李常營，龍定彪，蒲施樺，劉作華

（重慶市畜牧科學院，重慶 榮昌 402460）

推動養(yǎng)豬業(yè)走向集約化、自動化、智能化是我國農業(yè)發(fā)展近10年來最大的特點之一。目前，越來越多的養(yǎng)殖場愿意采用精準飼喂技術降低料重比并降低飼料的浪費，因此如何精準控制或監(jiān)測豬的采食量是一個非常重要的問題。研究表明，使用紅外傳感器構建檢測系統(tǒng)，能夠低成本并簡單有效地解決實時監(jiān)測飼料殘留量監(jiān)測的問題，為提高我國生豬養(yǎng)殖水平有一定的積極意義。

隨著測量技術的發(fā)展，國內有學者利用紅外傳感測距結合圓規(guī)創(chuàng)新研發(fā)新型的電子圓規(guī)，以能夠自主測量圓的直徑功能為首要目標并向外拓展延伸，通過紅外測距功能對兩腳距離進行探測；也有學者結合紅外測距傳感器和計算機圖像處理技術，提出了一種非接觸式測量果樹深度信息的方法，實現(xiàn)了機器人對果樹快速識別和定位；還有學者以紅外距離傳感器作元件，采用非接觸式測量方法，捕捉人體退步表面幾何信息，設計了紅外人體腿圍測量系統(tǒng)。由此可見紅外技術可以很好地進行測距和定位，在飼料領域也可以得到應用。

1 系統(tǒng)總體設計

顆粒飼料監(jiān)測系統(tǒng)，核心控制芯片為Arduino UNO，外接的模塊分別有Esp8226無線通信模塊，紅外傳感器GP2D12集成模塊，伺服舵機模塊，7.4伏鋰電池等。通過手機給主控下達指令，利用云服務器完成閉環(huán)的信號傳遞。

顆粒飼料監(jiān)測系統(tǒng)框架如圖1所示。

圖1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的結構框圖

1.1 主要模塊基礎介紹

在此設計中，整體以Arduino為核心控制外接Esp8226無線通信模塊，紅外傳感器GP2D12集成模塊，大扭力伺服舵機模塊，7.4V鋰電池等。以下對各類模塊進行簡要的概述。

1.1.1 無線模塊

Esp8266系列無線模塊是一個經濟高效的WiFiSOC模塊，支持標準IEEE802.11b/g/n協(xié)議，內置完整的TCP/IP協(xié)議棧。用戶可以使用此系列模塊向現(xiàn)有設備添加網絡功能，也可以構建獨立的網絡控制器。

Esp8266是一款超低功耗的UART-WiFi透傳模塊，擁有業(yè)內極富競爭力的封裝尺寸和超低能耗技術，專為移動設備和物聯(lián)網應用設計，可將用戶的物理設備連接到Wi-Fi無線網絡上，進行互聯(lián)網或局域網通信，實現(xiàn)聯(lián)網功能。

1.1.2 處理器模塊

Arduino是一個基于易于使用的硬件和軟件的開源電子平臺。不僅具有各式種類的接口，也可利用USB接口傳輸程序。其優(yōu)點包括了AVR單片機的特點，跨平臺-Arduino軟件（IDE）在Windows，Macintosh OSX和Linux操作系統(tǒng)上運行。簡單清晰的編程環(huán)境使Arduino軟件（IDE）對初學者來說易于操作。開源性強和可擴展軟件Arduino軟件作為開源工具發(fā)布，可供經驗豐富的程序員進行擴展。

1.1.3 紅外監(jiān)測模塊

紅外測距主要原理是利用光的反射強度來測定距離的，具有精度高，低消耗，體積小，不受干擾等特點。它由一個紅外發(fā)射管和一個位置敏感檢測裝置以及相應的計算電路構成，位置敏感檢測裝置可以測量到光點在它上面的細微位移，利用此特征進行幾何方式的測距。

1.1.4 電池模塊

整個系統(tǒng)的供電一般可以直接由USB數(shù)據(jù)線連接開發(fā)板為其供電，也可以通過外接獨立電源。本實驗采用電壓輸出為7.4V，容量為1 500 mAh，充電截止電壓為8.4V的可充電軟包聚合物鋰電池組。

1.2 各項問題的解決和設計

1.2.1 紅外監(jiān)測模塊

料筒或者料盤內的飼料表面不平整，在4個對稱點安置紅外傳感器，把4個收集到高度取其平均值來代替平面的實際高度。料筒設計的完成品圖內部結構和外部結構如圖2所示。

圖2 料筒設計的完成品圖內部結構和外部結構

針對GP2D12傳感器，數(shù)據(jù)處理上要解決兩個問題：（1）信號的線性化；（2）測量數(shù)據(jù)的噪聲很大，也就是誤差數(shù)據(jù)含量比較多。

