一種基于LEPTON 3.5的生豬體溫監測系統

楊震倫 石坤泉 劉柱棟 何俊凡

摘 ?要：生豬養殖產業是我國最重要的畜牧產業之一，而生豬體溫的測量在疫病防治中具有重要作用。針對常規的接觸式生豬體溫測量方法人力成本高及效率低的問題，文章基于熱成像模塊LEPTON 3.5設計了一種非接觸式的生豬體溫監測系統，在豬舍部署之后能自動對生豬對象進行連續的體溫監測，可以被應用到生豬養殖的體溫異常的篩選中，具有易于部署及使用，自動化程度高等優點。

關鍵詞：LEPTON 3.5;紅外測溫;生豬體溫監測;STM32單片機

中圖分類號：TP23 文獻標志碼：A ? ? ? ? 文章編號：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

生豬養殖業作為我國畜牧養殖業中最具代表性的產業，如何有效控制養殖成本，規避大規模疾病感染風險并實現經濟效益是近年來相關研究工作者與養殖場管理人員密切關注的內容。生豬體溫的變化是生豬生理狀況的直接反映，體溫變化的規律及狀況在臨床上是診斷感染疾病類型的有效參考依據，偏離了正常范圍的生豬體溫變化往往預示著某些疾病的發生[1]，持續異常的體溫變化若不能得到及時的控制與處理，可能導致生豬的嚴重疾病甚至是死亡。對于生豬體溫的持續監控一方面能早期發現患病的生豬個體、另一方面有利于對傳染病在生豬群體的發展程度進行評估等，因此，在生豬養殖中監測生豬體溫的變化情況并利用來對生豬疾病進行防控具有重要的現實意義。

養殖生豬從保育豬，到長肉以及成年的各個階段，身體成長較快，體溫變化大，采用人工監測體溫的方法要求管理者具有較為豐富的養殖經驗以及疾病防控經驗，而養殖場現有的體溫信息獲取方法，多使用體溫計，耳溫槍等測溫工具直接接觸生豬，獲取其直腸溫度或者是耳部溫度，這類測量方法易受生豬的情緒起伏、測量次數等因素影響，并存在易引起交叉感染等缺點，并不適用于集約化養殖場。通過手持的紅外熱像儀對生豬體溫進行監測的方法[2]雖然能避免直接接觸生豬，但是由于養殖場中生豬的數量較多，需要配備專門的人員進行測量，這造成養殖成本的增加。有研究采用了PC機+小車+紅外熱像儀的方案實現了生豬體溫巡檢系統，但是由于體積大、成本高并且只能適用于限位欄豬舍，其應用范圍較窄[3]。還有研究采用了紅外攝像頭+現場服務器的方式定點采集豬舍某個區域的溫度并用Labview來實現紅外圖像中的目標識別和溫度提取，然而這種方案也存在著體積大，成本高，且采集范圍有限，無法在多種規模的生豬養殖場中得到實際應用等問題[4]。隨著紅外成像技術與物聯網技術的持續發展，在養殖中使用更為先進高效的小體積，靈活性高的體溫自動監測方法能更好的滿足現代化、規?；B殖場的需要，是幫助養殖農戶實現生豬疾病防控的有效手段。

本文基于先進的紅外熱成像模塊LEPTON 3.5，結合自主研發的熱圖像分析處理算法與物聯網技術，實現一種非接觸式生豬體溫自動監測系統，與現有的生豬體溫監測方法相比，具有易于部署及使用、經濟高效等特點，更適合在集約化生豬養殖場的普及使用。

1 LEPTON 3.5功能介紹

LEPTON 3.5是菲利爾公司（FLIR）生產的高分辨率微型紅外熱成像模塊，具有體積小，分辨率高，易于集成，功能強等優點。基于LEPTON 3.5模塊可以實現熱像儀，也可以設計各種需要獲取溫度的其它各類應用系統，如智能手機、診斷工具、汽車、物聯網設備、安防系統、機器視覺系統、高級游戲設備、無人機系統等[5]。LEPTON 3.5模塊的主要特點為：（1）160×120有效像素;（2）長波紅外，波長為8μm 至 14μm;（3）熱靈敏度<50mK（0.050℃）;（4）具有25°，50°和57°水平視場（HFOV）的配置;（5）快速成像 （< 1.2 秒）;（6）低功耗（常規為160mW，快門為800mW，低功耗模式為5mW）;（7）RoHS兼容。

