基于物聯(lián)網(wǎng)的生鮮乳安全檢測與預(yù)警系統(tǒng)研究

馬長路,2，曲愛玲，呂加平2，羅紅霞，劉紅梅，汪長鋼，李淑榮

（1.北京農(nóng)業(yè)職業(yè)學(xué)院，北京102442；2.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院，北京100193）

基于物聯(lián)網(wǎng)的生鮮乳安全檢測與預(yù)警系統(tǒng)研究

馬長路1,2，曲愛玲1，呂加平2，羅紅霞1，劉紅梅1，汪長鋼1，李淑榮1

（1.北京農(nóng)業(yè)職業(yè)學(xué)院，北京102442；2.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院，北京100193）

提出了利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)奶牛的精細(xì)化管理，對生鮮乳中的微生物、抗生素、三聚氰胺等實(shí)現(xiàn)智能快速檢測，對貯間奶的溫濕度、煙霧等參數(shù)進(jìn)行智能監(jiān)控，上述檢測參數(shù)可通過網(wǎng)頁或手機(jī)APP實(shí)時(shí)查看。當(dāng)生鮮乳微生物等指標(biāo)異常、貯奶間溫濕度、煙霧等參數(shù)不在系統(tǒng)設(shè)定范圍，系統(tǒng)進(jìn)行現(xiàn)場語音預(yù)警和遠(yuǎn)程GSM短信預(yù)警。該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)生鮮乳的安全檢測與預(yù)警提示，進(jìn)一步保證了生鮮乳的質(zhì)量安全，有效防止了不合格的生鮮乳流入乳品生產(chǎn)市場。

物聯(lián)網(wǎng)；生鮮乳；安全檢測預(yù)警

0 引 言

物聯(lián)網(wǎng)被正式列為我國五大新興戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè)以來，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)得到飛速發(fā)展，“感知中國”的時(shí)代正悄然而來。綠色食品、無公害、食品安全已成為百姓關(guān)注的焦點(diǎn)。近年，乳品行業(yè)的食品安全問題倍受關(guān)注，生鮮乳作為乳品的主要原料，是乳品食品安全中首要一環(huán)。本文針對中小型牛奶養(yǎng)殖基地，提出了基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的奶牛個(gè)體身份識(shí)別，實(shí)現(xiàn)個(gè)體精細(xì)化管理，并利用傳感技術(shù)實(shí)現(xiàn)生鮮乳抗生素等快速檢測及生鮮乳存放環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，預(yù)警信息可通過現(xiàn)場或遠(yuǎn)程進(jìn)行警戒，養(yǎng)殖基地人員、生鮮乳購買方、消費(fèi)者可通過網(wǎng)頁或手機(jī)APP實(shí)時(shí)查看生鮮乳的各項(xiàng)檢測指標(biāo)及存放環(huán)境參數(shù)，保證乳品原料即生鮮乳的安全性。

1 個(gè)體識(shí)別、生鮮乳管理

1.1 標(biāo)識(shí)條碼

二維條碼是一種在水平和垂直方向都可以存儲(chǔ)信息的條碼格式，二維條碼信息可由漢子、數(shù)字和圖片等組成。具有代表性的二維條碼有Code One，Maxi Code，QR Code，Data Matrix等，本系統(tǒng)采用QR Code二維條碼對奶牛個(gè)體進(jìn)行識(shí)別。

QR Code是Quick Response的縮寫，這種二維條碼能夠被快速讀取，能存儲(chǔ)更豐富的信息，對文字、UR L地址和其他類型的數(shù)據(jù)進(jìn)行加密。QR Code對應(yīng)的IOS國際標(biāo)準(zhǔn)為ISO/IEC 18004。在用CCD識(shí)讀QR Code碼時(shí)，整個(gè)QR Code碼符號中信息的讀取是通過QR Code碼符號的位置探測圖形，用硬件來實(shí)現(xiàn)，因此，信息識(shí)讀過程所需時(shí)間很短，它具有超高速識(shí)讀特點(diǎn)。用CCD二維條碼識(shí)讀設(shè)備，每秒可識(shí)讀30個(gè)含有100個(gè)字符的QR Code碼符號。QR Code碼的超高速識(shí)讀特性使它能夠廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)線管理等領(lǐng)域[1]。

