稻田自动化鸭舍声训系统设计与试验研究

孔爱菊，宋玉秋，邬立岩，刘翠红，辛明金，崔红光，任文涛

(沈阳农业大学 工程学院， 沈阳　110161)



稻田自动化鸭舍声训系统设计与试验研究

孔爱菊，宋玉秋，邬立岩，刘翠红，辛明金，崔红光，任文涛

(沈阳农业大学 工程学院， 沈阳110161)

摘要：为使稻田自动化鸭舍在无人值守的情况下于日落之前自动唤鸭回舍，降低人工消耗，设计了稻田自动化鸭舍的声训系统。该系统可产生并自动播放不同类型、声压级及频率的纯音信号。以1月龄鸭子为研究对象，以声音的声压级和频率为试验因素，以鸭子回舍时间为试验指标，对声训系统进行了试验研究。结果表明:鸭子回舍时间与声音参数存在线性回归关系；当声压级为85dB、声音频率为18 577Hz时，鸭子回舍时间最快可达到19.52s，满足稻鸭共作生产的要求。研究结果为稻鸭共作技术条件下的自动化鸭舍设计提供了依据。

关键词：稻鸭共作；自动化鸭舍；声训系统

0引言

稻鸭共作技术是根据稻鸭共生共长的特性，建立多元化的农业生态种养系统[1-2]。稻鸭共作开辟了水稻、水禽可持续发展的新途径，把水稻种植与鸭子养殖按照空间结构结合在一起，利用稻田的水、热、光及生物资源，增加稻田生态系统的能量利用率[3-5]。利用鸭的役用性产生水稻防病、除虫、除草、松土、中耕浑水及刺激生长的作用，实现稻鸭共生、共长的复合系统[6-8]。白天鸭子在稻田活动，夜间返回鸭舍，鸭舍为鸭子提供夜间补饲、补水、躲避天敌、栖息的场所。然而，鸭雏在水稻田里较大范围内活动，晚间赶回舍舍人工消耗很大且劳动条件差。为此，设计了一个能够实现自动唤鸭回舍的声训系统。

声训是给动物施加不同处理的声音，通过刺激生物的听觉从而对生物体产生生化反应，使其产生某种行为动作的过程。听觉分辨训练可以重塑初级听皮层对训练目标声音的表达,也能提高大脑皮层对目标声音的反应强度[9-10]。胡恩德等以豚鼠作为研究对象，以条件刺激和非条件刺激配对试验，通过训练豚鼠可形成对声音的条件反射和学习能力[11]。赵燕等对3组成年大鼠进行听觉空间分辨试验，结果表明：训练组大鼠能更快速辨别不同方位的声源，且用时较短，角度偏差也显著低于被动训练的大鼠[12]。郭飞等利用纯声对成年大鼠行为训练，对训练的动物的初级听皮层的特性频率拓扑结构分析表明：动物对声音可分辨识别，初级听皮层产生了可塑性的变化[13]。

鸭子为集群活动，可驯化程度高，放入稻田之前可配合喂饲进行声音信号训练，使得鸭子对声音产生应激反应，在特定时间播放音乐，调动鸭子从稻田自行返回鸭舍。声训系统要求鸭子对声音信号反应快速，且回舍率高。潘爱娜等通过单片机搭建声训系统，研究发现播放音乐可实现召唤鸭群回归的效果[14]。徐佳等通过试验研究发现鸭子回舍情况与音乐类型和音量有关，欢快低音音乐的鸭子回归情况优于舒缓低音、舒缓高音和欢快高音[15]。本文建立适合于稻鸭共作的声训系统，探索最优的声音参数组合，为自动化鸭舍的设计奠定基础。

1声训系统的设计

辽宁地区稻田养鸭主要集中在6月末到8月中旬，日落温度差异不大，且风力较小，温度和风力对声音的传播影响较小。声音传播的主要影响因素为声压级和频率。基于以上考虑，声训系统应满足不同频率、音量的发声要求。现有的声训系统具有成本高、功能固定、可扩展性差等问题，本文利用计算机多媒体声卡和音箱作为硬件，在LabView环境下开发声训系统，可实现不同频率和声压级的纯音输出信号，为鸭子声训试验创造条件。

