摘要：針對規(guī)?；i養(yǎng)殖過程中難以及時(shí)獲取豬只體溫問題，設(shè)計(jì)了基于紅外技術(shù)的生豬體溫巡檢裝備并開發(fā)了相應(yīng)的裝備控制系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)對設(shè)施豬場生豬體溫的快速監(jiān)測。裝備硬件包括紅外移動(dòng)采集裝置、系統(tǒng)控制裝置和供電裝置3個(gè)部分，其中紅外移動(dòng)采集裝置包括滑軌、移動(dòng)小車、紅外熱像儀和保護(hù)殼系統(tǒng)控制裝置包括惠普MINI微型計(jì)算機(jī)、XP2-18R/RT型整體式控制器和DM542型數(shù)字式中低步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器供電裝置包括電纜線和電纜滑車。裝備控制系統(tǒng)集成紅外圖像的采集、存儲(chǔ)控制，移動(dòng)小車的運(yùn)行控制及與遠(yuǎn)程服務(wù)器的數(shù)據(jù)通信等功能。在限位欄豬舍部署該裝備并進(jìn)行了28d的測試試驗(yàn)，試驗(yàn)表明：該裝備工作穩(wěn)定，巡檢過程中紅外圖像平均缺失率為0.9%，能有效采集限位欄生豬紅外圖像。試驗(yàn)選擇耳根區(qū)域作為生豬體溫敏感區(qū)域，通過統(tǒng)計(jì)得到豬只耳根區(qū)域周期性巡檢精度在90%以上，能有效監(jiān)測豬只耳根區(qū)域溫度情況。試驗(yàn)還對3-6號(hào)豬只連續(xù)5d耳根區(qū)域溫度最大值進(jìn)行監(jiān)測并統(tǒng)計(jì)其日均值，通過分析驗(yàn)證了溫度數(shù)值的科學(xué)性，可為養(yǎng)殖人員提供有效的監(jiān)測信息，在生豬養(yǎng)殖領(lǐng)域?qū)ιi健康的監(jiān)測和疫情的防治具有重要的意義。

　　關(guān)鍵詞：生豬：體溫；紅外熱像儀；巡檢；機(jī)器視覺

　　當(dāng)前，規(guī)?；?、集約化養(yǎng)殖已成為我國生豬養(yǎng)殖行業(yè)發(fā)展的必然趨勢，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，體溫是豬只機(jī)體內(nèi)活動(dòng)的客觀反映，是一項(xiàng)重要的生理指標(biāo)，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來表征體溫，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，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，其同樣可作為豬只健康與否的重要指標(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(jì)算機(jī)視覺技術(shù)逐漸滲透到各個(gè)領(lǐng)域，在畜禽養(yǎng)殖領(lǐng)域也逐漸發(fā)展起來。紅外熱成像作為一種替代的非接觸的體溫測量方法，已經(jīng)被研究作為識(shí)別與體溫變化相關(guān)的許多生理和病理過程的工具，文獻(xiàn)研究了通過紅外熱像儀可以識(shí)別豬只體表最冷和最熱區(qū)域，并可作為評(píng)估豬場設(shè)施和動(dòng)物福利的工具。文獻(xiàn)應(yīng)用紅外熱像儀來估計(jì)新生豬體溫并分析其熱應(yīng)激狀態(tài)。通過紅外熱成像評(píng)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)研究了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升高。文獻(xiàn)研究了基于改進(jìn)主動(dòng)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)為研究規(guī)?；i養(yǎng)殖中非接觸式體溫測量方法，用改進(jìn)的OSTU算法分別對仔豬、育肥豬和妊娠豬紅外圖像耳根部進(jìn)行檢測。

　　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(dòng)檢測、分析方面尚未取得突破?；谇叭搜芯康乃枷?，本文采用FLIR A310型紅外熱像儀作為生豬紅外圖像采集器，研究設(shè)計(jì)一種基于紅外技術(shù)的設(shè)施豬場生豬體溫巡檢裝備及系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)對巡檢裝備的遠(yuǎn)程控制及生豬體溫的實(shí)時(shí)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  生豬體溫巡檢設(shè)備硬件設(shè)計(jì)

　　體溫巡檢裝備硬件由紅外移動(dòng)采集裝置、系統(tǒng)控制裝置和電源組成。硬件裝備的體系結(jié)構(gòu)如圖1所示。

　　裝備采用FLIR A310型紅外熱像儀作為圖像采集器，如圖2a所示。A310是FLIR Systems公司的一款熱像儀，其主要應(yīng)用在安全自動(dòng)化方面，可實(shí)現(xiàn)數(shù)字輸入、輸出，具有熱敏度高、精度高等特點(diǎn)，產(chǎn)品部分參數(shù)如表1所示。為了最大程度上采集生豬紅外圖像，熱像儀在內(nèi)置25%鏡頭的基礎(chǔ)上，加裝一個(gè)90鏡頭，如圖2b所示。

