一种基于LEPTON 3.5的生猪体温监测系统
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摘 要：生猪养殖产业是我国最重要的畜牧产业之一，而生猪体温的测量在疫病防治中具有重要作用。针对常规的接触式生猪体温测量方法人力成本高及效率低的问题，文章基于热成像模块LEPTON 3.5设计了一种非接触式的生猪体温监测系统，在猪舍部署之后能自动对生猪对象进行连续的体温监测，可以被应用到生猪养殖的体温异常的筛选中，具有易于部署及使用，自动化程度高等优点。
关键词：LEPTON 3.5;红外测温;生猪体温监测;STM32单片机
中图分类号：TP23 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2020）19-0028-04
Abstract： Pig breeding industry is one of the most important animal husbandry industries in China， and the measurement of pig body temperature plays an important role in epidemic prevention and control. In order to solve the problems of high labor cost and low efficiency of the conventional contact pig temperature measurement method， a non-contact pig temperature monitoring system is designed based on the thermal imaging module LEPTON 3.5. After the pig house is deployed， it can automatically monitor the body temperature of pig objects continuously， and can be applied to the screening of abnormal body temperature in pig breeding. It has the advantages of easy deployment and use， high degree of automation， and so on.
Keywords： LEPTON 3.5; infrared temperature measurement; pig temperature monitoring; STM32 single chip microcomputer
引言
生猪养殖业作为我国畜牧养殖业中最具代表性的产业，如何有效控制养殖成本，规避大规模疾病感染风险并实现经济效益是近年来相关研究工作者与养殖场管理人员密切关注的内容。生猪体温的变化是生猪生理状况的直接反映，体温变化的规律及状况在临床上是诊断感染疾病类型的有效参考依据，偏离了正常范围的生猪体温变化往往预示着某些疾病的发生[1]，持续异常的体温变化若不能得到及时的控制与处理，可能导致生猪的严重疾病甚至是死亡。对于生猪体温的持续监控一方面能早期发现患病的生猪个体、另一方面有利于对传染病在生猪群体的发展程度进行评估等，因此，在生猪養殖中监测生猪体温的变化情况并利用来对生猪疾病进行防控具有重要的现实意义。
养殖生猪从保育猪，到长肉以及成年的各个阶段，身体成长较快，体温变化大，采用人工监测体温的方法要求管理者具有较为丰富的养殖经验以及疾病防控经验，而养殖场现有的体温信息获取方法，多使用体温计，耳温枪等测温工具直接接触生猪，获取其直肠温度或者是耳部温度，这类测量方法易受生猪的情绪起伏、测量次数等因素影响，并存在易引起交叉感染等缺点，并不适用于集约化养殖场。通过手持的红外热像仪对生猪体温进行监测的方法[2]虽然能避免直接接触生猪，但是由于养殖场中生猪的数量较多，需要配备专门的人员进行测量，这造成养殖成本的增加。有研究采用了PC机+小车+红外热像仪的方案实现了生猪体温巡检系统，但是由于体积大、成本高并且只能适用于限位栏猪舍，其应用范围较窄[3]。还有研究采用了红外摄像头+现场服务器的方式定点采集猪舍某个区域的温度并用Labview来实现红外图像中的目标识别和温度提取，然而这种方案也存在着体积大，成本高，且采集范围有限，无法在多种规模的生猪养殖场中得到实际应用等问题[4]。随着红外成像技术与物联网技术的持续发展，在养殖中使用更为先进高效的小体积，灵活性高的体温自动监测方法能更好的满足现代化、规模化养殖场的需要，是帮助养殖农户实现生猪疾病防控的有效手段。
