摘要：為能夠在線測量豬活體背膘厚度，降低測量成本，提高測量精度，彌補傳統(tǒng)測量方法的不足，并有效記錄與使用測量數(shù)據(jù)，采用超聲波技術(shù)、藍(lán)牙技術(shù)和射頻識別技術(shù)設(shè)計了一種低成本在線測量裝置，實現(xiàn)了生豬背膘厚度的快速測量，并可實時在線存儲處理數(shù)據(jù)。

　　關(guān)鍵詞：背膘厚度；超聲波；在線測量；藍(lán)牙；RFID

　　豬肉等級是影響生豬養(yǎng)殖者和屠宰加工企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益的重要因素。背膘厚度能直觀反映豬肉瘦肉率，同時也是評定豬肉等級的重要指標(biāo)之一。快速測量豬活體背膘厚度，能及時掌握豬生長過程中背膘厚度的變化情況，對于飼養(yǎng)員調(diào)控飼養(yǎng)方案、控制生長速度、提高豬肉瘦肉率有著重要的作用。傳統(tǒng)的豬活體背膘厚度測量主要是借助手術(shù)刀、探針和直尺等工具進(jìn)行檢測，容易受到測量人員經(jīng)驗的影響，在與肉質(zhì)接觸的過程中可能會產(chǎn)生污染，并且檢測速度慢，只能實現(xiàn)單一的測量功能。近幾年來，許多國內(nèi)外學(xué)者也陸續(xù)展開對農(nóng)產(chǎn)品無損檢測的研究，主要利用超聲波技術(shù)對豬背膘厚度進(jìn)行測量和豬胴體等級進(jìn)行評定。有的公司也將其產(chǎn)品用于生產(chǎn)線，但是產(chǎn)品價格昂貴，只有比較有實力的大型養(yǎng)殖場才能購買，并且這些設(shè)備只能實現(xiàn)單一的測量功能，對測量的數(shù)據(jù)不能實現(xiàn)實時備份、傳輸，也不能有效記錄養(yǎng)殖場每頭豬每次的測量情況，不便于豬場的智能化管理。

　　因此，本文旨在研究豬活體超聲波背膘厚度在線無損測量方案以及低成本測量終端，填補國內(nèi)在豬背膘厚度無損測量方面研究的空白，降低硬件成本，為農(nóng)村智能化養(yǎng)殖做出一定的貢獻(xiàn)。

　　測量裝置如圖1所示，超聲波探頭作用于豬背第11根肋骨處，裝置將所采集的數(shù)據(jù)通過藍(lán)牙傳輸?shù)接脩舻闹悄苁謾C中。

圖1  測量系統(tǒng)

　　測量裝置的主要功能模塊有數(shù)據(jù)采集模塊、射頻識別模塊、數(shù)據(jù)處理模塊和無線傳輸模塊4個部分，其中最重要的部分就是利用超聲波技術(shù)設(shè)計的數(shù)據(jù)采集模塊，如圖2所示。

圖2  系統(tǒng)總體框架

　　利用超聲波技術(shù)設(shè)計傳感器對計算背膘厚度所需數(shù)據(jù)進(jìn)行測量，能夠無創(chuàng)傷性的在體外獲得活畜體內(nèi)的信息，且超聲波縱向分辨率高、抗干擾能力強，易于實現(xiàn)小型化和集成化；數(shù)據(jù)處理模塊將測量的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、計算和存儲；經(jīng)過計算得到的背膘厚度數(shù)據(jù)可由藍(lán)牙模塊發(fā)送到智能手機進(jìn)行統(tǒng)一管理；在測量前通過裝置里的ＲFID模塊對每頭豬的標(biāo)簽進(jìn)行識別，獲取每頭豬的個體信息，從而實現(xiàn)追蹤記錄。

