生猪体重自动采集传输系统的设计与研究-硕士论

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1、硕士学位论文(学术型)论文题目：生猪体重自动采集传输系统的设计与研究作者姓名：指导教师：学科专业：机械制造及自动化所在学院： 机械工程学院 提交日期2016年4月浙江工业大学硕士学位论文（学术型）生猪体重自动采集传输系统的设计与研究作者姓名：指导教师：浙江工业大学机械工程学院2016年4月Dissertation Submitted to Zhejiang University of Technologyfor the Degree of MasterDesign and Research on Pig-Weight Automatic Collection and Transmission

2、SystemCandidate:Advisor: College of Mechanical EngineeringZhejiang University of TechnologyApr 2016浙江工业大学学位论文原创性声明本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的研究成果。除文中已经加以标注引用的内容外，本论文不包含其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果，也不含为获得浙江工业大学或其它教育机构的学位证书而使用过的材料。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人承担本声明的法律责任。作者签名：日期： 年 月 日学位论文版权使用授

3、权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权浙江工业大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。本学位论文属于(请在以下相应方框内打“”)保密，在_年解密后适用本授权书。不保密。作者签名：日期： 年 月 日导师签名：日期： 年 月 日生猪体重自动采集传输系统的设计与研究摘 要我国是一个养殖大国，随着我国经济的持续增长和人民生活水平的进一步提高，人们对肉品的消费需求在不断增多。在众多肉类食品中，我国人民十分偏爱猪肉，每年

4、猪肉的消费量比牛肉和羊肉的消费总和还要多。但是，在生猪养殖过程中，大多数养殖场中生猪的称重设备过于落后，不能满足现代化生猪体重采集的需求。因此，本文结合肉品供应链全质量溯源系统的要求，对生猪体重自动采集传输系统进行了设计与研究。此系统主要解决目前生猪体重采集方式落后、称量不准确、人工记录繁琐等不足，提出了利用射频识别（RFID）、嵌入式控制系统等技术开发一套集生猪体重数据自动采集、传输、保存于一体的称重系统。首先，使用RFID动物耳标对生猪个体进行标识，在生猪进食时采集生猪的体重并读取生猪的耳标号，然后将采集到的体重值和RFID编号等数据打包由nRF905无线模块发送到上位机，进行处理和保存。

5、这样，可以大大缩短作业时间、提高称重效率且不对生猪产生应激，进一步推进生猪养殖业的自动化和现代化发展。本文设计了生猪体重自动采集传输系统的总体方案以及完成了称台结构设计、下位机软硬件设计以及上位机管理软件设计，并通过分析生猪称重动态载荷的特点，构造了符合生猪特点的四阶称重模型，然后使用参数估计法和平均值法处理数据，最后通过MATLAB软件对测试数据的处理结果进行了分析，得出了参数估计法处理数据在精度、快速性和准确性等方面优于平均值法，适用于生猪动态称重。此外，由于生猪称重环境复杂，不适合布线，数据的传输采用无线传输方式，因此本文设计了可靠的多点对一点的通信协议。关键词：生猪养殖，生猪称重，无线

6、传输，动态称重算法（空一页）DESIGN AND RESEARCH ON PIG-WEIGHT AUTOMATIC COLLECTION AND TRANSMISSION SYSTEMABSTRACTOur country is an agricultural country. In recent years, the demand for meat is on the rise with further improvement of economic growth and living standards. Among all meat products, people are very c

7、lose to pork. According to the statistics, the consumption of pork is more than the sum of beef and mutton consumption each year. However, the level of pig breeding is backward. Therefore, this paper studies and develops the pigweighing system associatedwith the requirement of the meat supply chain

8、traceability system.This weighing system is mainly to resolve some issues,such as laggard acquisition mode, inaccurate weighing and tedious manual recording, etc. The technology of radio frequency identification (RFID), embedded control systems were applied to weight data acquisition, transmission a

9、nd preservation in this weighing system. Firstly, use of RFID tags to identify individual pigs. Secondly, gather pig-weight and read ear label when pigs eat. At last, the collected data are sent to algorithm processing and saved in computer by the nRF905 wireless module. This can greatly reduce the

10、operating time and improve efficiency without impacton the weighing pigs. Additionally, it can advance the development of automation and modernization of pig breeding industry.This article designed a project of pig-weight acquisition, weighting platform structureand hardware and software of lower co

11、mputer.Meanwhile this article designed a multi-point communication protocol to ensure that the data from collected devices was sent to the host computer for processing.Weighing fourth-order model of pigwas constructed based on the characteristics of dynamic loads, and pigs weighing dynamic data was

12、processedthrough parameter estimation method of system identification.Key words: pig-breeding, pig weighting, wireless transmission, dynamic weighting algorithm目录摘要IABSTRACTIII目录V第1章绪论11.1 引言11.2 课题的来源31.3 国内外养殖业发展现状31.3.1 国外养殖业发展现状31.3.2 国内养殖业发展现状41.4 动态称重技术51.4.1 动态称重技术研究现状51.4.2 常用的动态称重算法71.5 主要内

13、容和结构8第2章总体方案设计112.1 需求分析112.1.1 生猪育肥监测需求112.1.2 溯源系统需求112.1.3 设计目标122.2 技术路线122.3 方案设计132.3.1 自动识别技术选择132.3.2 总体结构设计152.3.3 猪舍结构设计162.3.4 称体结构设计172.4 本章小结18第3章系统的总体硬件设计193.1 系统总体硬件结构设计193.2 称台的设计213.2.1 传感器量程选取213.2.2 传感器连接方式选择223.2.3 传感器连接误差分析233.2.4 称台固有参数分析263.3 主控芯片选则283.4 主要电路设计283.4.1 主控电路的设计2

