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        基于RFID手持終端的中小規(guī)模牛場養(yǎng)殖管理系統(tǒng)研究

        2021-12-08 19:20:29李國強(qiáng)周萌陳付英秦一浪胡峰汪一平鄭國清
        江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué) 2021年22期
        關(guān)鍵詞:繁育智能終端牛場

        李國強(qiáng) 周萌 陳付英 秦一浪 胡峰 汪一平 鄭國清

        摘要:針對中小規(guī)模肉牛和奶牛養(yǎng)殖場信息化管理水平不高的問題,采用超高頻射頻識別技術(shù)RFID和Android構(gòu)建了手持式牛場智能管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)由Android軟件端和RFID硬件端組成。其中,Android端以Android Studio為開發(fā)平臺,采用SQLite輕型數(shù)據(jù)庫。RFID硬件端包括:手持終端和RFID耳標(biāo)。該系統(tǒng)提供牛群管理、育種管理、繁殖管理、泌乳管理、育肥管理、疾病防控、統(tǒng)計分析和用戶管理等8個功能模塊。系統(tǒng)在河南省4個牛場經(jīng)過3年應(yīng)用,結(jié)果表明,該系統(tǒng)能夠快速識別牛只,并能夠通過自定義快捷輸入鍵,實(shí)現(xiàn)牛場業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的高效采集。通過柱狀圖、曲線圖、表格等方式,實(shí)現(xiàn)牛場繁育、泌乳、生長、發(fā)病等數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析。通過判斷和指認(rèn)不同發(fā)病部位的病癥及特征圖像,實(shí)現(xiàn)了常見疾病的快速診斷和防治。該系統(tǒng)通過整合牛場內(nèi)各類業(yè)務(wù)流程數(shù)據(jù),生成“決策分析一張圖”,大大提高了工作效率。

        關(guān)鍵詞:牛場;繁育;泌乳;智能終端;超高頻RFID;信息管理系統(tǒng)

        中圖分類號:S126?? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼: A

        文章編號:1002-1302(2021)22-0192-06

        收稿日期:2021-04-24

        基金項(xiàng)目:河南省“四優(yōu)四化”科技支撐行動計劃(編號:HN2020-3)。

        作者簡介:李國強(qiáng)(1984—),男,河南林州人,博士,副研究員,主要從事農(nóng)業(yè)信息技術(shù)研究與智慧農(nóng)業(yè)相關(guān)研究。E-mail:gqli@hnagri.org.cn。

        通信作者:鄭國清(1964—),男,河南淅川人,博士,研究員,主要從事農(nóng)業(yè)信息技術(shù)研究。E-mail:zgqzx@hnagri.org.cn。

        千頭以下肉牛和奶牛養(yǎng)殖場存在飼養(yǎng)管理技術(shù)落后、信息化水平不高[1-2]等粗放經(jīng)營方式。以物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)和云計算等技術(shù)為依托[3],完善養(yǎng)殖規(guī)?;?、生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)化的發(fā)展方式[4],是當(dāng)前畜牧養(yǎng)殖智能化和裝備化的迫切需求[5]。

        信息化與自動化的現(xiàn)代管理技術(shù)在農(nóng)業(yè)和畜牧業(yè)中已經(jīng)得到比較廣泛的應(yīng)用[6-8]。在奶牛智能養(yǎng)殖管理方面,楊亮等建立了規(guī)模化奶牛場生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)整合與智能分析平臺,實(shí)現(xiàn)了奶牛場基本數(shù)據(jù)的保存和繁殖性能參數(shù)的在線分析[9]。李建等采用“云+端”模式,研制了奶牛繁殖管理系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了WEB端和移動終端的數(shù)據(jù)實(shí)時同步[10]。李亞萍研制的奶牛場信息管理系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了軟件和飼喂設(shè)備下位機(jī)之間的數(shù)據(jù)通訊[11]。Calsamiglia等構(gòu)建了基于網(wǎng)絡(luò)的虛擬奶牛群管理軟件,協(xié)助養(yǎng)殖場了解牛群結(jié)構(gòu)和功能[12]。王蕾構(gòu)建了奶牛場信息化管理系統(tǒng),包含奶牛管理、飼料管理、牛奶管理、藥品管理和奶源追溯等模塊[13]。在肉牛智能養(yǎng)殖管理方面,浣成等以母牛繁殖周期和配種為核心,構(gòu)建了肉牛實(shí)時信息管理系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了牛只繁殖信息的實(shí)時預(yù)警[14]。王虹等構(gòu)建了市級基礎(chǔ)母牛信息化管理系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了基礎(chǔ)母牛繁殖、檢疫、生長測定等管理[15]。Sivamani等基于Android構(gòu)建了畜禽疾病早期檢測系統(tǒng),即通過監(jiān)測家畜飼養(yǎng)行為預(yù)防早期可能出現(xiàn)的疾病[16]。

