基于物聯(lián)網(wǎng)技術的豬胴體分割生產(chǎn)研究

張志明，王 輝，邊傳周，張一帆，牛衛(wèi)紅

(河南牧業(yè)經(jīng)濟學院，河南 鄭州 450046)

豬肉作為消費者餐桌上的重要食品和營養(yǎng)源，有著強勁的市場需求。我國的豬肉產(chǎn)量和消費量已連續(xù)多年居世界第一。2017年和2018年我國豬肉產(chǎn)量分別為5493.5萬t和5404萬t，消費量均為5500萬t左右[1-2]。同時，2017年和2018年進口豬肉分別為162萬t和175萬t，連續(xù)3年蟬聯(lián)豬肉進口第一大國[3]。近年來，受非洲豬瘟、瘦肉精和注水肉等食品安全事件影響，消費者對豬肉安全的信心不斷下降，甚至引起了一定程度的社會恐慌[4]。如何運用物聯(lián)網(wǎng)技術加強豬肉生產(chǎn)監(jiān)督和管理，緩解食品安全信任危機，并降低進出口逆差，已成為“互聯(lián)網(wǎng)+”戰(zhàn)略下消費者關注的焦點。

1 研究背景

物聯(lián)網(wǎng)(Internet of Things，IOT)被稱為繼計算機、互聯(lián)網(wǎng)之后信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展的第三次浪潮，為企業(yè)生態(tài)模式創(chuàng)新注入了新的能量[5]。一些發(fā)達國家早在2005年就開始了物聯(lián)網(wǎng)研究，如美國的“智慧地球”、日本的“i-Japan”和韓國的“u-Korea”戰(zhàn)略等[6]。2009年溫家寶總理提出了“感知中國”的物聯(lián)網(wǎng)構思，我國近年來相繼出臺了《物聯(lián)網(wǎng)“十二五”發(fā)展規(guī)劃》等文件，加大了對物聯(lián)網(wǎng)研究的投入。同時，國內外學者紛紛結合行業(yè)需求對物聯(lián)網(wǎng)應用展開研究，畜牧生產(chǎn)中的物聯(lián)網(wǎng)研究也開展得如火如荼。J. Hwang等[7]通過無線網(wǎng)實現(xiàn)了豬舍設備的自動控制，賈娜[8]借助物聯(lián)網(wǎng)技術實現(xiàn)了奶牛育種優(yōu)化，田健等[9]運用物聯(lián)網(wǎng)技術實現(xiàn)了種豬精細養(yǎng)殖，何玲等[10]開發(fā)了生豬屠宰自動化監(jiān)管系統(tǒng)。將先進的物聯(lián)網(wǎng)技術與傳統(tǒng)的畜牧生產(chǎn)相結合，符合我國“互聯(lián)網(wǎng)+”發(fā)展戰(zhàn)略和食品安全需求，具有廣闊的應用市場和良好的商業(yè)價值[11]。

2 物聯(lián)網(wǎng)技術

物聯(lián)網(wǎng)是借助于智能傳感器、RFID(Radio Frequency Identification，無線射頻識別)、激光掃描儀、GPS(Global Positioning System，全球定位系統(tǒng))、遙感等設備和系統(tǒng)，通過網(wǎng)絡按照相關協(xié)議進行設備聯(lián)網(wǎng)和通信，進而實現(xiàn)物品的智能識別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的一種智能網(wǎng)絡[12]。物聯(lián)網(wǎng)是互聯(lián)網(wǎng)技術的應用升級，充分實現(xiàn)了“人—機—物”之間的信息通信和智能化控制。

一般來說，物聯(lián)網(wǎng)的基本架構由感知層、網(wǎng)絡層和應用層構成，如圖1所示。

圖1 物聯(lián)網(wǎng)架構圖

針對豬胴體分割生產(chǎn)的物聯(lián)網(wǎng)應用，感知層是用于生產(chǎn)數(shù)據(jù)的感知采集，它是物聯(lián)網(wǎng)技術的核心和基礎，如監(jiān)測生產(chǎn)車間溫度的傳感器、用于豬胴體識別的RFID標簽，以及監(jiān)視生產(chǎn)過程的視頻采集設備等。網(wǎng)絡層是實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸和信息通訊的媒介，包括互聯(lián)網(wǎng)、傳感器網(wǎng)絡和通信網(wǎng)絡三種，如感知設備獲取的生產(chǎn)數(shù)據(jù)要通過傳感器網(wǎng)絡和通信網(wǎng)絡傳輸?shù)綌?shù)據(jù)服務器，面向用戶的移動端APP上信息查詢則要依靠互聯(lián)網(wǎng)訪問數(shù)據(jù)服務器。應用層是面向企業(yè)管理實際需求的應用解決方案，通常具有信息查詢、統(tǒng)計、分析和預警等功能，是物聯(lián)網(wǎng)應用面向終端用戶的信息綜合管理平臺。

