0 引　言

随着经济全球化日益加深，宠物食品的全球化竞争越发激烈^[1]，适合市场的新宠物食品研发显得尤为重要，但伴随而来的难题也很突出。在全球市场中，研发适合不同地区和文化的新型宠物食品变得刻不容缓。

宠物食品的研发过程中也面临着一系列的挑战。数据是决策的关键，为了开发流行的新宠物食品，需要大量的宠物实际偏好数据来支撑产品的优化和改进。然而，全球范围内宠物食品偏好程度实时数据的收集面临一系列困难，比如数据收集方式等。

本项目针对宠物食品研发当中宠物对食品喜好程度数据收集、对数据全球性汇总及长期监测^[2-6]等问题，设计了一个全球宠物食品研究系统。该系统以在线实时质量智能分析仪和无线传输模块为核心，旨在实现宠物食品研发过程中宠物对食品喜好程度数据的收集、全球数据的汇总和长期监测。在线实时质量智能分析仪能够在无人值守的情况下自动实时检测宠物食品的消耗数据，并通过无线传输的方式将数据加密发送到指定的服务器中，能够自动监测宠物食品的持续质量变化并实时传输数据。

本文将详细介绍全球宠物食品研究系统的基本硬件结构和主要软件设计。通过功能测试以及实际试用，验证了系统的可行性，并确保其达到预期要求。通过引入这一系统，宠物食品研发人员可以更加便捷地获取全球范围内宠物食品偏好数据，及时调整和优化产品成分，提高宠物食品的质量和竞争力市场。

1 主要原理介绍

本文设计的在线实时质量智能分析仪主要由质量采集系统、宠物形态检测系统、数据存储系统、网络传输系统等组成。

1.1 质量采集系统

本系统采用定制的高精度应变式称重传感器作为质量采集系统的基础，并设计了一款超强抗干扰的称重电路以满足项目设计需求^[7-8]。

本系统设计了一种专用高精度电子秤结构，包括壳体、设置在壳体内的控制模块和设置在壳体上的秤盘。其中控制模块包括微处理器和与微处理器通信连接且用于感受质量变化的称重传感器；壳体的上表面设置有通孔，称重传感器的感应端穿过通孔并与秤盘传动连接；壳体上设置有传感器组，其中包括若干个能够感应遮挡物且与微处理器连接的感应传感器；同时采用了一种碟形膜的特殊结构设计，图1为碟形膜实拍图，它是由一组碟状的薄膜联合构成，使用其连接秤盘和壳体，密封其中的空隙。这些结构设计可以有效防止宠物在进食时将食物或排泄物等物质弄入电子秤中，保护内部控制模块安全。本文智能分析仪3D结构图如图2所示。

1.2 宠物形态检测功能

在实验中，宠物在进食时的一些特殊动作也会反映出它对当前食物的喜好程度，例如宠物可能长时间停留在一种食物前或者在两种食物间来回选择进食，宠物选择一种食物的时间长短可以在一定程度上反映喜好；除此之外，宠物的运动速度代表了对不同食物的活跃程度，也可以反映出对食物喜好。这些信息有助于研究人员为判断宠物的偏好程度提供数据支撑。

为了获取到这些信息，本文在称量设备上设计了红外线距离传感器，并将其以菱形排列，位置示意图如图2中红外传感器所示。根据传感器收到的数据信息可以判断出宠物进食时实时状态，检测到宠物的距离速度等信息。宠物经过传感器阵列时，通过不同的传感器时间是不同的，这样就可以获得宠物的速度信息，同时由于传感器安装于秤盘周围，宠物在进食时身体会覆盖传感器，这样可以获取宠物选择每种食物进食的时长。

1.3 数据存储功能

数据存储功能是本文设计的全球宠物食品研究系统中的组成部分。该功能旨在记录质量智能分析仪的状态信息以及每次实验的重要食料消耗记录，为宠物食品研发提供数据支持和分析参考。

数据库在系统中充当着存储、管理和组织数据的中心系统。它允许高效持久化存储，并提供了方便的数据检索方式，满足用户的数据查询需求。在本文中，为了实现数据的存储管理，采用了先进先出（FIFO）策略来处理数据的存储。每次实验的食料消耗记录都会按照时间顺序存储，旧的记录会被自动替换，保持数据库中的数据记录数不超过5000个，从而实现了数据的循环存储。