14、83.4.2 信号滤波和放大电路设计293.4.3 A/D转换电路设计303.4.4 EEPROM电路设计323.4.5 RS-232串口通信电路333.4.6 ISP下载设计333.5 开发板实物图343.6 本章小结34第4章系统的总体软件设计354.1 系统的总体软件结构设计354.2 下位机控制软件设计354.3 上位机管理软件设计374.3.1 上位机软件功能374.3.2 数据表的设计384.3.3 软件界面394.4 传输方式的选择404.5 数据传输协议设计414.5.1 上位机与汇聚节点通信424.5.2 采集节点与汇聚节点通信434.5.3 控制指令说明444.6 本章小结

15、46第5章称重系统模型和数据处理475.1 称体静态特性475.2 载荷分析495.3 生猪称重模型505.4 数据的预处理515.5 基于参数估计的系统辨识515.5.1 模型分析525.5.2 最小二乘参数递推估计算法535.6 测试结果与分析545.7 本章小结59第6章总结与展望606.1 总结606.2 展望60参考文献61致谢64攻读学位期间参加的科研项目和成果65第1章 绪 论1.1 引 言食品安全是保证人类健康，提高人类生活质量的重要保障。随着我国经济和社会的持续发展以及人民生活水平的稳步提高，对食品供给安全和品质的要求越来越高。图1-1肉品消费统计我国是世界最大的肉品生产与消

16、费大国Error! Reference source not found.，从1990年起，在经济迅速发展的大背景下，我国肉类行业也经历了跨越式发展1。在众多肉类食品中，我国人民十分偏爱猪肉，每年猪肉的消费量比牛肉和羊肉的消费总和还要多（参见图1-1）。由国家统计信息可知，2014年我国猪肉总产量为5671万吨，与2010年相比有了较大的增幅。从2010年至2014的数据来看（参见图1-2），中国猪肉类行业又进入了一个向上增长的黄金时期。图1-2 2001-2014年中国猪肉产量在整个肉品供应链中，生猪养殖位于的供应链的上游（参见图1-3），是保证猪肉供给数量和质量的关键。因此，持续加大生猪养

17、殖的投入和研究，对保证肉品供应的数量和质量，对进一步提高人民的生活水平具有十分重要的意义。图1-3 肉品供应链从20世纪60年代开始，沿供应链追溯肉类食品的安全可靠性在全球不同经济体中引起了关注3。2009年出台的中共中央、国务院关于2009年促进农业稳定发展农民持续增收的若干意见文件中就明确指出，“实行严格的食品质量安全追溯制度、召回制度、市场准入和退出制度”，这将大大地推动我国食品信息溯源技术的发展4。同年6月开始实行的食品安全法中明确规定在食品的流通过程中必须强制加强各种记录，这为我国肉品质量安全溯源纳入法律体系铺平了道路。目前，我国的肉品溯源系统还很不完善，与发达国家相比尚有一定的差距

18、，由于肉品供应过程控制不严格，不少国家已对我国肉制品形成了绿色的壁垒。这不利于我国农产品的可持续发展，所以完善我国的追溯系统迫在眉睫4。2008年北京奥运会食品供应执行了食品安全溯源系统管理方式，对供应的所有食品均可以在食品供应链中进行全程追踪5。在整个食品供应过程中，使用了电子标签的智能读写、无线射频识别、IC卡、加密通信等一系列技术，实现了奥运食品各个环节都可以实现追溯，让本次的食品供应从源头到消费者之间完全透明化。奥运食品安全保障监控体系的建立和成功运行，对我国现有的食品产业提出了更严格的要求，也对今后安全食品产品的发展带来了深远的影响。在国内已开展了与RFID肉品标识数字化设备和肉品质

19、量安全溯源监管有关的研究项目，如“生猪及其产品质量全程跟踪与溯源技术集成与示范”（国家高技术研究发展计划（863）课题，2006AA10Z266）以生猪及其产品的跟踪和可溯源为研究内容，重点研究猪只个体及其中间产品标识技术（编码与产品）、中间件技术、可追溯的网络平台构建技术，然后构建猪肉供应从养殖、屠宰、加工、运输到分销的全程跟踪与可溯源的示范网络系统；“农产品质量快速溯源系统设计与运行规范研究及技术实现”（国家高技术研究发展计划（863）课题，2006AA10Z269）的主要研究内容包括：调研我国农产品从初级生产到市场消费全过程的运行方式，分析对比国内外农产品质量溯源的理论和实践现状，根据农

20、产品溯源系统中对各个参与相关方溯源信息管理要求及其相互关系，提出农产品溯源系统体系架构及网络平台设计方法，研制管理流程合理、功能可拓展、溯源信息负载分配合理、信息汇集于分布合理的中央平台、区域平台和各类农产品快速溯源系统体系架构及网络平台系统，解决自主知识产权农产品质量快速溯源的关键问题和开发系统软件，同时制订一些农产品安全质量溯源系统建设紧缺的重要标准，并选择畜产品（猪肉、乳制品）、水产品、蔬菜企业相关方面进行综合应用示范。虽然在肉品供应链全程质量安全方面取得了一系列突破性成果，但结合该领域国际发展趋势和我国肉品供应链行业现状，还存在下列亟待改进之处4：（1）RFID肉品供应链标识数字化设备

