許亮++胡曉冬++陳勇++黃小青

doi：10.15889/j.issn.1002-1302.2016.10.119

摘要：生豬體質(zhì)量是豬肉供應(yīng)鏈全程質(zhì)量溯源系統(tǒng)的重要組成部分。為解決傳統(tǒng)生豬稱質(zhì)量過程繁瑣、稱量不準(zhǔn)確等不足，開發(fā)了一臺(tái)基于射頻識(shí)別（RFID）、嵌入式控制系統(tǒng)等技術(shù)的生豬體質(zhì)量自動(dòng)采集與傳輸設(shè)備，包括稱臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、下位機(jī)設(shè)計(jì)、上位機(jī)軟件開發(fā)。使用RFID標(biāo)簽對(duì)生豬個(gè)體進(jìn)行標(biāo)識(shí)，于生豬進(jìn)食時(shí)稱量其體質(zhì)量，并將采集到的體質(zhì)量數(shù)據(jù)和RFID編號(hào)發(fā)送至上位機(jī)。整個(gè)稱質(zhì)量和記錄過程無需人工干涉，提高了生豬稱質(zhì)量的自動(dòng)化水平，避免了人工記錄過程中易錯(cuò)、易被改動(dòng)等缺點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：豬肉供應(yīng)鏈；生豬體質(zhì)量采集；RFID標(biāo)簽；稱質(zhì)量設(shè)備

中圖分類號(hào)： S237；S818文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A文章編號(hào)：1002-1302（2016）10-0407-03

收稿日期：2015-07-23

作者簡介：許亮（1989—），男，安徽六安人，碩士研究生，主要從事物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用與現(xiàn)代物流裝備研究。E-mail：lxu6636@126.com。

通信作者：胡曉東，博士，副教授，碩士生導(dǎo)師，主要從事自動(dòng)化控制、激光加工技術(shù)研究。E-mail：hooxoodoo@sina.com。近年來，食品安全問題不斷涌現(xiàn)，豬肉質(zhì)量安全逐漸受到社會(huì)的廣泛關(guān)注和擔(dān)憂。隨著人們生活水平的提高和城鎮(zhèn)化進(jìn)程的加快，生豬散養(yǎng)方式逐步被規(guī)模化養(yǎng)殖替代[1]。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，不少科研機(jī)構(gòu)和學(xué)者提出了肉品全程質(zhì)量安全溯源和監(jiān)管的現(xiàn)代化養(yǎng)殖模式[2-3]。國外學(xué)者對(duì)射頻識(shí)別（RFID）技術(shù)的研究較早，并已將其應(yīng)用于肉品供應(yīng)鏈溯源系統(tǒng)[4]。隨著我國人們對(duì)食品安全問題重視程度的不斷提高，政府也在積極推動(dòng)利用RFID技術(shù)建立肉品溯源系統(tǒng)的研究[5]。

生豬體質(zhì)量是肉品供應(yīng)鏈全程質(zhì)量溯源系統(tǒng)的重要組成部分[1]，也是生豬養(yǎng)殖行業(yè)需要監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)之一，直接關(guān)系到飼料轉(zhuǎn)化效率和企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益。在生豬育肥過程中，定期稱量和記錄生豬的體質(zhì)量，對(duì)于了解生豬的增肥速率和健康狀況十分重要。此外，生豬出欄時(shí)，體質(zhì)量數(shù)據(jù)是交易金額的主要決定因素。目前，我國生豬稱質(zhì)量多采用懸掛或?qū)⒍囝^豬驅(qū)趕至磅稱的稱質(zhì)量方式，這些稱質(zhì)量方式會(huì)對(duì)豬產(chǎn)生應(yīng)激，嚴(yán)重影響豬的生長[6-7]。人工記錄生豬體質(zhì)量數(shù)據(jù)易受到計(jì)量人員主觀因素的影響，準(zhǔn)確率和效率均較低，信息管理的能力弱。傳統(tǒng)的生豬體質(zhì)量數(shù)據(jù)獲取、記錄、管理方式已無法滿足肉品供應(yīng)鏈全程質(zhì)量安全溯源和監(jiān)管的需要；因此，研發(fā)了一種基于RFID、嵌入式控制系統(tǒng)等技術(shù)的生豬體質(zhì)量自動(dòng)采集傳輸設(shè)備，可自動(dòng)識(shí)別生豬信息并對(duì)生豬稱質(zhì)量，實(shí)時(shí)將數(shù)據(jù)上傳至上位機(jī)，整個(gè)過程無需人工干涉，提高了生豬稱質(zhì)量的自動(dòng)化水平，避免了人工記錄過程中易錯(cuò)、易被改動(dòng)等缺點(diǎn)。