通过这样的存储数据策略，全球宠物食品研究系统可以持续记录宠物食品的消耗情况，保证数据的连续性。这些数据将作为全球范围内宠物食品研究的重要依据，帮助研究人员深入了解宠物对食品的喜好程度和趋势，进一步优化产品成分，提高产品的市场竞争力。同时，通过本地数据库的构建和管理，使得数据访问更加快捷，保证系统运行的稳定性和可靠性。

1.4 网络传输系统

实现全球实时在线检测数据是本文设计的全球宠物食品研究系统的重要目标之一。为了实现这一目标，本文在质量智能分析仪中增加了WiFi无线通信模块，并采用WCF服务来进行数据传输。

WiFi无线通信模块是一种无线网络通信设备，它能够使智能分析仪通过无线方式与外部网络进行连接。通过该模块，质量智能分析仪可以实现实时在线数据质量传输，不再局限于局部连接，从而实现了系统的无人值守、远程监控和数据传输。

WCF服务是专门用于构建全球化系统的API，它提供了一个统一的、可扩展的编程对象模型，将之前的多种技术进行融合。通过WCF服务，质量智能分析仪可以采集到食品质量数据，并封装成服务协议，协议中定义了数据结构和操作，然后通过WiFi无线通信模块将数据传输到远程服务器。远程服务器人员可以通过代理类（Proxy Class）访问这些操作和数据，准确地在环球系统中获取全球范围内的宠物食品质量数据。创新设计使得数据传输和访问更加方便、高效，并保障了数据的安全性和准确性。全球宠物食品研究系统通过WiFi和WCF服务的应用，实现了宠物食品质量数据的全球实时在线检测和分布管理，为宠物食品的研发提供了强有力的支持和数据基础。

本文采用HTTPS协议对数据进行加密，保护了宠物食品质量数据在全球传输过程中的安全性，防止数据的截取、窃听、篡改和伪造，确保了数据传输的完整性，也为全球宠物食品研究系统提供了更高的安全保障。

同时本文采用了端口映射技术来实现外部网络对质量智能分析仪设备中特定相关数据的访问。端口映射是一种网络地址转换（NAT）技术，它将设备的一个端口映射到外部网络主机的一个端口，从而实现了对设备内部服务的远程访问。

2 硬件设计 2.1 硬件结构

在线实时质量智能分析仪的硬件结构如图3所示。

系统包括主板、扩展板、WiFi无线通信模块、LCD显示屏、电池、校准U盘、充电器、天线、称重传感器，USB接口线。主板主要采用266 MHz ARM9处理器^[9]、一个10 BIT ADC、12 MHz振荡器、RTC用32.768 kHz振荡器、40PIN-1.27 mm直插式连接器与底板相连；扩展板负责系统电路，包括充电电路、电源转换电路、质量采集线路、复位电路、WiFi电源控制电路、USB驱动接口电路、U盘驱动接口电路和开、关机电路；LCD显示屏分2行，每行显示15个字符，共分5个显示块；电源采用充电锂离子电池，与扩展板2PIN-2.54 mm插座(CON0B)相连；称重传感器采用(2.0±0.2) mV/V，额定载荷5000 g，综合误差：±0.02 %FS，响应质量变化后将信号通过质量采集电路处理经WiFi通信模块上传数据。最终实物如图4和5所示。

2.2 质量采集电路的设计

质量采集电路如图6所示。CON1A(或CON1B)接称重传感器；V+、S+、S-、V-、G分别对应接传感器的电源+（红线）、信号+（绿线）、信号-（白线）、电源-（黑线）、屏蔽线（透明线）；U1A为24位高精度ADC；U1A通过AD_SDA、AD_SCK、AD_CS连接到处理器，并将称重数据发送到处理器。

2.3 电源转换及稳压电路的设计

电源转换及稳压电路如图7所示。U92将电池电压升压到稳定的5 V，供主板、WiFi使用；W1将5 V电压稳压到3.3 V，供质量采集电路使用；W0将5 V电压稳压到3.3 V，供处理器及其他电路使用；AD0为电池能量检测口，连接到处理器。

3 软件设计 3.1 主机运行程序的设计

软件框架结构如图8所示。当质量智能分析仪（DR）开机后，首先启动Linux嵌入式操作系统，随后加载WiFi、USB、LCD等硬件驱动程序，运行DR应用程序。程序运行环境初始化，从config.ini配置文件获取配置参数并加载，启动监控线程、显示线程、数据采集线程、USB通信线程、数据存储线程。

