張志明，王 輝，邊傳周，張一帆，牛衛(wèi)紅

(河南牧業(yè)經(jīng)濟(jì)學(xué)院，河南 鄭州 450046)

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

1 研究背景

物聯(lián)網(wǎng)(Internet of Things，IOT)被稱為繼計(jì)算機(jī)、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(dá)國(guó)家早在2005年就開始了物聯(lián)網(wǎng)研究，如美國(guó)的“智慧地球”、日本的“i-Japan”和韓國(guó)的“u-Korea”戰(zhàn)略等[6]。2009年溫家寶總理提出了“感知中國(guó)”的物聯(lián)網(wǎng)構(gòu)思，我國(guó)近年來(lái)相繼出臺(tái)了《物聯(lián)網(wǎng)“十二五”發(fā)展規(guī)劃》等文件，加大了對(duì)物聯(lián)網(wǎng)研究的投入。同時(shí)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者紛紛結(jié)合行業(yè)需求對(duì)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)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(guò)無(wú)線網(wǎng)實(shí)現(xiàn)了豬舍設(shè)備的自動(dòng)控制，賈娜[8]借助物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了奶牛育種優(yōu)化，田健等[9]運(yùn)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了種豬精細(xì)養(yǎng)殖，何玲等[10]開發(fā)了生豬屠宰自動(dòng)化監(jiān)管系統(tǒng)。將先進(jìn)的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與傳統(tǒng)的畜牧生產(chǎn)相結(jié)合，符合我國(guó)“互聯(lián)網(wǎng)+”發(fā)展戰(zhàn)略和食品安全需求，具有廣闊的應(yīng)用市場(chǎng)和良好的商業(yè)價(jià)值[11]。

2 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

物聯(lián)網(wǎng)是借助于智能傳感器、RFID(Radio Frequency Identification，無(wú)線射頻識(shí)別)、激光掃描儀、GPS(Global Positioning System，全球定位系統(tǒng))、遙感等設(shè)備和系統(tǒng)，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)按照相關(guān)協(xié)議進(jìn)行設(shè)備聯(lián)網(wǎng)和通信，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)物品的智能識(shí)別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的一種智能網(wǎng)絡(luò)[12]。物聯(lián)網(wǎng)是互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用升級(jí)，充分實(shí)現(xiàn)了“人—機(jī)—物”之間的信息通信和智能化控制。

一般來(lái)說(shuō)，物聯(lián)網(wǎng)的基本架構(gòu)由感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層構(gòu)成，如圖1所示。

圖1 物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)圖

針對(duì)豬胴體分割生產(chǎn)的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)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(shù)的核心和基礎(chǔ)，如監(jiān)測(cè)生產(chǎn)車間溫度的傳感器、用于豬胴體識(shí)別的RFID標(biāo)簽，以及監(jiān)視生產(chǎn)過(guò)程的視頻采集設(shè)備等。網(wǎng)絡(luò)層是實(shí)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(luò)和通信網(wǎng)絡(luò)三種，如感知設(shè)備獲取的生產(chǎn)數(shù)據(jù)要通過(guò)傳感器網(wǎng)絡(luò)和通信網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)服務(wù)器，面向用戶的移動(dòng)端APP上信息查詢則要依靠互聯(lián)網(wǎng)訪問(wèn)數(shù)據(jù)服務(wù)器。應(yīng)用層是面向企業(yè)管理實(shí)際需求的應(yīng)用解決方案，通常具有信息查詢、統(tǒng)計(jì)、分析和預(yù)警等功能，是物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用面向終端用戶的信息綜合管理平臺(tái)。

3 豬胴體分割業(yè)務(wù)流程

豬胴體分割生產(chǎn)是指企業(yè)采購(gòu)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(guò)程。胴體分割有利于體現(xiàn)豬肉品質(zhì)差異，提高豬肉的經(jīng)濟(jì)和食用價(jià)值，提升產(chǎn)品溢價(jià)能力。

