生猪精细生产深度溯源物联网信息技术研究.doc

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生猪精细生产深度溯源物联网信息技术研究

胡肄农1* 罗远明2 叶环3

（1．江苏省农业科学院兽医研究所210014；2．无锡富华科技有限责任公司214101；3．连云港福润食品有限公司222300）

摘　要针对猪肉生产全过程，从养殖、屠宰加工、冷链贮存、流通及监管等环节，集成环境智能测控、动物生物特征信息采集、电子标识、动物产品安全溯源和基于云计算技术的“网上牧场”平台等技术体系，构建生猪精细生产和深度溯源物联网平台。

关键词精细养殖溯源物联网

1、引言

物联网技术是将所有物品通过各种信息传感设备，如传感器、射频识别（RFID）技术、全球定位系统、红外感应器、激光扫描器、气体感应器等各种装置与技术，实时采集任何需要监控、连接、互动的物体或过程，采集其声、光、热、电、力学、化学、生物、位置等各种需要的信息，与互联网结合形成的一个巨大网络。

其目的是实现物与物、物与人，所有的物品与网络的连接，方便识别、管理和控制。

农业物联网是物联网技术在农业生产经营管理中的具体应用，通过操作终端及传感器采集各类农业数据，基于无线传感器网、移动通信网和互联网实现信息传输，实现对农业生产过程监控、农业数据远程采集和测量、农业远程诊断等方面的信息化需求。

农业物联网目前尚处于起步阶段，已有一些探索和成功应用案例，如农业环境监测、温室控制、节水灌溉、气象监测、产品安全与溯源、设备智能诊断管理等。

作者针对猪肉生产全过程，从养殖、屠宰加工、冷链贮存、流通及监管等环节，集成环境智能测控、动物生物特征信息采集、电子标识、动物产品安全溯源和基于云计算技术的“网上牧场”平台等技术体系，构建生猪精细生产和深度溯源物联网平台。

将信息技术贯穿于安全猪肉养殖、加工和物流全过程的监督，实现动物规模养殖环境下的管理智能化，从产地到餐桌的全程质量可控化，对提高生猪养殖水平和食品安全都具有现实意义。

2、系统设计

2.1系统功能设计

2.1.1设施环境监控系统和动物健康监测系统

采用无线传感网络技术、在畜舍内设置多个不同环境指标的传感器节点，实现实时、可视的环境监控。

图1.猪场养殖过程数据采集与传输系统

①对规模化畜禽舍养殖环境（温度、湿度、光照强度、大气压、氨气气体浓度、硫化氢气体浓度和二氧化碳气体和微生物等参数）进行数据采集，以及无线网络传感节点的分布设计方案研究。

②自动控制畜舍通风设备、光照系统、湿帘系统和加热设备，对畜舍养殖环境进行监测和智能控制。

③动物健康监控设备的研究：

基于无线传感网建立动物数字化监测平台，包括无线传感器网络的部署、硬件设备的设计、定位和路由算法研究、可视化技术等。

给动物佩带无线传感器节点，通过无线路由将重要的生物特征信息（如体温、脉搏、位置信息）收集到汇聚节点，再通过网络传送到服务器上，对动物的发情、疾病、疫情通过手机或PDA进行实时预报、预警。

