廖 超，程金花，任守文，李碧俠，付言峰，王學(xué)敏，徐小波

（江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院畜牧研究所，江蘇 南京 210014；江蘇省農(nóng)業(yè)種質(zhì)資源保護(hù)與利用平臺，江蘇 南京 210014）

近年來，隨著土地資源緊張、勞動力成本的提高，畜禽養(yǎng)殖業(yè)向集約化、規(guī)?；姆较虬l(fā)展，與此同時畜禽疫病頻發(fā)、養(yǎng)殖環(huán)境惡化、福利水平降低等問題愈加突出[1]。因此，為解決集約化養(yǎng)殖所產(chǎn)生的問題，首先需對畜禽的健康狀況、行為、養(yǎng)殖環(huán)境等數(shù)據(jù)信息進(jìn)行采集和評估。畜禽信息獲取手段分為接觸式測量和非接觸式測量，接觸式測量一般指用人工方法對畜禽信息采集，如采用人工測量或?qū)嶒炑芯康姆椒▽π笄莸捏w重、體尺、采食等信息進(jìn)行采集。接觸式測量不僅結(jié)果不準(zhǔn)確、誤差大，而且可能對動物造成應(yīng)激，不利于畜禽的健康養(yǎng)殖[2]。因此，誕生了一種非接觸、無應(yīng)激智能化的信息采集技術(shù)即RFID，并在近年來得到快速發(fā)展。

1 RFID技術(shù)原理

RFID是一種自動識別技術(shù)，通過無線射頻方式進(jìn)行非接觸雙向數(shù)據(jù)通信，用于識別或跟蹤目標(biāo)物體，可用于如人、動物或其他物品的信息采集，具有非接觸、識別速度快、準(zhǔn)確率高的特點(diǎn)，在現(xiàn)代畜禽養(yǎng)殖行業(yè)的溯源追蹤、育種管理、動物行為收集等方面有著廣泛的應(yīng)用[3]。RFID系統(tǒng)通常由標(biāo)簽、閱讀器和主機(jī)三個部分組成，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。RFID系統(tǒng)的基本工作過程是由閱讀器內(nèi)置的天線向四周發(fā)射一定頻率的射頻信號，帶有標(biāo)簽的目標(biāo)物體進(jìn)入射頻信號的可識別區(qū)域后，標(biāo)簽通過內(nèi)置發(fā)送天線將自身編碼等信息發(fā)送出去；閱讀器內(nèi)置的天線接收到從標(biāo)簽發(fā)來的載波信號，對載波信號進(jìn)行解碼，然后將信息送到主機(jī)系統(tǒng)處理；主機(jī)系統(tǒng)判斷該射頻信號的合理性并做出相應(yīng)的處理和控制，發(fā)出指令信號，控制并執(zhí)行相應(yīng)的功能[4]。

標(biāo)簽附著在RFID系統(tǒng)中所要識別的目標(biāo)物體上。每個標(biāo)簽都有一個帶有唯一序列號的微芯片和一個用于接收和傳輸信息的天線。一般來說，豬用標(biāo)簽直接設(shè)計成耳標(biāo)，牛和小反芻動物用標(biāo)簽為丸劑，寵物的標(biāo)簽通常設(shè)計成可包伏在皮膚下的小膠囊，家禽的標(biāo)簽一般附著在腿部、翼處或頸部。

閱讀器是用于電磁波發(fā)射或接受的電子設(shè)備，可以是固定式或者手持式。閱讀器的功能包含三個部分：（1）發(fā)射和接收射頻信號，用來實現(xiàn)閱讀器與目標(biāo)物體之間的通信；（2）接收并處理由電子標(biāo)簽發(fā)射的載波信號，通過閱讀器內(nèi)部譯碼器解碼載波信號；（3）將解碼后的數(shù)據(jù)傳輸至主機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理及可視化分析。

