生猪屠宰自动化监管系统的物联网构建

何玲+陈长喜

摘要：生猪屠宰自动化监管系统是应基层动物卫生监督部门的业务需求开发的一套物联网系统。为了实现生猪屠宰监管工作的自动化，必须从生产线上自动采集数据。讨论了该系统的数据采集子系统的整个实现过程，即运用RFID技术、单片机技术构建的整个生产线上的物联网系统；介绍了系统的网络体系结构、数据采集电路的设计和上位机C/S模式应用程序的流程。系统在实际运用中替代了人工监管，并采集了大量的屠宰期间数据，为进一步数据分析、决策制定提供了依据。

关键词：自动化；物联网系统；生猪屠宰；数据采集；网络结构；电路设计

中图分类号： TP311.52；S126文献标志码： A文章编号：1002-1302（2017）17-0196-04

通信作者：陈长喜，博士，教授，主要从事农业信息技术研究。Tel：（022）23785773；E-mail：changxichen@163.com。生猪屠宰是猪肉进入市场前的最后环节，把好这最后一道关，可以杜绝各种问题猪肉流入市场。当前政府对屠宰场的监管方式主要是人工监督、抽检的方式。监管手段单一，信息化水平偏低[1]，监管人力不足以实现全覆盖监管。虽然，相关部门也认识到生猪屠宰监管的重要性，但是研究内容多数停留在健全制度、落实责任等政策层面，从技术层面研究此问题的还不多见[2]。利用物联网技术，能够从生猪屠宰车间自动采集数据，降低了监管的人为因素，大大节省了监管人力，也增强了监管的可信程度。这些自动采集的数据还为监管者进一步决策提供了基础依据[3-4]。

生猪屠宰自动化监管系统是应天津市基层动物卫生监督所的需求开发的一套生猪屠宰全过程数据采集、判断和呈现的网络系统。该系统分为2个子系统：一是数据采集子系统，即由RFID读（写）器、电子秤、检测仪、数据采集电路板等装置组成的物联网系统，负责采集生产线上的各种数据并存入数据库。二是数据分析显示子系统，即对数据库中的数据进行分析、判断后，以网页方式呈现给动监部门的监管人员和屠宰厂管理人员，并能根据判断结果自动打印出厂合格证。数据采集子系统是整个系统的核心，本研究将介绍数据采集子系统的设计和实现。

1数据采集子系统的物联网体系结构

1.1网络体系结构

数据采集子系统利用数据采集电路板采集电子秤、RFID读卡器和检测仪上的数据，通过RS-485串行总线将数据传输给客户端程序，客户端程序安装在屠宰厂办公室的PC机上。客户端程序将这些数据传输给服务器端程序。服务器端程序安装在动物监督所的服务器中，该服务器同时承担整个自动化监管系统的Web服务器和数据库服务器的功能。这个系统的网络体系结构如图1所示。

1.2各采集节点的数据需求

生猪进入屠宰厂核查各种检疫合格证明后，进入屠宰程序，共经过4个环节：待宰观察、屠宰及检测、冷却排酸、灼印出证[5]。前3个环节都需要采集监管数据，并依据这些数据判断该猪是否合格，能否灼印、打印合格证。

1.2.1待宰观察的数据采集活猪进入屠宰厂，首先要进行12 h的待宰观察。活猪进入待宰圈时，需要采集入圈时间、入圈体质量、猪耳标编号数据。将活猪进入待宰圈的通道改造为仅容1只猪通过的狭窄通道，通道内安装带栅栏门的称猪地秤、固定RFID读卡器和数据采集电路板。当1头猪通过通道时，在猪耳部施加事先写好“耳标编号”的RFID标签。猪通过地秤时，称得入圈体质量，并通过 RFID 读卡器读出耳标编号，数据采集电路板接收数据，生成入圈时间，并通过 RS-485 串口总线，将数据传输给上位机客户端程序。在数据库中将猪编号和耳标编号关联起来。

