移動小車的電機(jī)驅(qū)動器采用DM542型數(shù)字式步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器,其具有運行平穩(wěn)、噪聲小及內(nèi)置微細(xì)分技術(shù)等特點。系統(tǒng)控制裝置硬件實物如圖4所示。

圖4 硬件實物圖Fig.4 Hardware physical map

2 軟件集成設(shè)計

2.1 軟件體系結(jié)構(gòu)

生豬體溫巡檢系統(tǒng)需要實現(xiàn)紅外圖像的采集、存儲控制，移動小車的運行控制及與遠(yuǎn)程服務(wù)器的數(shù)據(jù)通信等功能。系統(tǒng)軟件采用模塊化設(shè)計，主要包括紅外圖像采集控制模塊、滑軌移動控制模塊和遠(yuǎn)程交互管理控制模塊，系統(tǒng)軟件體系結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)軟件體系結(jié)構(gòu)圖Fig.5 System software architecture

2.2 滑軌移動控制算法

上位機(jī)與滑軌控制器在串口通信中使用8字節(jié)的ModBus-RTU協(xié)議，協(xié)議指令數(shù)據(jù)幀格式如表2所示，波特率為9 600 b/s，停止位1位，數(shù)據(jù)位為16位。上位機(jī)與滑軌控制器進(jìn)行指令交互，滑軌移動控制器解析指令后通過控制步進(jìn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)動來定位小車及紅外熱像儀的軌道位置?？奎c，指令具體配置如表3所示。

表2 滑軌移動控制協(xié)議指令數(shù)據(jù)幀格式Tab.2 Slider movement control protocol instruction data frame format 字節(jié)

表3 指令配置Tab.3 Instruction configuration

上位機(jī)通過監(jiān)聽服務(wù)器端口，接收來自服務(wù)器的遠(yuǎn)程指令，并將指令轉(zhuǎn)換成ModBus-RTU協(xié)議格式轉(zhuǎn)發(fā)到下位機(jī)。滑軌控制器接收到上位機(jī)發(fā)送的指令后，根據(jù)指令解析內(nèi)容給電機(jī)驅(qū)動器發(fā)送相應(yīng)的脈沖信號，驅(qū)動電機(jī)實現(xiàn)小車的運動和停止，并將小車位置點信息點返回，滑軌移動控制算法如下

輸入：本地或遠(yuǎn)程服務(wù)器指令T(表4中的MODE、SET、QUERY)

輸出：下位機(jī)反饋信息K

hostOpenPort(上位機(jī)打開串口)，hostSetSerialPort(對串口進(jìn)參數(shù)設(shè)置)

while{//監(jiān)聽本地或者遠(yuǎn)程服務(wù)器指令

accept//獲取指令T}

switch(T)//解析指令T

case:MODE//控制方式選擇

case:SET//參數(shù)設(shè)置

case:QUERY//信息查詢

將上述解析后指令轉(zhuǎn)換為ModBus-RTU協(xié)議格式T′并發(fā)送至下位機(jī)

下位機(jī)接收T′并解析，產(chǎn)生相應(yīng)脈沖信號P控制小車運動和停止

下位機(jī)發(fā)送反饋指令K至上位機(jī)

2.3 紅外圖像采集和傳輸

紅外圖像的采集控制主要由上位機(jī)與紅外熱像儀的交互完成，上位機(jī)收到下位機(jī)控制器的反饋信息后，調(diào)用API接口服務(wù)，完成數(shù)據(jù)采集。紅外圖像數(shù)據(jù)的采集控制模式包括手動模式和自動模式。自動模式下，按照系統(tǒng)預(yù)設(shè)巡檢采集每個欄位點的生豬紅外圖像；手動模式下，按照用戶需求采集興趣欄位點生豬紅外圖像。采集的紅外圖像先進(jìn)行本地存儲，然后通過遠(yuǎn)程交互管理模塊的定時任務(wù)程序?qū)?shù)據(jù)傳輸?shù)竭h(yuǎn)程服務(wù)器，采集控制算法流程如下

輸入：紅外圖像采集指令T

輸出：相應(yīng)欄位點紅外圖像I

while{Accept//上位機(jī)接收紅外圖像采集指令T}

switch(T)//判斷指令類型

case:auto//自動模式

case:manual//手動模式

callAPIService //調(diào)用API服務(wù)

