《智慧農(nóng)業(yè)下育肥豬運動量監(jiān)測裝備設(shè)計》12000字（論文）

目錄PAGEIIIPAGEII智慧農(nóng)業(yè)下育肥豬運動量監(jiān)測裝備設(shè)計摘要隨著我國智慧農(nóng)業(yè)的不斷發(fā)展與完善，越來越多的規(guī)模化、集約化養(yǎng)殖業(yè)開始出現(xiàn)。自動化養(yǎng)殖，種植，在我國大部分地區(qū)開始進行試點。正如當下較為熱門的自動化養(yǎng)殖育肥豬。并且隨著智慧農(nóng)業(yè)的不斷發(fā)展，自動化養(yǎng)豬也將成為養(yǎng)豬業(yè)的主要發(fā)展趨勢。正因此，在自動化養(yǎng)殖育肥豬的過程當中，研究人員需要對育肥豬的每日各種行為特征進行監(jiān)測，以此來保障整個養(yǎng)殖業(yè)能夠高效的進行養(yǎng)殖育肥豬。監(jiān)測育肥豬的行為之一便是對育肥豬的每日運動量進行檢測。因為運動量檢測是豬的自動化養(yǎng)殖的重要標準之一，準確高效的檢測育肥豬的每日運動量，有利于分析育肥豬的生理、健康和福利狀況[1]。傳統(tǒng)的動物行為檢測方法主要有動物飼養(yǎng)員現(xiàn)場觀察[2]或者觀看監(jiān)控視頻[3]，但這些動物行為檢測會消耗大量的人力資源與時間。因此本文提出豬的運動量測量可以通過人為選定的豬只作為研究對象，利用加速度測量運動量的原理上給選定的豬身上佩戴無線傳感器。該傳感器包括藍牙模塊和低功耗三軸加速度傳感器組成。藍牙模塊通過固定的時間段讀取三軸的分加速度，計算出合加速度后進行對數(shù)據(jù)的發(fā)送。將發(fā)送的數(shù)據(jù)存儲到數(shù)據(jù)庫服務(wù)器當中，便于對后期數(shù)據(jù)處理，從而得出對豬的運動量的測量。另外設(shè)計的傳感器佩戴在豬身上時，不能使豬只會對傳感器產(chǎn)生嚴重的過激行為。關(guān)鍵詞：育肥豬運動量監(jiān)測裝備；三軸加速度傳感器；藍牙；數(shù)據(jù)庫目錄TOC\o'1-3'\h\z\u摘要 I第一章緒論 11.1研究意義 11.2國內(nèi)外研究進展 11.3應用前景 2第二章研究內(nèi)容 32.1三軸加速度傳感器 32.2藍牙模塊 32.3數(shù)據(jù)庫模塊 32.4硬件設(shè)計 32.5三軸加速度數(shù)據(jù)處理 52.6數(shù)據(jù)讀取與無線發(fā)送 52.7程序設(shè)計 62.8育肥豬運動量監(jiān)測裝備功耗測量 62.9系統(tǒng)設(shè)計 7第三章研究結(jié)果 83.1監(jiān)測裝備物理分析 83.2三種不同工作電流狀態(tài)分析 83.3育肥豬運動加速度數(shù)據(jù)分析 93.4閾值 103.5育肥豬運動量監(jiān)測裝備平均功耗 10第四章結(jié)論與討論 12第五章展望 13參考文獻 14第一章緒論PAGE19PAGE18第一章緒論1.1研究意義隨著我國在規(guī)?；⒓s化養(yǎng)殖業(yè)的大力投資與發(fā)展，自動化養(yǎng)殖已成為我國大部分地區(qū)的熱門養(yǎng)殖方式之一。其中自動化養(yǎng)豬也逐漸成為養(yǎng)豬業(yè)的主要發(fā)展趨勢。因此，在自動化養(yǎng)豬當中，需要對育肥豬的各種行為特征進行監(jiān)測。例如育肥豬的每日運動量檢測。運動量檢測是豬的自動化養(yǎng)殖的重要標準之一，準確高效的檢測育肥豬的每日運動量，有利于分析育肥豬的生理、健康和福利狀況[1]。動物的行為是研究動物個體信息的重要組成部分之一，因此研究人員對于動物的基本行為檢測與識別已經(jīng)成為當下研究熱點之一。傳統(tǒng)的動物行為檢測方法主要有動物飼養(yǎng)員現(xiàn)場觀察[2]或者觀看監(jiān)控視頻[3]，但這些動物行為檢測會消耗大量的人力資源與時間。因此本文提出豬的運動量測量可以通過人為選定的豬只作為研究對象，利用加速度測量運動量的原理上給選定的豬身上佩戴無線傳感器。該傳感器包括藍牙模塊和低功耗三軸加速度傳感器組成。藍牙模塊通過固定的時間段讀取三軸的分加速度，計算出合加速度后進行對數(shù)據(jù)的發(fā)送。將發(fā)送的數(shù)據(jù)存儲到數(shù)據(jù)庫服務(wù)器當中，便于對后期數(shù)據(jù)處理，從而得出對豬的運動量的測量。另外設(shè)計的傳感器佩戴在豬身上時，不能使豬只會對傳感器產(chǎn)生嚴重的過激行為。1.2國內(nèi)外研究進展近年來，國內(nèi)外已經(jīng)展開了利用信息化技術(shù)進行動物的行為檢測?；诩铀俣葌鞲衅鱽頇z測和分析動物的運動量是目前主要的熱門方法之一[4]。該方法被廣泛的應用于不同的動物的運動量檢測當中去。本文研究的傳感器設(shè)備主要是用于對于育肥豬的每日運動量的監(jiān)測與分析。