李日華，黃月芹，韋麗嬌，覃榮剛，李 明

（1.廣西貴港市西江機(jī)械有限公司，廣西 貴港 537104；2.柳州工學(xué)院機(jī)械工程系，廣西 柳州 545616；3.中國熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所，廣東 湛江 524091）

0 引言

隨著人口的飛速增長及人民生活水平的不斷提高，豬肉需求量與日俱增，人們對豬肉品質(zhì)的要求也越來越高，傳統(tǒng)的人工散養(yǎng)方式已無法滿足豬肉市場的需求。近年來，規(guī)模化生豬養(yǎng)殖取得了一定的發(fā)展，養(yǎng)殖方式有一定的改進(jìn)，但依然存在不少問題[1]。隨著信息技術(shù)、人工智能技術(shù)等的快速發(fā)展，各類高新技術(shù)逐步應(yīng)用于養(yǎng)殖業(yè)設(shè)備中，極大地提升了新型養(yǎng)殖業(yè)的生產(chǎn)管理水平。不少養(yǎng)殖領(lǐng)域利用RFID 無線射頻技術(shù)及人工智能技術(shù)改進(jìn)養(yǎng)殖方式，為養(yǎng)殖者提供科學(xué)養(yǎng)殖決策支持[2]。在此背景下，本文提出基于RFID 無線射頻識別的規(guī)?；悄莛B(yǎng)豬系統(tǒng)，利用RFID 電子耳牌對豬只身份信息進(jìn)行自動識別，利用紅外傳感自動測重技術(shù)、可編程控制技術(shù)、WebService 系統(tǒng)架構(gòu)來解決自動化、精準(zhǔn)化養(yǎng)殖過程中存在的問題，從而提高養(yǎng)殖企業(yè)生產(chǎn)效益。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)及原理

為了實(shí)現(xiàn)跨地域規(guī)?；B(yǎng)殖過程中的信息共享及同步養(yǎng)殖，基于RFID 的規(guī)模化智能養(yǎng)豬管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)為兩級三層結(jié)構(gòu)模式，三層結(jié)構(gòu)逐層遞進(jìn)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 基于RFID 的智能養(yǎng)豬管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

根據(jù)不同的養(yǎng)殖企業(yè)的實(shí)際生產(chǎn)需求，智能養(yǎng)豬子系統(tǒng)可設(shè)置成不同的模塊，一般包括母豬群養(yǎng)中心、商品豬養(yǎng)豬中心及種豬生產(chǎn)性能中心。每一個子系統(tǒng)模塊都涉及RFID 無線射頻識別技術(shù)，養(yǎng)殖企業(yè)可以應(yīng)用相關(guān)的智能子系統(tǒng)進(jìn)行生產(chǎn)管理，系統(tǒng)根據(jù)每一頭豬的具體情況自動計(jì)算飼喂量，實(shí)現(xiàn)智能飼喂及信息化管理。通過互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)不同的生產(chǎn)實(shí)體子系統(tǒng)數(shù)據(jù)信息共享，系統(tǒng)平臺進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，生成生產(chǎn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)圖形，統(tǒng)計(jì)分析的結(jié)果可以為企業(yè)養(yǎng)殖人員提供有效的科學(xué)養(yǎng)殖依據(jù)及決策，實(shí)現(xiàn)規(guī)?；⒖绲仞B(yǎng)殖信息共享從無到有的突破。

RFID 無線射頻識別器包括讀寫器和電子標(biāo)簽。讀寫器發(fā)射特定頻率的無線電波，電子標(biāo)簽送出內(nèi)部的ID 號，讀寫器接收ID 號，其工作原理如圖2所示。電子標(biāo)簽芯片具有唯一且無法復(fù)制的特性，因此，其安全性極高。RFID 射頻技術(shù)具有非接觸性，對靜態(tài)、動態(tài)物體均可識別，識別過程無須人工干預(yù)，在惡劣環(huán)境下也不易損壞，環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)[3]。