1.1　声讯系统硬件

利用LabView搭建发声器软件包，通过声卡实现声音电信号与数字信号的转换[16]，音箱将声音放大发送出去。系统硬件组成如图1所示。

图1　声训系统硬件组成

1.2　系统前面板设计

系统前面板分为4个部分：声卡输入配置、声道1、声道2及叠加声道。声卡输入配置可调节声卡采样的各个参数，即总音量、采样率、通道数、每采样比特数、每通道采样数及设备ID等[17]。为实现与音箱左右声道相匹配，声训系统包括两个声道。声道1、2可发生基本纯音信号，调节前面板上的控制按键改变发声函数。发声函数包括基本函数和公式函数：基本函数可改变信号类型；公式函数可发出由公式编辑的波形，通过公式输入产生纯音叠加而成的复音，其波形不再是单纯的正弦波。基本函数和公式函数都可通过控制按键改变频率和幅值。叠加波形是对1、2声道的叠加合成的结果，是最终产生的声音。声训系统的前面板如图2所示，系统界面中的信号波形由基本函数和公式函数产生。

图2　声训系统的前面板

1.3　声训系统程序框图

声训系统程序框图如图3所示。

图3　声训系统程序框图

声训系统主要包括声卡格式配置、发声器、控制开关等。通过LabView的Sound Output Configure.vi配置声卡采样的声音格式、采样模式、每通道采样数和结果声音格式[18]。电脑设备的采样率包括44 100Hz、22 050Hz、48 000Hz等3个采样频率；通道数为左右2个通道；每通道的比特数为16个。声卡配置输出子vi用来配置声音输出设备。

声音发生模块有基本波形和函数输入波形两种实现方式。基本函数信号发声器和公式波形控件嵌入到条件结构，通过While条件结构实现两种发声模式的切换，通过枚举控件实现While条件的转变。基本函数发声器可根据信号类型创建输出波形，实现正弦波、三角波、方波和锯齿波等基本波形，其频率、幅值、信号类型可通过输入控件改变。公式波形通过输入的公式字符串指定要使用的时间函数，创建输出波形，波形可根据需要自行指定，即任意时间函数都可实现。左右两通道声音的产生原理相同。通过“加”运算将两通道的声音合成，将声音写入声音输出设备，配置声音输出vi实现声音信号连续写入。

整个声训系统的开关是由While条件结构控制，条件结构的接线端连接布尔开关控件，实现整个发声器的开关。

2声训系统的试验研究

2.1　试验因素的选取

在稻田鸭舍声训系统中，声音是鸭子回舍的输入信号，鸭群接收到信号后自动返回鸭舍，实现鸭子回舍的自动控制。声音对鸭群回舍时间的影响需要考虑的因素很多，如频率、声压级、波形、环境温度及风速等；但由于稻田养鸭的特殊时间和地点，环境温度和风速的影响较小，可不考虑。因此，选取声音的频率、声压级作为试验因素，鸭子全部召回所用时间为试验指标。

2.2　试验材料和方法

选取沈阳农业大学农机实验室门前空地为试验场所。试验仪器包括LabView声训系统、DBL音箱、秒表、米尺、声级计、风速仪、盛有鸭饲料和水的容器各1个，1月龄鸭子21只(经过5天时间训练，对声音可形成条件反射)。按照鸭子饲养标准每日饲喂4次，准备好水和饲料后，将鸭子全部赶至距离鸭舍20m的位置，启动声训系统，研究声压级、频率与鸭回舍时间之间的规律。利用风速仪测量风速，风速在整个试验期间的变化范围为0~0.3m/s，风速变化影响较小可忽略。每组试验进行3次，取平均值，利用SPSS软件对试验结果分析。

