背膘厚度超声波在线测量装置设计与试验

　　摘要：为能够在线测量猪活体背膘厚度，降低测量成本，提高测量精度，弥补传统测量方法的不足，并有效记录与使用测量数据，采用超声波技术、蓝牙技术和射频识别技术设计了一种低成本在线测量装置，实现了生猪背膘厚度的快速测量，并可实时在线存储处理数据。

　　关键词：背膘厚度；超声波；在线测量；蓝牙；RFID

　　猪肉等级是影响生猪养殖者和屠宰加工企业经济效益的重要因素。背膘厚度能直观反映猪肉瘦肉率，同时也是评定猪肉等级的重要指标之一。快速测量猪活体背膘厚度，能及时掌握猪生长过程中背膘厚度的变化情况，对于饲养员调控饲养方案、控制生长速度、提高猪肉瘦肉率有着重要的作用。传统的猪活体背膘厚度测量主要是借助手术刀、探针和直尺等工具进行检测，容易受到测量人员经验的影响，在与肉质接触的过程中可能会产生污染，并且检测速度慢，只能实现单一的测量功能。近几年来，许多国内外学者也陆续展开对农产品无损检测的研究，主要利用超声波技术对猪背膘厚度进行测量和猪胴体等级进行评定。有的公司也将其产品用于生产线，但是产品价格昂贵，只有比较有实力的大型养殖场才能购买，并且这些设备只能实现单一的测量功能，对测量的数据不能实现实时备份、传输，也不能有效记录养殖场每头猪每次的测量情况，不便于猪场的智能化管理。

　　因此，本文旨在研究猪活体超声波背膘厚度在线无损测量方案以及低成本测量终端，填补国内在猪背膘厚度无损测量方面研究的空白，降低硬件成本，为农村智能化养殖做出一定的贡献。

　　测量装置如图1所示，超声波探头作用于猪背第11根肋骨处，装置将所采集的数据通过蓝牙传输到用户的智能手机中。

图1  测量系统

　　测量装置的主要功能模块有数据采集模块、射频识别模块、数据处理模块和无线传输模块4个部分，其中最重要的部分就是利用超声波技术设计的数据采集模块，如图2所示。

图2  系统总体框架

　　利用超声波技术设计传感器对计算背膘厚度所需数据进行测量，能够无创伤性的在体外获得活畜体内的信息，且超声波纵向分辨率高、抗干扰能力强，易于实现小型化和集成化；数据处理模块将测量的数据进行分析、计算和存储；经过计算得到的背膘厚度数据可由蓝牙模块发送到智能手机进行统一管理；在测量前通过装置里的ＲFID模块对每头猪的标签进行识别，获取每头猪的个体信息，从而实现追踪记录。

　　装置主要采用脉冲反射法进行背膘厚度测量计算。脉冲反射法测厚技术是指通过超声波探头发射脉冲波进入被检对象，观察对象内不同材质界面反射波的情况从而判断各材质层厚度的检测方法。对于生物软组织，超声波脉冲反射法测厚就是指传感器将超声波入射到被测组织内时，当遇到各组织界面时声波发生反射，通过对接收的超声反射信号进行分析，从而达到测量组织层厚度的方法。

　　猪浅表组织由真皮、脂肪、肌膜、肌肉和蛋白质等不同成分组成，不同组织成分其声阻抗也会不同，因此当超声波在猪活体组织里传播时遇到两种不同组织的界面时就会产生反射、折射等光学现象。通过反射测量超声波在其中的传播距离，就可以测量猪的脂肪厚度。计算公式如下。

　　d=v(t2－t1)/2    (1)

