III. ANALYSIS OF FEEDING SIGNALS

A. GENERATION OF FEEDING SIGNALS

During the signal collection process, it can be observed through real-time photographic recording that before the first feeding, most of the shrimp were not moving at the bottom of the tank, and some of them were swimming. 30 seconds after the signal collection, the required feed was put into the tank, and most of the shrimp began to swim and grab food. With the increase of collection time, most of the shrimp gradually stopped swimming and ate at the bottom of the tank. Before the second feeding, the situation in the tank was the same as that in the first feeding signal collection. After feeding, only a small number of shrimp were moving to grab food. Until the third feeding signal collection, almost no shrimp was moving after feeding.

Through the time-domain observation of the three collected signals, before feeding in the experimental tank of 5 shrimp, almost no signal was generated and then be collected. After 30 seconds, signals are detected and collected, as shown in Fig. 4(a), (b), and (c). After 30 seconds of signal acquisition, the food was fed. By comparing with the photographic record, the shrimp began to move to grab food and eat, and the acoustic signal generated during the movement of the shrimp was collected. As the number of feedings increased, most of the shrimp stopped moving to grab the food. This phenomenon indicates that the movement of shrimp to grab food represents the feeding activity. When the shrimp was fed for the first time, the degree of starvation was high, and the number of collected signals was dense and large. Signals were generated during the entire collection time, indicating the progress of the feeding activities. With the increase of feeding times, the starvation degree of shrimp decreased. They gradually stopped moving, and the number of acoustic signals collected decreased. Until the end of the third feeding signal collection period, no signal was collected. The three feeding signals collected in the 10-shrimp experiment tank are roughly the same as those in the 5-shrimp experiment tank, as shown in Fig. 4(d), (e), and (f).

Hình 4. Miền thời gian thu thập tín hiệu cho 3 lần cho ăn khác nhau. (a, b, c) 5 con tôm, (d, e, f) 10 con tôm.

FIGURE 4. Time domain of signal acquisition for 3 different feedings. (a, b, c) 5-shrimp, (d, e, f) 10-shrimp.

The signal is analyzed by short-time Fourier transform, and the window length is 0.1s. In the case of different numbers of shrimp, 30 seconds after the first feeding, the energy of 15-25dB in the frequency range of 2-10KHz increased significantly, and it lasted for 10 seconds after the feeding started, as shown in the red box of Fig. 5. In the latter period of time, energy intermittently increased significantly, indicating the progress of feeding activities of shrimp.

Hình 5. Sự phân bố tần số theo thời gian của tín hiệu thu được trong lần cho ăn đầu tiên. (a) 5 con tôm, (b) 10 con tôm

FIGURE 5. Time-frequency distribution of signal collected for the first feeding. (a) 5-shrimp, (b) 10-shrimp.

B. ANALYSIS OF TIME DOMAIN WAVEFORM AND FREQUENCY SPECTRUM OF FEEDING SIGNALS

The feeding acoustic signal generated by the movement of Litopenaeus vannamei collected in the experiment is in the form of a single pulse, as indicated by magnified graph in red box in Fig. 6. The signal duration range is 8-10ms, and the frequency range is 2-10 KHz. There is a maximum spectral peak near the frequency of 5KHz, and the intensity is about – 78dB, as shown in Fig. 7(a). Comparing the frequency domain waveform of the shrimp feeding interval with the frequency

Hình 6. Tín hiệu cho ăn

FIGURE 6. Feeding signals.

Hình 7. Miền tần số dạng sóng của tín hiệu cho ăn

FIGURE 7. Frequency domain waveform of shrimp feeding signals.

domain waveform of the shrimp not feeding interval, it can be found that in the range of 2-10KHz, the signal energy of the former is higher than that of the latter, indicating that new acoustic signals is generated during feeding, as shown in the Fig. 7(b).

Compared with the Penaeus monodon (giant tiger prawn) feeding sound signal studied by Daniel et al. [3], most of the signal energy of the tiger prawn feeding sound signal is concentrated in the resonance frequency band between 3KHz and 7.6KHz on average, the signal duration is between 0.48ms and 0.72ms, and the maximum peak appears in the range of 5-10KHZ.

C. CORRELATION BETWEEN FEEDING SOUND SIGNALS AND SWIMMING MOVEMENT

Litopenaeus vannamei is in a state of restlessness during hypoxia, and most of the shrimp are swimming quickly in the tank. The experiment carried out 1-minute data signal acquisition for this situation, as shown in Fig. 8. Correlation calculation is carried out between the shrimp feeding signal d(t) and the complete shrimp hypoxic agitation signals(t) [6], so as to obtain the detected value, which represents the correlation value D at each time step t.