21、不能全程覆盖整个肉品供应链目前，虽然针对肉品供应链诸环节均已开展应用RFID技术来进行肉品标识的研究，但系列化RFID标识数字化设备尚未覆盖肉品供应链整个过程，从而导致系统间数据交换与转换非常复杂，甚至导致部分信息丢失。在养殖场中，如何实现以RFID技术为基础的生猪养殖信息标识统一化以及数据采集、交换自动化是实现供应链溯源系统的关键所在。（2）肉品供应链中的信息采集方式相对落后现阶段生猪养殖过程中，关键信息主要是采用手工采集方式，在信息采集过程中，数据录入的不正确、不及时以及管理流程上的人为干扰等均会导致整个供应链系统分析与结果失真甚至崩溃，造成管理系统混乱。1.2 课题的来源本课题研究的内容

22、是来源于国家国际合作专项“肉品供应链全程质量安全溯源监管智能平台的合作研究（项目编号：2013DFA31920）”。该项目要求建立完善的肉品供应链质量安全溯源系统，主要包括RFID肉品标识数字化设备和肉品供应链质量关键控制参数的智能化采集、传输及控制设备的研发等，开发相应的智能监管平台，并在肉品供应链行业示范、推广与应用。通过全程监管，以达到终端肉品出现问题可以追根溯源的目的。本课题基于该项目，通过对目前生猪体重采集的设备的需求分析，进行了生猪体重采集传输系统的设计与研究，以适用于溯源系统和规模化养殖的要求，提高我国养殖业的自动化水平。1.3 国内外养殖业发展现状国外养殖业发展现状国际上，一些

23、养殖强国生猪的自动化养殖和管理早在上个世纪就开始了。目前，国外主要以规模化养殖为主，所需的劳动力大大减少，拥有现代化机械设备和先进的生产管理技术6，例如：荷兰智能母猪管理系统Velos，利用耳标号对母猪进行标识，每个耳标号对应的记录了母猪的基本信息，然后通过读取母猪的耳标号，了解母猪的生长情况，实现了每头猪的精确喂食，以及对母猪的打疫苗、发情、临产等控制和管理7；美国研制的种猪性能测试系统，利用RFID标签作为生猪标识，可以在群体中实现对个体识别，并且系统可以对生猪的每天的采食量和体重等信息进行测定和记录8；加拿大研制的一种智能化生猪群养系统，猪舍内装有温度传感器以及冷热风机等设备，借助计算机

24、辅助管理软件（HGM），能够将实际生产中采集到的数据与标准数据库中的数据进行对比，从而将系统调整到最佳状态。此外，为解决肉品安全问题，国外建立了肉品溯源系统，基本实现肉品供应链的全程溯源，并在不断的研究和完善。澳大利亚利用统一的电子耳标对牛羊进行标识，建立了畜牧标识和追溯系统9。英国政府建立了基于互联网的家畜跟踪系统（CTS），可以随时追踪和定位到获得身份证的家畜；2005年5月至2006年10月，德国维尔道应用技术大学（Technische Fachhochschule Wildau）开展了名为RFILOG的项目，该项目建立起面向中小型企业的基于互联网技术和RFID技术相结合的冷冻食品信息跟

25、踪平台10。2009年德国KSW Microtech公司开发出了名为VarioSensor的RFID芯片，该芯片可以在-20+50范围内用来测量肉制品的温度，以用于冷冻食品供应链质量安全的跟踪。同年美国Sealed air公司研发出了一种可以记录食品在生产、运输过程中状态的RFID芯片11。2008年，麦德龙集团（Metro Group）在其商店内使用RFID技术，成功地应用 RFID追踪从供应商到仓库、配送中心和商店的肉制品12。2008年，新西兰RFID Pathfinder公司和Rezare Systems公司测试了采用UHF EPC Gen 2标签追踪牛鹿从农场到肉类加工厂，证实UHF

26、标签比LF标签在牲畜追踪上效率更高，更具成本效益性3。2008年，挪威最大的食品供应商Nortura公司在应用RFID技术来进行猪肉从饲养、屠宰、加工到商店全过程的跟踪13。1.3.2 国内养殖业发展现状我国的传统养殖业主要是以农户散饲养为主，采用人工饲喂方式，一般规模比较小、技术落后、自动化水平低，但是正在经历由散户养殖向规模化养殖转变的过程4。其次，对专用的机械化设备的使用和开发相对较少，少数规模化养殖企业一般通过采取引进国外机械化设备的方式来节约人力和提高养殖自动化水平。这种通过引进国外机械设备的方式，不仅费用比较高，而且不能完全符合国内的要求，维护起来也很麻烦。近年来，随着我国规模化养

27、殖的逐渐深入，人们才开始关注自动化养殖设备的开发1416。由于国内肉品安全问题的不断发生，政府积极倡导现代化和自动化的养殖方式，建立我国的肉品供应链溯源，不少科研机构已对溯源系统的进行相关研究。我国在2002年开始食品追溯性研究，一些相关的标准和政策也在研究过程中逐渐的制定，但是和国外相比还很不完善。2005年8月28日，福建省首个肉品质量查询系统在厦门市正式开通，消费者可以通过此系统查获肉品生产经营的所有信息，从而肉品的生产质量得到了有效地控制17。2006年7月1日，农业部在畜禽标识和养殖档案管理办法中指出信息采集的基本要求，建立养殖档案作为猪肉质量安全的溯源系统一部分18。2008年上海

28、市政府实施了“上海市猪肉流通安全信息追溯系统项目”。该系统使用IC卡以及销售凭证作为信息载体，以互联网和局域网为信息渠道，将生猪屠宰场、大卖场、肉类批发市场、标准化菜场猪肉流通信息相连接，实现猪肉流通信息可追溯（如图1-4所示）19。 图1-4 上海市猪肉流通安全信息追溯系统架构图总之，规模化养殖的到来以及溯源系统的要求，对我国现有的生猪养殖也的机械化设备提出了新的挑战。目前，利用RFID为信息载体，并依托网络通信、系统集成及数据库应用等技术，实现对整个产业链中从饲料、养殖、防疫、屠宰、加工、储存、运输，一直到终端消费的每个环节进行全程记录，建立了食品安全信息数据库，是保障肉品安全的有效办法2