　　式中：d——背膘厚度

　　v——超声波在猪活体脂肪中的传播速度，m/s，取值1500m/s

　　t1—第1次检测到的时间，即超声波在真皮和脂肪层之间发生反射时测到的回波时间，t2——第2次检测到的时间，即超声波在脂肪层和肌膜之间发生反射时测到的回波时间。

　　作为背膘厚度超声波在线测量装置的核心，本文选择的单片机为STM32F103Ｒ6，主要功能如下。

　　(1)控制超声波发射电路对超声波进行收发，并检测超声波回波信号。

　　(2)通过超声波接收电路接收的回波信号来计算超声波在猪活体浅表脂肪中的传播时间。

　　(3)根据超声波在猪活体浅表脂肪中传播所经历的时间来计算背膘厚度。

　　(4)在显示模块上显示所测到的背膘厚度。

　　(5)控制射频识别阅读器读取猪耳标信息。

　　(6)通过无线方式上传测量数据。

　　发射电路由两部分组成，超声波换能器和超声波激励电路。超声探头的中心频率越高，高频相应越好，测量距离越短，同时价格也越高，其两端所需的激励电压也要求更高，一般在几十伏甚至上百伏。由于猪的背膘厚度一般为5～40mm，考虑到硬件设计成本问题，本文的超声波换能器选择中心频率为1.5MHz的收发一体式探头。超声波激励电路的作用是将一定形式的电压信号瞬时加载在换能器两端，激励换能器将电信号转换成声信号并传播出去。

　　超声波发射电路如图3所示。超声波发射电路的工作原理是当开始测量时，通过单片机的CH1_PMW管脚给1个高电平开启Q2，Q2控制开启Q1，这时换能器被驱动UltraPwr的电压，UltraPwr大小为30V，驱动时间200ns，从而产生高压负脉冲激励信号，超声换能器的探头产生机械振动从而发射超声波。利用超声换能器自身是感性元器件的特点自振荡发射超声波，无需专门的信号发生电路，在驱动200ns 后关闭Q2，不仅可以降低发射电路对接收电路产生的信号干扰，同时还能降低系统功耗、节约硬件成本。

图3  超声波发射电路

　　回波接收电路是用来检测发射出去的超声波遇到不同介质界面反射回来的超声波信号，主要是超声波在猪活体真皮组织与浅表组织的脂肪层和脂肪层与肌膜反射回来的信号。接收电路由信号采集电路和信号调理电路两部分组成，超声波在介质中传播的时候或多或少会有一定程度的衰减，其衰减的程度跟传播距离成正比。因此，接收到的声波信号比较微弱，同时通过超声换能器采集到的信号是将声信号转换过来的脉冲信号，不能直接送入单片机，在信号进入到单片机之前需要滤除掉干扰信号和噪声，将有效信号提取出来，并进行一定程度的放大，增大信噪比，尽可能获取精确的所需信号，最后将放大比较整形后的有效信号送入单片机进行后续处理。超声波回波电路如图4所示。

图4  超声波回波电路

　　背膘厚度测量系统无线传输部分的蓝牙模块BT－HC07，电路如图5所示。

图5 蓝牙无线传输模块电路

　　射频识别部分直接选用已经集成好的MF522-AN模块，该模块采用MFＲC522设计读卡电路，不仅成本较低，使用也极为方便。选择非接触式智能卡(简称S50卡)作为电子标签。射频识别模块电路模块通过I2C的方式与控制器通信，将模块的4、5管脚与单片机对应的SCL和SDA连接就能实现数据的双向读写，通过ＲFID_ EN 控制CMOS管进而控制整个模块的开关工作，如图6所示。

图6  射频识别模块电路

　　软件开发平台主要选择Keil Uvision4、JDK ( 1.6版本以上)、Eclipse(3.4版本以上)、Android SDK和ADT。采用C语言和Java 语言进行实现。总体的程序流程如图7所示。

图7  系统主程序流程

　　装置启动之后，进行相关硬件和程序的初始化并进入初始化界面。通过键盘上的按键选择不同的程序，其中校准程序用于对测量仪器进行校准；测量程序可启动装置采集终端，产生超声波信号，同时将超声换能器感测到超声波信号并将其转化为电信号输入控制芯片，经算法计算处理后，得到背膘厚度，并将测量结果进行存储及传输；识别程序用于读取猪耳上的电子标签，获取每头猪的基本信息；菜单程序主要用于系统设置以及查询，包括5个子程序，通过按键“1～5”依次对应，分别是时间设置、校准密码设置、蓝牙设置、历史记录清除和历史记录查询。

