劉廣同 ， 何金成 ， 劉 橙

（1.福建農(nóng)林大學(xué)機電工程學(xué)院，福建 福州 350002；2.現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備福建省高校工程研究中心，福建 福州 350002）

我國是農(nóng)業(yè)大國，生豬養(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)是我國畜牧業(yè)的支柱性產(chǎn)業(yè)。2020年世界豬肉總產(chǎn)量為9 788萬噸，相比于2019年，同比下降幅度為4.02%。世界豬肉產(chǎn)量下降的主要原因就是中國生豬產(chǎn)能下降[1]。中國生豬市場自2020年1月份以來就面臨著非洲豬瘟疫情與新冠肺炎疫情的雙重打擊，使得生豬供給出現(xiàn)緊張態(tài)勢，造成豬肉價格劇烈上漲[2]。傳統(tǒng)落后的養(yǎng)殖管理制度已經(jīng)無法應(yīng)對疫病、溯源等現(xiàn)實問題帶來的多重挑戰(zhàn)。隨著現(xiàn)代養(yǎng)豬業(yè)的規(guī)?；l(fā)展，移動互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、云計算、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能等高端前沿技術(shù)不斷被融入到傳統(tǒng)的畜牧業(yè)中[3]，更高效、更高質(zhì)量、更智慧的養(yǎng)豬新模式不斷被發(fā)掘投入使用，推動了整體生豬養(yǎng)殖行業(yè)智能設(shè)備的應(yīng)用普及和自動化發(fā)展進程。其中，無線射頻識別（Radio Frequency Identification，RFID）技術(shù)作為構(gòu)建智慧養(yǎng)豬的核心關(guān)鍵技術(shù)，備受國內(nèi)外專家學(xué)者的關(guān)注[4]。

1 RFID技術(shù)簡介

第二次世界大戰(zhàn)期間英國空軍受到雷達原理的啟發(fā)開發(fā)了一套敵我飛機識別系統(tǒng)[5]，在其后的幾十年間，RFID技術(shù)在理論領(lǐng)域得到了長足發(fā)展。20世紀(jì)70年代末，美國的Los Alamos實驗室正式將RFID技術(shù)推廣到民用領(lǐng)域[6]。20世紀(jì)80年代，RFID技術(shù)走向成熟，挪威的RFID電子收費系統(tǒng)，美國鐵路使用的RFID識別車輛系統(tǒng)，歐洲的野生動物追蹤系統(tǒng)以及紐約港務(wù)局的RFID電子收費系統(tǒng)[7-8]，RFID技術(shù)逐漸在各行各業(yè)開花結(jié)果，射頻識別技術(shù)的應(yīng)用日益繁榮。隨著標(biāo)準(zhǔn)化與成本的下降，RFID技術(shù)全面推廣與應(yīng)用成為自動化行業(yè)不可逆轉(zhuǎn)的大勢。2006年，科技部頒布了《中國射頻識別（RFID）技術(shù)政策白皮書》，為RFID技術(shù)戰(zhàn)略發(fā)展、產(chǎn)業(yè)化戰(zhàn)略推進和宏觀環(huán)境建設(shè)建立了政策指導(dǎo)框架[9]。隨著我國高新技術(shù)的快速發(fā)展，社會對于食品安全、智能化管理等方面的要求也逐步提高，這些促使RFID技術(shù)在我國農(nóng)畜業(yè)快速推廣與普及[10]。

2 RFID技術(shù)基本原理

RFID技術(shù)的基本原理是電磁理論[11]，通過無線射頻方式進行非接觸雙向數(shù)據(jù)通信，利用無線射頻方式對電子標(biāo)簽進行讀寫操作，從而達到識別與交換數(shù)據(jù)的目的[12-13]。首先，讀寫器將微波查詢信號直接發(fā)出，在RFID可識別的范圍內(nèi)，被安裝在目標(biāo)物體上的電子標(biāo)簽會接收到部分微波能量并將其轉(zhuǎn)化為直流電，形成微弱電壓，以供電子標(biāo)簽內(nèi)部電路使用。同時，另外一部分微波能量會通過本身攜帶的微帶天線反射到電子標(biāo)簽讀出裝備，并將自身攜帶的信息與之進行交換，進行處理，最后得到存儲在電子標(biāo)簽的RFID唯一識別碼[14-15]。

