何玲+陳長喜

摘要：生豬屠宰自動(dòng)化監(jiān)管系統(tǒng)是應(yīng)基層動(dòng)物衛(wèi)生監(jiān)督部門的業(yè)務(wù)需求開發(fā)的一套物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)。為了實(shí)現(xiàn)生豬屠宰監(jiān)管工作的自動(dòng)化，必須從生產(chǎn)線上自動(dòng)采集數(shù)據(jù)。討論了該系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)的整個(gè)實(shí)現(xiàn)過程，即運(yùn)用RFID技術(shù)、單片機(jī)技術(shù)構(gòu)建的整個(gè)生產(chǎn)線上的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)；介紹了系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)采集電路的設(shè)計(jì)和上位機(jī)C/S模式應(yīng)用程序的流程。系統(tǒng)在實(shí)際運(yùn)用中替代了人工監(jiān)管，并采集了大量的屠宰期間數(shù)據(jù)，為進(jìn)一步數(shù)據(jù)分析、決策制定提供了依據(jù)。

關(guān)鍵詞：自動(dòng)化；物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)；生豬屠宰；數(shù)據(jù)采集；網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)；電路設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)： TP311.52；S126文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A文章編號(hào)：1002-1302（2017）17-0196-04

通信作者：陳長喜，博士，教授，主要從事農(nóng)業(yè)信息技術(shù)研究。Tel：（022）23785773；E-mail：changxichen@163.com。生豬屠宰是豬肉進(jìn)入市場前的最后環(huán)節(jié)，把好這最后一道關(guān)，可以杜絕各種問題豬肉流入市場。當(dāng)前政府對(duì)屠宰場的監(jiān)管方式主要是人工監(jiān)督、抽檢的方式。監(jiān)管手段單一，信息化水平偏低[1]，監(jiān)管人力不足以實(shí)現(xiàn)全覆蓋監(jiān)管。雖然，相關(guān)部門也認(rèn)識(shí)到生豬屠宰監(jiān)管的重要性，但是研究內(nèi)容多數(shù)停留在健全制度、落實(shí)責(zé)任等政策層面，從技術(shù)層面研究此問題的還不多見[2]。利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，能夠從生豬屠宰車間自動(dòng)采集數(shù)據(jù)，降低了監(jiān)管的人為因素，大大節(jié)省了監(jiān)管人力，也增強(qiáng)了監(jiān)管的可信程度。這些自動(dòng)采集的數(shù)據(jù)還為監(jiān)管者進(jìn)一步?jīng)Q策提供了基礎(chǔ)依據(jù)[3-4]。

生豬屠宰自動(dòng)化監(jiān)管系統(tǒng)是應(yīng)天津市基層動(dòng)物衛(wèi)生監(jiān)督所的需求開發(fā)的一套生豬屠宰全過程數(shù)據(jù)采集、判斷和呈現(xiàn)的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。該系統(tǒng)分為2個(gè)子系統(tǒng)：一是數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)，即由RFID讀（寫）器、電子秤、檢測儀、數(shù)據(jù)采集電路板等裝置組成的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，負(fù)責(zé)采集生產(chǎn)線上的各種數(shù)據(jù)并存入數(shù)據(jù)庫。二是數(shù)據(jù)分析顯示子系統(tǒng)，即對(duì)數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、判斷后，以網(wǎng)頁方式呈現(xiàn)給動(dòng)監(jiān)部門的監(jiān)管人員和屠宰廠管理人員，并能根據(jù)判斷結(jié)果自動(dòng)打印出廠合格證。數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)是整個(gè)系統(tǒng)的核心，本研究將介紹數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)。

1數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)的物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)

1.1網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)

數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)利用數(shù)據(jù)采集電路板采集電子秤、RFID讀卡器和檢測儀上的數(shù)據(jù)，通過RS-485串行總線將數(shù)據(jù)傳輸給客戶端程序，客戶端程序安裝在屠宰廠辦公室的PC機(jī)上?？蛻舳顺绦?qū)⑦@些數(shù)據(jù)傳輸給服務(wù)器端程序。服務(wù)器端程序安裝在動(dòng)物監(jiān)督所的服務(wù)器中，該服務(wù)器同時(shí)承擔(dān)整個(gè)自動(dòng)化監(jiān)管系統(tǒng)的Web服務(wù)器和數(shù)據(jù)庫服務(wù)器的功能。這個(gè)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.2各采集節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)需求

