基于物聯(lián)網(wǎng)的生豬屠宰監(jiān)管系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究

何玲++陳長喜++許曉華

摘要：為加大生豬屠宰監(jiān)管的力度，節(jié)省監(jiān)管人力，根據(jù)基層動物衛(wèi)生監(jiān)督部門的業(yè)務(wù)需求，開發(fā)了生豬屠宰自動化監(jiān)管系統(tǒng)。系統(tǒng)運用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實現(xiàn)生豬屠宰全程數(shù)據(jù)的自動采集、自動判定，判定結(jié)果不正常將向動物衛(wèi)生監(jiān)督部門告警，判定結(jié)果正常將驅(qū)動豬體灼印和打印出廠合格證，以此防止屠宰廠私宰問題生豬；系統(tǒng)運用圖像識別技術(shù)，依據(jù)注水后豬胃臟異常膨脹的形態(tài)特征，自動判定豬是否注水，以此防止屠宰廠屠宰注水豬。研究詳細(xì)論述了上述2項技術(shù)的實施原理、方法和效果。

關(guān)鍵詞：生豬屠宰；物聯(lián)網(wǎng)；自動化監(jiān)管；注水豬；圖像識別

中圖分類號： TP311.52；S126文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A文章編號：1002-1302（2017）06-0201-03

生豬屠宰是關(guān)系到市場上豬肉質(zhì)量是否安全，餐桌上群眾是否吃到放心豬肉的重要環(huán)節(jié)。因此，各級動物衛(wèi)生監(jiān)督部門高度重視生豬屠宰廠（點）的監(jiān)管工作。當(dāng)前，監(jiān)管制度已比較健全、完善，但監(jiān)管手段還停留在人工監(jiān)督和抽檢的方式，信息化水平較低，監(jiān)管效率不高，容易被人為因素干擾[1]?；鶎觿游锉O(jiān)督部門希望在現(xiàn)有人力配置的情況下，實現(xiàn)監(jiān)管無盲區(qū)，顯著提高監(jiān)管效率。天津市西青區(qū)動物衛(wèi)生監(jiān)督所這一基層監(jiān)管單位提出了切實的自動化監(jiān)管需求。根據(jù)需求，開發(fā)了基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的生豬屠宰全過程自動化監(jiān)管系統(tǒng)。

目前，動物衛(wèi)生監(jiān)督部門對生豬屠宰廠（點）的主要監(jiān)管方式是向屠宰廠（點）指派駐場監(jiān)管員，駐場監(jiān)管員的主要職責(zé)是控制屠宰過程符合規(guī)范，防止私宰病害豬、注水豬，控制病害豬和有害物按規(guī)范進(jìn)行無害化處理。實際工作中，1名駐場監(jiān)管員要同時負(fù)責(zé)多個生豬屠宰廠（點），容易產(chǎn)生監(jiān)管漏洞。自動化監(jiān)管系統(tǒng)將替代監(jiān)管員完成上述職責(zé)，主要依據(jù)“自動獲取屠宰過程數(shù)據(jù)，自動將數(shù)據(jù)傳入系統(tǒng)，自動分析判定數(shù)據(jù)，對不合規(guī)范操作提出警報”。系統(tǒng)綜合采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、圖像識別技術(shù)和自動控制技術(shù)，實現(xiàn)了自動化監(jiān)管的功能。這些技術(shù)使該系統(tǒng)在行業(yè)領(lǐng)域內(nèi)具有先進(jìn)性和創(chuàng)新性。

為了便于多類用戶享用系統(tǒng)功能，系統(tǒng)總體架構(gòu)是采用B/S結(jié)構(gòu)搭建的信息化管理系統(tǒng)；同時，為了接收局域網(wǎng)內(nèi)各物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備采集到的數(shù)據(jù)，并存儲于數(shù)據(jù)庫，系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)采用C/S結(jié)構(gòu)。整個系統(tǒng)功能包括：第一，以自動化方式獲取屠宰期間各項檢測數(shù)據(jù)，根據(jù)自動判定結(jié)果驅(qū)動豬體灼印和打印合格證明，并向駐場監(jiān)管員報警不合格生豬或不當(dāng)操作；第二，用監(jiān)控攝像頭采集生豬開膛圖像，用圖像識別技術(shù)判斷生豬是否注水；第三，向屠宰企業(yè)提供生豬來源去向備案、屠宰數(shù)據(jù)統(tǒng)計功能；第四，向市、區(qū)2級政府監(jiān)管部門提供不同權(quán)限的核查、抽檢、統(tǒng)計、分析功能[2]；第五，向消費者提供生豬來源、屠宰過程、銷售去向的掃碼追溯功能[3]。其中第一項和第二項是核心功能，也是本研究探討重點。