當(dāng)前的RFID系統(tǒng)由讀寫器、電子標(biāo)簽及上位機軟件構(gòu)成[16]。其中，RFID電子標(biāo)簽具有唯一編碼性，每一個電子標(biāo)簽都是獨一無二的，電子標(biāo)簽與豬只的身份信息一一對應(yīng)，可以很清楚地追蹤到豬只的流通情況。根據(jù)對電子標(biāo)簽供電方式的不同，可將RFID技術(shù)分為三類：無源RFID、有源RFID、半有源RFID[17]。無源RFID通過電磁感應(yīng)線圈獲取能量來對自身短暫供電[18]，不需要對標(biāo)簽單獨外接電源，因而在畜牧業(yè)中應(yīng)用最為廣泛。

3 RFID技術(shù)的應(yīng)用優(yōu)勢

3.1 高容納性

與條形碼相比，RFID的存儲容量能夠達到數(shù)兆字節(jié)。因此，RFID電子標(biāo)簽可以存儲容納更多的數(shù)據(jù)信息，如豬只身份、生產(chǎn)地、出生日期等等。讀寫器還可以根據(jù)實際需求對電子標(biāo)簽進行反復(fù)讀寫，重復(fù)使用。當(dāng)讀寫器將讀取的數(shù)據(jù)上傳到上位機系統(tǒng)時，系統(tǒng)加以處理，便可以實現(xiàn)對目標(biāo)產(chǎn)品的追根溯源。

3.2 讀取距離遠

RFID電子標(biāo)簽相對于條形碼和磁條而言，自身有比較大的優(yōu)勢[19]。RFID技術(shù)可以通過改變天線的增益率與讀寫器功率，調(diào)整讀取距離，從幾十厘米到幾十米，精確定位。因此，RFID技術(shù)是舍內(nèi)生豬定位的有效手段。

3.3 編碼唯一性

RFID的每個電子標(biāo)簽都具有唯一性，在生產(chǎn)標(biāo)簽的過程中，便已經(jīng)將電子標(biāo)簽與物體信息綁定在一起。因此，在后續(xù)物體的流通使用中，這個標(biāo)簽都是對應(yīng)此物體，在此基礎(chǔ)上可以實現(xiàn)物體的防偽溯源。

3.4 安全性高

RFID電子標(biāo)簽可以以任何形式附著在目標(biāo)物體上，同時還可以采取多種加密方式（如三重DES和RSA算法）對RFID標(biāo)簽數(shù)據(jù)進行加密[20]。這就保證了電子標(biāo)簽所附帶的數(shù)據(jù)信息不被銷毀和篡改，保密性高。

3.5 讀取速度快

RFID讀寫器進行讀取時，速度非常快，讀取12位數(shù)據(jù)只需要0.3 s~0.5 s，而且一次可以讀取多個電子標(biāo)簽的信息。

3.6 無障礙閱讀

RFID讀寫器可以穿過布帛、紙張、木材等多種材質(zhì)對電子標(biāo)簽進行閱讀，具有良好的穿透性，實現(xiàn)了無障礙閱讀。

4 RFID技術(shù)在我國生豬養(yǎng)殖業(yè)中的應(yīng)用

4.1 生豬個體數(shù)字化精細養(yǎng)殖

RFID技術(shù)可以實現(xiàn)非接觸式的遠距離目標(biāo)自動識別，適用于當(dāng)前豬只生產(chǎn)養(yǎng)殖與管理控制的實際需求。在生豬豬耳上貼上電子標(biāo)簽，這些標(biāo)簽記錄下豬只的相應(yīng)個體信息，包括豬只的生產(chǎn)地、品種類別、出欄日期等。在飼料投喂之前，需將本次投喂飼料的生產(chǎn)廠商、飼料名稱以及添加劑等使用情況記錄在生豬的RFID標(biāo)簽里，以便出現(xiàn)任何飼料問題時能夠迅速查詢溯源。一旦豬只靠近射頻識別區(qū)域，電子標(biāo)簽就會自動激活，讀寫器就會讀取出目標(biāo)豬只的相應(yīng)數(shù)據(jù)信息，并將此信息傳遞給RFID的上位機軟件，從而完成對豬只的識別與跟蹤。

確定了豬只身份，就可以收集到目標(biāo)豬只的采食量與體重數(shù)據(jù)，然后根據(jù)年齡以及身體健康等方面的情況進行分析，針對單個豬只進行飼料、飲水、藥物等方面的投喂。該技術(shù)的使用可以實現(xiàn)飼料轉(zhuǎn)化率的計算[21]，選取更適合豬只育肥的飼料投喂量。