上述的紅外線模塊在測量的過程存在一定的波動性，為了篩選出合理數(shù)據(jù)，必須先在測量過程中利用一定時間區(qū)域內的數(shù)據(jù)進行合理的剔除并篩選。GP2D12紅外傳感模塊反饋的是一個模擬電壓值，而且其數(shù)值并不能與距離呈現(xiàn)線性關系，利用最小二乘擬合出的線性化關系式，編寫程序讓反饋的高度呈線性化。對一定時間內采取到數(shù)據(jù)利用改進的肖維涅算法進行篩選，達到消除噪聲的效果。

1.2.2 Arduino板和Esp8226之間的通訊程序設計

Arduino UNO和Esp8226兩者連接主要依靠D2、D3為Arduino設置的軟串口RX和TX，也就是通過串口可以達到兩者在連接后利用內置庫的函數(shù)實現(xiàn)通信（圖3）。

圖3 連接接口指示圖

1.2.3 服務端部分（巴法云）

巴法云物聯(lián)網平臺采用前后端分離的設計思想，屬于輕量級的精簡物聯(lián)網端服務器。其支持發(fā)布和訂閱模式，可以實現(xiàn)一對多、或者多對一、多對多的消息傳遞。

利用發(fā)布訂閱模式，即令Esp8266訂閱一個主題，再利用App inventor 編寫的app 往這個主題發(fā)布消息，由于Esp8266 訂閱了此主題，所以就可以收到app發(fā)布得消息，從而執(zhí)行相應得動作。原理步驟如下：

第一步先讓Esp8226模塊訂閱上此服務器的主題；

第二步讀取GP2D12的反饋值；

第三步訂閱同一主題的內部可以進行數(shù)據(jù)互換，手機上的App inventor設置程序同樣的要訂閱同一個主題。最后達到三者都可以進行消息傳輸。

1.2.4 客戶端軟件設計

App Inventor是一款利用圖形化界面的Android智能手機應用程序開發(fā)軟件，可以創(chuàng)造基于Android操作系統(tǒng)的應用軟件。它使用圖形化界面，非常類似于Scratch語言和Star Logo TNG用戶界面。用戶可以拖放圖形對象來創(chuàng)造一個運行在安卓系統(tǒng)上的應用，它就可以在許多手機設備上運行。

本文設計的軟件主要是為了實現(xiàn)飼料剩余量的檢測，并且將在app上輸入過的數(shù)據(jù)保存在內置的數(shù)據(jù)庫中，可以方便隨時查看。另外，通過軟件里的程序設計實現(xiàn)讓其和巴法云服務器能保持通訊。具體的設計步驟為：（1）讓手機客戶端和巴法云通過程序設定訂閱同一主題；（2）將反饋回來的數(shù)據(jù)進行反饋和實時的顯示的效果。飼料殘余量反饋功能部分軟件示范見圖4。

圖4 App inventor完成品示例圖

2 紅外線測試頻率和數(shù)據(jù)篩選處理

需要對設備中篩選紅外測距數(shù)據(jù)的程序進行改進，原理如下：利用前四分位利差設定特定區(qū)間，將范圍外的偏差較大的誤差數(shù)據(jù)提前剔除，在整體運行上提升效率，節(jié)省了一定量繁瑣的過程時間。具體如下：在獲得新的測量樣本數(shù)據(jù)集，假設個樣本中含有個誤差樣本點，設樣本點偏離大的有個，誤差偏小的樣本點有個。先通過快速排序的方法將樣本數(shù)據(jù)里的數(shù)據(jù)進行從小到大的排序，得到其中的中位數(shù)設為，上四分位點和下四分位點。設四分位離差：，選擇保留作為上述的接納區(qū)間，同時按照誤差數(shù)據(jù)服從正態(tài)分布的規(guī)律來確定。將數(shù)據(jù)集代入后求得，然后求出剩下每個數(shù)據(jù)與的偏差。

簡化得到：

計算收斂速度：

3 實驗結果

3.1 數(shù)據(jù)處理

將監(jiān)測系統(tǒng)里的針對單一個紅外傳感器的接受數(shù)據(jù)，因為儀器本身的數(shù)據(jù)波動，特別是在飼料變化過程中，為了精準地捕獲反饋量，先假設以時間間隔20 ms，即每秒檢測50次，對同一高度的飼料，采取同一時間節(jié)點測試100次的數(shù)據(jù)來測試篩選的實際效果。因為經過處理后反饋的測距值為整型，所以得到的距離值都是整數(shù)，第一輪篩選結果如表1所示。

表1 第一輪篩選實驗結果數(shù)據(jù)

利用改進的肖維涅算法處理完數(shù)據(jù)得到第一次篩選的結果：獲得中位數(shù)，，平均值為190 mm，標準差：，在100個經過排列后經過篩選發(fā)現(xiàn)合格的數(shù)據(jù)為39個，數(shù)據(jù)總數(shù)為64個，然后通過遞歸進行第二輪的篩選，第二輪篩選結果如表2所示。

表2 第二輪篩選實驗結果數(shù)據(jù)

依據(jù)第一輪篩選結果重新遞歸代入回算法中，第二輪得到平均值為189 mm，標準差，經過排列后經過篩選發(fā)現(xiàn)合格的數(shù)據(jù)為14個，總數(shù)為39個，發(fā)現(xiàn)仍然都沒有滿足的結束條件，然后將得到的合格數(shù)據(jù)進行下一次循環(huán)，第三輪篩選結果如表3所示。

