李嘉豪，劉飛飛，伍昕宇，陳鑫宇

（1.江西理工大學(xué)機電工程學(xué)院，江西 贛州 341000；2.江西理工大學(xué)電氣工程與自動化學(xué)院，江西 贛州 341000）

隨著農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整，生豬養(yǎng)殖業(yè)正向規(guī)?；⒓s化、工廠化方向發(fā)展，在優(yōu)化農(nóng)村經(jīng)濟結(jié)構(gòu)、提高農(nóng)業(yè)效益，增加農(nóng)民收入方面具有重要作用[1]。然而目前中小型生豬養(yǎng)殖場管理方式仍存在疾病防控難、環(huán)境檢測成本高等問題[2-3]。

精準畜牧業(yè)利用先進科學(xué)技術(shù)，實現(xiàn)資源高效利用，在提高生產(chǎn)效率基礎(chǔ)上，改善動物和養(yǎng)殖者福利條件，是改變傳統(tǒng)畜牧養(yǎng)殖業(yè)生產(chǎn)方式的新模式。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在智慧交通、智慧城市、智能家居等人類社會生活各個方面均有應(yīng)用[4-5]。針對規(guī)模化豬舍環(huán)境精準檢測問題，國內(nèi)外學(xué)者研發(fā)多種類型環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)，以提高豬舍環(huán)境檢測自動化水平。Hwang等為減少口蹄疫疾病，設(shè)計了一套豬舍監(jiān)管系統(tǒng)，實時采集豬舍中的環(huán)境參數(shù)，通過分析病發(fā)前后環(huán)境變化，預(yù)防疾病爆發(fā)[6]。朱偉興等利用Zigbee無線通信技術(shù)，將豬舍內(nèi)無線傳感器設(shè)備組成傳感器網(wǎng)絡(luò)，并利用ARMLINUX嵌入式技術(shù)控制，實現(xiàn)豬舍環(huán)境遠程監(jiān)控[7]。周麗萍等設(shè)計一套無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，系統(tǒng)傳感器分布式安裝在豬舍內(nèi)，接收終端安裝在巡檢車上，利用WIFI無線通信技術(shù)收集豬舍溫濕度、硫化氫氣體濃度、氨氣濃度、大分子顆粒物數(shù)值等數(shù)據(jù)，實現(xiàn)豬舍養(yǎng)殖環(huán)境遠程管理和調(diào)控[8]。但目前研究大多將異質(zhì)傳感器分布式安裝在豬舍內(nèi)，實現(xiàn)舍內(nèi)環(huán)境參數(shù)多點連續(xù)檢測，隨著養(yǎng)殖規(guī)模擴大，成本升高，影響生豬養(yǎng)殖場經(jīng)濟效益。因此，針對人工管理豬舍存在疾病防控難、環(huán)境檢測成本高等問題，本文將結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、機器人技術(shù)及無線通信技術(shù)設(shè)計一套中小規(guī)模豬舍環(huán)境感知機器人系統(tǒng)，實現(xiàn)豬舍多區(qū)域環(huán)境參數(shù)準確檢測及調(diào)控，提高生產(chǎn)效率。

1 系統(tǒng)整體方案

本文設(shè)計的豬舍環(huán)境感知機器人系統(tǒng)在邏輯層面上分為三大部分：現(xiàn)場環(huán)境監(jiān)控子系統(tǒng)、WIFI無線網(wǎng)絡(luò)基站和遠程監(jiān)控中心。豬舍環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)總體框架如圖1所示，現(xiàn)場環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)分為兩大模塊：環(huán)境感知機器人模塊和環(huán)控設(shè)備控制器模塊。

圖1 豬舍環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)總體框架Fig.1 Overall framework of piggery environmental monitoring system

