[发明专利]基于毫米波雷达的奶牛呼吸心率监测方法

说明书

基于毫米波雷达的奶牛呼吸心率监测方法，包括如下步骤：通过毫米波雷达捕获奶牛的体征微动信号，并解析雷达原始回波；通过距离门曲线获知雷达与奶牛的大致位置关系，确定目标的距离范围，并提取目标距离门处的相位；根据呼吸和心跳频率的不同，利用带通滤波器滤波将呼吸和心跳的相位差信号进行滤波分离；将计算得到的呼吸和心率信号通过嵌入式系统发送至上位机显示。本发明实现了奶牛呼吸心率的无接触检测和远程监测，提高了奶牛呼吸率检测的准确性和实时性，解决了实际应用中奶牛不配合、适用场景单一等痛点，有效的解决了此设备不能实时监测和智能预警的缺点，提高效率的同时也降低了人力消耗，提高了信息化管理水平。

技术领域

本发明属于雷达信号处理和物联网技术领域，特别涉及基于毫米波雷达的奶牛呼吸心率监测方法。

背景技术

呼吸和心率作为奶牛的主要生理参数，是反映养殖环境舒适度的重要依据，也是估计奶牛热应激状态最有效的指标。传统接触式的生命体征监测设备(如：基于胸腹收缩的呼吸监测马甲/胸带、基于呼吸气流的监测设备等)需要被监测动物一直佩戴，才能实时获取体征信息，存在动物不配合性和破坏性、适用场景单一等痛点。

现有的奶牛心率监测，如Eigenberg等研制了适用于牛的呼吸频率自动监测设备，在实验条件下，呼吸频率监测胸带测试结果与人工计数的误差在10次/min(RPM)以内，但是粪尿污染和动物对胸带的啃咬、拖拽都会严重干扰信号的读取，甚至造成设备损坏，此外，该设备测得的数据只能存储在内置的数据采集仪中，不能进行实时在线监测和智能预警，且存储时间有限。

随着农业物联网和非接触式生物传感器技术的发展，对畜禽体征、异常行为等信息进行远程监测成为当下的研究热点。通过分析监测数据估计动物生理、健康状况，并对畜禽饲喂环境、繁育和防疫等进行精准调控。现有的非接触式测定方法主要包括基于激光测距的监测方法，基于光学图像的监测方法和基于厘米级超宽带雷达设备的监测方法等。Pastell M,Kaihilahti J,Aisla A M,et al.在文献“A System For ContactfreeMeasurement of Respiration Rate of Dairy Cows.[C]”(3rd ECPLF Conference,2007)中利用奶牛呼吸时侧腹外侧距离变化提取出呼吸频率，并通过测点定位和增加快速傅里叶变换算法(FFT)的采样点数等方法提高呼吸频率的准确性。Stewart M,Wilson M T,Schaefer A L,et al.在文献“The use of infrared thermography and accelerometersfor remote monitoring of dairy cow health and welfare”(Journal of DairyScience,2017,100(5):3893-3901.)中采用热红外成像的方法推算呼吸频率。通过将奶牛呼吸时的鼻下温度变化转换成热成像的灰度值变化，从而推算呼吸频率。相关技术内容的论文作者，如：许璇、郎朝先、邱达、彭兴河、张勇在“基于单片机的奶牛生理状态监测系统”[J].现代信息科技,2018,2(03):195-196.一文中采用SON1205脉搏传感器采集奶牛的心跳，再经过MSP430f149单片机对数据进行判断和处理，从而得到心跳频率。

激光测距的监测方法优点是精确,缺点是需要注意人体安全,且制做的难度较大,成本较高,而且光学系统需要保持干净,否则将影响测量；光学图像的监测方法存在图像对比度低，分析细节能力较差，成本高价格贵等缺点；厘米级超宽带雷达设备抗干扰能力差。上述这些方法普遍存在监测准确率低，不能远程实时识别及追踪，奶牛监测角度受到遮挡而无法识别等问题，难以实际生产中大规模应用。

发明内容

本发明的目的是针对现有奶牛心率监测存在的不足，提供一种通过毫米波雷达捕获奶牛的体征微动信号的心率监测方法，实现了奶牛呼吸心率的非接触检测和远程监测，提高了奶牛呼吸率检测的准确性和实时性。

本发明的技术方案是这样的：基于毫米波雷达的奶牛呼吸心率监测方法，本发明的方法按照以下步骤进行：