基于RFID室内定位的圈养羊视频监控回朔系统

王永祥

摘 要：随着食品安全业务的快速发展，人们对肉类食品生产可视化回溯的要求也越来越高。受时间、精度以及复杂环境等条件的限制，比较完善的精确定位跟踪回溯技术目前还无法很好地利用。本文介绍了一种基于有源RFID室内定位的圈养羊视频监控系统。以RFID技术为核心，利用读写器对标签进行定位，采用成熟的定位算法与改进技巧，满足了对圈养羊定位视频监控的技术要求和可视化回溯监管的业务需求。

关键词：RFID 室内；定位；食品回溯；视频；监控

近年来，我国逐步将RFID射频识别技术运用于现代化畜牧业生产。现代的畜牧管理系统逐步由过去的粗放型养殖过渡到进行动物的精细型养殖，同时建立定位追踪管理来监测动物养殖的过程。目前有很多的国家和地区对食品安全生产采用基于RFID的技术进行管理，获得了非常好的效果。随着RFID技术的大量使用，我国部分高技术畜牧企业提出了可视化肉食监控回溯的需求，要求动态可视追踪圈养羊的生长全过程直至进入屠宰程序。为此我们提出了基于RFID室内定位的圈养羊视频监控回溯系统。

一、RFID 羊肉制品回溯追踪系统

基于RFID的食品追踪技术可以应用于畜牧业生产养殖的全过程，包括合理饲养、卫生防疫、食品加工、市场流通等多个环节，采用标准化技术规范和质量监督监管方式，能有效建立“从养殖到食用”的食品应用供应链回溯追踪体系。下图为基于RFID 的羊肉追踪系统的主要构成：

肉类食品监管平台，从各牲畜生产环节获取流通数据，通过食品供应链涉及的关联企业和业务部门的数据接入共享，从而实现养殖源头到零售环节的点对点监控。养殖环节，利用RFID 技术以及辅助手段进行全程饲养跟踪，从而能够和后台的养殖生产管理系统集成，并且系统和行业上级主管部门的卫生检疫平台对接。交通运输环节，使用基于RFID 技术的系统在交通运输节点上安装道口监控系统，从而能够实行对全程运输过程的监控，并提供卫生检疫检验和运输消毒等所需要的活动。屠宰厂环节，使用基于RFID 技术的系统对羊的健康状况进行确认，信息上传后端管理系。食品加工环节，使用基于RFID 技术的系统，与条码技术配合实现羊和羊肉间数据关联。市场流通环节，通过使用RFID 技术的系统提高物流的效率，通过使用条码技术了解源头的信息。

二、使用RFID技术实现室内定位的视频监控系统

基于RFID 的羊肉回溯系统在进入运输和屠宰流程后的工作流程，技术已较为成熟。国内目前使用的系统大多从屠宰作业开始，至零售结束，系统工作过程与普通基于RFID的物流企业没有太大差异，而饲养环节基本靠视频监控。以某客户需求求为例，其下属畜牧公司每栋羊圈占地60平米，养羊25只，其中羊舍和户外活动场地各占30平米。用户要求每天必须为每只羊采集饮食和户外活动视频各10分钟，并与羊身上佩戴的RFID标识对应，作为羊肉回溯视频资料。我们提出了基于RFID室内定位的视频监控方式以满足客户采集视频的需要。

射频识别是利用射频信号，通过交变磁场或电磁场耦合方式进行非接触式双向通信交换数据从而实现信息的传递，同时所传递的信息能够进行识别和定位。目前的RFID定位技术不能直接从读写器读取当前标签的精确距离，而是利用所接收到的信号强度值，用信号传输损耗模型估计标签和读写器的距离，再用三边定位法得到待定位物体的位置，或是根据读到的参考标签的坐标，利用信号估计方法来计算出被测物体的位置。

当羊群出入羊舍时，RFID读写器按照羊身上佩戴的RFID标签编号获取该标签位置信息，参照固定标签数据推算出较为精确的位置，控制摄像机依次跟踪拍摄。视频服务器将采集到的视频数据归类整理为相应文件提交审核，经抽查审核后的数据纳入饲养监控档案。

三、主要算法及改进

LANDMARC（LocAtioN iDentification based on dynamic

Active Rfid Calibration）系统是基于有源RFID技术的动态定位识别系统，它引入了参考标签的概念，利用处于固定位置的参考标签作为参考点来进行定位。因为读写器能够读到的相近位置标签信号强度（RSSI，Received Signal Strength Indicator）也是相近的，因此LANDMARC系统能够通过比较读写器接收到的待定位标签与参考标签信号强度值的不同来找出距离最近的几个参考标签，根据参考标签的坐标位置并结合它们的权重计算出待定位标签的位置。

在算法的选择上，LANDMARC系统使用“最近邻居”算法， LANDMARC系统的定位精度受读写器个数、参考标签的布局及密度、最近邻居个数的选取、室内环境等因素影响。

在实际应用中，为减少标签使用数量，提高跟踪精度，降低信号干扰，我们借鉴VIRE 方法，将所有参考标签跟据羊群的主要活动路线规则的放置，将标签间区域分割成纵横各10个网格， 然后将每一个小网格再分成16个相同的网格单元，每个网格单元可以作为1个虚拟参考标签，因为参考标签的坐标已知，相应参考标签的坐标可以通过计算得到。在实际环境中，我们采用拉格朗日插值多项式在离散数据的基础上补插连续函数，使得这条连续曲线通过全部给定的离散数据点。通过有限个点处的取值状况，估算出函数在其他点处的近似值，以获取参考标签的RSSI 值，从而更准确接近现实中的相应位置。我们可以认为每一个位置网格对应着一个虚拟参考标签，如果读写器读到的RSSI与读到的待定位单只羊RFID标签的RSSI 值差的绝对值在某个阈值之内，那么可以对这些区域标记进行定位。读写器数量越多，其交叉定位精度越高，误判率也越小。

小结：对于畜牧加工生产企业，基于RFID技术的室内定位视频监控溯源管理系统能够实时监测肉类食品加工生产的全流程，能够自动的、实时的、准确的收集主要生产流程工序和卫生检验检疫等关键节点环节的相关数据，对HACCP质量监管的要求也能较高满足。除此之外，政府有关管理部门通过该系统也能够实时有效地监控产品在生产过程中的质量安全，及时发现问题产品的生产源头及市场流向，从而对肉食品加工企业的生产过程进行规范管理，有效保证肉食品在市场流通中的质量和食用安全。

参考文献：

[1]刘熙，刘开华，马永涛，于洁潇， 多径环境下无源超高频RFID定位算法研究，《计算机工程》2014年第08期

[2] 韩美林，刘有耀， RFID定位技术和常见算法比较，《产业与科技论坛》 2014年01期