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

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

　　豬肉等級(jí)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(shí)也是評(píng)定豬肉等級(jí)的重要指標(biāo)之一?？焖贉y(cè)量豬活體背膘厚度，能及時(shí)掌握豬生長(zhǎng)過程中背膘厚度的變化情況，對(duì)于飼養(yǎng)員調(diào)控飼養(yǎng)方案、控制生長(zhǎng)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(cè)量主要是借助手術(shù)刀、探針和直尺等工具進(jìn)行檢測(cè)，容易受到測(cè)量人員經(jīng)驗(yàn)的影響，在與肉質(zhì)接觸的過程中可能會(huì)產(chǎn)生污染，并且檢測(cè)速度慢，只能實(shí)現(xiàn)單一的測(cè)量功能。近幾年來，許多國(guó)內(nèi)外學(xué)者也陸續(xù)展開對(duì)農(nóng)產(chǎn)品無損檢測(cè)的研究，主要利用超聲波技術(shù)對(duì)豬背膘厚度進(jìn)行測(cè)量和豬胴體等級(jí)進(jìn)行評(píng)定。有的公司也將其產(chǎn)品用于生產(chǎn)線，但是產(chǎn)品價(jià)格昂貴，只有比較有實(shí)力的大型養(yǎng)殖場(chǎng)才能購(gòu)買，并且這些設(shè)備只能實(shí)現(xiàn)單一的測(cè)量功能，對(duì)測(cè)量的數(shù)據(jù)不能實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)備份、傳輸，也不能有效記錄養(yǎng)殖場(chǎng)每頭豬每次的測(cè)量情況，不便于豬場(chǎng)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(cè)量方案以及低成本測(cè)量終端，填補(bǔ)國(guó)內(nèi)在豬背膘厚度無損測(cè)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(cè)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(jī)中。

圖1  測(cè)量系統(tǒng)

　　測(cè)量裝置的主要功能模塊有數(shù)據(jù)采集模塊、射頻識(shí)別模塊、數(shù)據(jù)處理模塊和無線傳輸模塊4個(gè)部分，其中最重要的部分就是利用超聲波技術(shù)設(shè)計(jì)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(jì)傳感器對(duì)計(jì)算背膘厚度所需數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)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(qiáng)，易于實(shí)現(xiàn)小型化和集成化；數(shù)據(jù)處理模塊將測(cè)量的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、計(jì)算和存儲(chǔ)；經(jīng)過計(jì)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(jī)進(jìn)行統(tǒng)一管理；在測(cè)量前通過裝置里的ＲFID模塊對(duì)每頭豬的標(biāo)簽進(jìn)行識(shí)別，獲取每頭豬的個(gè)體信息，從而實(shí)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(cè)量計(jì)算。脈沖反射法測(cè)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(duì)象，觀察對(duì)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(cè)方法。對(duì)于生物軟組織，超聲波脈沖反射法測(cè)厚就是指?jìng)鞲衅鲗⒊暡ㄈ肷涞奖粶y(cè)組織內(nèi)時(shí)，當(dāng)遇到各組織界面時(shí)聲波發(fā)生反射，通過對(duì)接收的超聲反射信號(hào)進(jìn)行分析，從而達(dá)到測(cè)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(huì)不同，因此當(dāng)超聲波在豬活體組織里傳播時(shí)遇到兩種不同組織的界面時(shí)就會(huì)產(chǎn)生反射、折射等光學(xué)現(xiàn)象。通過反射測(cè)量超聲波在其中的傳播距離，就可以測(cè)量豬的脂肪厚度。計(jì)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(cè)到的時(shí)間，即超聲波在真皮和脂肪層之間發(fā)生反射時(shí)測(cè)到的回波時(shí)間，t2——第2次檢測(cè)到的時(shí)間，即超聲波在脂肪層和肌膜之間發(fā)生反射時(shí)測(cè)到的回波時(shí)間。

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

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

　　(2)通過超聲波接收電路接收的回波信號(hào)來計(jì)算超聲波在豬活體淺表脂肪中的傳播時(shí)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(shí)間來計(jì)算背膘厚度。

　　(4)在顯示模塊上顯示所測(cè)到的背膘厚度。

　　(5)控制射頻識(shí)別閱讀器讀取豬耳標(biāo)信息。

　　(6)通過無線方式上傳測(cè)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(lì)電路。超聲探頭的中心頻率越高，高頻相應(yīng)越好，測(cè)量距離越短，同時(shí)價(jià)格也越高，其兩端所需的激勵(lì)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(jì)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(lì)電路的作用是將一定形式的電壓信號(hào)瞬時(shí)加載在換能器兩端，激勵(lì)換能器將電信號(hào)轉(zhuǎn)換成聲信號(hào)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(cè)量時(shí)，通過單片機(jī)的CH1_PMW管腳給1個(gè)高電平開啟Q2，Q2控制開啟Q1，這時(shí)換能器被驅(qū)動(dòng)UltraPwr的電壓，UltraPwr大小為30V，驅(qū)動(dòng)時(shí)間200ns，從而產(chǎn)生高壓負(fù)脈沖激勵(lì)信號(hào)，超聲換能器的探頭產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)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(diǎn)自振蕩發(fā)射超聲波，無需專門的信號(hào)發(fā)生電路，在驅(qū)動(dòng)200ns 后關(guān)閉Q2，不僅可以降低發(fā)射電路對(duì)接收電路產(chǎn)生的信號(hào)干擾，同時(shí)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(cè)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(hào)，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(hào)。接收電路由信號(hào)采集電路和信號(hào)調(diào)理電路兩部分組成，超聲波在介質(zhì)中傳播的時(shí)候或多或少會(huì)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(hào)比較微弱，同時(shí)通過超聲換能器采集到的信號(hào)是將聲信號(hào)轉(zhuǎn)換過來的脈沖信號(hào)，不能直接送入單片機(jī)，在信號(hào)進(jìn)入到單片機(jī)之前需要濾除掉干擾信號(hào)和噪聲，將有效信號(hào)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(hào)，最后將放大比較整形后的有效信號(hào)送入單片機(jī)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(cè)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(shí)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(jì)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(jiǎn)稱S50卡)作為電子標(biāo)簽。射頻識(shí)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(jī)對(duì)應(yīng)的SCL和SDA連接就能實(shí)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(gè)模塊的開關(guān)工作，如圖6所示。

