CN102521400B - 畜禽养殖过程海量数据自动处理方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明是一种畜禽养殖过程海量数据自动处理方法及系统，该系统包括：采集模块，其包括：环境变量采集模块和图像音频同步采集模块，分别用于采集环境变量数据和图像音频数据；数据处理/存储模块，其包括：数据库和文件系统，用于对所述采集模块采集的数据进行处理并存储；数据同步还原模块，用于对所述数据处理/存储模块进行同步数据调度；查询及展示模块，用于接受用户查询某一时刻或时间段的数据的请求，并提交给所述数据同步还原模块；所述数据同步还原模块返回结果后，供用户查看。本发明既可同步采集和保存各类数据，又可减少存储空间、降低存储成本、加速查询速度和同步还原及展示多源信息。
Description
技术领域
本发明属于计算机数字技术在设施农业中的应用领域，具体涉及一种畜禽养殖过程海量数据自动处理方法及系统。
背景技术
现代畜禽生产不再只局限于以经济利益为目标，针对动物健康和福利、食品安全和质量、畜牧业可持续发展、畜牧业对环境影响等方面的研究及关注度正在不断提高。在肉类需求不断增长的情况下，畜禽饲养过程中如何确保动物福利，减少环境影响，生产出安全的畜禽产品是当前畜禽生产的研究热点。
然而，目前畜禽养殖过程存在如下几个问题：依靠专家观察畜禽行为进行动物福利评价所需成本高，且因观察时间短，具有主观性，所以不同专家的结论可能会不同；辨别和避免饲养风险的解决方案需要庞大生产数据的支撑，但数据的收集几乎是依赖于手工方式，手工收集数据已无法适应大规模商业养殖的需求；目前较为普及的视频自动监控方案只解决了实时监控的目的，但无法提供多年的历史数据及自动的溯源查询功能；畜禽的福利状态会通过体态行为(图像)和音频信息体现，二者具有同步相关性，但长期视频存储成本太高。同时，一天中畜禽的活动频繁度是与它的饲养工艺相关的，例如蛋鸡在进食时最活跃，而在夜间几乎没动静，采集频率需随之而变化，传统的不间断采集方式不仅浪费存储空间，而且对后续的数据处理，数据查询造成麻烦。
发明内容
(一)要解决的技术问题
为解决以上问题，本发明针对畜禽养殖过程的海量生产数据：包括环境信息、图像信息、音频信息，提供一种畜禽养殖过程海量数据自动处理方法及系统，既可同步采集和保存各类数据，又可减少存储空间、降低存储成本、加速查询速度和同步还原及展示多源信息。本发明还可为将来进一步的畜禽行为识别及数据挖掘提供数据支撑，也可作为畜禽生产监测与产品质量可追溯平台的补充，进一步提高安全生产的可信度。
(二)技术方案
为了解决上述技术问题，本发明提供一种畜禽养殖过程海量数据自动处理系统，包括：
采集模块，其包括：环境变量采集模块和图像音频同步采集模块，分别用于采集环境变量数据和图像音频数据；
数据处理/存储模块，用于对所述采集模块采集的数据进行处理并存储，其包括：数据库和文件系统；
数据同步还原模块，用于对所述数据处理/存储模块进行同步数据调度；
查询及展示模块，用于接受用户查询某一时刻或时间段的数据的请求，并提交给所述数据同步还原模块；所述数据同步还原模块返回结果后，供用户查看。
优选地，所述环境变量采集模块定期自动采集包括温度、湿度、二氧化碳、氨气、风速及光照传感器的数据，以采集时间为索引存入数据库。
优选地，所述图像音频同步采集模块获取的图像及音频数据压缩处理后以媒体文件形式存储到文件系统，且相关描述信息被同步存储到数据库中。
优选地，所述图像音频同步采集模块采用分时变频的采集模式，图像音频的采集频率随畜禽活动频繁度变化。
优选地，音频连续采集，图像间隔抓拍，音频和图像压缩后有序分开保存。
优选地，采集阶段，在连续采集音频的同时，每隔2秒抓拍一张图片，进一步大幅度地缩减所需的存储空间。
优选地，每次采集的音频和图像数据文件以时间戳命名，压缩后被分别保存到文件系统对应存储路径。
优选地，夜间21点至凌晨5点每1小时采集1分钟；白天在关键活动时间点每1分钟采集20秒数据；白天非关键时间点每10分钟采集1分钟数据。
优选地，所述查询及展示模块为web查询及展示模块，能够通过时间同步查询及展示各个采集时刻和时间段内音频、图像和环境参数。
本发明还提供一种利用上述的系统的畜禽养殖过程海量数据自动处理方法，包括步骤：