1自動化監(jiān)管的物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)

1.1系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

生豬屠宰全程需要應(yīng)用很多物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備采集信息，這些設(shè)備在屠宰廠內(nèi)構(gòu)成了局域網(wǎng)；屠宰廠內(nèi)的這個局域網(wǎng)通過Internet，與Web服務(wù)器和數(shù)據(jù)庫服務(wù)器連接，構(gòu)成了整個生豬屠宰自動監(jiān)管系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)；系統(tǒng)管理員、政府監(jiān)管員、企業(yè)管理員通過瀏覽器端管理、操作系統(tǒng)；終端消費者通過手機掃碼查詢追溯信息。整個網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)見圖1。

1.2屠宰廠內(nèi)的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計

屠宰廠內(nèi)的局域網(wǎng)是整個網(wǎng)絡(luò)的核心，生豬從進(jìn)場到售賣分為進(jìn)場核驗、待宰觀察、屠宰及檢測、冷卻排酸、灼印出證、出廠售賣6個環(huán)節(jié)。每個環(huán)節(jié)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備都要采集信息、處理信息。

1.2.1進(jìn)廠核驗第一，生豬進(jìn)場卸車前要查驗《畜禽產(chǎn)地檢疫證明》、《動物及動物產(chǎn)品運載工具消毒證明》和《非疫區(qū)證明》[4]，并用高拍儀將證明文件拍照存留系統(tǒng)。第二，為每頭豬編號（豬的唯一標(biāo)志，不重復(fù)），并用RFID讀寫器將編號寫入RFID耳標(biāo)，備用。第三，豬趕入待宰圈時，要從改造后的通道進(jìn)入待宰圈，通道的寬度僅容1頭豬通過，并為通道安裝閘門。當(dāng)1頭生豬通過通道時，在豬耳部施加RFID耳標(biāo)。第四，在通道中安裝電子地秤和RFID讀卡器，每頭豬通過時自動采集豬編號、體質(zhì)量和進(jìn)入待宰圈時間，通過設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)接口傳輸給數(shù)據(jù)采集程序的計算機，通過該程序?qū)?shù)據(jù)寫入數(shù)據(jù)庫服務(wù)器。第五，在卸車前或卸車后發(fā)現(xiàn)的異常豬，視情況進(jìn)行無害化處理或急宰，要向系統(tǒng)錄入“病害豬無害化處

理記錄表”或“急宰記錄表”。

1.2.2待宰觀察按照《生豬屠宰檢疫規(guī)程》的規(guī)定，生豬在待宰圈中要待宰觀察12 h以上，宰前2 h，官方獸醫(yī)進(jìn)行宰前檢疫，并出具《宰前檢疫合格證》，以證明可屠宰[5]。官方獸醫(yī)要在系統(tǒng)中通過電子簽名的方式簽發(fā)《準(zhǔn)宰證》，這一環(huán)節(jié)可有效防止他人借用或盜用官方獸醫(yī)的名義從系統(tǒng)中簽發(fā)《準(zhǔn)宰證》，沒有簽發(fā)《準(zhǔn)宰證》的豬，將無法從系統(tǒng)中打印出廠合格證。

1.2.3屠宰及檢測第一，生豬電麻倒掛于生產(chǎn)鏈，利用RFID讀卡器和電子掛秤對豬進(jìn)行二次稱質(zhì)量，采集豬編號、屠宰時間、宰前質(zhì)量，傳入數(shù)據(jù)庫。系統(tǒng)自動比對2次時間間隔是否達(dá)12 h以上，2次稱質(zhì)量差值是否在預(yù)定范圍，以此判定生豬待宰環(huán)節(jié)是否符合操作規(guī)程，及有無疑似注水現(xiàn)象。第二，生豬宰殺放血后，去頭、蹄，進(jìn)行頭、蹄檢疫，通過手持RFID讀卡器，將頭、蹄不合格豬的編號傳給數(shù)據(jù)采集程序，記入數(shù)據(jù)庫。由于豬頭已去，豬耳上的RFID標(biāo)簽，必須卸下掛在屠宰杠上，然后將豬掛上屠宰杠。第三，豬開膛、去內(nèi)臟，攝像頭抓拍5幅圖像，通過圖像識別技術(shù)，判斷是否為注水豬。第四，生豬屠宰過程中需要進(jìn)行多方面檢測，也叫屠宰同步檢疫。這些檢測包括胴體檢測、內(nèi)臟檢測、肉品品質(zhì)檢測、三腺（腎上腺、甲狀腺、病變淋巴結(jié)）是否摘除、旋毛蟲檢測、瘦肉精及違禁藥品檢測、復(fù)檢[6]。瘦肉精及違禁藥品采用專用儀器檢測，檢測數(shù)值通過儀器的網(wǎng)絡(luò)接口直接傳輸?shù)綌?shù)據(jù)采集程序，并記入數(shù)據(jù)庫；其余檢測項目均由人工完成。檢測人員檢測發(fā)現(xiàn)某項目不合格，用手持RFID讀卡器讀取豬編號，連同檢測項目號，通過數(shù)據(jù)采集程序傳入系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫。