環(huán)境感知機器人模塊中，環(huán)境感知機器人在懸掛式軌道上收集豬舍環(huán)境實時數(shù)據(jù)及生豬圖像，并通過多模態(tài)通信方式向WIFI無線網(wǎng)絡(luò)基站和環(huán)控設(shè)備控制器傳輸數(shù)據(jù)信息。環(huán)境感知機器人內(nèi)部搭載收集氨氣、空氣溫濕度、光照強度等環(huán)境參數(shù)的傳感器。其中溫濕度傳感器采用DHT22溫濕度模塊，每次工作返回一個40 bit溫濕度數(shù)據(jù)，溫度測量范圍-40～80℃，精度±0.5℃，濕度量程范圍0～99.9%RH，精度±2%RH。氨氣濃度傳感器采用MQ-137氨氣檢測模塊，硫化氫氣體濃度傳感器采用MQ-136，MQ-136和MQ-137的信號均以熱敏電阻阻值輸出，通過電路轉(zhuǎn)換后，將電阻值轉(zhuǎn)換成電壓信號，MQ-136檢測范圍10-6～10-4mg.m-3，MQ-137檢測范圍5×10-6～5×10-4mg.m-3。光照強度傳感器采用GY-30感光模塊，內(nèi)置16 bit AD轉(zhuǎn)換器直接數(shù)字輸出，檢測光照強度范圍0～65 535 lx。二氧化碳傳感器采用MG811模塊，數(shù)據(jù)信號以模擬電壓的信號輸出，檢測范圍0～10-2mg.m-3。

LoRa下位機通訊模塊收發(fā)器采用SX1278無線模塊，LoRa下位機通訊模塊分為LoRa主節(jié)點和LoRa終端節(jié)點，LoRa主節(jié)點內(nèi)置于環(huán)境感知機器人內(nèi)部，LoRa終端節(jié)點內(nèi)置于環(huán)控設(shè)備控制器中。環(huán)境感知機器人將現(xiàn)場采集數(shù)據(jù)通過LoRa無線通訊傳輸給環(huán)境設(shè)備控制器。將LoRa無線通信技術(shù)作為環(huán)境感知機器人與環(huán)控設(shè)備控制器通信方式，無需布線，傳輸距離遠，易安裝調(diào)試。

WIFI網(wǎng)絡(luò)通信模塊采用esp8266無線網(wǎng)橋模塊，該模塊采用IEEE 802.11b無線標準，無線傳輸速率可達11 Mbps，使用WIFISTA模式并設(shè)置通信端口號，將環(huán)境感知機器人采集的數(shù)據(jù)傳輸?shù)阶孕屑茉O(shè)WIFI基站中。

環(huán)控設(shè)備控制器中搭載LoRa終端節(jié)點實現(xiàn)與環(huán)境感知機器人數(shù)據(jù)交互，數(shù)據(jù)包接收后環(huán)控設(shè)備控制器開展解包工作，提取環(huán)境感知機器人檢測的豬舍環(huán)境數(shù)據(jù)，并生成對應(yīng)環(huán)境控制指令，最后根據(jù)指令控制繼電器模塊。繼電器模塊連接用于降低生豬養(yǎng)殖場內(nèi)氨氣濃度的交流負壓風機，用于升溫的地熱供暖設(shè)備，用于降溫和加濕的噴霧裝置和用于控制光照強度的豬舍養(yǎng)殖保溫燈，控制不同環(huán)控設(shè)備，實現(xiàn)實時環(huán)境控制。

用戶可通過TCP/IP通信方式與WIFI基站端口建立通信，實時接收豬舍溫度、濕度、氨氣濃度、硫化氫濃度、二氧化碳濃度、光照強度傳感器數(shù)據(jù)與攝像頭的視頻流，實現(xiàn)豬舍環(huán)境遠程長時間連續(xù)檢測與調(diào)控。

