基于红外技术的设施猪场生猪体温巡检装备设计与试验

　　摘要：针对规模化生猪养殖过程中难以及时获取猪只体温问题，设计了基于红外技术的生猪体温巡检装备并开发了相应的装备控制系统，以实现对设施猪场生猪体温的快速监测。装备硬件包括红外移动采集装置、系统控制装置和供电装置3个部分，其中红外移动采集装置包括滑轨、移动小车、红外热像仪和保护壳系统控制装置包括惠普MINI微型计算机、XP2-18R/RT型整体式控制器和DM542型数字式中低步进电机驱动器供电装置包括电缆线和电缆滑车。装备控制系统集成红外图像的采集、存储控制，移动小车的运行控制及与远程服务器的数据通信等功能。在限位栏猪舍部署该装备并进行了28d的测试试验，试验表明：该装备工作稳定，巡检过程中红外图像平均缺失率为0.9%，能有效采集限位栏生猪红外图像。试验选择耳根区域作为生猪体温敏感区域，通过统计得到猪只耳根区域周期性巡检精度在90%以上，能有效监测猪只耳根区域温度情况。试验还对3-6号猪只连续5d耳根区域温度最大值进行监测并统计其日均值，通过分析验证了温度数值的科学性，可为养殖人员提供有效的监测信息，在生猪养殖领域对生猪健康的监测和疫情的防治具有重要的意义。

　　关键词：生猪：体温；红外热像仪；巡检；机器视觉

　　当前，规模化、集约化养殖已成为我国生猪养殖行业发展的必然趋势，然而，随着养殖规模的扩大，饲养密度的增加，容易引起猪只的应激反应，增加猪病防控的难度，体温是猪只机体内活动的客观反映，是一项重要的生理指标，传统猪只体温测量采用人工测量方法，一般用猪的直肠温度来表征体温，人工接触式测量不仅效率低下，而且不利于保证其福利水平。研究表明，生猪体表温度是由其皮肤和生活环境之间的热交换、新陈代谢和近体表的血液循环决定的，因此，其同样可作为猪只健康与否的重要指标。

　　近年来，随着信息技术的发展和深入应用，电子信息技术、计算机视觉技术逐渐渗透到各个领域，在畜禽养殖领域也逐渐发展起来。红外热成像作为一种替代的非接触的体温测量方法，已经被研究作为识别与体温变化相关的许多生理和病理过程的工具，文献研究了通过红外热像仪可以识别猪只体表最冷和最热区域，并可作为评估猪场设施和动物福利的工具。文献应用红外热像仪来估计新生猪体温并分析其热应激状态。通过红外热成像评估断奶仔猪眼睛、耳朵和鼻子区域表面温度与不同类型环境的关系。文献研究了对猪只头部红外图像使用差分ROI方法可用于早期检测猪体温升高。文献研究了基于改进主动模型的猪耳部目标区域检测方法，为研究生猪规模化养殖中非接触式体温监测打下基础。文献为研究规模化生猪养殖中非接触式体温测量方法，用改进的OSTU算法分别对仔猪、育肥猪和妊娠猪红外图像耳根部进行检测。

　　上述研究主要建立在人工对红外图像进行分析、处理的基础上，在体温的自动检测、分析方面尚未取得突破。基于前人研究的思想，本文采用FLIR A310型红外热像仪作为生猪红外图像采集器，研究设计一种基于红外技术的设施猪场生猪体温巡检装备及系统，以实现对巡检装备的远程控制及生猪体温的实时监测，为后期研究猪只行为、健康信息提供数据基础。

　　1  生猪体温巡检设备硬件设计

　　体温巡检装备硬件由红外移动采集装置、系统控制装置和电源组成。硬件装备的体系结构如图1所示。

　　装备采用FLIR A310型红外热像仪作为图像采集器，如图2a所示。A310是FLIR Systems公司的一款热像仪，其主要应用在安全自动化方面，可实现数字输入、输出，具有热敏度高、精度高等特点，产品部分参数如表1所示。为了最大程度上采集生猪红外图像，热像仪在内置25%镜头的基础上，加装一个90镜头，如图2b所示。