LEPTON 3.5模塊內置集成的數字熱圖像處理功能，包括自動熱環境補償，噪聲濾波器，非均勻性校正和增益控制等。在硬件接口方面，提供了與標準Molex或類似的側面接觸連接器的32針插座接口，其中包括了基于SPI的視頻接口和類似于IIC的串行控制接口CCI。在軟件接口方面，則提供了包括16位的命令寄存器、攝像頭開啟寄存器、狀態寄存器、數據長度寄存器及數據寄存器等接口，并基于這些寄存器提供了一整套軟件開發接口（SDK）。Lepton SDK將軟件接口劃分為獨立的子系統或模塊。主要包括用于配置視頻輸出對比度和亮度處理的AGC模塊、提供攝像頭系統的信息和狀態的SYS模塊、提供處理視頻數據控制的VID模塊、提供系統的其他配置和控制功能以及相關的信息和狀態查詢的OEM模塊、提供輻射特性控制的RAD模塊等。

由于LEPTON 3.5模塊的各種優良的特性，使其得到眾多開發者的青睞，也有一些第三方的機構如GetLab等為LEPTON 3.5模塊開發了一些外圍的模塊，使得LEPTON 3.5模塊能夠更為簡易地集成到各類應用系統中。

2 基于LEPTON 3.5的生豬體溫監測系統設計

下面將分別對生豬體溫監測系統的硬件和軟件設計分別展開闡述。

2.1 硬件設計

本文提供了一個具有可伸縮性的生豬體溫監測系統硬件方案，其結構框圖如圖1所示，包括了由線段虛線框和點狀虛線框分別框起來的兩種方案。線段虛線框的方案主要應用于數據收集場合，而點狀虛線框的方案主要面向數據收集及現場的處理報警等應用場合。兩個方案都包括了前端的數據采集及預處理模塊，包括了紅外熱成像模塊LEPTON 3.5，微處理器STM32F417及能讀取生豬耳標的RFID讀頭。STM32F417是意法半導體公司的一款高性能32位微處理器，基于ARM的Cortex-M4架構，其內部同時整合了MCU和DSP功能與特性，具有強大的控制和數字信號處理能力，在有一定的圖像處理需要的控制系統的應用中具有一定的優勢[6]。STM32F417通過SPI接口及IIC接口與LEPTON 3.5連接來控制LEPTON 3.5的工作并獲取紅外圖像，通過UART接口來連接RFID讀頭來讀取生豬耳標上的生豬個體標記信息。

針對生豬體溫測量的不同應用需求，本文提供了兩套方案，如果只需要實現數據收集，則可采用圖1中線段虛線框所框起來的方案，除了數據采集及預處理模塊之外，還增加了用于數據的本地存儲的SD卡和用于將數據傳輸到遠程服務器的WIFI網卡。這種方案具有體積小，成本低等特點，可以實現在生豬養殖場的多點部署，全面覆蓋生豬活動范圍，從而實現有效的生豬體溫連續監控。另一套方案采用圖1中點狀虛線框對應的硬件結構，是面向數據收集及現場的離線處理報警的應用場合。該方案在數據采集及預處理模塊基礎上，增加了一塊UP2板。UP2板（UP Squared Board）是研揚科技推出的一種小體積的單板計算機，板上的CPU包括了Intel 賽揚N3350/奔騰N4200/凌動E3940中的一種，內存為LPDDR4，提供1GB到8GB的可選配置，存儲為16GB到128GB eMMC的可選配置，還包含支持4K編解碼器的Intel Gen9 GPU。UP2板提供了40引腳GPIO、60引腳EXHAT連接器，可以支持SATA3、PCIe和M.2的擴展端口。UP2板還具有多個USB端口和CSI、HDMI、DP和eDP接口。UP2板已經被應用到數據采集和控制等應用場合當中[7]。增加了UP2板之后，相當于在數據采集及預處理模塊的后面增加了一個小型計算機，可以實現數據的存儲和現場處理，并給出即時的反饋。該方案能有效實現生豬養殖場管理員所關心的重點監控的單點生豬體溫監控。由于UP2板自帶以太網口，也可以擴展WIFI網卡，所以本方案也支持將所采集的數據提交到遠程服務器中。

