基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的種豬管理平臺(tái)

引 言

RFID(RadioFrequencyIdentification)是一種非接觸式的自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，它可以通過(guò)射頻信號(hào)自動(dòng)識(shí)別目標(biāo)對(duì)象并獲取相關(guān)數(shù)據(jù)。RFID技術(shù)起源于第二次世界大戰(zhàn)，已經(jīng)發(fā)展了70年，芯片技術(shù)不斷提高，成本急劇下降，功能不斷增強(qiáng)，現(xiàn)在已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于各行各業(yè)。在工業(yè)自動(dòng)化控制中,唯一性的需要，可用來(lái)監(jiān)控該產(chǎn)品在各個(gè)工序中的狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品全程質(zhì)量跟蹤，主要應(yīng)用于制造業(yè)物流管理、服裝生產(chǎn)企業(yè)以及危險(xiǎn)品管理等領(lǐng)域％在食品安全方面，北美的SYSCO公司將RFID用于食品運(yùn)輸過(guò)程中監(jiān)控溫度和環(huán)境條件的變化，保證食品品質(zhì)和安全。日本建立了“食品身份證制度”，即產(chǎn)品履歷和跟蹤監(jiān)視制度，要求生產(chǎn)、流通等各部門(mén)廣泛采用條形碼、RFID等技術(shù)，用來(lái)詳細(xì)記載產(chǎn)品生產(chǎn)和流通過(guò)程的各種數(shù)據(jù)。英國(guó)的Trenstar公司使用RFID標(biāo)簽實(shí)現(xiàn)對(duì)盛酒桶的追蹤。澳大利亞的Moraitis公司使用RFID追蹤西紅柿的安全信息，包括產(chǎn)地、包裝日期、種類、質(zhì)量和大小等。中國(guó)的江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院在肉品的安全生產(chǎn)監(jiān)控中也使用了RFID標(biāo)簽。

在大型種豬場(chǎng)，普遍存在信息孤島問(wèn)題，主要是由于各個(gè)部門(mén)之間的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)未能及時(shí)統(tǒng)計(jì)導(dǎo)致的，極大地影響了企業(yè)的信息化管理水平，因此，非常有必要建立一個(gè)種豬場(chǎng)信息管理平臺(tái)。此外，由于問(wèn)題豬肉事件不斷曝光，老百姓對(duì)“放心豬肉”的呼聲越來(lái)越高；由于“綠色貿(mào)易壁壘”對(duì)生豬出口的影響，以及疫情防控的必要性，都需要對(duì)生豬實(shí)行全程跟蹤與溯源。沒(méi)有統(tǒng)一的信息平臺(tái)是難以實(shí)現(xiàn)的。農(nóng)業(yè)部已經(jīng)推廣牲畜二維條碼耳標(biāo)數(shù)年，也取得了一定的成績(jī)，但由于生豬的運(yùn)動(dòng)性，很難實(shí)時(shí)在線地識(shí)讀耳標(biāo)，大多還需要人工識(shí)讀?；赗FID做成的電子耳標(biāo)可以方便地實(shí)現(xiàn)生豬個(gè)體的標(biāo)識(shí),由于其非接觸性識(shí)讀，容易實(shí)現(xiàn)半自動(dòng)或全自動(dòng)跟蹤。國(guó)內(nèi)所見(jiàn)文獻(xiàn)中論述的（豬、牛、雞）養(yǎng)殖平臺(tái)，主要從飼料營(yíng)養(yǎng)配方或生產(chǎn)管理等形成單方面的養(yǎng)殖技術(shù)平臺(tái)，在一些發(fā)達(dá)國(guó)家則側(cè)重于自動(dòng)化飼喂叫本研究以300頭種母豬為基礎(chǔ),將RFID、物聯(lián)網(wǎng)、3G網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)結(jié)合起來(lái)，構(gòu)建一個(gè)基于RFID耳標(biāo)的規(guī)?；N豬信息平臺(tái)，最終形成數(shù)字化的種豬物聯(lián)網(wǎng)管理平臺(tái)。