連接熱像儀A并設(shè)置相關(guān)參數(shù)map

采集圖像I，斷開熱像儀A并將紅外圖像存儲在本地

Task{//定時任務(wù)：上傳圖像到遠(yuǎn)程服務(wù)器

Upload(I)}

數(shù)據(jù)傳輸是指上位機(jī)與遠(yuǎn)程服務(wù)器的交互管理控制，二者使用Socket方式實現(xiàn)通信，主要包括指令交互和紅外圖像傳輸。紅外圖像數(shù)據(jù)的定時上傳在每次巡檢后進(jìn)行，將數(shù)據(jù)傳輸?shù)竭h(yuǎn)程服務(wù)器進(jìn)行保存。指令交互則是上位機(jī)通過監(jiān)聽服務(wù)器相應(yīng)端口，接收服務(wù)器遠(yuǎn)程控制指令并實現(xiàn)信息反饋，通信過程中，遠(yuǎn)程服務(wù)器向上位機(jī)發(fā)送的控制指令信息類型如表4所示。

表4 遠(yuǎn)程服務(wù)器向上位機(jī)發(fā)送的指令類型Tab.4 Type of instruction sent by remote server to equipment

3 試驗與結(jié)果分析

為驗證系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可行性，2018年7月在廣東省云浮市新興縣溫氏東成種豬場進(jìn)行了為期28 d的測試試驗。

3.1 系統(tǒng)布置與參數(shù)設(shè)定

試驗豬場為標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)施豬場，環(huán)境因子相對穩(wěn)定，可最大程度地去除豬舍內(nèi)環(huán)境因素的干擾。裝備安裝在限位欄豬舍，為盡可能不丟失豬只頭部區(qū)域的熱像分布圖，將熱像儀經(jīng)過區(qū)域定位在限位欄偏豬只頭部區(qū)域的正上方。單個限位欄長220 cm、寬75 cm、高106 cm，紅外熱像儀距離豬舍地面200 cm，滑軌安裝欄位共有28個。根據(jù)文獻(xiàn)[16-17]的研究，豬表面發(fā)射率為0.945～0.978不等，綜合考慮將發(fā)射率設(shè)置為0.95。試驗豬場環(huán)境溫濕度相對穩(wěn)定，可根據(jù)環(huán)境因子數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)整。由于限位欄豬只個體呈現(xiàn)不同姿態(tài)或行為時，其距離熱像儀鏡頭的距離也有所差異，通過密集觀察發(fā)現(xiàn)，當(dāng)豬只呈現(xiàn)不同姿態(tài)或行為時所采集的紅外圖像溫度差異效果不明顯，因此本文將距離設(shè)置為統(tǒng)一的120 cm。圖6為系統(tǒng)在設(shè)施豬場的布置情況。

圖6 系統(tǒng)現(xiàn)場布置圖Fig.6 System site layout

3.2 豬只紅外圖像采集精度試驗

精度試驗分為2個階段,第1階段采用自動巡檢方式進(jìn)行21 d紅外圖像的采集，頻率為每2 h巡檢28個欄位一次，每個欄位點每次停留3 s并采集1幅紅外圖像。巡檢模式下限位欄5號及6號豬只的拍攝效果如圖7所示，中間位置豬只為相應(yīng)欄位點的興趣豬只。第2階段采用手動模式進(jìn)行7 d特定豬只個體紅外圖像的采集，頻率為每0.5 h采集1次生豬紅外圖像。

圖7 紅外圖像采集樣例Fig.7 Infrared image acquisition sample

第1階段的試驗理論上每7 d采集2 352幅紅外圖像，第2階段試驗理論上采集336幅紅外圖像，在實際試驗中，由于熱像儀與上位機(jī)之間的交互存在一定丟包問題，因此采集精度低于100%，試驗采集情況如表5所示。第1階段21 d的缺失率分別為0.89%、1.19%、0.60%，第2階段的缺失率為1.79%，試驗平均缺失率為1.12%，可滿足自動化巡檢采集生豬紅外圖像的實際需求。

3.3 豬只耳根區(qū)域周期性巡檢試驗

第1階段的周期巡檢試驗共進(jìn)行21 d，試驗期間共采集了6 993幅豬只紅外圖像，通過FLIR Tools工具對采集的豬只紅外圖像溫度分布情況進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)溫度最大值絕大部分集中在豬只耳根區(qū)域。根據(jù)文獻(xiàn)[13]提出的生豬體表溫度分布變化可以作為其健康狀況檢測的補充診斷程序及文獻(xiàn)[18-19]相關(guān)研究表明，生豬紅外圖像的耳根區(qū)域的最大溫度及平均溫度均保持了與生豬直腸溫度較好的相關(guān)性。因此，在總結(jié)國內(nèi)外相關(guān)學(xué)者的研究成果的基礎(chǔ)上[5,20-22]，結(jié)合巡檢試驗所采集的生豬紅外圖像溫度分布情況，確定以生豬耳根區(qū)域作為其體溫檢測的敏感區(qū)域。限位欄1～6號豬只耳根區(qū)域周期性巡檢統(tǒng)計結(jié)果如圖8a所示，前20個限位欄豬只耳根區(qū)域周期性巡檢精度如圖8b所示。