2 環(huán)境感知機器人模塊設(shè)計

豬舍環(huán)境復(fù)雜，由溫度、濕度、光強、有害氣體和顆粒物等環(huán)境參數(shù)相互耦合而成，各個環(huán)境參數(shù)具有時變性、非線性特點，在同一時刻不同位置的環(huán)境參數(shù)可能存在較大差異[9-11]。因此本文環(huán)境感知機器人搭載多種異質(zhì)傳感器，在懸掛式軌道上設(shè)置對應(yīng)監(jiān)測點，環(huán)境感知機器人達到該點時便開始環(huán)境數(shù)據(jù)采樣、處理、融合，并通過多模態(tài)通信方式將數(shù)據(jù)發(fā)給環(huán)控設(shè)備控制器終端和WIFI無線網(wǎng)絡(luò)基站，實現(xiàn)長時間連續(xù)檢測，降低生豬養(yǎng)殖場環(huán)境檢測成本，實現(xiàn)豬舍無人化檢測與遠程監(jiān)控。

2.1 環(huán)境感知機器人機構(gòu)設(shè)計

豬舍內(nèi)部框架根據(jù)場地大小和養(yǎng)殖需要分為單列、雙列及多列式規(guī)劃，中小型豬場大多數(shù)采用雙列式，多種類型豬舍內(nèi)部框架見圖2。雙列式豬舍保溫良好，管理方便，有效控制環(huán)境條件、提高勞動效率和養(yǎng)豬生產(chǎn)水平，但雙列式豬舍中過道交互錯雜且雜物較多，地面常因清理生豬排泄物而潮濕，使用傳統(tǒng)輪式機器人巡檢存在極大隱患，因此在行走方式上選擇軌道懸掛式，避免地板潮濕環(huán)境，又多角度觀察生豬狀態(tài)。環(huán)境感知機器人運動參數(shù)參考豬舍管理人員在管理豬舍時的實際運動參數(shù)，通常檢查豬舍的行走速度1.5 m.s-1，環(huán)境感知機器人速度可略快人行走速度，故選擇機器人的行走速度為2 m.s-1，加速度參考汽車啟動加速度2.78 m.s-2選擇2 m.s-2，環(huán)境感知機器人根據(jù)功能性原則和防松性原則，為防止機架產(chǎn)生過大形變導(dǎo)致運動功能失效等問題發(fā)生，將環(huán)境感知機器人的機架最大形變量規(guī)定小于2 mm，環(huán)境感知機器人需要實現(xiàn)豬舍環(huán)境參數(shù)的精準測量及提高數(shù)據(jù)可靠性，需要在環(huán)境參數(shù)采集和處理階段采用不同的算法，故規(guī)定環(huán)境感知機器人的參數(shù)檢測誤差小于0.5%，軌道因環(huán)境感知機器人運行軌道因環(huán)境感知機器人重量而發(fā)生局部變形，過大的軌道形變會嚴重影響環(huán)境感知機器人的使用壽命，對豬舍管理安全造成威脅，故規(guī)定環(huán)境感知機器人的向下最大型變量不超過軌道總長的1/250。根據(jù)以上實際需求制定環(huán)境感知機器人主要技術(shù)參數(shù)：速度為2 m.s-1，加速度為1.5 m.s-2，機架最大變形量≤2 mm，參數(shù)檢測誤差≤0.5%，軌道最大變形量≤1/250。

圖2 多種類型豬舍內(nèi)部架構(gòu)Fig.2 Internal structureof varioustypesof piggery

由于中小型生豬養(yǎng)殖場的實際需求及豬舍潮濕的生態(tài)環(huán)境，要求環(huán)境感知機器人能在潮濕環(huán)境下長時間運行以滿足豬舍環(huán)境無間斷檢測需求[12]，但傳統(tǒng)工字鋼軌道和鋁合金軌道在易腐蝕且安裝難度大，所以本文采用直徑50 mm、厚度2.4 mm的PVC管道作為環(huán)境感知機器人軌道，克服軌道在潮濕環(huán)境下易腐蝕的缺陷。

環(huán)境感知機器人包含無刷直流電機、編碼器、ARM控制器、溫濕度傳感器、氨氣傳感器、硫化氫氣體傳感器、二氧化碳濃度傳感器、光照強度傳感器、稱重輪、驅(qū)動輪、夾緊彈簧等。環(huán)境感知機器人機架受夾緊力和外部動態(tài)載荷時可能產(chǎn)生形變，為保證環(huán)境感知機器人機架穩(wěn)定，機架材料選擇Q235b，環(huán)境感知機器人本體效果如圖3所示。環(huán)境感知機器人實際技術(shù)參數(shù)：重量為3.268 kg，驅(qū)動輪直徑為40 mm，速度為2 m.s-1，加速度1.5 m.s-2，驅(qū)動功率45.833 W，續(xù)航時間72 h。

