射頻識(shí)別技術(shù)在畜禽養(yǎng)殖中的應(yīng)用與展望

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(tái)，江蘇 南京 210014）

近年來(lái)，隨著土地資源緊張、勞動(dòng)力成本的提高，畜禽養(yǎng)殖業(yè)向集約化、規(guī)模化的方向發(fā)展，與此同時(shí)畜禽疫病頻發(fā)、養(yǎng)殖環(huán)境惡化、福利水平降低等問(wèn)題愈加突出[1]。因此，為解決集約化養(yǎng)殖所產(chǎn)生的問(wèn)題，首先需對(duì)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(píng)估。畜禽信息獲取手段分為接觸式測(cè)量和非接觸式測(cè)量，接觸式測(cè)量一般指用人工方法對(duì)畜禽信息采集，如采用人工測(cè)量或?qū)嶒?yàn)研究的方法對(duì)畜禽的體重、體尺、采食等信息進(jìn)行采集。接觸式測(cè)量不僅結(jié)果不準(zhǔn)確、誤差大，而且可能對(duì)動(dòng)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(wú)應(yīng)激智能化的信息采集技術(shù)即RFID，并在近年來(lái)得到快速發(fā)展。

1 RFID技術(shù)原理

RFID是一種自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，通過(guò)無(wú)線射頻方式進(jìn)行非接觸雙向數(shù)據(jù)通信，用于識(shí)別或跟蹤目標(biāo)物體，可用于如人、動(dòng)物或其他物品的信息采集，具有非接觸、識(shí)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(dòng)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(gè)部分組成，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。RFID系統(tǒng)的基本工作過(guò)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(hào)，帶有標(biāo)簽的目標(biāo)物體進(jìn)入射頻信號(hào)的可識(shí)別區(qū)域后，標(biāo)簽通過(guò)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(lái)的載波信號(hào)，對(duì)載波信號(hào)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(hào)的合理性并做出相應(yīng)的處理和控制，發(fā)出指令信號(hào)，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(shí)別的目標(biāo)物體上。每個(gè)標(biāo)簽都有一個(gè)帶有唯一序列號(hào)的微芯片和一個(gè)用于接收和傳輸信息的天線。一般來(lái)說(shuō)，豬用標(biāo)簽直接設(shè)計(jì)成耳標(biāo)，牛和小反芻動(dòng)物用標(biāo)簽為丸劑，寵物的標(biāo)簽通常設(shè)計(jì)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(gè)部分：（1）發(fā)射和接收射頻信號(hào)，用來(lái)實(shí)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(hào)，通過(guò)閱讀器內(nèi)部譯碼器解碼載波信號(hào)；（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(chǔ)從閱讀器執(zhí)行的詢問(wèn)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(lèi)

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(gè)類(lèi)別[5]（見(jiàn)表1）。工作頻段是指閱讀器通過(guò)天線發(fā)送、接收并識(shí)別標(biāo)簽信號(hào)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(kāi)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(hào)發(fā)射和接收的過(guò)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(shí)識(shí)別多個(gè)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(lèi)型RFID系統(tǒng)，以滿足多場(chǎng)景的畜禽信息采集。

