一种基于BP神经网络的畜禽粒状饲料水分测量装置的制作方法

一种基于bp神经网络的畜禽粒状饲料水分测量装置
技术领域
[0001]
本发明涉及饲料水分测定技术，具体涉及一种基于bp神经网络的畜禽粒状饲料水分测量装置。


背景技术：

[0002]
粒状饲料是指饲料经过粉碎，通过特制的压模压制成直径大小不等的颗粒饲料。粒状饲料符合牛、羊、猪等啮啃生物特性，已成为影响和支撑畜禽健康生长的重要因素。畜禽粒状饲料在生产、加工、储存及运输过程中对其含水率有严格的要求。粒状饲料水分含量不仅影响饲料品质，还关系到生产企业、养殖用户的经济效益。水分含量过低，降低淀粉的糊化度且饲料硬度大不利于提高畜禽的适口性；水分含量过高，营养浓度低且在使用过程中容易发霉变质。
[0003]
畜禽颗粒饲料水分含量是表征饲料品质的主要参数。目前国内相关研究多集中在饲料加工工艺方向而且传统式畜禽饲料含水率直接测定法存在检测成本耗费大、测定效率低、无法实现快速检测等问题，对在线快速无损测定控系统设计鲜有研究。因此提供一种新型便携式畜禽粒状饲料水分在线快速测量装置，对于衡量畜禽饲料品质及其进一步推广应用均具有一定的现实意义。


技术实现要素：

[0004]
本发明的主要目的在于提供一种基于bp神经网络的畜禽粒状饲料水分测量装置，解决目前国内饲料加工行业含水率测定效率低、成本耗费大、无法快速检测等问题。
[0005]
本发明采用的技术方案是：一种基于bp神经网络的畜禽粒状饲料水分测量装置，包括上位机软件系统和硬件系统，所述上位机软件系统设置在pc机；所述硬件系统包括微控制器、圆柱形电容器、信号发生电路、信号调理电路、工作电源电路、温度传感器电路、存储器电路、按键显示电路、串口通信电路；所述圆柱形电容器连接信号发生电路，信号发生电路连接信号调理电路；所述微控制器分别连接信号调理电路、工作电源电路、温度传感器电路、存储器电路、按键显示电路、串口通信电路；所述串口通信电路连接pc机；所述工作电源电路用于测量装置供电；所述温度传感器电路用于温度信号采集；所述存储器电路用于数据存储；所述按键电路用于按键控制；所述液晶显示电路用于液晶显示；所述串口通信电路用于串口通信。
[0006]
进一步地，所述信号发生电路包括芯片max038及外围电路。
[0007]
更进一步地，所述信号调理电路包括放大器u1，比较器u2，光电耦合器u3，电阻r1、
r2、r3、r4、r5、r6；所述电阻r1跨接于放大器u1的反相端和地之间；所述电阻r2跨接于fre in端和放大器u1的同相端之间；所述电阻r3跨接于ref 5v端和放大器u1的同相端之间；所述电阻r4跨接于放大器u1的反相端和放大器u1的输出端之间；所述比较器u2的同相端连接放大器u1的输出端，比较器u2的输出端通过电阻r5连接光电耦合器u3的输入端，光电耦合器u3的输出端一端连接信号调理电路输出端output，另一端连接地；所述电阻r6跨接于5v电源和地之间。
[0008]
更进一步地，所述工作电源电路包括电源转换芯片vr1，电容c4、c5、c6、c7，电阻r22，电感l1，二极管d11、发光二极管d12及稳压二极管d13；二极管d11跨接于12v直流电源输入端和电源转换芯片vr1的输入端之间；所述电容c5、c6并联后跨接于电源转换芯片vr1的输入端和地之间；所述稳压二极管d13负极连接电源转换芯片vr1的输出端，负极连接地；电感l1跨接于电源转换芯片vr1的输出端和5v电源之间；电阻r22和发光二极管d12串联后，与电容c4和电容c7并联；电容c7的正极连接5v电源，负极连接地；所述按键电路包括按键s3、s4、s5、s7、s6及s8，电阻r23、r24、r28、r25、r26及r27；按键s3、s4、s5、s7、s6及s8的一端分别通过电阻r23、r24、r28、r25、r26及r27连接3.3v电源，按键s3、s4、s5、s7、s6及s8的另一端分别连接地；所述温度传感器电路包括温度传感器u2、电阻r2、电容c1；温度传感器u2的第二管脚连接温度信号，电阻r2跨接于电源vcc和温度传感器u2的第二管脚之间；电容c1跨接于电源vcc和地之间；所述通信电路包括串口通信芯片max232及其外围电路；所述存储器电路包括存储器at24c02,存储器at24c02连接微控制器。
