射频识别技术在畜禽养殖中的应用与展望

廖 超，程金花，任守文，李碧侠，付言峰，王学敏，徐小波

（江苏省农业科学院畜牧研究所，江苏 南京 210014；江苏省农业种质资源保护与利用平台，江苏 南京 210014）

近年来，随着土地资源紧张、劳动力成本的提高，畜禽养殖业向集约化、规模化的方向发展，与此同时畜禽疫病频发、养殖环境恶化、福利水平降低等问题愈加突出[1]。因此，为解决集约化养殖所产生的问题，首先需对畜禽的健康状况、行为、养殖环境等数据信息进行采集和评估。畜禽信息获取手段分为接触式测量和非接触式测量，接触式测量一般指用人工方法对畜禽信息采集，如采用人工测量或实验研究的方法对畜禽的体重、体尺、采食等信息进行采集。接触式测量不仅结果不准确、误差大，而且可能对动物造成应激，不利于畜禽的健康养殖[2]。因此，诞生了一种非接触、无应激智能化的信息采集技术即RFID，并在近年来得到快速发展。

1 RFID技术原理

RFID是一种自动识别技术，通过无线射频方式进行非接触双向数据通信，用于识别或跟踪目标物体，可用于如人、动物或其他物品的信息采集，具有非接触、识别速度快、准确率高的特点，在现代畜禽养殖行业的溯源追踪、育种管理、动物行为收集等方面有着广泛的应用[3]。RFID系统通常由标签、阅读器和主机三个部分组成，其结构如图1所示。RFID系统的基本工作过程是由阅读器内置的天线向四周发射一定频率的射频信号，带有标签的目标物体进入射频信号的可识别区域后，标签通过内置发送天线将自身编码等信息发送出去；阅读器内置的天线接收到从标签发来的载波信号，对载波信号进行解码，然后将信息送到主机系统处理；主机系统判断该射频信号的合理性并做出相应的处理和控制，发出指令信号，控制并执行相应的功能[4]。

标签附着在RFID系统中所要识别的目标物体上。每个标签都有一个带有唯一序列号的微芯片和一个用于接收和传输信息的天线。一般来说，猪用标签直接设计成耳标，牛和小反刍动物用标签为丸剂，宠物的标签通常设计成可包伏在皮肤下的小胶囊，家禽的标签一般附着在腿部、翼处或颈部。

阅读器是用于电磁波发射或接受的电子设备，可以是固定式或者手持式。阅读器的功能包含三个部分：（1）发射和接收射频信号，用来实现阅读器与目标物体之间的通信；（2）接收并处理由电子标签发射的载波信号，通过阅读器内部译码器解码载波信号；（3）将解码后的数据传输至主机进行数据处理及可视化分析。

主机用于存储从阅读器执行的询问程序中收集的信息。在某些情况下，它也可以用于控制阅读器。

2 RFID系统的分类

RFID系统按因其工作频段的不同可以分成低频、高频和超高频三个类别[5]（见表1）。工作频段是指阅读器通过天线发送、接收并识别标签信号的频率范围。目前畜禽业主要使用低频RFID，但高频和超高频RFID在畜禽业中的应用也在不断开发，以满足不同畜禽饲养的应用需求。低频RFID在进行信号发射和接收的过程中受水分或金属等干扰源的影响较小[6]，因此是畜禽信息采集设施的良好选择，但也存在不能同时识别多个电子标签、读取距离有限以及读取速度较慢等缺点，需要研究不同类型RFID系统，以满足多场景的畜禽信息采集。

