智慧牧場牲畜動態(tài)智能感知系統(tǒng)研究與應用--以牛咀嚼感知為例.pdf

1、在畜產(chǎn)品品質要求提升、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。智慧牧場是畜牧業(yè)新的發(fā)展趨勢，因此我國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、設備功耗高、供電時間短等問題，這些是困擾牧場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、長期信息監(jiān)測等，為提升決策、管理智能化水平等方面意義重大。
　　本文針對野外自由放養(yǎng)模式下長期、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，開發(fā)了適合放養(yǎng)模式下的低功耗、遠距離、網(wǎng)絡結構簡單、自供電的數(shù)據(jù)交互通用平臺。
　　牛是我國肉類消費的主要畜產(chǎn)品，本文以牛生理疾病的重要臨床特征——進食與反芻作為感知研究的重點，通過其共性特征——咀嚼，結合傳感器、信號處理、人工神經(jīng)網(wǎng)絡等技術，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)在以下幾個方面:
　　(1)本文采用非接觸角度測量原理，將

3、牛咀嚼過程中上下顎的運動轉化為角度運動進行測量。精選非接觸磁編碼器AS5600作為角度感知芯片，將機械部分與電子部分隔離，間接測量牛咀嚼過程，并結合3D打印技術設計咀嚼測量輔助穿戴配件。實驗結果表明，咀嚼測量正確率可達98.4％。
　　(2)在研究牛咀嚼行為特征的基礎上，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、對頭部姿態(tài)數(shù)據(jù)進行均值化處理。通過采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡在Matlab軟件上進行學習，達到預期后，將網(wǎng)絡的權值與閾值導入微控制器中，并在其中實現(xiàn)BP神經(jīng)網(wǎng)絡分類算法。實驗結果表明，非咀嚼正確率達到了100％;進食正確率為70.7％，反芻正確率為92.3％，并可提供正確率達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，采用LoRa的SX1278芯片實現(xiàn)星型網(wǎng)絡組網(wǎng)開發(fā)，構建了放養(yǎng)條件下的低功耗

5、、遠距離的數(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，拓展了太陽能的轉化效率，縮減了設備體積，易于穿戴，實現(xiàn)了設備長期供電。
　　本文研究的創(chuàng)新點:
　　(1)本文研發(fā)的牛咀嚼傳感器屬于原始創(chuàng)新，將復雜的咀嚼過程簡化為角度測量，簡化了感知結構，具有準確率高，抗干擾強的特點，為科研與生產(chǎn)應用提供了一種有效咀嚼測量方法。
　　(2)本文采用了BP神經(jīng)網(wǎng)絡作為咀嚼分類的核心算法，在有限的微控制器資源的