圖3 環(huán)境感知機器人結(jié)構(gòu)Fig.3 Environment aware robot structure

2.2 環(huán)境感知機器人多模態(tài)通信設(shè)計

為實現(xiàn)豬舍遠程實時監(jiān)控和環(huán)境控制，環(huán)境感知機器人必須具備多種通信方式，本文設(shè)計的環(huán)境感知機器人集合LoRa無線傳輸和WIFI無線傳輸兩種通信方式。環(huán)境感知機器人收集數(shù)據(jù)后，根據(jù)不同通信傳輸任務(wù)選擇不同無線通信方式，環(huán)境感知機器人與環(huán)控設(shè)備控制器通信時，選擇LoRa無線傳輸通信方式完成傳感器數(shù)據(jù)傳輸。環(huán)境感知機器人與WIFI無線網(wǎng)絡(luò)基站通信時，選擇WIFI無線傳輸通信方式完成傳感器及視頻流的數(shù)據(jù)傳輸。

2.2.1 LoRa無線通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)計

LoRa無線通信技術(shù)由美國Semtech公司推出，是一種將擴頻通信和GFSK調(diào)制融合在一起的超遠距離無線傳輸技術(shù)。LoRa無線通信技術(shù)通信有傳輸距離遠，功耗低、抗干擾能力強等優(yōu)點，LoRa無線通信無需復(fù)雜布線，使用安裝方便。規(guī)?；i舍占地面積較大，室內(nèi)遮擋物較多，因此環(huán)境感知機器人采用SX1276芯片用于LoRa無線通信，該芯片集成32位高性能MCU，32位數(shù)據(jù)并行傳輸，通信距離高達3 000 m，使用該芯片為LoRa無線通信，可縮短開發(fā)周期，降低開發(fā)成本，同時增加通信穩(wěn)定性。

為實現(xiàn)豬舍多區(qū)域環(huán)境參數(shù)準確檢測并及時調(diào)控，環(huán)境感知機器人控制和環(huán)控設(shè)備控制器的主控芯片均采用stm32F407IGT6，實時操作系統(tǒng)選擇國產(chǎn)開源操作系統(tǒng)RT-Thread，具有實時性、穩(wěn)定性、可裁剪性等優(yōu)點。環(huán)境感知機器人內(nèi)置溫濕度傳感器、氨氣傳感器、硫化氫氣體傳感器、二氧化碳濃度傳感器、光照強度傳感器，將數(shù)據(jù)采集打包后，通過SX1276芯片發(fā)送給內(nèi)置于環(huán)控設(shè)備控制器的SX1276芯片，環(huán)控設(shè)備控制器收集到環(huán)境數(shù)據(jù)后，通過對應(yīng)繼電器模塊執(zhí)行上電閉合操作，控制交流負壓風機、地熱供暖設(shè)備、噴霧裝置、豬舍養(yǎng)殖保溫燈。LoRa無線通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)見圖4。

圖4 LoRa無線通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)Fig.4 LoRa wirelesscommunication network structure