[0009]
更进一步地，所述上位机软件系统包括：主界面模块，用于显示主界面；坐标系模块，用于坐标系显示；串行通信模块，用于串行通信；数据管理模块，用于数据管理；动态图示模块，用于参数动态显示。
[0010]
更进一步地，所述主界面模块包括：界面绘制单元，用于界面显示的图的绘制；控件显示单元，用于显示控件；数据据拟合单元，用于拟合数据；人机交互单元，用于人机交互。
[0011]
更进一步地，所述坐标系模块包括：坐标系显示单元，用于显示畜禽粒状饲料水分测定数据的坐标系；坐标系平移单元，用于畜禽粒状饲料水分测定数据的坐标系平移；坐标系缩放单元，用于畜禽粒状饲料水分测定数据的坐标系缩放；坐标系转换单元，用于畜禽粒状饲料水分测定数据的坐标系转换。
[0012]
更进一步地，所述串行通信模块包括：串口参数设置单元，用于串口参数设置；数据发送单元，用于串口数据发送；数据接收单元，用于串口数据接收。
[0013]
更进一步地，所述数据管理模块包括：数据保存单元，用于保存数据；图像保存单元，用于保存图像；数据文件打开单元，用于打开数据文件；数据文件转换单元，用于转换数据文件。
[0014]
更进一步地，所述动态图示模块包括：输出曲线动态显示单元，用于输出曲线动态显示；特性参数实时显示单元，用于特性参数实时显示。
[0015]
本发明的优点：本发明以建立水分模型和bp融合算法的方式处理数据、选取差频式圆柱形电容传感器检测粒状饲料样品电容、无损在线监测。
[0016]
本发明成本低、可以在5~8秒内测定粒状饲料含水率，效率高、可以实现快速在线监测。
[0017]
除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。
附图说明
[0018]
构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
[0019]
图1是本发明的硬件结构框图；图2是本发明的信号产生电路原理图；图3是本发明的信号调理电路原理图；图4是本发明的工作电源电路原理图；图5是本发明的液晶显示电路原理图；图6是本发明的按键电路原理图；图7是本发明的温度传感器电路原理图；图8是本发明的通信电路原理图；图9是本发明的存储器电路原理图；图10是本发明的上位机软件系统结构框图；图11是本发明的上位机软件系统流程图；图12是本发明的三层bp算法网络结构图；图13是本发明的bp神经网络算法流程图；图14是本发明利用测量的水分数据与国标标准烘干法测定的数据对比试验图；图15是本发明在5℃~20℃温度范围内将所测定的部分含水量实验数据用matlab进行的曲线拟合图。
具体实施方式
[0020]
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
[0021]
参考图1至图9一种基于bp神经网络的畜禽粒状饲料水分测量装置，包括上位机软件系统和硬件系统，上位机软件系统设置在pc机；硬件系统包括微控制器、圆柱形电容器、信号发生电路、信号调理电路、工作电源电路、温度传感器电路、存储器电路、按键显示电路、串口通信电路；圆柱形电容器连接信号发生电路，信号发生电路连接信号调理电路；微控制器分别连接信号调理电路、工作电源电路、温度传感器电路、存储器电路、按键显示电路、串口通信电路；串口通信电路连接pc机；工作电源电路用于测量装置供电；温度传感器电路用于温度信号采集；存储器电路用于数据存储；按键电路用于按键控制；液晶显示电路用于液晶显示；串口通信电路用于串口通信。
[0022]
信号发生电路包括芯片max038及外围电路。
[0023]