1RFID簡(jiǎn)介

RFID系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)

一個(gè)基本的RFID系統(tǒng)由RFID標(biāo)簽、RFID讀寫(xiě)器和后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)等3部分組成。

RFID標(biāo)簽由芯片與天線組成，具有唯一的電子編碼，同時(shí)有一定的信息存儲(chǔ)容量，可附在物體上以標(biāo)識(shí)目標(biāo)對(duì)象。根據(jù)不同的射頻信號(hào)發(fā)射方式，RFID標(biāo)簽可以分為主動(dòng)式（有源）標(biāo)簽和被動(dòng)式（無(wú)源）標(biāo)簽。前者可以主動(dòng)地向讀寫(xiě)器發(fā)送射頻信號(hào)；后者接收到讀寫(xiě)器發(fā)出的電磁波信號(hào)后，將部分電磁能量轉(zhuǎn)化為供自己工作的能量。

RFID讀寫(xiě)器可控制射頻模塊向標(biāo)簽發(fā)射讀取信號(hào)并接收標(biāo)簽的應(yīng)答，對(duì)標(biāo)簽對(duì)象標(biāo)識(shí)信息進(jìn)行解碼，然后將對(duì)象標(biāo)識(shí)信息連同標(biāo)簽上其他有關(guān)信息傳輸?shù)胶笈_(tái)主機(jī)以供處理。

后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)用于存放標(biāo)簽的基本信息和企業(yè)應(yīng)用相關(guān)的數(shù)據(jù)。

RFID耳標(biāo)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)

國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO11784和ISO11785規(guī)定了用RFID識(shí)別動(dòng)物的代碼結(jié)構(gòu)和技術(shù)準(zhǔn)則，其中ISO11784規(guī)定動(dòng)物識(shí)別代碼總共由64位（8個(gè)字節(jié)）組成，ISO11785則規(guī)定了電子標(biāo)簽數(shù)據(jù)的傳輸方法以及讀寫(xiě)器的規(guī)范。動(dòng)物電子標(biāo)簽基本包括頸圈式、耳標(biāo)式、可注射式和藥丸式4種。通常意義上講，工作頻率小于30MHz的RFID為低頻標(biāo)簽，有125kHz、225kHz和13.56MHz幾種。工作頻率大于400MHz的RFID標(biāo)簽為高頻標(biāo)簽，有915MHz、2450MHz和5800MHz幾種。

RFID耳標(biāo)的識(shí)讀率和掉標(biāo)率

影響RFID耳標(biāo)推廣的主要技術(shù)參數(shù)識(shí)讀率和掉標(biāo)率,與耳標(biāo)設(shè)計(jì)、材質(zhì)選擇以及飼養(yǎng)管理有很大關(guān)系。在國(guó)外,RFID耳標(biāo)已成功應(yīng)用于動(dòng)物的識(shí)別與跟蹤,報(bào)道的掉標(biāo)率在2%?10%。在我國(guó)，RFID在畜牧業(yè)中的應(yīng)用也越來(lái)越廣泛，公開(kāi)的掉標(biāo)率在10%?30%。目前，采用多層封裝技術(shù)的RFID耳標(biāo)，經(jīng)過(guò)一年使用后，識(shí)讀率均可達(dá)到95%以上。

2需求分析與建設(shè)步驟

2.1需求分析

信息平臺(tái)的研究總體目標(biāo)是要能夠整合已有的業(yè)務(wù)系統(tǒng),并能夠支持新的業(yè)務(wù)流程和功能，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享。具體目標(biāo)包括：

2.1.1實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和記錄半自動(dòng)化或全自動(dòng)化