1.2 個(gè)體識(shí)別

利用二維條碼技術(shù)對中小型奶牛養(yǎng)殖基地奶牛進(jìn)行個(gè)體識(shí)別和記錄，對奶牛個(gè)體的年齡、近親、生長、發(fā)育、飼養(yǎng)、發(fā)情、配種、分娩、防疫、驅(qū)蟲等進(jìn)行數(shù)據(jù)云管理[2]。以奶牛近親關(guān)系為依據(jù)，對奶牛進(jìn)行分組管理及飼養(yǎng)。二維條碼信息定義方式如表1所示。

表1 二維條碼信息定義方式

按上述二維條碼信息定義方式生成的二維條碼如圖1所示。圖1中，二維條碼的分組編碼為01，奶牛個(gè)體編碼為01。

圖1 二維條碼標(biāo)簽

在制作二維條碼標(biāo)簽時(shí)，可結(jié)合數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)源，實(shí)現(xiàn)奶牛個(gè)體二維碼標(biāo)簽的批量制作與批量打印，利用文本對二維條碼標(biāo)簽進(jìn)行信息備注等。CodeSoft條碼軟件具有很強(qiáng)的設(shè)備互連性、安全性、可編程性，簡單易學(xué)，使用非常便捷。

1.3 生鮮乳管理

利用一維條碼對每天生產(chǎn)的生鮮乳進(jìn)行唯一標(biāo)識(shí)，利用CodeSoft軟件，選用Code39或Code128碼進(jìn)行一維條碼的制作。Code39或Code128碼是目前國內(nèi)企業(yè)內(nèi)部自定義的碼制，企業(yè)可以根據(jù)需要確定條碼的長度和信息，它編碼的信息可以包含數(shù)字、字母等。在一維條碼的具體制作時(shí)，結(jié)合時(shí)間數(shù)據(jù)源、文本信息輸入功能對一維條碼信息進(jìn)行完善。一維條碼信息定義方式如表2所示。

表2 一維條碼信息定義方式

按上述一維條碼信息定義方式生成的一維條碼如圖2所示，此一維條碼的分組編碼為01。

圖2 一維條碼標(biāo)簽

一維條碼和二維條碼信息定義方式確保生鮮乳與奶牛個(gè)體標(biāo)識(shí)間的關(guān)聯(lián)，關(guān)聯(lián)信息通過奶牛自動(dòng)擠奶裝置存儲(chǔ)于奶牛養(yǎng)殖服務(wù)器中，在標(biāo)簽上能夠查詢到奶源的準(zhǔn)確信息。

2 生鮮乳安全風(fēng)險(xiǎn)分析

2.1 生鮮乳中微生物、抗生素含量

奶牛在飼養(yǎng)過程，可能患某種疾病，在對其治療過程中，可能會(huì)使用某些藥物，如果奶牛在哺乳期，其

產(chǎn)出的生鮮乳中可能會(huì)有相應(yīng)的藥物成分存在。如果飼料中含有某些激素或抗生素，奶牛食用后也可能導(dǎo)致其產(chǎn)出的生鮮乳中含有激素或抗生素的成分。

2.2 擠奶時(shí)的交叉污染

擠奶廳距牛舍較遠(yuǎn)，無專用的運(yùn)輸通道，會(huì)與污道發(fā)生交叉污染；擠奶廳的硬件條件、通風(fēng)、光照情況等均對生鮮乳的安全問題均產(chǎn)生影響；奶牛的乳房及乳頭有炎癥，藥浴處理后單獨(dú)擠奶，避免交叉污染；擠奶員有生病、或手部有外傷的情況下，要嚴(yán)禁擠奶，避免交叉感染生鮮乳[3]。

2.3 生鮮乳存放環(huán)境

貯存生鮮乳的容器，應(yīng)符合《散裝乳冷藏罐》（GB/T 10942-2001）的要求。冷卻剛擠出的生鮮牛乳應(yīng)及時(shí)冷卻、貯存。2 h之內(nèi)冷卻到4℃以下保存。生鮮牛乳擠出后在貯奶罐的貯存時(shí)間原則上不超過48 h。貯奶罐內(nèi)生鮮牛乳溫度應(yīng)低于6℃。若生鮮乳存放環(huán)境達(dá)不到上述要求，可能導(dǎo)致生鮮乳質(zhì)量下降或變質(zhì)[3]。

3 生鮮乳安全檢測及預(yù)警架構(gòu)

生鮮乳安全風(fēng)險(xiǎn)中，擠奶時(shí)的交叉污染可以通過改造養(yǎng)殖場的硬件設(shè)施、非健康的奶牛及時(shí)治愈并單獨(dú)擠奶、生病期的擠奶員不進(jìn)行擠奶等措施進(jìn)行避免。為實(shí)時(shí)檢測生鮮乳中微生物、抗生素含量及生鮮乳的存放環(huán)境參數(shù)，利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)建立的生鮮乳安全檢測構(gòu)架如圖3所示。