29、0。我国的养殖业正在积极的变革，顺应新的发展要求。1.4动态称重技术1.4.1 动态称重技术研究现状虽然称重系统的样式复杂各式各样，但是本质上讲只有静态称重和动态称重两种类型。静态称重系统是指称重装置及被称重物品处于静止状态，这种形式的称重系统具有外界干扰少、精度控制方便、易于达到精度要求等优点；动态称重系统是指称重装置或被称重物品处于运动状态情况下完成测量，它的优劣主要用静态称重系统测量的结果来检验是否满足精度要求21。动态称重系统一般具有的特征为：被测量对象或者测量环境处于非静止状态，即被称重（被测力）的物体处于运动状态或者称重测力计量仪器处在运动中；短时间内进行快速测量，因此系统的时间响

30、应特性好22。在动态称重系统中，如果传感器的弹性阻尼系数特别小，称重过程中震荡就会很严重，这样称重系统的动态响应过程需要经过很长的时间到达稳定，就达不到快速测量的要求23。因而，从上世纪50年代开始，动态称重系统的研究在国际上开始受到了比较大的关注24-26。二战结束后，美国在德国启发下，为增强国家的公路运输能力开始着手构建本国的高速公路网，但是随之而来的是车辆超载问题，这大大缩短了高速公路的使用寿命，也存在不确定的安全隐患。1953年，美国开始对车辆动态称重技术进行了相关研究。但是，早期人们为了提高精度，进入了一个盲区，将大量的精力放在了硬件研究上。一直到1976年，以日本的小野敏郎在第七届

31、IMEKO/TC3会议上发表了论文动态称重问题估算理论的应用为标志27，为动态称重系统的研究指明了新的研究方向，人们开始从软件入手来提高动态称重的测量精度。由于动态称重系统的应用场合和对测量精度要求不同，使用的动态称重算法也不同。目前在车辆动态称重领域，车辆高速经过称台，在极短的称量时间内，国外产品的单轴载称量结果的平均误差只有，相应置信度达到了或。对动态称重系统输出的信号进行研究的一般方法是分析测量对象的特征，然后进行抽象建立测量系统的数学模型，最后根据得出的模型设计相应的动态称重的算法，这样大大提高动态称重系统精度和测量速度。国内的动态称重系统研究与应用相对于国外较晚，上世纪60年代国内才

32、开始逐步研制机电结合的称重系统，电子式轨道衡在60年代末开始出现；在七十年代中期电阻式应变称重传感器技术的获得了突破，从而电子称的应用得到了进一步的推广；八九十年代改革开放由于国外新技术的涌入，也给国内电子称重技术带来了新的发展和进步空间28。近几年来，在微电子技术和嵌入式系统的广泛应用，使电子衡器也经历了跨越式发展，不仅类型各式各样，而且功能也更加齐全29，如表1-1所示。由于工业生产对称重系统提出了新的要求，目前动态称重系统研究的重点主要集中运动中快速称重，在线称重和控制以及称重数据远距离传输、记录和显示，实现称重过程中远程监控、自动校准、自动逻辑判断等，解决称重过程的准确、快速、连续和自

33、动化的问题30。表1-1 电子衡器的分类名称称重方式秤架结构传感器原理称重仪表其他皮带秤动态双杠杆式悬臂式悬浮式电阻式压磁式振弦式核子式模拟式数字式微机式单托辊式多托辊式汽车衡静态准动态机械式电子式机电结合式电阻应变式压磁式数字式微机式固定式便携式料斗秤静态准动态机械式电子式机电结合式电阻应变式压磁式振弦式差动变压器式模拟式数字式微机式非连续式累计式轨道呈静态准动态轴计量式转向架计量式列车计量式电阻式数字式微机式吊秤静态动态吊车式吊钩式电阻应变式电容式压磁式直线式无线式有限式目前，我国的电子称重技术发展十分迅速，整体上已经与发达国家90年代中期的水平相当，少数的称重产品的技术已经赶超到了国际领

34、先水平。而各行各业对称重产品的需求还在不断增加，因此与实际使用环境和情况相结合，设计出特定需求的称重系统对社会发展和工业生产具有重要的意义。1.4.2 常用的动态称重算法（1） 位移积分测量法20世纪80年代，日本小野敏郎提出的一种位移积分法的测量方式，这类方法因需要同时使用多种不同类型传感器而难以实现，且采用积分方法准确度较差31，往往只适用于噪声比较小的场合。（2）最大值测量法最大值测量法就是在称重过程中寻找称重信号的波峰值，利用这个值来近似实际体重值32。这种处理方法最大的优点是算法的实现简单，但是测量准确度不高。（3）算数平均测量法算术平均测量法是通过对称重传感器的输出信号进行多次快速

35、数据采集，然后取算术平均值作为测量结果，来滤除随机误差的影响。从理论上讲，该方法能保证一定的测量精度，然而在实际使用时会受到一些因素的限制，例如称台较小、数据采集时间较短以及冲击力的影响等。文献33-34提出了一种改进方法，即将采集信号值进行排序，然后选取信号中间段计算其相应的平均值，以减少冲击力对称重结果的影响并且可以去掉部分的干扰，减小对测试结果的影响。（4）神经网络法神经网络法是利用大量输入输出样本数据来拟合输入输出的函数关系35，从而建立动态称重系统的输入输出模型，然后通过该模型预测后继输入对应的输出值36，是一种黑箱子建模的方法。在动态称重中，一般采用BP神经网络来处理复杂且非线性的

