一种基于机器视觉技术的群养母猪饮水行为无线监测系统及其监测方法，系统包括多个饮水点设备、网关节点以及中心服务器，在各待监测猪舍中的饮水点均设有一饮水点设备，各饮水点设备用于感应母猪靠近，触发各处理器记录饮水时间和流量，饮水点设备通过网关节点利用网络与中心服务器无线连接。饮水行为是母猪健康与否的重要判断依据，本系统利用自动化技术准确监测母猪日饮水频率及水资源的日消耗总量，系统能够将水消耗量异常的母猪个体编号自动发送给养殖人员，使得这个母猪能够得到及时的关注，从而降低疾病对母猪的生长、生产影响，有效提升了母猪养殖的经济效益。
1.一种基于机器视觉技术的群养母猪日饮水量及饮水频率监测系统，其特征是它包括多个饮水点设备、一个网关节点以及一个中心服务器三个部分；每个猪圈里设有一个饮水点设备，其上加载流量计、红外感应模块以及CMOS图像传感器；流量计输出信号以4-20mA模拟电流量输出，经过负载电阻转化为输出电压通过GPIO口与饮水点设备的ARM处理器连接；每个猪圈内母猪背上都有不同的数字编号，饮水器的两侧均设第一挡板，第一挡板为水泥挡板，高1.5m、宽0.6m，两第一挡板的间距为0.6m；两第一挡板的上方安装第二挡板，第二挡板为亚克力挡板，在该第二挡板上安装红外感应模块，红外感应模块的感应距离为
0.8-1.2m，其信号输出连接到饮水点设备的ARM处理器；红外感应模块对进入饮水点的母猪进行探测，一旦探测到有母猪进入饮水点，红外感应模块输出的电平信号由低电平变为高电平，触发饮水点设备的ARM处理器驱动图像传感器拍摄图像，识别母猪背上的数字编号，记录母猪进入饮水点时间并读取流量计输出电压值；当红外感应模块探测到母猪离开饮水点，红外感应模块的输出信号由高电平变为低电平再次触发饮水点设备ARM处理器记录母猪离开饮水点的时间并读取流量计输出电压值，处理器将两次流量计读数相减得到对应母猪的饮水量；饮水点设备将本次饮水母猪编号、饮水持续时间、单次饮水量通过串口发送给ZigBee模块，饮水监测点的ZigBee模块将数据包转发给网关节点的ZigBee模块；网关节点通过网络将饮水母猪编号、饮水持续时间以及单次饮水量发送到中心服务器。
2.一种基于机器视觉技术的群养母猪日饮水量及饮水频率监测方法，应用如权利要求
1所述的基于基于机器视觉技术的群养母猪日饮水量及饮水频率监测系统，其特征是它包括以下步骤：
（a）、在各待监测猪舍中，对待检测母猪进行编号标记于猪背上，红外感应模块对进入饮水点的母猪进行探测，一旦探测到有母猪进入饮水点，红外感应模块输出的电平信号由低电平变为高电平触发处理器记录开始时间，处理器驱动图像传感器拍摄图像并存储，同时读取流量计的数值；
（b）、当红外感应模块探测到有母猪离开饮水点时，红外感应模块的输出信号由高电平变为低电平再次触发处理器记录结束时间，处理器通过检测电平上升沿判断有猪进入饮水点，检测下降沿判断猪离开，同时处理器读取流量计的数值；
（c）、处理器通过数字识别方法对步骤（a）中拍摄的图像进行识别读取猪背上的编号，记录该母猪的编号；
（d）、处理器将两次流量计读数相减得到对应母猪的饮水量，随后处理器将饮水点ID号、此次饮水的母猪编号、开始饮水、结束饮水的时间和饮水量通过串口发送给饮水点设备ZigBee模块，饮水点设备ZigBee模块将数据转发给网关ZigBee模块，网关通过网络将信息发送到中心服务器；
（e）、中心服务器根据专家决策系统对母猪个体日饮水频率、水资源的日消耗总量进行综合判断，若母猪个体日饮水频率超过预设的阈值上限或低于阈值下限，或水资源的日消耗总量异常，系统能够将水消耗量异常的母猪个体编号自动发送给养殖人员，使得这个母猪能够得到及时的关注。
3.根据权利要求2所述的基于机器视觉技术的群养母猪日饮水量及饮水频率监测方法，其特征是所述的监测方法还包括查询步骤：中心服务器工作人员输入想要查询的饮水点的ID号，中心服务器将该ID号通过网关节点发送到其管理的所有饮水点设备处理器中，收到ID号的处理器比较该ID与其自身ID，若匹配则对应处理器将设定时间段内监测到的母猪各次饮水量通过饮水点设备ZigBee模块发送到网关节点ZigBee模块，网关节点通过网络发送到中心服务器；若ID号匹配不成功，则该饮水点的处理器丢弃从网关收到饮水点查询ID信息。
基于机器视觉技术的群养母猪饮水行为无线监测系统及其
监测方法
技术领域
