基于物联网技术的种猪管理平台

摘 要：通过RFID电子耳标不仅能够对种猪个体进行标识，还能记录生猪饲养过程的重要数据，实现饲养过程的可追溯。文中给出了将RFID技术、WSN技术、3G技术融合起来应用到规模化养殖场的管理的具体方法。其中，RFID技术用于实现种猪个体识别与追踪，WSN技术完成种猪健康状况和养殖场环境状况的实时监测，3G技术解决猪场视频传输问题，从而为养殖场的自动化管理、疫情防治和食品安全管理提出了一种综合的解决办法。文中同时在深入分析规模化种猪场数字化管理的基础上，综合应用物联网技术，对建立种猪管理平台的关键部分进行了设计。

关键词：RFID；耳标；种猪场；视频监控

中图分类号：TP311；S828 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2013）03-0061-04

0 引 言

RFID（Radio Frequency Identification）是一种非接触式的自动识别技术，它可以通过射频信号自动识别目标对象并获取相关数据。RFID技术起源于第二次世界大战，已经发展了70年，芯片技术不断提高，成本急剧下降，功能不断增强，现在已经广泛地应用于各行各业。在工业自动化控制中，RFID能够满足现代工业在生产过程中对信息准确标识物品唯一性的需要，可用来监控该产品在各个工序中的状态，实现产品全程质量跟踪，主要应用于制造业物流管理、服装生产企业以及危险品管理等领域[1]。在食品安全方面，北美的SYSCO公司将RFID用于食品运输过程中监控温度和环境条件的变化，保证食品品质和安全[2]。日本建立了“食品身份证制度”，即产品履历和跟踪监视制度，要求生产、流通等各部门广泛采用条形码、RFID等技术，用来详细记载产品生产和流通过程的各种数据[3]。英国的Trenstar公司使用RFID标签实现对盛酒桶的追踪[4]。澳大利亚的Moraitis公司使用RFID追踪西红柿的安全信息，包括产地、包装日期、种类、质量和大小等[5-7]。中国的江苏省农业科学院在肉品的安全生产监控中也使用了RFID标签[8-11]。

在大型种猪场，普遍存在信息孤岛问题，主要是由于各个部门之间的业务数据未能及时统计导致的，极大地影响了企业的信息化管理水平，因此，非常有必要建立一个种猪场信息管理平台。此外，由于问题猪肉事件不断曝光，老百姓对“放心猪肉”的呼声越来越高；由于“绿色贸易壁垒”对生猪出口的影响，以及疫情防控的必要性，都需要对生猪实行全程跟踪与溯源。没有统一的信息平台是难以实现的。农业部已经推广牲畜二维条码耳标数年，也取得了一定的成绩，但由于生猪的运动性，很难实时在线地识读耳标，大多还需要人工识读。基于RFID做成的电子耳标可以方便地实现生猪个体的标识，由于其非接触性识读，容易实现半自动或全自动跟踪。国内所见文献中论述的（猪、牛、鸡）养殖平台[5-8]，主要从饲料营养配方或生产管理等形成单方面的养殖技术平台，在一些发达国家则侧重于自动化饲喂[4]。本研究以300头种母猪为基础，将RFID、物联网、3G网络等技术结合起来，构建一个基于RFID耳标的规模化种猪信息平台，最终形成数字化的种猪物联网管理平台。

1 RFID简介

1.1 RFID系统的基本结构

一个基本的RFID系统由RFID标签、RFID读写器和后台数据库等3部分组成。

RFID标签由芯片与天线组成，具有唯一的电子编码，同时有一定的信息存储容量，可附在物体上以标识目标对象。根据不同的射频信号发射方式，RFID标签可以分为主动式（有源）标签和被动式（无源）标签。前者可以主动地向读写器发送射频信号；后者接收到读写器发出的电磁波信号后，将部分电磁能量转化为供自己工作的能量。

RFID读写器可控制射频模块向标签发射读取信号并接收标签的应答，对标签对象标识信息进行解码，然后将对象标识信息连同标签上其他有关信息传输到后台主机以供处理。

后台数据库用于存放标签的基本信息和企业应用相关的数据。

1.2 RFID耳标的相关标准

国际标准ISO11784和ISO11785规定了用RFID识别动物的代码结构和技术准则，其中ISO11784规定动物识别代码总共由64位（8个字节）组成，ISO11785则规定了电子标签数据的传输方法以及读写器的规范。动物电子标签基本包括颈圈式、耳标式、可注射式和药丸式4种。通常意义上讲，工作频率小于30 MHz的RFID为低频标签，有125 kHz、225kHz和13.56MHz几种。工作频率大于400 MHz的RFID标签为高频标签，有915 MHz、2 450 MHz和5 800 MHz几种。