36、输入和输出的函数关系，将其转化为一个非线性优化问题，运用梯度下降法不断迭代运算求解权值问题，使网络的误差平方和最小，为了得到更精确的解可以加入隐层节点使可调参数增加37。（5）经验模分解技术EMD（Empirical Mode Decomposition，EMD）由Huang在1998年最先提出，他认为任何信号都可以由不同的固有模式函数IMF（Intrinsic Mode Function）的合成，因此可以将信号中的各阶IMF分解成若干阶IMF和一个残余量的和，每一阶IMF都反映了信号动态特性，而残余量反映了信号的偏移量或稳态值38。于哲峰等人通过单自由度和二自由度系统验证了EMD处理含干扰信

37、号的能力39，蔡劭琨等人也研究了经验模分解的方法在动态重力测量中的应用，并通过捷联式重力仪的测得数据对EMD方法进行了验证40。EMD技术运用于态称重系统中还不成熟，需进一步的测试和研究，目前尚处于理论研究阶段。（6）参数估计的系统辨识基于参数估计的动态称重方法是根据关于称重装置的先验知识，即根据所观测到的系统输入输出数据，推导出一个含有未知参数的模型，用这一模型去拟合称重过渡过程信号也就是阶跃响应，然后通过系统辨识的方法获得模型的未知参数，从而获得最小平方误差意义上的参数估计值。一般的称重过程都需要信号稳定达到一定的稳定程度才进行计量转换，但是称重系统的动态响应特性是系统的固有特性，因而将可

38、以被称质量看作是称重过程的终值，在系统还没有达到稳定时，即称重信号还处于动态变化之中，就可以预侧出被称物体的重量值41。文献42构建了车辆的三自由度系统模型，然后使用该方法预测出车辆轴重值。1.5主要内容和结构本文设计的生猪体重自动采集传输系统，主要用于解决目前生猪体重采集方式落后、称量不准确、人工记录繁琐等不足，以适用规模化养殖和肉品供应链全程质量溯源系统的要求。该系统基于射频识别（RFID）、嵌入式控制系统等技术集生猪体重数据采集、传输以及保存于一体，使用RFID动物耳标作为生猪个体信息的标识，在生猪进食时称重生猪的体重和读取生猪耳标号，然后将称量的生猪体重和RFID编号等数据打包由nRF

39、905无线模块发送到上位机，进行算法处理和保存。整个称重和记录过程中无需人工干涉，提高生猪称重的自动化水平、避免人工记录过程中易错、易被改动等缺点。论文主要内容包括生猪体重采集的方案制定，称台、下位机软硬件和上位机管理软件设计，数据传输协议设计以及对生猪体重的动态模型的建立和数据处理。本论文共分为六章：第一章，绪论。介绍了本课题的研究背景和意义，分析了国内外现代化养殖业的发展以及动态称重技术。第二章，生猪体重自动采集传输系统总体方案设计。本章主要从生猪养殖场育肥过程中对生猪体重的监测和建立肉品供应链溯源系统对生猪体重的采集需求，提出了设计的目标，确定生猪体重采集传输系统的总体实现方案，并给出了

40、技术路线。第三章，系统的总体硬件设计。根据系统的总体实现方案，首先给出了系统的总体硬件结构，并分模块进行了介绍；然后，对称台进行了设计和测试，包括传感器量程的选择、传感器连接方式的选择以及称台固有参数的分析；最后，对主控芯片的选择进行了介绍，并对主控电路、信号的处理电路、A/D转换电路、EEPROM等电路进行了设计。第四章，系统的总体软件设计。本章首先给出了系统的总体软件的结构，其次对体重采集传输系统的下位机控制软件部分设计进行了阐述，再次对上位机管理软件设计进行了介绍，最后完成了多点对一点的无线数据传输协议设计。第五章，称重系统模型和数据处理。本章首测试了称体的静态特性，并对生猪称重载荷的进

41、行了分类，其次构造符合生猪称重的特点的四阶模型，介绍了基于参数估计的系统辨识的方法，并对测试采集的动态称重数据进行了参数估计的系统辨识法和均值滤波的法处理，通过MATLAB编程对处理结果进行了对比分析，得出了参数估计法处理数据在精度、快速性和准确性等方面优于平均值法，适用于生猪动态称重。第六章，总结与展望。对全文进行了总结，对生猪称重传输系统在现代化养殖业的应用和可以进一步研究的方向进行了展望。（空一页）第2章 总体方案设计本章主要从需求分析入手，分析了生猪育肥监测以及溯源系统的需求，然后提出设计的具体目标，确定生猪体重自动采集传输系统设计的技术路线、总体方案设计，最后对本章做出小结。2.1

42、需求分析2.1.1 生猪育肥监测需求生猪体重是生猪养殖行业需要监测的重要数据之一，它直接关系到饲料的转化效率和企业的经济效益。生猪育肥过程中，定期称量和记录生猪的体重，对了解生猪的增肥速率和健康状况十分重要。规模化养猪场的生猪出栏时间一般为67个月，出生时一般在3kg左右，28日龄可达到15kg，一般在2128日之间断奶；然后，通过饲料进行喂食，宰杀重量大约在95110kg43。生猪在不同体重阶段饲料配比和采食量不同，饲养人员若不能按照饲养阶段正确的选择饲料配比和投放饲料，不仅大大增加了单头猪的饲养成本，还会造成猪的肉质会变差。因此，需要及时的了解每天生猪的体重状况，建立详细数据报告，帮助饲养

