智能論文范文

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第1篇

【論文摘要】：智能家居是未來家庭生活的發展趨勢，闡述了智能家居的基本概念，說明了智能家居中的總線技術的特點和意義，比較了幾種主要的總線技術，指出了項目研究的重點。

智能家居是現代社會最熱門的話題之一，它的目標是通過網絡等信息通信技術手段實現對家居電器等的智能控制，使其能夠按照人們的設定工作運行，而不論距離的遠近。智能化與遠程控制是智能家居的兩大特點。目前，已經有越來越多的機構和個人開始了對智能家居的研究。

1.智能家居的概念

智能家居（SmartHome）是以家為平臺，兼備建筑、自動化，智能化于一體的高效、舒適、安全、便利的家居環境。家居智能化技術起源于美國，最具代表性的是X-10技術，通過X-10通信協議，網絡系統中的各個設備便可實現資源的共享。因其布線簡單、功能靈活，擴展容易而被人們廣泛接受和應用。至今，X-10技術產品的銷售已超過兩億個，僅在美國一個國家，便有超過600萬個家庭在使用。自動化的智能家居不再是一幢被動的建筑，相反，成了幫助主人盡量利用時間的工具，使家庭更為舒適、安全、高效和節能。

隨著網絡技術的發展，特別是無線網絡的發展，網絡化智能家居系統可提供遙控、家電（空調，熱水器等）控制、照明控制、室內外遙控、窗簾自控、防盜報警、電話遠程控制、可編程定時控制及計算機控制等多種功能和手段，使生活更加舒適、便利和安全。

2.智能家居中的總線技術

要實現家居的智能化，就必須實現家居的網絡化，使家居內的大部分電器設備能夠通過一定的方式連入網絡，從而實現這些設備的遠程控制和自動控制。家居電器的上網實質是網絡最后接入的1公里之內的問題，此類問題要求網絡可靠性高、信心量少，多個設備之間的互操作性強。就智能家居而言，如何把結構和性能不一的電器設備接入網絡，如何能夠實現這些設備的相互通信是在構建智能家居時主要考慮的問題，所以說，智能家居的關鍵技術其實就是網關技術和總線技術。文章主要討論的是其中的總線技術。

總線技術在智能家居行業當中，目前可以算是應用最為廣泛的一種技術手段。在總線技術下生成的智能家居系統，最大的特點是具有可擴展性，工程安裝也不是很復雜。由于科學技術的不斷發展，新生成許多總線協議下的智能家居系統的價格也不是很高，目前市場的銷售情況也很不錯。

智能家居中的現場總線控制系統通過系統總線來實現家居燈光、電器及報警系統的聯網以及信號傳輸，采用分散型現場控制技術，控制網絡內各功能模塊只需要就近接入總線即可，布線比較方便。一般來說，現場總線類產品都支持任意拓撲結構的布線方式，即支持星型與環狀結構走線方式。燈光回路、插座回路等強電的布線與傳統的布線方式完全一致。"一燈多控"，在家庭應用比較普遍，以往一般采用"雙聯"、"四聯"開關來實現，走線復雜而且布線成本高。若通過總線方式控制，則完全不需要增加額外布線。是一種全分布式智能控制網絡技術，其產品模塊具有雙向通信能力，以及互操作性和互換性，其控制部件都可以編程。典型的總線技術采用雙絞線總線結構，各網絡節點可以從總線上獲得供電（24V/DC），亦通過同一總線實現節點間無極性、無拓撲邏輯限制的互連和通信，最高的信號傳輸速率和系統容量則分別為10KBPS和4G，完全能夠滿足現代智能家居的需要。

3.主要的總線技術比較

目前，國際上家庭總線的標準主要有以下幾種：前述的X-10，日本的家庭總線(HomeBus)，歐洲標準安裝總線(EIB)和BatiBus，美國Echelon公司的LonWorks，HP公司的IRDACONTRAL等。其中，最受業界關注，應用最廣的是X-10、LonWorks和消費總線（CEBus）這三種。

3.1X-10技術

X-10技術是世界上最早出現的，也是最簡單的智能家庭網絡系統，它的出現標志著家居智能化技術的成熟。在智能家居20多年發展過程中，X-10技術得到了極大的應用。它在美國的發展已經25年的歷史了，到目前為止美國的X-10用戶已經達到1000萬以上，X-10控制規格已成為當今美國家庭自動化控制規格的主要領導者。歐洲版的X-10發展也相當迅速并得到普及，漸漸的，這一技術開始進入亞洲。可以說，X-10是二十世紀最具代表性的家庭智能自動化產品。