生豬進(jìn)入屠宰廠核查各種檢疫合格證明后，進(jìn)入屠宰程序，共經(jīng)過4個(gè)環(huán)節(jié)：待宰觀察、屠宰及檢測、冷卻排酸、灼印出證[5]。前3個(gè)環(huán)節(jié)都需要采集監(jiān)管數(shù)據(jù)，并依據(jù)這些數(shù)據(jù)判斷該豬是否合格，能否灼印、打印合格證。

1.2.1待宰觀察的數(shù)據(jù)采集活豬進(jìn)入屠宰廠，首先要進(jìn)行12 h的待宰觀察。活豬進(jìn)入待宰圈時(shí)，需要采集入圈時(shí)間、入圈體質(zhì)量、豬耳標(biāo)編號(hào)數(shù)據(jù)。將活豬進(jìn)入待宰圈的通道改造為僅容1只豬通過的狹窄通道，通道內(nèi)安裝帶柵欄門的稱豬地秤、固定RFID讀卡器和數(shù)據(jù)采集電路板。當(dāng)1頭豬通過通道時(shí)，在豬耳部施加事先寫好“耳標(biāo)編號(hào)”的RFID標(biāo)簽。豬通過地秤時(shí)，稱得入圈體質(zhì)量，并通過 RFID 讀卡器讀出耳標(biāo)編號(hào)，數(shù)據(jù)采集電路板接收數(shù)據(jù)，生成入圈時(shí)間，并通過 RS-485 串口總線，將數(shù)據(jù)傳輸給上位機(jī)客戶端程序。在數(shù)據(jù)庫中將豬編號(hào)和耳標(biāo)編號(hào)關(guān)聯(lián)起來。

1.2.2屠宰前的數(shù)據(jù)采集待宰觀察結(jié)束后，將生豬電暈，倒掛在生產(chǎn)線的屠宰杠（扁擔(dān)鉤）上，準(zhǔn)備屠宰。此時(shí)需要采集屠宰時(shí)間、屠宰體質(zhì)量、豬耳標(biāo)編號(hào)數(shù)據(jù)?！巴涝讜r(shí)間”減去“入圈時(shí)間”小于12 h，認(rèn)為待宰時(shí)間不合格，最后系統(tǒng)不予打印合格證；“屠宰體質(zhì)量”大于“入圈體質(zhì)量”認(rèn)為屠宰前對(duì)豬進(jìn)行過注水，同樣不能出合格證。在掛杠工位上安裝電子掛稱、固定RFID讀卡器和數(shù)據(jù)采集電路板。數(shù)據(jù)采集電路板接收質(zhì)量、耳標(biāo)編號(hào)數(shù)據(jù)，生成屠宰時(shí)間數(shù)據(jù)，傳給上位機(jī)客戶端程序。

1.2.3去頭、蹄的數(shù)據(jù)采集生豬宰殺放血后，要去掉頭、蹄，豬耳標(biāo)不方便從豬耳上快速拆卸下來，因此耳標(biāo)會(huì)與豬體分離，必須給豬體新的RFID標(biāo)志。每頭豬從掛上屠宰杠至售出不會(huì)下杠，始終用1個(gè)屠宰杠，因此在同一批屠宰的豬只中，屠宰杠編號(hào)能唯一標(biāo)志1只豬。改造屠宰杠，在杠上安裝已事先寫好“杠編號(hào)”的永久性RFID標(biāo)簽，該標(biāo)簽?zāi)陀?、不拆卸。在去頭、蹄工位上安裝用于讀取耳標(biāo)標(biāo)簽的RFID讀卡器和用于讀取杠標(biāo)簽的RFID讀卡器。數(shù)據(jù)采集電路板接收“耳標(biāo)編號(hào)”和“杠編號(hào)”，傳給上位機(jī)客戶端程序。在數(shù)據(jù)庫中將杠編號(hào)與豬編號(hào)關(guān)聯(lián)起來。