本发明以建立水分模型和bp融合算法的方式处理数据、选取差频式圆柱形电容传感器检测粒状饲料样品电容、无损在线监测。
[0024]
本发明成本低、可以在5~8秒内测定粒状饲料含水率，效率高、可以实现快速在线监测。
[0025]
信号调理电路包括放大器u1，比较器u2，光电耦合器u3，电阻r1、r2、r3、r4、r5、r6；电阻r1跨接于放大器u1的反相端和地之间；电阻r2跨接于fre in端和放大器u1的同相端之间； fre in端的作用为频率信号输入端；电阻r3跨接于ref 5v端和放大器u1的同相端之间；ref 5v端为5v基准电压。
[0026]
电阻r4跨接于放大器u1的反相端和放大器u1的输出端之间；比较器u2的同相端连接放大器u1的输出端，比较器u2的输出端通过电阻r5连接光电耦合器u3的输入端，光电耦合器u3的输出端一端连接信号调理电路输出端output，另一端连接地；电阻r6跨接于5v电源和地之间。
[0027]
优选的，微控制器为单片机；放大器为ad8606；比较器为lm393。
[0028]
光电耦合器为6n37。
[0029]
工作电源电路包括电源转换芯片vr1，电容c4、c5、c6、c7，电阻r22，电感l1，二极管d11、发光二极管d12及稳压二极管d13；二极管d11跨接于12v直流电源输入端和电源转换芯
片vr1的输入端之间；电容c5、c6并联后跨接于电源转换芯片vr1的输入端和地之间；稳压二极管d13负极连接电源转换芯片vr1的输出端，负极连接地；电感l1跨接于电源转换芯片vr1的输出端和5v电源之间；电阻r22和发光二极管d12串联后，与电容c4和电容c7并联；电容c7的正极连接5v电源，负极连接地；按键电路包括按键s3、s4、s5、s7、s6及s8，电阻r23、r24、r28、r25、r26及r27；按键s3、s4、s5、s7、s6及s8的一端分别通过电阻r23、r24、r28、r25、r26及r27连接3.3v电源，按键s3、s4、s5、s7、s6及s8的另一端分别连接地；温度传感器电路包括温度传感器u2、电阻r2、电容c1；温度传感器u2的第二管脚连接温度信号，电阻r2跨接于电源vcc和温度传感器u2的第二管脚之间；电容c1跨接于电源vcc和地之间；通信电路包括串口通信芯片max232及其外围电路；存储器电路包括存储器at24c02,存储器at24c02连接微控制器。
[0030]
如图4所示，交流220v电压由市电提供，+12v电压经过电容滤波处理以后再传输到lm7805芯片的v
in
端，最终在v
out
得到了+5v电压。把所得的+5v电压进行滤波后，直至得到一个稳定且抗干扰的电压，然后再提供给所需的芯片以及元器件。+5v的电压连接了一个指示灯，当指示灯点亮时才能确定得到了所需的电压。
[0031]
液晶显示电路如图5所示。在此测定装置中，lcd12864可以实时显示检测到的测定样品测试环境温度，还可以显示当前采样电压值、当前水分值以及质量数值。还可以通过在lcd12864上设定相应的汉字以及字符来表征仪表的功能实现情况，同时用户可以及时记录并读取所需的输出参数数值。
[0032]
根据装置调试需要，设计了按键控制电路如图6所示。该电路中共有6个按键，其中按键s3用来调换测定系统的工作模式，按键s4用来控制是否进入液晶显示界面。而其余4个按键s5、按键s6、按键s7、按键s8是来控制系统的调试以及来控制所显示内容的切换，以便及时显示用户所关心的输出特性参数的数据。
[0033]
液晶显示电路与按键控制电路的结合将会让温差发电系统的调试工作简单化，提高了本温差发电系统的工作稳定性，从而也使得该装置拥有一个简单实用的的人机交互操作平台。
[0034]
使用单总线式数字温度传感器ds18b20测定牛羊粒状饲料样品温度，如图7所示。工作时电源电压为+5v，把检测到的模拟信号转换成数字信号，然后通过一根信号线将转换好的数据直接传输给stm32单片机。
[0035]
