一种基于声音的猪行为识别方法及系统与流程

本发明属于畜禽养殖智能化工艺及设备技术领域，特别涉及一种基于声音的猪行为识别方法及系统。

背景技术：

猪的叫声一般能够表达一定的行为信息。猪在健康、生病、饥饿、发怒、发情、妊娠等不同状态下发出的声音不尽相同。例如，猪在发烧、肺水肿或患脑膜炎时，发出低沉、短促、嘶哑的抽搐声；在咬耳、咬尾、打斗时发出尖叫声；在感冒或者患其他呼吸道疾病时发出咳嗽声；在饥饿状态下发出饿叫声。

声音识别技术具有响应快、无接触、非侵入的特点。如果能通过声音，及时发现猪的行为状态，就能够及时应对各种异常情况，实现养猪的智能化。目前，人们已开展了一些猪叫声识别的研究。

猪床是生猪养殖中猪的重要生活场所，一天中有大部分时间猪都在猪床上度过，如果能让猪床实时监测、智能感知、识别猪的发声及其行为，则有助于提高养猪的自动化、智能化水平，及时发现猪的行为异常，做出针对性地处理。目前，人们设计具有温度感知和温控功能的猪床，能够采集猪床内的温度，并通过加热、冷却系统调节温度，使猪床具有一定的智能化。但是，目前的猪床还不能有效监测和识别猪的发声信息。

针对此问题，本发明提出一种基于声音的猪行为识别方法及系统，使猪床能够感知猪的发声、识别发声所代表的行为类别，及时发现猪的异常行为，提高养猪的自动化、智能化水平。

技术实现要素：

本发明目的是提供一种基于声音的猪行为识别方法及系统，通过猪床来收集猪床本体内猪发出的声音数据，进而对猪的行为特征进行智能分析识别，帮助人们及时发现猪的异常行为，并做出针对性措施。

为解决上述技术问题本发明提供了一种基于声音的猪行为识别系统，包括依次连接的：猪床本体模块，用于猪在休息时进行躺卧，以及对猪监测的场所；音频采集模块，用于对猪床本体内猪发出的声音数据的采集；音频处理与识别模块，用于对音频数据进行收集储存，并对音频信息中猪的行为进行识别分类；音频播放模块，对收集到的音频文件和识别结果进行播放。

所述的猪床本体模块由底板、顶板、侧板、床帘构成，底板左右侧以及后侧设置有侧板，侧板上端连接有顶板，顶板的前端设置有吊帘，猪可通过吊帘进出猪床本体。

所述的音频采集模块由话筒构成，话筒采集猪床本体内猪发出的声音，并将音频文件传送给音频处理与识别模块。

所述的音频处理与识别模块由计算机硬件和软件系统构成，计算机硬件包括信号接收模块、储存硬盘、扬声器，软件系统由时间规整、加窗滤波、频域变换、行为预测功能模块构成。

所述的音频播放模块由音箱构成，音箱用来播放接收的音频文件以及预测结果。

所述的行为预测模块包括分类模型模块、离线更新模块，分类模型模块能够识别出频谱序列中猪的行为类别，离线更新模块通过更新的猪行为音频文件对分类模型进行更新。

所述的信号接收模块接收音频采集模块传送的音频文件，并将音频文件保存在储存硬盘中；扬声器对接收到的音频文件进行播放，所述的软件系统中的时间规整模块从音频信号中提取一定时长的声音片段，加窗滤波模块将时间规整模块提取的声音片段进行加窗滤波，频域变换模块将加窗滤波模块的滤波结果进行快速离散傅里叶频谱变换，得到与变换前时域信号等长的频谱序列，将频谱序列送入计算机内预设的基于发声的猪行为分类模型，行为预测模块通过分类模型对输入的声音频谱信号进行分类识别，预测出该信号的猪行为类别，并输出预测结果至音频播放模块，离线更新模块使用更新的标注数据对分类模型进行更新。