表1 不同种类RFID的特性

2.1 低频RFID

低频RFID的工作频段在0.01～1.00 MHz之间，最常使用的是0.125 MHz和0.135 MHz这两种规格[7]。一般来说低频RFID的电子标签通常是无源的（标签内不含电池），依靠电感耦合的方式完成阅读器与电子标签之间的信号传输。低频RFID系统的优点是低频射频信号在面对干扰源时的通信质量较好，缺点包括不支持多标签读取、读取距离短以及信息存储容量有限等[8]。虽然RFID系统发展较成熟，设备成本低，但由于谐振频率低，标签制作需要大电感值的绕线电感，造成标签成本高于其他频段的RFID系统[9]。鉴于低频RFID系统的特性，畜牧业常常将其用作短距离、阅读器与标签一对一等场景下的畜禽信息采集。

2.2 高频RFID

高频RFID系统使用的频段范围是1～400 MHz，13.56 MHz是这个频段范围最常使用规格[10]。与低频射频识别系统相比，高频RFID系统中阅读器与电子标签之间同样通过电感耦合的方式进行通信，主要区别是使用了更快的数据传输和引入防撞机制[11]。低频RFID系统中，单位时间只能读取可识别范围内的一个电子标签（多个标签会造成数据冲突或丢失），高频RFID系统可同时读取多个标签，传输速率通常能达到100 kbps左右[12]。电子标签内存储容量一般为0.256～8 kbps以上字节，并且有较高的安全性，读取距离一般小于1 m，常应用于多目标、快速识别的场景[13]。

2.3 超高频RFID

超高频RFID系统使用的频段范围是400～1 000 MHz[14]。超高频RFID作为远程信息采集系统，其原理是反向散射耦合，读取范围可达到12 m[15]。电子标签从阅读器的电磁波中获取能量，并通过将部分辐射反射回阅读器进行通信。超高频RFID系统的传输速率较快，一般在100 kbps左右，并且由于可采用印刷或蚀刻的方式制造天线，成本也相对较低[16]。由于信息传输速率快、读取距离远，并且可以进行多标签读取和分辨，所以超高频RFID比较适用于畜禽的远距离多目标信息采集。

3 RFID在畜禽养殖中的应用

3.1 低频RFID在畜禽养殖中的应用

低频RFID在畜禽养殖中的发展相对成熟，已在畜禽的采食数据采集上有所应用。低频RFID技术不仅减少劳动力成本，还可以在无应激状态下获得相关数据。采食行为监测已在鸡、猪、牛等畜禽上开展研究。Tu等[17]研发出一种基于低频RFID的鸡采食和体重监测系统，并开发结构化查询语言（SQL）数据库，用于管理鸡的动态进食量和体重数据。Sowell等[18]采用低频RFID的肉牛饲喂系统，除了正常监测采食数据，发现健康肉牛比病态肉牛的采食时间多30%。Brown等[19]采用低频RFID监测育肥猪采食情况，发现采食时间每天逐渐增加，40 d后趋于稳定。以上对不同畜禽采食行为的研究，可以为饲养管理优化提供基础数据，同时对异常采食情况进行预警，以便在疫病发生的早期介入治疗，保障畜禽的健康生长。通常饲喂设备只能对单个畜禽的采食行为进行记录，为同时记录多只畜禽的采食数据，Brown-Brandl等[20]设计一种8通道数据采集的种猪饲喂系统，可同时记录8头猪只采食及饮水数据。该种猪饲喂系统基于低频RFID，需要阅读器天线与电子标签一一对应，8通道采集情况下需要8根天线，在多个体识别的场景下成本较高。若能在低频RFID系统中引入防撞机制，将实现一对多的识别，简化系统构造和降低成本。