1.2.2屠宰前的数据采集待宰观察结束后，将生猪电晕，倒挂在生产线的屠宰杠（扁担钩）上，准备屠宰。此时需要采集屠宰时间、屠宰体质量、猪耳标编号数据。“屠宰时间”减去“入圈时间”小于12 h，认为待宰时间不合格，最后系统不予打印合格证；“屠宰体质量”大于“入圈体质量”认为屠宰前对猪进行过注水，同样不能出合格证。在挂杠工位上安装电子挂称、固定RFID读卡器和数据采集电路板。数据采集电路板接收质量、耳标编号数据，生成屠宰时间数据，传给上位机客户端程序。

1.2.3去头、蹄的数据采集生猪宰杀放血后，要去掉头、蹄，猪耳标不方便从猪耳上快速拆卸下来，因此耳标会与猪体分离，必须给猪体新的RFID标志。每头猪从挂上屠宰杠至售出不会下杠，始终用1个屠宰杠，因此在同一批屠宰的猪只中，屠宰杠编号能唯一标志1只猪。改造屠宰杠，在杠上安装已事先写好“杠编号”的永久性RFID标签，该标签耐用、不拆卸。在去头、蹄工位上安装用于读取耳标标签的RFID读卡器和用于读取杠标签的RFID读卡器。数据采集电路板接收“耳标编号”和“杠编号”，传给上位机客户端程序。在数据库中将杠编号与猪编号关联起来。

1.2.4屠宰同步检疫的数据采集生猪屠宰过程中需要进行多方面检测，也叫屠宰同步检疫。这些检测包括头蹄检测、旋毛虫检测、胴体检测、内脏检测、肉品品质检测、三腺（肾上腺、甲状腺、病变淋巴结）摘除检测、复检[6]。发现异常要将数据采集进入系统。头蹄检测、旋毛虫检测是在去头蹄前，肉眼观察，如发现异常，需要采集的数据是“耳标编号”。酮体检测、三腺摘除检测和复检是在猪屠宰后期，肉眼观察，如发现异常，需要采集的数据是“杠编号”。内脏检测、肉品品质检测是将检测样本（内脏、猪肉）盛放在托盘上，在检测间进行检测。托盘挂有事先写好“托盘编号”的RFID标签。检测样品采集时，用RFID读卡器分别读取杠编号和托盘编号，数据采集电路接收2个编号，传给上位机程序，在数据库中，将托盘编号与猪编号关联起来。检测间里，检测员肉眼观察，发现异常时，需要采集的数据是“托盘编号”。上述各检测工位的数据采集方式是相同的，只是在不同检测环节采集的编号类型不同。在各检测工位上安装固定RFID读卡器、数据采集电路板和按钮，当发现异常时，工人按下按钮，允许RFID读卡器读编号（耳标编号、杠编号或托盘编号），数据采集電路板采集编号，并传给上位机程序。endprint

1.2.5冷卻排酸的数据采集生猪屠宰完成后，要进行低温排酸。入冷库前和排酸完成后出冷库需要采集的数据项相同：入（出）库时间、入（出）库质量、杠编号。在冷库门口安装固定RFID读卡器、电子挂秤和数据采集电路板。数据采集电路板将接收的质量和生成的时间传给上位机程序。由于入库、出库经过的是同一套采集设备，因此由程序判断若该猪编号首次采集到的数据即为入库数据，若已存在入库数据，又采集到的数据为该猪的出库数据。冷却排酸时间小于规定数值（根据冷库具体情况，规定排酸时间）认为不合格。

在以上各环节中若该猪编号的数据出现任意一项不合格（待宰时间不合格、屠宰体质量不合格、某检测项目不合格或排酸时间不合格），都不能为该猪打印出厂合格证。

2数据采集电路板的设计

数据采集子系统中的数据采集电路板采用ST（意法半导体）公司的STM32F070RB单片机。该单片机采用32位处理器，工作频率48 MHz，具有高速嵌入存储器16KB SRAM，提供标准通信接口（2个I2C，2个SPI和4个UART），7个通用16位计时器和1个PWM定时器[7-8]。整个生猪屠宰系统数据采集子系统共在13个工位上安装了该型号的单片机，用于自动采集数据。根据上文各数据采集节点的数据需求介绍，这13块单片机的电路连接分为5类：第一，连接电子秤和猪耳标读卡器（RFID 1）；第二，连接耳标读卡器（RFID 1）和杠读卡器（RFID 2）；第三：连接杠读卡器（RFID 1）和托盘读卡器（RFID 2）；第四：连接杠读卡器（RFID 1）和检测异常开关；第五：连接托盘读卡器（RFID 2）和检测异常开关。图2说明了数据采集电路板的电路连接原理。