cpu的外部通信方式分为两种：串行通信与并行通信。并行通信可以实现多位传输，传输速度快且传输效率高，但成本高。串行通信则是将数据按顺序进行传输，传输速度较慢但是成本低。结合本发明的要求，并从电路结构的易实现和成本方面考虑，最终选择串行异步通信作为本发明的通信方式如图8所示，其传输的波特率在50-19200hz范围内可调，可以完全能够达到本装置对传输速率的设计要求。
[0036]
考虑到装置设计中针对不同品种的牛羊粒状饲料，会有不同的校正参数，这些参数应当能够在线修正和实时存储，且保证掉电不丢失数据。所以本发明采用了总线与连接到总线上的器件之间进行数据交换，并可根据地址识别总线上每个器件。at24c02与单片机的接口连接较为简单，时钟线和数据线分别接10k的上拉电阻。如图9所示。
[0037]
装置的工作过程：系统上电后，系统开始进入各个模块初始化状态，然后再到达水分测定阶段，将待测牛羊粒状饲料样品装入容器内部，其中差频式圆柱形电容传感器及其外部电路实现粒状饲料样品电容值测量，样品紧实度主要由压力传感器检测得到，样品测试环境的实时温度由温度传感器ds18b20测定。牛羊粒状饲料样品电容值、温度值、质量值等有效输入信号经过信号调理电路和adc模块电路传输给主控核心stm32f103c8t6单片机。单片机将会采集待测牛羊粒状饲料样品的输出频率、测试环境实时温度、质量值等信号并由此计算样品差频值和紧实度，经控制算法和热敏电阻进行温度补偿后建立数学模型，达到样品水分快速无损测定目的。样品的主要特性参数在上位机人机交互界面和单片机液晶lcd12864上均实时显示，此外养殖用户还可以通过按键电路控制单片机内部存储模块记录下历史测量数据。
[0038]
参考图10和图11，上位机软件系统包括：主界面模块，用于显示主界面；坐标系模块，用于坐标系显示；串行通信模块，用于串行通信；数据管理模块，用于数据管理；动态图示模块，用于参数动态显示。
[0039]
主界面模块包括：界面绘制单元，用于界面显示的图的绘制；控件显示单元，用于显示控件；数据据拟合单元，用于拟合数据；人机交互单元，用于人机交互。
[0040]
坐标系模块包括：坐标系显示单元，用于显示畜禽粒状饲料水分测定数据的坐标系；坐标系平移单元，用于畜禽粒状饲料水分测定数据的坐标系平移；坐标系缩放单元，用于畜禽粒状饲料水分测定数据的坐标系缩放；坐标系转换单元，用于畜禽粒状饲料水分测定数据的坐标系转换。
[0041]
串行通信模块包括：串口参数设置单元，用于串口参数设置；数据发送单元，用于串口数据发送；数据接收单元，用于串口数据接收。
[0042]
数据管理模块包括：数据保存单元，用于保存数据；图像保存单元，用于保存图像；数据文件打开单元，用于打开数据文件；数据文件转换单元，用于转换数据文件。
[0043]
动态图示模块包括：输出曲线动态显示单元，用于输出曲线动态显示；特性参数实时显示单元，用于特性参数实时显示。
[0044]
上位机软件利用c#语言编写，开发平台为visual studio2019软件，主要由人机交
互界面程序、串行通信程序、数据处理及管理程序、数据动态显示显示等部分组成。该测定仪能够把温度传感器检测到的实时温度数值以及用户关心的输出特性参数的数据通过stm32f103c8t6的串口发送到此上位机的串口上。该上位机软件再从com串口端读取所要接收到的传输数据，继续对上述参数数据进行显示、存储以及数据拟合等操作。上位机软件上显示的实验参数的实时数据可以保存为文本格式和mat数据格式即matlab的数据存储的标准格式。其中文本文件格式可以用文字以及数据进行曲线拟合，用户可以使用matlab软件对mat数据格式下的参数数据进行深入分析与研究。打开该水分测定仪的可执行文件teg.exe后，进入人机交互界面。
[0045]
畜禽粒状饲料水分在线快速测定原理：直接式测量和间接式测量方式在饲料水分测量领域应用广泛，但考虑到国标对畜禽粒状饲料水分测定有严格的要求，故排除了采取接直接式烘箱有损检测水分的测量方案而采取间接式电容法无损测定方案。因此选用一种根据不同物体介电常数的差异会引起其电容量变化这一原理所研制的变介质型电容水分传感器来测量待测粒状饲料样品水分。