圖2 RFID 系統(tǒng)工作原理

2 智能子系統(tǒng)組成

基于RFID 的智能子系統(tǒng)由測定站子系統(tǒng)、生態(tài)環(huán)境監(jiān)測子系統(tǒng)、豬只疫情診斷監(jiān)測子系統(tǒng)、發(fā)情檢測診斷、分離子系統(tǒng)組成。養(yǎng)殖企業(yè)可以根據(jù)生產(chǎn)實(shí)際需求對母豬養(yǎng)殖中心、商品豬養(yǎng)殖中心、種豬養(yǎng)殖中心配備不同的智能養(yǎng)殖子系統(tǒng)并進(jìn)行相關(guān)的生產(chǎn)管理[4]。

2.1 測定站子系統(tǒng)

測定系統(tǒng)是基于RFID 的規(guī)?；悄莛B(yǎng)豬系統(tǒng)的核心組成部分，該子系統(tǒng)通過紅外體溫感應(yīng)傳感器自動測試豬只體溫，通過自動測重秤測量體重，豬只體溫及體重?cái)?shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)自動上傳到系統(tǒng)，同時系統(tǒng)通過無線射頻耳標(biāo)快速調(diào)出被測豬只的相關(guān)檔案信息，比如無線射頻ID 號，以該ID 號豬只相關(guān)信息為輸入條件自動計(jì)算出該豬只本次飼料投料量及飲水量，下料器根據(jù)系統(tǒng)內(nèi)每頭豬只的不同喂料信息，通過PLC 控制將準(zhǔn)確的適量飼料量及飲水量投放給相應(yīng)的豬只，當(dāng)豬只采食完成后，系統(tǒng)會通過秤重喂料槽中剩余的飼料，以剩余飼料量來修正該豬只的喂料公式，以確保下次投料更加合理精確。測定系統(tǒng)由若干臺測定站和上位PC 主機(jī)組成，系統(tǒng)組成如圖3 所示。測定站主要包含自動稱重電子秤、無線電子識別器、料槽及開關(guān)設(shè)備、防躺護(hù)欄、顯示屏、智能控制器等部件[5]。測定站子系統(tǒng)工作流程如圖4 所示。當(dāng)佩戴無線射頻耳標(biāo)的待喂食豬只進(jìn)入無線射頻區(qū)域即可識別該豬只，系統(tǒng)根據(jù)識別的豬只身份信息可以判斷該豬只在該時間段是否已經(jīng)喂食過，喂食完成，測定站門口不打開；喂食未完成，測定站進(jìn)門口打開，豬只進(jìn)入其中。控制系統(tǒng)根據(jù)豬只的身份和喂食的歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行自動下料投料，在進(jìn)入測定站過程中，豬只站在自動稱重電子稱上，電子稱記錄該豬只的體重并自動將重量信息上傳系統(tǒng)，與此同時，采食開始計(jì)時。當(dāng)采食完成后，系統(tǒng)記錄并上傳采食時間和采食完成后的豬只體重及料盤剩余的飼料重量。采食完成，測定站出門口打開，豬只離開測定站，單次采食完成。

圖3 測定系統(tǒng)示意圖

圖4 測定站工作流程圖

測定站子系統(tǒng)涉及到基于RFID 技術(shù)的豬只身份識別模塊及電子秤的自動稱重模塊[6]。無線射頻識別技術(shù)為每一頭豬只建立身份檔案，一豬一標(biāo)，豬只進(jìn)入無線射頻識別區(qū)域即可自動識別豬只身份，調(diào)出該豬只的檔案?；陔娮映拥淖詣臃Q重模塊，豬只體重的采集及每一餐的采食量在豬只采食的過程中由自動稱重模塊完成，采集的信息有采食時間、采食次數(shù)、采食量、體重值等重要的信息，可以通過互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將這些采集到的信息上傳至企業(yè)信息管理系統(tǒng)中。信息采集過程完全無需飼養(yǎng)員人工參與，減少人員工作量，保證采集數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。這些自動采集的信息可以形成豬只個體的數(shù)據(jù)檔案，可為以后的數(shù)據(jù)分析曲線提供有效支持。

2.2 環(huán)境監(jiān)測子系統(tǒng)