S1：生产时间戳；
S2：采集模块初始化；
S3：同步采集音视频数据；
S4：判断定时器线程时间是否到；若是，则生成视频文件并关闭采集模块，否则回到步骤S3；
S5：对视频文件中的音频文件压缩保存，并间隔抽取图像压缩保存；
S6：生产同步播放音频和视频所需xml文档；
S7：采集记录写入数据库；
S8：删除视频文件。
(三)有益效果
1、所采用的数据库与文件系统有机结合的存储模式加快了海量数据同步检索的速度。系统将环境信息及媒体采集的索引信息保存到数据库，而音频和图像数据则被有规律地以文件形式保存，既利用了数据库处理结构化数据的优势，又兼顾了文件系统处理非结构化音视频数据的优势。
2、实现了一种经济可行的可溯源海量数据自动处理系统，所提出的分时变频的采集模式既可同步保存畜禽养殖过程的关键数据，又可极大节省存储空间和降低存储成本。
3、实现通过时间戳同步检索多源数据的接口，实现了各个采集时间段内音频、图像和环境参数的web同步查询及展示。
附图说明
图1为本发明系统一个实施例的示意图；
图2为本发明方法的流程图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不是限制本发明的范围。
数据自动采集是畜禽养殖过程海量数据自动处理系统的首要环节，是数据处理、存储和同步还原、同步播放的基础；溯源查询结果准确与否取决于所采集的数据能否同步；采集数据存储模式及同步还原方法决定了海量数据搜索的速度，也影响用户的查询体验。以上几点即为自动处理系统的关键技术。
软件部分的算法、协议、框架的具体实现选用Java语言开发，从而保证系统可跨平台，增加稳定性和规范性。
1、系统组成方案
如图1所示，本发明所述的畜禽养殖过程海量数据自动处理系统，包括：采集模块，其包括：环境变量采集模块和图像音频同步采集模块，分别用于采集环境变量数据和图像音频数据；数据处理/存储模块，用于对所述采集模块采集的数据进行处理并存储，其包括：数据库和文件系统；数据同步还原模块，用于对所述数据处理/存储模块进行同步数据调度；查询及展示模块，用于接受用户查询某一时刻或时间段的数据的请求，并提交给所述数据同步还原模块；所述数据同步还原模块返回结果后，供用户查看。其中查询及展示模块采用web查询及展示模块。
环境变量采集模块定期自动采集包括温度、湿度、二氧化碳、氨气、风速、光照等传感器的数据，以采集时间为索引存入数据库；本研究基于使图像及音频信息采集与具体硬件平台无关的想法，因而未使用摄像机的SDK开发包，而是选取了具有先进媒体处理能力的Java媒体框架(Java Media Framework，JMF)作为主要的模型来构建系统对媒体数据的获取；获取的图像及音频数据压缩处理后以媒体文件形式存储，且相关描述信息被同步存储到数据库中；web查询及展示模块接受用户查询某一日期(或时刻)生产数据信息的请求，并提交给同步还原模块；同步还原模块响应查询请求，对数据处理及存储模块进行同步数据调度，并把结果返回，供用户web方式查看。
2、图像和音频采集及压缩方案
在畜禽的整个养殖周期，不做任何处理地直接保留所有的录像信息可行性不高：(1)所需存储空间大，存储资金成本高；(2)同一天的不同时段，畜禽活动频繁度差异显著。例如畜禽在夜间很平静，而在白天的进食阶段活动频繁，一天24小时不间断的录制没有必要；(3)媒体文件太大会导致查询不方便，网络访问速度慢。长时间录制一个视频文件，中间出现故障导致视频数据损坏或丢失概率也会升高。
基于以上分析，本系统采取如下采集方案：
(1)采用分时变频的采集模式，音频图像的采集频率随畜禽活动频繁度变化。夜间21点至凌晨5点每1小时采集1分钟；白天在关键活动时间点(畜禽的关键频繁活动时间与具体养殖工艺相关，例如喂料时间，早上开灯时间等)每1分钟采集20秒数据(共计2小时)；白天非关键时间点每10分钟采集1分钟数据。
(2)音频连续采集，图像间隔抓拍，音频和图像压缩后有序分开保存。采集阶段，在连续录制声音的同时，每隔2秒抓拍一张图片，进一步大幅度地缩减所需的存储空间。每次采集的数据文件以时间戳命名，合理压缩后被分别保存到文件服务器对应存储路径。
(3)选择合适的音频和图像文件的压缩技术及压缩率。为了能在web上流畅地播放采集的图像和音频文件，节省存储空间，媒体文件必须要足够小，但是，压缩后的图像和音频品质也必须要达到进一步的动物行为识别研究需求。本研究选取了目前网络上主流和高效的压缩算法。