2.2.2 WIFI無線通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)計

為實現(xiàn)用戶遠程監(jiān)控豬舍環(huán)境，本文建立WIFI無線網(wǎng)絡(luò)基站，將各個豬舍環(huán)境感知機器人與遠程監(jiān)控中心連接。中小型生豬養(yǎng)殖場在空曠的郊區(qū)，信號干擾較少，適合WIFI無線傳輸。環(huán)境感知機器人內(nèi)置esp8266WIFI通信模塊，該模塊采用IEEE 802.11b無線標準，無線傳輸速率高達11 Mbps，內(nèi)置TCP/IP協(xié)議棧實現(xiàn)串口與WIFI之間轉(zhuǎn)換，支持STA、AP、STA+AP等工作模式，降低環(huán)境感知機器人聯(lián)網(wǎng)成本。環(huán)境感知機器人選用STA模式與WIFI無線網(wǎng)絡(luò)基站連接，并將數(shù)據(jù)發(fā)送給WIFI無線網(wǎng)絡(luò)基站特定端口號中。遠程用戶通過TCP/IP建立與WIFI無線網(wǎng)絡(luò)基站的通訊連接，訪問該端口號實現(xiàn)豬舍遠程環(huán)境監(jiān)控。環(huán)境感知機器人的WIFI無線通信流程見圖5。

圖5 WIFI無線通信流程Fig.5 WIFI wireless communication flow

2.3 環(huán)境感知機器人環(huán)境參數(shù)采集算法設(shè)計

中小型生豬養(yǎng)殖場采用雙列式豬舍，占地空間大，各處溫濕度不同，氨氣濃度不勻，單一位置環(huán)境檢測參數(shù)無法真實反映豬舍環(huán)境參數(shù)。本文設(shè)計的環(huán)境感知機器人在軌道多位置開展環(huán)境數(shù)據(jù)采集工作，并對多位置傳感器數(shù)據(jù)作融合處理，最后為豬舍環(huán)境質(zhì)量作優(yōu)劣程度評價時提供數(shù)據(jù)支持。傳感器數(shù)據(jù)融合是一種用于數(shù)據(jù)信息校準、相關(guān)、識別和估計的技術(shù)，信息處理程度從低到高分為三個層次：數(shù)據(jù)級融合、特征級融合和決策級融合[13]。本文根據(jù)融合程度類型及傳感器數(shù)據(jù)采集方式，將系統(tǒng)融合算法模型設(shè)計成見圖6。本文對環(huán)境感知機器人溫濕度、氨氣濃度、硫化氫濃度和光照強度數(shù)據(jù)在一級融合前采用中值濾波函數(shù)，目的是有效減少偶然因素干擾[14-15]，之后對環(huán)境感知機器人的溫濕度、氨氣濃度、硫化氫濃度和光照強度數(shù)據(jù)采用卡爾曼濾波算法處理。

圖6 融合算法模型設(shè)計Fig.6 Design of fusion algorithm model

卡爾曼濾波算法有較強容錯性，算法利用測量模型的統(tǒng)計特征確定最佳融合方式和數(shù)據(jù)估計狀態(tài)?？柭鼮V波算法是貝葉斯濾波算法一種具體實現(xiàn)，貝葉斯算法是根據(jù)當前時刻系統(tǒng)狀態(tài)測量值和前一時刻控制命令計算出當前時刻系統(tǒng)狀態(tài)估計值來推斷此刻狀態(tài)值的一種計算方法，但并未提供計算狀態(tài)值和估計值可信度的方法，卡爾曼濾波算法假設(shè)各個狀態(tài)值、噪聲均服從高斯分布，最終得到一個當前系統(tǒng)狀態(tài)方程?？柭鼮V波算法主要步驟如下：

系統(tǒng)當前狀態(tài)預(yù)測方程如下：

預(yù)測結(jié)果和真結(jié)果間存在誤差，該誤差協(xié)方差矩陣方程如下：

式中，Pk|k-1為前一時刻系統(tǒng)預(yù)測結(jié)果協(xié)方差，Pk-1為前一時刻最優(yōu)系統(tǒng)結(jié)果協(xié)方差，Qk為噪聲協(xié)方差。

卡爾曼增益方程如下：

式中，Kk為卡爾曼增益，Hk為測量矩陣，Rk為噪聲方差。

系統(tǒng)當前最優(yōu)狀態(tài)估計方程如下：

協(xié)方差矩陣更新方程如下：

式中，Pk為當前時刻最優(yōu)系統(tǒng)結(jié)果協(xié)方差，I為單位矩陣。

根據(jù)上述方程，卡爾曼多傳感器融合算法步驟是：①確定系統(tǒng)狀態(tài)預(yù)測方差與傳感器測量方差；②獲取多個環(huán)境感知機器人在不同位置傳感器測量值；③根據(jù)式（1）更新系統(tǒng)當前狀態(tài)預(yù)測方程；④根據(jù)式（2）、式（3）更新卡爾曼增益方程；⑤根據(jù)式（4）、式（5）估計系統(tǒng)當前最優(yōu)狀態(tài)及更新協(xié)方差矩陣。