本发明还提供了一种基于声音的猪行为识别方法，包括：

s1：在猪床本体内安装话筒，话筒安装在猪不能触碰到且能够采集猪床本体内全部区域猪的声音位置，通过话筒完成对猪声音信息的采集；

s2：对采集到的音频文件进行时间规整、加窗滤波、频域变换处理，再由行为预测模块通过采集到的音频对猪的行为进行预测，并输出预测结果至音频播放模块；

s3：音频播放模块对预测结果和采集到的音频文件进行播报。

所述的步骤s2包括：

s21：信号接收模块将音频文件进行接收，同时使用扬声器进行播放音频文件，并将音频文件存放在储存硬盘中；

s22：通过软件系统中的时间规整模块从音频文件中提取一定时长的声音片段，加窗滤波模块将时间规整模块提取的声音片段进行加窗滤波；

s23：通过频域变换模块将加窗滤波模块的滤波结果进行快速离散傅里叶频谱变换，得到与变换前时域信号等长的频谱序列，然后将频谱序列送入计算机内预设的基于发声的猪行为分类模型；

s24：行为预测模块根据分类模型对输入的声音频谱信号的分类结果，预测该信号的猪行为类别，并输出预测结果至音频播放模块；

s25：离线更新模块使用更新的标注数据对分类模型进行更新。

本发明的一种基于声音的猪行为识别方法及系统，通过猪床本体内设置的话筒采集猪在猪床本体内的发声数据，并将采集到的音频存放到储存硬盘中，再将音频文件传送给软件系统，由软件系统对音频文件进行处理分析，

通过行为预测模块对音频文件的识别分类预测猪的行为，由音频播放模块对预测结果和音频文件进行播报，该发明能够实时感知猪床内猪的发声、识别发声所代表的行为类别，及时发现猪的异常行为，提高养猪的自动化、智能化水平。

附图说明

图1为本发明的一种基于声音的猪行为识别系统模块组成示意图。

图2为本发明的一种基于声音的猪行为识别系统结构示意图。

图3为本发明的一种基于声音的猪行为识别方法中的音频采集模块、音频处理与识别模块、音频播放模块之间工作流程示意图。

图4为本发明的一种基于声音的猪行为识别方法中一个从接收的音频中截取的1s时长音频片段时域波形图。

图5为本发明的一种基于声音的猪行为识别方法中对图4的一维卷积（即滤波）结果。

图6为本发明的一种基于声音的猪行为识别方法中对图5的快速傅里叶变换结果。

具体实施方式

实施例1，如图1、图2所示，一种基于声音的猪行为识别系统，包括依次连接的：猪床本体模块1，用于猪在休息时进行躺卧，以及对猪监测的场所，猪床本体模块由底板、顶板、侧板、床帘构成，底板采用20mm厚密度板，左、右、后3个侧板采用12mm厚密度板，顶板采用12mm厚度中空塑料板，底板左右侧以及后侧设置有侧板，侧板上端连接有顶板，顶板的前端设置有吊帘，吊帘优选为pvc条形吊帘，猪床本体的长、宽、高尺寸可根据实际需要定制，猪可通过吊帘进出猪床本体。音频采集模块2，用于对猪床本体内猪发出的声音数据的采集，采集的音频文件格式为wav，采样率为22050帧/秒，音频采集模块由话筒构成，话筒可以设置有多个，以保证能够完全采集到猪床本体内猪发出的声音，话筒安装位置优选为顶板下表面，话筒与计算机相连接，实时采集猪床本体内的声音，并将音频文件传送给音频处理与识别模块3。音频处理与识别模块3，用于对音频数据进行收集储存，并对音频数据中猪的行为进行识别分类；音频处理与识别模块3由计算机硬件和软件系统构成，计算机硬件包括信号接收模块、储存硬盘、扬声器，软件系统使用python编程语言和tensorflow，wave，numpy，struct，scipy，matplotlib等api开发，由时间规整、加窗滤波、频域变换、行为预测功能模块构成；行为预测模块包括分类模型模块、离线更新模块，分类模型由支持向量机构成，分类模型模块能够识别出频谱序列中猪的行为类别，离线更新模块通过更新的猪行为音频文件对分类模型进行更新。信号接收模块接收音频采集模块传送的音频文件，并将音频文件保存在储存硬盘中；扬声器对接收到的音频文件进行播放，软件系统中的时间规整模块从音频信号中提取一定时长的声音片段，加窗滤波模块将时间规整模块提取的声音片段进行加窗滤波，频域变换模块将加窗滤波模块的滤波结果进行快速离散傅里叶频谱变换，得到与变换前时域信号等长的频谱序列，将频谱序列送入计算机内预设的基于发声的猪行为分类模型，行为预测模块根据分类模型对输入的声音频谱信号进行分类识别，预测该信号的猪行为类别，并输出预测结果至音频播放模块4，音频播放模块4由音箱构成，用来播放接收的音频文件以及预测结果，离线更新模块使用更新的标注数据对分类模型进行更新。