Đại diện cho giá trị tương quan D tại mỗi bước thời gian t

Hình 8. Miền thời gian của tín hiệu chuyển động của tôm trong trạng thái thiếu oxyFIGURE 8. Motion signals of shrimp in hypoxic state-time domain.

Through the correlation detection algorithm, the correlation value is higher than 0.05, indicating that the correlation between the signals is high, as shown by the red line in Fig. 9. This result also shows that shrimp move intensively when they are hungry, and then grab food and produce motion sound signals, which characterize the progress of feeding activities

Hình 9. Mối tương quan giữa tín hiệu chuyển động của tôm ở trạng thái thiếu oxy và tín hiệu cho ăn một lần

FIGURE 9. Correlation between motion signals of shrimp in hypoxic state and single feeding signal.

IV. DETECTION OF THE EFFECTIVE RANGE OF THE FEEDING SIGNALS

Before the detection of the effective range of the feeding signal, the measured initial signal is preprocessed, and a band-pass filter is applied to the signal, thereby suppressing the influence of environmental, man-made or biological noise on the target signal. Next, through threshold detection, the starting point and ending point of the signal are detected. Because in the next shrimp feeding signal processing, only the signal segment is processed. In this study, the dual-threshold method was used to detect the effective range of feeding signal. The algorithm is based on the short-term energy and the short-term average zerocrossing rate of the signal [12]. The effective shrimp feeding signal is determined by a two-level threshold judgment method. In the actual operation of the detection, after the normalization process, the collected signal is first processed by window division, with the window length of 0.01s. On the basis of the window division, the short-term average energy and short-time average zero crossing rate of the signal are obtained, and the comparison and judgment are made according to the threshold value.

Suppose the time domain of the collected signal is s(n), and the i-th window signal obtained after windowing by the window function w(n) is yi(n), then yi(n) satisfies:

Phương trình

In the equation, w(n) is the Hamming window; yi(n) is the voltage amplitude collected by the i-th window signal, L is the window length; inc is the window shift length; fn is the total number of windows after the signal is windowed.
The short-term energy equation for calculating the i-th window signal is

Phương trình năng lượng ngắn hạn

The short-term average zero-crossing rate indicates the number of times the signal waveform crosses the zero level in a window signal. For continuous signals, zero crossing means that the time-domain waveform passes through the time axis; for discrete signals, if adjacent sample values change signs, it is called zero crossing. The short-term average zero-crossing rate is the number of times the sample value changes sign

The short-term average zero-crossing rate equation for calculating the i-th window signal is:

Phương trình tỷ lệ qua điểm 0 trung bình ngắn hạn

After calculating the short-term energy and the short-term average zero-crossing rate of the complete signal, the first decision is made. First, according to the short-term energy of the signal, a higher threshold H1 is selected for rough judgment. There are starting and ending points of the feeding signal in the range outside the time point corresponding to the intersection of this threshold and the short-term energy envelope. Then select a lower threshold H2, continue to search from the possible range of the last rough judgment, and find the two points A and B where the threshold H2 intersects the short-term energy envelope. These two points are the starting point and the ending point of the feeding signal determined by the short-term energy. After that, a secondary judgment is made on the basis of the first judgment. At this time, based on the short-term average zero-crossing rate, select the threshold H3, and continue searching from outside the range determined by points A and B, and find two points C and D where the threshold and the short-term average zero-crossing rate intersect respectively. Finally, the range between the time points corresponding to points C and D is the effective range of the shrimp feeding signal.

Hình 10. Phát hiện phạm vi hiệu quả của tín hiệu cho ăn (5 con tôm).

FIGURE 10. Detection of the effective range of the feeding signals (5-shrimp). (a, d) The first feeding, (b, e) The second feeding, (c, f) The third feeding.

Fig. 10(a), (b), and (c) show the detection results of the effective range of the signals collected by three feedings in the 5-shrimp experimental tank. The red box is the detected signal. The partial enlarged view is shown in Fig. 10(d), (e), and (f). The red solid line is the starting point of the feeding signal, and the red dashed line is the ending point of the feeding signal. According to the figure, the number of signals detected during the first feeding is higher than the last two feedings. The motion sound signal produced by the shrimp during feeding will gradually decrease as the decrease of shrimp starvation and the increase of feeding times. The detection results of three feeding signals collected in the experimental tank where 10-shrimp are located are roughly the same as those in the experimental tank for 5-shrimp, as shown in Fig. 11.

