一種動物個體采食量與健康狀況監測的傳感系統及方法與流程

本發明涉及傳感技術應用領域，尤其涉及一種動物個體采食量與健康狀況監測的傳感系統及方法。

背景技術：

采食是動物攝入營養的基本途徑，是保證動物正常生長發育和生產性能充分發揮的關鍵因素之一。目前，動物采食量實時檢測的主要問題是檢測精度較低，主要是以群體動物為對象，并且有的檢測方法還影響動物的采食行為和采食量。若能對個體動物的采食量進行準確測定，將對整個畜牧業來說具有重要的現實意義。

隨著先進傳感和信息網絡技術的不斷發展，也出現對動物采食量監測的相關產品。例如河北農業大學研制的奶牛采食量系統，選用hk-2000系列傳感器對奶牛顳窩位置進行實時檢測，可以得到奶牛的咀嚼和吞咽次數。根據奶牛的吞咽次數和食團質量即可得到奶牛的采食量，基于labwindows/cvi對檢測系統上位機軟件部分進行了設計和開發。由于食團質量大小本身就是個經驗數據，針對不同奶牛會有較大的差異，而且檢測系統采用的是電池供電，每次奶牛采食都在1.5-2個小時，電池體積大，攜帶不方便。

如江蘇大學利用rfid、gprs和嵌入式技術開發豬行為自動監測系，移植linux操作系統，編寫相關的驅動、上層應用軟件，采用minigui實現嵌入式人機界面，該系統安裝在豬舍進食區，對生豬的進食行為進行全天候監測并采集和存儲生豬的采食等行為的數據，根據采集的數據統計出各豬一天的總進食量，當某豬總進食量少于系統設定的閡值時，該豬被確定為疑似病豬，報警數據通過gprs網絡傳送至監測中心，其個體身份信息將發送到指定手機。由于生豬在采食的時候不是靜止不動了，所以不論是稱重地磅還是食槽地磅采集的數據都是有較大誤差的，雖然在本系統中采用了在一段時間內連續采集數據求平均值的方法，但是這種方法比較粗糙，外圍設備比較多，成本較高。

體溫和心率是動物重要的生理指標，體溫和心率反常是動物生理機能被擾亂的重要癥狀之一。在許多疾病中，尤其是患傳染病時，70％的傳染病都會造成體溫和心率的失常，傳染病體溫和心率的異常往往較其他癥狀的出現更早。目前動物傳染性極強的疫病，主要通過肉眼觀察動物行為、體征來判斷，通常是肉眼發現動物有不正常的表現，如嘔吐、無力、不吃不喝、膚色變化后再看體溫和心率的變化。若能依據體溫和心率的異常，提前捕獲都動物異常信息，及時切斷傳染源，可以減少養殖場的損失，提高生產水平。因此，體溫和心率的監測是盡快發現動物疾病不可缺少的依據之一。

禽畜正常的采食、體溫、心率等行為是判斷其健康與否的重要依據，通過釆食、體溫、心率的變化實現對動物個體采食量和生命體征健康狀況的監測，可以及時了解動物的生長、疾病及其營養狀況，為動物的正常生長、生產提供技術和信息支持,為優化設施配套及飼養管理綜合配套技術提供依據,是有效控制畜禽疾病危害、保障農業安全的基礎性工作，因此對動物個體采食量、體溫、心率的監測既有理論意義又有實際應用價值。

目前雖然國內外研究人員對動物生命體征的監測技術進行了較深入的研究，但仍存在以下不足：移植或吞服測溫裝置容易引起畜禽局部感染或發炎，不能長期進行監測，隨身攜帶的監測裝置，雖然沒有創面，但是攜帶不方便。因此尋求簡便安全準確的動物健康狀況監測方法成為近年來的一個重要研究問題。

技術實現要素：

本發明所要解決的技術問題在于提供一種動物個體采食量與健康狀況監測的傳感系統及方法，該系統能對動物采食量、體溫、心率等同時進行準確無創監測，從而規范并有效監督畜禽整個生產和流通過程。