X-10采用電力線作為其網絡通信介質，系統中的各個設備直接掛在電力線上就可以相互通信，X-10技術基于X-10協議，由發射器發出X-10控制信號，通過現有電力線網轉輸X-10信號到接收器，然后由接收器再對各燈具、用電器等用電設備進行控制。

但X-10采用的是電力線通信方式，容易受到干擾，系統的抗干擾性能比較差，且尋址空間小，對模擬量支持不夠，只能提供非常有限的功能。如果只要求這些有限功能，使用X-10可能是很合算的，但在需求日益豐富的今天，X-10有逐漸被取代的趨勢。

3.2LonWorks

LonWorks是美國Echelon公司于1991年推出的，LonWorks技術為設計、創建、安裝和維護設備網絡方面的許多問題提供解決方案：網絡的大小可以是兩個到32385個設備，并且可以適用于任何場合。LonWorks提供從收發器到協議到軟件API的一個完整的、端到端的控制網絡解決方案。

LonWorks網絡中設備的通信是采用一種稱為LonTalk的網絡標準語言實現的。LonTalk協議由各種允許網絡上不同設備彼此間智能通信的底層協議組成。LonTalk協議提供一整套通信服務，這使得設備中的應用程序能夠在網絡上同其他設備發送和接收報文而無需知道網絡的拓撲結構或者網絡的名稱、地址，或其他設備的功能。LonWorks協議能夠有選擇地提供端到端的報文確認、報文證實和優先級發送，以提供規定受限制的事務處理次數。對網絡管理服務的支持使得遠程網絡管理工具能夠通過網絡和其他設備相互作用，這包括網絡地址和參數的重新配置、下載應用程序、報告網絡問題和啟動/停止/復位設備的應用程序。LonWorks可以在任何物理媒介上通信，這包括電力線，雙絞線，無線（RF），紅外（IR），同軸電纜和光纖。

LonWorks也有其弱點，主要是價格太高，光電開關的體積太大，對此，Echelon公司開發了一個智能型收發器－－PL3120芯片組，其中整合了Echelon公司的PLT－22電力線實體層和8位的Neuron芯片核心，這使得LonWorks被越來越多的高級建筑所采用。

3.3CEBus

消費總線（CEBus）起源于1984年美國電氣工業協會的消費電器小組制定的家電互聯的規范，1992年，它被正式命名為CEBus規范(EIA600)。消費總線出現后，迅速得到IBM、HONEYWELL、MICROSOFT、INTEL-LON、DEMOSYS、LUCENT、PHILIPS、SIEMEMTS等國際著名公司的支持，在智能住宅和住宅自動化領域具有舉足輕重的影響。

消費電子總線網絡拓撲結構可以是總線型、星型、樹型或混合型。總線中的每個節點的地位是平等的，不需要一個主控設備。對于多節點競爭訪問網絡資源的解決方法是采用沖突檢測和沖突解決，網絡中各節點的控制關系通過綁定來實現，從而使整個家庭中的電器系統能成為一個智能的整體。

參照ISO的網絡協議建議書，消費電子總線可劃分為物理層、數據鏈路層、網絡層和應用層。CEBus在應用層定義了一種面向對象的、嚴格的設備描述語言CAL（CommonApplicationLanguage），簡稱公共應用語言，其內容涵蓋了家庭中可能擁有的家電。公共應用語言采用了面向對象的方法，把任意一個家電設備按照功能分解成幾個預定義的對象模型。在面向對象的編程語言中，一個對象由數據和操作這些數據的函數組成。在消費總線中，這些對象也由數據（稱為實例變量）和操作（稱為方法）組成，不同的設備可以采用相同的對象，用相同的方法操作，但是控制結果隨設備的不同而有不同的意義。

CEBus以其簡便的協議、日臻完善的技術正日益成為消費電子設備互操作的企業標準，CEBus通訊的低層功能已實現了芯片化，所以接入設備比較便宜。目前，市場上此類芯片有LM1893、ST7536、SSC-P485、CEWay-Ⅲ等。隨著載波通訊技術的進一步成熟，CEBus將在儀器儀表、家庭自動化、智能樓宇建設、智能小區建設以及工業廠區建設中得到更為廣泛的應用。但由于CEBus接口技術比較復雜，價錢非常昂貴，因此CEBus在中國的應用也不多見。