3 豬胴體分割業(yè)務流程

豬胴體分割生產(chǎn)是指企業(yè)采購生豬屠宰后的白條胴體，經(jīng)胴體分割加工成為可銷售豬肉成品(如前腿肉、大排、肉方等)的過程。胴體分割有利于體現(xiàn)豬肉品質差異，提高豬肉的經(jīng)濟和食用價值，提升產(chǎn)品溢價能力。

胴體分割生產(chǎn)首先由采購員到屠宰站采購白條胴體，再將胴體進行標識、稱重入原材料庫；然后由車間主任根據(jù)生產(chǎn)計劃到原材料庫取料生產(chǎn)，并在生產(chǎn)流水線上完成產(chǎn)品名稱標識、稱重和包裝；最后經(jīng)倉庫管理員登記入成品庫。筆者通過對某企業(yè)實地調研，發(fā)現(xiàn)其存在以下具有代表性的問題：(1)人工采集數(shù)據(jù)的效率低、臟數(shù)據(jù)多。(2)生產(chǎn)數(shù)據(jù)不完整，產(chǎn)品信息溯源難度大。(3)生產(chǎn)過程監(jiān)管不完善，存在監(jiān)管空白。(4)現(xiàn)行系統(tǒng)缺乏智能預警和應急處理機制。

4 胴體分割生產(chǎn)中的物聯(lián)網(wǎng)應用研究

針對傳統(tǒng)胴體分割生產(chǎn)中存在的問題，筆者運用物聯(lián)網(wǎng)RFID、傳感器和視頻采集等技術自動捕獲生產(chǎn)數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)經(jīng)有線或無線網(wǎng)絡傳遞給服務器，再由信息系統(tǒng)對數(shù)據(jù)進行匯總、統(tǒng)計和分析。當出現(xiàn)數(shù)據(jù)異常時，系統(tǒng)產(chǎn)生相應的智能預警，并實施應急處理，從而實現(xiàn)生產(chǎn)數(shù)據(jù)的自動化采集和生產(chǎn)過程的監(jiān)控，提高胴體分割生產(chǎn)的效率，并實現(xiàn)過程可追溯。系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集部署如圖2所示。

圖2 數(shù)據(jù)采集部署圖

4.1 胴體自動化識別

為核算生產(chǎn)成本、降低損耗和實現(xiàn)生產(chǎn)過程可追溯，胴體分割生產(chǎn)需對胴體和產(chǎn)出產(chǎn)品進行標識和稱重。系統(tǒng)采用了RFID技術實現(xiàn)胴體無接觸識別，即在胴體上安裝扎帶式低頻RFID標簽，結合門禁式閱讀器和具有RFID閱讀器功能的稱重器自動完成[13]。

RFID是一種非接觸式的自動識別技術，它利用射頻信號空間耦合實現(xiàn)信息傳輸，是物聯(lián)網(wǎng)應用的核心技術之一[14]。RFID系統(tǒng)通常由標簽、閱讀器和天線構成，如圖3所示。其中標簽是存儲商品的唯一標識碼，閱讀器借助于天線發(fā)出射頻信號捕獲標簽信息，再將信息通過網(wǎng)絡傳遞給信息系統(tǒng)[15]。

圖3 RFID系統(tǒng)構成圖

首先，系統(tǒng)在采購豬胴體入原材料庫時使用低頻RFID標簽替代屠宰用的高頻RFID標簽，并為兩種標簽建立對應關系。其次，在分割生產(chǎn)取料時采用門禁式RFID閱讀器讀取胴體標簽信息。系統(tǒng)為了減小閱讀器和標簽之間的距離，提高標簽識別的準確率，閱讀器采用了倒“品”字型的天線布局(即天線安裝在門的左、下、右三個位置)。再次，胴體分割流水作業(yè)時，安裝在各工位的RFID稱重器會自動識別經(jīng)過的胴體標簽，且與對應產(chǎn)出的產(chǎn)品建立關聯(lián)，從而實現(xiàn)生產(chǎn)的溯源追蹤。最后產(chǎn)品包裝入成品庫，再由庫存管理員借助于移動式RFID閱讀器盤點庫存，盤點數(shù)據(jù)經(jīng)無線網(wǎng)絡實時傳輸?shù)椒掌鳌?/p>

