中国畜牧业物联网技术应用研究进展

  本文关键词：中国畜牧业物联网技术应用研究进展，由笔耕文化传播整理发布。

第31卷 增刊1 农 业 工 程 学 报 Vol.31 Supp.1

2015年 1 月 Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering Jan. 2015 237

中国畜牧业物联网技术应用研究进展

熊本海1，杨振刚2，杨 亮1，潘晓花1

（1. 中国农业科学院北京畜牧兽医研究所，动物营养学国家重点实验室，北京 100193；

2. 阳信亿利源清真肉类有限公司，阳信 251800）

摘 要：以“感知”为基础的物联网技术迅速发展及产业化逐步渗透到各行各业，包括畜牧业在内的农业物联网的发展也十分迅猛。该文重点从家畜编码规范及标识技术，家畜养殖环境及体征行为远程监测，母猪精细饲喂智能装备及种畜（种猪、奶牛）养殖过程数字化监管与云计算平台构建等多个方面，综述物联网技术在畜牧业领域的应用环节、效果及存在的局限性。综述表明，在感知标识层，关于家畜标识的国际标准主要包括动物管理系列标准ISO/TC 23/SC 19，它负责制订动物管理RFID（radio frequency identification）方面标准，包括ISO 11784/11785和ISO 14223标准，但3个标准内涵的分工不同，而中国的标准包括国家规范、地方标准及企业内部规范，具体包括农业部第67号令，上海地方标准（DB31/T341-2005）和新疆地方标准（DB 65/ T3209-2011）2个动物电子标识规范，以及北大荒及亿利源企业的肉牛内部编码规范。在感知传输层，主要基于不同类型的传感器感知家畜舍环境参数（温湿度、光照强度、氨气及CO2浓度等）及体征行为（视频、质量，体表温度等）。在数据传输层，采用无线公网（2G/3G/4G）网络对家畜舍环境数据及个体的行为状态数据实施远程传输，而视频数据及大量的生产过程数据采用有线网络传输到Internet网路数据库；在数据应用层，典型的应用包括通过移动智能手机终端，依据对采集数据的分析及预警，对远程的环境控制设备（风机、灯电暖、水泵等）进行智能开启与关闭；其次是奶牛繁殖场及种猪养殖场云计算平台的开发与数据挖掘分析应用，以及基于传感器技术及机电控制技术的母猪电子自动与精确饲喂设备的开发与应用。最后，该文从微观到宏观剖析了中国畜牧业物联网当前在技术、产品、应用、政策及认识层面存在的不足，并给出相应的技术与政策建议。综合认为，中国畜牧业发展的现代化需要物联网技术的支撑，物联网技术也必须在领域的应用中寻找正能量，促进畜牧业物联网产业的发展。 关键词：数据挖掘；标识；监测；跟踪；畜牧业；物联网；电子饲喂站；数据应用 doi：10.3969/j.issn.1002-6819.2015. z1.028

中图分类号：S126 文献标识码：A 文章编号：1002-6819(2015)- Supp.1-0237-10

熊本海，杨振刚，杨 亮，等. 中国畜牧业物联网技术应用研究进展[J].农业工程学报，2015，31(增刊1)：237－246. Xiong Benhai, Yang Zhengang, Yang Liang, et al. Review on application of Internet of Things technology in animal husbandry in China [J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2015, 31(Supp.1): 237－246. (in Chinese with English abstract)

0 引 言

伴随信息技术的高速发展，物联网技术和产业异军突起，成为新一轮产业革命的重要发展方向和世界产业格局重构的重要推动力量[1]。在这样的大背景下，党的十八大及时做出了“四化”同步发展的战略决策，把加快发展信息化提升到了前所未有的高度。党中央、国务院尤其重视物联网发展。习近平总书记强调，要让物联网更好促进生产、走进生活、造福百姓[2]。李克强总理指出，要大力发展战略性新兴产业，在集成电路、物联网、新一代移动通信、大数据等方面赶上和引领世界产业发展[3]。收稿日期：2014-07-04 修订日期：2014-12-09

基金项目：863计划课题（2012AA101905）；国家科技支撑课题（2014BAD08B05）；山东省自主创新项目（2013CXC90206） 作者简介：熊本海，男，湖北红安人，研究员，博士生导师，研究方向为畜牧信息技术。北京 中国农业科学院北京畜牧兽医研究所，100193。Email：xiongbenhai@caas.cn

近年来，国务院出台了一系列强有力的政策措施，

推动物联网有序健康发展，并取得了显著成绩，包括国家发改委、科技部、农业部等在内的各个部委及省市纷纷启动物联网项目的研究与实施，这些都为农业物联网的发展提供了难得的历史机遇和良好的发展环境。

畜牧业是整个农业生产中规模化程度最高，技术、设备与资金投入相对集中的领域之一。在一批致力于畜牧业物联网技术基础研究的科研院所、创新型研发企业的推动下，中国畜牧业物联网技术的理论研究与应用实践取得了初步的进展：从家畜个体的编码与标识，生产过程的数据采集与传输，家畜个体的精细饲养控制，到畜产品全程质量安全溯源等环节，制定了相应的标准与规范，获得了相应技术产品与网络控制智能平台，并且这些技术在具有一定信息化基础的生产企业得到了示范应用，初步展示了物联网技术逐步成为提高生产力的主要要素，正在改变人们对农业信息技术应用效果的偏

