設施豬場生豬體溫紅外巡檢系統設計與試驗

肖德琴 劉 勤 陳 麗 楊秋妹 郭艾俠 林思聰

(1.華南農業大學數學與信息學院， 廣州 510642； 2.廣東省農業大數據工程技術研究中心， 廣州 510642；3.溫氏食品集團股份有限公司， 云浮 527300)

0 引言

當前，規模化、集約化養殖已成為我國生豬養殖行業的發展趨勢，然而，隨著養殖規模的擴大、飼養密度的增加，容易引起豬只的應激反應，增加豬病防控的難度[1-2]。體溫是豬只機體內活動的客觀反映，是一項重要的生理指標[3]。傳統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境之間的熱交換、新陳代謝和近體表的血液循環決定的，因此，可作為豬只健康的重要指標。

近年來，隨著信息技術的發展和深入應用，電子信息技術、計算機視覺技術逐漸滲透到各個領域。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的許多生理和病理過程的工具[8-15]。文獻[10]通過紅外熱像儀可以識別豬只體表最冷和最熱區域，并可作為評估豬場設施和動物福利的工具。文獻[11]應用紅外熱像儀估計新生豬體溫，并分析其熱應激狀態。文獻[12]通過紅外熱成像評估斷奶仔豬眼睛、耳朵和鼻子區域表面溫度與不同類型環境的關系。文獻[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[14]研究了基于改進主動模型的豬耳部目標區域檢測方法，為研究生豬規模化養殖中非接觸式體溫監測打下基礎。文獻[15]為研究規模化生豬養殖中非接觸式體溫測量方法，用改進的Otsu算法分別對仔豬、育肥豬和妊娠豬紅外圖像耳根部進行了檢測。

上述研究主要建立在人工對紅外圖像進行分析、處理的基礎上，在體溫的自動檢測、分析方面尚未取得突破。基于前人研究，本文采用FLIR A310型紅外熱像儀作為生豬紅外圖像采集器，設計一種基于紅外技術的設施豬場生豬體溫巡檢系統，以實現對巡檢裝置的遠程控制及生豬體溫的實時監測，為后期研究豬只行為、健康信息提供數據基礎。

1 硬件設計

1.1 硬件體系結構

體溫巡檢系統硬件由紅外移動采集裝置、系統控制裝置和電源組成。硬件體系結構如圖1所示。

圖1 硬件體系結構框圖Fig.1 Hardware equipment architecture

1.2 熱像儀選型與標定

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型熱像儀主要應用在安全自動化方面，可實現數字輸入、輸出，具有熱敏度高、精度高等特點，產品部分參數如表1所示。為了最大程度采集生豬紅外圖像，熱像儀在內置25°鏡頭的基礎上，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

參數數值/標準紅外分辨率/(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文件格式標準JPEG格式,包含16位測量數據以太網標準IEEE 802.3

在實驗室設定的條件下，用一定數量已知溫度的黑體進行熱像儀標定，標定時采用斯蒂芬-玻爾茲曼定律所給出的黑體輻射能量與其溫度的關系式

W=εδT4

(1)

式中W——輻射功率，W/m2

ε——灰體的發射率，由物體材質決定，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，取5.67×10-8W/(m2·K4)

T——熱力學溫度，K

通過熱像儀測得的輻射能及材料固有的發射率參數，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，還包括周圍環境的反射輻射、大氣輻射。因此需進行修正補償，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——來自目標物體的輻射能，W/m2

Wrefl——周圍環境的反射輻射能，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行溫度數據分析。因此，在誤差允許范圍內，熱像儀標定后，只需根據現場情況設定豬只個體發射率[16]、相對濕度、大氣溫度、反射溫度、距離等參數，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殼，在保護殼的底部使用鍺片作為紅外高透光濾光片。滑軌裝置主體采用電泳涂裝的工業型鋁材作為材料，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電機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，以實現供電及數據的傳輸，支架及電纜滑車的數量根據軌道的長度而定。