根據(jù)流水線各工位的分工，各工位的分割任務和流水順序相對固定，即一個工位只負責分割一種產(chǎn)品，且操作順序固定不變。安裝在流水線各工位的RFID稱重器預先編碼，從而實現(xiàn)稱重器和工位的關聯(lián)。借助于職工出勤和工位分工信息，可以實現(xiàn)操作員和工位的對應。同時稱重器可以借助其RFID閱讀器功能識別胴體標簽，實現(xiàn)胴體和產(chǎn)出產(chǎn)品的關聯(lián)。由此系統(tǒng)就建立起“胴體—操作員—產(chǎn)品”的完整聯(lián)系，進而實現(xiàn)胴體分割生產(chǎn)過程的完整追溯。

4.2 溫度預警機制

溫度控制在豬肉生產(chǎn)過程中至關重要，是保證豬肉生產(chǎn)安全的重要因素，胴體分割生產(chǎn)中主要包括原材料庫、分割車間、成品庫和運輸車輛的溫度控制。系統(tǒng)采用了溫度傳感器實時監(jiān)測，并通過網(wǎng)絡將溫度信息上傳到服務器。當溫度出現(xiàn)異常時，信息系統(tǒng)會自動發(fā)出預警信號，并做出應急處理。

溫度傳感器是指將溫度轉化為容易被測量的電信號設備。胴體分割生產(chǎn)中的冷鏈運輸和倉庫的溫度監(jiān)控比較常見，此處不再贅述，這里僅介紹分割車間的溫度控制。胴體分割有熱剔骨、冷剔骨和預冷剔骨三種操作方法。預冷剔骨法是指將宰后熱胴體送至0 ℃的預冷間，在3 h左右使肉的中心溫度降到20 ℃，平均溫度在10 ℃左右，再在20 ℃以下的分割車間進行分割[16]。預冷剔骨法具有易分割、肉質鮮和生產(chǎn)衛(wèi)生等優(yōu)勢，被廣泛采用。

系統(tǒng)在分割車間部署了多個溫度傳感器，形成了多個采樣點呈樹形分布的傳感器網(wǎng)絡，從而確保分割車間的溫度達標。各溫度傳感器獨立工作，在指定的時間間隔借助于ZigBee(一種低速短距離傳輸?shù)臒o線網(wǎng)絡協(xié)議)網(wǎng)絡向路由器發(fā)送采集數(shù)據(jù)，再由路由器轉發(fā)到服務器。信息系統(tǒng)根據(jù)事先設置的溫度閾值進行判斷，當車間溫度高出閾值時發(fā)出預警提示，同時向制冷設備發(fā)出開啟指令，直至溫度調整到指定范圍。系統(tǒng)結合車間實際需求，并為降低網(wǎng)絡傳輸負荷，設置了溫度傳感器在規(guī)定的時間間隔(如5min)上報溫度，而非實時上報。

4.3 生產(chǎn)過程監(jiān)控

為加強對生產(chǎn)過程的監(jiān)控，提高產(chǎn)品的溯源質量，系統(tǒng)在生產(chǎn)車間安裝了視頻采集裝置，從而實現(xiàn)生產(chǎn)過程的實時監(jiān)控和視頻回放。同時，結合RFID標簽在流水線的經(jīng)過時間，以及該時間點系統(tǒng)顯示的車間溫度，通過視頻合成技術生成產(chǎn)品溯源視頻，實現(xiàn)消費者對生產(chǎn)過程的可視化監(jiān)督。

系統(tǒng)在分割車間和流水線上部署多個視頻采集點記錄胴體走向。當胴體進入分割車間時，由RFID閱讀器感知其標識，并通過后臺信息系統(tǒng)記錄該胴體，同時在相應的視頻錄像時間點上標注起始點。隨后胴體進入流水線，由分布在流水線上的多個采集點依次記錄其走向。當胴體到達分割工位時，由安裝在工位上的采集點進行錄像。整個視頻采集過程以胴體走向和分割生產(chǎn)為主，依據(jù)時間順序收集多個視頻采集點的視頻片段，綜合溫度傳感器獲取的溫度信息，進行視頻合成、編碼、壓縮，最終生成產(chǎn)品溯源視頻。