可編程控制器是環(huán)境監(jiān)測子系統(tǒng)的核心部分，傳感器實(shí)現(xiàn)豬舍的溫度、濕度、光照、二氧化碳濃度等環(huán)境數(shù)據(jù)自動采集與記錄，可編程控制系統(tǒng)根據(jù)程序代碼要求支持對加熱、照明、通風(fēng)設(shè)備的自動驅(qū)動并提供可擴(kuò)充接口，養(yǎng)殖企業(yè)可以根據(jù)豬只養(yǎng)殖要求及企業(yè)自身需求修改代碼，實(shí)現(xiàn)對豬舍溫濕度、光照度、空氣質(zhì)量的自動調(diào)節(jié)。

2.3 疫情監(jiān)測子系統(tǒng)

在豬只養(yǎng)殖過程中，快速準(zhǔn)確地判斷豬只是否發(fā)病至關(guān)重要，疫情控制不好會嚴(yán)重影響經(jīng)濟(jì)效益。判斷豬只是否發(fā)病以豬只體溫、豬只進(jìn)食量和發(fā)情時間間隔為依據(jù)[7]。非接觸式紅外成像測溫模塊測量完成豬只體溫測量，自動喂食子系統(tǒng)記錄進(jìn)食量狀況，發(fā)情檢測子系統(tǒng)記錄發(fā)情時間及發(fā)情間隔時間，疫情監(jiān)測系統(tǒng)可以根據(jù)采集到的3 個信息量進(jìn)行自動判斷，當(dāng)出現(xiàn)疫情時可以自動報(bào)警提醒養(yǎng)殖人員對發(fā)病豬只進(jìn)行隔離。

2.4 發(fā)情監(jiān)測及隔離子系統(tǒng)

母豬發(fā)情鑒定的原理主要是根據(jù)母豬一日探望公豬次數(shù)及探望持續(xù)時間來決定，探望次數(shù)采用傳感器測試完成，探望1 次，傳感器相應(yīng)記錄1 次，系統(tǒng)會自動累計(jì)探望的次數(shù)及計(jì)算每次探望的持續(xù)時間，當(dāng)探望次數(shù)及累計(jì)時間到達(dá)一定上限時，系統(tǒng)自動判斷該母豬進(jìn)入發(fā)情期[8]。發(fā)情鑒定隔離是在母豬采食時同時進(jìn)行，當(dāng)母豬被判斷已進(jìn)入發(fā)情期，該母豬采食完成后，自動分離器第二通道打開，自動引導(dǎo)該母豬進(jìn)入小圈，等待配種。在飼喂站內(nèi)，系統(tǒng)可根據(jù)識別的體溫、采食、發(fā)情等報(bào)告，自動判斷該母豬是否需要隔離；將發(fā)情母豬、妊娠母豬、臨產(chǎn)母豬、接種免疫母豬、病豬、無耳標(biāo)等異常母豬自動分離出來，分離隔離在母豬采食完成后進(jìn)行，并采用不同顏色對不同類型問題的母豬進(jìn)行標(biāo)記，方便飼養(yǎng)員采取相應(yīng)措施。

3 基于RFID技術(shù)智能養(yǎng)豬信息管理系統(tǒng)

基于RFID 技術(shù)智能養(yǎng)豬子系統(tǒng)的有效運(yùn)用離不開RFID 射頻技術(shù)，RFID 射頻技術(shù)貫穿整個養(yǎng)殖過程，并通過互聯(lián)網(wǎng)及數(shù)據(jù)庫管理技術(shù)實(shí)現(xiàn)對各個養(yǎng)殖環(huán)境實(shí)時養(yǎng)殖數(shù)據(jù)的快速獲取，以及每一個子系統(tǒng)數(shù)據(jù)的共享、分析處理、整合，滿足信息交互整合和集成管理的應(yīng)用需求。該智能化養(yǎng)豬管理信息系統(tǒng)采用Web Service 系統(tǒng)架構(gòu)，同時提供訪問接口。系統(tǒng)的Web Service 平臺可實(shí)現(xiàn)信息的傳遞共享和數(shù)據(jù)的查詢，企業(yè)管理人員與飼喂人員通過互聯(lián)網(wǎng)頁上可查看相關(guān)信息。系統(tǒng)功能包括系統(tǒng)管理、養(yǎng)豬場管理、信息查詢及決策系統(tǒng)。