每頭豬掛有電子耳標(biāo)（無(wú)源RFID標(biāo)簽）,飼養(yǎng)員手持讀寫(xiě)器將喂料、喂藥、轉(zhuǎn)群和檢疫等信息記錄到電子耳標(biāo)中或讀取電子耳標(biāo)中的數(shù)據(jù)，這是一種半自動(dòng)化方式；還有些測(cè)定需要全自動(dòng)化方式，如母豬發(fā)情識(shí)別，這往往需要自動(dòng)記錄母豬訪問(wèn)公豬的次數(shù)、日期和時(shí)間。

2.1.2建立完善的生豬個(gè)體標(biāo)識(shí)檔案

實(shí)現(xiàn)生豬飼養(yǎng)和免疫的全程跟蹤與追溯。每頭豬的電子耳標(biāo)具有唯一的電子編碼，能夠存儲(chǔ)信息，可以記錄生豬個(gè)體生長(zhǎng)過(guò)程中的關(guān)鍵數(shù)據(jù)，建立完善的個(gè)體檔案。在決定生豬能否出欄銷售時(shí)，只需要讀取電子耳標(biāo)中的數(shù)據(jù)，防止生豬在休藥期內(nèi)出欄，杜絕源頭污染，實(shí)現(xiàn)全程跟蹤與追溯。2.1.3實(shí)現(xiàn)種豬性能測(cè)定自動(dòng)化

依據(jù)個(gè)體體況精細(xì)飼養(yǎng)。當(dāng)掛有電子耳標(biāo)的種豬進(jìn)入自動(dòng)給料站時(shí)，讀寫(xiě)器會(huì)自動(dòng)讀取其電子耳標(biāo)編碼，稱重傳感器獲得種豬的空腹體重、采食量和采食持續(xù)時(shí)間。然后將獲得的個(gè)體體況數(shù)據(jù)傳送到后臺(tái)計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理，處理后的數(shù)據(jù)作為評(píng)估預(yù)測(cè)模型的參數(shù)，優(yōu)化日糧飼養(yǎng)方案，實(shí)現(xiàn)種豬的精細(xì)飼養(yǎng)。

2.2建設(shè)步驟

在大型養(yǎng)豬場(chǎng)，應(yīng)用計(jì)算機(jī)進(jìn)行管理已經(jīng)比較普遍，但多數(shù)部門(mén)的計(jì)算機(jī)管理系統(tǒng)是基于部門(mén)需要進(jìn)行開(kāi)發(fā)的，企業(yè)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)難以共享。如果重復(fù)輸入數(shù)據(jù)，則會(huì)影響工作效率且難免出現(xiàn)錯(cuò)誤。因此，信息平臺(tái)應(yīng)采用如下步驟進(jìn)行建設(shè):

第一，全面評(píng)估現(xiàn)有的業(yè)務(wù)系統(tǒng)，明確數(shù)據(jù)來(lái)源與流程;

第二，建立中心業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)庫(kù)，對(duì)不同人員進(jìn)行合理授權(quán)；

第三，構(gòu)建連接各個(gè)部門(mén)的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施；

第四，對(duì)生豬個(gè)體進(jìn)行電子標(biāo)識(shí)，建立數(shù)據(jù)采集與記錄業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)庫(kù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集與記錄數(shù)據(jù)庫(kù)和中心業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)庫(kù)無(wú)縫連接。

3基于物聯(lián)網(wǎng)的種豬管理平臺(tái)

圖1所示是基于物聯(lián)網(wǎng)的種豬管理平臺(tái)的功能模塊圖。該平臺(tái)由豬場(chǎng)管理、精細(xì)化飼喂、環(huán)境監(jiān)測(cè)、視頻監(jiān)控、溯源管理等功能模塊組成。

3.1豬場(chǎng)管理

豬場(chǎng)管理模塊的功能是利用現(xiàn)有的商業(yè)豬場(chǎng)管理軟件,使其符合整個(gè)管理平臺(tái)的需求，其基本功能包括種豬管理、分娩豬管理、商品豬管理等。