4.小結

隨著信息技術的高速發展，智能家居技術越來越受到人們的關注，是現代網絡技術研究的重點之一，而利用總線技術來實現智能家居又是智能家居技術發展的重要方向。文章中介紹的幾種主流總線技術都有各自的特點，就本項目而言，LonWorks網絡是一個不錯的選擇，是我們以后研究的重點方向之一。

參考文獻

第2篇

智能家居（SmartHome）是以家為平臺，兼備建筑、自動化，智能化于一體的高效、舒適、安全、便利的家居環境。家居智能化技術起源于美國，最具代表性的是X-10技術，通過X-10通信協議，網絡系統中的各個設備便可實現資源的共享。因其布線簡單、功能靈活，擴展容易而被人們廣泛接受和應用。至今，X-10技術產品的銷售已超過兩億個，僅在美國一個國家，便有超過600萬個家庭在使用。自動化的智能家居不再是一幢被動的建筑，相反，成了幫助主人盡量利用時間的工具，使家庭更為舒適、安全、高效和節能。

隨著網絡技術的發展，特別是無線網絡的發展，網絡化智能家居系統可提供遙控、家電（空調，熱水器等）控制、照明控制、室內外遙控、窗簾自控、防盜報警、電話遠程控制、可編程定時控制及計算機控制等多種功能和手段，使生活更加舒適、便利和安全。

2.智能家居中的總線技術

要實現家居的智能化，就必須實現家居的網絡化，使家居內的大部分電器設備能夠通過一定的方式連入網絡，從而實現這些設備的遠程控制和自動控制。家居電器的上網實質是網絡最后接入的1公里之內的問題，此類問題要求網絡可靠性高、信心量少，多個設備之間的互操作性強。就智能家居而言，如何把結構和性能不一的電器設備接入網絡，如何能夠實現這些設備的相互通信是在構建智能家居時主要考慮的問題，所以說，智能家居的關鍵技術其實就是網關技術和總線技術。文章主要討論的是其中的總線技術。

總線技術在智能家居行業當中，目前可以算是應用最為廣泛的一種技術手段。在總線技術下生成的智能家居系統，最大的特點是具有可擴展性，工程安裝也不是很復雜。由于科學技術的不斷發展，新生成許多總線協議下的智能家居系統的價格也不是很高，目前市場的銷售情況也很不錯。

智能家居中的現場總線控制系統通過系統總線來實現家居燈光、電器及報警系統的聯網以及信號傳輸，采用分散型現場控制技術，控制網絡內各功能模塊只需要就近接入總線即可，布線比較方便。一般來說，現場總線類產品都支持任意拓撲結構的布線方式，即支持星型與環狀結構走線方式。燈光回路、插座回路等強電的布線與傳統的布線方式完全一致。"一燈多控"，在家庭應用比較普遍，以往一般采用"雙聯"、"四聯"開關來實現，走線復雜而且布線成本高。若通過總線方式控制，則完全不需要增加額外布線。是一種全分布式智能控制網絡技術，其產品模塊具有雙向通信能力，以及互操作性和互換性，其控制部件都可以編程。典型的總線技術采用雙絞線總線結構，各網絡節點可以從總線上獲得供電（24V/DC），亦通過同一總線實現節點間無極性、無拓撲邏輯限制的互連和通信，最高的信號傳輸速率和系統容量則分別為10KBPS和4G，完全能夠滿足現代智能家居的需要。

3.主要的總線技術比較

目前，國際上家庭總線的標準主要有以下幾種：前述的X-10，日本的家庭總線(HomeBus)，歐洲標準安裝總線(EIB)和BatiBus，美國Echelon公司的LonWorks，HP公司的IRDACONTRAL等。其中，最受業界關注，應用最廣的是X-10、LonWorks和消費總線（CEBus）這三種。

3.1X-10技術

X-10技術是世界上最早出現的，也是最簡單的智能家庭網絡系統，它的出現標志著家居智能化技術的成熟。在智能家居20多年發展過程中，X-10技術得到了極大的應用。它在美國的發展已經25年的歷史了，到目前為止美國的X-10用戶已經達到1000萬以上，X-10控制規格已成為當今美國家庭自動化控制規格的主要領導者。歐洲版的X-10發展也相當迅速并得到普及，漸漸的，這一技術開始進入亞洲。可以說，X-10是二十世紀最具代表性的家庭智能自動化產品。

