生猪体质量自动采集传输设备

许亮++胡晓冬++陈勇++黄小青

doi：10.15889/j.issn.1002-1302.2016.10.119

摘要：生猪体质量是猪肉供应链全程质量溯源系统的重要组成部分。为解决传统生猪称质量过程繁琐、称量不准确等不足，开发了一台基于射频识别（RFID）、嵌入式控制系统等技术的生猪体质量自动采集与传输设备，包括称台结构设计、下位机设计、上位机软件开发。使用RFID标签对生猪个体进行标识，于生猪进食时称量其体质量，并将采集到的体质量数据和RFID编号发送至上位机。整个称质量和记录过程无需人工干涉，提高了生猪称质量的自动化水平，避免了人工记录过程中易错、易被改动等缺点。

关键词：猪肉供应链；生猪体质量采集；RFID标签；称质量设备

中图分类号： S237；S818文献标志码： A文章编号：1002-1302（2016）10-0407-03

收稿日期：2015-07-23

作者简介：许亮（1989—），男，安徽六安人，硕士研究生，主要从事物联网技术应用与现代物流装备研究。E-mail：lxu6636@126.com。

通信作者：胡晓东，博士，副教授，硕士生导师，主要从事自动化控制、激光加工技术研究。E-mail：hooxoodoo@sina.com。近年来，食品安全问题不断涌现，猪肉质量安全逐渐受到社会的广泛关注和担忧。随着人们生活水平的提高和城镇化进程的加快，生猪散养方式逐步被规模化养殖替代[1]。随着物联网技术的发展和应用，不少科研机构和学者提出了肉品全程质量安全溯源和监管的现代化养殖模式[2-3]。国外学者对射频识别（RFID）技术的研究较早，并已将其应用于肉品供应链溯源系统[4]。随着我国人们对食品安全问题重视程度的不断提高，政府也在积极推动利用RFID技术建立肉品溯源系统的研究[5]。

生猪体质量是肉品供应链全程质量溯源系统的重要组成部分[1]，也是生猪养殖行业需要监测的数据之一，直接关系到饲料转化效率和企业经济效益。在生猪育肥过程中，定期称量和记录生猪的体质量，对于了解生猪的增肥速率和健康状况十分重要。此外，生猪出栏时，体质量数据是交易金额的主要决定因素。目前，我国生猪称质量多采用悬挂或将多头猪驱赶至磅称的称质量方式，这些称质量方式会对猪产生应激，严重影响猪的生长[6-7]。人工记录生猪体质量数据易受到计量人员主观因素的影响，准确率和效率均较低，信息管理的能力弱。传统的生猪体质量数据获取、记录、管理方式已无法满足肉品供应链全程质量安全溯源和监管的需要；因此，研发了一种基于RFID、嵌入式控制系统等技术的生猪体质量自动采集传输设备，可自动识别生猪信息并对生猪称质量，实时将数据上传至上位机，整个过程无需人工干涉，提高了生猪称质量的自动化水平，避免了人工记录过程中易错、易被改动等缺点。

1方案设计

1.1需求分析

生猪称质量传统的人工计量方式具有效率低、计量不准确、称质量数据报送不及时、不能进行远程监控和管理、自动化程度较低等缺点，难以实现高效率快速称质量，浪费了大量人力和物力，造成不必要的损失[8]。在现代化、规模化的养殖场中，饲养生猪的数量不断增加，对单头猪个体成长信息的记录要求更高[9]，以便实现肉品从养殖到餐桌的全程溯源。随着食品安全问题的不断出现，政府机构对养殖企业的实时监督十分重要，需要一种新设备来完成生猪体质量信息的采集、记录、管理。

为解决规模化及自动化养殖过程中遇到的难题，本研究提出具体的设计要求：自动称质量，不对猪产生应激；体质量数据真实可靠，满足溯源系统的要求；能管理和处理庞大的体质量数据。