　　裝置主要采用脈沖反射法進(jìn)行背膘厚度測量計算。脈沖反射法測厚技術(shù)是指通過超聲波探頭發(fā)射脈沖波進(jìn)入被檢對象，觀察對象內(nèi)不同材質(zhì)界面反射波的情況從而判斷各材質(zhì)層厚度的檢測方法。對于生物軟組織，超聲波脈沖反射法測厚就是指傳感器將超聲波入射到被測組織內(nèi)時，當(dāng)遇到各組織界面時聲波發(fā)生反射，通過對接收的超聲反射信號進(jìn)行分析，從而達(dá)到測量組織層厚度的方法。

　　豬淺表組織由真皮、脂肪、肌膜、肌肉和蛋白質(zhì)等不同成分組成，不同組織成分其聲阻抗也會不同，因此當(dāng)超聲波在豬活體組織里傳播時遇到兩種不同組織的界面時就會產(chǎn)生反射、折射等光學(xué)現(xiàn)象。通過反射測量超聲波在其中的傳播距離，就可以測量豬的脂肪厚度。計算公式如下。

　　d=v(t2－t1)/2    (1)

　　式中：d——背膘厚度

　　v——超聲波在豬活體脂肪中的傳播速度，m/s，取值1500m/s

　　t1—第1次檢測到的時間，即超聲波在真皮和脂肪層之間發(fā)生反射時測到的回波時間，t2——第2次檢測到的時間，即超聲波在脂肪層和肌膜之間發(fā)生反射時測到的回波時間。

　　作為背膘厚度超聲波在線測量裝置的核心，本文選擇的單片機為STM32F103Ｒ6，主要功能如下。

　　(1)控制超聲波發(fā)射電路對超聲波進(jìn)行收發(fā)，并檢測超聲波回波信號。

　　(2)通過超聲波接收電路接收的回波信號來計算超聲波在豬活體淺表脂肪中的傳播時間。

　　(3)根據(jù)超聲波在豬活體淺表脂肪中傳播所經(jīng)歷的時間來計算背膘厚度。

　　(4)在顯示模塊上顯示所測到的背膘厚度。

　　(5)控制射頻識別閱讀器讀取豬耳標(biāo)信息。

　　(6)通過無線方式上傳測量數(shù)據(jù)。

　　發(fā)射電路由兩部分組成，超聲波換能器和超聲波激勵電路。超聲探頭的中心頻率越高，高頻相應(yīng)越好，測量距離越短，同時價格也越高，其兩端所需的激勵電壓也要求更高，一般在幾十伏甚至上百伏。由于豬的背膘厚度一般為5～40mm，考慮到硬件設(shè)計成本問題，本文的超聲波換能器選擇中心頻率為1.5MHz的收發(fā)一體式探頭。超聲波激勵電路的作用是將一定形式的電壓信號瞬時加載在換能器兩端，激勵換能器將電信號轉(zhuǎn)換成聲信號并傳播出去。

　　超聲波發(fā)射電路如圖3所示。超聲波發(fā)射電路的工作原理是當(dāng)開始測量時，通過單片機的CH1_PMW管腳給1個高電平開啟Q2，Q2控制開啟Q1，這時換能器被驅(qū)動UltraPwr的電壓，UltraPwr大小為30V，驅(qū)動時間200ns，從而產(chǎn)生高壓負(fù)脈沖激勵信號，超聲換能器的探頭產(chǎn)生機械振動從而發(fā)射超聲波。利用超聲換能器自身是感性元器件的特點自振蕩發(fā)射超聲波，無需專門的信號發(fā)生電路，在驅(qū)動200ns 后關(guān)閉Q2，不僅可以降低發(fā)射電路對接收電路產(chǎn)生的信號干擾，同時還能降低系統(tǒng)功耗、節(jié)約硬件成本。

圖3  超聲波發(fā)射電路

　　回波接收電路是用來檢測發(fā)射出去的超聲波遇到不同介質(zhì)界面反射回來的超聲波信號，主要是超聲波在豬活體真皮組織與淺表組織的脂肪層和脂肪層與肌膜反射回來的信號。接收電路由信號采集電路和信號調(diào)理電路兩部分組成，超聲波在介質(zhì)中傳播的時候或多或少會有一定程度的衰減，其衰減的程度跟傳播距離成正比。因此，接收到的聲波信號比較微弱，同時通過超聲換能器采集到的信號是將聲信號轉(zhuǎn)換過來的脈沖信號，不能直接送入單片機，在信號進(jìn)入到單片機之前需要濾除掉干擾信號和噪聲，將有效信號提取出來，并進(jìn)行一定程度的放大，增大信噪比，盡可能獲取精確的所需信號，最后將放大比較整形后的有效信號送入單片機進(jìn)行后續(xù)處理。超聲波回波電路如圖4所示。