胴體分割生產(chǎn)首先由采購(gòu)員到屠宰站采購(gòu)白條胴體，再將胴體進(jìn)行標(biāo)識(shí)、稱重入原材料庫(kù)；然后由車間主任根據(jù)生產(chǎn)計(jì)劃到原材料庫(kù)取料生產(chǎn)，并在生產(chǎn)流水線上完成產(chǎn)品名稱標(biāo)識(shí)、稱重和包裝；最后經(jīng)倉(cāng)庫(kù)管理員登記入成品庫(kù)。筆者通過(guò)對(duì)某企業(yè)實(shí)地調(diào)研，發(fā)現(xiàn)其存在以下具有代表性的問(wèn)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(guò)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(yù)警和應(yīng)急處理機(jī)制。

4 胴體分割生產(chǎn)中的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用研究

針對(duì)傳統(tǒng)胴體分割生產(chǎn)中存在的問(wèn)題，筆者運(yùn)用物聯(lián)網(wǎng)RFID、傳感器和視頻采集等技術(shù)自動(dòng)捕獲生產(chǎn)數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)經(jīng)有線或無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳遞給服務(wù)器，再由信息系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總、統(tǒng)計(jì)和分析。當(dāng)出現(xiàn)數(shù)據(jù)異常時(shí)，系統(tǒng)產(chǎn)生相應(yīng)的智能預(yù)警，并實(shí)施應(yīng)急處理，從而實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)數(shù)據(jù)的自動(dòng)化采集和生產(chǎn)過(guò)程的監(jiān)控，提高胴體分割生產(chǎn)的效率，并實(shí)現(xiàn)過(guò)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(dòng)化識(shí)別

為核算生產(chǎn)成本、降低損耗和實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程可追溯，胴體分割生產(chǎn)需對(duì)胴體和產(chǎn)出產(chǎn)品進(jìn)行標(biāo)識(shí)和稱重。系統(tǒng)采用了RFID技術(shù)實(shí)現(xiàn)胴體無(wú)接觸識(shí)別，即在胴體上安裝扎帶式低頻RFID標(biāo)簽，結(jié)合門禁式閱讀器和具有RFID閱讀器功能的稱重器自動(dòng)完成[13]。

RFID是一種非接觸式的自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，它利用射頻信號(hào)空間耦合實(shí)現(xiàn)信息傳輸，是物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的核心技術(shù)之一[14]。RFID系統(tǒng)通常由標(biāo)簽、閱讀器和天線構(gòu)成，如圖3所示。其中標(biāo)簽是存儲(chǔ)商品的唯一標(biāo)識(shí)碼，閱讀器借助于天線發(fā)出射頻信號(hào)捕獲標(biāo)簽信息，再將信息通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳遞給信息系統(tǒng)[15]。

圖3 RFID系統(tǒng)構(gòu)成圖

首先，系統(tǒng)在采購(gòu)豬胴體入原材料庫(kù)時(shí)使用低頻RFID標(biāo)簽替代屠宰用的高頻RFID標(biāo)簽，并為兩種標(biāo)簽建立對(duì)應(yīng)關(guān)系。其次，在分割生產(chǎn)取料時(shí)采用門禁式RFID閱讀器讀取胴體標(biāo)簽信息。系統(tǒng)為了減小閱讀器和標(biāo)簽之間的距離，提高標(biāo)簽識(shí)別的準(zhǔn)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(gè)位置)。再次，胴體分割流水作業(yè)時(shí)，安裝在各工位的RFID稱重器會(huì)自動(dòng)識(shí)別經(jīng)過(guò)的胴體標(biāo)簽，且與對(duì)應(yīng)產(chǎn)出的產(chǎn)品建立關(guān)聯(lián)，從而實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)的溯源追蹤。最后產(chǎn)品包裝入成品庫(kù)，再由庫(kù)存管理員借助于移動(dòng)式RFID閱讀器盤點(diǎn)庫(kù)存，盤點(diǎn)數(shù)據(jù)經(jīng)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)傳輸?shù)椒?wù)器。

根據(jù)流水線各工位的分工，各工位的分割任務(wù)和流水順序相對(duì)固定，即一個(gè)工位只負(fù)責(zé)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(yù)先編碼，從而實(shí)現(xiàn)稱重器和工位的關(guān)聯(lián)。借助于職工出勤和工位分工信息，可以實(shí)現(xiàn)操作員和工位的對(duì)應(yīng)。同時(shí)稱重器可以借助其RFID閱讀器功能識(shí)別胴體標(biāo)簽，實(shí)現(xiàn)胴體和產(chǎn)出產(chǎn)品的關(guān)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(jìn)而實(shí)現(xiàn)胴體分割生產(chǎn)過(guò)程的完整追溯。