圖2  熱像儀及鏡頭

表1   FLIR A310熱像儀主要參數(shù)表

　　在實(shí)驗(yàn)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(shí)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，單位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(shí)，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(jì)算得到物體各點(diǎn)的溫度，形成熱像圖。然而，熱像儀接收到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(bǔ)償，補(bǔ)償公式為

　　Wtot=ετWobj+（1-ε）τWrefl+（1-τ）Watm         （2）

　　式中τ--大氣傳輸率

　　Wtot--熱像儀所接收到的全部輻射能，單位W/m2

　　Wobj--來自目標(biāo)物體的輻射能

　　Wrefl--周圍環(huán)境的反射輻射能

　　Watm--大氣輻射能

　　本文巡檢裝備所采集的生豬紅外圖像進(jìn)行溫度數(shù)據(jù)分析時(shí)采用相對溫度分析。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(gè)體發(fā)射率、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。

　　紅外移動(dòng)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32cm×11cm×10cm的亞克力透明板作為熱像儀的保護(hù)殼，在保護(hù)殼的底部使用儲(chǔ)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(dòng)小車及若干電纜滑車。紅外熱像儀安裝在移動(dòng)小車上，電纜滑車主要用于搭載電纜滑線，以實(shí)現(xiàn)供電及數(shù)據(jù)的傳輸，支架及電纜滑車的數(shù)量將根據(jù)軌道的長度而定。

　　1.豬舍限位欄2.紅外采集裝置 3.移動(dòng)小車 4.軌道 5.支架 6.電纜滑車 7、電纜線

　　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(shí)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(chǔ)、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(jì)算機(jī)，其核心處理器為英特爾Core i7-6700T，主頻2.8GHz，內(nèi)存8GB，硬盤容量1TB，機(jī)器符合設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)一定的運(yùn)算和控制功能，而且可以動(dòng)態(tài)的顯示文本。移動(dòng)小車的電機(jī)驅(qū)動(dòng)器采用DM542型數(shù)字式中低步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，其具有運(yùn)行平穩(wěn)、噪音小及內(nèi)置微細(xì)分技術(shù)等特點(diǎn)。系統(tǒng)控制裝置硬件實(shí)物如圖4所示。

　　生豬體溫巡檢裝備需要實(shí)現(xiàn)紅外圖像的采集、存儲(chǔ)控制，移動(dòng)小車的運(yùn)行控制及與遠(yuǎn)程服務(wù)器的數(shù)據(jù)通信等功能。裝備系統(tǒng)軟件采用模塊化設(shè)計(jì)，主要包括紅外圖像采集控制模塊、滑軌移動(dòng)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。

　　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9600，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(dòng)控制器解析指令后通過控制步進(jìn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)動(dòng)來定位小車及紅外熱像儀的軌道位置停靠點(diǎn)，指令具體配置如表3所示。

表2  滑軌移動(dòng)控制協(xié)議指令數(shù)據(jù)幀格式

表3  指令配置表

　　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(dòng)器發(fā)送相應(yīng)的脈沖信號(hào)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)實(shí)現(xiàn)小車的運(yùn)動(dòng)和停止，并將小車位置點(diǎn)信息點(diǎn)返回，滑軌移動(dòng)控制算法如下：

　　輸入：本地或遠(yuǎn)程服務(wù)器指令T（如表4中的MODE，SET，QUERY三種）

　　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/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

　　將上述解析后的轉(zhuǎn)化為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(hào)P控制小車運(yùn)動(dòng)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(dòng)模式和自動(dòng)模式。自動(dòng)模式下，按照系統(tǒng)預(yù)設(shè)巡檢采集每個(gè)欄位點(diǎn)的生豬紅外圖像手動(dòng)模式下，按照用戶需求采集興趣欄位點(diǎn)生豬紅外圖像。采集的紅外圖像先進(jìn)行本地存儲(chǔ)，然后通過遠(yuǎn)程交互管理模塊的定時(shí)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(diǎn)紅外圖像1

　　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(dòng)模式

　　case:manual//手動(dòng)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

　　采集圖片I，斷開熱像儀A并將紅外圖像存儲(chǔ)在本地

　　Task{//定時(shí)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(shí)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(shí)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(shí)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)器向裝備發(fā)送的指令類型

　　為驗(yàn)證裝備的穩(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28d的測試試驗(yàn)。

　　試驗(yàn)豬場為標(biāo)準(zhǔn)化的設(shè)施豬場，環(huán)境因子相對穩(wěn)定，可最大程度上去除豬舍內(nèi)環(huán)境因素的干擾。裝備安裝在限位欄豬舍，為了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。每個(gè)限位欄長220cm、寬75cm、高106cm，紅外熱像儀距離豬舍地面200cm，滑軌安裝欄位共有28個(gè)。根據(jù)文獻(xiàn)的研究，豬表面發(fā)射率為0.945到0.978不等，綜合考慮將發(fā)射率設(shè)置為0.95。試驗(yàn)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(gè)體呈現(xiàn)不同姿態(tài)或行為時(shí)，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(shí)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120cm。圖6為體溫巡檢裝備在設(shè)施豬場的布置情況。