4.2 在豬肉制品追溯過程中的應(yīng)用

當(dāng)前市場除了關(guān)注豬肉價格的波動外，對于高品質(zhì)、健康安全的豬肉同樣抱有極高的期望。近年來，隨著動物福利和飼料工業(yè)的發(fā)展，我國的豬肉產(chǎn)量得到了顯著提高，但也帶來了新的問題[22]。在生豬的養(yǎng)殖過程中，養(yǎng)殖戶濫用抗生素、化學(xué)合成藥物、激素等未經(jīng)國家批準(zhǔn)的藥物，導(dǎo)致豬肉類產(chǎn)品的獸藥殘留度嚴(yán)重超標(biāo)，直接危害到消費者的健康。如2011年3·15晚會曝光的“瘦肉精”事件，引起了全社會的廣泛關(guān)注，一度激起了消費者的“恐肉”心理。因此，為了使生豬從養(yǎng)殖、屠宰、加工、貯藏、運輸和銷售等各個環(huán)節(jié)透明化，有效被監(jiān)管，建立完善的豬肉制品追溯系統(tǒng)就顯得尤為重要[23]。

豬肉制品追溯系統(tǒng)基于RFID技術(shù)，由RFID標(biāo)簽、讀寫器、增益天線、服務(wù)器和信息終端等組成，通過PDA（Personal Digital Assistant）自動掃描，并依托GPRS（General Packet Radio Service）、ADSL（Asymmetric Digital Subscriber Loop）、Wi-Fi（Wireless-Fidelity）等網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、系統(tǒng)集成及數(shù)據(jù)庫等計算機技術(shù)實現(xiàn)互聯(lián)[24]。在生豬的養(yǎng)殖環(huán)節(jié)中，采用RFID技術(shù)，用電子標(biāo)簽記錄下生豬的飼養(yǎng)信息、防疫信息、治療信息與出欄信息等。運輸環(huán)節(jié)中，質(zhì)檢人員隨機抽查生豬信息，并將豬只信息匹配后上傳到系統(tǒng)。屠宰前，為了能確保所有豬只都滿足屠宰要求，需要對豬只在養(yǎng)殖階段的各項數(shù)據(jù)進行讀取，以確保那些未達到屠宰標(biāo)準(zhǔn)的生豬被篩選出來淘汰。屠宰后，需要將生豬的RFID電子標(biāo)簽信息轉(zhuǎn)移到胴體標(biāo)簽內(nèi)[25]，以便生豬的身份信息能夠被繼承和傳遞。胴體切割成豬肉，再將分類的豬肉封裝成物流單元，貼上條形標(biāo)簽，便能分級顯示豬肉的流動環(huán)節(jié)，做到真正意義上的全程追溯與跟蹤。

4.3 在病死豬無害化處理過程中的應(yīng)用

十八大報告提出，建設(shè)生態(tài)文明，是關(guān)系人民福祉、關(guān)乎民族未來的長遠大計。自2018年非洲豬瘟傳入我國以來[26]，形成了對中國生豬養(yǎng)殖業(yè)產(chǎn)業(yè)升級與綠色環(huán)保的雙重挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)的病死豬無害化處理技術(shù)包括四類：焚燒法、化制法、掩埋法和發(fā)酵法[27]。采用RFID技術(shù)監(jiān)控病死豬無害化處理流程，可有效保障處理過程的真實性，提高政府的公信力與人民的安全感。

首先，由養(yǎng)殖戶申報病死豬信息，無害化處理廠核實信息后，由專門人員對豬只尸體建立檔案并安裝RFID電子標(biāo)簽，將相應(yīng)的病死豬信息記錄到標(biāo)簽中（如病死原因、病死日期等），同時將信息上傳到服務(wù)器存檔。其次，在病死豬運輸、存儲、處置等各個流程中，嚴(yán)格按照RFID電子標(biāo)簽記錄信息核實豬只身份，防漏防缺。最后，在病死豬處置后回收RFID標(biāo)簽，消除標(biāo)簽信息。

