畜禽舍環(huán)境數(shù)據(jù)的采集與質(zhì)量控制研究

王猛 閆慶新

摘要：畜禽養(yǎng)殖場舍內(nèi)環(huán)境復(fù)雜，為便于后期使用數(shù)據(jù)時(shí)更具準(zhǔn)確性，前期的采集和質(zhì)量控制尤其重要。為解決這個(gè)問題，從數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)質(zhì)量管理和數(shù)據(jù)融合三個(gè)方面進(jìn)行控制，通過多源無線傳感器網(wǎng)絡(luò)采集溫度、濕度、不同成分氣體濃度等各個(gè)參數(shù)的數(shù)據(jù)，為進(jìn)一步的分析環(huán)境各要素對舍內(nèi)環(huán)境小氣候的影響奠定數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：數(shù)據(jù)清洗;數(shù)據(jù)融合;自適應(yīng)加權(quán)算法

中圖分類號(hào)：TP315

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2020）05-0246-02

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

畜禽養(yǎng)殖中，養(yǎng)殖舍的環(huán)境數(shù)據(jù)是動(dòng)物生長監(jiān)測的重要內(nèi)容之一。傳統(tǒng)上，數(shù)據(jù)采集依靠人工，操作工人根據(jù)此信息做出調(diào)節(jié)養(yǎng)殖舍小氣候的動(dòng)作。這種方式需要人工值守效率低。現(xiàn)代自動(dòng)化的方法是利用傳感器與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)自動(dòng)采集數(shù)據(jù)，并根據(jù)采集的環(huán)境數(shù)據(jù)自動(dòng)做出干預(yù)環(huán)境的動(dòng)作，如報(bào)警、開啟風(fēng)機(jī)通風(fēng)、開啟溫濕度設(shè)備等等。但是由于養(yǎng)殖舍環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)多樣，環(huán)境復(fù)雜，采集到的數(shù)據(jù)有可能丟失或者出現(xiàn)錯(cuò)誤，導(dǎo)致不能進(jìn)行科學(xué)的處理，引起設(shè)備的錯(cuò)誤報(bào)警或操作，這背離了自動(dòng)調(diào)整達(dá)到適合畜禽生長需要的初衷。本文考量采集設(shè)備合理分布和有效采集，從以下幾個(gè)方面對數(shù)據(jù)質(zhì)量控制進(jìn)行研究。

1 數(shù)據(jù)采集

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在各行各業(yè)中的廣泛應(yīng)用，也給傳統(tǒng)養(yǎng)殖行業(yè)帶來了新技術(shù)和新理念。傳感器、嵌入式計(jì)算與分布式信息處理等技術(shù)的協(xié)作，可以實(shí)現(xiàn)對畜禽舍內(nèi)環(huán)境的實(shí)時(shí)監(jiān)測，感知環(huán)境狀態(tài)并采集環(huán)境數(shù)據(jù)，進(jìn)一步傳送給用戶，為用戶實(shí)時(shí)掌控養(yǎng)殖過程提供技術(shù)支持和決策依據(jù)。實(shí)現(xiàn)智慧養(yǎng)殖的第一步是自動(dòng)化的數(shù)據(jù)采集，最常用的技術(shù)就是無線傳感器技術(shù)。無線傳感器通信技術(shù)中，ZigBee通信技術(shù)發(fā)展最為迅速，廣泛應(yīng)用于精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)、智慧牧場等多個(gè)系統(tǒng)和領(lǐng)域。ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)具有如下優(yōu)點(diǎn)：

（1）自動(dòng)組網(wǎng)，網(wǎng)絡(luò)容量大，ZigBee網(wǎng)絡(luò)最多可容納65000個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，并且任何網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)之間都可以進(jìn)行通信。（2）模塊功耗小，兩節(jié)5號(hào)干電池可以支撐一個(gè)節(jié)點(diǎn)使用180-730天的時(shí)間，免去有線供電、充電和頻繁更換電池的麻煩。（3）成本低，由于協(xié)議簡單，工作在全球免費(fèi)頻段，僅需先期的模塊費(fèi)用。 養(yǎng)殖舍內(nèi)環(huán)境參數(shù)傳遞時(shí)數(shù)據(jù)量比較小，ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)在畜禽環(huán)境參數(shù)監(jiān)測中非常實(shí)用，因此采取基于物聯(lián)網(wǎng)的Zig-Bee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)采集養(yǎng)殖舍里的各個(gè)環(huán)境參數(shù)。

