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      生豬體質(zhì)量自動采集傳輸設(shè)備

      2017-02-05 23:12:07許亮胡曉冬陳勇黃小青
      江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué) 2016年10期

      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)了一臺基于射頻識別(RFID)、嵌入式控制系統(tǒng)等技術(shù)的生豬體質(zhì)量自動采集與傳輸設(shè)備,包括稱臺結(jié)構(gòu)設(shè)計、下位機設(shè)計、上位機軟件開發(fā)。使用RFID標(biāo)簽對生豬個體進行標(biāo)識,于生豬進食時稱量其體質(zhì)量,并將采集到的體質(zhì)量數(shù)據(jù)和RFID編號發(fā)送至上位機。整個稱質(zhì)量和記錄過程無需人工干涉,提高了生豬稱質(zhì)量的自動化水平,避免了人工記錄過程中易錯、易被改動等缺點。

      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: S237;S818文獻標(biāo)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(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)化進程的加快,生豬散養(yǎng)方式逐步被規(guī)?;B(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)者對射頻識別(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(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(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)量方式會對豬產(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)量自動采集傳輸設(shè)備,可自動識別生豬信息并對生豬稱質(zhì)量,實時將數(shù)據(jù)上傳至上位機,整個過程無需人工干涉,提高了生豬稱質(zhì)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(shè)計

      1.1需求分析

      生豬稱質(zhì)量傳統(tǒng)的人工計量方式具有效率低、計量不準(zhǔn)確、稱質(zhì)量數(shù)據(jù)報送不及時、不能進行遠(yuǎn)程監(jiān)控和管理、自動化程度較低等缺點,難以實現(xiàn)高效率快速稱質(zhì)量,浪費了大量人力和物力,造成不必要的損失[8]。在現(xiàn)代化、規(guī)?;酿B(yǎng)殖場中,飼養(yǎng)生豬的數(shù)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(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),政府機構(gòu)對養(yǎng)殖企業(yè)的實時監(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)模化及自動化養(yǎng)殖過程中遇到的難題,本研究提出具體的設(shè)計要求:自動稱質(zhì)量,不對豬產(chǎn)生應(yīng)激;體質(zhì)量數(shù)據(jù)真實可靠,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

      生豬體質(zhì)量自動采集傳輸設(shè)備主要包括稱臺、下位機、上位機管理軟件。稱質(zhì)量時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(圖1)保證單頭豬體質(zhì)量信息的采集。生豬進食區(qū)的進口、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)。稱臺放在生豬進食區(qū)的閘門1處,設(shè)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(jié)構(gòu),4個稱質(zhì)量傳感器安裝于鋼架的4個角;鋼架結(jié)構(gòu)上有稱臺護罩,用于沖洗和稱質(zhì)量時保護稱質(zhì)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(qū)的出口處裝有紅外光柵3。

      當(dāng)生豬從閘門1進入進食區(qū)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(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,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(zhuǎn)向而繼續(xù)前行;當(dāng)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(dāng)生豬走出進食區(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、下位機、上位機,最終將數(shù)據(jù)發(fā)送至服務(wù)器保存。

      2下位機設(shè)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(zhì)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(zhì)量模塊由稱質(zhì)量傳感器模塊、信號處理模塊2個小模塊組成。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個高穩(wěn)定性的SQC-A電阻應(yīng)變式稱質(zhì)量傳感器,每個稱質(zhì)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(yīng)時間為30 ms,用于探測生豬在喂食區(qū)的位置。RFID閱讀器選用超高頻LJYZN-102系列閱讀器,對應(yīng)RFID標(biāo)簽采用動物耳標(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。通過單片機輸出開關(guān)量控制電機正反轉(zhuǎn),實現(xiàn)閘門的開啟和關(guān)閉。通信選用NRF905無線模塊與上位機進行數(shù)據(jù)傳輸。LCD顯示選用帶字庫的QC12864液晶顯示模塊,用于實時顯示采集的體質(zhì)量值和RFID編號,供飼養(yǎng)人員現(xiàn)場查看。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)量信號處理

      4個稱質(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勢。

      當(dāng)4個稱質(zhì)量傳感器的靈敏度和內(nèi)阻相等時,并聯(lián)后輸出的電壓等于4個稱質(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。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(shù)由電阻R5決定。

      生豬從進入稱質(zhì)量平臺到走出稱質(zhì)量平臺,稱質(zhì)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(zhì)量平臺的過程,T2~T3段為生豬全部進入稱質(zhì)量平臺,T3~T4段為生豬逐漸離開稱質(zhì)量平臺的過程。T1~T3時段的信號為質(zhì)量換算的有用信號。T1時刻對應(yīng)紅外光柵1輸出的信號由低電平變?yōu)楦唠娖?,T2時刻對應(yīng)紅外光柵2輸出的信號由高電平變?yōu)榈碗娖?,單片機通過檢測電平變化發(fā)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(shè)計

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

      片機系統(tǒng)、稱質(zhì)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(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)。一旦有生豬進入喂食區(qū)域,進口處的紅外光柵1輸出電平由低變高,單片機系統(tǒng)捕獲電平變化發(fā)生中斷,輸出開關(guān)信號控制電機關(guān)閉閘門1,同時稱質(zhì)量模塊和RFID讀取模塊開始工作。生豬進食結(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,單片機系統(tǒng)捕獲電平變化發(fā)生中斷,控制電機打開閘門2,當(dāng)生豬走出喂食區(qū)后閘門2關(guān)閉、閘門1打開。

      動態(tài)稱質(zhì)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(shè)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?yōu)榈碗娖?,開始采集生豬的體質(zhì)量信號。采集信號的時間為4 s,如果4 s內(nèi)單片機中斷口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,觸發(fā)RFID識別器讀取生豬耳標(biāo)號,并于液晶屏顯示體質(zhì)量值和RFID編號,然后將測量的生豬體質(zhì)量值和讀取的RFID 編號數(shù)據(jù)打包發(fā)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(zhì)量數(shù)據(jù)進行臨時保存、統(tǒng)計、分析,便于飼養(yǎng)人員查看,管理界面見圖9。上位機接收到的數(shù)據(jù)暫存于上位機,在夜間空閑時將數(shù)據(jù)上傳至服務(wù)器進行保存。服務(wù)器上的數(shù)據(jù)可通過局域網(wǎng)和外網(wǎng)進行訪問,實現(xiàn)生豬體質(zhì)量信息的溯源查詢,以便有關(guān)部門進行管理和監(jiān)督。

      4小結(jié)

      本研究開發(fā)的生豬自動采集設(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、易被改動等難題。該設(shè)備可提高養(yǎng)殖場生豬稱質(zhì)量的效率和準(zhǔn)確率,稱質(zhì)量過程不對豬產(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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