3.2 高频RFID在畜禽养殖中的应用

高频RFID具有多目标识别特征，但识别距离仍然有限（≤1 m），主要应用在饮水和采食行为监测及产品溯源等方面。在饮水行为上，Maselyne等[21]设计了一种高频RFID系统来记录猪只饮水行为。天线周围布置4个乳头饮水器，可同时识别4个电子耳标，实现猪只饮水的多目标信息采集。在采食行为上，Adriaens等[22]研究基于高频RFID的育肥猪采食监测系统，天线布置在圆形饲料槽的中央，对不同位置和方向上的电子耳标进行识别测试，发现识别的灵敏度和识别范围很大程度上取决于电子标签的高度和方向。在产品溯源上，张洗玉等[23]设计了一种基于高频RFID和ZigBee的猪场养殖环节信息溯源与监控系统，通过高频RFID系统对猪只的进出、猪只类型及与健康水平相关的数据进行采集，结合无线通信发送至本地数据库，当猪只生物安全防控出现问题时，数据库中心通过猪只身份对疾病进行追溯。虽然高频RFID在畜禽业有大量的探索，但由于技术成本较高，推广程度仍不及低频RFID。高频RFID系统能实现多目标识别，但长距离识别能力有待提升。

3.3 超高频RFID在畜禽养殖中的应用

超高频RFID系统由于成本高，相较于低频和高频RFID，目前在畜禽养殖中的应用尚且较少。超高频RFID具有工作频率高、多目标识别速度快及识别距离远的优势，除了被应用于采食数据采集，更适合用于放养或圈养畜禽的定位管理。对于采食数据采集，Zhao等[24]设计一种超高频RFID检测系统，监测群养母鸡的采食及筑巢行为。当母鸡出现在喂食器上时，可以通过附着在母鸡脖子上的标签记录其采食数据。当母鸡进入巢箱时，通过腿部标签记录母鸡的筑巢行为，该系统将为优化群养鸡饲养管理提供数据支撑。Adrion等[25]研究一种基于超高频RFID的育肥猪饲喂站，通过在饲喂槽内布置天线，监测生长肥育猪的采食情况。另外在畜禽追踪定位管理方面，Catarinucci等[26]设计一种动物跟踪系统。硬件部分由超高频RFID系统组成，能够保证跟踪区域内信号的均匀性。软件部分采用LabVIEW图形语言实现，利用基于RSSI提出的算法，保证系统在每种工作条件下都可对动物实时跟踪。超高频射频信号受环境影响衰减严重，在采食、饮水数据采集上应做到短距离识别[27]；在畜禽定位管理的长距离识别情况下，应提高天线密度，保证管理范围内射频信号的均匀性［28］。

4 RFID系统在畜禽应用的展望

低频、高频和超高频这三种RFID系统应用于畜禽养殖可以采集和提供各种详细的信息，如畜禽生长性能数据、防疫、产品溯源、定位跟踪。阅读器可以连接到远程主机，提供有效的数据收集和数据库管理方法，在生产商、饲养员、包装商或兽医之间进行共享数据。不同频段的RFID技术因其性能的特殊性，可能适用于不同的畜禽信息采集场景。例如，低频RFID系统的射频信号在环境中的抗衰减能力强，系统的可靠性高，同时技术成熟，成本最低，但另一方面，它不能同时检测多个电子标签。高频RFID可同时检测多个电子标签，但读取距离有限。当需要进行长距离识别时，只有超高频RFID可以用一个天线实现。高频和超高频RFID系统的成本相较于低频RFID系统较高，这也是限制其发展的主要原因。随着未来畜禽养殖集约化的发展，RFID的成本在产量提升和标签回收机制的协同作用下有望进一步降低，这就进一步促进高频和超高频RFID系统的发展。

一般来说，特定的RFID系统可以实现的特定读取范围，这取决于阅读器、电子标签和天线的组合以及周围环境。在三种类型的RFID系统中，可以通过修改阅读器天线的灵敏度或输出功率来调整读取范围。未来，畜禽生产的场景及信息采集更加复杂多样，如何准确、高效地记录这些信息在技术上还有待进一步解决，例如将制作出能同时识别低、高、超高频射频信号的电子标签，实现畜禽在携带一个电子标签的情况下进行多场景（采食、饮水、产品溯源、定位跟踪、生产管理）的数据采集，并且将不同数据进行分类分析。另外，RFID系统的使用多是在高温高湿环境，长期使用会导致设备多故障、稳定性下降，需加大研发力度，提高RFID系统在恶劣环境下的稳定性。