表1 不同種類(lèi)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(lái)說(shuō)低頻RFID的電子標(biāo)簽通常是無(wú)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(hào)傳輸。低頻RFID系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是低頻射頻信號(hào)在面對(duì)干擾源時(shí)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(chǔ)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(duì)一等場(chǎng)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(gè)頻段范圍最常使用規(guī)格[10]。與低頻射頻識(shí)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(guò)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(shí)間只能讀取可識(shí)別范圍內(nèi)的一個(gè)電子標(biāo)簽（多個(gè)標(biāo)簽會(huì)造成數(shù)據(jù)沖突或丟失），高頻RFID系統(tǒng)可同時(shí)讀取多個(gè)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(chǔ)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(shí)別的場(chǎng)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(guò)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(duì)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(duì)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(dòng)力成本，還可以在無(wú)應(yīng)激狀態(tài)下獲得相關(guān)數(shù)據(jù)。采食行為監(jiān)測(cè)已在雞、豬、牛等畜禽上開(kāi)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(cè)系統(tǒng)，并開(kāi)發(fā)結(jié)構(gòu)化查詢語(yǔ)言（SQL）數(shù)據(jù)庫(kù)，用于管理雞的動(dòng)態(tài)進(jìn)食量和體重?cái)?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(cè)采食數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)健康肉牛比病態(tài)肉牛的采食時(shí)間多30%。Brown等[19]采用低頻RFID監(jiān)測(cè)育肥豬采食情況，發(fā)現(xiàn)采食時(shí)間每天逐漸增加，40 d后趨于穩(wěn)定。以上對(duì)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(shí)對(duì)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(zhǎng)。通常飼喂設(shè)備只能對(duì)單個(gè)畜禽的采食行為進(jìn)行記錄，為同時(shí)記錄多只畜禽的采食數(shù)據(jù)，Brown-Brandl等[20]設(shè)計(jì)一種8通道數(shù)據(jù)采集的種豬飼喂系統(tǒng)，可同時(shí)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(duì)應(yīng)，8通道采集情況下需要8根天線，在多個(gè)體識(shí)別的場(chǎng)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(shí)現(xiàn)一對(duì)多的識(shí)別，簡(jiǎn)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(shí)別特征，但識(shí)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(cè)及產(chǎn)品溯源等方面。在飲水行為上，Maselyne等[21]設(shè)計(jì)了一種高頻RFID系統(tǒng)來(lái)記錄豬只飲水行為。天線周?chē)贾?個(gè)乳頭飲水器，可同時(shí)識(shí)別4個(gè)電子耳標(biāo)，實(shí)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(cè)系統(tǒng)，天線布置在圓形飼料槽的中央，對(duì)不同位置和方向上的電子耳標(biāo)進(jìn)行識(shí)別測(cè)試，發(fā)現(xiàn)識(shí)別的靈敏度和識(shí)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(jì)了一種基于高頻RFID和ZigBee的豬場(chǎng)養(yǎng)殖環(huán)節(jié)信息溯源與監(jiān)控系統(tǒng)，通過(guò)高頻RFID系統(tǒng)對(duì)豬只的進(jìn)出、豬只類(lèi)型及與健康水平相關(guān)的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，結(jié)合無(wú)線通信發(fā)送至本地?cái)?shù)據(jù)庫(kù)，當(dāng)豬只生物安全防控出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)，數(shù)據(jù)庫(kù)中心通過(guò)豬只身份對(duì)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(shí)現(xiàn)多目標(biāo)識(shí)別，但長(zhǎng)距離識(shí)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(shí)別速度快及識(shí)別距離遠(yuǎn)的優(yōu)勢(shì)，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(duì)于采食數(shù)據(jù)采集，Zhao等[24]設(shè)計(jì)一種超高頻RFID檢測(cè)系統(tǒng)，監(jiān)測(cè)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(shí)，可以通過(guò)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(shí)，通過(guò)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(guò)在飼喂槽內(nèi)布置天線，監(jiān)測(cè)生長(zhǎng)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(jì)一種動(dòng)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(hào)的均勻性。軟件部分采用LabVIEW圖形語(yǔ)言實(shí)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(duì)動(dòng)物實(shí)時(shí)跟蹤。超高頻射頻信號(hào)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(shí)別[27]；在畜禽定位管理的長(zhǎng)距離識(shí)別情況下，應(yīng)提高天線密度，保證管理范圍內(nèi)射頻信號(hào)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(zhǎng)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(kù)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(chǎng)景。例如，低頻RFID系統(tǒng)的射頻信號(hào)在環(huán)境中的抗衰減能力強(qiáng)，系統(tǒng)的可靠性高，同時(shí)技術(shù)成熟，成本最低，但另一方面，它不能同時(shí)檢測(cè)多個(gè)電子標(biāo)簽。高頻RFID可同時(shí)檢測(cè)多個(gè)電子標(biāo)簽，但讀取距離有限。當(dāng)需要進(jìn)行長(zhǎng)距離識(shí)別時(shí)，只有超高頻RFID可以用一個(gè)天線實(shí)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(lái)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(lái)說(shuō)，特定的RFID系統(tǒng)可以實(shí)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?chē)h(huán)境。在三種類(lèi)型的RFID系統(tǒng)中，可以通過(guò)修改閱讀器天線的靈敏度或輸出功率來(lái)調(diào)整讀取范圍。未來(lái)，畜禽生產(chǎn)的場(chǎng)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(shí)識(shí)別低、高、超高頻射頻信號(hào)的電子標(biāo)簽，實(shí)現(xiàn)畜禽在攜帶一個(gè)電子標(biāo)簽的情況下進(jìn)行多場(chǎng)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(lèi)分析。另外，RFID系統(tǒng)的使用多是在高溫高濕環(huán)境，長(zhǎng)期使用會(huì)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。