1方案設(shè)計(jì)

1.1需求分析

生豬稱質(zhì)量傳統(tǒng)的人工計(jì)量方式具有效率低、計(jì)量不準(zhǔn)確、稱質(zhì)量數(shù)據(jù)報(bào)送不及時(shí)、不能進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控和管理、自動(dòng)化程度較低等缺點(diǎn)，難以實(shí)現(xiàn)高效率快速稱質(zhì)量，浪費(fèi)了大量人力和物力，造成不必要的損失[8]。在現(xiàn)代化、規(guī)模化的養(yǎng)殖場(chǎng)中，飼養(yǎng)生豬的數(shù)量不斷增加，對(duì)單頭豬個(gè)體成長信息的記錄要求更高[9]，以便實(shí)現(xiàn)肉品從養(yǎng)殖到餐桌的全程溯源。隨著食品安全問題的不斷出現(xiàn)，政府機(jī)構(gòu)對(duì)養(yǎng)殖企業(yè)的實(shí)時(shí)監(jiān)督十分重要，需要一種新設(shè)備來完成生豬體質(zhì)量信息的采集、記錄、管理。

為解決規(guī)模化及自動(dòng)化養(yǎng)殖過程中遇到的難題，本研究提出具體的設(shè)計(jì)要求：自動(dòng)稱質(zhì)量，不對(duì)豬產(chǎn)生應(yīng)激；體質(zhì)量數(shù)據(jù)真實(shí)可靠，滿足溯源系統(tǒng)的要求；能管理和處理龐大的體質(zhì)量數(shù)據(jù)。

1.2整體設(shè)計(jì)

生豬體質(zhì)量自動(dòng)采集傳輸設(shè)備主要包括稱臺(tái)、下位機(jī)、上位機(jī)管理軟件。稱質(zhì)量時(shí)需保證每次稱量單頭豬的體質(zhì)量，通過豬圈結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（圖1）保證單頭豬體質(zhì)量信息的采集。生豬進(jìn)食區(qū)的進(jìn)口、出口分別設(shè)有閘門1、閘門2，閘門1處于常開狀態(tài)，閘門2處于常閉狀態(tài)。稱臺(tái)放在生豬進(jìn)食區(qū)的閘門1處，設(shè)計(jì)為長方形平臺(tái)，樣機(jī)大小為（0.9×1.8） m2（圖2）。稱臺(tái)的主要受力部位為底部鋼架結(jié)構(gòu)，4個(gè)稱質(zhì)量傳感器安裝于鋼架的4個(gè)角；鋼架結(jié)構(gòu)上有稱臺(tái)護(hù)罩，用于沖洗和稱質(zhì)量時(shí)保護(hù)稱質(zhì)量傳感器和電線，并能均分受力；稱臺(tái)進(jìn)口、出口處護(hù)欄上分別裝有紅外光柵1、紅外光柵2，稱臺(tái)出口處裝有RFID閱讀器；生豬進(jìn)食區(qū)的出口處裝有紅外光柵3。

當(dāng)生豬從閘門1進(jìn)入進(jìn)食區(qū)時(shí)，進(jìn)口處的紅外光柵1探測(cè)到生豬全部走上稱臺(tái)后，閘門1自動(dòng)關(guān)閉，稱質(zhì)量設(shè)備開始采集生豬體質(zhì)量并讀取生豬的耳標(biāo)號(hào)，稱臺(tái)上的紅外光柵2探測(cè)生豬走出稱臺(tái)的時(shí)間。生豬進(jìn)食完后，由于過道狹窄，生豬無法轉(zhuǎn)向而繼續(xù)前行；當(dāng)走至出口位置時(shí)，出口處的紅外光柵3探測(cè)到生豬，閘門2打開；當(dāng)生豬走出進(jìn)食區(qū)后閘門2關(guān)閉，閘門1打開，從而完成1頭生豬體質(zhì)量信息的采集。生豬體質(zhì)量信息的輸出過程見圖3，經(jīng)過稱臺(tái)、下位機(jī)、上位機(jī)，最終將數(shù)據(jù)發(fā)送至服務(wù)器保存。

