基于物联网的生鲜乳安全检测与预警系统研究

马长路,2，曲爱玲，吕加平2，罗红霞，刘红梅，汪长钢，李淑荣

（1.北京农业职业学院，北京102442；2.中国农业科学院，北京100193）

基于物联网的生鲜乳安全检测与预警系统研究

马长路1,2，曲爱玲1，吕加平2，罗红霞1，刘红梅1，汪长钢1，李淑荣1

（1.北京农业职业学院，北京102442；2.中国农业科学院，北京100193）

提出了利用物联网技术，实现奶牛的精细化管理，对生鲜乳中的微生物、抗生素、三聚氰胺等实现智能快速检测，对贮间奶的温湿度、烟雾等参数进行智能监控，上述检测参数可通过网页或手机APP实时查看。当生鲜乳微生物等指标异常、贮奶间温湿度、烟雾等参数不在系统设定范围，系统进行现场语音预警和远程GSM短信预警。该系统可实现生鲜乳的安全检测与预警提示，进一步保证了生鲜乳的质量安全，有效防止了不合格的生鲜乳流入乳品生产市场。

物联网；生鲜乳；安全检测预警

0 引 言

物联网被正式列为我国五大新兴战略性产业以来，物联网技术得到飞速发展，“感知中国”的时代正悄然而来。绿色食品、无公害、食品安全已成为百姓关注的焦点。近年，乳品行业的食品安全问题倍受关注，生鲜乳作为乳品的主要原料，是乳品食品安全中首要一环。本文针对中小型牛奶养殖基地，提出了基于物联网技术的奶牛个体身份识别，实现个体精细化管理，并利用传感技术实现生鲜乳抗生素等快速检测及生鲜乳存放环境监测系统，预警信息可通过现场或远程进行警戒，养殖基地人员、生鲜乳购买方、消费者可通过网页或手机APP实时查看生鲜乳的各项检测指标及存放环境参数，保证乳品原料即生鲜乳的安全性。

1 个体识别、生鲜乳管理

1.1 标识条码

二维条码是一种在水平和垂直方向都可以存储信息的条码格式，二维条码信息可由汉子、数字和图片等组成。具有代表性的二维条码有Code One，Maxi Code，QR Code，Data Matrix等，本系统采用QR Code二维条码对奶牛个体进行识别。

QR Code是Quick Response的缩写，这种二维条码能够被快速读取，能存储更丰富的信息，对文字、UR L地址和其他类型的数据进行加密。QR Code对应的IOS国际标准为ISO/IEC 18004。在用CCD识读QR Code码时，整个QR Code码符号中信息的读取是通过QR Code码符号的位置探测图形，用硬件来实现，因此，信息识读过程所需时间很短，它具有超高速识读特点。用CCD二维条码识读设备，每秒可识读30个含有100个字符的QR Code码符号。QR Code码的超高速识读特性使它能够广泛应用于工业自动化生产线管理等领域[1]。

1.2 个体识别

利用二维条码技术对中小型奶牛养殖基地奶牛进行个体识别和记录，对奶牛个体的年龄、近亲、生长、发育、饲养、发情、配种、分娩、防疫、驱虫等进行数据云管理[2]。以奶牛近亲关系为依据，对奶牛进行分组管理及饲养。二维条码信息定义方式如表1所示。

表1 二维条码信息定义方式

按上述二维条码信息定义方式生成的二维条码如图1所示。图1中，二维条码的分组编码为01，奶牛个体编码为01。

图1 二维条码标签

在制作二维条码标签时，可结合数据库数据源，实现奶牛个体二维码标签的批量制作与批量打印，利用文本对二维条码标签进行信息备注等。CodeSoft条码软件具有很强的设备互连性、安全性、可编程性，简单易学，使用非常便捷。

1.3 生鲜乳管理

利用一维条码对每天生产的生鲜乳进行唯一标识，利用CodeSoft软件，选用Code39或Code128码进行一维条码的制作。Code39或Code128码是目前国内企业内部自定义的码制，企业可以根据需要确定条码的长度和信息，它编码的信息可以包含数字、字母等。在一维条码的具体制作时，结合时间数据源、文本信息输入功能对一维条码信息进行完善。一维条码信息定义方式如表2所示。

表2 一维条码信息定义方式

按上述一维条码信息定义方式生成的一维条码如图2所示，此一维条码的分组编码为01。

图2 一维条码标签

一维条码和二维条码信息定义方式确保生鲜乳与奶牛个体标识间的关联，关联信息通过奶牛自动挤奶装置存储于奶牛养殖服务器中，在标签上能够查询到奶源的准确信息。

2 生鲜乳安全风险分析

2.1 生鲜乳中微生物、抗生素含量

奶牛在饲养过程，可能患某种疾病，在对其治疗过程中，可能会使用某些药物，如果奶牛在哺乳期，其

产出的生鲜乳中可能会有相应的药物成分存在。如果饲料中含有某些激素或抗生素，奶牛食用后也可能导致其产出的生鲜乳中含有激素或抗生素的成分。

2.2 挤奶时的交叉污染

挤奶厅距牛舍较远，无专用的运输通道，会与污道发生交叉污染；挤奶厅的硬件条件、通风、光照情况等均对生鲜乳的安全问题均产生影响；奶牛的乳房及乳头有炎症，药浴处理后单独挤奶，避免交叉污染；挤奶员有生病、或手部有外伤的情况下，要严禁挤奶，避免交叉感染生鲜乳[3]。