圖3 生鮮乳安全檢測構(gòu)架

基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的生鮮乳安全檢測框架，是感知、互聯(lián)、智能的疊加，包括物聯(lián)網(wǎng)感知層、網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層。

4 生鮮乳安全檢測及預(yù)警系統(tǒng)實(shí)施

4.1 生鮮乳安全檢測

利用M R-611抗生素快速檢測儀實(shí)現(xiàn)對生鮮乳中抗生素、瘦肉精、黃曲霉毒素等殘留進(jìn)行批量快速檢測。MR-611抗生素快速檢測儀具有RS232接口，本系統(tǒng)主控制器選用Cortex M3 LM3S9B96 ARM芯片，Cortex M3 LM3S9B96 ARM芯片具有3組通用的異步串行通信（RS232）接口[4]，串口1通過MAX3232串口芯片進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)對M R-611抗生素快速檢測儀的硬件控制。MR-611抗生素快速檢測儀檢測的數(shù)據(jù)通過RS232串口通信方式被主控制器LM3S9B96讀取、分析、存儲(chǔ)、處理等，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)對生鮮乳安全檢測的數(shù)據(jù)獲取。若生鮮乳中抗生素、黃曲霉毒素等殘留超過食品安全要求的含量時(shí)，系統(tǒng)進(jìn)行現(xiàn)場語音預(yù)警、遠(yuǎn)程GSM短信預(yù)警，警示用戶對不合格批次的生鮮乳進(jìn)行處理。MR-611抗生素快速檢測儀與LM3S9B96控制器通信硬件接口如圖4所示。

圖4 MR-611與LM3S9B96通信硬件接口

4.2 生鮮乳存放環(huán)境監(jiān)測

生鮮乳在擠出后，要及時(shí)進(jìn)行冷卻、貯存，要確保在2 h之內(nèi)將生鮮乳冷卻到4℃以下保存，超過2 h未冷藏的，不得銷售。且生鮮牛乳擠出后在貯奶罐的貯存時(shí)間原則上不超過48 h，貯奶間嚴(yán)禁吸煙、不堆放化學(xué)藥品、清潔無灰塵，空氣濕度保持在35%～40%左右?；谏r乳存放的條件及環(huán)境要求，利用物聯(lián)網(wǎng)傳感器層技術(shù)實(shí)現(xiàn)對生鮮乳存放環(huán)境溫度、濕度、煙霧等參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測。

4.2.1 溫濕度傳感器節(jié)點(diǎn)

選取溫濕度傳感器SHT 11進(jìn)行貯奶間溫濕度實(shí)時(shí)檢測，SHT 11溫濕度傳感器的數(shù)據(jù)引腳（DATA）、時(shí)鐘引腳（SCK）、GND分別與LM 3S9B96控制器的I2CSDA、I2CSCL、GND引腳進(jìn)行硬件連接，SHT11溫濕度傳感器的數(shù)據(jù)引腳（DATA）、時(shí)鐘引腳（SCK）分別加10KΩ的上拉電阻，SHT 11采用+5V電源電壓供電。每個(gè)貯奶間放置一個(gè)溫濕度傳感器節(jié)點(diǎn)，傳感器節(jié)點(diǎn)通過Z igBee通信進(jìn)行無線數(shù)據(jù)傳輸，數(shù)據(jù)在協(xié)調(diào)器端進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、處理等操作。當(dāng)貯奶間的環(huán)境溫濕度參數(shù)不在系統(tǒng)設(shè)定的閾值時(shí)，系統(tǒng)通過語音播報(bào)、遠(yuǎn)程GSM短信預(yù)警。

4.2.2 煙霧傳感器節(jié)點(diǎn)

選取煙霧傳感器MQ-2進(jìn)行貯奶間煙霧實(shí)時(shí)檢測，煙霧傳感器MQ-2與LM 3S9B96控制器的硬件連接如圖5所示。每個(gè)貯奶間放置一個(gè)煙霧傳感器節(jié)點(diǎn)，傳感器節(jié)點(diǎn)通過Z igBee通信進(jìn)行無線數(shù)據(jù)傳輸，數(shù)據(jù)在協(xié)調(diào)器端進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、處理等操作。當(dāng)貯奶間的環(huán)境參數(shù)不在系統(tǒng)設(shè)定的閾值時(shí)，系統(tǒng)通過語音播報(bào)、遠(yuǎn)程GSM短信預(yù)警。

