EPC 物联网在奶牛养殖中的应用

李庆香

(重庆文理学院计算机学院，重庆 永川 402160)

近年来，疯牛病、口蹄疫、猪链球菌感染、禽流感、三聚氰胺、瘦肉精等重大食品安全事件的爆发引起了全世界的广泛关注.随着经济的全球化，食品跨国界和跨地区流通越来越频繁，各种食品安全事故和隐患呈迅速扩展和蔓延之势［1］.如何确保食品安全，已经成为目前迫切需要解决的问题.为了解决食品安全问题，目前，各种先进的信息技术正在被研究和利用，近年来出现的EPC物联网技术成为当前解决该类问题的最佳选择.

在国外，物联网技术在食品药品质量监管领域已得到广泛研究.澳大利亚建立了一个畜牧标示和追溯系统，使用统一的电子耳标对牛羊进行识别管理［2］.日本自2001年起建立了食品身份证制度，即农产品履历制度，用来实现对农产品产销的追踪［3］.美国 Purdue Pharma制药公司已将RFID标签与单一药瓶包装生产线的流程成功整合，将RFID标签贴在OxyContin(一种麻醉止疼药)药品的包装瓶上，对其进行流向追踪及监控.北美最大的食品服务营销和分配组织SYSCO公司，已完成低温储运系统的RFID与传感系统集成测试，结果表明RFID在食品运输过程中监控温度、湿度等环境参数的能力很强，可有效保证食品品质和质量安全［4］.

在国内的食品安全领域，食品识别多采用条形码技术［5］，RFID技术应用也逐渐成为研究的热点.基于RFID技术的“安全猪肉监控追溯系统”2005年在上海正式投入使用，该系统将RFID标签打在猪耳朵上，实时获取生猪的饲料、病历、喂药、转群、检疫等信息［6］.

目前，牛奶工业是各种经济中的重要组成部分.例如，在美国，牛奶工业估计产值接近350亿美元;在意大利，2007年和2008年产值估计115亿美元，是整个国民经济的重点，也关系到每个人的切身利益［7］.

目前.国内将RFID应用于养殖场的应用很少，而且目前国内的系统主要是针对生猪养殖，没有专门针对奶牛养殖的系统.保证奶牛所产奶的安全性和可靠性，是一个持续的过程.所以，本文以RFID技术和EPC物联网为基础，提出基于EPC的物联网架构下奶牛养殖和牛奶追踪系统的基本原理，对其结构和功能进行分析，利用RFID标签来实现奶牛的跟踪追溯，降低了奶牛的养殖成本，提高了牛奶的安全性.

1 EPC物联网

近几年物联网技术受到了人们的广泛关注，“物联网”被称为继计算机、互联网之后，世界信息产业的第三次浪潮.物联网概念最早出现于比尔·盖茨1995年出版的《未来之路》一书.自物联网概念提出以来，相继引起了美国、欧盟、日韩和中国等各国的重视.物联网目前并没有准确的定义，关于物联网的比较准确的定义是:物联网是通过各种信息传感设备及系统(传感网、射频识别系统、红外感应器、激光扫描器等)、条码及二维码、全球定位系统，按约定的通信协议，将物与物、人与物、人与人连接起来，通过各种接入网、互联网进行信息交换，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种信息网络［8］.物联网已经在环境监控和精细农业、民用安全监控、医疗监控、工业监控、智能交通、物流管理及控制、智能家居领域等方面得到一定程度的应用.物联网的应用前景非常广阔.

基于EPC的物联网是在计算机互联网的基础上，利用全球统一的物品编码技术、RFID技术、无线数据通信技术等，实现全球范围内的单件产品的追踪与追溯.典型的EPC物联网由信息采集系统、实体描述语言(Physical Markup Language，PML)信息服务器、对象名服务器(ONS)和 Savant系统4 部分组成［9］.EPC 物联网的系统组成如图1所示.

图1 EPC物联网的系统组成

信息采集系统:信息采集系统由产品电子标签、读写器、驻留有信息采集软件的计算机组成，主要完成产品的识别及EPC的采集和处理.

PML信息服务器:PML信息服务器由产品生产商建立并维护，储存着这个生产商生产的所有商品的文件信息.它根据事先规定的原则对产品进行编码，并利用标准的PML对产品的相关信息进行描述，从而生成PML文件.在PML文件中，除了包括不会改变的产品信息外，还包括经常性变动的数据和随时间变动的数据.每个产品的PML文件都被存储在一个PML信息服务器中，该服务器将配置一个专用的计算机，为其他计算机提供他们所需要的文件.