1.2整体设计

生猪体质量自动采集传输设备主要包括称台、下位机、上位机管理软件。称质量时需保证每次称量单头猪的体质量，通过猪圈结构设计（图1）保证单头猪体质量信息的采集。生猪进食区的进口、出口分别设有闸门1、闸门2，闸门1处于常开状态，闸门2处于常闭状态。称台放在生猪进食区的闸门1处，设计为长方形平台，样机大小为（0.9×1.8） m2（图2）。称台的主要受力部位为底部钢架结构，4个称质量传感器安装于钢架的4个角；钢架结构上有称台护罩，用于冲洗和称质量时保护称质量传感器和电线，并能均分受力；称台进口、出口处护栏上分别装有红外光栅1、红外光栅2，称台出口处装有RFID阅读器；生猪进食区的出口处装有红外光栅3。

当生猪从闸门1进入进食区时，进口处的红外光栅1探测到生猪全部走上称台后，闸门1自动关闭，称质量设备开始采集生猪体质量并读取生猪的耳标号，称台上的红外光栅2探测生猪走出称台的时间。生猪进食完后，由于过道狭窄，生猪无法转向而继续前行；当走至出口位置时，出口处的红外光栅3探测到生猪，闸门2打开；当生猪走出进食区后闸门2关闭，闸门1打开，从而完成1头生猪体质量信息的采集。生猪体质量信息的输出过程见图3，经过称台、下位机、上位机，最终将数据发送至服务器保存。

2下位机设计

2.1硬件模块

下位机主要硬件模块可分为嵌入式处理模块、电子称质量模块、红外探测模块、RFID识别模块、闸门控制模块、功能键盘模块、无线通信模块、LCD显示模块，共7个模块。其中，电子称质量模块由称质量传感器模块、信号处理模块2个小模块组成。硬件结构框图见图4。

嵌入式处理模块采用STC15F2K60S2为主控芯片，控制其他模块工作。称质量传感器选用4个高稳定性的SQC-A电阻应变式称质量传感器，每个称质量传感器的量程为 200 kg。红外探测模块选用3对红外光栅ABI10-485，响应时间为30 ms，用于探测生猪在喂食区的位置。RFID阅读器选用超高频LJYZN-102系列阅读器，对应RFID标签采用动物耳标ZY-ABS-30。功能键选用薄膜开关键盘，用于称质量模块校准，并控制LCD显示、RFID的读取和通信等。通过单片机输出开关量控制电机正反转，实现闸门的开启和关闭。通信选用NRF905无线模块与上位机进行数据传输。LCD显示选用带字库的QC12864液晶显示模块，用于实时显示采集的体质量值和RFID编号，供饲养人员现场查看。LCD显示具有光敏电阻，可根据外接光线调整液晶灯光显示亮度。

2.2称质量信号处理

4个称质量传感器采用并联方式连接，其等效电路见图5，公式[10]为：

e=14（e1+e2+e3+e4）。（1）

式中：e为桥路总输出电压；e1、e2、e3、e4分别为等效电源电动势。

当4个称质量传感器的灵敏度和内阻相等时，并联后输出的电压等于4个称质量传感器输出电压之和的25%；因此，此设备通过电位器将传感器灵敏度和内阻调为一致，消除传感器并联带来的误差。4个称质量传感器的供电电压为 5 V，输出电压为0～10 mV的模拟信号。由于传感器输出的信号为毫伏级信号且有干扰，须先将输出的信号进行硬件滤波和放大（图6），放大倍数由电阻R5决定。

生猪从进入称质量平台到走出称质量平台，称质量传感器放大后输出信号，通过16位的采集卡PCI8602采样（图7）。T1～T2段为生猪逐渐进入称质量平台的过程，T2～T3段为生猪全部进入称质量平台，T3～T4段为生猪逐渐离开称质量平台的过程。T1～T3时段的信号为质量换算的有用信号。T1时刻对应红外光栅1输出的信号由低电平变为高电平，T2时刻对应红外光栅2输出的信号由高电平变为低电平，单片机通过检测电平变化发生中断，选取T2～T3之间信号作为换算的模拟信号。