4.2.3 ZigBee無線通信

圖5 煙霧傳感器原理

CC 2420芯片是Chipcon As公司推出的首款符合2.4GH z IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的射頻收發(fā)器。該器件包括眾多額外功能，是第一款適用于Z igBee產(chǎn)品的RF器件。它基于Chipcon公司的Sm artRF 03技術(shù)，以0.18um CMOS工藝制成，只需極少外部元器件，性能穩(wěn)定且功耗極低。CC2420芯片可確保短距離通信的有效性和可靠性。利用此芯片開發(fā)的無線通信設(shè)備支持?jǐn)?shù)據(jù)傳輸率高達(dá)250 kbps，可以實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)對多點(diǎn)的快速組網(wǎng)[5]。CC 2420芯片與LM 3S9B96控制器的硬件連接原理圖如圖6所示。

圖6 CC2420與LM 3S9B96處理器的硬件連接原理

4.3 生鮮乳風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警

基于物聯(lián)網(wǎng)的生鮮乳環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)根據(jù)生鮮乳存放的溫濕度參數(shù)、無煙霧等要求設(shè)定生鮮乳環(huán)境監(jiān)測的溫濕度、煙霧等閾值。溫度閾值設(shè)定在4℃～1℃之間，濕度閾值設(shè)定在35%～40%之間，煙霧閾值設(shè)定在0～5%之間。當(dāng)生鮮乳環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測到貯奶間的溫濕度參數(shù)、煙霧參數(shù)不在系統(tǒng)設(shè)定閾值范圍內(nèi)時(shí)，系統(tǒng)進(jìn)行現(xiàn)場語音播報(bào)預(yù)警或遠(yuǎn)程GSM手機(jī)短信預(yù)警。

4.3.1 現(xiàn)場語音播報(bào)預(yù)警

現(xiàn)場語音播報(bào)預(yù)警單元采用科大訊飛公司的XFS5152CE芯片。XFS5152CE是一款高集成度的語音合成芯片，可實(shí)現(xiàn)中文、英文語音合成。XFS5152CE芯片提供UART接口、I2C接口、SPI接口三種控制方式，本系統(tǒng)采用LM 3S9B96控制器的UAR T1串口與XFS5152CE進(jìn)行硬件通信。LM3S9B96控制器通過UART 1通訊接口向XFS5152CE芯片發(fā)送控制命令和文本，XFS5152CE芯片接收到文本后合成為語音信號輸出，輸出的信號經(jīng)功率放大器進(jìn)行放大后連接到喇叭進(jìn)行播放[6]。XFS5152CE芯片的RXD、TXD、GND引腳分別與LM3S9B96控制器的U1Tx、U1Rx、GND引腳進(jìn)行硬件連接。

4.3.2 遠(yuǎn)程GSM短信預(yù)警

遠(yuǎn)程GSM短信預(yù)警單元采用Q isda公司的M 33G模塊，此模塊具有開放的44引腳接口，串口通信接口，在M33G外圍電路設(shè)計(jì)時(shí)一定要考慮M 33G模塊天線及SIM卡座的固定方式[7]。M33G模塊與LM3S9B96控制器的UART 2進(jìn)行通訊，M33G模塊的RXD、TXD、GND引腳分別與LM3S9B96控制器的U 2Tx、U 2R x、GND引腳進(jìn)行硬件連接。

4.4 以太網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸

LM 3S9B96控制器的以太網(wǎng)控制器由一個(gè)完全集成的媒體訪問控制器（M AC）和網(wǎng)絡(luò)物理（PHY）接口器件組成。以太網(wǎng)控制器遵循IEEE 802.3規(guī)范，完全支持10BASE-T和100BASE-TX標(biāo)準(zhǔn)。LM 3S9B96控制器與以太網(wǎng)接口的原理圖如圖7所示。

圖7 LM 3S9B96與以太網(wǎng)接口的原理

物聯(lián)網(wǎng)云服務(wù)器選用Yeelink平臺(tái)，Yeelink獨(dú)有設(shè)計(jì)的高并發(fā)接入服務(wù)器和云存儲(chǔ)方案，能夠同時(shí)完成海量的傳感器數(shù)據(jù)接入和存儲(chǔ)任務(wù)，確保您的數(shù)據(jù)能夠安全的保存在互聯(lián)網(wǎng)上，先進(jìn)的鑒權(quán)系統(tǒng)和安全機(jī)制，能夠確保數(shù)據(jù)只在您允許的范圍內(nèi)共享。用戶可以隨時(shí)隨地查看遠(yuǎn)端的設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)及對設(shè)備進(jìn)行控制，上傳本地檢測數(shù)據(jù)，通過電腦網(wǎng)頁或手機(jī)APP訪問即可看到設(shè)備數(shù)據(jù)。