4 自動化養(yǎng)豬系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)所使用的硬件設(shè)備有：EPC-GEN2 RFID 電子耳牌、廣西貴港市西江機(jī)械有限公司種豬測定站、PC 機(jī)、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換接口、以太網(wǎng)，軟件為基于.NET、Web Service，Oracle 的數(shù)據(jù)庫等，系統(tǒng)管理功能包括養(yǎng)豬場管理、用戶管理、數(shù)據(jù)庫維護(hù)、權(quán)限管理。養(yǎng)豬場管理模塊維護(hù)企業(yè)所有養(yǎng)豬場的信息，包括養(yǎng)豬場地點(diǎn)、養(yǎng)殖類別、數(shù)量等；用戶管理維護(hù)企業(yè)所有使用系統(tǒng)的用戶信息，包括用戶賬號申請、密碼、人員基本信息等；數(shù)據(jù)庫維護(hù)實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫的維護(hù)功能，管理設(shè)置系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)等；權(quán)限管理對系統(tǒng)所有用戶進(jìn)行權(quán)限的分類管理，包括賬號申請、權(quán)限分類，不同身份的人員分配不同的權(quán)限進(jìn)入相應(yīng)模塊進(jìn)行相應(yīng)的工作。系統(tǒng)登錄界面如圖5 所示，不同身份人員選擇不同模塊進(jìn)入不同界面輸入賬號、密碼進(jìn)行登陸。

圖5 系統(tǒng)登陸界面

圖6 為自動化飼喂系統(tǒng)豬只采食測定的監(jiān)控模塊界面，界面包括豬只身份信息、采食進(jìn)入和退出時間、采食前后飼料槽中飼料重量及豬只本身的體重。該界面信息在豬只采食過程中自動測試記錄，當(dāng)待采食的配帶電子耳標(biāo)的豬只進(jìn)入測定站無線射頻識別范圍時，系統(tǒng)能夠識別該采食測定豬只的電子耳標(biāo)身份信息，響應(yīng)后飼喂站打開，豬只進(jìn)入采食；采食過程中自動電子秤重記錄該豬本次采食時的體重值，同時記錄該豬進(jìn)入測定站采食的時間和完成采食離開的時間以及采食前后飼料槽中飼料的重量變化。系統(tǒng)通過傳感器技術(shù)及互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)養(yǎng)殖飼喂過程的實(shí)時監(jiān)控[9,10]。

圖6 采食測定監(jiān)控模塊界面

圖7 為系統(tǒng)的圖表中心界面，該模塊能夠自動對匯總的養(yǎng)殖數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，將企業(yè)管理人員最關(guān)注的養(yǎng)殖要素情況以圖表直接展現(xiàn)，一目了然，為科學(xué)養(yǎng)殖提供數(shù)據(jù)依據(jù)和決策支持。

圖7 圖表中心界面

5 結(jié)語

根據(jù)國家畜禽標(biāo)識和養(yǎng)殖檔案管理的相關(guān)規(guī)定，結(jié)合我國當(dāng)前養(yǎng)豬業(yè)向集約化、規(guī)?；绲赜蝠B(yǎng)殖的現(xiàn)狀，基于RFID 技術(shù)的智能養(yǎng)殖技術(shù)也將在我國迅速發(fā)展。本文對基于RFID 的規(guī)?；悄芑B(yǎng)豬系統(tǒng)進(jìn)行研究與設(shè)計(jì)，將無線射頻識別技術(shù)貫穿整個系統(tǒng)設(shè)計(jì)，采用各類智能傳感器、PLC 智能環(huán)境測控技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)自動采集，將Web Service 技術(shù)與RFID 技術(shù)應(yīng)用相結(jié)合實(shí)現(xiàn)事件信息的傳遞、數(shù)據(jù)的查詢和信息共享。系統(tǒng)的成功開發(fā)能夠?qū)崟r進(jìn)行豬場數(shù)據(jù)自動采集、分析與決策，實(shí)現(xiàn)養(yǎng)豬流程全面數(shù)字化和豬場數(shù)字化在線管理，提高養(yǎng)豬效率。