2.3下位机软件设计

体质量自动采集设备通电后，进入设备的初始化，包括单

片机系统、称质量信号采集与处理子程序、功能键处理子程序、显示子程序、耳标读取子程序、无线通信子程序、串口通信子程序等的初始化。设备初始化后，闸门1处于开放状态，闸门2处于关闭状态。一旦有生猪进入喂食区域，进口处的红外光栅1输出电平由低变高，单片机系统捕获电平变化发生中断，输出开关信号控制电机关闭闸门1，同时称质量模块和RFID读取模块开始工作。生猪进食结束后，走至闸门2处，此处的红外光栅3输出电平由高变低，单片机系统捕获电平变化发生中断，控制电机打开闸门2，当生猪走出喂食区后闸门2关闭、闸门1打开。

动态称质量的算法流程见图8。红外光栅1信号输出接入单片机中断口1，红外光栅2信号输出接入单片机中断口2，中断口1设置为下降沿捕获，中断口2为上升沿捕获。T1时刻，单片机检测到引脚由高电平变为低电平，开始采集生猪的体质量信号。采集信号的时间为4 s，如果4 s内单片机中断口2电平发生变化，表明本次采样过少，体质量采集值无效。如果采集值小于1 kg，也为无效值。仅当体质量采样足够多且采集值大于1 kg时，触发RFID识别器读取生猪耳标号，并于液晶屏显示体质量值和RFID编号，然后将测量的生猪体质量值和读取的RFID 编号数据打包发送至上位机。

3上位机的管理软件

上位机管理软件主要对采集的生猪体质量数据进行临时保存、统计、分析，便于饲养人员查看，管理界面见图9。上位机接收到的数据暂存于上位机，在夜间空闲时将数据上传至服务器进行保存。服务器上的数据可通过局域网和外网进行访问，实现生猪体质量信息的溯源查询，以便有关部门进行管理和监督。

4小结

本研究开发的生猪自动采集设备能够满足肉品供应链全程质量溯源系统的需求，并能很好地解决生猪体质量数据量庞大、难于管理、易被改动等难题。该设备可提高养殖场生猪称质量的效率和准确率，称质量过程不对猪产生应激，在生猪养殖行业中具有良好的应用前景。

参考文献：

[1]翁卫兵，房殿军，李强，等. 中国肉品供应链现状与发展趋势[M]. 北京：国防工业出版社，2013：12-27.

[2]Costa C，Antonucci F，Pallottino F，et al. A review on agri-food supply chain traceability by means of RFID technology[J]. Food and Bioprocess Technology，2013，6（2）：353-366.

[3]罗清尧，熊本海，杨亮，等. 基于超高频RFID的生猪屠宰数据采集方案[J]. 农业工程学报，2011，27（2）：370-375.

[4]中国物品编码中心. 国内外食品安全追溯情况汇报[R]. 北京：中国物品编码中心，2010.

[5]吕荫润，郑丽敏. 射频识别技术应用于畜产品追溯设备研究进展[J]. 肉类研究，2013（27）：26-30.

[6]曹功清，张清玉. 影响生猪生长的六种应激反应[J]. 中国猪业，2008，3（5）：61.

[7]生猪出栏称重操作流程[EB/OL]. [2015-07-22]. http：//www.doc88.com/p-9939349260138.html.

[8]叶庆泰. 工业企业称重技术的发展[J]. 衡器，2006，35（2）：6-10.

[9]在项目支持和带动下生猪标准化规模养殖场数量大幅增加[EB/OL]. [2015-07-22]. http：//www.china-ah.com/news/201407/247509_31.htm.

[10]刘九卿. 称重传感器并联组秤原理及其误差合成[J].