4.4 在生豬疾病防控管理中的應(yīng)用

我國防疫機構(gòu)具有良好的信息化環(huán)境，相關(guān)的業(yè)務(wù)流程十分規(guī)范，這就為檢疫領(lǐng)域使用RFID技術(shù)提供了可行性[28]。首先，防疫人員為養(yǎng)殖場定制生豬防疫計劃，包括消毒處理、藥物治療、疫苗注射、定時檢疫等，然后將該計劃上傳到生豬疾病防控系統(tǒng)。系統(tǒng)會根據(jù)生豬防疫計劃為養(yǎng)殖場制定時間，并提醒防疫人員該去什么養(yǎng)殖場進行防疫工作，此防疫工作的內(nèi)容是什么。防疫人員到達養(yǎng)殖場后，只需通過PDA掃描生豬耳標(biāo)上的RFID電子標(biāo)簽，便能完成該豬只的防疫信息采集。當(dāng)防疫人員完成防疫工作后，需將本次工作的時間和內(nèi)容通過PDA寫入豬只的RFID電子標(biāo)簽中，這樣當(dāng)養(yǎng)殖場人員掃描時，便能知道豬只的健康情況和防疫效果。一旦豬只發(fā)生疫情，獸醫(yī)可以根據(jù)RFID電子標(biāo)簽所記錄的具體信息，快速查詢和鎖定目標(biāo)，進行緊急防疫和治療。

5 RFID技術(shù)在國外生豬養(yǎng)殖業(yè)中的研究現(xiàn)狀

20世紀(jì)80年代起，歐美國家便已經(jīng)成功地將計算機技術(shù)融入到畜牧業(yè)的生產(chǎn)體系中，在自動化、精準(zhǔn)化、信息化的浪潮中獲得了長足發(fā)展。通過RFID技術(shù)，施行了有效的自動化控制和信息化管理，使得其生產(chǎn)效率空前提高，生豬的養(yǎng)殖規(guī)模不斷擴大。當(dāng)前，世界上的主要發(fā)達國家如美國、英國、日本、德國、法國、荷蘭等已經(jīng)陸續(xù)建立了一些自動化程度高的生豬養(yǎng)殖農(nóng)場，將RFID技術(shù)應(yīng)用于生豬自動化養(yǎng)殖的信息收集，并對數(shù)據(jù)進行分析整合，取得了很好的成果。

荷蘭的NEDAP公司從1982年開始，便將RFID技術(shù)成功應(yīng)用到了生豬飼養(yǎng)管理中，從最初的母豬自動飼喂站，到后來的奶牛自動識別，再到如今的Velos自動群養(yǎng)系統(tǒng)，他們在利用RFID技術(shù)進行精準(zhǔn)飼喂、動物福利的道路上走得很遠[29]。法國ACEMO公司設(shè)計的Elistar母豬多功能自動飼喂系統(tǒng)可以提供飼料投喂、激素供應(yīng)、母豬篩選與噴色分類等多種功能，大大減少了養(yǎng)殖場員工的工作量，提升了養(yǎng)殖自動化水平。此外，還有美國Osborne公司設(shè)計的TEAM全自動母豬飼喂系統(tǒng)[30]，德國Big Dutchchman公司的CALLMATIC2智能飼養(yǎng)管理系統(tǒng)等[31]。這些歐美國家通過RFID技術(shù)構(gòu)建起豬只管理系統(tǒng)，將養(yǎng)殖豬只的各個環(huán)節(jié)數(shù)據(jù)鏈接起來，通過計算機技術(shù)提高養(yǎng)殖效率，推動了生豬養(yǎng)殖自動化與信息化的進程。但是，由于進口設(shè)備貴，維護成本高，加之在生豬養(yǎng)殖環(huán)境下設(shè)備易老化磨損，而且一旦出現(xiàn)斷電問題，電子元器件容易損壞，所以企業(yè)效益的提升與設(shè)備的推廣受到了嚴(yán)重影響。

6 RFID技術(shù)在生豬養(yǎng)殖業(yè)中存在的問題

6.1 成本問題

對于我國大部分中小型生豬養(yǎng)殖業(yè)的廠商和農(nóng)民而言，雖然RFID技術(shù)存在諸多優(yōu)勢，但是讀寫器和電子標(biāo)簽的成本過高，尤其是建立RFID系統(tǒng)后，還需要聘請專業(yè)人士進行維護，會嚴(yán)重增加其養(yǎng)殖負擔(dān)。加之我國廣大的農(nóng)民文化水平較低，接受高新技術(shù)的能力較弱，養(yǎng)殖利潤低，這就導(dǎo)致在我國生豬養(yǎng)殖業(yè)內(nèi)推廣和普及RFID技術(shù)具有較高的難度。