Hình 11. Phát hiện phạm vi hiệu quả của tín hiệu cho ăn (10 con tôm).

FIGURE 11. Detection of the effective range of the feeding signals (10-shrimp). (a, d) The first feeding, (b, e) The second feeding, (c, f) The third feeding.

According to the number of signals generated by different shrimp numbers and feeding times, as shown in Fig. 12. During the first feeding, the number of sound signals generated by 10 shrimp within 8 minutes of data collection could reach 88, and in the same experimental scenario, the number of acoustic signals of 5 shrimp could reach 47. More than half of the signals were detected within 1 minute after feeding. With the increase of time, the number of signal detection gradually decreased. In the later stage of collection, almost no signal was detected. That is, with the increase of feeding times, the starvation degree of shrimp decreased, and the movement gradually stopped, and the number of acoustic signals collected decreased. At the same time, in the experimental tank of 10 shrimp, the number of shrimp feeding signals collected by three feedings was higher than that of 5 shrimp experimental tank. This phenomenon indicates that the number and the starvation degree of shrimp are directly proportional to the number of shrimp feeding signals. As the number of feeding times increases, the starvation degree of shrimp and the number of shrimp feeding signals decreases.

Hình 12. Thống kê số lượng tín hiệu bắt mồi của tôm

FIGURE 12. Statistics on the number of shrimp feeding signals.

V. NOISE SIGNAL ANALYSIS

When the oxygen generator is not turned off, the continuous background noise generated by the oxygen generator will affect the signal acquisition. In future detection algorithms, the key problem is how to detect shrimp feeding signals from the continuous background noise generated by the oxygen generator. The signal generated by the oxygen generator is similar to the shrimp feeding sound signal, and in the time domain, it is also a repetitive single pulse signal, as shown in Fig. 13.

Hình 13. Miền thời gian của tiếng ồn từ máy tạo oxy

FIGURE 13. Time domain of oxygen generator noise.

When the signal is collected, it is superimposed on the feeding signal as a series of pulse signals. In the frequency domain, the frequency range of the noise signal is 7-13KHz. On average, the resonance band is higher than the feeding signal, and there is a partial overlap of frequency bands, as shown in Fig. 14.

Hình 14. So sánh miền tần số giữa tín hiệu tiếng ồn của máy tạo oxy và tín hiệu cho ăn

FIGURE 14. Frequency domain comparison of noise signal of oxygen generator and shrimp feeding signal.

In other experimental environments, there are other pulse interferences, coupled with the time similarity of feeding and interference events, which leads to misjudgments in signal detection, which illustrates the potential difficulty in distinguishing feeding activities from other types of pulse interference.

VI. CONCLUSION

Through the comparison of signal time domain analysis and real-time photographic records, in the case of different numbers of shrimp, no acoustic signals were collected when they were not fed, and after 30 seconds of signal acquisition, the food was fed, acoustic signals were collected. When the shrimp was first fed, the starvation level of the shrimp was high. The shrimp grabbed food and ate by swimming. As the number of feedings increased, the starvation of the shrimp decreased, and the intensity of exercise showed a downward trend. The shrimp gradually stopped exercising and then stopped eating. This phenomenon indicates that the start of shrimp feeding will generate the related signals and it is related to shrimp movement. By correlating the collected signal with the acoustic signal of the shrimp moving during hypoxia, the correlation value is high, which further shows that when the shrimp is hungry, it swims and grabs food to generate acoustic signals.

Based on the passive acoustic technology to collect the feeding motion sound signal of Litopenaeus vannamei, through time domain and frequency domain analysis, it is found that the signal is similar to single pulse signal, the duration is about 8-10ms, and the resonance band range in the frequency domain is 2-10KHz. The detection of the effective range of the shrimp feeding signal is carried out by the dualthreshold method, and then the number of shrimp feeding signals is calculated. Through statistical analysis, the number of signals generated during the first feeding of the 10-shrimp experimental tank is the largest. With the decrease of the number of shrimp, the increase of feeding times and the decrease of shrimp hunger degree, the number of feeding signals generated gradually decreases, which provided theoretical basis for further on-demand control of feeding amount.

