體重是畜牧業(yè)中對(duì)動(dòng)物評(píng)估的重要指標(biāo)，由于動(dòng)物的活動(dòng)難以控制以及需要測(cè)量的動(dòng)物數(shù)量基數(shù)通常較大等原因，在誤差范圍內(nèi)快速測(cè)得動(dòng)物的體重變得尤為重要.當(dāng)前國(guó)內(nèi)外對(duì)動(dòng)態(tài)稱重的研究主要應(yīng)用于交通采礦等相關(guān)方面很少涉及活體動(dòng)物。本系統(tǒng)將EMD算法應(yīng)用于動(dòng)物體重測(cè)量并在截止條件運(yùn)算方式等方面進(jìn)行改進(jìn)，使其適應(yīng)于畜牧的實(shí)際環(huán)境。使得本系統(tǒng)可以在測(cè)量動(dòng)物體重時(shí)滿足實(shí)時(shí)性和精度需求。通過(guò)在實(shí)際環(huán)境中的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，本系統(tǒng)可以在上限時(shí)間為10s的測(cè)量中測(cè)得體重誤差最小可以接近1%，為傳統(tǒng)稱重方式誤差的1/3。

2.2預(yù)處理：
限制于傳感器的采樣頻率和程序處理時(shí)間，必須在充分利用數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上剔除干擾數(shù)值。本系統(tǒng)采用了數(shù)字濾波，在數(shù)據(jù)的開(kāi)頭與結(jié)尾處通過(guò)移動(dòng)以中值為中心的可行窗口來(lái)剔除偏離中心值過(guò)大的點(diǎn)。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：可行窗口選擇需求精度的1/2為界，既可以滿足精度需求又可以剔除干擾數(shù)據(jù)中間階段的數(shù)據(jù)，因?yàn)镋MD算法區(qū)分出來(lái)IMF分量，需要保持其物理意義，所以不能使用濾波繼續(xù)保留加入算法運(yùn)算。
2.3EMD算法的適應(yīng)性改進(jìn)：
為了適應(yīng)動(dòng)物的行為，本系統(tǒng)每隔一段時(shí)間采集一次數(shù)據(jù)，判斷動(dòng)物的體態(tài)特征，如果連續(xù)檢測(cè)到某3次的數(shù)據(jù)很接近，我們就認(rèn)為動(dòng)物處于靜止?fàn)顟B(tài)，并把這段時(shí)間的值取平均作為最終結(jié)果，并跳過(guò)EMD算法，從而避免多余的計(jì)算.
若判斷沒(méi)有處于靜止?fàn)顟B(tài)，則需要將所有已有的數(shù)據(jù)加入EMD算法進(jìn)行計(jì)算，得到當(dāng)前的體重值。同樣為了能在保證精度的基礎(chǔ)上提高效率當(dāng)出現(xiàn)連續(xù)次的結(jié)果都很接近時(shí)，就認(rèn)為是動(dòng)物的活動(dòng)趨于穩(wěn)定，并將連續(xù)三次的值取平均，作為最終結(jié)果提早退出計(jì)算。
根據(jù)EMD算法，可以得到N個(gè)IMF和一個(gè)殘余量，使用標(biāo)準(zhǔn)差準(zhǔn)則作為停止準(zhǔn)則。標(biāo)準(zhǔn)差函數(shù)為：

3.結(jié)果與討論：
系統(tǒng)的采集模塊采用STC12c5a60s2型號(hào)單片機(jī)，稱重傳感器型號(hào)為革利-100kg，靈敏度為2.0±0.002mV/V；AD轉(zhuǎn)換模塊采用CS1180s將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。分辨率在無(wú)失碼情況下為20位，量化誤差可以忽略不計(jì)，在使用4.1592MHZ的晶振下可設(shè)置為30HZ的采集頻率；系統(tǒng)整體的誤差達(dá)到0.1kg.
實(shí)驗(yàn)流程原始數(shù)據(jù)由系統(tǒng)采集10s共150個(gè)點(diǎn)，在預(yù)處理、鏡像法處理后使用EMD算法得到IMF和殘余量，最后取平均測(cè)得數(shù)據(jù)為86.5kg；當(dāng)在靜態(tài)情況下，測(cè)得體重的理論值為85.6kg，滿足1%的精度需求。
a為原始圖像，b為預(yù)處理結(jié)果，c為鏡像法結(jié)果，d為IMF0結(jié)果，e為IMF1結(jié)果，f為IMF2結(jié)果，g為IMF3結(jié)果，h為殘余量結(jié)果。
為了突出本系統(tǒng)算法對(duì)比傳統(tǒng)算法的優(yōu)勢(shì)，通過(guò)和多次排序的平均法，分別在數(shù)據(jù)為長(zhǎng)時(shí)間采樣和短時(shí)間采樣的兩種情況下進(jìn)行比較 。長(zhǎng)時(shí)間采樣的數(shù)據(jù)量為900點(diǎn)，含有50%以上穩(wěn)態(tài)值這種情況模擬了在測(cè)量時(shí)間較長(zhǎng)，動(dòng)物在稱重系統(tǒng)上有一段時(shí)間靜止不動(dòng)的狀態(tài)；短時(shí)間采樣的數(shù)據(jù)量為150點(diǎn)，不含穩(wěn)態(tài)值這種情況模擬了動(dòng)物在稱重過(guò)程中的快速通過(guò)，沒(méi)有停留的狀態(tài) 。長(zhǎng)時(shí)間的比較結(jié)果.短時(shí)間的比較結(jié)果。
從測(cè)試結(jié)果中，可以得到在含有大量的穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)時(shí)，多次排序的平均法會(huì)取到穩(wěn)態(tài)值，該值非常接近標(biāo)準(zhǔn)值，但本系統(tǒng)的測(cè)量的結(jié)果與多次排序的平均法結(jié)果不相上下，甚至有優(yōu)勢(shì)。從測(cè)試結(jié)果中可以得到在短時(shí)間采集且無(wú)穩(wěn)態(tài)值時(shí)，也即數(shù)據(jù)的波動(dòng)非常大的情況下排序平均法誤差很大而本系統(tǒng)的算法可以有效的降低誤差。
多次排序平均法只適合于低速測(cè)量，在采樣率大于500HZ時(shí)，誤差才能達(dá)到2%，而且由于多次的排序計(jì)算量并不低，不能滿足在畜牧業(yè)中快速測(cè)量體重的需求。本系統(tǒng)既可以在長(zhǎng)時(shí)間測(cè)量的傳統(tǒng)方式中取得不錯(cuò)的效果，又可以在短時(shí)間集的較少數(shù)據(jù)量點(diǎn)的情況下，也即在動(dòng)物不斷運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生不良數(shù)據(jù)的情況下，獲得良好的表現(xiàn)。從而實(shí)現(xiàn)對(duì)動(dòng)物體重快速稱重，滿足實(shí)際畜牧業(yè)中動(dòng)物稱重的需求。
4.結(jié)束語(yǔ)：
本系統(tǒng)的算法較一般算法復(fù)雜但可以同時(shí)兼具速度和精度，對(duì)于物聯(lián)網(wǎng)下的牧場(chǎng)管理有著重要的意義。同時(shí)如果能在數(shù)據(jù)采集部分，如果使用更高采樣頻率的采集模塊，可以減少采樣時(shí)間并且提高精度；通過(guò)對(duì)采集的大量數(shù)據(jù)樣本的分析可以對(duì)算法中的臨界閾值等參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，使得算法更加適用于某種特定的動(dòng)物。