2下位機(jī)設(shè)計(jì)

2.1硬件模塊

下位機(jī)主要硬件模塊可分為嵌入式處理模塊、電子稱質(zhì)量模塊、紅外探測(cè)模塊、RFID識(shí)別模塊、閘門控制模塊、功能鍵盤模塊、無線通信模塊、LCD顯示模塊，共7個(gè)模塊。其中，電子稱質(zhì)量模塊由稱質(zhì)量傳感器模塊、信號(hào)處理模塊2個(gè)小模塊組成。硬件結(jié)構(gòu)框圖見圖4。

嵌入式處理模塊采用STC15F2K60S2為主控芯片，控制其他模塊工作。稱質(zhì)量傳感器選用4個(gè)高穩(wěn)定性的SQC-A電阻應(yīng)變式稱質(zhì)量傳感器，每個(gè)稱質(zhì)量傳感器的量程為 200 kg。紅外探測(cè)模塊選用3對(duì)紅外光柵ABI10-485，響應(yīng)時(shí)間為30 ms，用于探測(cè)生豬在喂食區(qū)的位置。RFID閱讀器選用超高頻LJYZN-102系列閱讀器，對(duì)應(yīng)RFID標(biāo)簽采用動(dòng)物耳標(biāo)ZY-ABS-30。功能鍵選用薄膜開關(guān)鍵盤，用于稱質(zhì)量模塊校準(zhǔn)，并控制LCD顯示、RFID的讀取和通信等。通過單片機(jī)輸出開關(guān)量控制電機(jī)正反轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)閘門的開啟和關(guān)閉。通信選用NRF905無線模塊與上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。LCD顯示選用帶字庫的QC12864液晶顯示模塊，用于實(shí)時(shí)顯示采集的體質(zhì)量值和RFID編號(hào)，供飼養(yǎng)人員現(xiàn)場(chǎng)查看。LCD顯示具有光敏電阻，可根據(jù)外接光線調(diào)整液晶燈光顯示亮度。

2.2稱質(zhì)量信號(hào)處理

4個(gè)稱質(zhì)量傳感器采用并聯(lián)方式連接，其等效電路見圖5，公式[10]為：

e=14（e1+e2+e3+e4）。（1）

式中：e為橋路總輸出電壓；e1、e2、e3、e4分別為等效電源電動(dòng)勢(shì)。

當(dāng)4個(gè)稱質(zhì)量傳感器的靈敏度和內(nèi)阻相等時(shí)，并聯(lián)后輸出的電壓等于4個(gè)稱質(zhì)量傳感器輸出電壓之和的25%；因此，此設(shè)備通過電位器將傳感器靈敏度和內(nèi)阻調(diào)為一致，消除傳感器并聯(lián)帶來的誤差。4個(gè)稱質(zhì)量傳感器的供電電壓為 5 V，輸出電壓為0～10 mV的模擬信號(hào)。由于傳感器輸出的信號(hào)為毫伏級(jí)信號(hào)且有干擾，須先將輸出的信號(hào)進(jìn)行硬件濾波和放大（圖6），放大倍數(shù)由電阻R5決定。

生豬從進(jìn)入稱質(zhì)量平臺(tái)到走出稱質(zhì)量平臺(tái)，稱質(zhì)量傳感器放大后輸出信號(hào)，通過16位的采集卡PCI8602采樣（圖7）。T1～T2段為生豬逐漸進(jìn)入稱質(zhì)量平臺(tái)的過程，T2～T3段為生豬全部進(jìn)入稱質(zhì)量平臺(tái)，T3～T4段為生豬逐漸離開稱質(zhì)量平臺(tái)的過程。T1～T3時(shí)段的信號(hào)為質(zhì)量換算的有用信號(hào)。T1時(shí)刻對(duì)應(yīng)紅外光柵1輸出的信號(hào)由低電平變?yōu)楦唠娖?，T2時(shí)刻對(duì)應(yīng)紅外光柵2輸出的信號(hào)由高電平變?yōu)榈碗娖剑瑔纹瑱C(jī)通過檢測(cè)電平變化發(fā)生中斷，選取T2～T3之間信號(hào)作為換算的模擬信號(hào)。