ONS:ONS的作用是在各信息采集节点与PML信息服务器之间建立联系，实现产品EPC到产品PML信息之间的映射.

Savant系统:Savant系统在物联网中处于读写器和企业应用程序之间，相当于物联网的神经系统.Savant系统采用分布式结构，层次化地组织、管理数据流，具有数据收集、过滤、整合与传递等功能，因此，能将有用的信息传到企业后端的应用系统或其他Savant系统中.Savant系统需要对数据进行相应的处理，其中，最关键的是冗余数据过滤、数据聚合和信息传递三方面的处理［10］.

2 系统设计

2.1 系统结构

该系统由信息采集、监控中心、信息服务三部分组成，其系统结构如图2所示.

图2 系统组织结构图

信息采集:由标签读写器、电子标签及天线等构成，完成奶牛信息的识别和传送.

监控中心:完成对奶牛的自动喂食控制、挤奶过程的控制以及疾病监控的控制.

信息服务:提供对奶牛信息的存储和查询.

工作过程:当有标签的奶牛通过设置了RFID读写器的大门时，读写器读出该奶牛的EPC编码，通过无线个人局域网ZigBee技术，在PML专用计算机中找到该EPC编码，并通过ONS，将该 EPC编码和 PML信息服务器中的PML文件建立映射关系，找到该EPC所对应的PML文件后，将该文件中有关该奶牛的信息显示在计算机屏幕上，并将需要特别注意的奶牛信息在显示屏中以不同的颜色显示，以引起饲养员的注意.根据该PML文件中所提供的该奶牛产奶的情况，通过Savant系统，给每头奶牛自动配置所需的食物，并在喂食的过程中，饲养员将接奶杯和奶牛的乳头连接起来，挤奶过程自动开始，挤奶过程完成后，将每头奶牛产奶的相关情况写回数据库，完成食物喂养和挤奶后奶牛退出奶场.

2.2 系统实现

2.2.1 信息采集

该系统采用超高频的RFID技术，该技术优点在于电子标签是一种非接触式的自动识别技术，它通过射频信号自动识别目标对象并获取相关数据，识别工作无需人工干预，可工作于各种恶劣环境.而超高频的RFID技术具有较远的读写距离，能够在比较远的距离上识别高速运动中的物体，并可同时识别多个标签，操作快捷方便.本系统采用符合国际标准的ISO18000－6C协议的EPC标签，目前EPC有64位、96位和256位，其特点是安全、简单、具有唯一性和分层扩展性.为了降低电子标签成本，本系统采用64位编码，其中EPC区数据编码依据国际(《动物射频识别代码结构》，GB/T20563－2006)，结合实际应用，本标签采用如图3所示的编码结构.

图3 本系统标签的编码结构图

在该EPC编码中，头部指出了EPC标签的格式、产品电子码总长度和EPC的分区信息.全世界总共有224个国家，所以采用8位表示，最多能表示256个国家;省级代码用6位，最多能表示64个省，足以表示每个国家所有的省;县市代码采用6位，能表示64个县市;养殖场代码采用16位，每个县市能够有65 536个养殖场;动物代码采用20位，每个养殖场能够养殖1 048 576头动物.采用该EPC编码后，能够保证全世界每一个动物都有唯一能够识别的编码.

对刚出生0～4天的小牛在右耳放置EPC标签，设置了EPC标签的每一头奶牛都有一个唯一的EPC编码，对每一头有标签的奶牛都在本地数据库及远程数据库中存放该奶牛的相关信息:EPC代码，出生日期，产奶开始日期，已经产奶天数，产奶量，产奶速度，用药记录，体温.

在喂养场和挤奶场的大门处设置读写器，当奶牛进入该读写器的读写范围时，由读写器读出该奶牛的EPC编码，在ZigBee无线网络的作用下，并通过ONS在各个奶牛的EPC编码之间与PML信息服务器之间建立联系，实现从EPC编码到PML信息之间的映射，找到对应的PML文件，并将其显示出来.