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 系統控制裝置

系統控制裝置主要包括上位機模塊和下位機模塊。上位機需要實現與紅外熱像儀及下位機的交互，并完成紅外圖像數據的存儲、轉發，因此對上位機的處理速度、內存容量及應用能力有一定的要求。對此，上位機選擇惠普ProDesk 400 G2 MINI微型計算機，其核心處理器為英特爾Core i7-6700T，主頻2.8 GHz，內存8 GB，硬盤容量1 TB，機器符合設計要求。下位機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，不僅實現一定的運算和控制功能，而且可以動態顯示文本。移動小車的電機驅動器采用DM542型數字式步進電機驅動器,其具有運行平穩、噪聲小及內置微細分技術等特點。系統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 軟件集成設計

2.1 軟件體系結構

生豬體溫巡檢系統需要實現紅外圖像的采集、存儲控制，移動小車的運行控制及與遠程服務器的數據通信等功能。系統軟件采用模塊化設計，主要包括紅外圖像采集控制模塊、滑軌移動控制模塊和遠程交互管理控制模塊，系統軟件體系結構如圖5所示。

圖5 系統軟件體系結構圖Fig.5 System software architecture

2.2 滑軌移動控制算法

上位機與滑軌控制器在串口通信中使用8字節的ModBus-RTU協議，協議指令數據幀格式如表2所示，波特率為9 600 b/s，停止位1位，數據位為16位。上位機與滑軌控制器進行指令交互，滑軌移動控制器解析指令后通過控制步進電機的正反轉動來定位小車及紅外熱像儀的軌道位置停靠點，指令具體配置如表3所示。

表2 滑軌移動控制協議指令數據幀格式Tab.2 Slider movement control protocol instruction data frame format 字節

表3 指令配置Tab.3 Instruction configuration

上位機通過監聽服務器端口，接收來自服務器的遠程指令，并將指令轉換成ModBus-RTU協議格式轉發到下位機。滑軌控制器接收到上位機發送的指令后，根據指令解析內容給電機驅動器發送相應的脈沖信號，驅動電機實現小車的運動和停止，并將小車位置點信息點返回，滑軌移動控制算法如下

輸入：本地或遠程服務器指令T(表4中的MODE、SET、QUERY)

輸出：下位機反饋信息K

hostOpenPort(上位機打開串口)，hostSetSerialPort(對串口進參數設置)

while{//監聽本地或者遠程服務器指令

accept//獲取指令T}

switch(T)//解析指令T

case:MODE//控制方式選擇

case:SET//參數設置

case:QUERY//信息查詢

將上述解析后指令轉換為ModBus-RTU協議格式T′并發送至下位機

下位機接收T′并解析，產生相應脈沖信號P控制小車運動和停止

下位機發送反饋指令K至上位機

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與紅外熱像儀的交互完成，上位機收到下位機控制器的反饋信息后，調用API接口服務，完成數據采集。紅外圖像數據的采集控制模式包括手動模式和自動模式。自動模式下，按照系統預設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行本地存儲，然后通過遠程交互管理模塊的定時任務程序將數據傳輸到遠程服務器，采集控制算法流程如下

輸入：紅外圖像采集指令T

輸出：相應欄位點紅外圖像I

while{Accept//上位機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 //調用API服務

連接熱像儀A并設置相關參數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：上傳圖像到遠程服務器

Upload(I)}

數據傳輸是指上位機與遠程服務器的交互管理控制，二者使用Socket方式實現通信，主要包括指令交互和紅外圖像傳輸。紅外圖像數據的定時上傳在每次巡檢后進行，將數據傳輸到遠程服務器進行保存。指令交互則是上位機通過監聽服務器相應端口，接收服務器遠程控制指令并實現信息反饋，通信過程中，遠程服務器向上位機發送的控制指令信息類型如表4所示。