At the same time, other impulse noises will have a greater impact on the collection and detection of shrimp feeding signals. The noise pulse signal generated by the oxygen generator partially overlaps the resonance frequency band of the target feeding signal. In the future research work, we will consider how to correctly detect the target feeding signal under the background noise generated by the oxygen generator, so as to realize the automatic and intelligent feeding of shrimp and improve economic benefits.

Group of authors: Maochun Wei, Yating Lin, Keyu Chen, Wei Su, (Member, Ieee), và En Cheng

Reference: https://ieeexplore.ieee.org/stamp/stamp.jsp?arnumber=9178285

“Domesticated Shrimp Postlarvae – The Key To Success”

See more:

Công Ty TNHH PTTS Bình Minh

Hotline: 1900.86.86.69

III/ PHÂN TÍCH CÁC TÍN HIỆU CHO ĂN

1/ Sự hình thành các tín hiệu cho ăn

Trong quá trình thu thập tín hiệu, có thể quan sát thấy thông qua camera rằng trước lần cho ăn đầu tiên, hầu hết tôm không di chuyển dưới đáy bể, và có một số con đang bơi. 30 giây sau khi thu thập tín hiệu, lượng thức ăn cần thiết đã được đưa vào bể, và hầu hết tôm bắt đầu bơi và lấy thức ăn. Với sự gia tăng thời gian thu thập tín hiệu, hầu hết tôm đã dần dần ngừng bơi và tập trung ăn ở đáy bể. Trước lần cho ăn thứ hai, tình hình trong bể giống như trong lần thu thập tín hiệu cho ăn đầu tiên. Sau khi cho ăn, chỉ có một số ít tôm di chuyển để lấy thức ăn. Cho đến lần thu thập tín hiệu cho ăn thứ ba, hầu như không có tôm nào di chuyển sau khi cho ăn.

Quan sát miền thời gian của 3 tín hiệu thu thập được, kết quả nhận thấy trước khi thức ăn cho vào bể thí nghiệm 5 con tôm hầu như không phát ra tín hiệu nào. Sau 30 giây, các tín hiệu được phát hiện và thu thập, như trong Hình 4 (a), (b) và (c). Sau 30 giây nhận được tín hiệu, thức ăn đã được cho ăn. Thông qua camera, có thể thấy tôm bắt đầu di chuyển để lấy thức ăn và ăn, và tín hiệu âm thanh được tạo ra trong quá trình di chuyển của tôm được thu thập. Khi số lần cho ăn tăng lên, hầu hết tôm ngừng di chuyển để lấy thức ăn. Hiện tượng này cho thấy chuyển động của tôm để lấy thức ăn thể hiện hoạt động kiếm ăn. Khi tôm được cho ăn lần đầu, mức độ đói cao, số lượng tín hiệu thu được dày và lớn. Các tín hiệu được tạo ra trong toàn bộ thời gian thu thập cho biết tiến trình của các hoạt động kiếm ăn ở tôm. Với việc tăng thời gian cho ăn, mức độ đói của tôm giảm xuống. Chúng dần dần ngừng di chuyển và số lượng tín hiệu âm thanh thu được giảm dần. Cho đến khi kết thúc giai đoạn thu thập tín hiệu cho ăn lần thứ ba, không có tín hiệu nào được thu thập. Ba tín hiệu cho ăn được thu thập trong bể thí nghiệm 10 con tôm gần giống với tín hiệu trong bể thí nghiệm 5 con tôm, như được thể hiện trong Hình 4 (d), (e) và (f).

Hình 4. Miền thời gian thu thập tín hiệu cho 3 lần cho ăn khác nhau. (a, b, c) 5 con tôm, (d, e, f) 10 con tôm.

Hình 4. Miền thời gian thu thập tín hiệu cho 3 lần cho ăn khác nhau. (a, b, c) 5 con tôm, (d, e, f) 10 con tôm.

Tín hiệu được phân tích bằng phép biến đổi Fourier thời gian ngắn và độ dài cửa sổ là 0,1 giây. Trong trường hợp số lượng tôm ở mỗi bể thí nghiệm khác nhau, 30 giây sau lần cho ăn đầu tiên, năng lượng 15-25dB trong dải tần số 2-10KHz tăng lên đáng kể và kéo dài trong 10 giây sau khi bắt đầu cho ăn, như được hiển thị trong khung màu đỏ của Hình 5. Trong khoảng thời gian sau, năng lượng tăng lên đáng kể, cho thấy quá trình của các hoạt động kiếm ăn của tôm.