2.3 生鲜乳存放环境

贮存生鲜乳的容器，应符合《散装乳冷藏罐》（GB/T 10942-2001）的要求。冷却刚挤出的生鲜牛乳应及时冷却、贮存。2 h之内冷却到4℃以下保存。生鲜牛乳挤出后在贮奶罐的贮存时间原则上不超过48 h。贮奶罐内生鲜牛乳温度应低于6℃。若生鲜乳存放环境达不到上述要求，可能导致生鲜乳质量下降或变质[3]。

3 生鲜乳安全检测及预警架构

生鲜乳安全风险中，挤奶时的交叉污染可以通过改造养殖场的硬件设施、非健康的奶牛及时治愈并单独挤奶、生病期的挤奶员不进行挤奶等措施进行避免。为实时检测生鲜乳中微生物、抗生素含量及生鲜乳的存放环境参数，利用物联网技术建立的生鲜乳安全检测构架如图3所示。

图3 生鲜乳安全检测构架

基于物联网技术的生鲜乳安全检测框架，是感知、互联、智能的叠加，包括物联网感知层、网络层、应用层。

4 生鲜乳安全检测及预警系统实施

4.1 生鲜乳安全检测

利用M R-611抗生素快速检测仪实现对生鲜乳中抗生素、瘦肉精、黄曲霉毒素等残留进行批量快速检测。MR-611抗生素快速检测仪具有RS232接口，本系统主控制器选用Cortex M3 LM3S9B96 ARM芯片，Cortex M3 LM3S9B96 ARM芯片具有3组通用的异步串行通信（RS232）接口[4]，串口1通过MAX3232串口芯片进行电平转换实现对M R-611抗生素快速检测仪的硬件控制。MR-611抗生素快速检测仪检测的数据通过RS232串口通信方式被主控制器LM3S9B96读取、分析、存储、处理等，实现系统对生鲜乳安全检测的数据获取。若生鲜乳中抗生素、黄曲霉毒素等残留超过食品安全要求的含量时，系统进行现场语音预警、远程GSM短信预警，警示用户对不合格批次的生鲜乳进行处理。MR-611抗生素快速检测仪与LM3S9B96控制器通信硬件接口如图4所示。

图4 MR-611与LM3S9B96通信硬件接口

4.2 生鲜乳存放环境监测

生鲜乳在挤出后，要及时进行冷却、贮存，要确保在2 h之内将生鲜乳冷却到4℃以下保存，超过2 h未冷藏的，不得销售。且生鲜牛乳挤出后在贮奶罐的贮存时间原则上不超过48 h，贮奶间严禁吸烟、不堆放化学药品、清洁无灰尘，空气湿度保持在35%～40%左右。基于生鲜乳存放的条件及环境要求，利用物联网传感器层技术实现对生鲜乳存放环境温度、湿度、烟雾等参数的实时监测。

4.2.1 温湿度传感器节点

选取温湿度传感器SHT 11进行贮奶间温湿度实时检测，SHT 11温湿度传感器的数据引脚（DATA）、时钟引脚（SCK）、GND分别与LM 3S9B96控制器的I2CSDA、I2CSCL、GND引脚进行硬件连接，SHT11温湿度传感器的数据引脚（DATA）、时钟引脚（SCK）分别加10KΩ的上拉电阻，SHT 11采用+5V电源电压供电。每个贮奶间放置一个温湿度传感器节点，传感器节点通过Z igBee通信进行无线数据传输，数据在协调器端进行数据存储、处理等操作。当贮奶间的环境温湿度参数不在系统设定的阈值时，系统通过语音播报、远程GSM短信预警。

4.2.2 烟雾传感器节点

选取烟雾传感器MQ-2进行贮奶间烟雾实时检测，烟雾传感器MQ-2与LM 3S9B96控制器的硬件连接如图5所示。每个贮奶间放置一个烟雾传感器节点，传感器节点通过Z igBee通信进行无线数据传输，数据在协调器端进行数据存储、处理等操作。当贮奶间的环境参数不在系统设定的阈值时，系统通过语音播报、远程GSM短信预警。