國外已經(jīng)開展了通過監(jiān)測母豬的筑窩行為和體溫變化來自動判斷母豬分娩時間的研究。Ｃｏｒｎｏｕ和Ｌｕｎｄｂｙｅ-Ｃｈｒｉｓｔｅｎｓｅｎ提出了采用加速度傳感器[5]和藍牙技術(shù)[6]對群養(yǎng)模式下每頭母豬的行為進行分類，但藍牙模塊功耗大，傳輸距離小，采用４節(jié)５號干電池供電，體積大，不適合安裝在母豬身上。Ｏｌｉｖｉｅｒo等利用地毯式的壓力傳感器監(jiān)測母豬的走動行為[7]，同時在產(chǎn)床0.６ｍ高處安裝光電傳感器監(jiān)測母豬的站立或躺臥行為，綜合判斷母豬分娩時間。Ｃｏｒｎｏｕ等利用布帶把三軸加速度傳感器和藍牙模塊固定在母豬頸部，進行運動信息采集并無線傳輸?shù)絇Ｃ，采用多進程卡爾曼濾波方法對母豬行為進行分類，判斷母豬分娩時間。國內(nèi)已經(jīng)開展了基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的奶牛行為特征監(jiān)測系統(tǒng)的研究用于判斷奶牛發(fā)情和疾病狀況。目前國內(nèi)尚未有利用三軸加速度傳感器和無線傳感網(wǎng)絡(luò)進行母豬產(chǎn)前行為特征實時監(jiān)測的報道雖然近年來，對于利用加速度傳感器來進行對育肥豬的運動量進行檢測，但是在已有的研究當中所采用的加速度傳感器普遍存在著功耗高、體積大和佩戴不方便等問題[8]。并且在使用的過程當中會，由于不易給育肥豬進行佩戴，為此會消耗大量研究人員的的時間與精力，同時，育肥豬也會容易對設(shè)備產(chǎn)生過激反應，導致整個研究過程受阻，從而降低了其在實際生產(chǎn)中的應用價值。1.3應用前景一直以來育肥豬的行為監(jiān)測與數(shù)據(jù)分析是自動化養(yǎng)豬業(yè)中的重要指標之一。通過對于育肥豬的運動量檢測，人們可以更好的得出當前育肥豬的動物狀況，從而進行適當?shù)母淖?，從而能夠更快的打下精準畜牧業(yè)的基礎(chǔ)[9]第二章研究內(nèi)容第二章研究內(nèi)容2.1三軸加速度傳感器本文對于測量育肥豬運動量的測量主要采取的辦法便是通過對育肥豬進行佩戴特定的裝置來對育肥豬每日的活動量進行監(jiān)測。其中涉及的最重要的部分便是三軸加速度傳感器。該裝置中配有三軸加速度傳感器，在這一情況下，當育肥豬進行活動時，必然對應的會有相應的加速度產(chǎn)生，由于空間的原因，所以育肥豬所因運動而產(chǎn)生的加速度必然是三軸都存在的，而剛好三軸加速度傳感器能夠?qū)軸，Y軸，Z軸，三個方向同時進行加速度的測量[10]。因此在得到三個方向的加速度后，可以通過公式計算出育肥豬的總加速度。合成加速度（a）的公式為：圖2-12.2藍牙模塊在本文所設(shè)計的育肥豬運動量監(jiān)測的設(shè)備當中，藍牙模塊是一個必不可少的模塊。考慮到本文的主要目標是研制育肥豬運動量監(jiān)測系統(tǒng)同，因此需要將三軸加速度傳感器所采集到的育肥豬在不同的時間段的加速度的數(shù)據(jù)傳輸給數(shù)據(jù)庫，在傳統(tǒng)監(jiān)測育肥豬的運動量的主要做法便是通過網(wǎng)關(guān)，來監(jiān)測和采集育肥豬的每日運動數(shù)據(jù)并且進行傳送數(shù)據(jù)，網(wǎng)關(guān)的功能是匯聚各節(jié)點傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，提取出三軸加速度傳感器在三個對應軸上所采集到的加速度數(shù)據(jù)，并記錄開始接收每組數(shù)據(jù)的時間，存入數(shù)據(jù)庫的相應字段，同時利用網(wǎng)絡(luò)實時上傳到服務(wù)器[11]，服務(wù)器實時接收數(shù)據(jù)并對數(shù)據(jù)進行處理。但考慮到實際情況以及實驗的可行性，本文采取的是通過藍牙裝置來將三軸加速度傳感器采集到的數(shù)據(jù)輸送到數(shù)據(jù)庫當中。2.3數(shù)據(jù)庫模塊除了育肥豬運動量檢測系統(tǒng)的硬件模塊之外，還需要軟件模塊對所采集到的數(shù)據(jù)進行處理，因此在數(shù)據(jù)庫方面，對于藍牙模塊所傳輸?shù)娜S加速度傳感器所采集到的三軸加速度，數(shù)據(jù)庫要能夠?qū)崿F(xiàn)對不同時間段的數(shù)據(jù)的存儲，以便后期的數(shù)據(jù)分析，得出育肥豬的運動規(guī)律。數(shù)據(jù)庫同樣也支持實時查詢功能，方便研究人員對不同時間段的育肥豬的運動數(shù)據(jù)進行快速的查詢[12]。2.4硬件設(shè)計育肥豬所配戴的特定裝備是整個育肥豬運動量監(jiān)測系統(tǒng)的前端信息采集部分，本文的研究目的是設(shè)計出一種低消耗的三軸加速度數(shù)據(jù)采集設(shè)備。