主機(jī)用于存儲從閱讀器執(zhí)行的詢問程序中收集的信息。在某些情況下，它也可以用于控制閱讀器。

2 RFID系統(tǒng)的分類

RFID系統(tǒng)按因其工作頻段的不同可以分成低頻、高頻和超高頻三個類別[5]（見表1）。工作頻段是指閱讀器通過天線發(fā)送、接收并識別標(biāo)簽信號的頻率范圍。目前畜禽業(yè)主要使用低頻RFID，但高頻和超高頻RFID在畜禽業(yè)中的應(yīng)用也在不斷開發(fā)，以滿足不同畜禽飼養(yǎng)的應(yīng)用需求。低頻RFID在進(jìn)行信號發(fā)射和接收的過程中受水分或金屬等干擾源的影響較小[6]，因此是畜禽信息采集設(shè)施的良好選擇，但也存在不能同時識別多個電子標(biāo)簽、讀取距離有限以及讀取速度較慢等缺點(diǎn)，需要研究不同類型RFID系統(tǒng)，以滿足多場景的畜禽信息采集。

表1 不同種類RFID的特性

2.1 低頻RFID

低頻RFID的工作頻段在0.01～1.00 MHz之間，最常使用的是0.125 MHz和0.135 MHz這兩種規(guī)格[7]。一般來說低頻RFID的電子標(biāo)簽通常是無源的（標(biāo)簽內(nèi)不含電池），依靠電感耦合的方式完成閱讀器與電子標(biāo)簽之間的信號傳輸。低頻RFID系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是低頻射頻信號在面對干擾源時的通信質(zhì)量較好，缺點(diǎn)包括不支持多標(biāo)簽讀取、讀取距離短以及信息存儲容量有限等[8]。雖然RFID系統(tǒng)發(fā)展較成熟，設(shè)備成本低，但由于諧振頻率低，標(biāo)簽制作需要大電感值的繞線電感，造成標(biāo)簽成本高于其他頻段的RFID系統(tǒng)[9]。鑒于低頻RFID系統(tǒng)的特性，畜牧業(yè)常常將其用作短距離、閱讀器與標(biāo)簽一對一等場景下的畜禽信息采集。

2.2 高頻RFID

高頻RFID系統(tǒng)使用的頻段范圍是1～400 MHz，13.56 MHz是這個頻段范圍最常使用規(guī)格[10]。與低頻射頻識別系統(tǒng)相比，高頻RFID系統(tǒng)中閱讀器與電子標(biāo)簽之間同樣通過電感耦合的方式進(jìn)行通信，主要區(qū)別是使用了更快的數(shù)據(jù)傳輸和引入防撞機(jī)制[11]。低頻RFID系統(tǒng)中，單位時間只能讀取可識別范圍內(nèi)的一個電子標(biāo)簽（多個標(biāo)簽會造成數(shù)據(jù)沖突或丟失），高頻RFID系統(tǒng)可同時讀取多個標(biāo)簽，傳輸速率通常能達(dá)到100 kbps左右[12]。電子標(biāo)簽內(nèi)存儲容量一般為0.256～8 kbps以上字節(jié)，并且有較高的安全性，讀取距離一般小于1 m，常應(yīng)用于多目標(biāo)、快速識別的場景[13]。

2.3 超高頻RFID

超高頻RFID系統(tǒng)使用的頻段范圍是400～1 000 MHz[14]。超高頻RFID作為遠(yuǎn)程信息采集系統(tǒng)，其原理是反向散射耦合，讀取范圍可達(dá)到12 m[15]。電子標(biāo)簽從閱讀器的電磁波中獲取能量，并通過將部分輻射反射回閱讀器進(jìn)行通信。超高頻RFID系統(tǒng)的傳輸速率較快，一般在100 kbps左右，并且由于可采用印刷或蝕刻的方式制造天線，成本也相對較低[16]。由于信息傳輸速率快、讀取距離遠(yuǎn)，并且可以進(jìn)行多標(biāo)簽讀取和分辨，所以超高頻RFID比較適用于畜禽的遠(yuǎn)距離多目標(biāo)信息采集。