43、员喂食时及时调整饲料配比和增减饲料用量，使生猪在最佳喂食状态下增重，达标后及时的出栏，可以更好的控制生猪饲养过程的成本。而目前，我国的生猪称重方式多采用将多头猪驱赶到带栏杆的磅称上或悬挂的称重方式，这些称重方式不仅不便于对单头猪的育肥监控，还会在称重过程中对生猪产生应激，严重影响其快速生长。因此，生猪的育肥过程中，需要通过每天称重以随时了解生猪的体重变化情况，并且称重过程不影响生猪的正常生长。2.1.2 溯源系统需求近年来，食品问题不断涌现，猪肉质量和安全越来受到社会的广泛关注和担忧44。生猪体重是肉品供应链全程质量溯源系统需要记录的重要数据之一4。随着物联网技术的发展和应用，不少科研机构和学

44、者提出了肉品全程质量安全溯源和监管的现代化养殖模式，利用射频识别技术（RFID）实现肉品供应链的全程监控45-46。国外开始射频识别技术在肉品供应链溯源系统中的研究比较早，且已开始应用。随着我国人民对食品安全问题的重视，政府也在积极推动利用RFID技术建立肉品溯源系统的研究项目。准确称重和记录生猪的体重，不仅是生猪养殖的内在需求，而且也是建立肉品供应链全程质量溯源系统的关键环节。而生猪体重数据的不详细且记录方式为人工记录，容易受到计量人员主观因素的影响，准确率和效率都比较低，信息录入不方便。肉品溯源系统需要采集和记录生猪养殖过程中的全部生长记录，其中包括生猪的增重记录。因此，为了满足肉品供应链

45、溯源系统的需求，需要一个现代化体重采集传输设备，且所采集的信息具有准确可靠、易于与溯源系统对接、易于管理等特点。2.1.3 设计目标由于传统的生猪体重数据的获取、记录和管理方式，不能满足现代化和规模化养殖的需要，因此需要一种新型的生猪称重系统。要求该系统能够在生猪的生长各个阶段定期、准确、快速采集生猪的体重，不对猪产生应激，数据的采集过程无需人工干涉，且方便溯源系统录入采集的体重信息。因此，需要一套集生猪体重采集、传输、保存于一体的生猪体重采集传输系统。本文提出具体的设计目标：（1）自动称重，称重过程中不对猪产生应激，影响其生长；（2）每天采集和记录生猪体重，实现远程监管；（3）体重数据采集真

46、实可靠；（4）拥有一定的能数据管理能力且易于与溯源系统对接。2.2 技术路线本课题以实际工程设计为主，首先对现代化养殖和规模化养殖的需求进行分析，提出设计目标，然后设计生猪体重采集传输的整体方案，其次对系统的软硬件进行开发，设计数据传输的协议和确定数据的处理算法，最后测试称重系统的性能，具体研究路线如图2-1所示。图2-1 技术路线图2.3 方案设计2.3.1 自动识别技术选择自动识别技术（Automatic Identify Technology，AIT），是20世纪70年代后迅猛发展并得到广泛应用的一组自动数据采集技术，可以快速、准确地识别信息，然后将识别的信息自动输入信息管理系统，无需者

47、只需很小的人工干预，它主要包括磁条（卡）、条形码、射频识别、光学字符识别、声音识别、视觉识别技术47。生猪的个体标识和识别通常要求低成本、使用方便、融入管理程序简单、保留率较高、在屠宰场收集方便、不得有碎片进入肉品或血液中、易在市场与屠宰场识别、易将标识信息录入数据库和可重复利用等要求48。虽然，自动识别技术选择比较多，但是从成本考虑以及技术成熟度上讲，选择二维条码和无线射频识别（RFID）比较合适。显然，二维条码具有信息容量大、成本低，易制作、可用多种阅读设备阅读等特点。目前，很多的猪只个体和胴体的标识采用了一维条码或二维条码来实现。但是，欧盟的经验表明，要求对食品的相关信息的可追溯性，条形

48、码实现这个功能相对比较困难，因为在食品供应链的每个接口环节都需要重新扫描49。根据2002年农业部颁布的动物免疫标识管理办法，研究基于RFID技术的猪只个体、胴体标识数字化产品可以利用RFID这种信息载体所具有的便捷性、安全性、可存储的优点，取代原系统的数据采集模式（手工填写或条码），从而提高工作效率，也实现保证系统安全性和可靠性的目的。因此，本系统综合考虑生猪称重环境比较恶劣以及养殖业生猪标识未来的发展趋势，采用了RFID动物耳标作为生猪个体的标识。表2-1 RFID与条形码的比较信息载体信息量读/写性读取方式读取距离批量读取环境适应能力使用寿命条形码纸小只读光电转换短不能差较短RFID芯片

49、大读/写无线通信长能好(防水防磁等)长RFID技术是一种非接触式自动识别技术，可以在一定距离内识别标识的物体。其识别系统通常由电子标签、天线和阅读器三部分组成，有的阅读器和天线合为一体，用标签对识别的物体进行编号，这样阅读器读取标号后，系统便知道识别物体的信息50。和传统条形码技术相比，利用RFID技术对物体进行标识具有很大的优势，如表2-1所列。RFID这种信息载体所具有的便捷性、安全性、可存储等优点，取代原系统的数据采集模式（手工填写或条码），从而实现提高工作效率、保证系统可靠性和安全性的目的。虽然，RFID开始的一次性投资比较大，但是芯片可以重复读取，能够使可追溯变得更加高效并且能够提高