2.3下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

體質(zhì)量自動(dòng)采集設(shè)備通電后，進(jìn)入設(shè)備的初始化，包括單

片機(jī)系統(tǒng)、稱質(zhì)量信號(hào)采集與處理子程序、功能鍵處理子程序、顯示子程序、耳標(biāo)讀取子程序、無線通信子程序、串口通信子程序等的初始化。設(shè)備初始化后，閘門1處于開放狀態(tài)，閘門2處于關(guān)閉狀態(tài)。一旦有生豬進(jìn)入喂食區(qū)域，進(jìn)口處的紅外光柵1輸出電平由低變高，單片機(jī)系統(tǒng)捕獲電平變化發(fā)生中斷，輸出開關(guān)信號(hào)控制電機(jī)關(guān)閉閘門1，同時(shí)稱質(zhì)量模塊和RFID讀取模塊開始工作。生豬進(jìn)食結(jié)束后，走至閘門2處，此處的紅外光柵3輸出電平由高變低，單片機(jī)系統(tǒng)捕獲電平變化發(fā)生中斷，控制電機(jī)打開閘門2，當(dāng)生豬走出喂食區(qū)后閘門2關(guān)閉、閘門1打開。

動(dòng)態(tài)稱質(zhì)量的算法流程見圖8。紅外光柵1信號(hào)輸出接入單片機(jī)中斷口1，紅外光柵2信號(hào)輸出接入單片機(jī)中斷口2，中斷口1設(shè)置為下降沿捕獲，中斷口2為上升沿捕獲。T1時(shí)刻，單片機(jī)檢測(cè)到引腳由高電平變?yōu)榈碗娖?，開始采集生豬的體質(zhì)量信號(hào)。采集信號(hào)的時(shí)間為4 s，如果4 s內(nèi)單片機(jī)中斷口2電平發(fā)生變化，表明本次采樣過少，體質(zhì)量采集值無效。如果采集值小于1 kg，也為無效值。僅當(dāng)體質(zhì)量采樣足夠多且采集值大于1 kg時(shí)，觸發(fā)RFID識(shí)別器讀取生豬耳標(biāo)號(hào)，并于液晶屏顯示體質(zhì)量值和RFID編號(hào)，然后將測(cè)量的生豬體質(zhì)量值和讀取的RFID 編號(hào)數(shù)據(jù)打包發(fā)送至上位機(jī)。

3上位機(jī)的管理軟件

上位機(jī)管理軟件主要對(duì)采集的生豬體質(zhì)量數(shù)據(jù)進(jìn)行臨時(shí)保存、統(tǒng)計(jì)、分析，便于飼養(yǎng)人員查看，管理界面見圖9。上位機(jī)接收到的數(shù)據(jù)暫存于上位機(jī)，在夜間空閑時(shí)將數(shù)據(jù)上傳至服務(wù)器進(jìn)行保存。服務(wù)器上的數(shù)據(jù)可通過局域網(wǎng)和外網(wǎng)進(jìn)行訪問，實(shí)現(xiàn)生豬體質(zhì)量信息的溯源查詢，以便有關(guān)部門進(jìn)行管理和監(jiān)督。

4小結(jié)

本研究開發(fā)的生豬自動(dòng)采集設(shè)備能夠滿足肉品供應(yīng)鏈全程質(zhì)量溯源系統(tǒng)的需求，并能很好地解決生豬體質(zhì)量數(shù)據(jù)量龐大、難于管理、易被改動(dòng)等難題。該設(shè)備可提高養(yǎng)殖場(chǎng)生豬稱質(zhì)量的效率和準(zhǔn)確率，稱質(zhì)量過程不對(duì)豬產(chǎn)生應(yīng)激，在生豬養(yǎng)殖行業(yè)中具有良好的應(yīng)用前景。

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