[0001] 本发明涉及母猪福利养殖、无线网络通信技术及机器视觉技术领域，尤其是通过机器视觉技术和ZigBee无线网络通信技术对群养母猪饮水行为进行监测的系统，具体地说是一种基于机器视觉技术的群养母猪饮水行为无线监测系统及其监测方法。
背景技术
[0002] 机器视觉技术，是一门涉及人工智能、神经生物学、心理物理学、计算机科学、图像处理、模式识别等诸多领域的交叉学科。机器视觉主要用计算机来模拟人的视觉功能，从客观事物的图像中提取信息，进行处理并加以理解，最终用于实际检测、测量和控制。机器视觉技术最大的特点是速度快、信息量大、功能多。
[0003] 目前，母猪的饮水是最值得关注的动物行为之一，水是母猪需求量最大的营养物质，饮水行为是母猪健康与否的重要判断依据。我国目前的母猪养殖主要采用限喂栏，这种喂养方式严重限制了母猪自由活动的空间，不符合动物福利要求，欧盟已经决定于2013年禁止使用限喂栏，对妊娠期母猪采用群养方式饲养，有必要针对这种饲养模式下的母猪饮水行为设计一套智能化精准监测系统。
[0004] 目前无线通信、机器视觉等技术已经在农业生产领域得到应用，但是母猪养殖产业中的自动化设备并不多见，特别是利用现代电子、通信技术精确监测、分析群养母猪个体饮水行则更是空白。健康母猪饮水行为有规律可循，母猪个体饮水行为是否正常可以作为判断动物健康状况的重要指标，养殖人员每天仅需重点关注饮水行为异常的母猪个体，及时发现出现健康问题的母猪，大大降低疾病带来经济损失的同时也减少人工消耗的时间和精力。因此，对于群养母猪个体饮水行为的自动化精准监测、实时宽带传输是亟待的重要课题。
发明内容
[0005] 本发明的目的是针对母猪养殖产业中的自动化设备缺少的问题，提出一种基于机器视觉技术的群养母猪饮水行为无线监测系统及其监测方法。
[0006] 本发明的技术方案是：
[0007] 一种基于机器视觉技术的群养母猪饮水行为无线监测系统，它包括多个饮水点设备、网关节点以及中心服务器，在各待监测猪舍中的饮水点均设有一饮水点设备，各饮水点设备均包括饮水器、图像传感器、处理器、红外感应模块、流量计和饮水点设备ZigBee协调器，所述的红外感应模块安装在饮水器的上方，用于感应母猪贴近饮水器，各红外感应模块的信号输出端与对应处理器的感应信号端相连，各处理器的图像信号控制端、流量信号控制端分别与对应的图像传感器、流量计的信号端双向连接，各处理器的通讯信号端通过对应的ZigBee协调器与网关节点的ZigBee协调器无线连接，网关节点通过网络与中心服务器无线连接。
[0008] 本发明的饮水器的两侧均设有第一挡板，两第一挡板的上方安装第二挡板，在该第二挡板上安装红外感应模块。。
[0009] 本发明的第一挡板为水泥挡板，第二挡板为亚克力挡板。
[0010] 本发明的第一挡板高1.5m、宽0.6m，两第一挡板的间距为0.6m。这个系统中两第一挡板的作用是保证一次只有一只猪接近饮水器，由于两第一挡板间距设定为0.6m，因此猪的体型最好比较大，母猪符合这一要求。
[0011] 本发明的处理器采用ARM处理器，图像传感器采用CMOS图像传感器，该图像传感器通过ARM处理器的CMOS摄像头接口与ARM处理器连接。
[0012] 一种基于机器视觉技术的群养母猪饮水行为无线监测方法，应用基于机器视觉技术的群养母猪饮水行为无线监测系统，它包括以下步骤：
[0013] （a）、在各待监测猪舍中，对待检测母猪进行编号标记于猪背上，红外感应模块对进入饮水点的母猪进行探测，一旦探测到有母猪进入饮水点，红外感应模块输出的电平信号由低电平变为高电平触发处理器记录开始时间，处理器驱动图像传感器拍摄图像并存储，同时读取流量计的数值；
[0014] （b）、当红外感应模块探测到有母猪离开饮水点时，红外感应模块的输出信号由高电平变为低电平再次触发处理器记录结束时间（处理器通过检测电平上升沿判断有猪进入饮水点），检测下降沿判断猪离开，同时处理器读取流量计的数值；
[0015] （c）、处理器通过数字识别方法对步骤（a）中拍摄的图像进行识别读取猪背上的编号，记录该母猪的编号；
[0016] （d）、处理器将两次流量计读数相减得到对应母猪的饮水量，随后处理器将饮水点ID号、此次饮水的母猪编号、开始饮水、结束饮水的时间和饮水量通过串口发送给饮水点设备ZigBee模块，饮水点设备ZigBee模块将数据转发给网关ZigBee模块，网关通过网络将信息发送到中心服务器。