該設(shè)備有上文的三軸加速度傳感器，藍牙模塊構(gòu)成。在三軸加速度傳感器方面，由于目前的加速度傳感器選擇種類繁多，但考慮到育肥豬的運動特點，不宜使用功耗較高的加速度傳感器，因此要選擇低功耗的三軸加速度傳感器，此外在藍牙模塊還中集成了一塊C51控制器。因此育肥豬所配戴的特定裝備的電路設(shè)計框圖如圖1所示。圖1電路設(shè)計圖圖2-2圖2-1Fig.1Blockdiagramofthederive在該特定裝備中，本次研究將三軸加速度傳感器和藍牙模塊集成了在同一個PCB板子當中。此外該裝備還配備了一個紐扣電池（CR2032）為藍牙模塊進行供電。另外，因為本文研究裝備的一個重要意義便是低功耗。因此，為降整個裝備所消耗的功耗，藍牙模塊要做到只有在育肥豬進行日常的運動時，才會開始執(zhí)行任務(wù)。當育肥豬不處于運動狀態(tài)時，藍牙模塊則便相應的進入到休眠狀態(tài)[12]，以此來達到降低整體裝備所消耗的功耗的效果。三軸加速度傳感器的供電則由藍牙模塊中所集成的C51控制器的IO接口來進行，該IO接口只有在讀取三軸加速度傳感器所采集到的加速度數(shù)據(jù)時才會輸出高電平，其他情況下則為低電平，在這樣的情況下，整體的裝備所消耗的功耗也會降低。此外，控制器通過I2C總線讀取三軸加速度傳感器所采集到的加速度數(shù)據(jù)。該特定的裝備PCB板及外殼如圖2所示。圖2PCB板圖圖2-3圖2-2Fig.2PCBphotographs2.5三軸加速度數(shù)據(jù)處理育肥豬的經(jīng)典運動行為包括日常的睡覺，站立，走動，進食等等，但育肥豬的運動均有一個特點便是，育肥豬的運動較為緩慢。因此，根據(jù)育肥豬這一運動特點，本次研究所采取的三軸加速度傳感器的量程為（-2g，+2g）（1g=9.81m*s-2)[13]。另外，三軸加速度傳感器的輸出數(shù)據(jù)位數(shù)有8位和14位兩種，相應的位數(shù)越大，所對應的精度便越高，但這也增加了大量的數(shù)據(jù)量，意味著整體的設(shè)備所消耗的功耗也會大大的增加。而本文的研究內(nèi)容是希望設(shè)計出低功耗的育肥豬運動量監(jiān)測裝備，因此為達到降低裝備所消耗的功耗的目的，本文選擇將三軸加速度傳感器的輸出數(shù)據(jù)位數(shù)設(shè)置為8位，其精度為1/64g（0.1533g）。相應的藍牙模塊每次從三軸加速度傳感器中讀取3個字節(jié)的數(shù)據(jù)，分別對應的便是X軸，Y軸，Z軸，三軸的加速度（ax，ay，az，）。但由于育肥豬的X，Y，Z三軸的朝向并不是固定的。因此可以利用合加速度的數(shù)據(jù)對育肥豬進行每日運動量的監(jiān)測。另外，考慮到為減少無線數(shù)據(jù)傳送的數(shù)據(jù)量，可以首先計算出合加速度，然后再通過藍牙模塊進行無線數(shù)據(jù)傳送。合加速度的計算公式可以參考上文合加速度（a）的計算公式。2.6數(shù)據(jù)讀取與無線發(fā)送在傳統(tǒng)的對動物的運動監(jiān)測當中，所涉及的監(jiān)測設(shè)備都是通過固定的時間段和周期進行對動物的加速度數(shù)據(jù)的讀取和進行無線發(fā)送。無線發(fā)送所采集到的加速度數(shù)據(jù)所消耗的功耗占總消耗的85%以上[14]。但是，育肥豬的運動有一明顯特點便是運動緩慢。此外，育肥豬的一天當中，有超過一半接近60%的時間都在睡覺（其中側(cè)臥占據(jù)46%，腹臥占據(jù)12%），這一期間，給育肥豬所配戴的運動量監(jiān)測裝備所能采集到的加速度數(shù)據(jù)基本是相同的或者采集到的加速度之間的變化很小可以忽略。然而本文研究的裝備希望是低功耗的，所以本文將育肥豬所配戴的運動監(jiān)測設(shè)備的休眠模式與加速度數(shù)據(jù)的變化關(guān)聯(lián)起來[15]，當數(shù)據(jù)的變化小于一定的閾值時，育肥豬所配戴的運動量監(jiān)測設(shè)備不再執(zhí)行無線數(shù)據(jù)發(fā)送功能，進入相應的休眠模式，盡可能地降低整體裝備的總消耗。當加速度數(shù)據(jù)變化大于一定的閾值時，則喚醒藍牙模塊，進行相應的無線數(shù)據(jù)傳送。因此，本文研究的重點內(nèi)容之一便是如何去確定這一相對應的閾值，來實現(xiàn)降低整體育肥豬運動量監(jiān)測設(shè)備的總消耗。在本文研究當中，通過對育肥豬的日常休息[16]，活動以及飲食等三方面的行為的加速度來確定一個相對合理的閾值。通過利用控制器連續(xù)周期的從三軸加速度傳感器當中讀取加速度數(shù)據(jù)。根據(jù)總加速度公式的公式，計算出合加速度。