本文基于先进的红外热成像模块LEPTON 3.5，结合自主研发的热图像分析处理算法与物联网技术，实现一种非接触式生猪体温自动监测系统，与现有的生猪体温监测方法相比，具有易于部署及使用、经济高效等特点，更适合在集约化生猪养殖场的普及使用。
1 LEPTON 3.5功能介绍
LEPTON 3.5是菲利尔公司（FLIR）生产的高分辨率微型红外热成像模块，具有体积小，分辨率高，易于集成，功能强等优点。基于LEPTON 3.5模块可以实现热像仪，也可以设计各种需要获取温度的其它各类应用系统，如智能手机、诊断工具、汽车、物联网设备、安防系统、机器视觉系统、高级游戏设备、无人机系统等[5]。LEPTON 3.5模块的主要特点为：（1）160×120有效像素;（2）长波红外，波长为8μm 至 14μm;（3）热灵敏度<50mK（0.050℃）;（4）具有25°，50°和57°水平视场（HFOV）的配置;（5）快速成像 （< 1.2 秒）;（6）低功耗（常规为160mW，快门为800mW，低功耗模式为5mW）;（7）RoHS兼容。 LEPTON 3.5模块内置集成的数字热图像处理功能，包括自动热环境补偿，噪声滤波器，非均匀性校正和增益控制等。在硬件接口方面，提供了与标准Molex或类似的侧面接触连接器的32针插座接口，其中包括了基于SPI的视频接口和类似于IIC的串行控制接口CCI。在软件接口方面，则提供了包括16位的命令寄存器、摄像头开启寄存器、状态寄存器、数据长度寄存器及数据寄存器等接口，并基于这些寄存器提供了一整套软件开发接口（SDK）。Lepton SDK将软件接口划分为独立的子系统或模块。主要包括用于配置视频输出对比度和亮度处理的AGC模块、提供摄像头系统的信息和状态的SYS模块、提供处理视频数据控制的VID模块、提供系统的其他配置和控制功能以及相关的信息和状态查询的OEM模块、提供辐射特性控制的RAD模块等。
由于LEPTON 3.5模块的各种优良的特性，使其得到众多开发者的青睐，也有一些第三方的机构如GetLab等为LEPTON 3.5模块开发了一些外围的模块，使得LEPTON 3.5模块能够更为简易地集成到各类应用系统中。
2 基于LEPTON 3.5的生猪体温监测系统设计
下面将分别对生猪体温监测系统的硬件和软件设计分别展开阐述。
2.1 硬件设计
本文提供了一个具有可伸缩性的生猪体温监测系统硬件方案，其结构框图如图1所示，包括了由线段虚线框和点状虚线框分别框起来的两种方案。线段虚线框的方案主要应用于数据收集场合，而点状虚线框的方案主要面向数据收集及现场的处理报警等应用场合。两个方案都包括了前端的数据采集及预处理模块，包括了红外热成像模块LEPTON 3.5，微处理器STM32F417及能读取生猪耳标的RFID读头。STM32F417是意法半导体公司的一款高性能32位微处理器，基于ARM的Cortex-M4架构，其内部同时整合了MCU和DSP功能与特性，具有强大的控制和数字信号处理能力，在有一定的图像处理需要的控制系统的应用中具有一定的优势[6]。STM32F417通过SPI接口及IIC接口与LEPTON 3.5连接来控制LEPTON 3.5的工作并获取红外图像，通过UART接口来连接RFID读头来读取生猪耳标上的生猪个体标记信息。
针对生猪体温测量的不同应用需求，本文提供了两套方案，如果只需要实现数据收集，则可采用图1中线段虚线框所框起來的方案，除了数据采集及预处理模块之外，还增加了用于数据的本地存储的SD卡和用于将数据传输到远程服务器的WIFI网卡。这种方案具有体积小，成本低等特点，可以实现在生猪养殖场的多点部署，全面覆盖生猪活动范围，从而实现有效的生猪体温连续监控。另一套方案采用图1中点状虚线框对应的硬件结构，是面向数据收集及现场的离线处理报警的应用场合。该方案在数据采集及预处理模块基础上，增加了一块UP2板。UP2板（UP Squared Board）是研扬科技推出的一种小体积的单板计算机，板上的CPU包括了Intel 赛扬N3350/奔腾N4200/凌动E3940中的一种，内存为LPDDR4，提供1GB到8GB的可选配置，存储为16GB到128GB eMMC的可选配置，还包含支持4K编解码器的Intel Gen9 GPU。UP2板提供了40引脚GPIO、60引脚EXHAT连接器，可以支持SATA3、PCIe和M.2的扩展端口。UP2板还具有多个USB端口和CSI、HDMI、DP和eDP接口。UP2板已经被应用到数据采集和控制等应用场合当中[7]。增加了UP2板之后，相当于在数据采集及预处理模块的后面增加了一个小型计算机，可以实现数据的存储和现场处理，并给出即时的反馈。该方案能有效实现生猪养殖场管理员所关心的重点监控的单点生猪体温监控。由于UP2板自带以太网口，也可以扩展WIFI网卡，所以本方案也支持将所采集的数据提交到远程服务器中。