表4 遠程服務器向上位機發送的指令類型Tab.4 Type of instruction sent by remote server to equipment

3 試驗與結果分析

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

3.1 系統布置與參數設定

試驗豬場為標準化設施豬場，環境因子相對穩定，可最大程度地去除豬舍內環境因素的干擾。裝備安裝在限位欄豬舍，為盡可能不丟失豬只頭部區域的熱像分布圖，將熱像儀經過區域定位在限位欄偏豬只頭部區域的正上方。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。根據文獻[16-17]的研究，豬表面發射率為0.945～0.978不等，綜合考慮將發射率設置為0.95。試驗豬場環境溫濕度相對穩定，可根據環境因子數據進行調整。由于限位欄豬只個體呈現不同姿態或行為時，其距離熱像儀鏡頭的距離也有所差異，通過密集觀察發現，當豬只呈現不同姿態或行為時所采集的紅外圖像溫度差異效果不明顯，因此本文將距離設置為統一的120 cm。圖6為系統在設施豬場的布置情況。

圖6 系統現場布置圖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欄位點的興趣豬只。第2階段采用手動模式進行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 豬只耳根區域周期性巡檢試驗

第1階段的周期巡檢試驗共進行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行分析，發現溫度最大值絕大部分集中在豬只耳根區域。根據文獻[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[18-19]相關研究表明，生豬紅外圖像的耳根區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性。因此，在總結國內外相關學者的研究成果的基礎上[5,20-22]，結合巡檢試驗所采集的生豬紅外圖像溫度分布情況，確定以生豬耳根區域作為其體溫檢測的敏感區域。限位欄1～6號豬只耳根區域周期性巡檢統計結果如圖8a所示，前20個限位欄豬只耳根區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3種姿態：側躺、趴和站立，白天豬只以站立和趴為主，晚上則以側躺為主。當豬只呈現趴和側躺姿態時，豬只耳根區域輪廓較為清晰；當豬只站立，發生飲水或進食行為時，其頭部向下，難以捕捉較為明顯的耳根區域輪廓。圖8b結果表明，耳根區域巡檢精度都在90%以上，裝置所采集的紅外圖像能有效監測豬耳根區域溫度情況，驗證了本文巡檢裝置安裝高度、角度的合理性。

圖8 豬只耳根區域巡檢試驗結果Fig.8 Inspection experiment result of ear roots region of pig

3.4 豬只耳根區域溫度監測試驗

相關研究[4]表明，一般豬只的正常體溫范圍為38.0～39.5℃，耳根區域體表溫度較直腸體溫要低。本文試驗豬場為現代化的設施豬場，豬場內部溫濕度等環境因子能夠得到有效的調控，在一定程度上能夠減少豬舍環境對豬只耳根區域溫度變化的干擾。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5 d(所選擇時間段豬只無異常)的耳根區域最高溫度，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5 d內耳根區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食時間為07:00—08:00及17:00—18:00且白天豬只由于進食、飲水等行為呈現一種較為活躍的狀態，因此溫度較高；另一方面，試驗期間正處夏季，設施豬場內部環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據有一定的影響。

圖9 3～6號豬只耳根區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5 d采集的耳根區域溫度最大值進行均值分析。結果表明，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，溫度數值較為穩定，在一定程度上驗證了溫度數值的科學性，后期可結合環境因子數據、豬只姿態、行為等數據深入挖掘分析，為健康養殖、福利養殖提供技術支撐。

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

4 結論

(1)設計了一種基于紅外技術的設施豬場生豬體溫巡檢系統，通過各裝置及相應控制系統可實現生豬紅外圖像的自動化巡檢采集、有效存儲和遠程傳輸。

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

(3)連續5 d對限位欄3～6號豬只的耳根區域溫度最大值及日均值進行監測分析，驗證了所采集紅外圖像溫度數值的科學性，也為后續研究豬只行為、體溫異常提供了數據支撐。