一種基于LEPTON 3.5的生豬體溫監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

楊震倫 石坤泉 劉柱棟 何俊凡

摘 ?要：生豬養(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)是我國(guó)最重要的畜牧產(chǎn)業(yè)之一，而生豬體溫的測(cè)量在疫病防治中具有重要作用。針對(duì)常規(guī)的接觸式生豬體溫測(cè)量方法人力成本高及效率低的問(wèn)題，文章基于熱成像模塊LEPTON 3.5設(shè)計(jì)了一種非接觸式的生豬體溫監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，在豬舍部署之后能自動(dòng)對(duì)生豬對(duì)象進(jìn)行連續(xù)的體溫監(jiān)測(cè)，可以被應(yīng)用到生豬養(yǎng)殖的體溫異常的篩選中，具有易于部署及使用，自動(dòng)化程度高等優(yōu)點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：LEPTON 3.5;紅外測(cè)溫;生豬體溫監(jiān)測(cè);STM32單片機(jī)

中圖分類(lèi)號(hào)：TP23 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? ? ? ? 文章編號(hào)：2095-2945（2020）19-0028-04

Abstract： Pig breeding industry is one of the most important animal husbandry industries in China， and the measurement of pig body temperature plays an important role in epidemic prevention and control. In order to solve the problems of high labor cost and low efficiency of the conventional contact pig temperature measurement method， a non-contact pig temperature monitoring system is designed based on the thermal imaging module LEPTON 3.5. After the pig house is deployed， it can automatically monitor the body temperature of pig objects continuously， and can be applied to the screening of abnormal body temperature in pig breeding. It has the advantages of easy deployment and use， high degree of automation， and so on.

Keywords： LEPTON 3.5; infrared temperature measurement; pig temperature monitoring; STM32 single chip microcomputer

引言

生豬養(yǎng)殖業(yè)作為我國(guó)畜牧養(yǎng)殖業(yè)中最具代表性的產(chǎn)業(yè)，如何有效控制養(yǎng)殖成本，規(guī)避大規(guī)模疾病感染風(fēng)險(xiǎn)并實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益是近年來(lái)相關(guān)研究工作者與養(yǎng)殖場(chǎng)管理人員密切關(guān)注的內(nèi)容。生豬體溫的變化是生豬生理狀況的直接反映，體溫變化的規(guī)律及狀況在臨床上是診斷感染疾病類(lèi)型的有效參考依據(jù)，偏離了正常范圍的生豬體溫變化往往預(yù)示著某些疾病的發(fā)生[1]，持續(xù)異常的體溫變化若不能得到及時(shí)的控制與處理，可能導(dǎo)致生豬的嚴(yán)重疾病甚至是死亡。對(duì)于生豬體溫的持續(xù)監(jiān)控一方面能早期發(fā)現(xiàn)患病的生豬個(gè)體、另一方面有利于對(duì)傳染病在生豬群體的發(fā)展程度進(jìn)行評(píng)估等，因此，在生豬養(yǎng)殖中監(jiān)測(cè)生豬體溫的變化情況并利用來(lái)對(duì)生豬疾病進(jìn)行防控具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

養(yǎng)殖生豬從保育豬，到長(zhǎng)肉以及成年的各個(gè)階段，身體成長(zhǎng)較快，體溫變化大，采用人工監(jiān)測(cè)體溫的方法要求管理者具有較為豐富的養(yǎng)殖經(jīng)驗(yàn)以及疾病防控經(jīng)驗(yàn)，而養(yǎng)殖場(chǎng)現(xiàn)有的體溫信息獲取方法，多使用體溫計(jì)，耳溫槍等測(cè)溫工具直接接觸生豬，獲取其直腸溫度或者是耳部溫度，這類(lèi)測(cè)量方法易受生豬的情緒起伏、測(cè)量次數(shù)等因素影響，并存在易引起交叉感染等缺點(diǎn)，并不適用于集約化養(yǎng)殖場(chǎng)。通過(guò)手持的紅外熱像儀對(duì)生豬體溫進(jìn)行監(jiān)測(cè)的方法[2]雖然能避免直接接觸生豬，但是由于養(yǎng)殖場(chǎng)中生豬的數(shù)量較多，需要配備專(zhuān)門(mén)的人員進(jìn)行測(cè)量，這造成養(yǎng)殖成本的增加。有研究采用了PC機(jī)+小車(chē)+紅外熱像儀的方案實(shí)現(xiàn)了生豬體溫巡檢系統(tǒng)，但是由于體積大、成本高并且只能適用于限位欄豬舍，其應(yīng)用范圍較窄[3]。還有研究采用了紅外攝像頭+現(xiàn)場(chǎng)服務(wù)器的方式定點(diǎn)采集豬舍某個(gè)區(qū)域的溫度并用Labview來(lái)實(shí)現(xiàn)紅外圖像中的目標(biāo)識(shí)別和溫度提取，然而這種方案也存在著體積大，成本高，且采集范圍有限，無(wú)法在多種規(guī)模的生豬養(yǎng)殖場(chǎng)中得到實(shí)際應(yīng)用等問(wèn)題[4]。隨著紅外成像技術(shù)與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的持續(xù)發(fā)展，在養(yǎng)殖中使用更為先進(jìn)高效的小體積，靈活性高的體溫自動(dòng)監(jiān)測(cè)方法能更好的滿(mǎn)足現(xiàn)代化、規(guī)?；B(yǎng)殖場(chǎng)的需要，是幫助養(yǎng)殖農(nóng)戶(hù)實(shí)現(xiàn)生豬疾病防控的有效手段。