6.2 標(biāo)準(zhǔn)化問題

RFID的標(biāo)準(zhǔn)體系分為四大類：RFID技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、RFID數(shù)據(jù)內(nèi)容標(biāo)準(zhǔn)、RFID性能標(biāo)準(zhǔn)和RFID應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)。就技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)而言，目前RFID存在三個主要的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系。其一是由國際電工委員會（IEC）組織聯(lián)合技術(shù)委員會和國際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）制定的ISO標(biāo)準(zhǔn)體系。其二是國際物品編碼協(xié)會（EAN）與美國統(tǒng)一代碼協(xié)會（UCC）制定的EPC Global標(biāo)準(zhǔn)化體系。其三是由日本經(jīng)濟產(chǎn)業(yè)省牽頭成立的Ubiquitous ID Center。隨著RFID技術(shù)在我國生豬養(yǎng)殖業(yè)的快速普及，與之相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)化問題也接踵而至。以前我國基本都是照搬三大標(biāo)準(zhǔn)體系的標(biāo)準(zhǔn)，而且在目前生豬養(yǎng)殖行業(yè)中主要使用的是超高頻及以上頻段，我國還沒有自己的標(biāo)準(zhǔn)，這就造成了開發(fā)商在開發(fā)設(shè)備時無章可循，生產(chǎn)的設(shè)備替換性和通用性極低，而且照搬三大標(biāo)準(zhǔn)體系很容易陷入他人的專利陷阱。因此，我國在2000年年初便已經(jīng)開始了RFID技術(shù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)化的研究制定工作，如出臺了《建設(shè)事業(yè)IC卡應(yīng)用技術(shù)》《集成電路卡模塊技術(shù)規(guī)范》等相關(guān)政策標(biāo)準(zhǔn)。但是整個生豬養(yǎng)殖行業(yè)RFID標(biāo)準(zhǔn)化體系的平衡性、擴展性、保密性還只是在初步探索階段，并沒有十分完善的解決方案。

6.3 數(shù)據(jù)傳輸干擾問題

RFID技術(shù)使用非接觸的通信方式，以電磁波為傳輸媒介在空間中傳播。但是由于反射、折射、散射和吸收等一系列現(xiàn)象的存在，造成了信號在傳播的過程中會有所衰減。在現(xiàn)實的豬舍環(huán)境中，豬舍豬只（電子標(biāo)簽）眾多，讀寫器發(fā)送信號時，來自多個不同電子標(biāo)簽的應(yīng)答信號之間也會相互干擾。同時使用多個讀寫器時，讀寫器之間也會相互干擾，最終就導(dǎo)致了數(shù)據(jù)在傳輸過程中出現(xiàn)丟失、無法識別等故障現(xiàn)象。

6.4 數(shù)據(jù)安全

以RFID技術(shù)為核心構(gòu)建生豬系統(tǒng)使用了大量的電子標(biāo)簽，這些標(biāo)簽記錄了豬只的一系列信息，甚至是公司的一些機密信息。但是RFID電子標(biāo)簽自身的計算、存儲以及電源供應(yīng)能力是有限的，應(yīng)對敵對方從無線通信信道以及網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)發(fā)起的截獲或攻擊，就顯得力不從心了。尤其是RFID讀寫器與多個電子標(biāo)簽進行通信時，一旦遭到截獲，就可能會暴露所有的信息，造成更大的風(fēng)險。

7 展望

目前，我國的生豬養(yǎng)殖業(yè)在RFID技術(shù)的應(yīng)用上整體技術(shù)水平還不太高，很多還只是停留在實驗室的階段。很多大型企業(yè)的RFID設(shè)備基本依賴于進口，雖然解決了標(biāo)簽的標(biāo)準(zhǔn)化問題，但是也加重了其生產(chǎn)成本。為了引導(dǎo)RFID技術(shù)在生豬養(yǎng)殖業(yè)的健康發(fā)展，需要政府在政策上給予更多的支持，鼓勵養(yǎng)殖企業(yè)大膽創(chuàng)新并提供稅收優(yōu)惠。同時，還需要重視RFID技術(shù)人才隊伍的建設(shè)，建設(shè)穩(wěn)定的人才培養(yǎng)梯隊。完善我國自身的RFID標(biāo)準(zhǔn)體系，建立RFID隱私保護法律法規(guī)。這樣，隨著RFID技術(shù)在生豬養(yǎng)殖業(yè)中的不斷推進，成本與傳輸干擾問題逐漸得到解決，標(biāo)準(zhǔn)化與相關(guān)法律法規(guī)也健全和完善起來，RFID技術(shù)在生豬養(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)中的應(yīng)用將會擁有更廣闊的前景。