4.2 溫度預(yù)警機(jī)制

溫度控制在豬肉生產(chǎn)過(guò)程中至關(guān)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(kù)、分割車間、成品庫(kù)和運(yùn)輸車輛的溫度控制。系統(tǒng)采用了溫度傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并通過(guò)網(wǎng)絡(luò)將溫度信息上傳到服務(wù)器。當(dāng)溫度出現(xiàn)異常時(shí)，信息系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)發(fā)出預(yù)警信號(hào)，并做出應(yīng)急處理。

溫度傳感器是指將溫度轉(zhuǎn)化為容易被測(cè)量的電信號(hào)設(shè)備。胴體分割生產(chǎn)中的冷鏈運(yùn)輸和倉(cāng)庫(kù)的溫度監(jiān)控比較常見(jiàn)，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(yù)冷剔骨三種操作方法。預(yù)冷剔骨法是指將宰后熱胴體送至0 ℃的預(yù)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(jìn)行分割[16]。預(yù)冷剔骨法具有易分割、肉質(zhì)鮮和生產(chǎn)衛(wèi)生等優(yōu)勢(shì)，被廣泛采用。

系統(tǒng)在分割車間部署了多個(gè)溫度傳感器，形成了多個(gè)采樣點(diǎn)呈樹形分布的傳感器網(wǎng)絡(luò)，從而確保分割車間的溫度達(dá)標(biāo)。各溫度傳感器獨(dú)立工作，在指定的時(shí)間間隔借助于ZigBee(一種低速短距離傳輸?shù)臒o(wú)線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議)網(wǎng)絡(luò)向路由器發(fā)送采集數(shù)據(jù)，再由路由器轉(zhuǎn)發(fā)到服務(wù)器。信息系統(tǒng)根據(jù)事先設(shè)置的溫度閾值進(jìn)行判斷，當(dāng)車間溫度高出閾值時(shí)發(fā)出預(yù)警提示，同時(shí)向制冷設(shè)備發(fā)出開啟指令，直至溫度調(diào)整到指定范圍。系統(tǒng)結(jié)合車間實(shí)際需求，并為降低網(wǎng)絡(luò)傳輸負(fù)荷，設(shè)置了溫度傳感器在規(guī)定的時(shí)間間隔(如5min)上報(bào)溫度，而非實(shí)時(shí)上報(bào)。

4.3 生產(chǎn)過(guò)程監(jiān)控

為加強(qiáng)對(duì)生產(chǎn)過(guò)程的監(jiān)控，提高產(chǎn)品的溯源質(zhì)量，系統(tǒng)在生產(chǎn)車間安裝了視頻采集裝置，從而實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程的實(shí)時(shí)監(jiān)控和視頻回放。同時(shí)，結(jié)合RFID標(biāo)簽在流水線的經(jīng)過(guò)時(shí)間，以及該時(shí)間點(diǎn)系統(tǒng)顯示的車間溫度，通過(guò)視頻合成技術(shù)生成產(chǎn)品溯源視頻，實(shí)現(xiàn)消費(fèi)者對(duì)生產(chǎn)過(guò)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(gè)視頻采集點(diǎn)記錄胴體走向。當(dāng)胴體進(jìn)入分割車間時(shí)，由RFID閱讀器感知其標(biāo)識(shí)，并通過(guò)后臺(tái)信息系統(tǒng)記錄該胴體，同時(shí)在相應(yīng)的視頻錄像時(shí)間點(diǎn)上標(biāo)注起始點(diǎn)。隨后胴體進(jìn)入流水線，由分布在流水線上的多個(gè)采集點(diǎn)依次記錄其走向。當(dāng)胴體到達(dá)分割工位時(shí)，由安裝在工位上的采集點(diǎn)進(jìn)行錄像。整個(gè)視頻采集過(guò)程以胴體走向和分割生產(chǎn)為主，依據(jù)時(shí)間順序收集多個(gè)視頻采集點(diǎn)的視頻片段，綜合溫度傳感器獲取的溫度信息，進(jìn)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(biāo)識(shí)和時(shí)間節(jié)點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)與產(chǎn)出產(chǎn)品之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，將產(chǎn)品編碼對(duì)應(yīng)于溯源視頻。消費(fèi)者掃描產(chǎn)品二維碼不單可以查看產(chǎn)品生產(chǎn)過(guò)程的文本信息，而且還可以觀看到產(chǎn)品生產(chǎn)過(guò)程的溯源視頻，從而實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程的全程透明化監(jiān)督。另外，考慮到視頻占用存儲(chǔ)空間過(guò)多的因素，實(shí)時(shí)監(jiān)控視頻原則上保存時(shí)長(zhǎng)不超過(guò)15天，產(chǎn)品溯源視頻保存時(shí)長(zhǎng)以商品保質(zhì)期向后推算90天為準(zhǔn)，過(guò)期視頻會(huì)被覆蓋銷毀，而溯源文本信息將長(zhǎng)期保留。