2.1.2屠宰场数据采集系统

建立屠宰车间无线数据传输网络信息系统，针对可追溯系统的关键环节，监控生猪到猪肉制品过程中个体标识的信息转移，用于屠宰场的流水线操作。

解决两个基本问题：

宰前活体身份信息与宰后胴体的标识对应问题、完整胴体与分割肉的标识转换问题。

基于嵌入式系统、PDA和手机等不同软硬件平台，研发数种二维条码耳标的识别设备，获得屠宰厂专用猪耳标无线识别器。

图2.屠宰场生产过程监控系统

2.1.3冷链监控预警与节能决策支持系统

冷链流通环节的监控，主要针对出场的肉产品（白条肉及分割肉等）远距离通过带传感器装置的冷藏车运送到目的地过程中，对该批次的产品发生的事件信息进行移动采集与传输。

涉及的技术：

3G移动通讯技术、GPS定位技术及近距离的蓝牙数据传输技术等。

猪屠体的冷却成熟过程可以提高肉的品质，但同时也可带来1-3%的损耗。

这种损耗主要来自滴水损失，影响因素众多，既包括环境因素：

冷库的形状、温度、风速、湿度等，冷却时间，其它屠体的重量、位置等；也包括自身因素：

猪的品种、饲养、运输、屠宰过程等预冷前因素，以及屠体的重量、厚度、冷库中的位置等预冷过程因素。

通过设置传感器，测量风速、温度和湿度，基于冷却过程来分析损耗，通过智能化分析，建立简单有效的决策支持系统，优化冷却过程。

图3肉品冷链监控预警系统

2.2物联网平台设计

2.2.1平台总体架构

生猪精细生产和深度溯源物联网平台的总体架构基于层次化方案。

底层面向养殖场、屠宰场、物流等生产环节，集成无线传感网、RFID、有线监控系统、环境控制子系统等技术，建立养殖环境监控数据采集平台。

数据采集平台包含现场数据采集网络、采集传感装置以及采集设备接口，可以自由组网，汇总网络内的各类相关传感信息。

建立层次化系统结构，在系统层次之间设置标准软硬件接口，可实现物联网应用领域的部分标准化工作，提供完整的整体解决方案和开放性的事务性系统接口：

①数据汇聚系统模块。

数据经过融合、前端处理、汇总，根据不同现场条件采用以太网、蓝牙、WiFi、3G网络等多种数据接入方式，通过远程、高速传输数据。

②数据处理中心。

远端建立专门数据处理中心，接受各种海量传感数据并应用云计算、专家系统等技术形成数据处理、显示、使用系统平台，并提供快速有效地反馈功能。

数据处理中心采用核心加密数据库及算法，对外提供通用型数据处理接口和应用接口。

③数据应用模块。

提供专家系统接口，提供养殖过程监测、控制、环境调节、数据采集功能。

图4.猪肉精细生产与深度溯源物联网平台总体架构

2.2.2物联网节点技术

针对动物个体信息采集系统的特点，节点设计采用Zigbee方案：

动物个体信息采集节点携带Zigbee通讯部件,能自动寻找附近的Zigbee路由器，加入Zigbee网络，并定时向网络发送监测数据。

Zigbee路由器负责通讯信息的中转，在记步器和协调器之间起联络作用，太阳能供电、免布线，确保24小时不间断工作，Zigbee路由器可以同时承担部分传感器的职责，一个Zigbee网络中，路由器可以有多个。