2 數(shù)據(jù)質(zhì)量管理

2.1 數(shù)據(jù)清洗

數(shù)據(jù)清洗，顧名思義就是對數(shù)據(jù)進(jìn)行凈化。通過重新審查和校驗(yàn)，刪除重復(fù)的數(shù)據(jù)、糾正錯(cuò)誤數(shù)據(jù)，保證數(shù)據(jù)的一致性。需要清洗的數(shù)據(jù)的主要類型：

（1）缺數(shù)據(jù)

引起這類問題的主要原因是：缺失了一些應(yīng)該有的基本信息。這類數(shù)據(jù)經(jīng)過過濾后，將缺失的內(nèi)容補(bǔ)充到文件并提交給客戶，并重新寫人數(shù)據(jù)庫即可。

（2）誤數(shù)據(jù)

業(yè)務(wù)系統(tǒng)不健全和工作人員操作不規(guī)范，往往是產(chǎn)生的原因。比如對輸入數(shù)據(jù)沒有經(jīng)過判斷和校驗(yàn)直接寫入數(shù)據(jù)庫造成的。這一類錯(cuò)誤數(shù)據(jù)可以進(jìn)一步細(xì)化，比如全角字符錯(cuò)用問題、不可見字符問題等等。檢測處理這種錯(cuò)誤常用的一種方法是在數(shù)據(jù)庫中運(yùn)行soL語句。

（3）重復(fù)數(shù)據(jù)

對這一類的數(shù)據(jù)清理是最復(fù)雜的，比如二維表中出現(xiàn)重復(fù)記錄或者重復(fù)字段。為了避免重要的數(shù)據(jù)遺失，數(shù)據(jù)過濾之前，要求客戶進(jìn)行備份，需要過濾掉的數(shù)據(jù)，也不是直接丟棄，而是寫入文件存檔。為了保證數(shù)據(jù)的完整性和數(shù)據(jù)清洗的效率，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)清理的人員要和相關(guān)的單位負(fù)責(zé)人保持密切聯(lián)系，及時(shí)進(jìn)行溝通和確認(rèn)。

數(shù)據(jù)經(jīng)過清洗才能保證數(shù)據(jù)的正確性，去除冗余的數(shù)據(jù)有利于數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)，節(jié)省存儲(chǔ)開銷，提高效益。

2.2 數(shù)據(jù)修復(fù)

針對畜禽舍內(nèi)環(huán)境數(shù)據(jù)缺失的修復(fù)處理，如果數(shù)據(jù)前后時(shí)間間隔不大，采用線性插值法。

式（l）中，xsub>k_{和xsub>k+j分別為已知k時(shí)刻和k+j時(shí)刻監(jiān)測得到的畜禽舍內(nèi)環(huán)境參數(shù)值，xsub>k+i為第k+i時(shí)刻缺失的畜禽環(huán)境參數(shù)值。如果丟失數(shù)據(jù)比較多或者前后間隔的時(shí)間比較大，則需要為缺失數(shù)據(jù)確定替補(bǔ)值，填補(bǔ)到缺失數(shù)據(jù)的位置上。新數(shù)據(jù)填補(bǔ)后，要盡可能地減少數(shù)據(jù)缺損造成的計(jì)算量偏差，因此填補(bǔ)值要盡可能地接近缺失的原始數(shù)據(jù)值。針對畜禽舍內(nèi)環(huán)境缺失環(huán)境參數(shù)的數(shù)據(jù)的填補(bǔ)，采用氣象條件相同或者相近時(shí)，相鄰的幾天中監(jiān)測到的同時(shí)刻相鄰節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)作為填補(bǔ)值。}

畜禽舍內(nèi)養(yǎng)殖環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)具有時(shí)序性和連續(xù)性的特點(diǎn)，短時(shí)間內(nèi)監(jiān)測到前后相鄰時(shí)段數(shù)據(jù)，在正常的情況下不可能急劇發(fā)生變化。通過前后數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，如果某一時(shí)刻xk時(shí)間點(diǎn)監(jiān)測到的畜禽舍內(nèi)環(huán)境參數(shù)變化范圍嚴(yán)重偏離了前一時(shí)刻Xk-1和后一時(shí)刻Xsub>k+1_{的變化幅度，則認(rèn)為該數(shù)據(jù)有錯(cuò)誤。可采用式（2）均值平滑法進(jìn)行水平處理。}