        隨著智能手持終端的飛速發(fā)展,功能配置日益強(qiáng)大,能夠滿足農(nóng)業(yè)生產(chǎn)信息采集[17-18],如趙敏等構(gòu)建了牛場養(yǎng)殖管理Web APP,實(shí)現(xiàn)了對牛只生長發(fā)育信息的存儲管理和數(shù)據(jù)可視化[19]。王海翠等設(shè)計了基于超高頻RFID技術(shù)的肉牛養(yǎng)殖可追溯系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了肉牛品種、質(zhì)量、健康狀況等信息的高效采集[20]。RFID是一種非接觸式的自動識別技術(shù),可以在較遠(yuǎn)讀寫距離識別運(yùn)動中的動物體。使用具有RFID功能的手持終端,識別牛電子耳標(biāo)內(nèi)的數(shù)據(jù),并隨時隨需采集信息和即時跟蹤管理,這是掌握動物健康狀況的有效管理方法,也是傳統(tǒng)人工采集無法比擬的方法。綜上,規(guī)?;B(yǎng)殖場管理系統(tǒng)多為PC版和WEB版,而集成養(yǎng)殖管理與超高頻RFID的手持養(yǎng)殖管理系統(tǒng)還少見報道。為此,本研究以手持終端為載體,利用RFID、移動互聯(lián)網(wǎng)技術(shù),以千頭規(guī)模化養(yǎng)殖場牛只繁育流程為主線,重點(diǎn)涉及發(fā)情、配種、產(chǎn)犢、泌乳或育肥、離場等事件,構(gòu)建涵蓋肉牛和奶牛養(yǎng)殖的智能管理系統(tǒng)。旨在為中小規(guī)模養(yǎng)殖場的品種選育、繁殖和疾病治療等環(huán)節(jié)的信息化提供技術(shù)支撐。

        1 系統(tǒng)分析

        1.1 功能需求分析

        課題組對河南省肉牛和奶牛產(chǎn)業(yè)聚集區(qū)中的豫西、豫西南、豫東地區(qū)進(jìn)行入場調(diào)查。通過梳理牛場日常業(yè)務(wù),結(jié)合現(xiàn)有軟件平臺建設(shè)實(shí)踐,摸清軟件功能需求主要包括:(1)能夠?qū)ε鲇N、繁殖、泌乳、育種等信息進(jìn)行綜合管理;(2)能夠?qū)崟r查看牛場管理狀態(tài),生成詳細(xì)圖表;(3)盡量降低基層信息采集員的工作復(fù)雜度,提高信息錄入效率;(4)能夠?qū)ΤR姴√峁┏醪降募膊≥o助判斷。

        根據(jù)不同類型牛場業(yè)務(wù)流程,總結(jié)提煉制定了業(yè)務(wù)信息流圖(圖1)。由圖1可知,第一個環(huán)節(jié)是牛只進(jìn)場前,通過外購或本場繁育,增加牛只存欄量。進(jìn)場后要進(jìn)行檢疫檢查,更換耳標(biāo)和分配牛舍。隨后是養(yǎng)殖場日常管理業(yè)務(wù)。牛場負(fù)責(zé)人綜合判斷牛場運(yùn)營狀況,制定牛只銷售決策。

        1.2 系統(tǒng)功能設(shè)計分析

        針對養(yǎng)殖場一線員工信息化接受程度不高等特點(diǎn),堅(jiān)持簡潔友好、操作簡便的原則,采用智能手持終端+安卓手機(jī)應(yīng)用的架構(gòu)模式。根據(jù)前期功能需求分析,由圖2可知,系統(tǒng)一級功能模塊包括牛群管理、育種管理、繁殖管理、泌乳管理、疾病防控、育肥管理、統(tǒng)計分析、用戶管理8個模塊。如下:

        (1)“牛群管理”記錄牛只個體特征,場內(nèi)牛只轉(zhuǎn)移、離場等信息,包括牛舍管理、牛只管理、轉(zhuǎn)舍登記和離場登記4個功能?!芭I峁芾怼庇涗浥I岬幕拘畔?,包括牛舍編號、牛舍名稱、牛舍類別、牛舍面積和最大存欄量;“牛只管理”記錄完整的牛只檔案。“轉(zhuǎn)舍登記”和“離場登記”記錄牛只在場內(nèi)和場外的轉(zhuǎn)移情況。

        (2)“育種管理”記錄牛只配種情況,凍精使用情況以及體型評分,包括配種記錄、凍精管理、體型鑒定和體況評分等4個功能?!皟鼍芾怼庇涗泝鼍幪枴鼍珌碓?、所屬品種等信息?!芭浞N記錄”記錄配種流程和配種次數(shù);“體型鑒定”記錄體型總分、體軀容量、泌乳系統(tǒng)等信息;“體況評分”采用向?qū)讲僮鳎鸩街痦?xiàng)引導(dǎo)用戶完成評分。

        (3)“繁殖管理”記錄牛只發(fā)情、產(chǎn)犢和流產(chǎn)情況,包括發(fā)情記錄、產(chǎn)犢記錄和流產(chǎn)記錄3個功能?!鞍l(fā)情記錄”記錄發(fā)情類型、發(fā)現(xiàn)方式等信息;“產(chǎn)犢記錄”記錄母牛號、犢牛號、初生重、性別胎教、產(chǎn)犢難易、胎衣情況等信息;“流產(chǎn)記錄”記錄母牛號、流產(chǎn)原因、胎兒類型、發(fā)現(xiàn)方式等信息。

        (4)“泌乳管理”記錄牛只每日產(chǎn)奶情況,包括產(chǎn)奶記錄和干奶記錄2個功能?!爱a(chǎn)奶記錄”記錄擠奶班次和產(chǎn)奶量;“干奶記錄”記錄干奶類型和原因。

        (5)“疾病防控”記錄牛只發(fā)病、治療、免疫和防疫情況,包括免疫登記、發(fā)病登記、病情診斷和病情檢索4個功能?!懊庖叩怯洝庇涗浥V灰呙缡褂们闆r,包括疫苗種類,疫苗階段,劑量和部位;“發(fā)病登記”記錄牛只發(fā)病癥狀;“病情診斷”提供常見疾病指認(rèn)式診斷功能;“病情檢索”提供9大類41種常見病知識庫,包括疾病種類、疾病名稱、發(fā)病癥狀、嚴(yán)重程度、發(fā)現(xiàn)方式、防治措施、處方備注。

        (6)“育肥管理”記錄牛只體質(zhì)量、體長等生長狀況,即“生長測定”記錄牛只身體狀況信息,包括稱質(zhì)量時間、體質(zhì)量、體高、體長、體斜長、胸圍、腹圍等。

        (7)“統(tǒng)計分析”即針對牛群結(jié)構(gòu)和產(chǎn)奶等數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化分析。

        (8)“用戶管理”即設(shè)置用戶信息、牧場基本信息等。

        2 系統(tǒng)設(shè)計

        2.1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

        系統(tǒng)采用基于客戶端的B/S架構(gòu)(圖3),其中,服務(wù)器設(shè)置在云端,用于數(shù)據(jù)存儲和管理,為手持終端提供數(shù)據(jù)服務(wù)??蛻舳思从脩舻氖謾C(jī)終端,用于接受用戶指令、向服務(wù)器發(fā)出請求并接收回傳數(shù)據(jù)。本系統(tǒng)采用基于HTTP協(xié)議的WEB API來實(shí)現(xiàn)服務(wù)端與客戶端的交互。服務(wù)器端通過WEB API處理HTTP請求(GET、POST、DELETE等),當(dāng)客戶端查詢結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)時,客戶端發(fā)送GET查詢請求,服務(wù)器端通過查詢服務(wù)器關(guān)系數(shù)據(jù)庫系統(tǒng),返回查詢結(jié)果。

        2.2 數(shù)據(jù)庫設(shè)計

        根據(jù)系統(tǒng)功能設(shè)置,設(shè)計了23個數(shù)據(jù)表,分別保存養(yǎng)殖事件,部分表結(jié)構(gòu)見表1。