產(chǎn)品溯源視頻根據(jù)工位、胴體標識和時間節(jié)點，可以實現(xiàn)與產(chǎn)出產(chǎn)品之間的對應關系，將產(chǎn)品編碼對應于溯源視頻。消費者掃描產(chǎn)品二維碼不單可以查看產(chǎn)品生產(chǎn)過程的文本信息，而且還可以觀看到產(chǎn)品生產(chǎn)過程的溯源視頻，從而實現(xiàn)生產(chǎn)過程的全程透明化監(jiān)督。另外，考慮到視頻占用存儲空間過多的因素，實時監(jiān)控視頻原則上保存時長不超過15天，產(chǎn)品溯源視頻保存時長以商品保質期向后推算90天為準，過期視頻會被覆蓋銷毀，而溯源文本信息將長期保留。

5 關鍵技術研究

受生產(chǎn)車間低溫環(huán)境和多傳感器沖突等因素影響，系統(tǒng)進行了RFID標簽選擇、標簽防碰撞和溫度傳感器部署等關鍵技術的研究。

5.1 RFID標簽選擇

豬胴體分割車間具有低溫、多油的特點，工作環(huán)境差，不利于RFID標簽的數(shù)據(jù)讀取。經(jīng)過試驗比對，發(fā)現(xiàn)工作頻率在30kHz～300kHz的低頻RFID標簽具有受溫度和濕度影響小的優(yōu)點，非常適用于低溫潮濕環(huán)境。考慮到低頻標簽的閱讀距離一般在1m之內，系統(tǒng)采用了倒“品”字型的閱讀器天線布局，從而保證了RFID標簽的有效識別。

5.2 標簽防碰撞算法

標簽碰撞是指多個標簽向閱讀器發(fā)出通信請求，發(fā)生共享信道沖突的現(xiàn)象。防碰撞算法研究是RFID技術應用的關鍵技術之一，國內外有不少學者就此進行了探索。參考管小衛(wèi)[17]針對分組幀時隙ALOHA改進算法，將進入閱讀器工作范圍的標簽按先后順序分組，并周期性發(fā)送分組指令，標簽根據(jù)其分組值的大小順序響應。該算法在分組標簽數(shù)量和幀長度相等時，系統(tǒng)吞吐率可以達到最高，即單位時間內閱讀器成功讀取標簽的數(shù)量最多。

5.3 溫度傳感器布設

系統(tǒng)采用了多個溫度傳感器感知車間實時溫度，多傳感器的布設問題是國內外學者研究的熱點。如彭秀媛等[18]提出的最佳平方逼近最小二乘法布設，溫凱方[19]的鴿群算法布設等。系統(tǒng)在矩形分割車間的四周和對角線距地面2 m高度均勻布設傳感器，若分割車間面積過大，也可以將矩形車間分割成多個小矩形，然后再布設傳感器。生產(chǎn)車間內溫度傳感器布設如圖4所示。

圖4 生產(chǎn)車間內溫度傳感器布設示意圖

為準確掌握車間溫度，同時兼顧系統(tǒng)效率，系統(tǒng)設定每5 min進行一次溫度取樣，取樣數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡傳遞到服務器。當某個溫度采集點發(fā)生異常時，信息系統(tǒng)會自動激活溫度異常預警，并啟動應急措施。

6 結論

將先進的物聯(lián)網(wǎng)技術應用到傳統(tǒng)豬胴體分割生產(chǎn)，借助于RFID、傳感器和視頻采集等物聯(lián)網(wǎng)技術實現(xiàn)了生產(chǎn)數(shù)據(jù)自動化采集，降低了數(shù)據(jù)采集的錯誤概率，實現(xiàn)了生產(chǎn)安全預警和應急處理，并完善了豬肉產(chǎn)品生產(chǎn)過程的信息溯源。該研究在為傳統(tǒng)豬胴體分割企業(yè)自動化生產(chǎn)賦能的同時，也為其它農(nóng)牧類企業(yè)的智能化生產(chǎn)提供了參考。