基于超高频RFID技术的智能群养系统的设计与实现

基于超高频RFID技术的智能群养系统的设计与实现

龚骏毅李正姚姿娜冯军

广西慧云信息技术有限公司龚骏毅李正姚姿娜冯军

摘要：随着物联网技术和移动互联网技术为特征的信息化浪潮席卷全球，当代世界经济正在由工业化时期进入信息化时代，现代化信息技术也正在向各个领域渗透。尤其在畜牧业中，信息技术将上升到重要的地位，新型畜牧业将向着新的方向发展。生猪养殖户数减少，生产规模逐渐扩大，养殖模式逐渐走向集约化、工厂化。本文将立足于我国养殖业典型性和现状，以智能群养理念为核心，结合RFID身份识别技术，设计和探索符合我国养殖需求的智能群养系统。

关键字：精准养殖、智能群养、超高频RFID、物联网

基金项目：广西科学研究与技术开发计划项目“林下高效种养综合技术研究与示范”

项目合同编号：桂科攻1299001-3（排版时保留）

引言

随着物联网技术和移动互联网技术为特征的信息化浪潮席卷全球，当代世界经济正在由工业化时期进入信息化时代，现代化信息技术也正在向各个领域渗透。尤其在畜牧业中，信息技术将上升到重要的地位，新型畜牧业将向着新的方向发展。生猪养殖户数减少，生产规模逐渐扩大，养殖模式逐渐走向集约化、工厂化。目前，在世界生猪养殖行业中，荷兰、美国等国处于领先地位。荷兰国土面积并不辽阔，但其生猪养殖业却很发达，基于RFID智能标签的智能群养系统被广泛地使用，使得其对母猪的饲养与管理取得了举世瞩目的成就。本文将立足于我国养殖业典型性和现状，以智能群养理念为核心，结合RFID身份识别技术，设计和探索符合我国养殖需求的智能群养系统。

智能群养原理

将猪场分为2个部分：采食区和饮水区，并且在采食区和饮水区之间安装了智能分栏器。采食区的生长肥育猪可以自由进入饮水区，但饮水区的生长肥育猪必须通过智能分栏器才能进入采食区。系统通过RFID身份标签能从一个群体中识别出每个个体，并对个体进行测定和记录，当佩带RFID电子耳牌标签的生猪通过分栏器采食时，分栏器可以立即读取该猪的耳牌号码，并记录和测定该头猪进入/退出采食区的时间和重量，其前后的重量差即为该测定猪此次的采食量。

智能分栏器可以根据猪的体重将猪分为2—4栏，并根据分栏器获得的数据，可以清楚知道每栏有多少头猪，以及其真实的平均体重，实现对生猪按照生长周期的分栏，根据不同周期的猪栏投放不同生长阶段的饲料，从而实现全过程生长周期的精细化智能群养管理。

系统可以根据每头母猪的识别信息(耳牌号、背膘、胎次、胎龄等)，甚至根据季节因素统计出该类型母猪的采食曲线，进行精确供料，避免人工饲喂造成的应激以及饲料浪费和由于饲喂不准确造成的母猪体况不均，从而确保每头母猪得到最准确的饲喂。系统将定时自动统计采食异常的情况，并将采食异常报告推送到养殖公司工作人员的电脑终端。通过近距离无线组网技术与移动互联网，遍布在各地养殖场的监控仪可以实时将数据汇总到云端数据中心，数据中心对海量数据进行处理分析，并将计算结果发送到养殖公司工作人员的电脑终端。工作人员可以清楚了解到所有超过正常时间范围还尚未采食的牲畜情况，以及牲畜所属的养殖场与负责饲养员。

智能群养的核心管理理念在于根据不同的生长周期阶段为猪群进行分栏并实现精准的喂养和监控，实现全过程生长周期的精细化养殖。智能群养实现的基础在于基于RFID电子标签的身份识别体系的建立，如何快速、稳定、正确地识别牲畜信息是整套智能群养管理平台的基础保障，特别是针对我国各地养殖业发展情况不同的现状，环境地形复杂的地域对于生猪身份识别的要求更加突出。经过大量的试验和应用探索，我们采用高频或者超高频RFID技术来实现身份识别体系的建立。