本文基于先進(jìn)的紅外熱成像模塊LEPTON 3.5，結(jié)合自主研發(fā)的熱圖像分析處理算法與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)一種非接觸式生豬體溫自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，與現(xiàn)有的生豬體溫監(jiān)測(cè)方法相比，具有易于部署及使用、經(jīng)濟(jì)高效等特點(diǎn)，更適合在集約化生豬養(yǎng)殖場(chǎng)的普及使用。

1 LEPTON 3.5功能介紹

LEPTON 3.5是菲利爾公司（FLIR）生產(chǎn)的高分辨率微型紅外熱成像模塊，具有體積小，分辨率高，易于集成，功能強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)?；贚EPTON 3.5模塊可以實(shí)現(xiàn)熱像儀，也可以設(shè)計(jì)各種需要獲取溫度的其它各類(lèi)應(yīng)用系統(tǒng)，如智能手機(jī)、診斷工具、汽車(chē)、物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備、安防系統(tǒng)、機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)、高級(jí)游戲設(shè)備、無(wú)人機(jī)系統(tǒng)等[5]。LEPTON 3.5模塊的主要特點(diǎn)為：（1）160×120有效像素;（2）長(zhǎng)波紅外，波長(zhǎng)為8μm 至 14μm;（3）熱靈敏度<50mK（0.050℃）;（4）具有25°，50°和57°水平視場(chǎng)（HFOV）的配置;（5）快速成像 （< 1.2 秒）;（6）低功耗（常規(guī)為160mW，快門(mén)為800mW，低功耗模式為5mW）;（7）RoHS兼容。

LEPTON 3.5模塊內(nèi)置集成的數(shù)字熱圖像處理功能，包括自動(dòng)熱環(huán)境補(bǔ)償，噪聲濾波器，非均勻性校正和增益控制等。在硬件接口方面，提供了與標(biāo)準(zhǔn)Molex或類(lèi)似的側(cè)面接觸連接器的32針插座接口，其中包括了基于SPI的視頻接口和類(lèi)似于IIC的串行控制接口CCI。在軟件接口方面，則提供了包括16位的命令寄存器、攝像頭開(kāi)啟寄存器、狀態(tài)寄存器、數(shù)據(jù)長(zhǎng)度寄存器及數(shù)據(jù)寄存器等接口，并基于這些寄存器提供了一整套軟件開(kāi)發(fā)接口（SDK）。Lepton SDK將軟件接口劃分為獨(dú)立的子系統(tǒng)或模塊。主要包括用于配置視頻輸出對(duì)比度和亮度處理的AGC模塊、提供攝像頭系統(tǒng)的信息和狀態(tài)的SYS模塊、提供處理視頻數(shù)據(jù)控制的VID模塊、提供系統(tǒng)的其他配置和控制功能以及相關(guān)的信息和狀態(tài)查詢(xún)的OEM模塊、提供輻射特性控制的RAD模塊等。

由于LEPTON 3.5模塊的各種優(yōu)良的特性，使其得到眾多開(kāi)發(fā)者的青睞，也有一些第三方的機(jī)構(gòu)如GetLab等為L(zhǎng)EPTON 3.5模塊開(kāi)發(fā)了一些外圍的模塊，使得LEPTON 3.5模塊能夠更為簡(jiǎn)易地集成到各類(lèi)應(yīng)用系統(tǒng)中。

2 基于LEPTON 3.5的生豬體溫監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

下面將分別對(duì)生豬體溫監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的硬件和軟件設(shè)計(jì)分別展開(kāi)闡述。

2.1 硬件設(shè)計(jì)