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农业工程学报 2015年

面认识[4]。总之，畜牧业物联网技术应用对畜牧产业的转型升级带来了新的动力。

1 畜牧业物联网研究进展

1.1 家畜编码标准与标识技术研究

1.1.1 国际上家畜标识标准的制定现状

制定不同家畜的个体或小群体的编码标准是畜牧业信息化，尤其是物联网技术应用的基础，是实施基于家畜个体及小群体精细化饲喂与数字化管理的前提，更是建立畜产品质量全程监管的技术要素。

在国际上，国际标准化组织（ISO）发布有动物管理系列标准即ISO/TC 23/SC 19，它负责制订动物管理RFID（radio frequency identification）方面标准，主要包括ISO 11784, ISO11785和ISO 14223三个标准[5]。ISO 11784 技术标准规定了动物射频识别码为64位编码结构，且动物射频识别码在读写器与电子标签之间能够互相识别。代码结构为64位，其中的27～64位可由各个国家自行定义。ISO 11785 技术准则规定了应答器的数据传输方法和阅读器规范。工作频率为134.2 kHz，属于低频RFID。ISO 14223高级标签规定了动物射频识别的转发器和高级应答机的空间接口标准，可以让动物数据直接存储在标记上，使得每只动物的数据在离线状态下也可直接取得，进而改善库存追踪以及提升全球的进出口控制能力。通过使用符合 ISO 14223 标准的读取设备，可以自动识别家畜，且读取设备具有防碰撞和抗干扰特性，即使家畜数量极为庞大，识别也没有问题。ISO 14223标准包含空中接口、编码和命令结构、应用3个部分，它是ISO 11784/11785的扩展版本，但标准的实施成本较高。

动物电子标识编码及技术准则标准目前主要在北美、西欧等畜牧业发达的国家及地区应用，例如，在美国采用的编码均为15位编码[6]，且前3位开头为“840”代表美国，符合ISO3166规范[7]。图1为应用于美国家畜标识的5种封装的RFID标签。

注: a、b、c和d分别为不同封装形式的RFID标签；e.电子标签与肉眼识读耳牌的复合标签。 Note：a, b, c and d are RFID electronic tags with different packaged patterns; e: Composite tag that composed of electronic and macroscopic tag .

图1 美国用家畜5种RFID电子标签

Fig.1 Five kinds of Animal RFID panel ear tags in USA

图1e耳标是一种电子标签与一般肉眼识读耳牌的复合标签，去掉上端的电子标签部分就是广泛

使用的肉眼识读耳标了，这种条码耳标尽管没有国际标准，但生产企业有内部标准或规范，主要由美国安乐福（Allflex）公司生产，并取得美国农业部的许可。由于电子标识技术的应用成本较高，目前世界上主要用于自动饲喂的家畜，如奶牛、种猪等经济价值高的种畜，而大量散养的家畜如肉牛、羊等仍然大量采用肉眼可识读的条码耳标。

在欧盟，对家畜的标识尽管有统一的标识规范，甚至包括了对转基因动物的标识[8]，但各成员国是否采用标识无硬性规定。法国作为畜牧业发达的国家，对大家畜的标识采用符合国际动物编码委员会（International Committee for Animal Recording，ICAR）的编码规则。例如，对猪只个体编码采用养殖场的官方编码加上家畜个体在场内按年份赋予的顺序号，由于养殖场的官方编码长度不等，因此构成个体的唯一编码，从13位到17位不等。在荷兰，因为年饲喂的猪只较少，则采用内部统一7位编码[9]，非常实用、有效。

1.1.2 国内家畜标识标准的制定现状

自2006年来，农业部兽医局实施了“动物标识及疫病可追溯体系建设”试点工作[10]，同时中国农业部早前发布的67号令对家畜编码规则进行了定义[11]：猪、牛、羊编码采用15位数字，第1位代表动物的种类：1为猪，2为牛，3为羊，对家禽尚未定义；从第2位到第7位共6位定义为养殖场所在地的县市行政区划代码，服从GBT2260-1999[12]，最后8位为指定的县市内、相同类别（猪、牛、羊）动物个体的顺序号。这种编码方法有其明显的局限性：首先，编码中不含养殖场的编码，养殖场对所饲养的家畜没有编码权，统一由省级畜牧兽医管理部门对同一县市的家畜个体进行事先编码。这种编码方法事实上是先有编码与标识载体，，只有养殖场在领取标识载体并配带后，才能登记上个体标识号，使得在不同时期内同一养殖场领取的耳标，编号可能是不连续的，导致批量录入猪只信息时操作不便。其次，编码的规则决定了编码自身不含家畜的来源信息，因此只有将所佩戴的家畜编码信息通过网络上传到中央数据库后，将家畜编码与畜牧主管部门的耳标发放管理数据库建立关联后，才能确定标识的个体来自哪家养殖场（户），耳标的可读性差，这对养殖责任主体的溯源带来不便。