圖4  超聲波回波電路

　　背膘厚度測量系統(tǒng)無線傳輸部分的藍(lán)牙模塊BT－HC07，電路如圖5所示。

圖5 藍(lán)牙無線傳輸模塊電路

　　射頻識別部分直接選用已經(jīng)集成好的MF522-AN模塊，該模塊采用MFＲC522設(shè)計讀卡電路，不僅成本較低，使用也極為方便。選擇非接觸式智能卡(簡稱S50卡)作為電子標(biāo)簽。射頻識別模塊電路模塊通過I2C的方式與控制器通信，將模塊的4、5管腳與單片機對應(yīng)的SCL和SDA連接就能實現(xiàn)數(shù)據(jù)的雙向讀寫，通過ＲFID_ EN 控制CMOS管進(jìn)而控制整個模塊的開關(guān)工作，如圖6所示。

圖6  射頻識別模塊電路

　　軟件開發(fā)平臺主要選擇Keil Uvision4、JDK ( 1.6版本以上)、Eclipse(3.4版本以上)、Android SDK和ADT。采用C語言和Java 語言進(jìn)行實現(xiàn)。總體的程序流程如圖7所示。

圖7  系統(tǒng)主程序流程

　　裝置啟動之后，進(jìn)行相關(guān)硬件和程序的初始化并進(jìn)入初始化界面。通過鍵盤上的按鍵選擇不同的程序，其中校準(zhǔn)程序用于對測量儀器進(jìn)行校準(zhǔn)；測量程序可啟動裝置采集終端，產(chǎn)生超聲波信號，同時將超聲換能器感測到超聲波信號并將其轉(zhuǎn)化為電信號輸入控制芯片，經(jīng)算法計算處理后，得到背膘厚度，并將測量結(jié)果進(jìn)行存儲及傳輸；識別程序用于讀取豬耳上的電子標(biāo)簽，獲取每頭豬的基本信息；菜單程序主要用于系統(tǒng)設(shè)置以及查詢，包括5個子程序，通過按鍵“1～5”依次對應(yīng)，分別是時間設(shè)置、校準(zhǔn)密碼設(shè)置、藍(lán)牙設(shè)置、歷史記錄清除和歷史記錄查詢。

　　選用兩種樣品對設(shè)計的豬活體背膘厚度超聲波在線測量裝置進(jìn)行測試，樣品1是新鮮離體(離體時間大約1h) 的豬肉背部的淺表組織，樣品數(shù)量為10，即來自10 頭不同豬的背部淺表組織，并將這些組織切成以豬的表皮為底面，底面積為20cm×20cm，厚度不做處理的方塊，并用筆在每個組織樣品的表皮上做記號，以保證超聲換能器每次測量時都能對準(zhǔn)同一位置，做到試驗唯一變量。樣品2是數(shù)值已知( 25 mm) 的塑料透明試塊，該試塊組織成分跟真皮和脂肪一樣，是專門用來校準(zhǔn)超聲波測量儀器的試驗樣品，同樣用筆在該試塊的表面上做記號。

　　4.2.1  新鮮離體豬肉淺表組織

　　將新鮮離體的豬肉淺表組織表皮朝上平整的放在有機玻璃箱內(nèi)，并在豬肉表皮上均勻涂抹醫(yī)用耦合劑，特別是在筆做的記號處，將超聲換能器探頭垂直置于記號處并充分接觸，然后將探頭固定在有機玻璃夾上。按下裝置鍵盤上的測量按鍵，從測量裝置上讀出背膘厚度數(shù)值，10個樣品組織每個測量10次，取平均值。待儀器測量完成之后，用直尺再在同一位置測量10次，取平均值。