當所采集到的合加速度的變化大于所相對應的閾值時，數(shù)據(jù)寄存器會將此數(shù)據(jù)后面的20個合加速度值均存儲于數(shù)據(jù)寄存器當中，緊接著便會喚醒藍牙模塊，將數(shù)據(jù)寄存器里暫存的所有數(shù)據(jù)一次性通過無線數(shù)據(jù)傳送發(fā)送到數(shù)據(jù)庫當中，這樣可以減少設(shè)備無線傳送數(shù)據(jù)的次數(shù)，因此來實現(xiàn)降低育肥豬運動量監(jiān)測設(shè)備所消耗的總功耗，來到延長設(shè)備的電池壽命的目的。2.7程序設(shè)計根據(jù)上文的數(shù)據(jù)讀取與無線數(shù)據(jù)發(fā)送所涉及到的如何降低育肥豬運動量監(jiān)測設(shè)備所消耗的總功耗的問題，還需要設(shè)計能夠與之匹配的低功耗模式下的育肥豬運動量監(jiān)測設(shè)備程序。在低功耗的模式下，育肥豬運動量監(jiān)測設(shè)備讀取加速度數(shù)據(jù)的頻率為1Hz，無線數(shù)據(jù)發(fā)送與育肥豬的日常運動的幅度相關(guān)聯(lián)[17]，具有隨機性這一特點。因此，為了對比分析育肥豬運動量監(jiān)測設(shè)備所消耗的總功耗，本文在研究時，同時設(shè)計了傳統(tǒng)的固定周期的數(shù)據(jù)采集程序，將數(shù)據(jù)讀取和發(fā)送加速度數(shù)據(jù)的頻率均設(shè)為1Hz，每次均發(fā)送一組數(shù)據(jù)，這樣可以大大的降低育肥豬運動監(jiān)系統(tǒng)整體所需要消耗的功耗。根據(jù)這兩種模式，建立了如下流程圖。此外2種模式的程序流程圖如圖3所示。圖32種模式圖Fig.32operatingmodel2.8育肥豬運動量監(jiān)測裝備功耗測量在本研究當中，育肥豬的運動量監(jiān)測裝備的兩種工作模式下，均有三個工作狀態(tài)：休眠（S1）,讀取加速度數(shù)據(jù)(S2)以及無線數(shù)據(jù)傳送(S3)。在不同的工作模式下相同的工作狀態(tài)電流時等量的[18]。但是另一方面，因為本文所設(shè)計的育肥豬運動量監(jiān)測裝備采取的是低功耗模式。所以，在低功耗模式下，由于育肥豬的運動量檢測裝備長時間處于一個休眠狀態(tài)，所進行的無線數(shù)據(jù)傳送的次數(shù)也相對應的較少。因此，計算平均功耗（mAh）則需要測量育肥豬運動量監(jiān)測裝備的每個工作狀態(tài)下的電流（mA）和所相對應的時間（h）。此外，本研究也通過采用高精度萬用表（FLUCK287）電流探針串聯(lián)在電池和設(shè)備正極之間，利用高精度萬用表（FLUCK287）的事件記錄功能存儲育肥豬運動量監(jiān)測裝備在不同的工作狀態(tài)下的電流值和電流變化所發(fā)生的時間。高精度萬用表（FLUCK287）直流電流能夠測量的范圍為0~10A，最小分辨率為10-6A，其高精度萬用表（FLUCK287）的準確度為0.15%。[19]所需1個采集周期的平均電流可以通過利用公式（2）來計算得出圖2-4(2)其中公式中：Ia為平均電流；ISi為Si工作狀態(tài)下的電流；tSi為Si工作時間。緊接著利用公式（3）計算育肥豬運動量監(jiān)測裝備的電池壽命。(3)在本文的研究當中，首先做到的是測量出育肥豬運動量監(jiān)測裝備在三個工作狀態(tài)下的工作電流，然后根據(jù)育肥豬運動量監(jiān)測裝備對育肥豬每日的運動監(jiān)測的加速度數(shù)據(jù)計算出育肥豬運動量監(jiān)測裝備處于不同工作狀態(tài)下的總時間，從而最后計算出育肥豬運動量監(jiān)測裝備的平均電流和電池壽命。2.9系統(tǒng)設(shè)計本文所研究的是基于深度學習的育肥豬運動量監(jiān)測系統(tǒng)研制，因此在設(shè)計完成硬件部分后，設(shè)計相對應的軟件系統(tǒng)，對采集到的加速度數(shù)據(jù)進行存儲，以便用于進一步的加速度數(shù)據(jù)分析和對育肥豬的每日行為識別研究[20]。育肥豬的運動量監(jiān)測系統(tǒng)裝備通過利用藍牙廣播的方式將所采集到的加速度數(shù)據(jù)通過無線傳送數(shù)據(jù)傳輸?shù)浇邮掌鳟斨小４送?，每一個接收器可同時連接半徑為10m范圍內(nèi)的多個育肥豬運動量監(jiān)測裝備。同時，利用串口服務(wù)器將接收器連接到互聯(lián)當中，從而能使數(shù)據(jù)庫服務(wù)器能夠通過互聯(lián)網(wǎng)來獲取采集到的育肥豬的運量量監(jiān)測數(shù)據(jù)。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖四所示。