4.2.3 ZigBee无线通信

图5 烟雾传感器原理

CC 2420芯片是Chipcon As公司推出的首款符合2.4GH z IEEE802.15.4标准的射频收发器。该器件包括众多额外功能，是第一款适用于Z igBee产品的RF器件。它基于Chipcon公司的Sm artRF 03技术，以0.18um CMOS工艺制成，只需极少外部元器件，性能稳定且功耗极低。CC2420芯片可确保短距离通信的有效性和可靠性。利用此芯片开发的无线通信设备支持数据传输率高达250 kbps，可以实现多点对多点的快速组网[5]。CC 2420芯片与LM 3S9B96控制器的硬件连接原理图如图6所示。

图6 CC2420与LM 3S9B96处理器的硬件连接原理

4.3 生鲜乳风险预警

基于物联网的生鲜乳环境监测系统根据生鲜乳存放的温湿度参数、无烟雾等要求设定生鲜乳环境监测的温湿度、烟雾等阈值。温度阈值设定在4℃～1℃之间，湿度阈值设定在35%～40%之间，烟雾阈值设定在0～5%之间。当生鲜乳环境监测系统监测到贮奶间的温湿度参数、烟雾参数不在系统设定阈值范围内时，系统进行现场语音播报预警或远程GSM手机短信预警。

4.3.1 现场语音播报预警

现场语音播报预警单元采用科大讯飞公司的XFS5152CE芯片。XFS5152CE是一款高集成度的语音合成芯片，可实现中文、英文语音合成。XFS5152CE芯片提供UART接口、I2C接口、SPI接口三种控制方式，本系统采用LM 3S9B96控制器的UAR T1串口与XFS5152CE进行硬件通信。LM3S9B96控制器通过UART 1通讯接口向XFS5152CE芯片发送控制命令和文本，XFS5152CE芯片接收到文本后合成为语音信号输出，输出的信号经功率放大器进行放大后连接到喇叭进行播放[6]。XFS5152CE芯片的RXD、TXD、GND引脚分别与LM3S9B96控制器的U1Tx、U1Rx、GND引脚进行硬件连接。

4.3.2 远程GSM短信预警

远程GSM短信预警单元采用Q isda公司的M 33G模块，此模块具有开放的44引脚接口，串口通信接口，在M33G外围电路设计时一定要考虑M 33G模块天线及SIM卡座的固定方式[7]。M33G模块与LM3S9B96控制器的UART 2进行通讯，M33G模块的RXD、TXD、GND引脚分别与LM3S9B96控制器的U 2Tx、U 2R x、GND引脚进行硬件连接。

4.4 以太网数据传输

LM 3S9B96控制器的以太网控制器由一个完全集成的媒体访问控制器（M AC）和网络物理（PHY）接口器件组成。以太网控制器遵循IEEE 802.3规范，完全支持10BASE-T和100BASE-TX标准。LM 3S9B96控制器与以太网接口的原理图如图7所示。

图7 LM 3S9B96与以太网接口的原理

物联网云服务器选用Yeelink平台，Yeelink独有设计的高并发接入服务器和云存储方案，能够同时完成海量的传感器数据接入和存储任务，确保您的数据能够安全的保存在互联网上，先进的鉴权系统和安全机制，能够确保数据只在您允许的范围内共享。用户可以随时随地查看远端的设备运行状态及对设备进行控制，上传本地检测数据，通过电脑网页或手机APP访问即可看到设备数据。

5 结 论

生鲜乳安全检测与预警系统是利用现代化的物联网技术手段，实现了奶牛二维条码个体管理、生鲜乳一维条码贮存管理，将生鲜乳抗生素快速检测仪通过串口直接接入系统协调器端，生鲜乳抗生素快速检测仪检测的数据直接由CPU读取、存储、处理，环境传感器节点采集的数据通过ZigBee通信进行无线传输。利用Yeelink物联网云服务平台，实现了电脑网页或手机APP访问系统数据。当生鲜乳中抗生素超标、环境温湿度、烟雾等参数不在阈值范围，系统进行现场语音播报预警或远程手机GSM短信报警。该系统的实现，节省了养殖场的人力、物力，使养殖场的管理标准化、智能化，进一步保证了生鲜乳检测与贮存的安全，是乳制品安全生产的前提与保障。

[1]马长胜,刘贤锋.RFID技术应用[M].北京:北京理工大学出版社, 2014:70-72.

[2]吴宗权.物联网技术在现代畜牧业的应用[J].饲料博览,2014,(10), 62-64.

[3]中华人民共和国农业部.生鲜乳生产收购管理办法[Z].北京:中华人民共和国农业部,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语音合成芯片用户开发指南,合肥讯飞数码科技有限公司,2013.

[7]曲爱玲,基于DSP的智能温度检测系统设计[J],电子设计工程,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年北京市支农资金农业科技项目（20140139）；北京高等学校“青年英才计划”项目（YETP1832）；北京市“菜篮子”新型生产经营主体科技能力提升项目；北京农业职业学院科研基金项目（XY-YF-15-14）。

马长路(1978-)，男，副教授，研究方向为乳品安全。

曲爱玲