2.3　试验结果与分析

试验结果如表1所示。根据试验结果，应用正交回归设计的统计分析方法，利用SPSS13.0软件对试验数据分析[19-20]，建立鸭回舍时间t与声音声压级x1和频率x2之间关系的回归方程为

t=243.42-4.05x1-6.36×10-3x2+

(1)

其中，t为鸭子全部回舍所用时间(s)；x1为声音声压级(dB)；x2为声音频率(Hz)。

表1　试验结果

Z1、Z2为试验因素声音声压级x1、声音频率x2的编码规范变量。

对回归方程的显著性进行检验可知：回归方程的决定系数R2等于0.905，表明模型拟合情况较理想；F回归>F0.002(5,7)，表明所建立的回归方程以及各偏回归系数都达到了显著水平；显著水平为0.002，说明鸭子回舍时间与声音变量之间存在显著回归的关系，试验设计方案可行，回归模型有意义。F0.025(3,4)=9.98>F失拟，检查结果表明：回归方程失拟不显著，回归模型与实际情况拟合得很好，可表示鸭回舍时间与声压级和频率之间的关系。

3参数优化

在建立了系统数学模型的基础上，在MatLab环境下建立鸭回舍时间与声音参数之间的曲线关系，[21]研究回舍时间随各个变量的变化趋势，并对鸭回舍时间进行参数优化设计。通过参数的优化计算获得声音声压级和频率的最优值，使鸭子对声音信号反应最迅速、鸭回舍时间降低到最小。声压级和声音频率对鸭回舍时间的影响如图4所示。

图4　声音参数对鸭回舍时间的影响

优化目标函数为

mint=243.42-4.05x1-6.36×10-3x2+

(2)

约束函数为

(3)

利用MatLab进行参数优化，得到优化结果，求出最优声音参数为声压级和频率分别为：Lp=85dB, f=18577Hz，对应的鸭回舍最短时间t=19.52s。

根据参数优化结果进行验证试验，选用声压级为85 dB、频率为18577 Hz的纯音信号对鸭子训练，经3次试验取平均值，鸭子全部回舍所用的时间为20.2s，与理想数值误差为3.48%，在允许误差范围内，证明参数优化结果可靠。

4结论

1) 利用LabView建立适用于稻鸭共作的声训系统，可实现不同频率和声压级的纯音输出信号，为鸭子声训试验创造条件。

3) 通过参数优化计算可知：最优声音参数组合为Lp=85dB, f=18577Hz，对应的鸭回舍最短时间t=19.52s。经试验验证，参数优化结果可靠。

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Design of Voice Training System for Automatic Duck Shed in Paddy Field

Kong Aiju, Song Yuqiu, Wu Liyan, Liu Cuihong, Xin Mingjin, Cui Hongguang, Ren Wentao

(The Engineering College, Shenyang Agricultural University, Shenyang 110161, China)

Abstract：A vocal duck training and gathering system automatic duck shed in paddy field was designed to summon ducks back the shed before sunset without manual intervene to reduced labor consumption. The system can generate and broadcast kinds of pure tone which sound pressure level and frequency can be modified. Experimental study on the vocal duck training and gathering system was carried out to ducks of one month age, with sound pressure level and frequency as experimental factors, and the time of ducks returning shed as experimental index. The results showed that the time of duck returning shed was in linear regression relationship with sound parameters. The time of ducks returning shed was 19.52s at sound pressure level of 85dB and frequency of 18 577Hz. It indicates that the system can meet the requirements of rice-duck eco-farming. The research results may provide references for the design of automatic duck shed.

Key words：rice-duck eco-farming; automatic duck shed; vocal duck training system

中图分类号：S126

文献标识码：A

文章编号：1003-188X(2016)08-0169-04

作者简介：孔爱菊(1980-)，女，山东菏泽人，讲师，博士研究生，( E-mail)kaj9818@126.com。通讯作者：任文涛(1958-)，男，辽宁海城人，教授，博士生导师，( E-mail)rwt@syau.edu.cn。

基金项目：沈阳市农业科技共建项目(沈农经发[2013]54号)

收稿日期：2015-09-10