3 RFID在畜禽養(yǎng)殖中的應(yīng)用

3.1 低頻RFID在畜禽養(yǎng)殖中的應(yīng)用

低頻RFID在畜禽養(yǎng)殖中的發(fā)展相對成熟，已在畜禽的采食數(shù)據(jù)采集上有所應(yīng)用。低頻RFID技術(shù)不僅減少勞動力成本，還可以在無應(yīng)激狀態(tài)下獲得相關(guān)數(shù)據(jù)。采食行為監(jiān)測已在雞、豬、牛等畜禽上開展研究。Tu等[17]研發(fā)出一種基于低頻RFID的雞采食和體重監(jiān)測系統(tǒng)，并開發(fā)結(jié)構(gòu)化查詢語言（SQL）數(shù)據(jù)庫，用于管理雞的動態(tài)進(jìn)食量和體重數(shù)據(jù)。Sowell等[18]采用低頻RFID的肉牛飼喂系統(tǒng)，除了正常監(jiān)測采食數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)健康肉牛比病態(tài)肉牛的采食時間多30%。Brown等[19]采用低頻RFID監(jiān)測育肥豬采食情況，發(fā)現(xiàn)采食時間每天逐漸增加，40 d后趨于穩(wěn)定。以上對不同畜禽采食行為的研究，可以為飼養(yǎng)管理優(yōu)化提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，同時對異常采食情況進(jìn)行預(yù)警，以便在疫病發(fā)生的早期介入治療，保障畜禽的健康生長。通常飼喂設(shè)備只能對單個畜禽的采食行為進(jìn)行記錄，為同時記錄多只畜禽的采食數(shù)據(jù)，Brown-Brandl等[20]設(shè)計一種8通道數(shù)據(jù)采集的種豬飼喂系統(tǒng)，可同時記錄8頭豬只采食及飲水?dāng)?shù)據(jù)。該種豬飼喂系統(tǒng)基于低頻RFID，需要閱讀器天線與電子標(biāo)簽一一對應(yīng)，8通道采集情況下需要8根天線，在多個體識別的場景下成本較高。若能在低頻RFID系統(tǒng)中引入防撞機(jī)制，將實現(xiàn)一對多的識別，簡化系統(tǒng)構(gòu)造和降低成本。

3.2 高頻RFID在畜禽養(yǎng)殖中的應(yīng)用

高頻RFID具有多目標(biāo)識別特征，但識別距離仍然有限（≤1 m），主要應(yīng)用在飲水和采食行為監(jiān)測及產(chǎn)品溯源等方面。在飲水行為上，Maselyne等[21]設(shè)計了一種高頻RFID系統(tǒng)來記錄豬只飲水行為。天線周圍布置4個乳頭飲水器，可同時識別4個電子耳標(biāo)，實現(xiàn)豬只飲水的多目標(biāo)信息采集。在采食行為上，Adriaens等[22]研究基于高頻RFID的育肥豬采食監(jiān)測系統(tǒng)，天線布置在圓形飼料槽的中央，對不同位置和方向上的電子耳標(biāo)進(jìn)行識別測試，發(fā)現(xiàn)識別的靈敏度和識別范圍很大程度上取決于電子標(biāo)簽的高度和方向。在產(chǎn)品溯源上，張洗玉等[23]設(shè)計了一種基于高頻RFID和ZigBee的豬場養(yǎng)殖環(huán)節(jié)信息溯源與監(jiān)控系統(tǒng)，通過高頻RFID系統(tǒng)對豬只的進(jìn)出、豬只類型及與健康水平相關(guān)的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，結(jié)合無線通信發(fā)送至本地數(shù)據(jù)庫，當(dāng)豬只生物安全防控出現(xiàn)問題時，數(shù)據(jù)庫中心通過豬只身份對疾病進(jìn)行追溯。雖然高頻RFID在畜禽業(yè)有大量的探索，但由于技術(shù)成本較高，推廣程度仍不及低頻RFID。高頻RFID系統(tǒng)能實現(xiàn)多目標(biāo)識別，但長距離識別能力有待提升。