Hình 5. Sự phân bố tần số theo thời gian của tín hiệu thu được trong lần cho ăn đầu tiên. (a) 5 con tôm, (b) 10 con tôm

Hình 5. Sự phân bố tần số theo thời gian của tín hiệu thu được trong lần cho ăn đầu tiên. (a) 5 con tôm, (b) 10 con tôm.

2/ Phân tích miền thời gian dạng sóng và phổ tần số của tín hiệu cho ăn

Tín hiệu âm thanh cho ăn do chuyển động của tôm thẻ chân trắng thu thập được trong thí nghiệm ở dạng xung đơn, như được biểu thị bằng biểu đồ phóng đại trong khung màu đỏ ở Hình 6. Phạm vi thời lượng tín hiệu là 8-10ms và dải tần số là 2-10KHz. Có một quang phổ cực đại gần tần số 5KHz và cường độ vào khoảng – 78dB, như thể hiện trong Hình 7 (a). So sánh miền tần số dạng sóng giữa khoảng thời gian cho tôm ăn và không cho tôm ăn, có thể thấy rằng trong khoảng 2-10KHz, năng lượng tín hiệu của tôm được cho ăn cao hơn tôm không được cho ăn. Điều này cho thấy rằng các tín hiệu âm thanh mới được tạo ra trong quá trình cho ăn, như thể hiện trong Hình 7 (b).

Hình 6. Tín hiệu cho ăn

Hình 6. Tín hiệu cho ăn

Hình 7. Miền tần số dạng sóng của tín hiệu cho ăn

Hình 7. Miền tần số dạng sóng của tín hiệu cho ăn.

So sánh với tín hiệu âm thanh cho ăn của tôm sú Penaeus monodon được nghiên cứu bởi Daniel và cộng sự, hầu hết năng lượng tín hiệu của tín hiệu âm thanh khi cho tôm sú ăn tập trung ở dải tần số cộng hưởng trung bình từ 3KHz – 7,6KHz, thời lượng tín hiệu từ 0,48ms – 0,72ms, và đỉnh cực đại xuất hiện trong khoảng 5-10KHZ.

3/ Mối tương quan giữa tín hiệu âm thanh lúc cho ăn và chuyển động bơi

Tôm thẻ Litopenaeus vannamei ở trong trạng thái lờ đờ khi thiếu oxy, và hầu hết đang bơi nhanh trong bể. Thí nghiệm đã tiến hành thu thập tín hiệu dữ liệu kéo dài 1 phút cho tình huống này, như thể hiện trong Hình 8. Tính toán tương quan được thực hiện giữa tín hiệu cho ăn d (t) và tín hiệu lờ đờ khi thiếu oxy của tôm s (t), để có được giá trị được phát hiện, đại diện cho giá trị tương quan D tại mỗi bước thời gian t.

Đại diện cho giá trị tương quan D tại mỗi bước thời gian t

Hình 8. Miền thời gian của tín hiệu chuyển động của tôm trong trạng thái thiếu oxyHình 8. Miền thời gian của tín hiệu chuyển động của tôm trong trạng thái thiếu oxy.

Thông qua thuật toán phát hiện tương quan, giá trị tương quan cao hơn 0,05, điều này cho thấy mối tương quan giữa các tín hiệu là cao, thể hiện qua đường màu đỏ trong Hình 9. Kết quả này cũng cho thấy tôm di chuyển mạnh khi chúng đói, sau đó đớp thức ăn và tạo ra tín hiệu âm thanh chuyển động, đây chính là các bước trong hoạt động kiếm ăn của tôm.

Hình 9. Mối tương quan giữa tín hiệu chuyển động của tôm ở trạng thái thiếu oxy và tín hiệu cho ăn một lần

Hình 9. Mối tương quan giữa tín hiệu chuyển động của tôm ở trạng thái thiếu oxy và tín hiệu cho ăn một lần.

IV/ PHÁT HIỆN PHẠM VI HIỆU QUẢ CỦA CÁC TÍN HIỆU CHO ĂN

Trước khi phát hiện phạm vi hiệu quả của tín hiệu cho ăn, tín hiệu ban đầu đo được sẽ được xử lý trước và bộ lọc thông dải được áp dụng cho tín hiệu, do đó sẽ loại bỏ được tiếng ồn từ môi trường hoặc máy móc lên tín hiệu mục tiêu. Tiếp theo, thông qua phát hiện ngưỡng, điểm bắt đầu và điểm kết thúc của tín hiệu được phát hiện.