1.2.4冷卻排酸第一，生豬屠宰完成后，再次用RFID讀卡器和電子掛秤裝置，采集豬編號、稱質(zhì)量時間、宰后質(zhì)量，通過數(shù)據(jù)采集程序傳入數(shù)據(jù)庫。利用宰后稱質(zhì)量和宰前稱質(zhì)量的數(shù)值，可以輔助判斷是否存在豬注水現(xiàn)象。第二，根據(jù)《生豬屠宰檢疫規(guī)程》，由官方檢疫人員在系統(tǒng)中預(yù)設(shè)判定生豬合格的條件（如《準(zhǔn)宰證》電子簽名是否正確、各項目檢測是否正常、待宰時間是否>12 h、3次稱質(zhì)量差值是否合理等），當(dāng)系統(tǒng)采集到上述環(huán)節(jié)的各項數(shù)據(jù)后，自動將豬分為不合規(guī)范、不正常和正常豬等類別。若出現(xiàn)不合規(guī)范豬和不正常豬，系統(tǒng)首先向屠宰企業(yè)和官方檢疫站告警，然后利用自動控制裝置將非正常豬的屠宰杠分軌到待處理軌道，將正常豬自動傳運到冷庫進(jìn)行排酸。

1.2.5灼印出證用RFID讀卡器讀取豬編號，系統(tǒng)自動判斷該豬是否合格，若為合格生豬，自動觸發(fā)打印《出廠合格證》，并驅(qū)動激光灼印設(shè)備在豬體上灼出豬編號及驗訖標(biāo)志。急宰豬在《出廠合格證》上有“急宰”標(biāo)注。該《出廠合格證》采用平推式打印機，格式化套打方式，未經(jīng)該系統(tǒng)而私自屠宰的生豬，無法打印合格證，也無法為豬體灼印。另外，《出廠合格證》中所有信息均從數(shù)據(jù)庫讀取，無法手動輸入，防止未經(jīng)系統(tǒng)直接打印合格證。

1.2.6出廠售賣第一，售賣前利用電子掛秤再次稱質(zhì)量，該質(zhì)量傳入系統(tǒng)，作為銷售質(zhì)量。第二，系統(tǒng)維護(hù)豬肉經(jīng)銷商信息，并為其制作RFID卡，生豬售賣時，讀卡識別經(jīng)銷商編號，讀豬RFID卡識別豬，系統(tǒng)采集到哪個經(jīng)銷商購買了哪些豬，傳入數(shù)據(jù)庫。第三，讀取豬編號時，系統(tǒng)自動生成包含該豬屠宰信息的可追溯二維碼，并打印二維碼標(biāo)簽，交給豬肉經(jīng)銷商。

2注水豬圖像識別算法設(shè)計

為防止屠宰廠宰殺注水豬，系統(tǒng)采用2種方法共同判斷并向動監(jiān)部門發(fā)出警報。方法一：稱質(zhì)量法。生豬從入場到售賣4次稱質(zhì)量：活豬進(jìn)待宰圈、宰前、宰后、售賣。前3次稱質(zhì)量的差值，都可以輔助判斷注水豬現(xiàn)象。方法二：圖像識別法。在“豬開膛”瞬間，抓拍5幅豬開膛圖片，傳回數(shù)據(jù)采集計算機，經(jīng)過圖像識別程序，判定是否注水，將結(jié)果傳入數(shù)據(jù)庫。由于注水豬胃臟體積明顯變大，具有較強的形態(tài)學(xué)特征，故本系統(tǒng)圖像識別程序采用形態(tài)學(xué)方法識別注水豬。實現(xiàn)過程中調(diào)用了OpenCV 3.0圖像處理庫。OpenCV是1個開源、跨平臺計算機視覺庫，輕量級且高效，實現(xiàn)了圖像處理和計算機視覺方面的很多通用算法[7]。