本發明所要解決的技術問題采用以下技術方案來實現：

一種實現動物個體采食量與健康狀況監測的傳感系統，包括rfid耳標識別模塊、傳感器系統、上位機、通訊設備和pc機，所述傳感器系統包括紅外傳感器、測量動物采食量模塊、體溫測量模塊和心率測量模塊，測量動物采食量模塊包括一個微型震動傳感器，體溫測量模塊包括一個紅外溫度傳感器，心率測量模塊包括一個心率傳感器；rfid耳標識別模塊、紅外傳感器、微型震動傳感器、紅外溫度傳感器和心率傳感器均通過i2c總線連接到上位機中的微控制器，上位機中還設有微存儲器，微控制器與微存儲器連接，微存儲器通過通訊設備連接pc機。

作為本發明進一步的方案：所述rfid耳標識別模塊與rfid電子耳標構成rfid組件，rfid耳標識別模塊安裝在動物料槽和動物站立時與頭平齊的位置，rfid電子耳標安裝在動物的耳朵上；i2c總線固定在動物料槽的底部。

作為本發明進一步的方案：所述rfid標簽識別器型號為jt900a，微型震動傳感器的型號為sc0063型位移振動傳感器，紅外溫度傳感器采用鉑絲熱電阻傳感器，心率傳感器采用心電測量的芯片。

作為本發明進一步的方案：所述通訊設備可以是有線通訊設備或無線傳感器或藍牙通訊設備，無線傳感器網絡節點型號是gains3，通信頻率是433mhz。

一種實現動物個體采食量與健康狀況監測的方法，包括以下步驟：

s1、將rfid耳標識別模塊和傳感器系統采集到的rfid電子耳標數據、震動數據、體溫數據和心率數據，分別經放大濾波、a/d轉換通道后送入微控制器；

s2、微控制器中的處理器將采集數據進行分析處理，并提取處理后的動物采食時間、吞咽次數、體溫、心率信息送入微存儲器中，微存儲器通過通訊設備連接pc機；

s3、將傳輸至pc機的數據與其預設的閾值參數進行分析比較，出現異常情況及時報警，同時根據預設算法對動物的健康狀態做出分類，作出動物健康狀況的監測。

作為本發明進一步的方案：所述s1中傳感器系統的震動傳感器、紅外溫度傳感器、心率傳感器采用持續測量模式。

作為本發明進一步的方案：所述s2中微控制器完成一天的數據采集后，開啟微控制器中的采食量計算模塊，計量采食量并將一天之內記錄得到的體溫和心率信號做平均處理，送入微存儲器中。

動物采食量的計算包括以下步驟：通過rfid電子耳標數據可以確定所采集的數據屬于哪一個動物個體，根據震動數據、體溫數據確定動物是否在采食，震動傳感器停止震動和開始震動的時間差記為單個動物的采食時間t，所有動物的采食時間加在一起即為動物的總采食時間t，一天內的總的動物的投料量是已知的，記為w，總的投料量除以總的采食時間可以得出動物的采食速度v，采食速度乘以每個動物的采食時間可以得出該動物的采食量i，某個動物的采食量計算公式如下：i＝(w/t)*t。

作為本發明進一步的方案：所述s3中動物健康狀況的監測包括以下步驟：動物健康狀況判斷系統的決策：a＝{y1，y2}，其中y1和y2分別為非健康和健康的概率；其中各傳感器得到的數據為b＝{x1/心率傳感器，x2/紅外溫度傳感器}，x1和x2分別是提取后的心率傳感器的數據和紅外溫度傳感器的數據的特征值，傳感器的數據對各可能決策的判斷，即對健康狀況的判斷可用定義在a上的隸屬函數表示，其中心率傳感器的數據對動物健康狀態的判斷結果為：[u11，u12]，而紅外溫度傳感器的數據對動物健康狀態的判斷結果為：[u21，u22]，即uij為第i個單個傳感器的數據推斷為決策j的可能程度，u11為心率傳感器的數據給出決策為動物非健康的可能程度，u12為心率傳感器的數據給出決策為動物健康狀態正常的可能程度，u21為紅外溫度傳感器的數據給出決策為動物非健康的可能程度，u22為紅外溫度傳感器的數據給出決策為動物健康狀態正常的可能程度，0≤uij≤1，可得到關系矩陣：