2.2 軟件設計

在動物體溫的測量上，紅外熱像儀比較適合測定豬的皮溫，因為豬的皮膚上的被毛并不像其它大型養殖動物的被毛那么厚，而且豬的皮膚還有一些裸露的區域[8]。有研究表明，與體溫相關性最高的生豬皮膚測量位點是耳朵、眼睛和乳房。有研究表明，生豬體溫與皮溫區域的關系上，眼睛和耳朵是較為能重復體現體溫的皮膚區域。而對于生豬耳朵皮溫與體溫的相關性研究中發現耳根與體溫的相關性明顯高于耳尖與體溫的相關性[2]。因此利用紅外熱成像模塊來對生豬的體溫進行監測，隨著監測目的和精度的不同要求，對于生豬溫度采集區域的要求也有一定差別，如果是大規模的篩查，對于精度要求較低，則對生豬頭部進行溫度采集并獲取高溫點即可實現，如果有精度要求，則以耳根和眼睛區域的溫度采集為佳。

本文也分別提供了與兩種硬件方案對應的軟件設計方案，如圖2所示。其中實線框內的是面向數據收集場合的功能，虛線框內的是面向數據收集及現場的處理報警等應用場合的功能。圖像采集模塊和個體信息讀取模塊是基本的模塊，主要實現了對生豬對象的紅外圖像信息的采集和個體信息的讀取，其中圖像采集模塊的流程圖如圖3所示。其具體的操作主要涉及到對本文對LEPTON 3.5介紹內容中的各類寄存器的讀寫操作，相關操作流程可參見官方提供的LEPTON 3.5軟件接口描述文檔（FLIR LEPTON

Software IDD）。數據存儲模塊及數據傳輸模塊的操作屬于較為通用的功能，在此不再贅述。

圖像識別模塊、異常檢測及報警模塊是在UP2板上實現，本文的設計是在UP2板上安裝Linux操作系統，再使用Python語言撰寫的代碼來實現相關功能。其具體實現需要考慮設備的部署位置，本文參照現有在生豬限位欄上方采集圖像的做法[3]給出了一種實現的方法，如果部署到其它位置，隨著采集角度的變化對其中目標提取方法進行調整即可，本文的圖像識別模塊、異常檢測及報警模塊的流程圖分別如圖4和圖5所示。

其中圖像識別模塊需要根據原始的紅外圖像判斷是否存在需要采集的生豬對象的信息，從限位欄上方采集，可以采用簡單的圓形識別的方法來實現判斷。在獲得了生豬對象的輪廓后，異常檢測及報警模塊的功能主要是需要定位到關心的區域如耳根處并結合紅外熱成像模塊LEPTON 3.5所提供的紅外圖像每個像素點的溫度信息來確定生豬對象的體溫。如果體溫信息超出預先設置的范圍，則進行報警。這里的關鍵是定位耳根位置，目前已經有一些方法研究基于當前對象，利用先驗的生豬體態信息來判斷耳根的位置[9]。本文所面向的在限位欄上方的拍攝方式，通過確定生豬的頭部，再按一定比例截取生豬頭部的圖像，再根據簡單而有效的先驗信息來獲取耳根的位置。

3 結論

本文從生豬養殖業對生豬疾病的早發現從而實現有效防治的需求出發，根據生豬養殖環境的特點和生豬自身的特點，提供了一套實用性的方案，具有體積小、易于部署的特點，兼顧了生豬體溫的多點監控及特定區域重點監控的需求，具有較高的實用價值，對于其它大型牲畜的體溫監測系統提供了有益的設計參考。

參考文獻：

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[5]FLIR ?Systems Inc.. LWIR MICRO THERMAL CAMERA MODULE Lepton. 2020 [updated 2020; cited 2020]; Available from： https：//www.flir.com/products/lepton/.

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[9]朱偉興，劉波，楊建軍，等.基于改進主動形狀模型的生豬耳部區域檢測方法[J].農業機械學報，2015，46（3）：288-295.