2.2.2 监控中心

在计算机显示器上显示出相关奶牛的信息，并通过体温传感器检测每头奶牛的健康状况，将每头奶牛所测得的体温写入PML文件并将相关信息显示在挤奶场的大屏幕上，以方便饲养员查看.对于需要特别注意的奶牛以不同的颜色进行标注，比如产奶速度比较慢的奶牛以红色标识，以便饲养员可以先让这些奶牛先产奶;对于最新开始产奶的，可以以黄色标注，以便饲养员对它们的情况进行关注;对于新近注射了药物的奶牛，以绿色标注，以方便饲养员丢弃它们所产的奶;对于所测体温异常的奶牛，以蓝色标注，以便饲养员进一步检测该奶牛的情况.当进入挤奶室的奶牛数量已经满了，则自动关掉大门.此时可以开始自动喂食，每头奶牛的食量根据它的产量和泌乳周期进行自动配置，比如上次产奶量达到50 L的可以喂食12 kg，30 L的8 kg，20 L的6 kg，小于20 L的2 kg，当一头奶牛产奶时间达到300天周期的第150天，它的高产期就已经过了，这个时候应该将食量减少到75%，到250天时，应该将食量减少到50%［7］.在喂食的过程中，饲养员将每一头奶牛的乳头和杯子连接，此时就可以实现自动产奶，对于产奶量比较大的奶牛，饲养员需要换第二个杯子.饲养员还需要注意的是处理一些特殊情况，比如当完成挤奶时拔掉杯子，对有疾病的奶牛产的奶进行丢弃.当完成挤奶后，操作员需要向乳头喷洒防感染药，对病牛使用过的设备进行消毒，打开大门，完成自动挤奶和喂食过程.挤奶过程完成后，由Savant系统将产奶过程中和产奶结束后需要写回PML文件的数据进行管理，通过冗余数据过滤、数据聚合和信息传递完成对数据的管理.最后由饲养员收集牛奶到一个固定的容器，并对其进行密封，对该容器贴上RFID标签，以备对牛奶的去向和生产过程进行追踪.

2.2.3 信息服务

本地信息系统由2台服务器和数据库管理系统软件组成，2台服务器为主、从配置，数据实时备份，确保数据安全可靠.远程信息系统由服务商提供.通过信息服务可以实现对奶牛信息和牛奶信息的追踪和溯源.

3 结语

本文主要实现了对奶牛养殖场中奶牛的自动管理，实现对奶牛的自动喂养、自动挤奶、疾病监控自动化过程，减少了劳动力，降低了农场养殖的成本，提高了产奶的质量，并能对每一头奶牛进行追踪溯源.本系统主要针对的是奶牛养殖过程中的挤奶自动化和喂食自动化，可以类似地将其推广至其他畜牧业的养殖过程中.不足之处在于:系统虽然实现了养殖场的自动化管理，但是没有实现对所生产的牛奶的追踪和溯源，要实现这一功能，需要对牛奶加工和运输过程进行控制，这是下一步研究的目标.

［1］徐焕良，陆荣和，彭增起，等.基于产品生命周期管理的肉品车间生产跟踪及追溯体系研究［J］.农业工程学报，2007，23(12):161 －166.

［2］PettittR G.Traceability in the food animal industry and super－ market chains［J］.Rev Sci Tech of Int Epiz，2001，20(2):584－597.

［3］Stanford K，Stitt J，Kellar J A，et al.Traceability in cattle and small ruminants in Canada［J］.Rev Sci Tech of Int Epiz，2001，20(2):510 －522.

［4］任守纲，徐焕良，黎安，等.基于RFID/GIS物联网的肉品跟踪及追溯系统设计与实现［J］.农业工程学报，2010，26(10):229 －235.

［5］王虎虎，徐幸莲.畜禽及产品可追溯技术研究进展及应用［J］.食品工业科技，2010，31(8):413 －416.

［6］王立方，陆昌华，谢菊芳，等.家畜和畜产品可追溯系统研究进展［J］.农业工程学报，2005，21(7):168 －174.

［7］Samuel FW，Alison Wicks.RFID deployment and use in the dairy value chain:applications，current issues and future research directions［EB/OL］.2010 －08 －23(2011 －03 －21).http://www.autoidlabs.org/single－ view/dir/article/1/340/page.html.

［8］刘化君.物联网技术［M］.北京:电子工业出版社，2010:21－24.

［9］向明尚.EPC物联网在车辆管理系统中的应用［J］.大庆石油学院学报，2010(2):89－93.

［10］杨刚.物联网理论与技术［M］.北京:科学出版社，2010:16－19.