　　选用两种样品对设计的猪活体背膘厚度超声波在线测量装置进行测试，样品1是新鲜离体(离体时间大约1h) 的猪肉背部的浅表组织，样品数量为10，即来自10 头不同猪的背部浅表组织，并将这些组织切成以猪的表皮为底面，底面积为20cm×20cm，厚度不做处理的方块，并用笔在每个组织样品的表皮上做记号，以保证超声换能器每次测量时都能对准同一位置，做到试验唯一变量。样品2是数值已知( 25 mm) 的塑料透明试块，该试块组织成分跟真皮和脂肪一样，是专门用来校准超声波测量仪器的试验样品，同样用笔在该试块的表面上做记号。

　　4.2.1  新鲜离体猪肉浅表组织

　　将新鲜离体的猪肉浅表组织表皮朝上平整的放在有机玻璃箱内，并在猪肉表皮上均匀涂抹医用耦合剂，特别是在笔做的记号处，将超声换能器探头垂直置于记号处并充分接触，然后将探头固定在有机玻璃夹上。按下装置键盘上的测量按键，从测量装置上读出背膘厚度数值，10个样品组织每个测量10次，取平均值。待仪器测量完成之后，用直尺再在同一位置测量10次，取平均值。

　　4.2.2  已知厚度测量试块

　　将已知试块平整的放在有机玻璃箱内，并表面均匀涂抹医用耦合剂，特别是在笔做的记号处，将超声换能器探头垂直置于记号处并充分接触，然后将探头固定在有机玻璃夹上。按下装置键盘上的测量按键，从测量装置上读出测量数值，测量10次，取平均值。测量试块的已知厚度为25mm。

　　通过本文设计的背膘厚度在线测量装置和手动用直尺测量新鲜猪肉浅表组织不同样品的结果如表1～4所示。

表1  样品1不同测量方法背膘厚度测量结果                 mm

表2  样品2不同测量方法背膘厚度测量结果              mm

表3  样品3不同测量方法背膘厚度测量结果               mm

表4  测量装置测量25mm试块结果

　　从表1、表2、表3 中可以看出，在使用本文设计的生猪背膘厚度在线测量装置不同样品，其测量结果对比直尺而言结果基本一致，仍然有0～1mm的误差。由表4中可知，在对已知试块进行测量时测量值与已知值保持一致，没有误差，这可能是在用直尺测量的过程中人工使用工具过程中而产生的较小误差，也有可能是在选取的软组织超声声速比实际猪软组织声速小或者不是在活体进行测量而造成的误差。但是经过试验数据可知，测量结果具有一定的可靠性，并具有很强的实用性。

　　4.4  传输功能测试将已编辑好的蓝牙通信Java程序安装到Android智能手机上，启动蓝牙软件，搜索蓝牙设备，寻找到生猪背膘厚度测量系统的蓝牙传输模块BT-HC07，进行配对后进入数据通信界面，程序运行界面如图8所示。

图8  程序运行界面

　　经测试系统的无线传输模块与手机端的蓝牙通信程序之间能够实现无线通信并且完成测量信息的传输功能。

　　超声波检测技术日渐成熟，其应用范围也越来越广，本文利用超声波无损、方向性好等特点，将其应用到猪活体背膘厚度测量当中，实现了生猪背膘厚度的无损测量，解决了进口测量设备成本高的问题，同时将ＲFID和蓝牙技术集成到该测量装置，解决了现有进口设备不能本地存储以及在线传输和跟踪记录的弊端，为牲畜智能化养殖做了一定的贡献。

　　随着信息技术、智能化技术以及农业物联网的高速发展，农业智能化养殖成为农业养殖建设的大势所趋。本文中设计的测量指数仅包括猪活体背膘厚度，可以添加其他传感器设备加入更多的指数，如运用温度传感器进行体温的测量、运用质量传感器进行体重的采集等。该文简单设计了一个用户管理数据库和一些简单功能的实现，作为功能的扩展可以加入更为复杂的数据分析操作，如在一定时间内猪的生长情况分析图示、根据体重及生长天数自动计算出当天的进食量，饲养方案自动调整等。