生豬體質量自動采集傳輸設備

許亮++胡曉冬++陳勇++黃小青

doi：10.15889/j.issn.1002-1302.2016.10.119

摘要：生豬體質量是豬肉供應鏈全程質量溯源系統的重要組成部分。為解決傳統生豬稱質量過程繁瑣、稱量不準確等不足，開發了一臺基于射頻識別（RFID）、嵌入式控制系統等技術的生豬體質量自動采集與傳輸設備，包括稱臺結構設計、下位機設計、上位機軟件開發。使用RFID標簽對生豬個體進行標識，于生豬進食時稱量其體質量，并將采集到的體質量數據和RFID編號發送至上位機。整個稱質量和記錄過程無需人工干涉，提高了生豬稱質量的自動化水平，避免了人工記錄過程中易錯、易被改動等缺點。

關鍵詞：豬肉供應鏈；生豬體質量采集；RFID標簽；稱質量設備

中圖分類號： S237；S818文獻標志碼： A文章編號：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，主要從事物聯網技術應用與現代物流裝備研究。E-mail：lxu6636@126.com。

通信作者：胡曉東，博士，副教授，碩士生導師，主要從事自動化控制、激光加工技術研究。E-mail：hooxoodoo@sina.com。近年來，食品安全問題不斷涌現，豬肉質量安全逐漸受到社會的廣泛關注和擔憂。隨著人們生活水平的提高和城鎮化進程的加快，生豬散養方式逐步被規模化養殖替代[1]。隨著物聯網技術的發展和應用，不少科研機構和學者提出了肉品全程質量安全溯源和監管的現代化養殖模式[2-3]。國外學者對射頻識別（RFID）技術的研究較早，并已將其應用于肉品供應鏈溯源系統[4]。隨著我國人們對食品安全問題重視程度的不斷提高，政府也在積極推動利用RFID技術建立肉品溯源系統的研究[5]。

生豬體質量是肉品供應鏈全程質量溯源系統的重要組成部分[1]，也是生豬養殖行業需要監測的數據之一，直接關系到飼料轉化效率和企業經濟效益。在生豬育肥過程中，定期稱量和記錄生豬的體質量，對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，體質量數據是交易金額的主要決定因素。目前，我國生豬稱質量多采用懸掛或將多頭豬驅趕至磅稱的稱質量方式，這些稱質量方式會對豬產生應激，嚴重影響豬的生長[6-7]。人工記錄生豬體質量數據易受到計量人員主觀因素的影響，準確率和效率均較低，信息管理的能力弱。傳統的生豬體質量數據獲取、記錄、管理方式已無法滿足肉品供應鏈全程質量安全溯源和監管的需要；因此，研發了一種基于RFID、嵌入式控制系統等技術的生豬體質量自動采集傳輸設備，可自動識別生豬信息并對生豬稱質量，實時將數據上傳至上位機，整個過程無需人工干涉，提高了生豬稱質量的自動化水平，避免了人工記錄過程中易錯、易被改動等缺點。

1方案設計

1.1需求分析

生豬稱質量傳統的人工計量方式具有效率低、計量不準確、稱質量數據報送不及時、不能進行遠程監控和管理、自動化程度較低等缺點，難以實現高效率快速稱質量，浪費了大量人力和物力，造成不必要的損失[8]。在現代化、規模化的養殖場中，飼養生豬的數量不斷增加，對單頭豬個體成長信息的記錄要求更高[9]，以便實現肉品從養殖到餐桌的全程溯源。隨著食品安全問題的不斷出現，政府機構對養殖企業的實時監督十分重要，需要一種新設備來完成生豬體質量信息的采集、記錄、管理。

為解決規模化及自動化養殖過程中遇到的難題，本研究提出具體的設計要求：自動稱質量，不對豬產生應激；體質量數據真實可靠，滿足溯源系統的要求；能管理和處理龐大的體質量數據。

1.2整體設計

生豬體質量自動采集傳輸設備主要包括稱臺、下位機、上位機管理軟件。稱質量時需保證每次稱量單頭豬的體質量，通過豬圈結構設計（圖1）保證單頭豬體質量信息的采集。生豬進食區的進口、出口分別設有閘門1、閘門2，閘門1處于常開狀態，閘門2處于常閉狀態。稱臺放在生豬進食區的閘門1處，設計為長方形平臺，樣機大小為（0.9×1.8） m2（圖2）。稱臺的主要受力部位為底部鋼架結構，4個稱質量傳感器安裝于鋼架的4個角；鋼架結構上有稱臺護罩，用于沖洗和稱質量時保護稱質量傳感器和電線，并能均分受力；稱臺進口、出口處護欄上分別裝有紅外光柵1、紅外光柵2，稱臺出口處裝有RFID閱讀器；生豬進食區的出口處裝有紅外光柵3。

當生豬從閘門1進入進食區時，進口處的紅外光柵1探測到生豬全部走上稱臺后，閘門1自動關閉，稱質量設備開始采集生豬體質量并讀取生豬的耳標號，稱臺上的紅外光柵2探測生豬走出稱臺的時間。生豬進食完后，由于過道狹窄，生豬無法轉向而繼續前行；當走至出口位置時，出口處的紅外光柵3探測到生豬，閘門2打開；當生豬走出進食區后閘門2關閉，閘門1打開，從而完成1頭生豬體質量信息的采集。生豬體質量信息的輸出過程見圖3，經過稱臺、下位機、上位機，最終將數據發送至服務器保存。