音频压缩技术选定MP3(MPEG Audio Layer3)，它能够在音质丢失很小的情况下把声音文件压缩到更小的程度，且还非常好地保持了原来的音质，正是因为体积小、音质高的特点使得MP3成了网上音乐的代名词。图像压缩标准选定了JPEG(Joint Photographic ExpertsGroup)，它用有损压缩方式去除冗余的图像数据，在获得极高的压缩率的同时能展现丰富生动的图像，它虽然损失了图像的一部分高频谱线，但绝大部分有用信息会被保存下来。
假设设置的JMF视频采集参数如下：分辨率为640x480，使用RGB模式，24-bit的编码格式，抽取并通过ffmpeg工具压缩后图像大小约为20KB-40KB左右(依据摄像头规格、垫料、光照、畜禽的不同图像大小略有差异)。设置的音频采样频率为44100Hz，声道为立体声，采样大小为16bit，经由ffmpeg压缩，20秒钟生成的mp3音频文件大小为370KB左右。单音频单摄像头1天采集到的音频和图像数据所需存储空间大约为：226MB-384MB，1年的数据量也仅约为83-140GB左右。
3、图像和声音的同步保存方案
按照如上所述的分时变频采集模式，1个畜禽舍(假设单一摄像头，单一麦克的情况)1天所采集到的图像和声音文件的数量为4384个，则1年采集生成的文件数量超过160万个，随着时间、鸡舍数量、采集设备数量的增多，文件数量的增长是可观的。如果把所有采集数据堆放在同一个目录中，打开目录速度会非常慢。本系统数据处理模块设计声音(包括xml文件)和图像分开并自动实现多级目录存放，存储目录分别为(以windows为例)：
E:\\video\sound\<年>\<月>\<日>\<鸡舍号>\
E:\\video\img\<年>\<月>\<日>\<鸡舍号>\
<>里表示的是当前目录所代表的含义。例如：2011年8月1日采集到的2号鸡舍的声音文件(及每一次采集所生成的xml文件)自动保存到E:\\video\sound\2011\8\1\2\目录下，图像文件自动保存到E:\\video\img\2011\8\1\2\目录下。
按照采集先后顺序，依次生成例如：201108111402-001.jpg、201108111402-002.jpg...的单次采集图像文件系列。
在采集及处理模块程序执行过程中，设计程序同步在数据库的采集记录表中生成一条保存了采集日期、鸡舍号、xml文件名、mp3文件名、采集时间、图像数量、图像采集间隔等几个关键信息的记录，以加快web查询速度。
4、音频图片及环境多源数据同步web显示设计
本系统使用专用的flash播放器来实现图像和音频的web同步播放，选用的是jw flv player中的imagerotator播放器。每次采集及处理过程会自动生成一个播放序列：背景音乐为采集的mp3音频文件，图像文件集合及播放顺序则由数据处理模块按照imagerotator规定格式所生成的xml文件来定义。只需在web调用时设置图像系列的播放时间间隔与采集图像的时间间隔一致，则可实现图像和音频数据的同步播放。在播放界面，也同步显示对应时间的环境参数数据。因环境参数的变化相对缓慢，程序提供了可根据需要调节采集时间间隔的功能。本系统目前设置每隔3分钟采集一次环境数据。在web查询显示中，根据播放的音频文件的时间戳，系统会查找数据库中时间差异最小的时刻所采集的环境数据作为环境数据同步展示。
如图2所示，本发明所述的畜禽养殖过程海量数据自动处理方法中的图像和音频同步采集及处理流程，包括步骤：S1：生产时间戳；S2：采集模块初始化；S3：同步采集音视频数据；S4：判断定时器线程时间是否到；若是，则生成视频文件并关闭采集模块，否则回到步骤S3；S5：对视频文件中的音频文件压缩保存，并间隔抽取图像压缩保存；S6：生产同步播放音频和视频所需xml文档；S7：采集记录写入数据库；S8：删除视频文件。
摄像头和麦克风分别接入采集服务器，作为JMF的图像和音频的捕获设备。采集音频和图像的重点是实现两者的同步采集。
在每次采集开始时，程序根据当前系统时间首先生成索引时间戳，用以标记音频和图像文件。例如某次开始采集的时间是：2011-08-11 14:02，则根据程序所定义的时间格式，时间戳变量timeformat被赋值为：201108111402。