3.1.1種豬管理

種豬管理包括種豬資料、種豬轉(zhuǎn)群、種豬免疫、種豬生長(zhǎng)性能測(cè)定、種豬用藥記錄、公豬采精、配種管理、妊娠管理等。飼喂管理采用定位欄進(jìn)行單獨(dú)飼喂，需要根據(jù)體重進(jìn)行個(gè)體化飼喂，飼養(yǎng)量需要進(jìn)行日常記錄。

3.1.2分娩豬管理

分娩舍管理要首先記錄轉(zhuǎn)入分娩舍的日期、重量和體況等；其次要對(duì)分娩數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄，包括日期、胎次、產(chǎn)仔數(shù)和窩重等；最后記錄斷奶日和從分娩舍轉(zhuǎn)出日，同時(shí)要對(duì)仔豬性能進(jìn)行測(cè)定。

3.1.3商品豬管理

商品豬管理包括商品豬資料維護(hù)、商品豬轉(zhuǎn)群、商品豬離場(chǎng)、商品豬入場(chǎng)、商品豬免疫、商品豬疾病治療、商品豬生長(zhǎng)性能測(cè)定、商品豬用藥記錄，主要管理和記錄商品豬生產(chǎn)全過(guò)程的信息。

3.2精細(xì)化飼喂

傳統(tǒng)的種豬單體限位欄飼喂方式會(huì)給豬只本身帶來(lái)一些負(fù)面影響。單體限位欄的空間有限，僅能容納一只豬的空間,限制了種豬的活動(dòng)，造成母豬分娩時(shí)間延長(zhǎng)、難產(chǎn)或消化不良,不符合豬只福利制度；另一方面，在限位欄內(nèi)人為地定量供給飼料，豬只的進(jìn)食完全處于被動(dòng)狀態(tài)，不能完全滿足豬只本身需求；此外，建設(shè)豬場(chǎng)前期的投資較大，并給飼養(yǎng)人員帶來(lái)繁重的飼養(yǎng)任務(wù)。利用RFID耳標(biāo),可實(shí)現(xiàn)種豬小群精細(xì)飼喂。根據(jù)管理每頭種豬的體質(zhì)量、年齡、妊娠、繁育等具體情況,投放相應(yīng)的飼料量，從而做到按照個(gè)體進(jìn)行精細(xì)飼喂的目標(biāo)。3.3環(huán)境監(jiān)測(cè)

在種豬養(yǎng)殖當(dāng)中，豬舍內(nèi)環(huán)境質(zhì)量的好壞直接影響到種豬的健康狀況和生產(chǎn)性能的高低。影響豬舍內(nèi)環(huán)境的主要因素有溫度、濕度、NH3和CO2等，種豬舍內(nèi)環(huán)境的信息化調(diào)控方式，主要利用各種傳感器（溫度、濕度、氣體傳感器等）作為信息的拾取裝置，通過(guò)I/O接口及總線將信號(hào)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)，由上位機(jī)中的智能控制器將各信號(hào)進(jìn)行解耦處理，化解成各個(gè)無(wú)耦合的單變量系統(tǒng)?；跓o(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)WSN的豬舍環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，自動(dòng)捜集傳感器信息，自動(dòng)組網(wǎng)傳輸數(shù)據(jù),可實(shí)現(xiàn)豬舍微環(huán)境的局部調(diào)控，有利于種豬的福利，同時(shí)節(jié)約能源。

3.4視頻監(jiān)控

利用3G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、視頻編碼技術(shù)、信息傳輸技術(shù)把種豬場(chǎng)的視頻提供給觀看者和決策者，在進(jìn)行數(shù)據(jù)感知的同時(shí),強(qiáng)化更加形象化的現(xiàn)場(chǎng)感知。用戶可通過(guò)手機(jī)、網(wǎng)頁(yè)、客戶端看到實(shí)時(shí)畫(huà)面和歷史報(bào)警記錄。研發(fā)獨(dú)特的“所見(jiàn)即所得”移動(dòng)圖像偵測(cè)功能，可在監(jiān)控畫(huà)面上直觀設(shè)定多個(gè)安防偵測(cè)區(qū)；利用WSN技術(shù)，無(wú)須打墻洞、布線纜，不破壞室內(nèi)原有裝修，即可方便地鏈接溫濕度傳感器和氨氣傳感器。系統(tǒng)內(nèi)置2GB存儲(chǔ)卡,可存儲(chǔ)16h的連續(xù)錄像，2000次報(bào)警抓拍的圖片（2幅/次）和1000次錄像短片（5s/次），10萬(wàn)次報(bào)警文字日志。圖2所示是基于3G技術(shù)的豬場(chǎng)視頻監(jiān)控的實(shí)時(shí)截圖。