表5 試驗過程紅外圖像采集情況Tab.5 Infrared image acquisition during experiment

由于限位欄空間較小，豬只主要呈現(xiàn)3種姿態(tài)：側(cè)躺、趴和站立，白天豬只以站立和趴為主，晚上則以側(cè)躺為主。當(dāng)豬只呈現(xiàn)趴和側(cè)躺姿態(tài)時，豬只耳根區(qū)域輪廓較為清晰；當(dāng)豬只站立，發(fā)生飲水或進(jìn)食行為時，其頭部向下，難以捕捉較為明顯的耳根區(qū)域輪廓。圖8b結(jié)果表明，耳根區(qū)域巡檢精度都在90%以上，裝置所采集的紅外圖像能有效監(jiān)測豬耳根區(qū)域溫度情況，驗證了本文巡檢裝置安裝高度、角度的合理性。

圖8 豬只耳根區(qū)域巡檢試驗結(jié)果Fig.8 Inspection experiment result of ear roots region of pig

3.4 豬只耳根區(qū)域溫度監(jiān)測試驗

相關(guān)研究[4]表明，一般豬只的正常體溫范圍為38.0～39.5℃，耳根區(qū)域體表溫度較直腸體溫要低。本文試驗豬場為現(xiàn)代化的設(shè)施豬場，豬場內(nèi)部溫濕度等環(huán)境因子能夠得到有效的調(diào)控，在一定程度上能夠減少豬舍環(huán)境對豬只耳根區(qū)域溫度變化的干擾。試驗通過FLIR Tools工具提取了限位欄3～6號豬只2018年7月17—21日連續(xù)5 d(所選擇時間段豬只無異常)的耳根區(qū)域最高溫度，其溫度變化曲線如圖9所示。由溫度變化曲線得出，限位欄3～6號豬只在連續(xù)5 d內(nèi)耳根區(qū)域溫度最大值變化趨勢基本保持一致，總體都呈先下降后上升再下降的變化趨勢，其中耳部區(qū)域溫度最大值為39.1℃，最小值為36.3℃。所測得的豬只體溫白天整體高于黑夜，一方面是因為豬只的進(jìn)食時間為07:00—08:00及17:00—18:00且白天豬只由于進(jìn)食、飲水等行為呈現(xiàn)一種較為活躍的狀態(tài)，因此溫度較高；另一方面，試驗期間正處夏季，設(shè)施豬場內(nèi)部環(huán)境溫濕度雖得到有效控制，但晝夜溫度差異也對所得到的溫度數(shù)據(jù)有一定的影響。

圖9 3～6號豬只耳根區(qū)域溫度最大值變化曲線Fig.9 Maximum temperature curves of ear roots region from pigs 3 to 6

如圖10所示，對3～6號豬只2018年7月17—21日連續(xù)5 d采集的耳根區(qū)域溫度最大值進(jìn)行均值分析。結(jié)果表明，3～6號豬只耳根溫度最大值均值均在37℃以上，不同豬只個體間所測得耳根溫度有差異。6號豬只相對3、4、5號豬只而言，其均值最大，4號豬只則均值最小。總體而言，溫度數(shù)值較為穩(wěn)定，在一定程度上驗證了溫度數(shù)值的科學(xué)性，后期可結(jié)合環(huán)境因子數(shù)據(jù)、豬只姿態(tài)、行為等數(shù)據(jù)深入挖掘分析，為健康養(yǎng)殖、福利養(yǎng)殖提供技術(shù)支撐。

圖10 3～6號豬只耳根區(qū)域日溫度最大值均值Fig.10 Daily average temperature of ear roots region of pigs 3 to 6

4 結(jié)論

(1)設(shè)計了一種基于紅外技術(shù)的設(shè)施豬場生豬體溫巡檢系統(tǒng)，通過各裝置及相應(yīng)控制系統(tǒng)可實現(xiàn)生豬紅外圖像的自動化巡檢采集、有效存儲和遠(yuǎn)程傳輸。

(2)對系統(tǒng)進(jìn)行試驗測試，試驗結(jié)果表明，該系統(tǒng)運行穩(wěn)定，巡檢過程紅外圖像平均缺失率為1.12%，豬只耳根區(qū)域周期性巡檢精度在90%以上，在一定程度上驗證了系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可行性。

(3)連續(xù)5 d對限位欄3～6號豬只的耳根區(qū)域溫度最大值及日均值進(jìn)行監(jiān)測分析，驗證了所采集紅外圖像溫度數(shù)值的科學(xué)性，也為后續(xù)研究豬只行為、體溫異常提供了數(shù)據(jù)支撐。