Zigbee协调器是Zigbee网络的核心，负责网络的建立及数据存储,太阳能供电确保24小时不间断工作。

协调器本自身也具备路由器的所有功能，一个网络中只能有一个协调器。

协调器上安装的GPRS/3G通讯部件，将数据通过互联网直接传输到云端服务器。

动物传感器

Zigbee协调器

广域网

非实时

Zigbee路由器

云端SAAS服务器

环境传感器

实时

GPRS/3G

RFID读写设备

图5.基于Zigbee的节点解决方案

2.2.3物联网软件平台（SaaS架构）

考虑到从种猪——商品猪——屠宰加工——物流的全流程特点，本着简单、高效、易用、低成本的出发点。

采用基于SaaS架构的物联网软件平台，它是RFID、条码识别、传感等物联网技术与云计算、SaaS软件技术的集成。

SaaS的前身是ASP（ApplicationServiceProvider，应用服务提供商）。

在这种模式下，企业不需要购买硬件服务器、软件系统和带宽，只需要支付租用费，上网就可以享受到相应的硬件、软件和维护服务，享有软件使用权和不断升级的服务。

设计出色的SaaS应用具有可扩展性、多用户高效性，而且可配置。

确保客户应用配置的简易性，同时还不必为每项配置支付额外的开发或运营成本。

SaaS平台主要解决两个方面的问题：

一是与节点设备的互联互通。

在物联网架构中,存在大量终端节点,在这些终端节点中既有价格低廉的传感器，也有功能复杂的智能终端。

所有这些设备都需要加入物联网系统,这就需要建立一个统一的网络连接规范。

在WEB2.0的时代，最广泛采用的协议规范就是SOAP（基于XML），但SOAP协议过于复杂,并且主要使用在TCP/IP的网络环境中，使得大量廉价设备无法使用，形成了物联网技术的一个瓶颈。

本项目应用更为简洁的Json-RPC作为网络连接规范，在此基础上加以改进,使其能够在Zigbee这样的网络中被无缝传输。

二是多租户体系。

从架构层面来分析，SaaS区别于传统技术的重要差别就是多租户模式，多租户就是说多个租户共用一个实例，租户的数据既有隔离又有共享，说到底就是如何解决数据存储的问题。

现在主流的数据库是关系型数据库，由于传统的关系数据库并未考虑多租户应用，所以需要进行必要的扩展，一般有独立数据库、独立Schema、共享数据表等三种扩展方案。

作者选择MongoDB，是一种NOSQL型的数据库,在很大程度上能够解决SQL型数据库的内在缺陷。

它的特点是高性能、易部署、易使用，存储数据非常方便，并且是免费开源的。

它的缺陷在于成熟度依然不够,配套的工具及软件匮乏，需要在开发层面进行必要的完善。

3、系统实施

生猪精细生产深度溯源物联网，目前正在江苏省农业科学院六合动物科学基地实施。

应用温度、湿度、照度、风速和氨气浓度等感器，建立猪舍环境参数采集系统，以便为生猪提供良好生存环境；为母猪和后备猪佩戴电子耳标，有利于快速识别猪群和猪只，实施数字化管理；基于嵌入式技术和无线局域网，开发手机、PDA等移动终端，实现猪场信息采集和生产管理等各项功能。

建立种猪场数据库，为种猪建立完整谱系和生产档案，使溯源系统的信息上溯到育种阶段；依据规模化养殖场电子档案的要求，建立免疫、检疫、猪病和投入品记录系统，反映免疫、检疫情况，重大疾病发生情况，饲料、药品等投入品来源、名称、数量、投入时间情况等，作为猪肉产品质量溯源的源头信息。

图6.猪舍环境测控系统节点示意图

图7.养殖管理系统软件界面

4、结语

养猪业信息化应用水平低，信息化投入预算少，设施投资不足，数字化管理程度不高。

急需建立一个综合性产业信息平台。

利用物联网可自动、实时监测动物的行为和健康状况，对动物的发情、疾病、疫情等进行监控和预警，不仅能对养殖场环境、动物健康、养殖、繁殖情况进行实时监控管理，实现自动化、智能化、现代化、可监控的数字化养殖系统。

随着人民生活水平的提高，畜牧生产由追求数量型转变为追求质量品质型，要求实现对畜产品的生产、包装、运输、仓储、销售等全过程的监督。

从源头监控入手布“点”，构建生猪精细生产深度溯源物联网，有助于将信息技术贯穿于安全猪肉养殖、加工和物流全过程的监督，将对提高我国食品安全水平起到重大的推动作用。

参考文献（略）

基金项目：

江苏省农业科技自主创新资金项目“规模猪场数字化管理与溯源技术研究”；江苏省科技支撑计划项目“生猪精细生产深度溯源物联网信息技术研究”

作者简介：

胡肄农，男，1969年生，研究员，研究方向为畜牧信息技术

通讯地址：

江苏省南京市玄武区钟灵街50号，210014；Tel:

025-84392969；Email:

huyinong@