上述算法在環(huán)境感知機器人中程序流程圖如圖7所示。

圖7 卡爾曼算法程序流程Fig.7 Flow of Kalman algorithm program

3 豬舍環(huán)境評價算法設(shè)計及實現(xiàn)

如今規(guī)?；⒓s化生豬養(yǎng)殖生產(chǎn)中，生豬生產(chǎn)力約20%取決于遺傳因素，40%～50%取決于喂食飼料中營養(yǎng)成分，30%～40%取決于生豬養(yǎng)殖場環(huán)境因素。因此，在規(guī)?；i養(yǎng)殖場營造適合生豬健康生長環(huán)境是生豬高效生產(chǎn)力的重要保證[16]。

豬舍環(huán)境因素復(fù)雜多樣又相互影響，生豬對豬舍環(huán)境適應(yīng)能力存在一定環(huán)境因素范圍，因此，無法用一個明確概念描述豬舍環(huán)境。本文采用模糊綜合評價算法評價豬舍環(huán)境[17]，使用熵值法對豬舍環(huán)境參數(shù)權(quán)重賦值，最終為豬舍環(huán)控設(shè)備調(diào)控提供數(shù)據(jù)支持，設(shè)計的模糊綜合算法流程見圖8。

圖8 模糊綜合算法流程Fig.8 Flow of Fuzzy synthesis algorithm

3.1 建立豬舍環(huán)境評價矩陣

本文選取對生豬健康生長影響重大環(huán)境因素，包括：溫度、濕度、氨氣濃度、硫化氫濃度、二氧化碳濃度作為豬舍環(huán)境評價指標，并采用“健康（H）”、“亞健康（M）”和“不健康（U）”描述豬舍環(huán)境參數(shù)，豬舍環(huán)境評價體系如表1所示。

表1 豬舍環(huán)境評價體系Table 1 Environmental assessment system of the pig house

根據(jù)控制論論文《模糊集》[18]，隸屬度函數(shù)表示模糊集合元素對評價集從屬程度，取值于[0，1]，對于論域U中任意一元素η，都在[0，1]存在一個數(shù)ηA與該論域上模糊集A對應(yīng)，ηA即表示η對模糊集A隸屬度。ηA越接近于1，表示η屬于A的程度越高，ηA越接近于0，表示η屬于A的程度越低。

確定豬舍環(huán)境評價矩陣關(guān)鍵是確定豬舍環(huán)境隸屬函數(shù)，通過隸屬函數(shù)計算豬舍環(huán)境評價集中每個元素隸屬度。

本文隸屬函數(shù)模型將根據(jù)豬舍環(huán)境評價體系選擇梯形型，其表達式如下：

式中，a，b，c，d分別代表評語集中“健康（H）”、“亞健康（M）”和“不健康（U）”分界點，根據(jù)豬舍環(huán)境評價體系表可建立溫度、濕度、氨氣濃度、硫化氫濃度、二氧化碳濃度隸屬度函數(shù)，如圖9所示。

圖9 環(huán)境參數(shù)隸屬度函數(shù)Fig.9 Membership function of environmental parameters

將環(huán)境感知機器人在豬舍收集的環(huán)境信息經(jīng)卡爾曼濾波后代入各自隸屬度函數(shù)中可得對應(yīng)隸屬度，通過隸屬度函數(shù)計算各環(huán)境參數(shù)隸屬度。溫度指標隸屬度r1={r11,r12,r13}，濕度指標隸屬度r2={r21,r22,r23}，氨氣濃度指標隸屬度r3={r31,r32,r33}，硫化氫濃度指標隸屬度r4={r41,r42,r43}，二氧化碳濃度指標隸屬度r5={r51,r52,r53}，因此可建立模糊關(guān)系矩陣如下式：