圖6  射頻識(shí)別模塊電路

　　軟件開發(fā)平臺(tái)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(yǔ)言和Java 語(yǔ)言進(jìn)行實(shí)現(xiàn)?？傮w的程序流程如圖7所示。

圖7  系統(tǒng)主程序流程

　　裝置啟動(dòng)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(duì)測(cè)量?jī)x器進(jìn)行校準(zhǔn)；測(cè)量程序可啟動(dòng)裝置采集終端，產(chǎn)生超聲波信號(hào)，同時(shí)將超聲換能器感測(cè)到超聲波信號(hào)并將其轉(zhuǎn)化為電信號(hào)輸入控制芯片，經(jīng)算法計(jì)算處理后，得到背膘厚度，并將測(cè)量結(jié)果進(jìn)行存儲(chǔ)及傳輸；識(shí)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(gè)子程序，通過按鍵“1～5”依次對(duì)應(yīng)，分別是時(shí)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(duì)設(shè)計(jì)的豬活體背膘厚度超聲波在線測(cè)量裝置進(jìn)行測(cè)試，樣品1是新鮮離體(離體時(shí)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(gè)組織樣品的表皮上做記號(hào)，以保證超聲換能器每次測(cè)量時(shí)都能對(duì)準(zhǔn)同一位置，做到試驗(yàn)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(cè)量?jī)x器的試驗(yàn)樣品，同樣用筆在該試塊的表面上做記號(hào)。

　　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(jī)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(hào)處，將超聲換能器探頭垂直置于記號(hào)處并充分接觸，然后將探頭固定在有機(jī)玻璃夾上。按下裝置鍵盤上的測(cè)量按鍵，從測(cè)量裝置上讀出背膘厚度數(shù)值，10個(gè)樣品組織每個(gè)測(cè)量10次，取平均值。待儀器測(cè)量完成之后，用直尺再在同一位置測(cè)量10次，取平均值。

　　4.2.2  已知厚度測(cè)量試塊

　　將已知試塊平整的放在有機(jī)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(hào)處，將超聲換能器探頭垂直置于記號(hào)處并充分接觸，然后將探頭固定在有機(jī)玻璃夾上。按下裝置鍵盤上的測(cè)量按鍵，從測(cè)量裝置上讀出測(cè)量數(shù)值，測(cè)量10次，取平均值。測(cè)量試塊的已知厚度為25mm。

　　通過本文設(shè)計(jì)的背膘厚度在線測(cè)量裝置和手動(dòng)用直尺測(cè)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(cè)量方法背膘厚度測(cè)量結(jié)果                 mm

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

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

表4  測(cè)量裝置測(cè)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(jì)的生豬背膘厚度在線測(cè)量裝置不同樣品，其測(cè)量結(jié)果對(duì)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(duì)已知試塊進(jìn)行測(cè)量時(shí)測(cè)量值與已知值保持一致，沒有誤差，這可能是在用直尺測(cè)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(shí)際豬軟組織聲速小或者不是在活體進(jìn)行測(cè)量而造成的誤差。但是經(jīng)過試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，測(cè)量結(jié)果具有一定的可靠性，并具有很強(qiáng)的實(shí)用性。

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

圖8  程序運(yùn)行界面

　　經(jīng)測(cè)試系統(tǒng)的無線傳輸模塊與手機(jī)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(cè)量信息的傳輸功能。

　　超聲波檢測(cè)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(diǎn)，將其應(yīng)用到豬活體背膘厚度測(cè)量當(dāng)中，實(shí)現(xiàn)了生豬背膘厚度的無損測(cè)量，解決了進(jìn)口測(cè)量設(shè)備成本高的問題，同時(shí)將ＲFID和藍(lán)牙技術(shù)集成到該測(cè)量裝置，解決了現(xiàn)有進(jìn)口設(shè)備不能本地存儲(chǔ)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(shì)所趨。本文中設(shè)計(jì)的測(cè)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(yùn)用溫度傳感器進(jìn)行體溫的測(cè)量、運(yùn)用質(zhì)量傳感器進(jìn)行體重的采集等。該文簡(jiǎn)單設(shè)計(jì)了一個(gè)用戶管理數(shù)據(jù)庫(kù)和一些簡(jiǎn)單功能的實(shí)現(xiàn)，作為功能的擴(kuò)展可以加入更為復(fù)雜的數(shù)據(jù)分析操作，如在一定時(shí)間內(nèi)豬的生長(zhǎng)情況分析圖示、根據(jù)體重及生長(zhǎng)天數(shù)自動(dòng)計(jì)算出當(dāng)天的進(jìn)食量，飼養(yǎng)方案自動(dòng)調(diào)整等。