智慧牧場(chǎng)牲畜動(dòng)態(tài)智能感知系統(tǒng)研究與應(yīng)用--以牛咀嚼感知為例.pdf

1、在畜產(chǎn)品品質(zhì)要求提升、環(huán)保壓力增大的背景下，畜牧養(yǎng)殖逐步回歸到綠色生態(tài)養(yǎng)殖模式。智慧牧場(chǎng)是畜牧業(yè)新的發(fā)展趨勢(shì)，因此我國(guó)政府大力支持畜牧業(yè)智能裝備研發(fā)。目前野外牲畜信息采集面臨感知能力有限、數(shù)據(jù)收集難、設(shè)備功耗高、供電時(shí)間短等問題，這些是困擾牧場(chǎng)管理全面走向智能化的重要障礙。因此研究牲畜生理體征信息感知方法、便捷的數(shù)據(jù)交互方式、長(zhǎng)期信息監(jiān)測(cè)等，為提升決策、管理智能化水平等方面意義重大。
　　本文針對(duì)野外自由放養(yǎng)模式下長(zhǎng)期、便捷采集信

2、息的需求，綜合了LoRa、能量收集與3D打印等技術(shù)，開發(fā)了適合放養(yǎng)模式下的低功耗、遠(yuǎn)距離、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、自供電的數(shù)據(jù)交互通用平臺(tái)。
　　牛是我國(guó)肉類消費(fèi)的主要畜產(chǎn)品，本文以牛生理疾病的重要臨床特征——進(jìn)食與反芻作為感知研究的重點(diǎn)，通過其共性特征——咀嚼，結(jié)合傳感器、信號(hào)處理、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)，研發(fā)了牛咀嚼感知、頻率提取以及分類方法。
　　本文的主要研究成果體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面:
　　(1)本文采用非接觸角度測(cè)量原理，將

3、牛咀嚼過程中上下顎的運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為角度運(yùn)動(dòng)進(jìn)行測(cè)量。精選非接觸磁編碼器AS5600作為角度感知芯片，將機(jī)械部分與電子部分隔離，間接測(cè)量牛咀嚼過程，并結(jié)合3D打印技術(shù)設(shè)計(jì)咀嚼測(cè)量輔助穿戴配件。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，咀嚼測(cè)量正確率可達(dá)98.4％。
　　(2)在研究牛咀嚼行為特征的基礎(chǔ)上，選取了咀嚼數(shù)據(jù)與頭部姿態(tài)數(shù)據(jù)作為有效咀嚼分類源數(shù)據(jù)，通過取樣處理后，對(duì)咀嚼數(shù)據(jù)采用Smooth平滑濾波，提取波峰與波谷，獲得其峰與谷均差值，由FFT獲取咀嚼頻率，

4、對(duì)頭部姿態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行均值化處理。通過采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在Matlab軟件上進(jìn)行學(xué)習(xí)，達(dá)到預(yù)期后，將網(wǎng)絡(luò)的權(quán)值與閾值導(dǎo)入微控制器中，并在其中實(shí)現(xiàn)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分類算法。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，非咀嚼正確率達(dá)到了100％;進(jìn)食正確率為70.7％，反芻正確率為92.3％，并可提供正確率達(dá)93.96％的咀嚼頻率值，作為行為量化值。
　　(3)本文利用SMT32cubmx開發(fā)平臺(tái)，采用LoRa的SX1278芯片實(shí)現(xiàn)星型網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)開發(fā)，構(gòu)建了放養(yǎng)條件下的低功耗

5、、遠(yuǎn)距離的數(shù)據(jù)收集模式;以太陽能作為能量來源，集合BQ25504能量收集芯片，拓展了太陽能的轉(zhuǎn)化效率，縮減了設(shè)備體積，易于穿戴，實(shí)現(xiàn)了設(shè)備長(zhǎng)期供電。
　　本文研究的創(chuàng)新點(diǎn):
　　(1)本文研發(fā)的牛咀嚼傳感器屬于原始創(chuàng)新，將復(fù)雜的咀嚼過程簡(jiǎn)化為角度測(cè)量，簡(jiǎn)化了感知結(jié)構(gòu)，具有準(zhǔn)確率高，抗干擾強(qiáng)的特點(diǎn)，為科研與生產(chǎn)應(yīng)用提供了一種有效咀嚼測(cè)量方法。
　　(2)本文采用了BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)作為咀嚼分類的核心算法，在有限的微控制器資源的