[0017] 本发明的红外感应模块的感应距离为0.8-1.2m。
[0018] 本发明的步骤（a）中，图像传感器拍摄至少一帧图像。
[0019] 本发明的监测方法还包括查询步骤：中心服务器工作人员输入想要查询的饮水点的ID号，中心服务器将该ID号通过网关发送到其管理的所有饮水点处理器中，收到ID号的处理器比较该ID与其自身ID，若匹配则对应处理器将设定时间段内监测到的母猪饮水信息通过饮水点设备ZigBee模块发送到网关ZigBee模块，网关节点通过网络发送到中心服务器；若ID号匹配不成功，则该饮水点的处理器丢弃从网关收到饮水点查询ID信息。
[0020] 本发明的中心服务器根据专家决策系统对信息进行判断，若母猪个体饮水次数超过预设的阈值上限或低于阈值下限，则报警并将结果通过短信人员。
[0021] 本发明的有益效果：
[0022] 本发明的系统采用机器视觉技术自动识别饮水母猪编号，采用水流量计采集母猪单次饮水量，该系统能够准确记录母猪个体日饮水频率及日消耗水量，避免了人为观察饮水行为过程中的主观性强、精确度、稳定性不够的缺点。
[0023] 本发明的网关采用3G拨号和以太网两种方式与服务器连接，有效解决了猪舍地处偏僻而无法远程监控的问题，而采用3G网络比GPRS网络在速度上有了很大的提高，因此，在传输数据时效率更高、优越性更明显；还简化了网关与中心服务器之间的通信。
[0024] 本发明的网关采用ZigBee无线通信协议与饮水点ARM通信，这种无线通信方式避免了传统布线带来的成本和稳定性上的不足，高度的鲁棒性能够保证本系统长期稳定工作。此外，ZigBee网络具有高度的实时性，方便数据的实时采集，保证系统的工作效率。
[0025] 饮水行为是母猪健康与否的重要判断依据，本系统利用自动化技术准确监测母猪日饮水频率及水资源的日消耗总量，系统能够将水消耗量异常的母猪个体编号自动发送给养殖人员，使得这个母猪能够得到及时的关注，从而降低疾病对母猪的生长、生产影响，有效提升了母猪养殖的经济效益。
附图说明
[0026] 图1是本发明的结构示意图。
[0027] 图2是本发明的饮水点设备的结构示意图。
[0028] 图3是本发明监测方法的实施流程图。
具体实施方式
[0029] 下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。
[0030] 如图1所示，一种基于机器视觉技术的群养母猪饮水行为无线监测系统，它包括多个饮水点设备、网关节点以及中心服务器，在各待监测猪舍中的饮水点均设有一饮水点设备，各饮水点设备均包括饮水器、图像传感器、处理器、红外感应模块、流量计和饮水点设备ZigBee协调器，所述的红外感应模块安装在饮水器的上方，用于感应母猪贴近饮水器，各红外感应模块的信号输出端与对应处理器的感应信号端相连，各处理器的图像信号控制端、流量信号控制端分别与对应的图像传感器、流量计的信号端双向连接，各处理器的通讯信号端通过对应的ZigBee协调器与网关节点的ZigBee协调器无线连接，网关节点通过网络与中心服务器无线连接。
[0031] 本发明的饮水器的两侧均设有第一挡板，两第一挡板的上方安装第二挡板，在该第二挡板上安装红外感应模块。。
[0032] 本发明的第一挡板为水泥挡板，第二挡板为亚克力挡板。
[0033] 本发明的第一挡板高1.5m、宽0.6m，两第一挡板的间距为0.6m。这个系统中两第一挡板的作用是保证一次只有一只猪接近饮水器，由于两第一挡板间距设定为0.6m，因此猪的体型最好比较大，母猪符合这一要求。
[0034] 本发明的处理器采用ARM处理器，图像传感器采用CMOS图像传感器，该图像传感器通过ARM处理器的CMOS摄像头接口与ARM处理器连接。
[0035] 如图3所示，一种基于机器视觉技术的群养母猪饮水行为无线监测方法，应用基于机器视觉技术的群养母猪饮水行为无线监测系统，它包括以下步骤：
[0036] （a）、在各待监测猪舍中，对待检测母猪进行编号标记于猪背上，红外感应模块对进入饮水点的母猪进行探测，一旦探测到有母猪进入饮水点，红外感应模块输出的电平信号由低电平变为高电平触发处理器记录开始时间，处理器驱动图像传感器拍摄图像并存储，同时读取流量计的数值；
[0037] （b）、当红外感应模块探测到有母猪离开饮水点时，红外感应模块的输出信号由高电平变为低电平再次触发处理器记录结束时间，处理器通过检测电平上升沿判断有猪进入饮水点，检测下降沿判断猪离开，同时处理器读取流量计的数值；