本文提供了一個(gè)具有可伸縮性的生豬體溫監(jiān)測(cè)系統(tǒng)硬件方案，其結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，包括了由線段虛線框和點(diǎn)狀虛線框分別框起來(lái)的兩種方案。線段虛線框的方案主要應(yīng)用于數(shù)據(jù)收集場(chǎng)合，而點(diǎn)狀虛線框的方案主要面向數(shù)據(jù)收集及現(xiàn)場(chǎng)的處理報(bào)警等應(yīng)用場(chǎng)合。兩個(gè)方案都包括了前端的數(shù)據(jù)采集及預(yù)處理模塊，包括了紅外熱成像模塊LEPTON 3.5，微處理器STM32F417及能讀取生豬耳標(biāo)的RFID讀頭。STM32F417是意法半導(dǎo)體公司的一款高性能32位微處理器，基于ARM的Cortex-M4架構(gòu)，其內(nèi)部同時(shí)整合了MCU和DSP功能與特性，具有強(qiáng)大的控制和數(shù)字信號(hào)處理能力，在有一定的圖像處理需要的控制系統(tǒng)的應(yīng)用中具有一定的優(yōu)勢(shì)[6]。STM32F417通過(guò)SPI接口及IIC接口與LEPTON 3.5連接來(lái)控制LEPTON 3.5的工作并獲取紅外圖像，通過(guò)UART接口來(lái)連接RFID讀頭來(lái)讀取生豬耳標(biāo)上的生豬個(gè)體標(biāo)記信息。

針對(duì)生豬體溫測(cè)量的不同應(yīng)用需求，本文提供了兩套方案，如果只需要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)收集，則可采用圖1中線段虛線框所框起來(lái)的方案，除了數(shù)據(jù)采集及預(yù)處理模塊之外，還增加了用于數(shù)據(jù)的本地存儲(chǔ)的SD卡和用于將數(shù)據(jù)傳輸?shù)竭h(yuǎn)程服務(wù)器的WIFI網(wǎng)卡。這種方案具有體積小，成本低等特點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)在生豬養(yǎng)殖場(chǎng)的多點(diǎn)部署，全面覆蓋生豬活動(dòng)范圍，從而實(shí)現(xiàn)有效的生豬體溫連續(xù)監(jiān)控。另一套方案采用圖1中點(diǎn)狀虛線框?qū)?yīng)的硬件結(jié)構(gòu)，是面向數(shù)據(jù)收集及現(xiàn)場(chǎng)的離線處理報(bào)警的應(yīng)用場(chǎng)合。該方案在數(shù)據(jù)采集及預(yù)處理模塊基礎(chǔ)上，增加了一塊UP2板。UP2板（UP Squared Board）是研揚(yáng)科技推出的一種小體積的單板計(jì)算機(jī)，板上的CPU包括了Intel 賽揚(yáng)N3350/奔騰N4200/凌動(dòng)E3940中的一種，內(nèi)存為L(zhǎng)PDDR4，提供1GB到8GB的可選配置，存儲(chǔ)為16GB到128GB eMMC的可選配置，還包含支持4K編解碼器的Intel Gen9 GPU。UP2板提供了40引腳GPIO、60引腳EXHAT連接器，可以支持SATA3、PCIe和M.2的擴(kuò)展端口。UP2板還具有多個(gè)USB端口和CSI、HDMI、DP和eDP接口。UP2板已經(jīng)被應(yīng)用到數(shù)據(jù)采集和控制等應(yīng)用場(chǎng)合當(dāng)中[7]。增加了UP2板之后，相當(dāng)于在數(shù)據(jù)采集及預(yù)處理模塊的后面增加了一個(gè)小型計(jì)算機(jī)，可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和現(xiàn)場(chǎng)處理，并給出即時(shí)的反饋。該方案能有效實(shí)現(xiàn)生豬養(yǎng)殖場(chǎng)管理員所關(guān)心的重點(diǎn)監(jiān)控的單點(diǎn)生豬體溫監(jiān)控。由于UP2板自帶以太網(wǎng)口，也可以擴(kuò)展WIFI網(wǎng)卡，所以本方案也支持將所采集的數(shù)據(jù)提交到遠(yuǎn)程服務(wù)器中。

2.2 軟件設(shè)計(jì)