圖2-5圖2-3圖4系統(tǒng)示意圖Fig.4Systemarchitecture第三章研究結(jié)果第三章研究結(jié)果3.1監(jiān)測裝備物理分析本文所研究的育肥豬運動量監(jiān)測裝備的優(yōu)點之一便是體積小，佩戴方便。同時，育肥豬不會因為該運動量監(jiān)測裝備產(chǎn)生劇烈的過激反應。此外，低功耗也是本設(shè)備的亮點之一。但是在實際應用當中，依舊要注意，在給育肥豬進行運動量監(jiān)測裝備佩戴的時候，需要將裝備牢固的佩戴在育肥豬上，防止育肥豬運動量監(jiān)測裝備脫落的問題。3.2三種不同工作電流狀態(tài)分析為了方便測量育肥豬運動量監(jiān)測裝備的三種不同工作狀態(tài)下的工作電流。因此，利用育肥豬運動量監(jiān)測裝備工作在周期性的采集模式的條件下，其采集周期為1s，所測量的結(jié)果如圖5所示。圖3-1圖3-1圖5設(shè)備電流圖Fig.6Currentofthedevice在圖五所展示的電流脈沖是無線數(shù)據(jù)傳送狀態(tài)下的電流，從圖中可以看出無線數(shù)據(jù)發(fā)送工作狀態(tài)的電流最大，但是所需要的時間相對較短。從理論上來說，藍牙模塊每一次進行無線數(shù)據(jù)傳送時，所產(chǎn)生的電流是相等的。但是由于PCB板上不僅僅只有藍牙模塊，此外在PCB板上，根據(jù)研究內(nèi)容，還焊接了相對應的三軸加速度傳感器，電容，電阻等各種電子元器件。由于電容這一類的電子元器件會與高頻電路形成振蕩，從而會導致藍牙模塊每次進行無線數(shù)據(jù)傳送時所產(chǎn)生的電流在1.8mA到4.9mA不等。在利用一段時間內(nèi)的測量數(shù)據(jù)，便可以計算出在各個工作狀態(tài)下的平均電流和工作時間。結(jié)果如表1所示。圖3-2圖3-2表13種工作狀態(tài)的平均電流Table.1Averagecurrentof3states對于本文研究所采取的以1s為一個采集周期進行數(shù)據(jù)采集的模式下，利用公式（2）可以計算出育肥豬運動量監(jiān)測裝備的平均電流為0.311mA。當采用一個230mA的紐扣電池進行供電時，可以通過公式（3）計算出該紐扣電池的壽命為740h（大概31天）。3.3育肥豬運動加速度數(shù)據(jù)分析在上文有講到，育肥豬的每日活動類型主要分為三種：休息，活動以及覓食。并且育肥豬每日有超過60%的時間處于休息狀態(tài)，在休息狀態(tài)下，母豬所產(chǎn)生的三軸加速度基本相同或者三軸加速度之間的變化很小可以忽略。通過合加速度公式，其合加速度數(shù)據(jù)曲線如圖六所示。圖3-3圖3-3圖63種合加速度曲線Fig.63typesofbehavior在圖六當中，可以明顯的看出育肥豬在不同的行為狀態(tài)下的合加速度的曲線存在著明顯的波動差異，但在育肥豬休息的階段，所產(chǎn)生的合加速度正如上面所說，差異很小。所以為了能夠做到量化育肥豬合加速度的波動大小，在計算完育肥豬在休息，活動以及進食三種狀態(tài)下的合加速度的數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)標準差，其數(shù)據(jù)標準差分別為0.0376g，0.2464g以及0.2226g。數(shù)據(jù)標準差所表示的是數(shù)據(jù)的波動程度，從中可以明顯的看出在休息狀態(tài)下的合加速度的標準差遠遠小于其他兩種狀態(tài)下的合加速度標準差。這就很明顯的說明了一個點，即說明育肥豬在休息狀態(tài)下時的所采集的加速度變化正如上文所說，基本相同或者變化很小基本可以忽略。但是育肥豬在活動以及進食這兩種狀態(tài)下的加速度曲線的波動程度較大，但是仔細觀察圖六依舊可以看出，有一段的曲線比較平滑，這一段平滑的部分恰恰說明了，即使育肥豬處于活動和進食這兩種狀態(tài)下，并不是就意味著育肥豬會在該兩種狀態(tài)下一直運動，也會存在一定的停止活動。而且當數(shù)據(jù)變化比較小，低于所設(shè)定的閾值時，藍牙便會自動的進入休眠狀態(tài)，從而降低整個育肥豬運動監(jiān)測裝備所消耗的總功耗。3.4閾值在上文提到，為降低整個育肥豬運動量監(jiān)測裝備所消耗的總功耗，想要設(shè)定一個閾值，當所采集的加速度變化小于或超過這個設(shè)定的閾值時，藍牙模塊會自動地進入休眠狀態(tài)或者工作狀態(tài)進行無線數(shù)據(jù)傳送。本文研究通過利用合加速度的一階差分絕對值來表示數(shù)據(jù)的變化（Difference=|ai-ai-1|），育肥豬在休息，活動以及進食這三種狀態(tài)下的一階差分如圖七所示。圖3-4圖3-4可以很明顯的從圖七看到：當育肥豬處于休息狀態(tài)時，休息狀態(tài)的一階差分幾乎為零，這就說明休息狀態(tài)的育肥豬的相鄰兩的合加速度數(shù)據(jù)變化很小幾乎可以忽略。