基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的種豬管理平臺

引 言

RFID(RadioFrequencyIdentification)是一種非接觸式的自動識別技術(shù)，它可以通過射頻信號自動識別目標對象并獲取相關(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，現(xiàn)在已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于各行各業(yè)。在工業(yè)自動化控制中,唯一性的需要，可用來監(jiān)控該產(chǎn)品在各個工序中的狀態(tài)，實現(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用于食品運輸過程中監(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)、流通等各部門廣泛采用條形碼、RFID等技術(shù)，用來詳細記載產(chǎn)品生產(chǎn)和流通過程的各種數(shù)據(jù)。英國的Trenstar公司使用RFID標簽實現(xiàn)對盛酒桶的追蹤。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。中國的江蘇省農(nóng)業(yè)科學院在肉品的安全生產(chǎn)監(jiān)控中也使用了RFID標簽。

在大型種豬場，普遍存在信息孤島問題，主要是由于各個部門之間的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)未能及時統(tǒng)計導致的，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種豬場信息管理平臺。此外，由于問題豬肉事件不斷曝光，老百姓對“放心豬肉”的呼聲越來越高；由于“綠色貿(mào)易壁壘”對生豬出口的影響，以及疫情防控的必要性，都需要對生豬實行全程跟蹤與溯源。沒有統(tǒng)一的信息平臺是難以實現(xiàn)的。農(nóng)業(yè)部已經(jīng)推廣牲畜二維條碼耳標數(shù)年，也取得了一定的成績，但由于生豬的運動性，很難實時在線地識讀耳標，大多還需要人工識讀?；赗FID做成的電子耳標可以方便地實現(xiàn)生豬個體的標識,由于其非接觸性識讀，容易實現(xiàn)半自動或全自動跟蹤。國內(nèi)所見文獻中論述的（豬、牛、雞）養(yǎng)殖平臺，主要從飼料營養(yǎng)配方或生產(chǎn)管理等形成單方面的養(yǎng)殖技術(shù)平臺，在一些發(fā)達國家則側(cè)重于自動化飼喂叫本研究以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，構(gòu)建一個基于RFID耳標的規(guī)?；N豬信息平臺，最終形成數(shù)字化的種豬物聯(lián)網(wǎng)管理平臺。

1RFID簡介

RFID系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)

一個基本的RFID系統(tǒng)由RFID標簽、RFID讀寫器和后臺數(shù)據(jù)庫等3部分組成。

RFID標簽由芯片與天線組成，具有唯一的電子編碼，同時有一定的信息存儲容量，可附在物體上以標識目標對象。根據(jù)不同的射頻信號發(fā)射方式，RFID標簽可以分為主動式（有源）標簽和被動式（無源）標簽。前者可以主動地向讀寫器發(fā)送射頻信號；后者接收到讀寫器發(fā)出的電磁波信號后，將部分電磁能量轉(zhuǎn)化為供自己工作的能量。

RFID讀寫器可控制射頻模塊向標簽發(fā)射讀取信號并接收標簽的應(yīng)答，對標簽對象標識信息進行解碼，然后將對象標識信息連同標簽上其他有關(guān)信息傳輸?shù)胶笈_主機以供處理。

后臺數(shù)據(jù)庫用于存放標簽的基本信息和企業(yè)應(yīng)用相關(guān)的數(shù)據(jù)。

RFID耳標的相關(guān)標準

國際標準ISO11784和ISO11785規(guī)定了用RFID識別動物的代碼結(jié)構(gòu)和技術(shù)準則，其中ISO11784規(guī)定動物識別代碼總共由64位（8個字節(jié)）組成，ISO11785則規(guī)定了電子標簽數(shù)據(jù)的傳輸方法以及讀寫器的規(guī)范。動物電子標簽基本包括頸圈式、耳標式、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為低頻標簽，有125kHz、225kHz和13.56MHz幾種。工作頻率大于400MHz的RFID標簽為高頻標簽，有915MHz、2450MHz和5800MHz幾種。

RFID耳標的識讀率和掉標率

影響RFID耳標推廣的主要技術(shù)參數(shù)識讀率和掉標率,與耳標設(shè)計、材質(zhì)選擇以及飼養(yǎng)管理有很大關(guān)系。在國外,RFID耳標已成功應(yīng)用于動物的識別與跟蹤,報道的掉標率在2%?10%。在我國，RFID在畜牧業(yè)中的應(yīng)用也越來越廣泛，公開的掉標率在10%?30%。目前，采用多層封裝技術(shù)的RFID耳標，經(jīng)過一年使用后，識讀率均可達到95%以上。

2需求分析與建設(shè)步驟

2.1需求分析

信息平臺的研究總體目標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，實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享。具體目標包括：

2.1.1實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和記錄半自動化或全自動化

每頭豬掛有電子耳標（無源RFID標簽）,飼養(yǎng)員手持讀寫器將喂料、喂藥、轉(zhuǎn)群和檢疫等信息記錄到電子耳標中或讀取電子耳標中的數(shù)據(jù)，這是一種半自動化方式；還有些測定需要全自動化方式，如母豬發(fā)情識別，這往往需要自動記錄母豬訪問公豬的次數(shù)、日期和時間。