其中υ1和υ2分別為兩個(gè)相鄰數(shù)據(jù)之間的誤差閾值。

畜禽舍內(nèi)環(huán)境監(jiān)測的數(shù)據(jù)具有周期性，在不同日期，在氣象條件狀況相似的，前后幾天應(yīng)具有相似的參數(shù)變化趨勢。相鄰日期的同一時(shí)刻監(jiān)測到的參數(shù)值，應(yīng)該穩(wěn)定的維持在正常的變化范圍內(nèi)。如果某一時(shí)刻監(jiān)測到的環(huán)境數(shù)據(jù)，和其氣象條件相似的前一天、前兩天相同時(shí)刻監(jiān)測到的環(huán)境數(shù)據(jù)相差+10%范圍之外，就可以判斷為該數(shù)據(jù)為異常的數(shù)據(jù)，可采用式（3）均值法進(jìn)行垂直處理。

x（d，k）為d天k時(shí)刻的環(huán)境的數(shù)據(jù)，υ3為氣象條件相似時(shí)同一時(shí)刻數(shù)據(jù)誤差的閾值，Xk為待處理數(shù)據(jù)在氣象條件相似的近幾天同一時(shí)刻環(huán)境參數(shù)的平均值。

3 數(shù)據(jù)融合

為了獲得比較精確的環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)，養(yǎng)殖舍內(nèi)無線傳感器監(jiān)測時(shí)，采用了多傳感器（溫濕度傳感器、氨氣傳感器、二氧化碳傳感器、硫化氫傳感器）進(jìn)行監(jiān)測，同時(shí)對同類型的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，以消除二義性并解決數(shù)據(jù)的缺失及錯(cuò)誤。如表1所示，對各種數(shù)據(jù)融合技術(shù)進(jìn)行對比，確定采用加權(quán)平均法做同類數(shù)據(jù)的融合。

假設(shè)針對養(yǎng)殖舍環(huán)境各個(gè)參數(shù)監(jiān)測時(shí)各有N個(gè)無線傳感器，由于每個(gè)傳感器所處舍內(nèi)位置不同、測量精度不同，對于同一類型的傳感器的不同個(gè)體，在總的最小均方誤差達(dá)到最優(yōu)化條件下，求解最優(yōu)加權(quán)因子，使數(shù)據(jù)融合后的數(shù)值達(dá)到最優(yōu)。 假設(shè)預(yù)估計(jì)的真實(shí)值是X，相互獨(dú)立的N個(gè)無線傳感器實(shí)際顯示的值分別是X1，X2…Xn，方差分別是σ1，σ2，…σn，加權(quán)因子分別是W1，W2，...Wn。進(jìn)行數(shù)據(jù)融合后x的值應(yīng)該滿足式（4）。

計(jì)算出最優(yōu)加權(quán)的因子，進(jìn)一步根據(jù)傳感器測出的實(shí)際數(shù)值就能夠方便地計(jì)算出經(jīng)過數(shù)據(jù)融合后得到的最優(yōu)值，如式（9）。運(yùn)用自適應(yīng)加權(quán)估值算法，普遍能夠取得比平均估值算法更加突出的融合效果。

4 結(jié)束語

針對真實(shí)復(fù)雜的畜禽養(yǎng)殖場環(huán)境，通過多源無線傳感器網(wǎng)絡(luò)采集各個(gè)參數(shù)的數(shù)據(jù)，做數(shù)據(jù)清洗保證數(shù)據(jù)的完整性，然后使用自適應(yīng)加權(quán)算法，進(jìn)行特征級(jí)融合，能夠更好地保證測量數(shù)據(jù)的精度和準(zhǔn)確性，從而達(dá)到控制環(huán)境數(shù)據(jù)質(zhì)量的目的。

參考文獻(xiàn)：

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【通聯(lián)編輯：王力】

收稿日期：2019-10-17

基金項(xiàng)目：河南省科技攻關(guān)項(xiàng)目（142102210440）

作者簡介：王猛（1981-），男，河南永城人，講師，碩士，研究方向?yàn)檗r(nóng)業(yè)信息化。