畜禽舍環(huán)境數(shù)據(jù)的采集與質量控制研究

　　摘要：畜禽養(yǎng)殖場舍內環(huán)境復雜，為便于后期使用數(shù)據(jù)時更具準確性，前期的采集和質量控制尤其重要。為解決這個問題，從數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)質量管理和數(shù)據(jù)融合三個方面進行控制，通過多源無線傳感器網(wǎng)絡采集溫度、濕度、不同成分氣體濃度等各個參數(shù)的數(shù)據(jù)，為進一步的分析環(huán)境各要素對舍內環(huán)境小氣候的影響奠定數(shù)據(jù)基礎。

　　關鍵詞：數(shù)據(jù)清洗;數(shù)據(jù)融合;自適應加權算法

　　開放科學(資源服務)標識碼(OSID)：

　　畜禽養(yǎng)殖中，養(yǎng)殖舍的環(huán)境數(shù)據(jù)是動物生長監(jiān)測的重要內容之一。傳統(tǒng)上，數(shù)據(jù)采集依靠人工，操作工人根據(jù)此信息做出調節(jié)養(yǎng)殖舍小氣候的動作。這種方式需要人工值守效率低。現(xiàn)代自動化的方法是利用傳感器與物聯(lián)網(wǎng)技術自動采集數(shù)據(jù)，并根據(jù)采集的環(huán)境數(shù)據(jù)自動做出干預環(huán)境的動作，如報警、開啟風機通風、開啟溫濕度設備等等。但是由于養(yǎng)殖舍環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)多樣，環(huán)境復雜，采集到的數(shù)據(jù)有可能丟失或者出現(xiàn)錯誤，導致不能進行科學的處理，引起設備的錯誤報警或操作，這背離了自動調整達到適合畜禽生長需要的初衷。本文考量采集設備合理分布和有效采集，從以下幾個方面對數(shù)據(jù)質量控制進行研究。

　　1 數(shù)據(jù)采集

　　物聯(lián)網(wǎng)技術在各行各業(yè)中的廣泛應用，也給傳統(tǒng)養(yǎng)殖行業(yè)帶來了新技術和新理念。傳感器、嵌入式計算與分布式信息處理等技術的協(xié)作，可以實現(xiàn)對畜禽舍內環(huán)境的實時監(jiān)測，感知環(huán)境狀態(tài)并采集環(huán)境數(shù)據(jù)，進一步傳送給用戶，為用戶實時掌控養(yǎng)殖過程提供技術支持和決策依據(jù)。實現(xiàn)智慧養(yǎng)殖的第一步是自動化的數(shù)據(jù)采集，最常用的技術就是無線傳感器技術。無線傳感器通信技術中，ZigBee通信技術發(fā)展最為迅速，廣泛應用于精準農(nóng)業(yè)、智慧牧場等多個系統(tǒng)和領域。ZigBee無線網(wǎng)絡具有如下優(yōu)點：

　　(1)自動組網(wǎng)，網(wǎng)絡容量大，ZigBee網(wǎng)絡最多可容納65000個網(wǎng)絡節(jié)點，并且任何網(wǎng)絡節(jié)點之間都可以進行通信。(2)模塊功耗小，兩節(jié)5號干電池可以支撐一個節(jié)點使用180-730天的時間，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，工作在全球免費頻段，僅需先期的模塊費用。 養(yǎng)殖舍內環(huán)境參數(shù)傳遞時數(shù)據(jù)量比較小，ZigBee無線網(wǎng)絡在畜禽環(huán)境參數(shù)監(jiān)測中非常實用，因此采取基于物聯(lián)網(wǎng)的Zig-Bee無線傳感器網(wǎng)絡采集養(yǎng)殖舍里的各個環(huán)境參數(shù)。

　　2 數(shù)據(jù)質量管理

　　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)進行凈化。通過重新審查和校驗，刪除重復的數(shù)據(jù)、糾正錯誤數(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：缺失了一些應該有的基本信息。這類數(shù)據(jù)經(jīng)過過濾后，將缺失的內容補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)過判斷和校驗直接寫入數(shù)據(jù)庫造成的。這一類錯誤數(shù)據(jù)可以進一步細化，比如全角字符錯用問題、不可見字符問題等等。檢測處理這種錯誤常用的一種方法是在數(shù)據(jù)庫中運行soL語句。

　　(3)重復數(shù)據(jù)