用b的隸屬度來表示各傳感器的數據判斷的可靠性x，再根據模糊變換y＝x·r，可得到y＝{y1,y2}，即為綜合判斷得到非健康和健康的可能性，在具體的應用過程中，我們分別根據對實驗數據的觀察，采用模糊分析法確定兩種傳感器的數據對健康狀態判斷的隸屬度函數，利用權函數表示兩個傳感器的數據的可靠性，即x＝{x1,x2}，0≤x1,x2≤1，且x1+x2＝1，則模糊計算得到：

對于y中計算得到的動物屬于非健康和健康的可能性，在下一步的非健康的狀態決策時，我們將采用最大隸屬度和隸屬度值閾值的原則進行判斷。

與現有技術相比，本發明的有益效果是：本發明的用于監測動物采食量和健康狀況的傳感裝置，傳感器組合安裝在料槽底部，不需要動物隨身攜帶，不會影響其正常的行動和生理狀態，動物活動不受限制，避免因動物相互間的摩擦和磕碰而使傳感器工作失常，解決了畜類動物采食量與健康狀況的實時、在線檢測，適用于對多類圈養的動物進行長期實時地監測，可大大減少人力和物力，有利于監督動物的生長過程和健康狀況。

附圖說明

圖1為本發明整體系統結構示意圖；

圖2為本發明模塊結構示意圖；

圖3為本發明中動物采食量的計算的流程圖；

圖4為本發明中動物健康狀態判斷的流程圖。

具體實施方式

為了使本發明實現的技術手段、創作特征、達成目的與功效易于明白了解，下面結合具體圖示，進一步闡述本發明。

如圖1-4所示，一種實現動物個體采食量與健康狀況監測的傳感系統，包括rfid耳標識別模塊9、傳感器系統、上位機6、網絡傳輸系統和pc機8，所述傳感器系統包括紅外傳感器5、測量動物采食量模塊、體溫測量模塊和心率測量模塊，測量動物采食量模塊包括一個微型震動傳感器3，體溫測量模塊包括一個紅外溫度傳感器2，心率測量模塊包括一個心率傳感器4；rfid耳標識別模塊9、紅外傳感器5、微型震動傳感器3、紅外溫度傳感器2和心率傳感器4均通過i2c總線1連接到上位機6中的微控制器601，上位機6中還設有微存儲器602，微控制器601與微存儲器602連接，微存儲器602通過通訊設備7連接pc機8。

rfid耳標識別模塊9與rfid電子耳標構成rfid組件，rfid耳標識別模塊9安裝在動物料槽10和動物站立時與頭平齊的位置，rfid電子耳標安裝在動物的耳朵上。

i2c總線1固定在動物料槽10的底部。

上述，rfid標簽識別器型號為jt900a，設置的掃描周期為300毫秒。

上述，微型震動傳感器3，例如sc0063型位移振動傳感器，用于檢測動物在向前、向上和側向三個方向運動時的速度變化。

上述，紅外溫度傳感器2，例如鉑絲熱電阻傳感器等，能夠檢測到動物的瞬時體溫。

上述，心率傳感器4，例如可直接采用心電測量的芯片等，用于測量動物個體的心率數據。

通訊設備7可以是有線通訊設備或無線傳感器或藍牙通訊設備，無線傳感器網絡節點型號是gains3，通信頻率是433mhz。

本裝置適用于有rfid電子耳標的養殖場。各個傳感器組件(紅外溫度傳感器2、震動傳感器3、心率傳感器4、紅外傳感器5)通過i2c總線1和上位機6中的微控制器601接通連接該微控制器601將采集到的信號經轉換、處理后送入微型存儲器中。上位機6中的存儲器將數據由網絡傳輸組件送給pc機8進行相應的數據處理和分析,pc機8中設定用于預警的各生理信號的閾值參數，由pc機8對動物采食量和動物生命特征做出判斷和分類，判斷動物的身體狀況。