[0038] （c）、处理器通过数字识别方法对步骤（a）中拍摄的图像进行识别读取猪背上的编号，记录该母猪的编号；
[0039] （d）、处理器将两次流量计读数相减得到对应母猪的饮水量，随后处理器将饮水点ID号、此次饮水的母猪编号、开始饮水、结束饮水的时间和饮水量通过串口发送给饮水点设备ZigBee模块，饮水点设备ZigBee模块将数据转发给网关ZigBee模块，网关通过网络将信息发送到中心服务器。
[0040] 本发明的红外感应模块的感应距离为0.8-1.2m。
[0041] 本发明的步骤（a）中，图像传感器拍摄至少一帧图像。
[0042] 本发明的监测方法还包括查询步骤：中心服务器工作人员输入想要查询的饮水点的ID号，中心服务器将该ID号通过网关发送到其管理的所有饮水点处理器中，收到ID号的处理器比较该ID与其自身ID，若匹配则对应处理器将设定时间段内监测到的母猪饮水信息通过饮水点设备ZigBee模块发送到网关ZigBee模块，网关节点通过网络发送到中心服务器；若ID号匹配不成功，则该饮水点的处理器丢弃从网关收到饮水点查询ID信息。
[0043] 本发明的中心服务器根据专家决策系统对信息进行判断，若母猪个体饮水次数超过预设的阈值上限或低于阈值下限，则报警并将结果通过短信人员。
[0044] 具体实施时：
[0045] （1）饮水点设备
[0046] 如图2所示，饮水监测点是饮水行为监测系统的基本组成单元，需要具备水流量采集、母猪编号识别、数据处理、无线通信等功能。结合母猪饮水行为监测特点，饮水监测点结构饮水器两侧的水泥挡板确保每次仅有一头母猪接近饮水器，在上方的挡板上安置CMOS图像传感器OV7620，该传感器通过ARM S3C2440开发板上的CMOS摄像头接口与ARM处理器连接，24h监测母猪饮水行为。在上方挡板上安装红外感应模块，调节感应距离为1m，当有母猪接近饮水器时会触发红外感应模块，将感应输出高电平连接到开发板上的I/O口，ARM处理器不断检测该I/O口电平，若有高电平信号则驱动OV7620拍摄一幅图片并将该图片存入存储器，通过号码识别算法识别其编号。为了降低光线变化对图像采集的影响，使用两个环形白色光源为监测点提供均匀光照。
[0047] 水流量计选用LZDH型金属转子流量计，供水管通径15mm的情况下该流量计能测到的流量范围为10-100升/h，符合猪用饮水器流速要求。金属转子流量计流量信号以4-20mA模拟电流量输出，经过负载电阻转化为输出电压，将输出电压信号通过GPIO口连接到ARM处理器，ARM处理器通过电压与流量关系确定母猪个体单次饮水量。
[0048] 饮水点工作原理为：当红外感应模块探测到有母猪进入饮水点，则触发ARM处理器记录开始时间，并拍摄一帧图像，同时读取流量计的数值。当红外感应模块探测到有母猪离开饮水点，则再次触发ARM处理器记录结束时间，并读取流量计的数值。ARM处理器通过数字识别算法对图像进行识别，记录该母猪的编号，将两次流量计读数相减得到饮水量。随后ARM处理器将此次的母猪编号、时间段（开始-结束）、饮水量通过串口发送给ZigBee模块，ZigBee模块将数据转发给网关ZigBee模块。
[0049] （2）网关节点
[0050] 网关主要由ZigBee模块、3G模块、ARM模块和电源模块组成，其中ZigBee模块和ARM模块之间通过串口相连。其工作原理为：网关开始工作，即作为客户端与中心服务器端建立socket连接，然后进入等待数据状态，网关ARM模块持续监听串口ZigBee模块是否有数据，如果有数据则缓存数据，网关进而检测其与中心服务器的TCP连接是否正常，如果正常则将缓存中的数据通过3G模块或RJ45网口发送给中心服务器，如果TCP连接不正常，则重新建立连接并监听串口，等到下一次有数据需要发送时将缓冲区中缓存的所有数据全部发往中心服务器。
[0051] （3）中心服务器
[0052] 中心服务器通过socket通信技术接收网关发回的数据后，提供对数据的预处理、存储等功能。同时中心服务器还提供对数据的网络发布功能，采用B/S架构将数据以网页的形式对外发布，用户可以在Internet中的任何一台计算机或者PDA上访问服务器查看数据。
[0053] 本发明未涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。