        3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)與應(yīng)用

        3.1 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

        以安卓手機(jī)作為客戶端,客戶端使用安卓視圖(VIEW)組件,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)錄入界面的交互;應(yīng)用嵌入型數(shù)據(jù)庫(SQLite),實(shí)現(xiàn)手機(jī)端數(shù)據(jù)存儲;云端基于阿里提供的云服務(wù)器。

        客戶端運(yùn)行環(huán)境:以Android Studio為開發(fā)集成環(huán)境,使用Java編程語言,基于安卓3.1SDK開發(fā)。采用SQLite輕型數(shù)據(jù)庫,通過JSON數(shù)據(jù)格式進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。系統(tǒng)最終運(yùn)行在安卓3.1以上版本的手持終端,并需內(nèi)置UHF、1D/2D掃描等物聯(lián)網(wǎng)功能。本研究選擇傅里葉CILICO F880手持終端,該終端基于Android 7.1系統(tǒng)開發(fā),內(nèi)置物聯(lián)網(wǎng)功能,讀取距離3~5 m。牛耳佩戴的電子耳標(biāo)選擇超高頻UHF電子耳簽,讀寫距離在1~7 m。

        云端運(yùn)行環(huán)境:Web端開發(fā)環(huán)境為Visual Studio 2019,使用IIS 8作網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器,服務(wù)端數(shù)據(jù)庫為MS SQL Server。服務(wù)端部署到阿里云服務(wù)器上。

        3.2 系統(tǒng)應(yīng)用

        初次使用本系統(tǒng)時,養(yǎng)殖場負(fù)責(zé)人需先注冊,然后設(shè)置養(yǎng)殖場員工信息,如姓名、聯(lián)系方式和密碼等。登錄系統(tǒng)后,首先進(jìn)入“場長視圖”,展示了整個牛場前1 d牛只個體發(fā)生的不同事件信息。點(diǎn)擊“功能列表”,展示各數(shù)據(jù)填報功能,根據(jù)業(yè)務(wù)流程,逐項(xiàng)完成數(shù)據(jù)填報。點(diǎn)擊“統(tǒng)計分析”,展示牛群數(shù)據(jù)和產(chǎn)奶量的分析圖表。點(diǎn)擊“用戶管理”,完成員工管理、密碼修改等。

        3.2.1 數(shù)據(jù)填報 詳實(shí)完整的牛只檔案信息是本系統(tǒng)業(yè)務(wù)運(yùn)行的核心數(shù)據(jù)。本系統(tǒng)提供了歷史數(shù)據(jù)導(dǎo)入和日常數(shù)據(jù)填報2種錄入方式。對于歷史數(shù)據(jù),將紙質(zhì)記錄表電子化后,保存為Excel格式,直接導(dǎo)入系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫。由圖4可知,對于日常錄入,通過點(diǎn)選虛擬輸入鍵盤,調(diào)取高頻字段字典數(shù)據(jù),實(shí)現(xiàn)信息的快速錄入。由圖5可知,系統(tǒng)提供了單個和批量2種記錄方式,對于單個牛只事件,如單頭牛的轉(zhuǎn)舍或離場,采取逐頭牛填報,而對于整個牛舍事件,例如斷奶犢牛轉(zhuǎn)舍至青年牛舍,采取批量填報。由圖6可知,手持終端識別電子耳標(biāo)數(shù)據(jù),獲取牛只唯一ID。根據(jù)牛只ID查詢數(shù)據(jù)庫,判斷為空,新增牛只信息或事件,否則顯示查詢結(jié)果。

        3.2.2 專家知識診斷 本系統(tǒng)提供病情診斷和病情檢索2種智能推理診斷功能。(1)病情診斷。基于圖像及特征描述的指認(rèn)式診斷模式是最簡單直觀的診斷方式。由圖7可知,推理過程,即采用本體論方法,對常見病診斷知識進(jìn)行結(jié)構(gòu)劃分,設(shè)計知識庫。由圖8可知,該知識庫包括營養(yǎng)代謝性疾病、消化系統(tǒng)疾病、繁殖系統(tǒng)疾病、外科病、神經(jīng)系統(tǒng)疾病、中毒病、寄生蟲病、細(xì)菌病、病毒病等9大類。然后采用二叉樹檢索算法,基于不同發(fā)病部位的病癥及特征圖像,實(shí)現(xiàn)對常見疾病的知識解析說明。用戶根據(jù)發(fā)病部位,瀏覽圖像庫中的圖像,然后根據(jù)系統(tǒng)提示,逐步確認(rèn)疾病種類。(2)病情查詢。系統(tǒng)收錄了41種常見病,每種疾病包括概況、病源、臨床癥狀、確診方法和防治措施等詳細(xì)描述(圖9)。