X-10采用電力線作為其網絡通信介質，系統中的各個設備直接掛在電力線上就可以相互通信，X-10技術基于X-10協議，由發射器發出X-10控制信號，通過現有電力線網轉輸X-10信號到接收器，然后由接收器再對各燈具、用電器等用電設備進行控制。

但X-10采用的是電力線通信方式，容易受到干擾，系統的抗干擾性能比較差，且尋址空間小，對模擬量支持不夠，只能提供非常有限的功能。如果只要求這些有限功能，使用X-10可能是很合算的，但在需求日益豐富的今天，X-10有逐漸被取代的趨勢。

3.2LonWorks

LonWorks是美國Echelon公司于1991年推出的，LonWorks技術為設計、創建、安裝和維護設備網絡方面的許多問題提供解決方案：網絡的大小可以是兩個到32385個設備，并且可以適用于任何場合。LonWorks提供從收發器到協議到軟件API的一個完整的、端到端的控制網絡解決方案。

LonWorks網絡中設備的通信是采用一種稱為LonTalk的網絡標準語言實現的。LonTalk協議由各種允許網絡上不同設備彼此間智能通信的底層協議組成。LonTalk協議提供一整套通信服務，這使得設備中的應用程序能夠在網絡上同其他設備發送和接收報文而無需知道網絡的拓撲結構或者網絡的名稱、地址，或其他設備的功能。LonWorks協議能夠有選擇地提供端到端的報文確認、報文證實和優先級發送，以提供規定受限制的事務處理次數。對網絡管理服務的支持使得遠程網絡管理工具能夠通過網絡和其他設備相互作用，這包括網絡地址和參數的重新配置、下載應用程序、報告網絡問題和啟動/停止/復位設備的應用程序。LonWorks可以在任何物理媒介上通信，這包括電力線，雙絞線，無線（RF），紅外（IR），同軸電纜和光纖。

LonWorks也有其弱點，主要是價格太高，光電開關的體積太大，對此，Echelon公司開發了一個智能型收發器－－PL3120芯片組，其中整合了Echelon公司的PLT－22電力線實體層和8位的Neuron芯片核心，這使得LonWorks被越來越多的高級建筑所采用。

3.3CEBus

消費總線（CEBus）起源于1984年美國電氣工業協會的消費電器小組制定的家電互聯的規范，1992年，它被正式命名為CEBus規范(EIA600)。消費總線出現后，迅速得到IBM、HONEYWELL、MICROSOFT、INTEL-LON、DEMOSYS、LUCENT、PHILIPS、SIEMEMTS等國際著名公司的支持，在智能住宅和住宅自動化領域具有舉足輕重的影響。

消費電子總線網絡拓撲結構可以是總線型、星型、樹型或混合型。總線中的每個節點的地位是平等的，不需要一個主控設備。對于多節點競爭訪問網絡資源的解決方法是采用沖突檢測和沖突解決，網絡中各節點的控制關系通過綁定來實現，從而使整個家庭中的電器系統能成為一個智能的整體。

參照ISO的網絡協議建議書，消費電子總線可劃分為物理層、數據鏈路層、網絡層和應用層。CEBus在應用層定義了一種面向對象的、嚴格的設備描述語言CAL（CommonApplicationLanguage），簡稱公共應用語言，其內容涵蓋了家庭中可能擁有的家電。公共應用語言采用了面向對象的方法，把任意一個家電設備按照功能分解成幾個預定義的對象模型。在面向對象的編程語言中，一個對象由數據和操作這些數據的函數組成。在消費總線中，這些對象也由數據（稱為實例變量）和操作（稱為方法）組成，不同的設備可以采用相同的對象，用相同的方法操作，但是控制結果隨設備的不同而有不同的意義。

CEBus以其簡便的協議、日臻完善的技術正日益成為消費電子設備互操作的企業標準，CEBus通訊的低層功能已實現了芯片化，所以接入設備比較便宜。目前，市場上此類芯片有LM1893、ST7536、SSC-P485、CEWay-Ⅲ等。隨著載波通訊技術的進一步成熟，CEBus將在儀器儀表、家庭自動化、智能樓宇建設、智能小區建設以及工業廠區建設中得到更為廣泛的應用。但由于CEBus接口技術比較復雜，價錢非常昂貴，因此CEBus在中國的應用也不多見。

4.小結

隨著信息技術的高速發展，智能家居技術越來越受到人們的關注，是現代網絡技術研究的重點之一，而利用總線技術來實現智能家居又是智能家居技術發展的重要方向。文章中介紹的幾種主流總線技術都有各自的特點，就本項目而言，LonWorks網絡是一個不錯的選擇，是我們以后研究的重點方向之一。

參考文獻

[3]張振川,孫琳琳.基于CEBus的家庭局域網絡物理層研究[J].計算機工程與設計,2004(25)2.