实施例2，如图3—6所示一种收集、分析猪的发声行为的方法，其特征在于，包括：

s1：在猪床本体内安装话筒，话筒安装在猪不能触碰到的位置，话筒可以设置多个以保证能够采集猪床本体内全部区域猪的声音，话筒安装位置优选为猪床本体的顶板上，这样可以保证猪床本体内猪发出的声音能够清晰地被采集到，通过话筒完成对猪声音信息的采集，话筒24小时连续采集猪床本体内的声音，采集的音频格式为wav，采样率为22050帧/秒，并实时将采集到的音频文件传送给计算机硬件；

s2：对采集到的音频文件进行时间规整、加窗滤波、频域变换处理，再由行为预测模块通过采集到的音频对猪的行为进行预测，并输出预测结果至音频播放模块；

s3：音频播放模块由音箱组成，将行为预测模块预测的结果，以及采集到的音频文件进行播报。

所述的步骤s2包括：

s21：信号接收模块将音频采集模块采集到的音频文件进行接收，同时使用扬声器进行播放音频文件，并将音频文件存放在储存硬盘中；

s22：通过软件系统中的时间规整模块从音频文件中提取1s时长的音频片段，其一个音频片段的时域波形如图4所示，加窗滤波模块将时间规整模块提取的声音片段进行加窗滤波，使用窗函数对提取的音频片段进行1维卷积，即滑动滤波，滤波器窗口宽度为220帧（20ms时长），步长为110帧（10ms时长），窗函数采用取平均值，得到一个数值序列，对图4的滤波结果如图5所示；

s23：通过频域变换模块将加窗滤波模块的滤波结果进行快速离散傅里叶频谱变换，得到一个频谱序列，该频谱序列与上一步的滤波结果等长，且与下一步分类模型要求的输入等长，对图4的滤波结果的快速傅里叶变换如图5所示，然后将频谱序列送入计算机内预设的基于发声的猪行为分类模型，该分类模型为支持向量机分类模型，采用线性核函数，输入的特征数量为100，输出为0或1或2（例如：0代表咳嗽，1代表打呼噜，2代表惊叫）；

s24：行为预测模块根据分类模型对输入的声音频谱信号的分类结果，预测该信号的猪行为类别，并输出预测结果至音频播放模块；

s25：离线更新模块使用更新的标注数据对分类模型进行更新。

本发明的一种基于声音的猪行为识别方法及系统，通过猪床本体内设置的话筒采集猪在猪床本体内发出的音频信号，并将采集到的音频文件存放到储存硬盘中，对采集到的音频文件进行时间规整、加窗滤波、频域变换处理，再由行为预测模块通过采集到的音频对猪的行为进行预测，并输出预测结果至音频播放模块，音频播放模块对预测结果和音频文件进行播报，设计离线更新模块使用更新的标注数据对分类模型进行更新，使分类模型能够及时的更新完善，使行为预测模块能够更加及时准确地根据猪的发声识别出猪的行为，该发明使猪床能够感知猪的发声，识别发声所代表的猪的行为类别，及时发现猪的异常行为，如打架、生病等，提醒管理人员及时采取针对性的干预措施，提高了养猪的自动化、智能化水平。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用以限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。