但是，當育肥豬處于活動圖73種狀態(tài)合加速度一階差分Fig.73typesoffirst-orderdiff以及進食這兩種狀態(tài)下時，其相對應的合加速度一階差分卻相差較大。因此，為了確定合理的閾值，于是便計算了育肥豬在休息，活動以及進食這三種狀態(tài)下的合加速度一階差分的均值，其均值分別為0.0243g，0.1512g以及0.18025g。此外，將育肥豬處于休息狀態(tài)和育肥豬處于活動狀態(tài)作為兩種一階差分均值的中值作為閾值，即閾值=（0.0243g+0.1512g）/2=0.088g。3.5育肥豬運動量監(jiān)測裝備平均功耗本文所研究的基于深度學習育肥豬運動量監(jiān)測系統(tǒng)研制，在硬件方面，希望能夠設(shè)計一款低功耗的育肥豬運動量監(jiān)測裝備。育肥豬運動量監(jiān)測裝備所消耗的平均功耗也決定了電池能夠使用多久。如果育肥豬的活躍程度過高，那么育肥豬的運動量監(jiān)測裝備所消耗的平均功耗也會過高。因此，為了預估育肥豬運動量監(jiān)測裝備的電池使用壽命，可以通過人工在現(xiàn)場進行試驗統(tǒng)計可以得到相對應的電池使用壽命。但是這種方法會浪費研究人員大量的時間和人力物力。因此，本研究通過利用測試育肥豬的每日加速度數(shù)據(jù)及藍牙模塊進行無線數(shù)據(jù)傳送的次數(shù)這一方法，來進行估算育肥豬運動量監(jiān)測裝備所消耗的平均電流消耗和電池的使用壽命。圖八便是一頭育肥豬一天的合加速度數(shù)據(jù)曲線。圖3-5圖3-5圖8育肥豬一天的合加速度曲線Fig.8Onedayaccelerationdata根據(jù)育肥豬處于活動以及進食這兩種狀態(tài)，在這兩種工作模式下的育肥豬運動量監(jiān)測裝備所發(fā)送的無線數(shù)據(jù)傳送的次數(shù)，處于節(jié)能模式下的育肥豬運動量監(jiān)測裝備所消耗的平均功耗節(jié)省了將近95.5%，使其電池的使用壽命在理論上高達684天。但由于需要考慮到各種現(xiàn)場的實際因素，電池的使用壽命仍然會比理論上的電池使用壽命少一點，但依舊遠遠高于全工作狀態(tài)下的藍牙模塊的電池的使用壽命。通過采用低功耗的育肥豬的檢測裝備，極大的延長了電池的使用壽命以及極大的增加了研究的實用性，節(jié)省了大量的時間和人力物力。第四章結(jié)論與討論第四章結(jié)論與討論在本研究之前，已有很多研究者針對于動物的運動量監(jiān)測，已經(jīng)開展了大量的研究，包括對于育肥豬的運動量監(jiān)測。在已有的通過利用采集無線加速度數(shù)據(jù)來進行對育肥豬的運動監(jiān)測的研究報告中，這些研究的主要著重點是通過識別育肥豬的每日行為，如何識別，以及對這些識別方法進行分類，但是對于育肥豬運動量監(jiān)測裝備的研究較少。并且，相對于傳統(tǒng)的測量育肥豬的每日運動量[21]，傳統(tǒng)的研究方法需要消耗大量的人力物力以及時間，且給育肥豬所配戴的運動測量監(jiān)測裝備過大且所消耗的功耗也過高，并且容易引起育肥豬的過激反應，導致所測得的實驗數(shù)據(jù)準確性不高，且育肥豬過激反應容易損壞設(shè)備[22]，增加整個研究的成本。相對于傳統(tǒng)的育肥豬運動量檢測方法，本研究所采取的育肥豬運動量監(jiān)測裝備：體積小，所消耗的功耗低，不易引起育肥豬的過激反應。另一方面，通過藍牙模塊進行無線數(shù)據(jù)傳送，也節(jié)省了大量的時間和人力物力。這也是本研究的育肥豬運動量監(jiān)測系統(tǒng)研制相對于傳統(tǒng)研究方法的優(yōu)點。本研究通過將育肥豬運動量監(jiān)測裝備的休眠狀態(tài)和育肥豬的每日運動狀態(tài)產(chǎn)生關(guān)聯(lián)性，這樣一來，可以極大的降低育肥豬運動量監(jiān)測裝備所消耗的平均功耗。此外，本研究通過將三軸加速度傳感器與藍牙模塊集成在了一塊PCB板上面，可以有效地減小育肥豬運動量監(jiān)測裝備的質(zhì)量和體積，方便給育肥豬佩戴與管理，也不易引起育肥豬的過激反應。但是本研究的育肥豬運動量監(jiān)測裝備仍然存在一系列缺點。育肥豬運動量檢測裝備扎在適用性和采集頻率這兩方面還有待提高。本育肥豬運動量監(jiān)測裝備在合加速度的一階差分大于0.088g這一閾值時，藍牙模塊會被從休眠狀態(tài)喚醒進行無線數(shù)據(jù)傳送。但是這一閾值實在本研究的實驗條件下對于育肥豬的運動量監(jiān)測數(shù)據(jù)中所得到的，這一閾值是固定不變的。如果改變實驗育肥豬的品種，育肥豬的養(yǎng)殖條件，育肥豬的養(yǎng)殖環(huán)境以及育肥豬的不同生長階段等等條件，由于在不同的條件下，育肥豬的每日活動狀態(tài)不同，因此，如果想要獲取更為普遍的結(jié)論，則需要更多的智能算法的加入，能夠?qū)崿F(xiàn)通過對已采集到的實驗數(shù)據(jù)，能夠合理的自動調(diào)整閾值，從而增加育肥豬運動監(jiān)測裝備的適用性。