[4]婁嘉駿,吳明光.基于消費總線的嵌入式家庭網關的設計[J].浙江大學學報(工學版),2004(38)4.

第3篇

音頻分析技術

廣義上的動物健康可分為生理健康及情緒健康，音頻分析技術一般都是針對患有呼吸道疾病的動物咳嗽聲處理實現生理健康監測。為此應首先提取患病動物咳嗽聲特征，Ferrari等[8-9]通過臨床檢查篩選染病豬并采集其咳嗽聲，與檸檬酸誘發的健康豬咳嗽聲對比發現染病豬咳嗽音頻的標準化壓力均方差及峰值頻率均值均低于健康豬，而染病豬咳嗽持續時間及咳嗽頻率則高于健康豬。針對染病豬咳嗽音頻特征參數構建參考模板，將日常生產中利用定向麥克風采集到的豬咳嗽聲與該參考模板做模式匹配，可以實現呼吸道疾病疑似病豬智能識別。在圈舍群養的豬飼養方式下，很難實現豬個體咳嗽聲的采集，可將圈設定為監測對象，使用麥克風陣列定位具備病豬咳嗽音頻特征的咳嗽聲[10]，將出現病豬咳嗽聲頻率高的圈設定為高危圈，養殖人員重點關注高危區內動物健康狀況，及早隔離確診病例，這不僅有效降低了人工勞動強度，而且提高了患病豬識別效率，降低了規模化養殖場由于動物疾病帶來的經濟損失。動物情緒健康更多是動物福利關注的問題，目前音頻分析技術主要用于提取動物在恐懼、孤獨、焦慮等不良情緒下的叫聲特征，在此基礎上可實現動物情緒健康的無損監測。Jahns[11]針對已知的牛饑餓和叫聲信號提取出先驗特征矩陣及其參考模式，利用模式匹配方法識別牛只日常叫聲中所蘊含的饑餓及信息。Ikeda等[12]利用線性判別分析方法處理聲音信號的頻譜結構變化特征，進而智能識別母牛饑餓以及與仔牛分隔而產生的兩種焦慮狀態。豬的情緒健康水準評價研究目前鮮見報道，限位欄飼養母豬和剪牙斷尾仔豬的情緒健康問題最值得關注。

以仔豬為例，為了驗證剪牙斷尾過程會引起仔豬極強的恐懼情緒，可設計獨立的仔豬叫聲采集室，人為制造令其恐懼的突變環境，采集其叫聲音頻并提取音頻特征構建參考模板，與剪牙斷尾時采集的仔豬叫聲做模式匹配，實現仔豬恐懼情緒的智能識別。動物采食、飲水、排泄行為異常可用于預測其健康異常，因此這三大行為是畜牧養殖從業人員最為關注的動物行為。及時監測到動物行為模式的突變有利于及早發現疑似發病個體，降低經濟損失。音頻分析技術目前主要用于牧場放養的牛羊采食行為監測，這種飼養方式下牛羊活動范圍廣，人工觀察方式及機器視覺技術難以監測它們的采食行為。但是牛羊采食主要有咬斷及咀嚼草料兩種動作，而實際采食量可由咬斷草料的次數來判定，因此可通過咬斷、咀嚼草料兩種動作的不同音頻特征識別牛羊采食過程中咬斷草料的次數，進而實現采食量的智能監測[6-7]。難以實時、準確掌握養殖動物需求是目前畜牧養殖業面臨的挑戰之一，而動物叫聲是其生理、情緒健康狀況的外在表現，準確掌握動物叫聲含義有利于養殖人員根據動物自身需求開展養殖工作。動物叫聲音頻分析的首要目標是針對大量已知含義的動物叫聲音頻提取特征參數，不斷擴充動物叫聲音頻分析模式庫，這是研發動物叫聲含義智能識別系統的基礎。另外，動物叫聲含義分析對音頻質量要求高，如何有效降低圈養動物叫聲間的相互干擾及環境噪聲的影響以實現音頻高質量地實時采集，是后續研究中需要解決的問題。