Trong lần xử lý tín hiệu cho ăn tiếp theo, chỉ có một đoạn tín hiệu được xử lý.

Trong nghiên cứu này, phương pháp ngưỡng kép được sử dụng để phát hiện phạm vi hiệu quả của các tín hiệu cho ăn. Thuật toán dựa trên năng lượng ngắn hạn và tỷ lệ qua điểm 0 trung bình ngắn hạn của tín hiệu. Tín hiệu cho ăn hiệu quả của tôm được xác định bằng phương pháp đánh giá ngưỡng hai mức độ. Sau quá trình chuẩn hóa, tín hiệu thu thập được lần đầu tiên được xử lý bằng cách phân chia cửa sổ, với độ dài cửa sổ là 0,01s. Trên cơ sở phân chia cửa sổ, năng lượng trung bình ngắn hạn và tỷ lệ qua điểm 0 trung bình ngắn hạn của tín hiệu sẽ được thực hiện, so sánh và phán đoán theo giá trị ngưỡng.

Giả sử miền thời gian của tín hiệu thu thập được là s(n) và tín hiệu cửa sổ thứ i thu được sau khi tạo cửa sổ bởi hàm cửa sổ w(n) là yi (n), khi đó yi (n) thỏa mãn:

Phương trình

Trong phương trình:

w(n) là cửa sổ Hamming

yi (n) là biên độ điện áp mà tín hiệu cửa sổ thứ i thu được,

L là chiều dài cửa sổ; inc là chiều dài cửa sổ thay đổi

fn là tổng số cửa sổ thu đuọc.

Phương trình năng lượng ngắn hạn để tính toán tín hiệu cửa sổ thứ i là:

Phương trình năng lượng ngắn hạn

Tỷ lệ vượt mức 0 trung bình ngắn hạn cho biết số lần sóng tín hiệu vượt qua mức 0 trong tín hiệu cửa sổ. Đối với tín hiệu liên tục, giao nhau bằng 0 có nghĩa là miền thời gian dạng sóng đi qua trục thời gian; đối với tín hiệu đứt khúc, nếu các giá trị mẫu liền kề thay đổi dấu hiệu, nó được gọi là giao nhau không. Tỷ lệ vượt qua điểm 0 trung bình ngắn hạn là số lần dấu hiệu thay đổi giá trị mẫu.

Phương trình tỷ lệ qua điểm 0 trung bình ngắn hạn để tính tín hiệu cửa sổ thứ i là:

Phương trình tỷ lệ qua điểm 0 trung bình ngắn hạn

Sau khi tính toán năng lượng ngắn hạn và tỷ lệ qua điểm 0 trung bình ngắn hạn của tín hiệu, quyết định đầu tiên được đưa ra. Đầu tiên, theo năng lượng ngắn hạn của tín hiệu, ngưỡng H1 cao hơn được chọn để đánh giá sơ bộ. Có điểm bắt đầu và điểm kết thúc của tín hiệu cho ăn trong phạm vi nằm ngoài điểm thời gian tương ứng với giao điểm của ngưỡng này và vùng năng lượng ngắn hạn. Sau đó, chọn ngưỡng H2 thấp hơn, tiếp tục tìm kiếm từ phạm vi có thể của phán đoán sơ bộ cuối cùng, và tìm hai điểm A và B nơi ngưỡng H2 giao với đường bao năng lượng ngắn hạn. Hai điểm này là điểm bắt đầu và điểm kết thúc của tín hiệu cho ăn được xác định bởi năng lượng ngắn hạn. Sau đó, một phán đoán thứ cấp được thực hiện trên cơ sở của phán đoán đầu tiên. Tại thời điểm này, dựa trên tỷ lệ vượt 0 trung bình ngắn hạn, hãy chọn (3) ngưỡng H3 và tiếp tục tìm kiếm từ bên ngoài phạm vi được xác định bởi các điểm A và B, và hai điểm C và D nơi ngưỡng và tỷ lệ giao nhau bằng 0 trung bình ngắn hạn cắt nhau tương ứng. Cuối cùng, phạm vi giữa các mốc thời gian tương ứng với điểm C và D là phạm vi hiệu quả của tín hiệu cho tôm ăn.

Hình 10. Phát hiện phạm vi hiệu quả của tín hiệu cho ăn (5 con tôm).