此外，本育肥豬運動量檢測裝備所讀取的加速度數(shù)據(jù)的頻率為1Hz，然而無線發(fā)送的頻率確實隨機的[23]，行為識別和分類需要進行連續(xù)的加速度時間序列，因此還需要對采集的數(shù)據(jù)進行插值。雖然能夠提高數(shù)據(jù)的采集頻率，有利于提高行為識別的準確性，但這一方法會大大的增加育肥豬運動量監(jiān)測裝備所消耗的總功耗。所以所面臨的問題便是，如何在低功耗下，育肥豬的監(jiān)測裝備仍然能夠保證識別的準確性并且降低數(shù)據(jù)采集頻率。綜上所述，本次研究基本完成了鎖定的目標，并且設(shè)計了育肥豬運動量監(jiān)測系統(tǒng)，能夠?qū)τ守i的每日運動量進行長期的監(jiān)測[24]。第五章展望第五章展望正如在結(jié)論當中所說，本次研究內(nèi)容基本完成了研究前定下的研究目標，研制出了基于深度學習的育肥豬的運動量監(jiān)測系統(tǒng)。但該系統(tǒng)只能適用于特定條件下的特定的育肥豬。相對于其他的智能檢測系統(tǒng)來說，仍然還有很多的不足。此外，本系統(tǒng)的功能也較少。在未來的研究當中，會著重于對系統(tǒng)的智能化和功能豐富化[25]。智能化方面，要能夠做到在低功耗的育肥豬運動量監(jiān)測系統(tǒng)，能夠根據(jù)所測得的數(shù)據(jù)，自動的調(diào)整實驗閾值，保持育肥豬的運動量監(jiān)測裝備處于一個低耗的狀態(tài)下。功能豐富化方面，要做到盡量豐富系統(tǒng)的功能，可以增加一些實用的功能。例如，現(xiàn)在火爆的微信步數(shù)，可以進一步學習，思考如何在已有的育肥豬運動量監(jiān)制裝備下，通過增加新的模塊，實現(xiàn)記錄育肥豬的每日運動步數(shù)這一功能，進一步增加采集的數(shù)據(jù)的可靠性。致謝參考文獻劉龍申，沈明霞，姚文,等.母豬運動監(jiān)測低功耗耳標設(shè)備研究［J］．南京農(nóng)業(yè)大學學報，2018，41(5):954－961．沈明霞，劉龍申，閆麗，等．畜禽養(yǎng)殖個體信息監(jiān)測技術(shù)研究進展［J］．農(nóng)業(yè)機械學報，2014，45(10):245－251．ShenMX，LiuLS，YanL，etal．Ｒeviewofmonitoringtechnologyforanimalindividualinanimalhusbandry［J］．TransactionsoftheChineseSocietyforAgriculturalMachinery，2014，45(10):245－251(inChinesewithEnglishabstract)．汪開英，趙曉洋，何勇．畜禽行為及生理信息的無損監(jiān)測技術(shù)研究進展［J］．農(nóng)業(yè)工程學報，2017，33(20):197－209．WangKY，ZhaoXY，HeY．Ｒeviewonnoninvasivemonitoringtechnologyofpoultrybehaviorandphysiologicalinformation［J］．TransactionsoftheChineseSocietyofAgriculturalEngineering，2017，33(20):197－209(inChinesewithEnglishabstract)．顧靜秋，王志海，高榮華，等．基于融合圖像與運動量的奶牛行為識別方法［J］．農(nóng)業(yè)機械學報，2017，48(6):145－151．GuJQ，WangZH，GaoＲH，etal．Ｒecognitionmethodofcowbehaviorbasedoncombinationofimageandactivities［J］．TransactionsoftheChineseSocietyforAgriculturalMachinery，2017，48(6):145－151(inChinesewithEnglishabstract)．ＣｏｒｎｏｕＣ，Ｌｕｎｄｂｙｅ-ＣｈｒｉｓｔｅｎｓｅｎＳ．Ｍｏｄｅｌｌｉｎｇａｎｄｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇｓｏｗｓ’ａｃｔｉｖｉｔｙｔｙｐｅｓｉｎｆａｒｒｏｗｉｎｇｈｏｕｓｅｕｓｉｎｇａｃｃｅｌｅｒａｔｉｏｎｄａｔａ［Ｊ］．ＣｏｍｐｕｔｅｒｓａｎｄＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓｉｎＡｇｒｉｃｕｌｔｕｒｅ，２０１１（７６）：３１６～３２４．WhitneyNM，WhiteCF，GleissAC，etal．