機器視覺技術

在畜牧養殖領域，動物行為與動物健康狀況、生存舒適度密切相關，利用動物行為自動分析動物健康及舒適度狀況相比人工經驗觀察而言結果更加客觀。隨著機器視覺技術在數字化農業領域的廣泛應用，近年來，研究人員開始涉足基于動物視頻自動分析動物行為及動物生存舒適度的研究領域[13]。行為模型是核心，該模塊從動物形體姿態特征、行為間內在聯系以及行為與環境間聯系三個方面針對動物行為進行定義、表示和建模。視頻流是動物行為分析的信息源，目前一般是在養殖舍頂部架設連接PC的攝像機實現視頻流信息采集[14-17]，而關注動物腿部運動姿態的研究一般會單獨構建規則通道，側方位架設攝像機，在動物經過通道時采集其運動視頻[18]。運動目標分割步驟從視頻流原始圖像中分割出監測對象，特征提取步驟主要工作是提取足夠的動物形體特征，以區分不同的動物行為，這些形體特征包括位置、姿態、運動速度、輪廓等等信息，該步驟首先需要解決視頻序列中研究目標的檢測與跟蹤問題。目前針對群養豬個體跟蹤的最新方法能夠準確識別、跟蹤3頭豬長達8min，為豬只行為特征提取奠定了良好的基礎[14]。行為特征提取的目的是區分不同的動物基本行為，所謂基本行為是指諸如休息、探究、采食等能夠持續一定時間的獨立行為。臨產母牛的站立、躺臥、攝食等基本行為可用于預測母牛分娩時間，Canger等[15]研究了這些基本行為對應的主軸線方向、臀圍長度、體型寬長比、背部面積等圖像特征，實現了基本行為的自動識別，該研究成果使得設計一種基于母牛行為的人工助產自動預警系統成為可能。

復雜行為由一個或多個具有時空關聯的基本行為組成，復雜行為分析也可稱為動物行為模式分析，其主要工作是挖掘動物基本行為間或基本行為與環境間的內在聯系。Shao等[16]針對群養豬睡眠時的紅外圖像選取圖像不變矩、背景前景像素轉換頻率以及豬群緊密程度作為特征向量，使用最小歐幾里德距離方法區分環境溫度寒冷與舒適兩種狀況下豬的睡眠姿態。基于此，養殖人員可根據動物睡眠姿態判斷其環境溫度舒適度，實現養殖環境參數的按需調節，該研究對探索環境因子對豬生長的影響也具有重要的學術意義和實用價值。動物行為模式是發現動物反常行為的基礎，而反常行為是動物個體出現健康異常或環境發生突變的外在表現。動物反常行為的及時發現可用于動物疾病或環境調節預警。朱偉興等[17]利用安裝于豬舍排泄區的嵌入式監控設備對群養豬的排泄行為進行24h監控，對于單日排泄次數超過系統閾值的豬只，認定其排泄行為出現異常。Song等[18]將牛行走過程中同側前后蹄接觸地面中心點間距離定義為形跡重疊參數Δ，并挖掘出健康牛行走行為模式：行進過程中Δ值小于或等于0。將行進過程中Δ>0的牛只認定為患有跛腿殘疾。僅從畜牧信息的無損監測角度而言，基于機器視覺技術的動物行為監測是目前最好的方法，這種技術以無接觸方式記錄動物行為信息，對動物活動沒有任何影響。但是該方法的技術實現難度較大，受現場光照條件影響大，攝像機視距、拍攝范圍有限，一般只能監測圈養動物信息。后續研究中除了需要針對動物行為進行更精確的行為建模外，還需要解決養殖動物個體識別與跟蹤的問題，以豬行為監測為例，目前最新研究進展能夠準確識別、跟蹤3頭豬8min時間[14]。而中國群養豬的單欄養殖密度一般都大于3頭/欄，仔豬單欄養殖密度則更高，在這種應用場景下，如何在大通量的視頻信息中識別跟蹤某一行為異常的個體是后續研究需要重點解決的問題。#p#分頁標題#e#