5 關(guān)鍵技術(shù)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(jìn)行了RFID標(biāo)簽選擇、標(biāo)簽防碰撞和溫度傳感器部署等關(guān)鍵技術(shù)的研究。

5.1 RFID標(biāo)簽選擇

豬胴體分割車間具有低溫、多油的特點(diǎn)，工作環(huán)境差，不利于RFID標(biāo)簽的數(shù)據(jù)讀取。經(jīng)過(guò)試驗(yàn)比對(duì)，發(fā)現(xiàn)工作頻率在30kHz～300kHz的低頻RFID標(biāo)簽具有受溫度和濕度影響小的優(yōu)點(diǎn)，非常適用于低溫潮濕環(huán)境?？紤]到低頻標(biāo)簽的閱讀距離一般在1m之內(nèi)，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(biāo)簽的有效識(shí)別。

5.2 標(biāo)簽防碰撞算法

標(biāo)簽碰撞是指多個(gè)標(biāo)簽向閱讀器發(fā)出通信請(qǐng)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(shù)應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)之一，國(guó)內(nèi)外有不少學(xué)者就此進(jìn)行了探索。參考管小衛(wèi)[17]針對(duì)分組幀時(shí)隙ALOHA改進(jìn)算法，將進(jìn)入閱讀器工作范圍的標(biāo)簽按先后順序分組，并周期性發(fā)送分組指令，標(biāo)簽根據(jù)其分組值的大小順序響應(yīng)。該算法在分組標(biāo)簽數(shù)量和幀長(zhǎng)度相等時(shí)，系統(tǒng)吞吐率可以達(dá)到最高，即單位時(shí)間內(nèi)閱讀器成功讀取標(biāo)簽的數(shù)量最多。

5.3 溫度傳感器布設(shè)

系統(tǒng)采用了多個(gè)溫度傳感器感知車間實(shí)時(shí)溫度，多傳感器的布設(shè)問(wèn)題是國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究的熱點(diǎn)。如彭秀媛等[18]提出的最佳平方逼近最小二乘法布設(shè)，溫凱方[19]的鴿群算法布設(shè)等。系統(tǒng)在矩形分割車間的四周和對(duì)角線距地面2 m高度均勻布設(shè)傳感器，若分割車間面積過(guò)大，也可以將矩形車間分割成多個(gè)小矩形，然后再布設(shè)傳感器。生產(chǎn)車間內(nèi)溫度傳感器布設(shè)如圖4所示。

圖4 生產(chǎn)車間內(nèi)溫度傳感器布設(shè)示意圖

為準(zhǔn)確掌握車間溫度，同時(shí)兼顧系統(tǒng)效率，系統(tǒng)設(shè)定每5 min進(jìn)行一次溫度取樣，取樣數(shù)據(jù)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳遞到服務(wù)器。當(dāng)某個(gè)溫度采集點(diǎn)發(fā)生異常時(shí)，信息系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)激活溫度異常預(yù)警，并啟動(dòng)應(yīng)急措施。

6 結(jié)論

將先進(jìn)的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)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(shù)實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)數(shù)據(jù)自動(dòng)化采集，降低了數(shù)據(jù)采集的錯(cuò)誤概率，實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)安全預(yù)警和應(yīng)急處理，并完善了豬肉產(chǎn)品生產(chǎn)過(guò)程的信息溯源。該研究在為傳統(tǒng)豬胴體分割企業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)賦能的同時(shí)，也為其它農(nóng)牧類企業(yè)的智能化生產(chǎn)提供了參考。