检测模块中，每20 s检测一次电池电量，电量大小从大到小按B3-B0分级，并显示在LCD屏上B5区域，每5 s检查一次WiFi热点信号强度，由强到弱按S3-S0分级，并显示在LCD屏上B5区域。数据以记录为单位按“先进先出”策略循环存储，单次最多支持5000个数据记录，定时上传数据并清空本地空间。显示模块如图9所示，可以分别显示当前载重、状态、电量等信息。

3.2 配置工具DRConfig软件的设计

通过USB接口与设备建立通信链接，设置、获取DR软件运行参数，获取试验数据，通过Ch340_341USB转串口驱动部件，与DR软件通信并下达参数修改命令。其流程图如图10所示。

安装与电脑系统兼容的USB(CH340)驱动程序，USB线连接DR和PC电脑，进入DR配置界面，选择正确COM口，波特率固定选115200，然后点OPEN按钮，即可进行各项操作。具体数据结构定义如表1所示。

3.3 配WCF通信过程和步骤

调用请求被DR用来向服务器批量发送实验结果。DeviceResult是一个实验结果的集合。服务器将存储和回复集合中的每个DeviceResult，具体内容如表2所示。

当DR 向服务器发送调用请求时，服务器将存储和回复集合中的每个DeviceResult.服务器对每个DeviceResult的回复如表3所示。

如果 is_successful = TRUE, DR会标记已发送的实验结果记录，避免在下次批量发送实验结果记录中重复发送。

4 实　验 4.1 功能测试

为了验证本系统的功能，本文设计了一个模拟称重实验，在称量设备上加载足够的砝码，然后模拟宠物进食，即取下砝码，来模拟食物减少的情况。同时与服务端收集到的数据进行对比。

首先在设备上放置1个1 kg砝码，2个500 g砝码，5个200 g砝码，5个100 g高等级砝码，共3500 g。实验时间共60 min，首先每隔5 min取下一个500 g砝码；然后每隔5 min取下一个200 g和1个100 g砝码，共计3次；最后每隔5 min，取下一个200 g砝码，200 g砝码取完后，每隔5 min取下一个100 g砝码；最终剩余1 kg砝码。图11为服务端获取的数据结果，从实验数据来看，本文称重系统基本可以准确称量质量，并顺利将其发送至服务器中。

4.2 校准实验

为保证准确性，内部设计有标定模块，标定处理模块由主线程处理模块启动。当DR开机，在软件初始化阶段若检测到硬件加密狗时，立即启动标定处理模块进入标定模式。本文参考JJF 1847—2020《电子天平校准规范》 ^[10]，对一台已使用一个月的设备进行标定前与标定后的示值误差测试。结果如表4所示。

测试结果表明长期使用的稳定性和标定后的准确性均符合预期目标。

4.3 实际使用数据

本文设计的宠物食品喜好实验由2台实时质量分析仪组成，实验开始前分别装载研制的不同宠物食物。参与实验的宠物一般为大型犬，有更大的进食量。

实验由宠物食品研发人员远程开启（一般在国外），当远程人员发生实验开始信号，质量分析仪的实验状态指示灯转为蓝色，同时现场实验人员放出实验宠物，让宠物开始进食，数据收集传输同步开启。

图12是本文系统在实际使用过程中一次实验的两组数据，可以看出宠物对两种食物的偏好。图12（a）表现了宠物在面对偏好食物的进食状态；图12（b）则反映了宠物不喜欢的食物的进食状态。

5 结束语

在本文中，我们设计了一个在线实时质量智能分析仪，该系统用于宠物食品的全球性监测和数据收集。通过质量采集系统、数据库、网络传输系统和端口映射技术的有机结合，实现了对宠物食品消耗数据的准确监测和全球实时数据传输。该系统的设计旨在满足宠物食品研发和市场竞争的需要，为宠物食品行业的发展提供了有力的支持。

虽然本文设计的在线实时质量智能分析仪在宠物食品监测方面具有很大的潜力，但在实际应用中仍面临一些挑战。例如，在不同的环境条件下，设备的稳定性和准确性需要进一步验证和优化。未来，我们将继续改进和优化该系统，以提高其在宠物食品监测领域的应用价值。同时，我们也期待更多的与交流的合作，与宠物食品行业的从业者共同推动该领域的发展，为大多数宠物提供更健康、美味的食品选择。

综上所述，本文设计的在线实时质量智能分析仪为宠物食品研发监测和高效提供了一种准确的数据收集方法，有望为宠物食品行业的可持续发展和竞争全球化提供有力支持。我们相信这项技术将在未来发挥更大的作用，并创造福于人类与宠物的健康与幸福。