[0046]
圆柱形电容器电容值根据下式计算：
ꢀꢀ
（1）式中：式中：为外圆柱半径；r
a
为内圆柱半径；h为圆柱电容器高度；为两圆柱极介质的介电常数。
[0047]
粒状饲料初始含水量为m，初始介电常数为，电容初始值为c，若粒状饲料含水量为，其介电常数变为，则电容改变量为
ꢀꢀ
（2）给上式同时除以电容c并将式（1）代入式（2）则可得：（3）上述电容值的相对变化与粒状饲料的介电常数变化是一种线性函数关系。故对于水分含量为m的粒状饲料，当水分含量变化时，其相对介电常数亦变化，引起电容变化为，故与也成线性关系。
[0048]
在上述测定理论基础上，测量装置采用电容法对畜禽粒状饲料水分进行测定，是一种非接触式非电量电测法。将圆柱状传感器接入振荡电路中，测定原理为把待测牛羊草颗粒饲料样品作为圆柱状电容器的极间介质，含水率不同的待测饲料样品会使其相对介电常数不同，电容水分传感器的电容值c发生变化，通过差频式检测电路测量出电容值c可以
间接得到含水率。考虑到电容传感器容易受环境温度等因素干扰及传感器输出的电容值变化情况不易检测，系统采用将传感器电容值c转化为频率f输出的电路，把电容传感器接入振荡电路中，在不同环境温度下建立样品水分和振荡电路输出频率变化之间的函数关系，由此来计算出待测样品中的水分含量值。
[0049]
主控制器模块：主控制器是粒状饲料水分测量装置硬件电路的核心，考虑到高可靠分析处理获取的数据且快速准确实现粒状饲料水分测量，选取32位嵌入式芯片stm32f103c8t6通过运行相应的软件程序来实现准确识别和采集传感器每帧数据信号的发送、进行相应的数据处理和送入液晶进行实时显示等功能。
[0050]
差频式电容检测模块：平行板电容传感器适用于皮革、纸板等片状被测物的水分检测，而圆柱形传感器适用于小颗粒状待测物。考虑到待测粒状饲料装入容器中会产生气隙使得其介电常数值较小且扩宽传感器极板有效面积，故采取抗同轴圆柱形电容传感器。选择两组材质、面积等均相同的圆柱形电容器，一组作为检测粒状饲料水分含量用，另外一组传感器为空。分别将两组电容器的上下极板固定在同一个平面，始终保证两组传感器两极板间距相同，即两组传感器除极间介质不同外其它条件均保持相同。
[0051]
stm32f103c8t6同时采集两组传感器的输出频率值并求其差值。基于采用了差频式传感器后最终系统输出值还会受环境温度影响的现状，故本发明中对测定环境温度值进行了补偿。电容检测转换电路如图3所示。振荡电路主控核心芯片选用高频信号源max308，当圆柱形电容传感器的输出电容值发生变化时，max308将其作为波形产生电路的一部分，使得电容的改变量转换为输出频率的改变量。max038供电电压为
±
5v，其基本振荡器是一个交变的以恒流向电容器（c
f
）充电和放电的张弛振荡器。充电和放电的电流是由流入i
in
的电流来控制的，并由加到fadj和dadj上的电压控制。当vref=0时i
in
端的电流变化范围为2ua-750ua，当在fadj引脚上施加
±
2.4v电压时，可改变
±
70%的标称频率(与vfadj=0v时比较)，此方法可精确控制频率。系统的频率信号为信号产生电路的输出信号，为幅值在-2v-2v间的方波信号，在圆柱形电容传感器内部安装具有负温度系数的热敏电阻，并将其与max308振荡电路接在一起。测定过程中，温度传感器实时测定环境温度，利用热敏电阻对温度的敏感性，对温度影响进行一定的补偿。
[0052]
测量装置的软件设计：系统软件控制系统由下位机单片机控制模块和上位机在线实时监测模块构成。下位机控制模块以stm32为微控制器检测输出的方波脉冲频率，利用所建立水分数学模型，得出水分与频率以及其他关键影响因素的数学函数关系并将粒状饲料水分值在液晶上实时显示。该测量装置分析了由于测量装置内部原因所造成的误差，将其模型及改善算法通过数据处理程序的方式存储于stm32嵌入式单片机和上位机软件程序中，达到处理测定数据误差的目的。