2下位機設計

2.1硬件模塊

下位機主要硬件模塊可分為嵌入式處理模塊、電子稱質量模塊、紅外探測模塊、RFID識別模塊、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個模塊。其中，電子稱質量模塊由稱質量傳感器模塊、信號處理模塊2個小模塊組成。硬件結構框圖見圖4。

嵌入式處理模塊采用STC15F2K60S2為主控芯片，控制其他模塊工作。稱質量傳感器選用4個高穩定性的SQC-A電阻應變式稱質量傳感器，每個稱質量傳感器的量程為 200 kg。紅外探測模塊選用3對紅外光柵ABI10-485，響應時間為30 ms，用于探測生豬在喂食區的位置。RFID閱讀器選用超高頻LJYZN-102系列閱讀器，對應RFID標簽采用動物耳標ZY-ABS-30。功能鍵選用薄膜開關鍵盤，用于稱質量模塊校準，并控制LCD顯示、RFID的讀取和通信等。通過單片機輸出開關量控制電機正反轉，實現閘門的開啟和關閉。通信選用NRF905無線模塊與上位機進行數據傳輸。LCD顯示選用帶字庫的QC12864液晶顯示模塊，用于實時顯示采集的體質量值和RFID編號，供飼養人員現場查看。LCD顯示具有光敏電阻，可根據外接光線調整液晶燈光顯示亮度。

2.2稱質量信號處理

4個稱質量傳感器采用并聯方式連接，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勢。

當4個稱質量傳感器的靈敏度和內阻相等時，并聯后輸出的電壓等于4個稱質量傳感器輸出電壓之和的25%；因此，此設備通過電位器將傳感器靈敏度和內阻調為一致，消除傳感器并聯帶來的誤差。4個稱質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。由于傳感器輸出的信號為毫伏級信號且有干擾，須先將輸出的信號進行硬件濾波和放大（圖6），放大倍數由電阻R5決定。

生豬從進入稱質量平臺到走出稱質量平臺，稱質量傳感器放大后輸出信號，通過16位的采集卡PCI8602采樣（圖7）。T1～T2段為生豬逐漸進入稱質量平臺的過程，T2～T3段為生豬全部進入稱質量平臺，T3～T4段為生豬逐漸離開稱質量平臺的過程。T1～T3時段的信號為質量換算的有用信號。T1時刻對應紅外光柵1輸出的信號由低電平變為高電平，T2時刻對應紅外光柵2輸出的信號由高電平變為低電平，單片機通過檢測電平變化發生中斷，選取T2～T3之間信號作為換算的模擬信號。

2.3下位機軟件設計

體質量自動采集設備通電后，進入設備的初始化，包括單

片機系統、稱質量信號采集與處理子程序、功能鍵處理子程序、顯示子程序、耳標讀取子程序、無線通信子程序、串口通信子程序等的初始化。設備初始化后，閘門1處于開放狀態，閘門2處于關閉狀態。一旦有生豬進入喂食區域，進口處的紅外光柵1輸出電平由低變高，單片機系統捕獲電平變化發生中斷，輸出開關信號控制電機關閉閘門1，同時稱質量模塊和RFID讀取模塊開始工作。生豬進食結束后，走至閘門2處，此處的紅外光柵3輸出電平由高變低，單片機系統捕獲電平變化發生中斷，控制電機打開閘門2，當生豬走出喂食區后閘門2關閉、閘門1打開。

動態稱質量的算法流程見圖8。紅外光柵1信號輸出接入單片機中斷口1，紅外光柵2信號輸出接入單片機中斷口2，中斷口1設置為下降沿捕獲，中斷口2為上升沿捕獲。T1時刻，單片機檢測到引腳由高電平變為低電平，開始采集生豬的體質量信號。采集信號的時間為4 s，如果4 s內單片機中斷口2電平發生變化，表明本次采樣過少，體質量采集值無效。如果采集值小于1 kg，也為無效值。僅當體質量采樣足夠多且采集值大于1 kg時，觸發RFID識別器讀取生豬耳標號，并于液晶屏顯示體質量值和RFID編號，然后將測量的生豬體質量值和讀取的RFID 編號數據打包發送至上位機。

3上位機的管理軟件

上位機管理軟件主要對采集的生豬體質量數據進行臨時保存、統計、分析，便于飼養人員查看，管理界面見圖9。上位機接收到的數據暫存于上位機，在夜間空閑時將數據上傳至服務器進行保存。服務器上的數據可通過局域網和外網進行訪問，實現生豬體質量信息的溯源查詢，以便有關部門進行管理和監督。

4小結

本研究開發的生豬自動采集設備能夠滿足肉品供應鏈全程質量溯源系統的需求，并能很好地解決生豬體質量數據量龐大、難于管理、易被改動等難題。該設備可提高養殖場生豬稱質量的效率和準確率，稱質量過程不對豬產生應激，在生豬養殖行業中具有良好的應用前景。

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[9]在項目支持和帶動下生豬標準化規模養殖場數量大幅增加[EB/OL]. [2015-07-22]. http：//www.china-ah.com/news/201407/247509_31.htm.

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