　　4.2.2  已知厚度測量試塊

　　將已知試塊平整的放在有機玻璃箱內(nèi)，并表面均勻涂抹醫(yī)用耦合劑，特別是在筆做的記號處，將超聲換能器探頭垂直置于記號處并充分接觸，然后將探頭固定在有機玻璃夾上。按下裝置鍵盤上的測量按鍵，從測量裝置上讀出測量數(shù)值，測量10次，取平均值。測量試塊的已知厚度為25mm。

　　通過本文設(shè)計的背膘厚度在線測量裝置和手動用直尺測量新鮮豬肉淺表組織不同樣品的結(jié)果如表1～4所示。

表1  樣品1不同測量方法背膘厚度測量結(jié)果                 mm

表2  樣品2不同測量方法背膘厚度測量結(jié)果              mm

表3  樣品3不同測量方法背膘厚度測量結(jié)果               mm

表4  測量裝置測量25mm試塊結(jié)果

　　從表1、表2、表3 中可以看出，在使用本文設(shè)計的生豬背膘厚度在線測量裝置不同樣品，其測量結(jié)果對比直尺而言結(jié)果基本一致，仍然有0～1mm的誤差。由表4中可知，在對已知試塊進(jìn)行測量時測量值與已知值保持一致，沒有誤差，這可能是在用直尺測量的過程中人工使用工具過程中而產(chǎn)生的較小誤差，也有可能是在選取的軟組織超聲聲速比實際豬軟組織聲速小或者不是在活體進(jìn)行測量而造成的誤差。但是經(jīng)過試驗數(shù)據(jù)可知，測量結(jié)果具有一定的可靠性，并具有很強的實用性。

　　4.4  傳輸功能測試將已編輯好的藍(lán)牙通信Java程序安裝到Android智能手機上，啟動藍(lán)牙軟件，搜索藍(lán)牙設(shè)備，尋找到生豬背膘厚度測量系統(tǒng)的藍(lán)牙傳輸模塊BT-HC07，進(jìn)行配對后進(jìn)入數(shù)據(jù)通信界面，程序運行界面如圖8所示。

圖8  程序運行界面

　　經(jīng)測試系統(tǒng)的無線傳輸模塊與手機端的藍(lán)牙通信程序之間能夠?qū)崿F(xiàn)無線通信并且完成測量信息的傳輸功能。

　　超聲波檢測技術(shù)日漸成熟，其應(yīng)用范圍也越來越廣，本文利用超聲波無損、方向性好等特點，將其應(yīng)用到豬活體背膘厚度測量當(dāng)中，實現(xiàn)了生豬背膘厚度的無損測量，解決了進(jìn)口測量設(shè)備成本高的問題，同時將ＲFID和藍(lán)牙技術(shù)集成到該測量裝置，解決了現(xiàn)有進(jìn)口設(shè)備不能本地存儲以及在線傳輸和跟蹤記錄的弊端，為牲畜智能化養(yǎng)殖做了一定的貢獻(xiàn)。

　　隨著信息技術(shù)、智能化技術(shù)以及農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的高速發(fā)展，農(nóng)業(yè)智能化養(yǎng)殖成為農(nóng)業(yè)養(yǎng)殖建設(shè)的大勢所趨。本文中設(shè)計的測量指數(shù)僅包括豬活體背膘厚度，可以添加其他傳感器設(shè)備加入更多的指數(shù)，如運用溫度傳感器進(jìn)行體溫的測量、運用質(zhì)量傳感器進(jìn)行體重的采集等。該文簡單設(shè)計了一個用戶管理數(shù)據(jù)庫和一些簡單功能的實現(xiàn)，作為功能的擴展可以加入更為復(fù)雜的數(shù)據(jù)分析操作，如在一定時間內(nèi)豬的生長情況分析圖示、根據(jù)體重及生長天數(shù)自動計算出當(dāng)天的進(jìn)食量，飼養(yǎng)方案自動調(diào)整等。