無線傳感器網絡技術

無線傳感器網絡是由部署在監測區域內眾多的微型傳感器節點組成，通過無線通信方式形成的一個自組織無線網絡系統，可用于監測復雜多變的環境條件，如溫度、濕度、噪聲等級等，也可監測節點附著對象的運動特征，如速度、加速度、運動方向等[19]。無線傳感器網絡豐富的傳感器資源使其在畜牧信息監測應用中具有得天獨厚的優勢，無線通信方式不僅解決了養殖現場布線困難的問題，而且使得網絡節點可以穿戴在養殖動物軀體上，能夠滿足動物行為、體征等參數信息監測的連續性和實時性要求。適宜的養殖環境可以充分發揮養殖動物的生產潛力，增強動物抵抗力，減少疾病的發生，繼而提高畜牧業的生產效益[20]，同時，良好的環境也是動物福利的要求。畜牧生產中重點關注的養殖環境指標主要有溫濕度、光照強度及有害氣體濃度。利用無線傳感器監測養殖環境指標信息主要有以下3個挑戰：一是于節點監測范圍受限，單個節點監測結果不能客觀反映整個養殖舍環境信息；二是養殖舍內多種氣體傳感器存在交叉敏感的問題；三是實際生產中需經常沖洗圈舍，網絡節點不能布署于舍內較低的位置，這就帶來節點無法測得動物高度層的實際環境信息的不足。針對第一個問題，滕翠鳳等[21]提出采用自適應加權融合算法融合同類傳感器組的多源數據，利用D-S證據推理理論融合溫度濕度和光照度環境參數，提高了環境監測的精確度。針對第二個問題，俞守華等[22]利用小波變換提取氣體信號動態反應過程的局部特征，利用遺傳算法對小波系數特征值進行篩選，降低特征維數并簡化神經網絡結構，進而提高基于BP神經網絡的有害氣體定性測定準確率。對于第三個問題，可將養殖舍內環境看作一個場，研究養殖舍溫濕度場、氣體濃度場，挖掘出不同高度層的環境參數的關系模型，實際布署網絡時將節點布署于養殖舍頂部，根據頂部環境指標結合不同高度環境參數關系模型，得到養殖動物所處高度層的實際環境信息。無線傳感器網絡監測的環境參數可通過3G網絡[23]或其它無線通信方式由基站（或網關節點）發送到服務器端。對于采集到的環境參數目前主要有兩種處理方案：一種是當養殖環境監測值超過系統設定閾值時由服務器自動向管理人員或養殖人員報警[1]；第二種是由服務器自動控制養殖場環境調控設備，這種處理方案中控制算法設計是關鍵，目前主要采用的是模糊控制算法[22,24]。綜合運用養殖環境監測與反饋調節技術，可以設計完整的養殖舍環境監控系統[25]，為養殖動物創造良好的生存環境。

目前利用無線傳感器網絡監測的動物個體信息主要包括動物生理指標（體溫、心率等）信息及行為（休息、散步、快走等）信息兩類，其一般流程如圖3所示，流程中首先需要解決的問題是設計適合動物穿戴的高效、耐用的傳感器及相應的節點。心率和體溫是傳統意義上的動物生理健康狀況重要指標，Eigenberg等[26]分別針對牛和豬設計了體溫和呼吸頻率傳感器。Martinez等[27]與Warren等[28]設計了一種能安置在瘤胃上的藥丸式心電圖節點來自動測量牛的心率，但該節點存在射頻信號受動物脂肪組織影響而衰減嚴重的問題，Hoskins等[29]針對這一問題設計了一種電感鏈路用以將體內節點監測的數據發送到體外數據接收器。在行為監測方面，研究人員提出利用三軸加速度傳感器監測養殖動物運動過程中的三向加速度值并基于此對動物行為進行分類[30-34]。Brehme等[35]在已經投入實際應用的電子計步器基礎上擴展環境溫度傳感器、位置信息傳感器，設計了一款綜合記錄動物生理、行為信息的傳感器節點，并將該節點應用于奶牛周期監測。為了防止動物運動對傳感器節點帶來的破壞，需要將監測節點合理固定在動物軀體上，利用動物項圈在動物頸部固定節點是目前最常用的方法[36-38]，但對于有特殊監測目標的節點而言，應靈活調整固定位置。Watanabe等[39]將三軸加速度傳感器固定在牛的下顎部以監測其下顎運動特征，進而分析牛咬斷、咀嚼草料以及休息3種行為。Robert等[31]將三軸加速度傳感器固定于牛腳踝處以實現遠程監測牛行走、站立和躺臥等行為。Warren等[28]為監測牛心率參數將傳感器節點通過手術固定在牛瘤胃上。附屬于動物軀體的傳感器節點按設定時間間隔監測動物體溫、心率、肢體運動三軸加速度等參數，將監測數據無線發送到數據收集器（如基站或網關節點）的方法目前主要有兩類：第一類是節點將監測數據緩存于存儲器，當動物活動到數據接收器（一般置于動物飲水器或食槽上）附近時，將緩存的監測數據無線發送到數據接收器[31,40-41]；第二類是設計無線傳感器網絡數據路由協議，利用節點轉發監測數據到數據收集器，這些路由協議需重點解決節點移動帶來的網絡拓撲實時動態變化的問題[36]。