流程图实现完全自动化，每次采集会顺次执行：采集、ffmpeg抽取所需数据及压缩保存，删除中间文件、关闭采集等流程，不用人为干预。它可依据部署的平台不同分别由任务计划(windows平台)或crond守护进程(linux平台)按照部署设置的采集间隔周期性自动执行。
跨平台的开源音视频方案ffmpeg可实现音频图像的同步采集(同步还原)以及压缩保存。ffmpeg包括了格式转换以及压缩音视频的完整解决方案，包含了先进的音频/视频编解码库libavcodec。系统首先获取的是视频，再通过程序调用ffmpeg专门工具间隔抽取得到图片集，此种采集比定时单张采集图像所获得的图片集与声音的同步更精确，且容易实现同步压缩。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种畜禽养殖过程海量数据自动处理系统，其特征在于，包括：
采集模块，其包括：环境变量采集模块和图像音频同步采集模块，分别用于采集环境变量数据和图像音频数据；
数据处理/存储模块，用于对所述采集模块采集的数据进行处理并存储，其包括：数据库和文件系统；
数据同步还原模块，用于对所述数据处理/存储模块进行同步数据调度；
查询及展示模块，用于接受用户查询某一时刻或时间段的数据的请求，并提交给所述数据同步还原模块；所述数据同步还原模块返回结果后，供用户查看；
所述图像音频同步采集模块采用分时变频的采集模式，图像音频的采集频率随畜禽活动频繁度变化。
2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述环境变量采集模块定期自动采集包括温度、湿度、二氧化碳、氨气、风速及光照传感器的数据，以采集时间为索引存入数据库。
3.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述图像音频同步采集模块获取的图像及音频数据压缩处理后以媒体文件形式存储到文件系统，且相关描述信息被同步存储到数据库中。
4.如权利要求1所述的系统，其特征在于，音频连续采集，图像间隔抓拍，音频和图像压缩后有序分开保存。
5.如权利要求4所述的系统，其特征在于，采集阶段，在连续采集音频的同时，每隔2秒抓拍一张图片，进一步大幅度地缩减所需的存储空间。
6.如权利要求4或5之一所述的系统，其特征在于，每次采集的音频和图像数据文件以时间戳命名，压缩后被分别保存到文件系统对应存储路径。
7.如权利要求4或5之一所述的系统，其特征在于，夜间21点至凌晨5点每1小时采集1分钟；白天在关键活动时间点每1分钟采集20秒数据；白天非关键时间点每10分钟采集1分钟数据。
8.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述查询及展示模块为web查询及展示模块，能够通过时间同步查询及展示各个采集时刻和时间段内音频、图像和环境参数。
9.一种利用权利要求1-8中任意一项所述的系统的畜禽养殖过程海量数据自动处理方法，其特征在于，包括步骤：
S1：生产时间戳；
S2：采集模块初始化；
S3：同步采集音视频数据；
S4：判断定时器线程时间是否到；若是，则生成视频文件并关闭采集模块，否则回到步骤S3；
S5：对视频文件中的音频文件压缩保存，并间隔抽取图像压缩保存；
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| Title |
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| 大型蛋鸡养殖场数字化应用平台设计;李志忠 等;《农业工程学报》;20061231;第22卷(第增刊2期);92-95 * |
| 李志忠 等.大型蛋鸡养殖场数字化应用平台设计.《农业工程学报》.2006,第22卷(第增刊2期),92-95. |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN102521400A (zh) | 2012-06-27 |
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