一種實現動物個體采食量與健康狀況監測的方法，包括以下步驟：

s1、將rfid耳標識別模塊9和傳感器系統采集到的rfid電子耳標數據、震動數據、體溫數據和心率數據，分別經放大濾波、a/d轉換通道后送入微控制器601；

s2、微控制器601中的處理器將采集數據進行分析處理，并提取處理后的動物采食時間、吞咽次數、體溫、心率信息送入微存儲器602中，微存儲器602通過通訊設備7連接pc機8；

s3、將傳輸至pc機8的數據與其預設的閾值參數(采食量參數值，體溫參數值，心率參數值)進行分析比較，出現異常情況(即超過所設閾值)及時報警，同時根據預設算法對動物的健康狀態做出分類，作出動物健康狀況的監測；其中，所述震動傳感器3用于監測對動物的個體采食量，所述的震動傳感器3、體溫傳感器和心率傳感器4一起用于對動物的健康狀態做出分類。

s1中傳感器系統的震動傳感器3、紅外溫度傳感器2、心率傳感器4采用持續測量模式，所采集到的信號放大濾波后經a/d轉換通道后送入微控制器601，以一天(24小時)為一個測量周期。

s2中微控制器601完成一個周期的數據采集后，開啟微控制器601中的采食量計算模塊，計量采食量并將一天之內記錄得到的體溫和心率信號做平均處理，送入微存儲器602中。

動物采食量的計算包括以下步驟：通過rfid電子耳標數據可以確定所采集的數據屬于哪一個動物個體，根據震動數據、體溫數據確定動物是否在采食，震動傳感器3停止震動和開始震動的時間差記為單個動物的采食時間t，所有動物的采食時間加在一起即為動物的總采食時間t，一天內的總的動物的投料量是已知的，記為w，總的投料量除以總的采食時間可以得出動物的采食速度v，采食速度乘以每個動物的采食時間可以得出該動物的采食量i，某個動物的采食量計算公式如下：i＝(w/t)*t。

s3中動物健康狀況的監測包括以下步驟：體溫、心率是機體內在活動的客觀反映，是衡量機體狀態的可靠指標，通過對動物體溫和心率的監測，可以實現對動物生命體征的監測，生命體征正常的動物的體溫和心率有一個范圍，把這個范圍設置為閾值，不在設置的范圍內則提示該動物生命體征出現異常，動物健康狀況判斷系統的決策有：a＝{y1，y2}，其中y1和y2分別為非健康和健康的概率；其中各傳感器得到的數據為b＝{x1/心率傳感器4，x2/紅外溫度傳感器2}，x1和x2分別是提取后的心率傳感器4的數據和紅外溫度傳感器2的數據的特征值，傳感器的數據對各可能決策的判斷，即對健康狀況的判斷可用定義在a上的隸屬函數表示，其中心率傳感器4的數據對動物健康狀態的判斷結果為：[u11，u12]，而紅外溫度傳感器2的數據對動物健康狀態的判斷為：[u21，u22]，即uij為第i個單個傳感器的數據推斷為決策j的可能程度，u11為心率傳感器4的數據給出決策為動物非健康的可能程度，u12為心率傳感器4的數據給出決策為動物健康狀態正常的可能程度，u21為紅外溫度傳感器2的數據給出決策為動物非健康的可能程度，u22為紅外溫度傳感器2的數據給出決策為動物健康狀態正常的可能程度，0≤uij≤1，可得到關系矩陣：

用b的隸屬度來表示各傳感器的數據判斷的可靠性x，再根據模糊變換y＝x·r，可得到y＝{y1,y2}，即為綜合判斷得到非健康和健康的可能性，在具體的應用過程中，我們分別根據對實驗數據的觀察，采用模糊分析法確定兩種傳感器的數據對健康狀態判斷的隸屬度函數，利用權函數表示兩個傳感器的數據的可靠性，即x＝{x1,x2}，0≤x1,x2≤1，且x1+x2＝1，則模糊計算得到：

對于y中計算得到的動物屬于非健康和健康的可能性，在下一步的非健康的狀態決策時，我們將采用最大隸屬度和隸屬度值閾值的原則進行判斷，例如判斷動物健康狀況的條件:y1>y2,且y1大于某一閾值(0.5)。

以上顯示和描述了本發明的基本原理、主要特征和優點。本行業的技術人員應該了解，本發明不受上述實施例的限制，上述實施例和說明書中描述的只是說明本發明的原理，在不脫離本發明精神和范圍的前提下，本發明還會有各種變化和改進，這些變化和改進都落入要求保護的本發明范圍內。本發明要求保護范圍由所附的權利要求書及其等效物界定。