高频与超高频RFID技术对比

典型高频RFID标签工作频率一般为1356MHz，一般以无源标签为主。标签与阅读器进行数据交换时，标签必须位于阅读器天线辐射的近场区内，高频标签的阅读距离一般情况下小于1米。高频标签穿透非金属物体力强，工作频率不受无线电频率管制约束，最适合用于含水成分较高的物体，例如水果等。因为识别距离的限制，高频RFID标签对于群养形式的生猪在标签识别上存在一定的困难和较大误差。

超高频标签的工作频率一般在860-960MHz之间，可分为有源标签与无源标签两类。工作时射频标签须处于阅读器天线辐射场的远场区内，标签与阅读器之间的耦合方式为电磁耦合方式。阅读器天线辐射场为无源标签提供射频能量,将无源标签唤醒。相应的阅读器识别距离一般大于1米,通常为4-6米，最大可达10米以上。阅读器天线一般为定向天线，只有在阅读器天线定向波束范围内的标签可被识别。超高频作用范围广，传送数据速度快，穿透力较弱，作业区域不能有太多干扰。由于超高频RFID标签可识别距离较远，十分符合智能群养管理过程中生猪身份识别体系的功能需求，加上养殖基地干净的无线通讯环境，更加保证了识别的准确、稳定。

对于不同应用目的和应用环境，系统的组成可能有所不同，但是RFID系统基本都由三个部分组成：电子标签、天线、RFID读写器，最终由读写器中的通讯模块跟后台系统关联实现数据交互。

超高频RFID读写器主要包括射频ASIC模块、前置接收电路、发射功率放大器、控制模块等模拟电路组成。读写器能够发射足够高的高频能量，激活RFID标签卡并未标签卡提供能量；通过对发射信号进行的调制，将命令数据等参数通过天线发送给超高频RFID电子标签；同时接收并解调出超高频RFID电子标签返回的副载波负载调制的信号。

读写器在上电以后进行各种参数的初始化，并读取EEPRoM中保存的初始化参数，接下来就循环等待后端系统的控制命令或读取前端ASIC解调好的信息。后端系统通过通讯模块向读写器发送读写标签卡命令，控制器把读写命令转发给射频ASIC，让ASIC产生相应的控制、编码、调制等信息。功率控制操作是通过DAC产生控制电压，来控制功放模块的参考电压来产生不同大小的输出功率，保障远距离超高频RFID读写的高速稳定。

智能群养系统设计

通过云服务平台完成对整体系统数据运算、分析、处理，提供对外服务的接口，结合基于超高频RFID身份识别的物联网技术，将RFID电子标签固定于猪耳朵，结合条码技术通过智能手机管理生猪身份信息；通过固定在采食通道的RFID读写器收集生猪采食信息并使用分栏器进行智能群分，实现精准养殖的全周期监控；消息队列服务器将通过Zigbee无线网络传输过来的数据，加密后以消息队列的形式通过运营商网络上传云服务器。饲养员通过安装在智能手机上的服务端APP能够在任何一处能够连接互联网的地方实现育种繁育管理、远程医疗协助和远程智能监控。

结论

在系统项目开发和调试的过程中，基于超高频RFID身份认证体系得到了严格的测试，养殖场恶劣的现场环境和复杂多样的放养地形并没有给超远距离身份识别造成巨大影响，系统研发成功后立即投入试点项目使用，取得了一定实用效果和示范效应。系统采用SaaS的服务模式方便地为养殖基地提供精准、稳定、高效的优质现代化信息服务，提高了生产效率和生产质量，探索出一条符合我国养殖特色的智能群养体系，具有一定推广价值。系统平台通过物联网和移动互联网的融合，对生猪智能群养生产实行标准化流程体系，用互联网的思维革新传统养殖模式，实现更加科学、规范和智慧地指导生猪养殖生产，进一步提高生产效率、降低生产成本。

参考文献：

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