3.2 基于熵值法的權(quán)重判定法

權(quán)重是指溫濕度、氨氣濃度、硫化氫濃度、二氧化碳濃度對豬舍環(huán)境影響程度，由于環(huán)境參數(shù)對豬舍環(huán)境重要程度不同，對各個環(huán)境參數(shù)將需賦予不同權(quán)重系數(shù)，不同權(quán)重有時得到不同評價結(jié)果，因此要選擇適合豬舍環(huán)境的權(quán)重判定算法是評價系統(tǒng)重要一環(huán)。

生豬對環(huán)境變化具有一定適應(yīng)性，但環(huán)境某一因素發(fā)生突變時易造成生豬應(yīng)激反應(yīng)，導(dǎo)致育肥豬生長緩慢，母豬繁殖能力下降，甚至個別死亡。謝秋菊使用改進層次分析法對豬舍環(huán)境參數(shù)權(quán)重賦值，得到環(huán)境溫度、濕度、風速、氨氣濃度、二氧化碳濃度和硫化氫濃度權(quán)重，但某一環(huán)境參數(shù)突變時，該權(quán)重評價模型難以對豬舍環(huán)境作出正確評價[19]，本文將使用熵值法確定環(huán)境參數(shù)各個權(quán)重，熵值法與具有主觀因素偏重的一般層次分析法不同，熵值法是一種基于觀察值確定權(quán)重的客觀賦權(quán)法。熵越小，說明信息更加無序化，在綜合評價中越有價值，即權(quán)重越大，例如，當豬舍溫度突變過高時，該算法將溫度因素權(quán)重增加，降低其他變化較小因素權(quán)重。

以下是算法過程：

①根據(jù)以下公式將表內(nèi)的數(shù)據(jù)作非負化處理：

②根據(jù)以下公式計算非負化處理后第j項環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)權(quán)重：

③根據(jù)以下公式計算第j項環(huán)境參數(shù)熵值：

④根據(jù)以下公式計算各環(huán)境參數(shù)的信息熵冗余度：

⑤計算各環(huán)境參數(shù)權(quán)值：

按上述步驟可求得權(quán)重矢量A和模糊關(guān)系矩陣R，利用加權(quán)平均模糊算子M（.，⊙）將權(quán)重矢量和模糊關(guān)系矩陣合成成模糊綜合評價結(jié)果矢量：

4 系統(tǒng)運行測試

4.1 環(huán)境感知機器人溫度采集測試

測試過程：①環(huán)境感知機器人上電前，用標準水銀溫度計在不同位置測量豬舍溫度后取平均值作為標準溫度。②多個環(huán)境感知機器人上電，機器人群短時間內(nèi)在多個位置溫度取樣，上傳溫度數(shù)據(jù)到后臺數(shù)據(jù)庫。③溫度數(shù)據(jù)經(jīng)過卡爾曼濾波算法處理后生成融合結(jié)果并上傳到后臺數(shù)據(jù)庫。溫度傳感器的卡爾曼濾波結(jié)果見圖10，誤差對比結(jié)果見圖11。

圖10 溫度傳感器卡爾曼濾波結(jié)果Fig.10 Kalman filtering results of temperature sensor

圖11 誤差對比結(jié)果Fig.11 Error comparison results

從圖10濾波結(jié)果可知，經(jīng)卡爾曼濾波后平均溫度為25.55℃，而20組溫度測量平均值為25.77℃。以標準水銀溫度計測得溫度25.6℃為標準值衡量卡爾曼濾波算法精確度。在圖11誤差結(jié)果對比圖中，卡爾曼濾波算法后誤差為0.19%，測量值誤差為0.66%，通過誤差結(jié)果比較可知使用卡爾曼濾波算法后傳感器數(shù)據(jù)在準確度上明顯提升，表明卡爾曼濾波算法在本次試驗中滿足數(shù)據(jù)處理要求。