1.2.4屠宰同步檢疫的數(shù)據(jù)采集生豬屠宰過程中需要進(jìn)行多方面檢測，也叫屠宰同步檢疫。這些檢測包括頭蹄檢測、旋毛蟲檢測、胴體檢測、內(nèi)臟檢測、肉品品質(zhì)檢測、三腺（腎上腺、甲狀腺、病變淋巴結(jié)）摘除檢測、復(fù)檢[6]。發(fā)現(xiàn)異常要將數(shù)據(jù)采集進(jìn)入系統(tǒng)。頭蹄檢測、旋毛蟲檢測是在去頭蹄前，肉眼觀察，如發(fā)現(xiàn)異常，需要采集的數(shù)據(jù)是“耳標(biāo)編號(hào)”。酮體檢測、三腺摘除檢測和復(fù)檢是在豬屠宰后期，肉眼觀察，如發(fā)現(xiàn)異常，需要采集的數(shù)據(jù)是“杠編號(hào)”。內(nèi)臟檢測、肉品品質(zhì)檢測是將檢測樣本（內(nèi)臟、豬肉）盛放在托盤上，在檢測間進(jìn)行檢測。托盤掛有事先寫好“托盤編號(hào)”的RFID標(biāo)簽。檢測樣品采集時(shí)，用RFID讀卡器分別讀取杠編號(hào)和托盤編號(hào)，數(shù)據(jù)采集電路接收2個(gè)編號(hào)，傳給上位機(jī)程序，在數(shù)據(jù)庫中，將托盤編號(hào)與豬編號(hào)關(guān)聯(lián)起來。檢測間里，檢測員肉眼觀察，發(fā)現(xiàn)異常時(shí)，需要采集的數(shù)據(jù)是“托盤編號(hào)”。上述各檢測工位的數(shù)據(jù)采集方式是相同的，只是在不同檢測環(huán)節(jié)采集的編號(hào)類型不同。在各檢測工位上安裝固定RFID讀卡器、數(shù)據(jù)采集電路板和按鈕，當(dāng)發(fā)現(xiàn)異常時(shí)，工人按下按鈕，允許RFID讀卡器讀編號(hào)（耳標(biāo)編號(hào)、杠編號(hào)或托盤編號(hào)），數(shù)據(jù)采集電路板采集編號(hào)，并傳給上位機(jī)程序。endprint

1.2.5冷卻排酸的數(shù)據(jù)采集生豬屠宰完成后，要進(jìn)行低溫排酸。入冷庫前和排酸完成后出冷庫需要采集的數(shù)據(jù)項(xiàng)相同：入（出）庫時(shí)間、入（出）庫質(zhì)量、杠編號(hào)。在冷庫門口安裝固定RFID讀卡器、電子掛秤和數(shù)據(jù)采集電路板。數(shù)據(jù)采集電路板將接收的質(zhì)量和生成的時(shí)間傳給上位機(jī)程序。由于入庫、出庫經(jīng)過的是同一套采集設(shè)備，因此由程序判斷若該豬編號(hào)首次采集到的數(shù)據(jù)即為入庫數(shù)據(jù)，若已存在入庫數(shù)據(jù)，又采集到的數(shù)據(jù)為該豬的出庫數(shù)據(jù)。冷卻排酸時(shí)間小于規(guī)定數(shù)值（根據(jù)冷庫具體情況，規(guī)定排酸時(shí)間）認(rèn)為不合格。

在以上各環(huán)節(jié)中若該豬編號(hào)的數(shù)據(jù)出現(xiàn)任意一項(xiàng)不合格（待宰時(shí)間不合格、屠宰體質(zhì)量不合格、某檢測項(xiàng)目不合格或排酸時(shí)間不合格），都不能為該豬打印出廠合格證。

2數(shù)據(jù)采集電路板的設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)采集電路板采用ST（意法半導(dǎo)體）公司的STM32F070RB單片機(jī)。該單片機(jī)采用32位處理器，工作頻率48 MHz，具有高速嵌入存儲(chǔ)器16KB SRAM，提供標(biāo)準(zhǔn)通信接口（2個(gè)I2C，2個(gè)SPI和4個(gè)UART），7個(gè)通用16位計(jì)時(shí)器和1個(gè)PWM定時(shí)器[7-8]。整個(gè)生豬屠宰系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)共在13個(gè)工位上安裝了該型號(hào)的單片機(jī)，用于自動(dòng)采集數(shù)據(jù)。根據(jù)上文各數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)需求介紹，這13塊單片機(jī)的電路連接分為5類：第一，連接電子秤和豬耳標(biāo)讀卡器（RFID 1）；第二，連接耳標(biāo)讀卡器（RFID 1）和杠讀卡器（RFID 2）；第三：連接杠讀卡器（RFID 1）和托盤讀卡器（RFID 2）；第四：連接杠讀卡器（RFID 1）和檢測異常開關(guān)；第五：連接托盤讀卡器（RFID 2）和檢測異常開關(guān)。圖2說明了數(shù)據(jù)采集電路板的電路連接原理。