Anovelmethodfordeterminingpost-releasemortality，behavior，andrecoveryperiodusingaccelera-tiondataloggers［J］．FisheriesＲesearch，2016，183:210－221．ＯｌｉｖｉｅｒｏＣ，ＰａｓｔｅｌｌＭ，ＨｅｉｎｏｎｅｎＭ，ｅｔａｌ．Ｕｓｉｎｇｍｏｖｅｍｅｎｔｓｅｎｓｏｒｓｔｏｄｅｔｅｃｔｔｈｅｏｎｓｅｔｏｆｆａｒｒｏｗｉｎｇ［Ｊ］．ＢｉｏｓｙｓｔｅｍｓＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，２００８，１００（２）：２８１～２８５．劉龍申，沈明霞，姚文，等．基于加速度傳感器的母豬產(chǎn)前行為特征采集與分析［J］．農(nóng)業(yè)機械學報，2013，44(3):191－196．LiuLS，ShenMX，YaoW，etal．Acquisitionandanalysisofsows’behaviorbeforefarrowingbasedonaccelerationsensor［J］．TransactionsoftheChineseSocietyforAgriculturalMachinery，2013，44(3):191－196(inChinesewithEnglishabstract)．閆麗，沈明霞，謝秋菊，等．哺乳母豬高危動作識別方法研究［J］．農(nóng)業(yè)機械學報，2016，47(1):266－272．YanL，ShenMX，XieQJ，etal．Ｒesearchonrecognitionmethodoflactatingsows’dangerousbodymovement［J］．TransactionsoftheChineseSocietyforAgriculturalMachinery，2016，47(1):266－272(inChinesewithEnglishabstract)．MarchioroGF，CornouC，KristensenAＲ，etal．Sows’activityclassificationdeviceusingaccelerationdata:aresourceconstrainedapproach［J］．ComputersandElectronicsinAgriculture，2011，77:110－117．劉龍申，沈明霞，孫玉文，等．基于ＦＰＧＡ的農(nóng)田圖像采集與３Ｇ無線傳輸系統(tǒng)設(shè)計［Ｊ］．農(nóng)業(yè)機械學報，２０１１，４２（１２）：１８６～１９０．ＬｉｕＬｏｎｇｓｈｅｎ，ＳｈｅｎＭｉｎｇｘｉａ，ＳｕｎＹｕｗｅｎ，ｅｔａｌ．Ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍａｎｄｗｉｒｅｌｅｓｓｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎｂｙ３ＧｆｏｒｆａｒｍｌａｎｄｉｍａｇｅｂａｓｅｄｏｎＦＰＧＡ［Ｊ］．ＴｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓｏｆｔｈｅＣｈｉｎｅｓｅＳｏｃｉｅｔｙｆｏｒＡｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌＭａｃｈｉｎｅｒｙ，２０１１，４２（１２）：１８６～１９０．（ｉｎＣｈｉｎｅｓｅ）尹令，劉財興，洪添勝，等．基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的奶牛行為特征監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計［Ｊ］．農(nóng)業(yè)工程學報，２０１０，２６（３）：２０３～２０８．ＹｉｎＬｉｎｇ，ＬｉｕＣａｉｘｉｎｇ，ＨｏｎｇＴｉａｎｓｈｅｎｇ，ｅｔａｌ．Ｄｅｓｉｇｎｏｆｓｙｓｔｅｍｆｏｒｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇｄａｉｒｙｃａｔｔｌｅ’ｓｂｅｈａｖｉｏｒａｌｆｅａｔｕｒｅｓｂａｓｅｄｏｎｗｉｒｅｌｅｓｓｓｅｎｓｏｒｎｅｔｗｏｒｋｓ［Ｊ］．ＴｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓｏｆｔｈｅＣｈｉｎｅｓｅＳｏｃｉｅｔｙｏｆＡｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，２０１０，２６（３）：２０３～２０８．（ｉｎＣｈｉｎｅｓｅ）王健，汪小禙，丁為民，等．風壓通風的單棟溫室內(nèi)部流場的ＡＮＳＹＳＣＦＤ模擬［Ｊ］．農(nóng)業(yè)機械學報，２０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