[0053]
下位机软件系统主要由初始化、温度测量、按键及显示、存储器程序等部分构成。采用卡尔曼智能滤波算法及各项抗干扰措施，以除去干扰信号影响和提高对有效信号处理性能。
[0054]
用户在人机交互界面上实现对粒状饲料水分测定的日常管理。在pc上能够对所测
定的水分数据进行接收并实时显示水分含量变化曲线，重要信息可进行保存、备份、查询及打印。
[0055]
根据软件程序应该采用模块化构成方式的原则，本发明的上位机测试软件的结构框图如图5所示。
[0056]
粒状饲料水分测定误差分析及其数据处理：选择电容法测定畜禽粒状饲料水分，饲料介电常数不仅与其含水量m有关系，还受饲料品种n、环境温度t、饲料装载的紧实程度d影响。上述关键因素都是随机的，故系统没有确定的数学模型可供建立。本发明通过对所测定的大量数据进行分析和研究，利用多元回归分析方法进行建立模型，并基于bp神经网络数据融合算法实现多传感器数据融合补偿温度、紧实度等因素所造成的测定误差。
[0057]
数学模型建立：畜禽粒状饲料水分测量装置要能检测出由不同材料配制而成的饲料品种，就需要针对每种待测品种建立数学模型，将市面上份额较多的待测物数学模型参数存入stm32微处理器中。实际测定过程中用户可以自动选择调取其数学模型进行数据检测。对于每种不同材料制成得的粒状饲料，要测定其水分含量，必须要建立其水分含量m与频率值、环境温度t、装载的紧实程度d的函数数学关系，其具体函数关系可抽象为：
ꢀꢀ
（4）在本次拟合中对牛羊颗粒饲料进行了多次数据测定和分析，得到了在不同温度下待测样品含水量m与差频值的二维、三维曲线图。将大量测定数据应用于matlab软件对回归曲线进行拟合，matlab能提供可视化的图形界面来便于与用户理解多元回归方法。最终借助于最小二乘法得到了测量装置最佳数学模型。
[0058]
神经网络算法设计及实现：基于一种三层误差反向传播的多层前馈神经网络即bp神经网络算法对粒状饲料水分测定值进行有效信息融合，具体网络结构如图12所示，其中正向传输、反向传输过程会反复行直至误差信号在设计允许范围内。
[0059]
在不同温度t（5℃、10℃、15℃、20℃）下测定不同含水量（10%、12.5%、14%、15.5%、17%）的待测牛羊粒状饲料样品，并把各个传感器测定到的频率、温度、质量数据结果作为融合算法的三个输入信息值传输到隐含层上。上述三层网络的输入层节点个数为3，输出层节点个数为1，隐含层节点个数通过经验或是多次训练比较来确定。设输入神经元个数为n、输出神经元个数为m，隐含层层神经元个数为k，通常使用求取神经元范围的公式得出神经元取值范围如式3所示：
ꢀꢀ
（3）由于c的取值范围为[1,10]，输出个数为1个，输入个数为3个，则据上式可得出隐含层神经元的取值范围为[3,12]，在本发明中隐含层节点个数取8。神经网络的传递函数选用sigmoid双曲正切非线性函数，隐含层和输出层采用purelin的激活函数，采用trainlm函数进行神经网络训练。根据上文神经网络模型的构建预测模块及训练步骤进行训练，使用matlabr2010b软件，对隐含层和输出层分别采用purelin的激活函数，模型训练函数为trainglm。利用matlab运行trainglm函数对待测样本数据训练直至满足训练要求及训练目
标，以确定神经网络的权值和阈值，从而实现了多传感器信息融合算法。神经网络算法融合过程的流程图如图13所示。把频率、温度、质量数据结果绘制成相应的表格，利用查表法把多传感器信息有效融合技术应用stm32控制器中，提高粒状饲料水分含量测定的精准度。
[0060]