數(shù)據(jù)采集電路板向上位機(jī)程序傳輸?shù)?條數(shù)據(jù)報(bào)文為32字節(jié)，包含的信息有時(shí)間、工位號(hào)（地址編碼）、功能編碼、來自UART1的數(shù)據(jù)、來自UART2的數(shù)據(jù)和2位CRC校驗(yàn)。定義數(shù)據(jù)報(bào)文協(xié)議如表1所示。

3數(shù)據(jù)采集客戶端/服務(wù)器端程序設(shè)計(jì)

3.1程序流程

數(shù)據(jù)采集電路板將采集的數(shù)據(jù)存于單片機(jī)內(nèi)存中，上位機(jī)程序定時(shí)輪詢每塊采集電路板。整個(gè)數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)的程序?yàn)榭蛻舳?服務(wù)器端（C/S）模式。整個(gè)程序流程如圖3所示。

服務(wù)器端程序完成的功能是允許多個(gè)屠宰廠客戶端同時(shí)登錄到服務(wù)器端；從網(wǎng)絡(luò)接收客戶端傳來的數(shù)據(jù)；將數(shù)據(jù)寫入數(shù)據(jù)庫的相應(yīng)表，并反饋給客戶端“寫入成功”。

客戶端程序完成的主要功能有通過用戶名、密碼方式登錄到服務(wù)器端；登錄后，從RS-485串口上輪詢各個(gè)數(shù)據(jù)采集電路板上的數(shù)據(jù)；收到數(shù)據(jù)后，通過網(wǎng)絡(luò)傳輸給服務(wù)器端程序，并同時(shí)將數(shù)據(jù)及通信狀態(tài)顯示在界面上；收到服務(wù)器端數(shù)據(jù)“寫入成功”的信息后，通知數(shù)據(jù)采集電路清除該條數(shù)據(jù)。

客戶端程序還提供了一些控制單片機(jī)的輔助功能，包括對(duì)單片機(jī)進(jìn)行配置地址、校準(zhǔn)時(shí)鐘、擦除數(shù)據(jù)、遠(yuǎn)程升級(jí)、恢復(fù)出廠、遠(yuǎn)程重啟等[10]。

3.2數(shù)據(jù)流的隊(duì)列機(jī)制

整個(gè)程序涉及單片機(jī)、客戶端界面、服務(wù)器端、數(shù)據(jù)庫四者之間的數(shù)據(jù)傳輸，各端的處理速度和彼此間的傳輸速度并不同步，為了避免數(shù)據(jù)擁堵，在客戶端程序中創(chuàng)建了4個(gè)隊(duì)列，隊(duì)列長度100條數(shù)據(jù)，他們?nèi)腙?duì)、出隊(duì)機(jī)制如下：

COMtoUI——從單片機(jī)取來數(shù)據(jù)入該隊(duì)，由于客戶端界面需要顯示這些數(shù)據(jù)，每隔 50 ms 出隊(duì)1條，顯示于界面。

COMtoSERVER——從單片機(jī)取來數(shù)據(jù)入該隊(duì)，每隔 50 ms 出隊(duì)1條，發(fā)送到服務(wù)器端。

SERVERtoUI——從服務(wù)器端接收來數(shù)據(jù)入該隊(duì)，每隔50 ms出隊(duì)1條，顯示于界面。

SERVERtoCOM——從服務(wù)器端接收來數(shù)據(jù)入該隊(duì)，每隔50 ms出隊(duì)1條，發(fā)送給單片機(jī)，若是寫入成功則單片機(jī)清除這條數(shù)據(jù)。

3.3應(yīng)用程序的運(yùn)行效果

目前，已在生豬屠宰車間實(shí)際屠宰作業(yè)中運(yùn)行該系統(tǒng)，數(shù)據(jù)丟失率在3%以下，程序未出現(xiàn)過運(yùn)行時(shí)異常中斷。服務(wù)器端程序運(yùn)行界面如圖4所示，客戶端程序運(yùn)行界面如圖5所示。

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