2.1圖像采集

在屠宰車間“豬開膛”工位，安裝固定RFID讀卡器和高清攝像機，豬編號被讀卡器讀到后，即觸發(fā)攝像頭抓拍5幅豬開膛后圖片。開膛后觀測注水豬各內(nèi)臟均有明顯變化，主要是體積增大，邊緣增厚，呈盾形，其中胃部膨脹最為明顯，體積能夠達(dá)到正常豬胃的5倍以上[8]。因此，圖像采集的重點區(qū)域是豬的胃臟。

2.2圖像預(yù)處理

2.2.1圖像消噪由攝像機抓拍的圖像為灰度圖，圖2-a是未注水豬的開膛圖像，圖2-b是注水豬的開膛圖像。

首先要對圖像進(jìn)行平滑濾波，以減少或消除噪聲對胃識別的影響。中值濾波是最常用的非線性平滑濾波器，該算法簡單，且能夠有效抑制圖像噪聲，并較好地保留邊的銳度和圖像的細(xì)節(jié)。本系統(tǒng)采用中值濾波法，3×3模板對圖像進(jìn)行消噪。

2.2.2圖像二值化注水豬的胃臟在圖像中是1塊灰度值較高的連通區(qū)域。要識別出該區(qū)域，可以通過設(shè)定灰度閾值，將圖像二值化，其中連通的前景區(qū)域即為可能的胃區(qū)域。系統(tǒng)采用自動閾值法[9]（OTSU，大津法）根據(jù)graythresh函數(shù)確定灰度閾值，轉(zhuǎn)換成二值圖像，如圖3-a和3-b所示。

2.2.3腐蝕與膨脹由二值化圖像可見，胃區(qū)域與腸區(qū)域存在小部分連通，為了將胃與腸分離，首先將圖像用3×3結(jié)構(gòu)元素做1次腐蝕運算。然后，為更準(zhǔn)確得到胃的區(qū)域面積，再對圖像做1次膨脹運算。結(jié)果如圖4-a和4-b所示。

2.3特征提取

2.3.1面積特征在預(yù)處理后的圖像中，注水豬胃是1塊最大的連通區(qū)域，占整個圖像的約1/3。因此，先識別圖像中的最大連通區(qū)域，然后計算其面積，非注水豬識別到的最大連通區(qū)域見圖5-a，其面積S（a）=23.9萬像素，注水豬識別到的最大連通區(qū)域如圖5-b，其面積S（b）=52.3萬像素 。整個圖像的像素數(shù)為Sall=162萬像素，當(dāng)S/Sall≥30%，認(rèn)定該

圖存在可疑的大連通區(qū)域。

2.3.2形狀特征如果根據(jù)面積特征值S判定圖像中有可疑大連通區(qū)域，則繼續(xù)判定該大連通區(qū)域的形狀特征。具體方法為：將得到的圖像按列8等分，統(tǒng)計每列的像素值之和，再按行8等分，統(tǒng)計每行的像素值之和，得到1個8維數(shù)組，作為特征向量，如表1所示。

根據(jù)以上特征向量，注水豬胃的行（列）像素數(shù)最大值在第4行（列）或第5行（列），最小值在第1行（列）或第8行（列），行（列）像素數(shù)先經(jīng)過遞增區(qū)間，來到峰值，然后進(jìn)入遞減區(qū)間，即判定該區(qū)域形狀為不規(guī)則類圓形狀。

2.4判定結(jié)果

選取20頭豬（18頭正常豬，2頭注水豬），每頭豬拍攝5幅圖像，共100幅豬開膛圖像。用該方法對這些樣本進(jìn)行圖像識別，識別出注水豬圖像9幅，識別成功率為90%?；诖俗R別成功率，當(dāng)每頭豬抓拍到的5幅圖像中有4幅被識別為注水豬圖像，即將“注水”的圖像識別結(jié)果提交給數(shù)據(jù)庫。

3總結(jié)

生豬屠宰環(huán)節(jié)的2項最棘手的問題是私宰生豬和生豬注水。第1個問題，系統(tǒng)通過自動獲取到的檢測數(shù)據(jù)，自動判斷是否合格生豬，驅(qū)動豬體灼印和打印出廠合格證，以此控制私宰豬無法得到灼印和合格證。第2個問題，如果屠宰廠（點）通過該自動化系統(tǒng)流水線屠宰注水豬，系統(tǒng)通過稱質(zhì)量法和圖像識別法能夠判定注水豬。系統(tǒng)解決了地方動物衛(wèi)生監(jiān)督部門在屠宰生豬上的實際問題，同時也為物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用于農(nóng)業(yè)開辟了新領(lǐng)域。

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