图2  热像仪及镜头

表1   FLIR A310热像仪主要参数表

　　在实验室设定的条件下，用一定数量已知温度的黑体进行热像仪标定，标定时采用斯蒂芬-玻尔兹曼定律所给出的黑体辐射能量与其温度的关系式

　　W=εδT4         （1）

　　式中W--辐射功率，单位W/m2

　　ε--灰体的发射率，由物体材质决定，介于0～1之间，物体为黑体时，ε=1

　　δ--史蒂芬-玻尔兹曼比例常数，取5.67×10-8W/（m2·K4）

　　T--热力学温度，K

　　通过热像仪测得的辐射能及材料固有的发射率参数，理论上就可以计算得到物体各点的温度，形成热像图。然而，热像仪接收到的有效辐射除了物体自身辐射外，还包括周围环境的反射辐射、大气辐射。因此需进行修正补偿，补偿公式为

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

　　式中τ--大气传输率

　　Wtot--热像仪所接收到的全部辐射能，单位W/m2

　　Wobj--来自目标物体的辐射能

　　Wrefl--周围环境的反射辐射能

　　Watm--大气辐射能

　　本文巡检装备所采集的生猪红外图像进行温度数据分析时采用相对温度分析。因此，在误差允许范围内，热像仪标定后，只需根据现场情况设定猪只个体发射率、相对湿度、大气温度、反射温度、距离等参数，建立有效的温度分布热像图。

　　红外移动采集装置主要由FLIR A310型红外热像仪和滑轨装置组成，如图3所示。为去除环境因素对热像仪的腐蚀和干扰，采用32cm×11cm×10cm的亚克力透明板作为热像仪的保护壳，在保护壳的底部使用储片作为红外高透光滤光片。滑轨装置主体采用电泳涂装的工业型铝材作为材料，由若干支架和主、副轨道组成，支架用于固定在猪场限位栏上，轨道上搭载带有步进电机的四轮移动小车及若干电缆滑车。红外热像仪安装在移动小车上，电缆滑车主要用于搭载电缆滑线，以实现供电及数据的传输，支架及电缆滑车的数量将根据轨道的长度而定。

　　1.猪舍限位栏2.红外采集装置 3.移动小车 4.轨道 5.支架 6.电缆滑车 7、电缆线

　　系统控制装置主要包括上位机模块和下位机模块。上位机需要实现与红外热像仪及下位机的交互，并完成红外图像数据的存储、转发，因此对上位机的处理速度、内存容量及应用能力有一定的要求。对此，上位机选择惠普ProDesk 400 G2 MINI微型计算机，其核心处理器为英特尔Core i7-6700T，主频2.8GHz，内存8GB，硬盘容量1TB，机器符合设计要求。下位机采用信捷电气公司的XP2-18R/RT型整体式控制器，控制器整合了PLC和文本显示OP功能，不仅实现一定的运算和控制功能，而且可以动态的显示文本。移动小车的电机驱动器采用DM542型数字式中低步进电机驱动器，其具有运行平稳、噪音小及内置微细分技术等特点。系统控制装置硬件实物如图4所示。

　　生猪体温巡检装备需要实现红外图像的采集、存储控制，移动小车的运行控制及与远程服务器的数据通信等功能。装备系统软件采用模块化设计，主要包括红外图像采集控制模块、滑轨移动控制模块和远程交互管理控制模块，系统软件体系结构如图5所示。

　　上位机与滑轨控制器在串口通信中使用8字节的ModBus-RTU协议，协议指令数据帧格式如表2所示，波特率为9600，停止位1位，数据位为16位。上位机与滑轨控制器进行指令交互，滑轨移动控制器解析指令后通过控制步进电机的正反转动来定位小车及红外热像仪的轨道位置停靠点，指令具体配置如表3所示。

表2  滑轨移动控制协议指令数据帧格式

表3  指令配置表

　　上位机通过监听服务器端口，接收来自服务器的远程指令，并将指令转换成ModBus-RTU协议格式转发到下位机。滑轨控制器接收到上位机发送的指令后，根据指令解析内容给电机驱动器发送相应的脉冲信号，驱动电机实现小车的运动和停止，并将小车位置点信息点返回，滑轨移动控制算法如下：