圖2  基于3G技術(shù)的豬場(chǎng)視頻監(jiān)控實(shí)時(shí)截圖

3.5溯源管理

通過(guò)RFID耳標(biāo)，能夠追溯到商品豬的父母代，從源頭保障了肉食品的品質(zhì)和安全，提高了產(chǎn)品的附加值。讓消費(fèi)者從公開(kāi)透明的監(jiān)管渠道獲得生豬飼養(yǎng)每一步驟的信息，能夠增強(qiáng)消費(fèi)者的信心。一般而言，“放心豬肉”每千克價(jià)格一般比普通豬肉高1元，從而帶來(lái)了直接的經(jīng)濟(jì)效益?；谪i個(gè)體的精細(xì)化飼養(yǎng)提高了生豬的品質(zhì)，尤其在出口方面，高品質(zhì)的生豬同一般品質(zhì)的豬相比，每頭售價(jià)要高出幾十元。另一方面,溯源管理有利于及時(shí)召回受污染的豬肉，避免事態(tài)擴(kuò)大化，是對(duì)消費(fèi)者和政府的保障。

4結(jié)語(yǔ)

通過(guò)本次應(yīng)用性研究可獲得以下結(jié)果：

通過(guò)RFID耳標(biāo)、豬耳缺號(hào)和牲畜耳標(biāo)號(hào)綜合試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)母標(biāo)式結(jié)構(gòu)的RFID耳標(biāo)，在打標(biāo)時(shí)損壞極少，且經(jīng)過(guò)豬只咀嚼后，仍有很高的識(shí)讀率。RFID耳標(biāo)的材質(zhì)不易過(guò)硬。實(shí)際觀察發(fā)現(xiàn)，耳標(biāo)的顏色和味道也會(huì)影響到掉標(biāo)率。經(jīng)過(guò)多層包裝的黃色耳標(biāo)，掉標(biāo)率可以控制在10%以內(nèi)。

基于物聯(lián)網(wǎng)的種豬管理平臺(tái)，融合了RFID技術(shù)、WSN技術(shù)和3G技術(shù)；把電子耳標(biāo)用于生豬養(yǎng)殖，建立電子標(biāo)識(shí)系統(tǒng)，不僅為了防疫和溯源，還可以實(shí)現(xiàn)飼養(yǎng)過(guò)程自動(dòng)化;可減少人手，節(jié)省人工工資；通過(guò)對(duì)生豬個(gè)體的監(jiān)測(cè)和精細(xì)飼養(yǎng)，可以節(jié)省飼料，降低生產(chǎn)成本；打破部門(mén)分割，實(shí)現(xiàn)信息共享，完善監(jiān)控手段，減少隱性成本。

物聯(lián)網(wǎng)在種豬場(chǎng)的應(yīng)用還存在諸多問(wèn)題：一是技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)尚在研制之中，還不夠成熟；二是資金問(wèn)題有待解決，相關(guān)設(shè)備是比較昂貴的。

從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，基于物聯(lián)網(wǎng)的種豬管理平臺(tái)在應(yīng)用量擴(kuò)大之后，成本自然會(huì)下降。相信隨著技術(shù)的逐步成熟，該平臺(tái)將更好地推動(dòng)養(yǎng)豬業(yè)向自動(dòng)化、智能化、現(xiàn)代化方向發(fā)展。

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