bp神经网络算法是与多传感器信息融合结合起来的，影响电容式水分测定系统测定精度和稳定性的因素主要有：待测样品的水分值、温度、品种、紧实度（样品质量），单纯测水分，不精确。把水分值、温度、质量一起作为信息融合需要的数据，采用bp神经网络算法作为信息融合方法。输入变量是单片机检测得到的水分值、温度值、质量值，考虑到单片机c语言编程实现的数学运算具有一定局限性，故采用查表法完成信息融合算法在单片机中的应用。本发明基于matlab进行bp神经训练和输出结果仿真。bp神经网络数据融合后的水分输出效果和真实值的误差较小，能说明该算法可消除检测过程中多因素的影响。
[0061]
粒状饲料水分测量装置设计：按照系统设计要求及考虑到养殖用户便于操作和后期维修保养，该系统的结构设计模型如图14所示。
[0062]
将粒状饲料装满圆柱形电容传感器，按下开关按键在系统规定时间内就能够自动测定出粒状饲料水分含量并在彩色液晶显示器上实时显示，在上位机上可观察测定数据。系统额外设置有四个独立按键，以完成用户对各项参数的在线修正，系统水分测定结果在彩色液晶显示器上实时显示。在圆柱形传感器的传感头基础上，利用热传递规律和相变控温材料的特性设计相变温控结构，使得电容传感器有效测量范围内的温度基本保持不变，对测定温度进行补。为提高系统测定速度，系统中采用了e2prom存储器模块at24c02，用以存储不同检测样品的系统标定参数值。用户可通过上位机pc来接收和显示数据以及粒状饲料水分数据变化曲线。
[0063]
图14是利用本发明测定的水分数据与国标标准烘干法测定的数据之对比试验；通过对比测量实验来检测系统的测定精度。
[0064]
图15是在5℃~20℃温度范围内将所测定的部分含水量实验数据用matlab进行的曲线拟合图。
[0065]
测量结果处理及分析：在分析该系统的测量精确度时，取已配制好的不同含水量的牛羊粒状饲料样品，利用该系统对待测饲料样品的含水量进行自动化测定，利用上位机软件存储大量的饲料水分数据。以gb/t6435-2014规定的标准烘干法测定出的样品含水量作为基准值，通过对比测量实验来检测系统的测定精度。预先制备10%~17%含水量牛羊粒状饲料，其中饲料按1.5%的水分间隔制备样品。在5℃~20℃温度范围内将所测定的部分含水量实验数据用matlab进行拟合如图14和图15所示。可以看出与烘干法相比，该测量装置测定绝对误差小于1.2%。
[0066]
将粒状牛羊饲料放入圆柱形电容传感器后不改变外界测定条件，对上述含水率相同的粒状饲料多次测定，并基于测定数据进行重复性误差测量，其结果如表1所示。在测定次数为200条件下，测定重复性误差会随着粒状饲料水分的逐步增加而呈现出递增趋势，但最大重复性误差仍小于0.2。
[0067]
表1 重复性误差
使用在畜禽饲料制造与加工领域内市场上各种水分测定仪和该测量装置进行对比测量实验，其在测定时间、工作性能等方面的结果如表2所示。可看出该测定仪仅耗时5~8s且易于连续在线测定。
[0068]
表2 对比测量实验利用该测量装置能够在规定实验环境下对粒状牛羊饲料水分含量进行多次测定，实现了准确快速、全自动化水分测定及有效降低饲养成本发明目标。同时考虑到后期更新升级，特此研发了与之配套的信息处理系统测试软件来实时监控测定全过程和保存相关的参数数据。
[0069]
本发明针对传统式畜禽粒状饲料水分含量测定过程中存在的成本耗费大、测定效率低、无法实现快速在线检测等问题，提供了一种无损间接式新型水分在线快速测量装置。以嵌入式芯片stm32f103c8t6为主控核心；选取差频式圆柱形电容传感器检测粒状饲料样品电容；使用温度传感器ds18b20测定样品测试环境温度；基于bp神经网络融合算法实现多传感器数据融合以补偿温度、紧实度等因素所造成的测定误差；根据多元回归分析方法建立粒状饲料样品水分率模型并利用matlab曲线拟合。
[0070]
实验结果表明：该系统能够在5~8s内测定粒状饲料含水率，测定绝对误差低于1.2%，测量重复性误差小于0.2。
[0071]
结论表明：该系统符合养殖业饲料生产精准管理且有效降低饲养成本的新要求。
[0072]
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。