　　输入：本地或远程服务器指令T（如表4中的MODE，SET，QUERY三种）

　　输出：下位机反馈信息K hostOpenPort（上位机打开串口），hostSetSerialPort（对串口进参数设置）

　　while{//监听本地或者远程服务器指令

　　accept/取指令T}

　　switch（T）//解析指令T

　　case:MODE/控制方式选择

　　case:SET/参数设置

　　case:QUERY//信息查询

　　将上述解析后的转化为ModBus-RTU协议格式T并发送至下位机

　　下位机接收T并解析，产生相应脉冲信号P控制小车运动和停止

　　下位机发送反馈指令K至上位机

　　2.3  红外图像采集和传输

　　红外图像的采集控制主要由上位机与红外热像仪的交互完成，上位机收到下位机控制器的反馈信息后，调用API接口服务，完成数据采集。红外图像数据的采集控制模式包括手动模式和自动模式。自动模式下，按照系统预设巡检采集每个栏位点的生猪红外图像手动模式下，按照用户需求采集兴趣栏位点生猪红外图像。采集的红外图像先进行本地存储，然后通过远程交互管理模块的定时任务程序将数据传输到远程服务器，采集控制算法流程如下。

　　输入：红外图像采集指令T

　　输出：相应栏位点红外图像1

　　while{

　　Accept//上位机接收红外图像采集指令T}

　　switch（T）//判断指令类型

　　case:auto//自动模式

　　case:manual//手动模式

　　callAPIService//调用API服务

　　连接热像仪A并设置相关参数map

　　采集图片I，断开热像仪A并将红外图像存储在本地

　　Task{//定时任务：上传图像到远程服务器

　　Upload（I）}

　　数据传输是指上位机与远程服务器的交互管理控制，二者使用Socket方式实现通信，主要包括指令交互和红外图像传输。红外图像数据的定时上传在每次巡检后进行，将数据传输到远程服务器进行保存。指令交互则是上位机通过监听服务器相应端口，接收服务器远程控制指令并实现信息反馈，通信过程中，远程服务器向上位机发送的控制指令信息类型如表4所示。

表4  远程服务器向装备发送的指令类型

　　为验证装备的稳定性和可行性，2018年7月在广东省云浮市新兴县温氏东成种猪场进行了为期28d的测试试验。

　　试验猪场为标准化的设施猪场，环境因子相对稳定，可最大程度上去除猪舍内环境因素的干扰。装备安装在限位栏猪舍，为了尽可能不丢失猪只头部区域的热像分布图，将热像仪经过区域定位在限位栏偏猪只头部区域的正上方。每个限位栏长220cm、宽75cm、高106cm，红外热像仪距离猪舍地面200cm，滑轨安装栏位共有28个。根据文献的研究，猪表面发射率为0.945到0.978不等，综合考虑将发射率设置为0.95。试验猪场环境温湿度相对稳定，可根据环境因子数据进行调整。由于限位栏猪只个体呈现不同姿态或行为时，其距离热像仪镜头的距离也有所差异，通过密集观察发现，当猪只呈现不同姿态或行为时所采集的红外图像温度差异效果不明显因此本文将距离设置为统一的120cm。图6为体温巡检装备在设施猪场的布置情况。

　　精度试验分为2个阶段，第一阶段采用自动巡检方式进行21d红外图像的采集，频率为每2h巡检28个栏位一次，每个栏位点每次停留3s并采集1幅红外图像。巡检模式下限位栏5号及6号猪只的拍摄效果样例如图7所示，中间位置猪只为相应栏位点的兴趣猪只。第二阶段采用手动模式进行7d特定猪只个体红外图像的采集，频率为每0.5h采集一次生猪红外图像。

图7  红外图像采集样例

　　第1阶段的试验理论上每7d采集2352幅红外图像，第2阶段试验理论上采集336幅红外图像，在实际试验中，由于热像仪与上位机之间的交互存在一定丢包问题，因此采集精度低于100%，试验采集情况如表5所示。第1阶段21d的缺失率分别为0.9%、1.2%、0.6%，第2阶段的缺失率为1.8%，试验平均缺失率为0.9%，可满足自动化巡检采集生猪红外图像的实际需求。