　　對這一類的數(shù)據(jù)清理是最復雜的，比如二維表中出現(xiàn)重復記錄或者重復字段。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，負責數(shù)據(jù)清理的人員要和相關的單位負責人保持密切聯(lián)系，及時進行溝通和確認。

　　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，節(jié)省存儲開銷，提高效益。

　　2.2 數(shù)據(jù)修復

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

　　式(l)中，xsub>k和xsub>k+j分別為已知k時刻和k+j時刻監(jiān)測得到的畜禽舍內環(huán)境參數(shù)值，xsub>k+i為第k+i時刻缺失的畜禽環(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間比較大，則需要為缺失數(shù)據(jù)確定替補值，填補到缺失數(shù)據(jù)的位置上。新數(shù)據(jù)填補后，要盡可能地減少數(shù)據(jù)缺損造成的計算量偏差，因此填補值要盡可能地接近缺失的原始數(shù)據(jù)值。針對畜禽舍內環(huán)境缺失環(huán)境參數(shù)的數(shù)據(jù)的填補，采用氣象條件相同或者相近時，相鄰的幾天中監(jiān)測到的同時刻相鄰節(jié)點的數(shù)據(jù)作為填補值。

　　畜禽舍內養(yǎng)殖環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)具有時序性和連續(xù)性的特點，短時間內監(jiān)測到前后相鄰時段數(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)進行比較，如果某一時刻xk時間點監(jiān)測到的畜禽舍內環(huán)境參數(shù)變化范圍嚴重偏離了前一時刻Xk-1和后一時刻Xsub>k+1的變化幅度，則認為該數(shù)據(jù)有錯誤。可采用式(2)均值平滑法進行水平處理。

　　其中υ1和υ2分別為兩個相鄰數(shù)據(jù)之間的誤差閾值。

　　畜禽舍內環(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，前后幾天應具有相似的參數(shù)變化趨勢。相鄰日期的同一時刻監(jiān)測到的參數(shù)值，應該穩(wěn)定的維持在正常的變化范圍內。如果某一時刻監(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)均值法進行垂直處理。

　　x(d，k)為d天k時刻的環(huán)境的數(shù)據(jù)，υ3為氣象條件相似時同一時刻數(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)殖舍內無線傳感器監(jiān)測時，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)進行監(jiān)測，同時對同類型的數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)融合，以消除二義性并解決數(shù)據(jù)的缺失及錯誤。如表1所示，對各種數(shù)據(jù)融合技術進行對比，確定采用加權平均法做同類數(shù)據(jù)的融合。

　　假設針對養(yǎng)殖舍環(huán)境各個參數(shù)監(jiān)測時各有N個無線傳感器，由于每個傳感器所處舍內位置不同、測量精度不同，對于同一類型的傳感器的不同個體，在總的最小均方誤差達到最優(yōu)化條件下，求解最優(yōu)加權因子，使數(shù)據(jù)融合后的數(shù)值達到最優(yōu)。 假設預估計的真實值是X，相互獨立的N個無線傳感器實際顯示的值分別是X1，X2…Xn，方差分別是σ1，σ2，…σn，加權因子分別是W1，W2，...Wn。進行數(shù)據(jù)融合后x的值應該滿足式(4)。

　　計算出最優(yōu)加權的因子，進一步根據(jù)傳感器測出的實際數(shù)值就能夠方便地計算出經(jīng)過數(shù)據(jù)融合后得到的最優(yōu)值，如式(9)。運用自適應加權估值算法，普遍能夠取得比平均估值算法更加突出的融合效果。

　　4 結束語

　　針對真實復雜的畜禽養(yǎng)殖場環(huán)境，通過多源無線傳感器網(wǎng)絡采集各個參數(shù)的數(shù)據(jù)，做數(shù)據(jù)清洗保證數(shù)據(jù)的完整性，然后使用自適應加權算法，進行特征級融合，能夠更好地保證測量數(shù)據(jù)的精度和準確性，從而達到控制環(huán)境數(shù)據(jù)質量的目的。

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　　推薦閱讀：《當代畜禽養(yǎng)殖業(yè)》(月刊)創(chuàng)刊于1980年，是由內蒙古農(nóng)牧業(yè)科學院主辦的畜牧科技普及性刊物。旨在宣傳黨的有關畜牧業(yè)生產(chǎn)的方針、政策，普及畜牧業(yè)科學技術知識;交流經(jīng)營和管理生產(chǎn)的經(jīng)驗，介紹國內外先進的科技知識和發(fā)展動態(tài)，提供和傳播畜牧業(yè)產(chǎn)、供、銷信息。