1.3 RFID耳标的识读率和掉标率

影响RFID耳标推广的主要技术参数识读率和掉标率，与耳标设计、材质选择以及饲养管理有很大关系。在国外，RFID耳标已成功应用于动物的识别与跟踪，报道的掉标率在2%～10%[4]。在我国，RFID在畜牧业中的应用也越来越广泛[5-10]，公开的掉标率在10%～30%[11]。目前，采用多层封装技术的RFID耳标，经过一年使用后，识读率均可达到95%以上。

2 需求分析与建设步骤

2.1 需求分析

信息平台的研究总体目标是要能够整合已有的业务系统，并能够支持新的业务流程和功能，实现数据共享。具体目标包括：

2.1.1 实现数据采集和记录半自动化或全自动化

每头猪挂有电子耳标（无源RFID标签），饲养员手持读写器将喂料、喂药、转群和检疫等信息记录到电子耳标中或读取电子耳标中的数据，这是一种半自动化方式；还有些测定需要全自动化方式，如母猪识别，这往往需要自动记录母猪访问公猪的次数、日期和时间。

2.1.2 建立完善的生猪个体标识档案

实现生猪饲养和免疫的全程跟踪与追溯。每头猪的电子耳标具有唯一的电子编码，能够存储信息，可以记录生猪个体生长过程中的关键数据，建立完善的个体档案。在决定生猪能否出栏销售时，只需要读取电子耳标中的数据，防止生猪在休药期内出栏，杜绝源头污染，实现全程跟踪与追溯。

2.1.3 实现种猪性能测定自动化

依据个体体况精细饲养。当挂有电子耳标的种猪进入自动给料站时，读写器会自动读取其电子耳标编码，称重传感器获得种猪的空腹体重、采食量和采食持续时间。然后将获得的个体体况数据传送到后台计算机进行处理，处理后的数据作为评估预测模型的参数，优化日粮饲养方案，实现种猪的精细饲养。

2.2 建设步骤

在大型养猪场，应用计算机进行管理已经比较普遍，但多数部门的计算机管理系统是基于部门需要进行开发的，企业业务数据难以共享。如果重复输入数据，则会影响工作效率且难免出现错误。因此，信息平台应采用如下步骤进行建设：

第一，全面评估现有的业务系统，明确数据来源与流程；

第二，建立中心业务数据库，对不同人员进行合理授权；

第三，构建连接各个部门的网络基础设施；

第四，对生猪个体进行电子标识，建立数据采集与记录业务数据库，实现数据采集与记录数据库和中心业务数据库无缝连接。

3 基于物联网的种猪管理平台

图1所示是基于物联网的种猪管理平台的功能模块图。该平台由猪场管理、精细化饲喂、环境监测、视频监控、溯源管理等功能模块组成。

图1 基于物联网的种猪管理平台功能模块

3.1 猪场管理

猪场管理模块的功能是利用现有的商业猪场管理软件，使其符合整个管理平台的需求，其基本功能包括种猪管理、分娩猪管理、商品猪管理等。

3.1.1 种猪管理

种猪管理包括种猪资料、种猪转群、种猪免疫、种猪生长性能测定、种猪用药记录、公猪采精、配种管理、妊娠管理等。饲喂管理采用定位栏进行单独饲喂，需要根据体重进行个体化饲喂，饲养量需要进行日常记录。

3.1.2 分娩猪管理

分娩舍管理要首先记录转入分娩舍的日期、重量和体况等；其次要对分娩数据进行记录，包括日期、胎次、产仔数和窝重等；最后记录断奶日和从分娩舍转出日，同时要对仔猪性能进行测定。

3.1.3商品猪管理

商品猪管理包括商品猪资料维护、商品猪转群、商品猪离场、商品猪入场、商品猪免疫、商品猪疾病治疗、商品猪生长性能测定、商品猪用药记录，主要管理和记录商品猪生产全过程的信息。

3.2 精细化饲喂

传统的种猪单体限位栏饲喂方式会给猪只本身带来一些负面影响。单体限位栏的空间有限，仅能容纳一只猪的空间，限制了种猪的活动，造成母猪分娩时间延长、难产或消化不良，不符合猪只福利制度；另一方面，在限位栏内人为地定量供给饲料，猪只的进食完全处于被动状态，不能完全满足猪只本身需求；此外，建设猪场前期的投资较大，并给饲养人员带来繁重的饲养任务。利用RFID耳标，可实现种猪小群精细饲喂。根据管理每头种猪的体质量、年龄、妊娠、繁育等具体情况，投放相应的饲料量，从而做到按照个体进行精细饲喂的目标。