　　精度試驗(yàn)分為2個(gè)階段，第一階段采用自動(dòng)巡檢方式進(jìn)行21d紅外圖像的采集，頻率為每2h巡檢28個(gè)欄位一次，每個(gè)欄位點(diǎn)每次停留3s并采集1幅紅外圖像。巡檢模式下限位欄5號(hào)及6號(hào)豬只的拍攝效果樣例如圖7所示，中間位置豬只為相應(yīng)欄位點(diǎn)的興趣豬只。第二階段采用手動(dòng)模式進(jìn)行7d特定豬只個(gè)體紅外圖像的采集，頻率為每0.5h采集一次生豬紅外圖像。

圖7  紅外圖像采集樣例

　　第1階段的試驗(yàn)理論上每7d采集2352幅紅外圖像，第2階段試驗(yàn)理論上采集336幅紅外圖像，在實(shí)際試驗(yàn)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(yàn)采集情況如表5所示。第1階段21d的缺失率分別為0.9%、1.2%、0.6%，第2階段的缺失率為1.8%，試驗(yàn)平均缺失率為0.9%，可滿足自動(dòng)化巡檢采集生豬紅外圖像的實(shí)際需求。

表5  試驗(yàn)過程紅外圖像采集情況

　　第1階段的周期巡檢試驗(yàn)共進(jìn)行21d，試驗(yàn)期間共采集了6993幅豬只紅外圖像，通過FLIRTools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)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(bǔ)充診斷程序及文獻(xiàn)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，結(jié)合巡檢試驗(yàn)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(hào)豬只耳根區(qū)域周期性巡檢統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖8a所示，前20個(gè)限位欄豬只耳根區(qū)域周期性巡檢精度如圖8b所示。

　　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(shí)，豬只耳根區(qū)域輪廓較為清晰；當(dāng)豬只站立時(shí)，發(fā)生飲水或進(jìn)食行為時(shí)，其頭部向下，有時(shí)難以捕捉較為明顯的耳根區(qū)域輪廓。圖7b結(jié)果表明，耳根區(qū)域巡檢精度都在90%以上，裝備所采集的紅外圖像能有效的監(jiān)測豬耳根區(qū)域溫度情況，驗(yàn)證了本文巡檢裝備安裝高度、角度的合理性。

　　根據(jù)相關(guān)研究表明，一般豬的正常體溫范圍為38.0℃至39.5℃，耳根區(qū)域體表溫度較直腸體溫要低。本文試驗(yàn)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(yàn)通過FLIRTools工具提取了限位欄3至6號(hào)豬只2018年7月17日至7月21日連續(xù)5d（所選擇時(shí)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號(hào)至6號(hào)豬只在連續(xù)5d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趨勢變化，其中耳部區(qū)域溫度最大值高達(dá)39.1C，最小為36.3℃。所測得的豬只體溫白天整體高于黑夜，一方面是因?yàn)樨i只的進(jìn)食時(shí)間為上午07：00-08：00及下午的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(yàn)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至6號(hào)豬只耳根區(qū)域溫度最大值曲線

　　如圖10所示，對3至6號(hào)豬只2018年7月17日至7月21日連續(xù)5d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至6號(hào)豬只耳根溫度最大值均值均在37℃以上，不同豬只個(gè)體間所測得耳根溫度有差異。6號(hào)豬相對3、4及5號(hào)豬而言，其均值最大，4號(hào)豬則均值最小?？傮w而言，溫度數(shù)值較為穩(wěn)定，在一定程度上驗(yàn)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至6號(hào)豬只耳根區(qū)域日溫度最大值均值

　?。?）設(shè)計(jì)了一種基于紅外技術(shù)的設(shè)施豬場生豬體溫巡檢裝備，通過裝備及相應(yīng)控制系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)生豬紅外圖像的自動(dòng)化巡檢采集、有效存儲(chǔ)和遠(yuǎn)程傳輸。

　　（2）對裝備及系統(tǒng)進(jìn)行部署測試，試驗(yàn)結(jié)果表明該裝備能穩(wěn)定運(yùn)行，巡檢過程紅外圖像平均缺失率為0.9%，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(yàn)證了裝備的穩(wěn)定性、可行性。

　?。?）對限位欄3至6號(hào)豬連續(xù)5d的耳根區(qū)域溫度最大值及日均值進(jìn)行監(jiān)測分析，驗(yàn)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。