表5  试验过程红外图像采集情况

　　第1阶段的周期巡检试验共进行21d，试验期间共采集了6993幅猪只红外图像，通过FLIRTools工具对采集的猪只红外图像温度分布情况进行分析，发现温度最大值绝大部分集中在猪只耳根区域。根据文献提出的生猪体表温度分布变化可以作为其健康状况检测的补充诊断程序及文献相关研究表明，生猪红外图像的耳根区域的最大温度及平均温度均保持了与生猪直肠温度较好的相关性。因此，在总结国内外相关学者的研究成果的基础上，结合巡检试验所采集的生猪红外图像温度分布情况，确定以生猪耳根区域作为其体温检测的敏感区域。限位栏1~6号猪只耳根区域周期性巡检统计结果如图8a所示，前20个限位栏猪只耳根区域周期性巡检精度如图8b所示。

　　由于限位栏空间较小，猪只主要呈现3种姿态：侧躺、趴和站立，白天猪只以站立和趴为主，晚上则以侧躺为主。当猪只呈现趴和侧躺姿态时，猪只耳根区域轮廓较为清晰；当猪只站立时，发生饮水或进食行为时，其头部向下，有时难以捕捉较为明显的耳根区域轮廓。图7b结果表明，耳根区域巡检精度都在90%以上，装备所采集的红外图像能有效的监测猪耳根区域温度情况，验证了本文巡检装备安装高度、角度的合理性。

　　根据相关研究表明，一般猪的正常体温范围为38.0℃至39.5℃，耳根区域体表温度较直肠体温要低。本文试验猪场为现代化的设施猪场，猪场内部温湿度等环境因子能够得到有效的调控，在一定程度上能够减少猪舍环境对猪只耳根区域温度变化的干扰。试验通过FLIRTools工具提取了限位栏3至6号猪只2018年7月17日至7月21日连续5d（所选择时间段猪只无异常）的耳根区域最高温度，其温度变化曲线如图9所示。由温度变化曲线得出，限位栏3号至6号猪只在连续5d内耳根区域温度最大值变化趋势基本保持一致，总体都呈先下降后上升再下降的趋势变化，其中耳部区域温度最大值高达39.1C，最小为36.3℃。所测得的猪只体温白天整体高于黑夜，一方面是因为猪只的进食时间为上午07：00-08：00及下午的17：00-18：00且白天猪只由于进食、饮水等行为呈现一种较为活跃的状态，因此温度较高，另一方面，试验期间正处夏季，设施猪场内部环境温湿度虽得到有效控制，但昼夜温度差异也对所得到的温度数据有一定的影响。

图9  3至6号猪只耳根区域温度最大值曲线

　　如图10所示，对3至6号猪只2018年7月17日至7月21日连续5d采集的耳根区域温度最大值进行均值分析。结果表明，3至6号猪只耳根温度最大值均值均在37℃以上，不同猪只个体间所测得耳根温度有差异。6号猪相对3、4及5号猪而言，其均值最大，4号猪则均值最小。总体而言，温度数值较为稳定，在一定程度上验证了温度数值的科学性，后期可结合环境因子数据、猪只姿态、行为等数据深入挖掘分析，为健康养殖、福利养殖提供技术支撑。

图10   3至6号猪只耳根区域日温度最大值均值

　　（1）设计了一种基于红外技术的设施猪场生猪体温巡检装备，通过装备及相应控制系统可实现生猪红外图像的自动化巡检采集、有效存储和远程传输。

　　（2）对装备及系统进行部署测试，试验结果表明该装备能稳定运行，巡检过程红外图像平均缺失率为0.9%，猪只耳根区域周期性巡检精度在90%以上，在一定程度上验证了装备的稳定性、可行性。

　　（3）对限位栏3至6号猪连续5d的耳根区域温度最大值及日均值进行监测分析，验证了所采集红外图像温度数值的科学性，也为后续研究猪只行为、体温异常提供了数据支撑。