對于傳感器網絡監測到的動物生理指標參數信息，可設計養殖專家知識庫自動分析生理指標所蘊含的動物健康狀況，并針對健康異常個體發出報警。對于監測到的動物行為數據，需要研究相應的動物行為模型以實現行為自動分類，動物行為模型主要解決傳感器數據與行為類型之間的關聯問題。目前針對三軸加速度值的行為建模主要采用的數學方法有動態線性模型、爾曼濾波[32-34]、K-均值聚類算法[42]及支持向量機[43]。動物行為模型是分析動物運動能力特征的基礎，可為母豬、奶牛的初步鑒定提供判定依據[32,34,44]。目前已經投入實際使用的傳感器節點大多針對生產環境相對規范穩定的工業現場設計，但是畜牧業生產環境復雜，有些應用場合甚至具有高溫高濕的特點，而且在動物個體信息監測應用中，需要將節點固定在養殖動物軀體上，在動物躺臥甚至相互爭斗時都可能破壞傳感器節點。因此，畜牧業中應用的傳感器節點應該具備比工業生產現場更好的抗高溫抗高濕及抗損壞性能，然而畜牧業生產特點決定了其使用的傳感器節點不能代價高昂。高性能、高穩定性、低成本間的矛盾是無線傳感器網絡在畜牧業中應用需要重點解決的問題。

RFID技術

隨著物聯網技術的興起，RFID技術在畜牧業中得到廣泛應用[45-47]。RFID是一種非接觸式的自動識別技術[48]，具有數據儲存量大、可讀寫、環境適應性好等特點，可以實現多目標識別[49]。RFID產品成本低，在畜牧養殖中應用在經濟上具備可行性[50]。目前在動物行為監測研究領域一般將被動RFID標簽以耳標形式固定在動物體上，當動物出現在讀寫器磁場范圍內時，其耳標接受讀寫器射頻信號，憑借感應電流所獲得的能量向讀寫器發送芯片中存儲的標識信息，讀寫器根據獲取的耳標號識別出位于其讀寫范圍內的動物個體。一個完整的RFID系統由電子標簽、讀寫器和天線三部分構成，電子標簽一般以耳標形式固定在動物耳朵上，讀寫器的位置需要根據不同的監測目標靈活設置。如Reiners等[51]為監測仔豬采食行為，將RFID讀寫器及天線安裝在仔豬喂料器上；鐘芳葵[52]為監測群養母豬的采食行為將RFID讀寫器安裝在母豬食槽上；Ostersen等[53]為了監測母豬與公豬的親近行為，將RFID讀寫器安裝在公豬欄上的接觸窗口上，記錄通過接觸窗口親近公豬的母豬耳標值、親近行為開始時間、結束時間，然后利用動態線形模型分析親近行為頻率和時長，實現母豬的自動鑒定。將電子耳標出現在讀寫器讀寫范圍內認定為一次行為發生的做法對于僅關注行為頻率的監測目標而言是可行的[51-52]，但對于動物個體采食量、飲水量的監測目標，則需要擴展秤重、流量監測等功能，才能實現動物行為信息的準確監測。Tu等[54]設計了一套由RFID模塊、電子地磅模塊及通信模塊構成的實時、遠程監測火雞采食行為的自動化系統，自動記錄采食火雞標簽號，采食前后體重變化情況，為選擇食物轉化效率高的優良品種提供參考，同時也為群養火雞個體行為分析提供了有力工具。RFID技術配合水流量計可以實現群養母豬個體飲水行為遠程監測的目標，改造母豬飲水點，確保一次只有一頭母豬接近飲水器。將RFID讀寫器安裝在飲水器上方，記錄飲水母豬個體耳標號，利用嵌入式系統技術處理水流量計輸出信號得到群養母豬個體的飲水頻率及飲水量信息，飲水行為的實時監測有利于及時發現飲水模式的突變，為母豬健康評判提供參考依據。#p#分頁標題#e#