        3.2.3 統(tǒng)計分析 本系統(tǒng)提供了“場長一張圖”和統(tǒng)計圖表2種分析方式。由圖10可知,“場長一張圖”匯集整個牛場前1 d牛只個體發(fā)生的不同事件信息,通過數(shù)據(jù)表,顯示牛只存欄、離場、總產(chǎn)奶量、日均產(chǎn)奶量、發(fā)情數(shù)、配種數(shù)、產(chǎn)犢數(shù)、流產(chǎn)數(shù),發(fā)病數(shù)、免疫數(shù)等10個指標(biāo)均值。本系統(tǒng)對牛群數(shù)據(jù)和產(chǎn)奶量進(jìn)行統(tǒng)計分析,提供牛群結(jié)構(gòu)和牛舍存欄動態(tài)圖(圖11、圖12),計算牛群結(jié)構(gòu)占比、各牛舍存欄分布、牛群胎次等。從牛只、牛舍和牛場3個層次,動態(tài)分析泌乳牛產(chǎn)奶分布、泌乳天數(shù)等。

        4 系統(tǒng)應(yīng)用效果

        于2019—2020年,在河南省原陽縣河南農(nóng)科牛業(yè)科技有限公司(奶牛養(yǎng)殖)、河南省蘭考縣花花牛有限公司(奶牛養(yǎng)殖)、河南省上蔡縣欣燃養(yǎng)殖專業(yè)合作社(肉牛養(yǎng)殖)、河南省泌陽縣夏南牛科技開發(fā)有限公司(肉牛養(yǎng)殖)進(jìn)行系統(tǒng)測試和應(yīng)用。應(yīng)用結(jié)果表明,與手工記錄數(shù)據(jù)對比,利用該系統(tǒng)采集數(shù)據(jù),節(jié)約記錄耗時80%,省去數(shù)據(jù)手工填報、后期整理和制圖等環(huán)節(jié),并且生成格式統(tǒng)一的數(shù)據(jù)檔案。與傳統(tǒng)管理方式對比,發(fā)情監(jiān)測漏配率降低25%,平均縮短胎間距4%(11 d)。奶牛乳房炎發(fā)病率降低20%。牛奶中乳蛋白不低于3.1%,肉牛飼養(yǎng)成本平均降低5%。

        5 結(jié)論

        本研究以牛只檔案為數(shù)據(jù)源,基于Android和手持終端構(gòu)建了一套適用于千頭以下規(guī)模化養(yǎng)殖場的牛場智能管理系統(tǒng),具有牛群、育種、繁殖、泌乳和育肥等8個管理模塊。該系統(tǒng)具有以下特點(diǎn):(1)集成超高頻RIFD技術(shù),提供“點(diǎn)讀”和“群讀”2種快速牛只實(shí)時識別與監(jiān)測方式,實(shí)現(xiàn)了牛場日常業(yè)務(wù)高效準(zhǔn)確采集;(2)采用二叉樹檢索算法,基于不同發(fā)病部位的病癥及特征圖像,提供指認(rèn)式診斷方式;(3)提供“場長一張圖”等統(tǒng)計功能,實(shí)現(xiàn)了牛場繁育、泌乳、生長、發(fā)病等數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析。應(yīng)用結(jié)果表明,利用手持終端遠(yuǎn)距離讀取耳標(biāo)信息、調(diào)取牛只檔案、查閱關(guān)聯(lián)事件,有效整合了牛場內(nèi)各類業(yè)務(wù)流程,提升了牛場的業(yè)務(wù)水平及管理水平。在本研究中,該系統(tǒng)的統(tǒng)計分析模塊實(shí)現(xiàn)了對牛只記錄信息分析與處理,但未涉及數(shù)據(jù)挖掘等功能。在下一版本研發(fā)中,將結(jié)合飼養(yǎng)設(shè)備和專家知識,增加飼養(yǎng)管理模塊識,進(jìn)一步完善數(shù)據(jù)分析類型和圖表類型。

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