Hình 10. Phát hiện phạm vi hiệu quả của tín hiệu cho ăn (5 con tôm).

(a, d) Lần cho ăn đầu tiên, (b, e) Lần cho ăn thứ hai, (c, f) Lần cho ăn thứ ba.

Hình 10 (a), (b), và (c) cho thấy kết quả phát hiện phạm vi hiệu quả của các tín hiệu được thu thập bởi 3 lần cho ăn trong bể thí nghiệm 5 tôm. Các khung màu đỏ là tín hiệu được phát hiện. Hình 10 (d), (e) và (f) là tín hiệu khi được xem ở chế độ phóng to. Đường màu đỏ liền là điểm bắt đầu của tín hiệu cho ăn và đường màu đỏ đứt khúc là điểm kết thúc của tín hiệu cho ăn. Theo hình vẽ, số lượng tín hiệu được phát hiện trong lần cho ăn đầu tiên cao hơn so với hai lần cho ăn còn lại. Tín hiệu âm thanh chuyển động do tôm tạo ra trong quá trình cho ăn sẽ giảm dần khi tôm không còn cảm giác đói và tăng thời gian cho ăn. Kết quả phát hiện tín hiệu của 3 lần cho ăn trong bể thí nghiệm 10 con tôm gần giống với kết quả trong bể thí nghiệm 5 con tôm, như được thể hiện trong Hình 11.

Hình 11. Phát hiện phạm vi hiệu quả của tín hiệu cho ăn (10 con tôm).

Hình 11. Phát hiện phạm vi hiệu quả của tín hiệu cho ăn (10 con tôm).

(a, d) Lần cho ăn đầu tiên, (b, e) Lần cho ăn thứ hai, (c, f) Lần cho ăn thứ ba.

Theo số lượng tín hiệu được tạo ra bởi các số lượng tôm và thời gian cho ăn khác nhau, như trong Hình 12. Trong lần cho ăn đầu tiên, số lượng tín hiệu âm thanh được tạo ra bởi 10 con tôm trong 8 phút có thể lên tới 88, và số lượng tín hiệu âm thanh của 5 con tôm có thể lên tới 47. Hơn một nửa số tín hiệu được phát hiện trong vòng 1 phút sau khi cho ăn. Với sự gia tăng thời gian, số lượng tín hiệu cũng dần giảm xuống. Trong giai đoạn sau, hầu như không có tín hiệu được phát hiện. Tức là, với sự gia tăng thời gian cho ăn, mức độ đói của tôm sẽ giảm xuống, dần dần ngừng chuyển động, và số lượng tín hiệu âm thanh thu thập được cũng giảm xuống. Đồng thời, ở bể thí nghiệm 10 con tôm, số lượng tín hiệu ăn của tôm thu được sau 3 lần cho ăn cao hơn ở bể thí nghiệm 5 con tôm. Hiện tượng này cho thấy số lượng tôm và mức độ đói của tôm tỷ lệ thuận với số tín hiệu bắt mồi của tôm. Khi số lần cho ăn tăng lên, mức độ đói của tôm và số lượng tín hiệu bắt mồi của tôm càng giảm.

Hình 12. Thống kê số lượng tín hiệu bắt mồi của tôm

Hình 12. Thống kê số lượng tín hiệu bắt mồi của tôm

V/ PHÂN TÍCH TÍN HIỆU TIẾNG ỒN

Khi không tắt máy tạo oxy, tiếng ồn liên tục được tạo ra bởi máy sẽ ảnh hưởng đến việc thu tín hiệu. Trong các thuật toán phát hiện trong tương lai, vấn đề mấu chốt là làm thế nào để phát hiện tín hiệu cho ăn từ tiếng ồn liên tục do máy tạo oxy gây ra. Tín hiệu do máy tạo oxy tạo ra tương tự như tín hiệu âm thanh khi ăn của tôm và trong miền thời gian, nó cũng là tín hiệu xung đơn lặp đi lặp lại, như trong Hình 13.

Hình 13. Miền thời gian của tiếng ồn từ máy tạo oxy

Hình 13. Miền thời gian của tiếng ồn từ máy tạo oxy.

Khi tín hiệu được thu thập, nó được chồng lên tín hiệu cho ăn như một chuỗi các tín hiệu xung. Trong miền tần số, dải tần số của tín hiệu tiếng ồn là 7-13KHz. Trung bình, dải cộng hưởng cao hơn so với tín hiệu cho ăn và có sự chồng chéo một phần của các dải tần số, như thể hiện trong Hình 14.