表3 第三輪篩選實驗結果數(shù)據(jù)

表4 第四輪篩選實驗結果數(shù)據(jù)

3.2 殘余飼料的數(shù)據(jù)曲線擬合

在進行紅外線測距模塊本身的測距的線性化調試后，可以明確到測量的結果和距離是趨近線性的，然后利用所得的數(shù)據(jù)進行線性回歸的實驗來擬合得到剩余飼料量和距離的實際關系。

以飼料倒進去桶內的飼料不再漏出為基礎實驗起點，每次投入700 g豬飼料為梯度，一共進行了7次的實驗。每次試驗都首先順著儀器管道倒入飼料，飼料在桶內會堆積起來，分別讀取此時4個不同傳感器的數(shù)據(jù)，取平均值。為了得到實際的高度，利用工具將桶內的飼料水平鋪開，然后，取長尺垂直伸入桶內，測量飼料上平面到桶上端的距離。數(shù)據(jù)結果如表5所示。

表5 殘余飼料的數(shù)據(jù)曲線擬合數(shù)據(jù)

利用實際的高度值和剩余飼料質量值進行回歸分析，得到分析結果如表6所示。

表6 回歸分析

由上面得到的實際高度值和剩余飼料質量的值呈現(xiàn)線性相關性，而且P≤0.01，說明結果有顯著的統(tǒng)計學意義，得到關系式：，其中為剩余的飼料量，為實際的高度值。

3.3 單一傳感器測試高度的誤差程度

對于實際測量為271 mm的高度，實驗采用單一紅外傳感器進行10次重復實驗，獲得10次返回的數(shù)據(jù)（表7）。總體的樣本數(shù)為10，小于30，而且獲得的隨機數(shù)據(jù)在實驗中呈現(xiàn)正態(tài)，滿足使用t檢驗的條件。將獲得的數(shù)據(jù)代入excel進行單樣本的t檢驗，得到表8。

表7 10次重復測量的實驗結果數(shù)據(jù) mm

表8 t檢驗結果

代入數(shù)據(jù)可以得到表9。

表9 精度分析表

3.4 多個傳感器平均高度值與實際值的誤差程度

利用上述實驗數(shù)據(jù)，對比多個傳感器與實際值的誤差程度，上述實驗也說明了由一個傳感器測量距離得到的數(shù)據(jù)具有穩(wěn)定性，每次取儀器穩(wěn)定后得到的返回值，使其具有代表性，來和實際值進行比較。得到公式為，其中為相對質量誤差，為返回平均值代入擬合關系式的值和實際質量的差，相對高度的誤差絕對值是類似的，公式為，其中為相對質量誤差，為返回的高度平均值和實際高度的差（表10）。

表10 各高度精度分析表

通過發(fā)現(xiàn)分析發(fā)現(xiàn)實際高度和返回的平均值線性化程度很高，發(fā)現(xiàn)實際值和返回來的平均值存在的誤差除個別值外整體接近線性，對返回的平均值和實際高度值進行回歸分析，得到表11。

表11 平均值和實際高度值的回歸分析

4個傳感器傳回來的值可以利用系數(shù)矯正，盡可能讓反饋回來的平均值逼近實際的高度值，減少相對質量的誤差，利用上述的系數(shù)重新矯正，通過關系式得到高度數(shù)據(jù)如表12所示。

表12 矯正值表 mm

再將矯正后的均值和實際高度值進行成對樣本均值的t檢驗得到表13。

表13 矯正后均值和實際高度的t檢驗

雙尾概率P＞0.05，說明矯正后的數(shù)據(jù)和實際高度值差異不顯著，為了得到矯正后的效果，再次分析矯正后的質量精度，把矯正后的均值重新代入到上述關系式，得到表14。

結果表明，在實驗范圍內，相對質量誤差的絕對值都小于等于10%，說明總體的下料精度不小于90%，總體系統(tǒng)穩(wěn)定性好，整體反饋數(shù)據(jù)精度通過矯正后的精度得到了提升，而最后得到的關系式為，其中為剩余飼料的質量值，為由4個傳感器構成的系統(tǒng)返回的平均值。

4 結論

（1）針對紅外傳感部分噪聲較大的問題也利用肖維涅算法將數(shù)據(jù)控制在合理的數(shù)據(jù)范圍，最后針對同一高度進行10次重復測量得到重復實驗結果，來衡量算法控制的誤差程度。根據(jù)上述表（表1-表14），得到最大相對誤差為1.845%，變異系數(shù)為3.306%，說明單一傳感器反饋的精度不小于98%，篩選得到的數(shù)據(jù)和實際值存在的差異很小，穩(wěn)定性高。

表14 矯正后誤差

（2）針對紅外傳感部分的突出問題做出了實驗和引出了相關的方法解決，也擬合出了返回的數(shù)據(jù)高度和剩余飼料質量的對應關系，得到線性回歸方程：，總體下料精度不小于90%，說明非接觸式檢測飼料殘留飼料量的效果良好。