5 結(jié) 論

生鮮乳安全檢測與預(yù)警系統(tǒng)是利用現(xiàn)代化的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)手段，實(shí)現(xiàn)了奶牛二維條碼個(gè)體管理、生鮮乳一維條碼貯存管理，將生鮮乳抗生素快速檢測儀通過串口直接接入系統(tǒng)協(xié)調(diào)器端，生鮮乳抗生素快速檢測儀檢測的數(shù)據(jù)直接由CPU讀取、存儲(chǔ)、處理，環(huán)境傳感器節(jié)點(diǎn)采集的數(shù)據(jù)通過ZigBee通信進(jìn)行無線傳輸。利用Yeelink物聯(lián)網(wǎng)云服務(wù)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了電腦網(wǎng)頁或手機(jī)APP訪問系統(tǒng)數(shù)據(jù)。當(dāng)生鮮乳中抗生素超標(biāo)、環(huán)境溫濕度、煙霧等參數(shù)不在閾值范圍，系統(tǒng)進(jìn)行現(xiàn)場語音播報(bào)預(yù)警或遠(yuǎn)程手機(jī)GSM短信報(bào)警。該系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)，節(jié)省了養(yǎng)殖場的人力、物力，使養(yǎng)殖場的管理標(biāo)準(zhǔn)化、智能化，進(jìn)一步保證了生鮮乳檢測與貯存的安全，是乳制品安全生產(chǎn)的前提與保障。

[1]馬長勝,劉賢鋒.RFID技術(shù)應(yīng)用[M].北京:北京理工大學(xué)出版社, 2014:70-72.

[2]吳宗權(quán).物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在現(xiàn)代畜牧業(yè)的應(yīng)用[J].飼料博覽,2014,(10), 62-64.

[3]中華人民共和國農(nóng)業(yè)部.生鮮乳生產(chǎn)收購管理辦法[Z].北京:中華人民共和國農(nóng)業(yè)部,2008.

[4]Stellaris LM 3S9B96 Microcontroller DATA SHEET,TEXAS INSTRUMENTS-PRODUCT ION DATA,2012.

[5]2.4 GHz IEEE 802.15.4/ZigBee-ready RF Transceiver,Chipcon Products from Texas Instruments,2014.

[6]XFS5152CE語音合成芯片用戶開發(fā)指南,合肥訊飛數(shù)碼科技有限公司,2013.

[7]曲愛玲,基于DSP的智能溫度檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J],電子設(shè)計(jì)工程,2014, 22(18):98-100.

Research of fresh milk safety monitoring and warning system based on Internet of Things

MA Chang-lu1,2，QU Ai-ling1，LV Jia-ping2，LUO Hong-xia1，LIU Hong-mei1，WANG Chang-gang1，LIShu-rong1
（1.Beijing agricultural vocational college,Beijing 102442，China;2.Chinese Academy of Agricultural Sciences,Beijing 100193，China）

In this paper,using the internet of things technology,realize the fine management of cow s,include intelligent and rapid detection of microorganism s,antibiotics,melamine，and other intelligent in the raw milk,mean while,the system could detect the temperature,humidity and smoke of milk during storage,all the detect parameters could be real-time viewed through the web or mobile phone APP.The voice warning and remote GSM alert would be launched when the microbial indicators,temperature,humidity,smoke and other parameters out of the setting range.This system could realize the detection and warning of raw milk,ensures the quality of fresh milk,and effectively prevent the unqualified milk into the market.

The Internet of Things;raw m ilk;safety monitoring and warning system

TP277;TS20

：A

：1001-2230（2016）02-0053-04

2015-07-24

2014年北京市支農(nóng)資金農(nóng)業(yè)科技項(xiàng)目（20140139）；北京高等學(xué)?！扒嗄暧⒉庞?jì)劃”項(xiàng)目（YETP1832）；北京市“菜籃子”新型生產(chǎn)經(jīng)營主體科技能力提升項(xiàng)目；北京農(nóng)業(yè)職業(yè)學(xué)院科研基金項(xiàng)目（XY-YF-15-14）。

馬長路(1978-)，男，副教授，研究方向?yàn)槿槠钒踩?/p>

曲愛玲