50、数据获取和管理的可靠性51。从长远角度来讲，相对于二维条形码等标识产品来讲其成本增加不多。RFID具有多个频率，选择不同的频段信号传输的距离、速度不同，本文采用超高频LJYZN-102系列阅读器，其参数如表2-2所列，对应RFID标签采用动物耳标ZY-ABS-30，可以满足生猪标识的要求。表2-2选用的RFID阅读器技术参数参 数描 述工作电压8V+12V支持标准ISO18000-6B、EPC CLASS1 G2（ISO18000-6C）工作模式自动方式、交互应答方式、触发方式工作频率FCC 902928MHz或CE 865868MHz(可调整)发射工作广谱跳频(FHSS)或定频发射典型读取距

51、离115米接 口RS232、RS485、韦根根据国标ISO和GB/T 205632006动物射频识别代码结构的规定53，对生猪耳标的编码方式采用64位的二进制数进行全球唯一性标识，由控制代码、国家或地区代码、国家动物代码三部分组成。为了存储的方便，在数据处理过程中在将二进制位的代码转换成23位的十进代码进行存储53，如图2-2所示，其十进制编码含义为：应用标识（23位），只取值为0或1，“0”代表非动物标签，“1”代表动物标签；标签重置计数（22位），取值范围为07，首次安装的标签时，取值为“0”；畜禽种类（2120位），取值范围为0031，猪的代码是“01”；省市代码（1918位），取值范围

52、为0063；链接标志（17位），取值为“0”或“1”；国家(地区)代码（1613位），取值范围为00001023，中国的代码是“0156”；猪只编码（121位），取值范围为。图2-2猪射频识别代码结构2.3.2总体结构设计本文设计的生猪体重自动采集传输系统集生猪体重采集、传输、保存于一体，采用一机多称的连接模式，即每个猪舍里放置一个生猪体重采集装置，然后多个体重采集装置将采集到的数据上传到监控计算机，最后通过互联网传输到服务器和数据中心，实现溯源生猪体重信息的溯源，系统的整体结构如图2-3所示。图2-3 系统的整体结构图系统按功能可以分为上位机和下位机，上位机由普通PC机担当，PC上连有汇聚节

53、点，下位机（体重采集装置）由采集节点和外围设备构成。每个猪舍里均有一个体重采集装置，可以实现生猪体重采集和RFID耳标信息读取，然后采集节点将采集到数据发送至汇聚节点，汇聚节点在通过RS485将采集的数据传输至上位机。上位机开发了相应的管理软件，管理软件的后台软件可以对接收的数据进行分类、算法处理、保存和显示。上位机管理软件可以管理连接在其上的多个下位机，也可以在上位机监测生猪体重采集的整个过程。在夜间休闲时，上位机会将当天采集到的数据通过互联网从本地同步到服务器和数据中心。2.3.3猪舍结构设计由于生猪体重采集时，不仅不能对生猪产生应激，影响其正常采食和生长，还需要保证每次采集的是单头猪的体

54、重，因此参照国外现代化养殖场的一些设计54-56，设计了一种猪舍结构，如图2-4所示。图2-4 猪圈结构示意图猪舍分为三个区：活动区、进食区和饮水区。生猪可以在活动区和饮水区自由走动，在进食区的走动是单向的，即进食区的通道是单向的，其进口和出口分别设有闸门1和闸门2，生猪只能从进食区进口进入、出口走出。在进食区的过道上，放置一个体重采集装置，从而可以在生猪进食时完成生猪体重的自动采集。生猪进食区的闸门1处于常开状态，闸门2处于常闭状态。称台放在生猪进食区的闸门1处。这样，每次只能一头生猪且单向通过称台。2.3.4 称体结构设计S.R.O.Williams等人通过称量生猪前蹄的方式计算出生猪体重

55、57，这种称量方式虽然可以减少称台面积，但是不能保证称量的精度。为了提高称重的精度，采用整头猪在称台上称量的方式。根据生猪的形态特征将称台设计为长方形平台（样机的大小为0.9x1.8m2），如图2-5所示（为了便于图中只画出称台上的护栏）。称台的主要受力部位为底部钢架结构，用于安装称重传感器；钢架结构上有称台护罩，用于冲洗和称重时保护称重传感器和电线以及均分受力；称台进口处护栏上装有红外光栅1，称台出口处护栏上装有红外光栅2，在称台出口处装有RFID阅读器。生猪进食区的出口处，装有红外光栅3。图2-5 称台结构示意图当有生猪进食从闸门1进入进食区时，进口处的红外光栅1探测到生猪全部走上称台后，

56、闸门1自动关闭，称重设备开始采集生猪体重并读取生猪的耳标号，称台上的红外光栅2探测生猪走出称台的时间。生猪进食完后，由于过道狭窄，生猪无法转向，继续往前，当走至出口位置时，出口处的红外光栅3探测到生猪，闸门2打开，当生猪走出进食区后闸门2关闭，闸门1打开。从而，完成了一头的体重信息的采集。2.4 本章小结本章从养殖场生猪育肥过程监测以及肉品供应链溯源系统建立对生猪体重采集的需求分析出发，提出了生猪体重自动采集传输系统的设计目标，明确系统设计的技术路线，并完成了生猪体重自动采集传输系统的总体方案设计。第3章系统的总体硬件设计上一章完成了总体方案设计，本章在上一章的基础上完成系统硬件平台的搭建。首