4.2 環(huán)境感知機器人環(huán)境評價測試

本次環(huán)境感知機器人環(huán)境評價測試地點選擇在衡陽雙胞胎飼料有限公司（雙胞胎集團湖南分公司）中，測試時間選擇春季的0:00～19:00，豬舍內(nèi)部如圖12所示。

圖12 豬舍內(nèi)部照片F(xiàn)ig.12 Interior photos of the pig house

測試時在豬舍中均勻選擇20個采樣點，環(huán)境感知機器人在各采樣點對環(huán)境參數(shù)采集10次，并利用中值濾波函數(shù)濾波以減少偶然因素干擾，采集結(jié)束后對20組數(shù)據(jù)作卡爾曼濾波推斷出豬舍當前環(huán)境參數(shù)，環(huán)境參數(shù)監(jiān)測值見表2。

表2 環(huán)境參數(shù)監(jiān)測值Table 2 Environmental parameter monitoring value

根據(jù)上述步驟，數(shù)據(jù)經(jīng)卡爾曼濾波后結(jié)果為：{溫度：25.55℃，濕度：66.79%RH，二氧化碳：1 468.5 mg.m-3，氨氣：2.28 mg.m-3，硫化氫：0.0926 mg.m-3}；將濾波后溫濕度、氨氣濃度、硫化氫濃度數(shù)據(jù)、二氧化碳濃度數(shù)據(jù)代入上述隸屬函數(shù)中可繪制出環(huán)境參數(shù)因素隸屬度圖，如圖13所示。

圖13 環(huán)境參數(shù)隸屬度Fig.13 Membership of environmental parameter

續(xù)表

之后確定各環(huán)境因素權(quán)重，將數(shù)據(jù)用熵值法計算出A={0.189,0.191,0.187,0.198,0.234}；根據(jù)豬舍評價算法建立的因素集U={溫度、濕度、二氧化碳、氨氣、硫化氫}和評語集V={健康、亞健康、不健康}；然后根據(jù)各環(huán)境參數(shù)隸屬度函數(shù)確定模糊關(guān)系矩陣如下：

最后，利用加權(quán)平均模糊算子M（.，⊙）將權(quán)重向量和模糊關(guān)系矩陣合成模糊綜合評價結(jié)果矢量：B=A×R={0.851，0.323，0.032}，對應(yīng)評語集V={健康、亞健康、不健康}，根據(jù)最大隸屬度原則，評語集中“健康”占比最高0.851，其次是“亞健康”占比0.323，因此判定此時豬舍環(huán)境為“健康”，豬舍環(huán)境評定結(jié)果可在遠程操作中心子系統(tǒng)上位機中顯示，如圖14所示。

圖14 遠程操作中心子系統(tǒng)上位機Fig.14 Remote operation center subsystem host computer

5 結(jié)論

本文針對中小型生豬養(yǎng)殖場實際需求，提出利用基于環(huán)境感知機器人的豬舍環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)，以實現(xiàn)豬舍生態(tài)環(huán)境參數(shù)準確監(jiān)測、生豬生長狀態(tài)實時監(jiān)控。為保證系統(tǒng)檢測豬舍環(huán)境參數(shù)精準性，采用多傳感器卡爾曼融合算法，并在控制芯片內(nèi)部程序中實現(xiàn)該算法。溫度數(shù)據(jù)測試數(shù)據(jù)表明卡爾曼濾波后誤差僅為0.19%，可靠性大幅度提高，滿足豬舍實際檢測需求。為實現(xiàn)豬舍環(huán)境評價，采用基于熵值法的模糊綜合算法評定豬舍環(huán)境，通過試驗測試可知，該算法可滿足豬舍環(huán)境評價，預(yù)警環(huán)境突變。

但本文環(huán)境控制系統(tǒng)還有待完善，結(jié)合生豬飼喂機器人、清掃消毒機器人研究，有望實現(xiàn)豬舍無人化管理[20]，降低人力成本，在農(nóng)牧領(lǐng)域應(yīng)用前景良好。