基于RFID和图像处理的奶牛测产系统设计
几分
熊双辉;孙振华
parachute【摘 要】为提高奶量采集系统的自动化程度,提高生产效率,节约生产成本,设计一种基于RFID和图像处理的奶牛测产系统,并成功集成到牧场已有的奶量采集系统中.系统包括奶牛占位识别和利拉伐示数面板识别两个模块.奶牛占位识别模块主要通过基于RFID和光电传感器的多传感器检测融合来识别奶牛占位信息;利拉伐面板识别主要通过图像处理技术对面板中的数码管示数进行提取和识别,从而获取奶牛实时的产奶量.牧场系统实现了软硬件的安装、调试与测试,并成功将测产软件集成到原奶量采集系统.现场测试结果表明,该系统的准确性、实时性和稳定性等相关性能良好,能够达到测产要求.
【期刊名称】《计算机应用与软件》
【年(卷),期】2018(035)007
【总页数】6页(P267-272)
【关键词】RFID;占位识别;LED数码管识别;奶牛测产
【作 者】bromine熊双辉;孙振华
【作者单位】东南大学自动化学院 江苏南京210000;东南大学自动化学院 江苏南京210000
【正文语种】中 文
【中图分类】TP271
0 引 言
随着小康社会的逐步建成，生活质量的逐年提高，人们对乳制品的需求也大大提高。总体来看，我国的奶牛养殖业中还存在很多的问题[1]，主要表现在养殖管理的自动化程度不够高。比如，作为原奶下线的第一道工序，奶量测产在养殖管理过程中扮演着重要的角色，但在实际牧场环境下，奶量测产更多地是通过人工抄录的方式来进行。因此，原奶的测产对提高奶牛的产量及质量意义非凡。
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在国外，很多发达国家很早就将计算机技术引入奶牛养殖业的现代化管理，以达到科学养殖的目的。其中，尤以以色列的阿菲金、SCR两家公司的综合养殖系统最为先进[2]。阿菲
金和SCR管理软件，主要通过计步器及其接收装置来监控奶牛每天的产奶量等信息[3]。国外的养殖系统现代化程度高，技术先进、集成度高、专业性强，但是很难将其集成到我国现有的养殖管理系统之中。
然而，我国奶牛养殖业的现代化管理起步较晚，且正在从传统的养殖管理方式向以计算机科学为主导的现代化养殖管理方式转变。到2000年左右，我国的奶牛养殖系统仍以人工登记奶牛及奶量信息并通过手工输入到服务器的方式为主。近年来，我国自行研发出多种奶量自动测产系统，其中熊本海等[4]开发的奶牛精细饲养综合技术平台中利用RFID、PDA及无线局域网等技术的配合使用对奶牛产量进行统计。余云峰、吕伟国等[5-6]提出采用RFID和总线传输奶量的测产系统。上述这些方法虽然达到了奶量测产的目的，但是存在奶牛与奶量无法对应、成本过高、现场环境造成总线故障率较高等问题。
基于此，本文设计了一种基于RFID[7]技术和图像处理[8]的奶量测产系统，该系统包括奶牛占位识别和利拉伐面板识别两个模块。奶牛占位识别模块：首先，通过RFID与光电传感器获取到奶牛身份信息以及占位信息；然后，通过两种数据的融合，实现了奶牛身份与栏位的对应；最后，结合奶量识别结果，实现了奶牛与奶量的一一对应。利拉伐面板识别模块：
首先，提出一种软硬件结合的滤波方法获取到简单背景的利拉伐面板图像；然后，通过二值化及图像分割等技术获取单个数码管图像；最后，通过穿针法识别出单个数码管读数并进行组合以获取识别结果。该系统避免了大量的总线，大大降低了传统总线法传输实时奶量数据的设备故障率。
1 总体方案设计
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1.1 现场情况介绍
大学英语文章牧场采用的是利拉伐转盘式挤奶机，该转盘共有80个牛栏，分别对应80个利拉伐示数面板，如图1所示。
图1 转盘式挤奶机
牧场原有的测产系统是采用B/S架构的MIS服务系统[9]，该系统分为：供操作员操作的客户机、提供数据操纵的Web前端服务器和提供数据存储的数据库服务器。牧场原测产系统架构如图2所示。
图2 牧场原测产系统架构
1.2 测产系统方案设计
在充分分析了牧场现有的奶量测产系统的基础上，针对现有测产系统中存在的低效、操作复杂、数据安全性差等问题设计出一套基于RFID技术和图像处理技术的C/S架构奶量测产系统。该系统分为物理层、链路层和应用层。物理层中，摄像机负责采集利拉伐面板示数的图像信息，RFID传感器负责采集奶牛的实时站位信息以及奶牛身份信息，光电传感器负责检测转盘反转的情况，多圈光电传感器负责检测需要多圈挤奶的牛位，占位光电传感器负责确定奶牛的占位信息；链路层中，通过USB、PCI总线、网线将物理层的数据发送到应用层；应用层中，完成RFID及光电传感器数据的融合，得出占位信息，完成利拉伐面板的图像处理，提取出奶量数据，将奶牛编号与产奶量对应起来，并最终通过WebService接口[10]将奶量数据传入牧场服务器。测产系统整体架构图如图3所示。