3.3 环境监测

在种猪养殖当中，猪舍内环境质量的好坏直接影响到种猪的健康状况和生产性能的高低。影响猪舍内环境的主要因素有温度、湿度、NH3和CO2等，种猪舍内环境的信息化调控方式，主要利用各种传感器（温度、湿度、气体传感器等）作为信息的拾取装置，通过I/O接口及总线将信号传输到上位机，由上位机中的智能控制器将各信号进行解耦处理，化解成各个无耦合的单变量系统。基于无线传感器网络WSN的猪舍环境监测系统，自动搜集传感器信息，自动组网传输数据，可实现猪舍微环境的局部调控，有利于种猪的福利，同时节约能源。

3.4 视频监控

利用3G网络技术、视频编码技术、信息传输技术把种猪场的视频提供给观看者和决策者，在进行数据感知的同时，强化更加形象化的现场感知。用户可通过手机、网页、客户端看到实时画面和历史报警记录。研发独特的“所见即所得”移动图像侦测功能，可在监控画面上直观设定多个安防侦测区；利用WSN技术，无须打墙洞、布线缆，不破坏室内原有装修，即可方便地链接温湿度传感器和氨气传感器。系统内置2 GB存储卡，可存储16 h的连续录像，2 000次报警抓拍的图片（2幅/次）和1000次录像短片（5 s/次），10万次报警文字日志。图2所示是基于3G技术的猪场视频监控的实时截图。

图2 基于3G技术的猪场视频监控实时截图

3.5 溯源管理

通过RFID耳标，能够追溯到商品猪的父母代，从源头保障了肉食品的品质和安全，提高了产品的附加值。让消费者从公开透明的监管渠道获得生猪饲养每一步骤的信息， 能够增强消费者的信心。一般而言，“放心猪肉”每千克价格一般比普通猪肉高1元，从而带来了直接的经济效益。基于猪个体的精细化饲养提高了生猪的品质，尤其在出口方面，高品质的生猪同一般品质的猪相比，每头售价要高出几十元。另一方面，溯源管理有利于及时召回受污染的猪肉，避免事态扩大化，是对消费者和政府的保障。

4 结 语

通过本次应用性研究可获得以下结果：

（1）通过RFID耳标、猪耳缺号和牲畜耳标号综合试验[11]，发现母标式结构的RFID耳标，在打标时损坏极少，且经过猪只咀嚼后，仍有很高的识读率。RFID耳标的材质不易过硬。实际观察发现，耳标的颜色和味道也会影响到掉标率。经过多层包装的黄色耳标，掉标率可以控制在10%以内。

（2）基于物联网的种猪管理平台，融合了RFID技术、WSN技术和3G技术；把电子耳标用于生猪养殖，建立电子标识系统，不仅为了防疫和溯源，还可以实现饲养过程自动化；可减少人手，节省人工工资；通过对生猪个体的监测和精细饲养，可以节省饲料，降低生产成本；打破部门分割，实现信息共享，完善监控手段，减少隐性成本。

（3）物联网在种猪场的应用还存在诸多问题：一是技术标准尚在研制之中，还不够成熟；二是资金问题有待解决，相关设备是比较昂贵的。

从长远来看，基于物联网的种猪管理平台在应用量扩大之后，成本自然会下降。相信随着技术的逐步成熟，该平台将更好地推动养猪业向自动化、智能化、现代化方向发展。

参 考 文 献

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Boar management platform based on IOT technology

BAI Hong-wu1， FENG Guo-xing2， DING Wei-rong3， CHEN Shu-gui3， WANG Feng-chao4， ZHANG Jin-jin4

（1. Jiangsu Provincial Academy of Agricultural Sciences， Food Safety and Detection Research Institute， Nanjing 210014， China；

2. Jiangsu Provincial Academy of Agricultural Sciences， Veterinary Research Institute， Nanjing 210014， China；

3. Jiangsu Provincial Academy of Agricultural Sciences， Liuhe base， Nanjing 210014， China；

4. Jiangsu tomorrow Agriculture and Animal Husbandry Science and Technology Co.， Ltd.， Nanjing 210002， China）

Abstract： RFID electronic ear tag can not only identify individual boar， but also record the feeding process data of boars for tracing back. This paper shows a specific method for management of large-scale farms by using RFID technology， WSN technology and 3G technology， in which the RFID technology is used to identify the boars， the WSN technology is used to complete the real-time monitoring of health status of boars and the environment status of farm， and the 3G technology is used to realize farm’s video transmission. An integrated solution for automatical management， epidemic prevention and food safety of farms is proposed. A key part of the pig management platform design was established by in-depth analysis of the digital management for large-scale boar farm and the integrated application of IOT technology.

Keywords： RFID； ear tags； pig farm； video monitoring