57、先，本章给出系统的总体硬件结构框图，然后分模块对其进行阐述，最后详细地介绍了称台的设计、主控芯片的选型以及主要电路的设计。本章的硬件平台搭建是整个系统功能得以实现的基础。3.1系统总体硬件结构设计系统的总体硬件结构框图，如图3-1所示，主要包括PC机、采集节点、汇聚节点以及其他的外围设备。而汇聚节点的硬件构成比采集节点少，也无需实现外围设备的控制，只需转发PC机和采集节点的数据，所以其硬件部分可以直接由采集节点的硬件充当。因此，本章主接下来主要对采集节点以及其外围电路设计进行阐述。图3-1 系统的整体硬件框图下位机（由采集节点以及外围设备组成）硬件系统按主要功能可以划分为电源模块、嵌入式处理模

58、块、红外探测模块、RFID读取模块、无线数传模块、电子称重模块、闸门开关模块、LCD显示模块、功能键盘模块，共计九个模块，其中电子称重模块又可以分为称重传感器模块、信号处理模块、A/D转换模块组成三个小模块，如图3-2所示。图3-2 主要功能硬件模块（1）电源模块主要给系统供电，采用外接电源12V开关电源，如图3-3（a）所示，12V直接给红外光栅探测模块、RFID读取模块供电，在通过LM7805芯片转换成5V给传感器系统、主控芯片以及其它芯片供电，其中nRF905无线模块供电需要通过AMS1117芯片转换成3.3V供电。（2）嵌入式处理模块，选用单片机作为主控芯片，控制其他模块有序工作。（3

59、）电子称重模块，主要是是实现生猪体重数据的采集，其中称重传感器模块选用四个高稳定性的SQC-A电阻应变式称重传感器，每个称重传感器的量程为200kg，如3-3（b）所示。传感器安装在称台上，并联输出信号，然后经信号处理模块，即信号的滤波和放大处理后，在由A/D转换芯片将模拟信号转换成数字信号。（4）红外探测模块选用三对红外光栅ABI10-485，如图3-3（c）所示，响应时间为30ms，用于探测生猪在喂食区的位置，其输出的开关信号输入到单片控制系统进行逻辑判断。（5）RFID阅读器选用超高频LJYZN-102系列阅读器，如图3-3（d）所示，对应RFID标签采用动物耳标ZY-ABS-30，主要

60、用于读取生猪的耳标号，获得生猪的个体信息。（6）功能键盘为下位机控制面板，主要用于称重模块的校准。（7）闸门的控制是通过单片机输出开关信号控制继电器开闭实现电机的正反转，从而控制进食区闸门开启和关闭。（8） nRF905无线数传模块主要用于实现采集装置与上位机的通信和数据传输。（9）LCD显示选用带字库的QC12864液晶显示模块，用于实时显示体重采集状态和处理后的体重值以及RFID耳标号，供饲养人员现场查看。LCD显示模块控制电路上有光敏电阻可以根据外接光线自动调整液晶灯光显示亮度。（a）开关电源（b）称重传感器（c）红外光栅（d）RFID阅读器图3-3部分外围设备实物图3.2 称台的设计上

61、世纪60年代末，国内开始使用全电子衡器，它的重量转换系统一般由多个称重传感器构成，称重时重物分配在多个称重传感器上。在多称重传感器系统中，需要考虑称重传感器的使用数量，以便合理的选择称重的类型和量程。称重传感器的使用数量，一般根据称体的使用环境和称体的支点个数而定，通常在使用环境允许的情况，采用几个支点就选用几个称重传感器。为了保证生猪称重的精度，称重时整头猪都在称台上，因此称台的面积比较大，这样采用四个支点可以比较好的保持称台的平衡性，从而使用四个称重传感器完成重量转换。3.2.1 传感器量程选取称重传感器量程的选择至关重要，不仅关系到称重的准确性还关系到称重传感器的安全以及使用寿命。传感器

62、的量程选择过大，会降低对重物测量的精度；量程选择的过小，由于称重过程中称体自重、振动、偏载等因素的影响，会使损坏称重传感器。通常称重传感器量程的选择可依据选用传感器的个数、秤的最大称量值、可能产生的最大偏载或动载荷以及秤体的自重等因素综合评价来确定，经过大量的实验而确定的公式如下：(3-1)式中：为单个传感器的额定量程；为保险系数，通常取值在间；为冲击系数；为风压系数；为秤体的重心偏移系数；为被称物体重量的最大值；为秤体自身重量；为秤体采用支撑点的个数。根据实际测量，称台的重量为53.685kg（称架、护栏、保护钢板等）；称量生猪的体重多数集中在110kg，因此称的量程选定为200kg可以满足

63、要求。选取保险系数，冲击系数，风压系数，重心偏移系数。由式(3-1)可计算传感器量程为：(3-2)根据工程经验，传感器一般在其量程范围内工作。但是在使用过程中存在较大冲击载荷的情况下，需要扩大传感器量程，使称重时工作在其的量程范围内，这样延长传感器的使用寿命和保证使用的安全。工程上，常用称重传感器的量程有、等，本课题单个称重传感器的量程选用为可以满足要求。3.2.2 传感器连接方式选择本文采用的四个称重传感器构成的传感器系统，可以通过电桥电路连接得到总的输出信号，一般输出电路有并联、串联和混联三种连接方式。在全电子衡器初期，因为信号放大、A/D转换的准确度和分辨率不高，为了保证测量结果比较精确，输出多采用串联电路的连接方式。这种电路连接的优点是可以得到较大的输出电压，多个称重传感器串联后信号输出的电压是各称重传感器电桥电路输出之和，缺点是传感器系统的输出阻抗变大，容易造成共模干扰，而且要求每个称重传感器都要有单独的供桥稳压电源，否则将破坏电桥电路原有的关系。这样不仅增加了整个系统的复杂性，而且将多个单独的供桥