Hình 14. So sánh miền tần số giữa tín hiệu tiếng ồn của máy tạo oxy và tín hiệu cho ăn

Hình 14. So sánh miền tần số giữa tín hiệu tiếng ồn của máy tạo oxy và tín hiệu cho ăn.

Trong các môi trường thử nghiệm khác, có các giao thoa xung khác, cùng với sự giống nhau về thời gian của các sự kiện bắt nguồn và giao thoa, dẫn đến đánh giá sai trong việc phát hiện tín hiệu, điều này cho thấy khó khăn tiềm ẩn trong việc phân biệt các hoạt động kiếm ăn với các loại nhiễu xung khác.

VI/ PHẦN KẾT LUẬN

Thông qua việc so sánh phân tích miền thời gian tín hiệu và bản ghi hình thực tế, trong trường hợp số lượng tôm khác nhau, không có tín hiệu âm thanh nào được thu thập khi chúng không được cho ăn và sau 30 giây thu được tín hiệu, thức ăn đã được cho ăn, âm thanh tín hiệu đã được thu thập. Khi cho tôm ăn lần đầu, mức độ đói của tôm cao. Tôm chộp lấy thức ăn và ăn bằng cách bơi. Khi số lần cho ăn tăng lên, tình trạng đói của tôm giảm đi và cường độ vận động có xu hướng giảm. Tôm dần dần ngừng vận động và sau đó ngưng ăn. Hiện tượng này cho thấy việc bắt đầu cho tôm ăn sẽ tạo ra các tín hiệu liên quan và nó liên quan đến chuyển động của tôm. Bằng cách so sánh tín hiệu thu thập được với tín hiệu âm thanh của tôm di chuyển trong tình trạng thiếu oxy, giá trị tương quan cao, điều này cho thấy thêm rằng khi tôm đói, nó sẽ bơi và lấy thức ăn để tạo ra tín hiệu âm thanh.

Dựa trên công nghệ giám sát âm thanh thụ động để thu thập tín hiệu âm thanh khi chuyển động ăn của tôm thẻ chân trắng, thông qua phân tích miền thời gian và miền tần số, kết quả thấy rằng tín hiệu tương tự như tín hiệu xung đơn, thời lượng khoảng 8-10ms và dải cộng hưởng trong miền tần số là 2-10KHz. Việc phát hiện phạm vi hiệu quả của tín hiệu cho ăn của tôm được thực hiện bằng phương pháp ngưỡng kép, và sau đó số lượng tín hiệu cho ăn của tôm được tính toán. Qua phân tích thống kê, số lượng tín hiệu phát ra trong lần cho ăn đầu tiên của bể thí nghiệm chứa 10 con tôm là lớn nhất. Với việc giảm số lượng tôm, tăng thời gian cho ăn và giảm mức độ đói của tôm, số lượng tín hiệu cho ăn được tạo ra giảm dần, điều này cung cấp cơ sở lý thuyết cho việc kiểm soát lượng cho ăn theo yêu cầu.

Đồng thời, các tiếng ồn liên tục khác sẽ có tác động lớn đến việc thu thập và phát hiện tín hiệu ăn của tôm. Tín hiệu xung nhiễu do máy tạo oxy tạo ra chồng lên một phần dải tần số cộng hưởng của tín hiệu ăn của mục tiêu. Trong công cuộc nghiên cứu trong tương lai, chúng tôi sẽ xem xét cách phát hiện chính xác tín hiệu cho ăn của mục tiêu dưới tiếng ồn do máy tạo oxy tạo ra, để tìm ra phương pháp cho tôm ăn tự động và thông minh, đồng thời nâng cao lợi ích kinh tế.

Nhóm tác giả: Maochun Wei, Yating Lin, Keyu Chen, Wei Su, (Member, Ieee), và En Cheng

Nguồn: https://ieeexplore.ieee.org/stamp/stamp.jsp?arnumber=9178285

Biên dịch: Huyền Thoại – Tôm Giống Gia Hóa Bình Minh

“Tôm Giống Gia Hóa – Chìa Khóa Thành Công”

Xem thêm:

Công Ty TNHH PTTS Bình Minh

Hotline: 1900.86.86.69

SẢN PHẨM PHỤC VỤ NỀN NÔNG NGHIỆP XANH

TIN TỨC NỔI BẬT

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *

You cannot copy content of this page