3.3 超高頻RFID在畜禽養(yǎng)殖中的應(yīng)用

超高頻RFID系統(tǒng)由于成本高，相較于低頻和高頻RFID，目前在畜禽養(yǎng)殖中的應(yīng)用尚且較少。超高頻RFID具有工作頻率高、多目標(biāo)識別速度快及識別距離遠(yuǎn)的優(yōu)勢，除了被應(yīng)用于采食數(shù)據(jù)采集，更適合用于放養(yǎng)或圈養(yǎng)畜禽的定位管理。對于采食數(shù)據(jù)采集，Zhao等[24]設(shè)計一種超高頻RFID檢測系統(tǒng)，監(jiān)測群養(yǎng)母雞的采食及筑巢行為。當(dāng)母雞出現(xiàn)在喂食器上時，可以通過附著在母雞脖子上的標(biāo)簽記錄其采食數(shù)據(jù)。當(dāng)母雞進(jìn)入巢箱時，通過腿部標(biāo)簽記錄母雞的筑巢行為，該系統(tǒng)將為優(yōu)化群養(yǎng)雞飼養(yǎng)管理提供數(shù)據(jù)支撐。Adrion等[25]研究一種基于超高頻RFID的育肥豬飼喂站，通過在飼喂槽內(nèi)布置天線，監(jiān)測生長肥育豬的采食情況。另外在畜禽追蹤定位管理方面，Catarinucci等[26]設(shè)計一種動物跟蹤系統(tǒng)。硬件部分由超高頻RFID系統(tǒng)組成，能夠保證跟蹤區(qū)域內(nèi)信號的均勻性。軟件部分采用LabVIEW圖形語言實現(xiàn)，利用基于RSSI提出的算法，保證系統(tǒng)在每種工作條件下都可對動物實時跟蹤。超高頻射頻信號受環(huán)境影響衰減嚴(yán)重，在采食、飲水?dāng)?shù)據(jù)采集上應(yīng)做到短距離識別[27]；在畜禽定位管理的長距離識別情況下，應(yīng)提高天線密度，保證管理范圍內(nèi)射頻信號的均勻性［28］。

4 RFID系統(tǒng)在畜禽應(yīng)用的展望

低頻、高頻和超高頻這三種RFID系統(tǒng)應(yīng)用于畜禽養(yǎng)殖可以采集和提供各種詳細(xì)的信息，如畜禽生長性能數(shù)據(jù)、防疫、產(chǎn)品溯源、定位跟蹤。閱讀器可以連接到遠(yuǎn)程主機(jī)，提供有效的數(shù)據(jù)收集和數(shù)據(jù)庫管理方法，在生產(chǎn)商、飼養(yǎng)員、包裝商或獸醫(yī)之間進(jìn)行共享數(shù)據(jù)。不同頻段的RFID技術(shù)因其性能的特殊性，可能適用于不同的畜禽信息采集場景。例如，低頻RFID系統(tǒng)的射頻信號在環(huán)境中的抗衰減能力強(qiáng)，系統(tǒng)的可靠性高，同時技術(shù)成熟，成本最低，但另一方面，它不能同時檢測多個電子標(biāo)簽。高頻RFID可同時檢測多個電子標(biāo)簽，但讀取距離有限。當(dāng)需要進(jìn)行長距離識別時，只有超高頻RFID可以用一個天線實現(xiàn)。高頻和超高頻RFID系統(tǒng)的成本相較于低頻RFID系統(tǒng)較高，這也是限制其發(fā)展的主要原因。隨著未來畜禽養(yǎng)殖集約化的發(fā)展，RFID的成本在產(chǎn)量提升和標(biāo)簽回收機(jī)制的協(xié)同作用下有望進(jìn)一步降低，這就進(jìn)一步促進(jìn)高頻和超高頻RFID系統(tǒng)的發(fā)展。

一般來說，特定的RFID系統(tǒng)可以實現(xiàn)的特定讀取范圍，這取決于閱讀器、電子標(biāo)簽和天線的組合以及周圍環(huán)境。在三種類型的RFID系統(tǒng)中，可以通過修改閱讀器天線的靈敏度或輸出功率來調(diào)整讀取范圍。未來，畜禽生產(chǎn)的場景及信息采集更加復(fù)雜多樣，如何準(zhǔn)確、高效地記錄這些信息在技術(shù)上還有待進(jìn)一步解決，例如將制作出能同時識別低、高、超高頻射頻信號的電子標(biāo)簽，實現(xiàn)畜禽在攜帶一個電子標(biāo)簽的情況下進(jìn)行多場景（采食、飲水、產(chǎn)品溯源、定位跟蹤、生產(chǎn)管理）的數(shù)據(jù)采集，并且將不同數(shù)據(jù)進(jìn)行分類分析。另外，RFID系統(tǒng)的使用多是在高溫高濕環(huán)境，長期使用會導(dǎo)致設(shè)備多故障、穩(wěn)定性下降，需加大研發(fā)力度，提高RFID系統(tǒng)在惡劣環(huán)境下的穩(wěn)定性。