图3 测产系统架构图
2 奶牛占位识别
本系统在物理层采用RFID进行奶牛身份标识与奶牛占位识别。经过对比选择，本测产系统
选用耳挂式RFID标签标识奶牛身份，选用脚环式RFID标签标识牛栏信息。同时，考虑到标签的位置不断变化和识别的速度和距离等因素，最终决定采用圆极化的高频RFID天线[11]。此外，为识别转盘反转，增加六个光电感器组合进行判断；为识别奶牛一次挤奶多圈，增加一个光电传感器识别多圈挤奶奶位；为确保奶牛确实进入牛栏，增加一个红外传感器判断奶牛确实进入牛栏。基于RFID奶牛占位识别硬件结构如图4所示。
图4 占位硬件结构
综合牧场现场情况，针对奶牛身份及占位识别，设计了多传感器辅助检测，多信息融合的解决方案。具体流程图如图5所示。
图5 奶牛占位识别算法流程图
1) 奶牛身份及入栏检测：在转盘入口的正中央安装一个RFID天线(图中RFID2)用于检测奶牛编号Ci，当RFID2感知到Ci说明奶牛Ci经过入口。为确保Ci确实进入栏位，在转盘入口的转盘内侧栏位旋转方向2/3位宽处安装天线RFID3，当RFID3也检测到Ci，则说明Ci确实进入栏位。最后为防止空栏时发生误检，在RFID3处又增加一个光电传感器Red3，以确保有奶牛入位。
2) 栏位编号检测：考虑到转盘入口处已安装RFID2和RFID3，因此，在转盘旋转方向隔两个栏位处安装RFID1以识别栏位标签m，此时奶牛Ci对应的栏位为m+2。如此便保证了奶牛编号、栏位号以及产奶量的对应关系。
3) 转盘反转检测：由于奶牛入栏情况复杂，经常会出现转盘反转的情况，因此在RFID1处增加六个光电传感器Red1，编号1～6。如果挤奶转盘正传，则Red1光电传感器组的触发顺序为1-2-3-4-5-6-1，反之则为6-5-4-3-2-1-6。可以据此检测挤奶转盘反转，发生反转时应舍弃此时各传感器采集到的数据。
4) 多圈挤奶检测：对于奶水丰富的奶牛可能需要多圈完成挤奶，因此不会从出口退出。但是，按照上述检测方案，该奶牛就不会出现在入口处，这样就会造成漏检。在逆旋转方向，入口下一栏位处安装一个光电传感器Red2，检测多圈挤奶。Red2光电传感器检测到栏位m+3中有奶牛占位，则说明该奶牛在出口没有出转盘，需要多圈挤奶，此时软件无需RFID2和RFID3以及Red3的信号，直接将奶牛编号写入对应的栏位，防止多圈挤奶奶牛的漏检。
说客英语3 利拉伐面板识别
3.1 图像采集
传统的奶量示数面板主要通过自带的485总线提交采集到的奶量数据，该数据采集方法不能与奶牛身份信息相对应并且在奶厅恶劣的环境中485总线的故障率较高。基于此，通过在转盘式挤奶机的内侧安装一台工业相机作为图像采集设备并通过图像处理技术提取奶量。相机安装如图6所示。
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图6 相机部署图
在完成相机部署之后，通过软件触发方式采集的一天中不同时刻利拉伐面板的图像如图7所示。图7中显示的是不同时刻图像识别区域的背景情况，可以看到，图像中夹杂着来自灯光反射、太阳光直射等造成的噪声，使得利拉伐示数面板的的背景变得尤其复杂，这对下一步提取示数所在的区域造成巨大的困难。
图7 不同时刻相机采集的图像(未加遮光罩)
针对上述图像背景复杂的问题，设计出一种与利拉伐面板大小相适宜的遮光罩，如图8所示。将遮光罩安装在利拉伐面板的外围，这样就可以屏蔽掉来自灯光、太阳光等非人为因africa
脸部皮肤黑怎么美白素的噪声，现场试验证明，设计出的遮光罩的效果比较理想，基本可以达到工程要求，进一步简化利拉伐示数面板的背景，如图9所示。
图8 遮光罩设计图(左)和实物图(右)
图9 相机采集的图像(加遮光罩)
3.2 利拉伐面板读数识别
利拉伐奶量计数面板中由LED数码管所显示出的奶量的识别是本系统设计的核心环节，直接关乎本测产系统的正确率。通过图像处理技术来获取利拉伐面板示数，基本算法流程包括选取ROI、通道过滤、图像二值化、图像分割和数码管数字识别等流程。基于图像处理的利拉伐面板读数识别算法流程图如图10所示。
图10 利拉伐面板示数识别算法流程图
3.2.1 选取ROI
由于利拉伐面板的安装高度固定，面板间的间距近似相等，所以采集到的利拉伐面板图像
中数码管的示数会出现在图像中一个大致的区域。通过实际测量选定范围为(200～1 000,300～450)的800×150大小的图像作为ROI以降低后期图像处理的复杂度。
3.2.2 图像通道过滤及灰度化