2.2 软件设计
在动物体温的测量上，红外热像仪比较适合测定猪的皮温，因为猪的皮肤上的被毛并不像其它大型养殖动物的被毛那么厚，而且猪的皮肤还有一些裸露的区域[8]。有研究表明，与体温相关性最高的生猪皮肤测量位点是耳朵、眼睛和乳房。有研究表明，生猪体温与皮温区域的关系上，眼睛和耳朵是较为能重复体现体温的皮肤区域。而对于生猪耳朵皮温与体温的相关性研究中发现耳根与体温的相关性明显高于耳尖与体温的相关性[2]。因此利用红外热成像模块来对生猪的体温进行监测，随着监测目的和精度的不同要求，对于生猪温度采集区域的要求也有一定差别，如果是大规模的筛查，对于精度要求较低，则对生猪头部进行温度采集并获取高温点即可实现，如果有精度要求，则以耳根和眼睛区域的温度采集为佳。
本文也分别提供了与两种硬件方案对应的软件设计方案，如图2所示。其中实线框内的是面向数据收集场合的功能，虚线框内的是面向数据收集及现场的处理报警等应用场合的功能。图像采集模块和个体信息读取模块是基本的模块，主要实现了对生猪对象的红外图像信息的采集和个体信息的读取，其中图像采集模块的流程图如图3所示。其具体的操作主要涉及到对本文对LEPTON 3.5介绍内容中的各类寄存器的读写操作，相关操作流程可参见官方提供的LEPTON 3.5软件接口描述文档（FLIR LEPTON
Software IDD）。数据存储模块及数据传输模块的操作属于较为通用的功能，在此不再赘述。
图像识别模块、异常检测及报警模块是在UP2板上实现，本文的设计是在UP2板上安装Linux操作系统，再使用Python语言撰写的代码来实现相关功能。其具体实现需要考虑设备的部署位置，本文参照现有在生猪限位栏上方采集图像的做法[3]给出了一种实现的方法，如果部署到其它位置，随着采集角度的变化对其中目标提取方法进行调整即可，本文的图像识别模块、异常检测及报警模块的流程图分别如图4和图5所示。 其中图像识别模块需要根据原始的红外图像判断是否存在需要采集的生猪对象的信息，从限位栏上方采集，可以采用简单的圆形识别的方法来实现判断。在获得了生猪对象的轮廓后，异常检测及报警模块的功能主要是需要定位到关心的区域如耳根处并结合红外热成像模块LEPTON 3.5所提供的红外图像每个像素点的温度信息来确定生猪对象的体温。如果体温信息超出预先设置的范围，则进行报警。这里的关键是定位耳根位置，目前已经有一些方法研究基于当前对象，利用先验的生猪体态信息来判断耳根的位置[9]。本文所面向的在限位栏上方的拍摄方式，通过确定生猪的头部，再按一定比例截取生猪头部的图像，再根据简单而有效的先验信息来获取耳根的位置。
3 结论
本文从生猪养殖业对生猪疾病的早发现从而实现有效防治的需求出发，根据生猪养殖环境的特点和生猪自身的特点，提供了一套实用性的方案，具有体积小、易于部署的特点，兼顾了生猪体温的多点监控及特定区域重点监控的需求，具有较高的实用价值，对于其它大型牲畜的体温监测系统提供了有益的设计参考。
参考文献：
[1]杨玉凤，邵艳萍.猪体温升高的原因分析与常见疾病[J].现代畜牧科技，2012（5）：153.
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[3]肖德琴，刘勤，陈丽，等.设施猪场生猪体温红外巡检系统设计与试验[J].农业机械学报，2019，50（7）：194-200.
[4]孟珍琪.基于红外技术的生猪体温自动检测的研究[D]：天津农学院，2018.
[5]FLIR Systems Inc.. LWIR MICRO THERMAL CAMERA MODULE Lepton. 2020 [updated 2020; cited 2020]; Available from： https：//www.flir.com/products/lepton/.
[6]于红利.基于STM32F417的JPEG压缩算法优化与实现[J].洛阳理工学院学报（自然科学版），2016，26（4）：68-72.
[7]胡良顺，张镇荣，李大宇.基于UP2Board的小型离子阱质谱仪数据采集与控制系统[J].国外电子测量技术，2019，38（08）：63-68.
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[9]朱伟兴，刘波，杨建军，等.基于改进主动形状模型的生猪耳部区域检测方法[J].农业机械学报，2015，46（3）：288-295.
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