数据采集电路板向上位机程序传输的1条数据报文为32字节，包含的信息有时间、工位号（地址编码）、功能编码、来自UART1的数据、来自UART2的数据和2位CRC校验。定义数据报文协议如表1所示。

3数据采集客户端/服务器端程序设计

3.1程序流程

数据采集电路板将采集的数据存于单片机内存中，上位机程序定时轮询每块采集电路板。整个数据采集子系统的程序为客户端/服务器端（C/S）模式。整个程序流程如图3所示。

服务器端程序完成的功能是允许多个屠宰厂客户端同时登录到服务器端；从网络接收客户端传来的数据；将数据写入数据库的相应表，并反馈给客户端“写入成功”。

客户端程序完成的主要功能有通过用户名、密码方式登录到服务器端；登录后，从RS-485串口上轮询各个数据采集电路板上的数据；收到数据后，通过网络传输给服务器端程序，并同时将数据及通信状态显示在界面上；收到服务器端数据“写入成功”的信息后，通知数据采集电路清除该条数据。

客户端程序还提供了一些控制单片机的辅助功能，包括对单片机进行配置地址、校准时钟、擦除数据、远程升级、恢复出厂、远程重启等[10]。

3.2数据流的队列机制

整个程序涉及单片机、客户端界面、服务器端、数据库四者之间的数据传输，各端的处理速度和彼此间的传输速度并不同步，为了避免数据拥堵，在客户端程序中创建了4个队列，队列长度100条数据，他们入队、出队机制如下：

COMtoUI——从单片机取来数据入该队，由于客户端界面需要显示这些数据，每隔 50 ms 出队1条，显示于界面。

COMtoSERVER——从单片机取来数据入该队，每隔 50 ms 出队1条，发送到服务器端。

SERVERtoUI——从服务器端接收来数据入该队，每隔50 ms出队1条，显示于界面。

SERVERtoCOM——从服务器端接收来数据入该队，每隔50 ms出队1条，发送给单片机，若是写入成功则单片机清除这条数据。

3.3应用程序的运行效果

目前，已在生猪屠宰车间实际屠宰作业中运行该系统，数据丢失率在3%以下，程序未出现过运行时异常中断。服务器端程序运行界面如图4所示，客户端程序运行界面如图5所示。

参考文献：

[1]中国食品科技网. 我国生猪产业发展问题研究[EB/OL].（2013-01-06）[2016-06-09]. http：//www.tech-food.com/kndata/1047/0094750.htm.

[2]何玲，陈长喜. 基于物联网技术的生猪屠宰自动化监管系统[J]. 江苏农业科学，2016，44（4）：390.

[3]陈长喜. 肉鸡生产产业技术体系生产监测与产品质量可追溯平台设计[J]. 农业机械学报，2010，41（8）：100-105.

[4]陈长喜，张宏福，飞颉经纬，等. 肉鸡安全生产全过程跟踪与可追溯平台的设计[J]. 农业工程学报，2010，26（9）：263-269.

[5]李江华. GB/T 19479—2004《生猪屠宰良好操作规范》的主要内容[J]. 肉类研究，2014（2）：8.

[6]任永娟，周俊娥，陈茜. 生猪屠宰检疫流程和检疫要点[J]. 畜禽业，2011（3）：58-59.

[7]刘建梁. 一种基于STM32的具有断电保护机制的采集存储系统设计[J]. 电测与仪表，2015，52（10）：79.

[8]杨春来. 基于STM32和Web服务的数据监控系统设计[J]. 河北电力技术，2015，34（5）：43-44.

[9]张从鹏，赵康康. 基于STM32的串口服务器系统开发[J]. 仪表技术与传感器，2016（1）：74.

[10]黄一平，梁梓辰，农丽萍，等. 通用智能卡数据采集器研究与实现[J]. 测控技术，2015，34（12）：45-48.刘丹丹，李志刚. 基于WSID和WebGIS的农产品冷链监控追踪系统[J]. 江苏农业科学，2017，45（17）：200-204.endprint