在動(dòng)物體溫的測(cè)量上，紅外熱像儀比較適合測(cè)定豬的皮溫，因?yàn)樨i的皮膚上的被毛并不像其它大型養(yǎng)殖動(dòng)物的被毛那么厚，而且豬的皮膚還有一些裸露的區(qū)域[8]。有研究表明，與體溫相關(guān)性最高的生豬皮膚測(cè)量位點(diǎn)是耳朵、眼睛和乳房。有研究表明，生豬體溫與皮溫區(qū)域的關(guān)系上，眼睛和耳朵是較為能重復(fù)體現(xiàn)體溫的皮膚區(qū)域。而對(duì)于生豬耳朵皮溫與體溫的相關(guān)性研究中發(fā)現(xiàn)耳根與體溫的相關(guān)性明顯高于耳尖與體溫的相關(guān)性[2]。因此利用紅外熱成像模塊來(lái)對(duì)生豬的體溫進(jìn)行監(jiān)測(cè)，隨著監(jiān)測(cè)目的和精度的不同要求，對(duì)于生豬溫度采集區(qū)域的要求也有一定差別，如果是大規(guī)模的篩查，對(duì)于精度要求較低，則對(duì)生豬頭部進(jìn)行溫度采集并獲取高溫點(diǎn)即可實(shí)現(xiàn)，如果有精度要求，則以耳根和眼睛區(qū)域的溫度采集為佳。

本文也分別提供了與兩種硬件方案對(duì)應(yīng)的軟件設(shè)計(jì)方案，如圖2所示。其中實(shí)線框內(nèi)的是面向數(shù)據(jù)收集場(chǎng)合的功能，虛線框內(nèi)的是面向數(shù)據(jù)收集及現(xiàn)場(chǎng)的處理報(bào)警等應(yīng)用場(chǎng)合的功能。圖像采集模塊和個(gè)體信息讀取模塊是基本的模塊，主要實(shí)現(xiàn)了對(duì)生豬對(duì)象的紅外圖像信息的采集和個(gè)體信息的讀取，其中圖像采集模塊的流程圖如圖3所示。其具體的操作主要涉及到對(duì)本文對(duì)LEPTON 3.5介紹內(nèi)容中的各類(lèi)寄存器的讀寫(xiě)操作，相關(guān)操作流程可參見(jiàn)官方提供的LEPTON 3.5軟件接口描述文檔（FLIR LEPTON

Software IDD）。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊及數(shù)據(jù)傳輸模塊的操作屬于較為通用的功能，在此不再贅述。

圖像識(shí)別模塊、異常檢測(cè)及報(bào)警模塊是在UP2板上實(shí)現(xiàn)，本文的設(shè)計(jì)是在UP2板上安裝Linux操作系統(tǒng)，再使用Python語(yǔ)言撰寫(xiě)的代碼來(lái)實(shí)現(xiàn)相關(guān)功能。其具體實(shí)現(xiàn)需要考慮設(shè)備的部署位置，本文參照現(xiàn)有在生豬限位欄上方采集圖像的做法[3]給出了一種實(shí)現(xiàn)的方法，如果部署到其它位置，隨著采集角度的變化對(duì)其中目標(biāo)提取方法進(jìn)行調(diào)整即可，本文的圖像識(shí)別模塊、異常檢測(cè)及報(bào)警模塊的流程圖分別如圖4和圖5所示。

其中圖像識(shí)別模塊需要根據(jù)原始的紅外圖像判斷是否存在需要采集的生豬對(duì)象的信息，從限位欄上方采集，可以采用簡(jiǎn)單的圓形識(shí)別的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)判斷。在獲得了生豬對(duì)象的輪廓后，異常檢測(cè)及報(bào)警模塊的功能主要是需要定位到關(guān)心的區(qū)域如耳根處并結(jié)合紅外熱成像模塊LEPTON 3.5所提供的紅外圖像每個(gè)像素點(diǎn)的溫度信息來(lái)確定生豬對(duì)象的體溫。如果體溫信息超出預(yù)先設(shè)置的范圍，則進(jìn)行報(bào)警。這里的關(guān)鍵是定位耳根位置，目前已經(jīng)有一些方法研究基于當(dāng)前對(duì)象，利用先驗(yàn)的生豬體態(tài)信息來(lái)判斷耳根的位置[9]。本文所面向的在限位欄上方的拍攝方式，通過(guò)確定生豬的頭部，再按一定比例截取生豬頭部的圖像，再根據(jù)簡(jiǎn)單而有效的先驗(yàn)信息來(lái)獲取耳根的位置。

3 結(jié)論

本文從生豬養(yǎng)殖業(yè)對(duì)生豬疾病的早發(fā)現(xiàn)從而實(shí)現(xiàn)有效防治的需求出發(fā)，根據(jù)生豬養(yǎng)殖環(huán)境的特點(diǎn)和生豬自身的特點(diǎn)，提供了一套實(shí)用性的方案，具有體積小、易于部署的特點(diǎn)，兼顧了生豬體溫的多點(diǎn)監(jiān)控及特定區(qū)域重點(diǎn)監(jiān)控的需求，具有較高的實(shí)用價(jià)值，對(duì)于其它大型牲畜的體溫監(jiān)測(cè)系統(tǒng)提供了有益的設(shè)計(jì)參考。

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