2.1.2建立完善的生豬個體標識檔案

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

依據(jù)個體體況精細飼養(yǎng)。當掛有電子耳標的種豬進入自動給料站時，讀寫器會自動讀取其電子耳標編碼，稱重傳感器獲得種豬的空腹體重、采食量和采食持續(xù)時間。然后將獲得的個體體況數(shù)據(jù)傳送到后臺計算機進行處理，處理后的數(shù)據(jù)作為評估預(yù)測模型的參數(shù)，優(yōu)化日糧飼養(yǎng)方案，實現(xiàn)種豬的精細飼養(yǎng)。

2.2建設(shè)步驟

在大型養(yǎng)豬場，應(yīng)用計算機進行管理已經(jīng)比較普遍，但多數(shù)部門的計算機管理系統(tǒng)是基于部門需要進行開發(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)，則會影響工作效率且難免出現(xiàn)錯誤。因此，信息平臺應(yīng)采用如下步驟進行建設(shè):

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

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

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

第四，對生豬個體進行電子標識，建立數(shù)據(jù)采集與記錄業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集與記錄數(shù)據(jù)庫和中心業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)庫無縫連接。

3基于物聯(lián)網(wǎng)的種豬管理平臺

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

3.1豬場管理

豬場管理模塊的功能是利用現(xiàn)有的商業(yè)豬場管理軟件,使其符合整個管理平臺的需求，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、種豬生長性能測定、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行單獨飼喂，需要根據(jù)體重進行個體化飼喂，飼養(yǎng)量需要進行日常記錄。

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；其次要對分娩數(shù)據(jù)進行記錄，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，同時要對仔豬性能進行測定。

3.1.3商品豬管理

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

3.2精細化飼喂

傳統(tǒng)的種豬單體限位欄飼喂方式會給豬只本身帶來一些負面影響。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，造成母豬分娩時間延長、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，豬只的進食完全處于被動狀態(tài)，不能完全滿足豬只本身需求；此外，建設(shè)豬場前期的投資較大，并給飼養(yǎng)人員帶來繁重的飼養(yǎng)任務(wù)。利用RFID耳標,可實現(xiàn)種豬小群精細飼喂。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，從而做到按照個體進行精細飼喂的目標。3.3環(huán)境監(jiān)測

在種豬養(yǎng)殖當中，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I/O接口及總線將信號傳輸?shù)缴衔粰C，由上位機中的智能控制器將各信號進行解耦處理，化解成各個無耦合的單變量系統(tǒng)?；跓o線傳感器網(wǎng)絡(luò)WSN的豬舍環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，自動捜集傳感器信息，自動組網(wǎng)傳輸數(shù)據(jù),可實現(xiàn)豬舍微環(huán)境的局部調(diào)控，有利于種豬的福利，同時節(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)把種豬場的視頻提供給觀看者和決策者，在進行數(shù)據(jù)感知的同時,強化更加形象化的現(xiàn)場感知。用戶可通過手機、網(wǎng)頁、客戶端看到實時畫面和歷史報警記錄。研發(fā)獨特的“所見即所得”移動圖像偵測功能，可在監(jiān)控畫面上直觀設(shè)定多個安防偵測區(qū)；利用WSN技術(shù)，無須打墻洞、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存儲卡,可存儲16h的連續(xù)錄像，2000次報警抓拍的圖片（2幅/次）和1000次錄像短片（5s/次），10萬次報警文字日志。圖2所示是基于3G技術(shù)的豬場視頻監(jiān)控的實時截圖。

圖2  基于3G技術(shù)的豬場視頻監(jiān)控實時截圖

3.5溯源管理

通過RFID耳標，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。讓消費者從公開透明的監(jiān)管渠道獲得生豬飼養(yǎng)每一步驟的信息，能夠增強消費者的信心。一般而言，“放心豬肉”每千克價格一般比普通豬肉高1元，從而帶來了直接的經(jīng)濟效益。基于豬個體的精細化飼養(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，每頭售價要高出幾十元。另一方面,溯源管理有利于及時召回受污染的豬肉，避免事態(tài)擴大化，是對消費者和政府的保障。

4結(jié)語

通過本次應(yīng)用性研究可獲得以下結(jié)果：

通過RFID耳標、豬耳缺號和牲畜耳標號綜合試驗,發(fā)現(xiàn)母標式結(jié)構(gòu)的RFID耳標，在打標時損壞極少，且經(jīng)過豬只咀嚼后，仍有很高的識讀率。RFID耳標的材質(zhì)不易過硬。實際觀察發(fā)現(xiàn)，耳標的顏色和味道也會影響到掉標率。經(jīng)過多層包裝的黃色耳標，掉標率可以控制在10%以內(nèi)。

基于物聯(lián)網(wǎng)的種豬管理平臺，融合了RFID技術(shù)、WSN技術(shù)和3G技術(shù)；把電子耳標用于生豬養(yǎng)殖，建立電子標識系統(tǒng)，不僅為了防疫和溯源，還可以實現(xiàn)飼養(yǎng)過程自動化;可減少人手，節(jié)省人工工資；通過對生豬個體的監(jiān)測和精細飼養(yǎng)，可以節(jié)省飼料，降低生產(chǎn)成本；打破部門分割，實現(xiàn)信息共享，完善監(jiān)控手段，減少隱性成本。

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

從長遠來看，基于物聯(lián)網(wǎng)的種豬管理平臺在應(yīng)用量擴大之后，成本自然會下降。相信隨著技術(shù)的逐步成熟，該平臺將更好地推動養(yǎng)豬業(yè)向自動化、智能化、現(xiàn)代化方向發(fā)展。

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