针对农业部推广条码耳标在编码上与实际操作上存在的局限性，国内几家高新技术企业，如上海生物电子标识公司[13]和无锡富华科技责任有限公司[14]率先开展了家畜电子标识的应用研究。为解决RFID的成本较高，大量用于家畜标识带来的经

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济压力较大等实际问题，他们一直攻坚克难，突破RFID生产的关键技术瓶颈，终于可自主生产RFID芯片与标签，而且标签成本明显降低，仅为过去进口产品的1/3左右。目前，两家企业均获得了ICAR的认证和由ICAR赋予的企业编码。他们生产的标签编码的前6位在国际上是唯一的，生产的RFID标签及其阅读器大量远销东欧、西欧及东南亚国家，打破了进口标签价格居高不下的格局。图2为富华科技公司生产的标签及手持式阅读器。

注：a、b和c为不同角度的动物电子标签；d:手持式阅读器；来自无锡富华公司。

Note: a, b and c are different angles of animal electronic tag; d: Handheld readers; From Wuxi FOFIA company.

图2 动物电子标签及其阅读器产品注 Fig.2 Electrical tags and readers for animal

随着RFID标识技术的逐渐成熟，市场内在需求的不断涌动，有些省市适时制定了相关的RFID技术规范。例如，上海市早在2005年就发布了《动物电子标识通用技术规范》[15]。该地方标准中采纳了RFID相关国际标准，并结合ISO11784中的国家或区域编码，提出了符合地方的编码体系。新疆自治区于2011年也发布了《动物电子标识（射频识别RFID）通用技术规范》（DB 65/T3209-2011）[16]

。该标准主要就低频(134.2±6.71 KHz) RFID标识的物理特性与环境适应性进行了规定，尤其是将中国的行政区划代码和动物的64位二进制编码相结合进行了实例化。

在企业内部标识的解决方案方面，国内北大荒牛业有限公司及阳信亿利源清真肉类有限公司在构建企业肉牛及牛肉产品的安全溯源体系中，以农业部67号令为基础，提出了标识肉牛活体的企业编码规则，即对67号令的15位编码中的后8位进行了重新定义，后8位的前2位为养殖企业编码，紧邻的2位为4位年份的后2位，最后4位为年内出生或者购入的肉牛顺序编号[17]。对肉牛个体编码规则的修改，使养殖企业对动物个体具有自行编码权，无需去申请，对责任主体的追究便利，实际使

用效果较好。在中国台湾省，开发家畜电子耳标的企业是台湾丰田生技资讯股份有限公司 [18]，其依照 RFID的ISO标准研发产品，规定的15位编码首先符合ISO11784规范，但RFID标签封装的规格与式样因标识猪舍及猪个体的不同而有明显的区别（图3，图4），识读器为手柄式阅读器，主要用于生猪的全程生产及质量溯源体系的构建。

图3 用于猪舍RFID标签 Fig.3

RFID tags used for pig’s shed

图4 用于猪只RFID标签

Fig.4 RFID tags used for individual pigs

1.2 家畜养殖物联网数据采集与传输

上节综述了国内外家畜个体的编码与标识技术，它们是构建畜牧业物联网的基础。有了标识，才能采集标识对象的数据，并需要在合理的时空条件下，将采集的数据有效的传输到指定的存贮介质或数据库中。畜牧业物联网系统的构建不仅需要采集家畜个体的行为数据，更需要采集养殖的环境数据，由此构成了畜牧业物联网的2大类基础数据。 1.2.1 家畜个体的数据采集与传输方案

典型的有农业部采用的家畜个体数据采集方案。该方案通过在指定生产的识读器中嵌入数据采集的模块及通讯SIM卡，实现了家畜个体耳标的识别、数据采集与数据传输的一体化。在识读器识别家畜耳标后，手工录入必要的数据，该数据将缓存于识读器中，或者通过无线GPRS通讯技术上传至

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农业工程学报 2015年

远程数据服务器中分类保存。指定的识读器分别由北京平冶东方科技发展有限公司和福建新大陆科技集团公司生产，前者基于Windows Mobile平台开发，后者采用Linux系统开发（图5）。

a. 基于Windows Mobileb. 基于Linux系统

c. 二维耳标 平台的阅读器 的阅读器 c. Two-dimensional

a. Reader based on b. Reader based on ear tag

Windows Mobile platform Linux system

图5 指定的2种阅读器及其识别的二维耳标

Fig.5 Specified two kinds readers and related bar code tags

图5所示均为智能识读器，具有对耳标的识别、数据采集、贮存与数据传输的功能。当有GPRS无线信号时，采集的数据可直接上传到农业部动物疫病溯源数据库中。否则，将采集的数据暂存于IC卡中，有GPRS信号时，再完成数据的上传。这种数据采集与传输的初衷很好，但应用效果不佳，主要表现为嵌入式数据采集系统的启动与身份验证时间长，在有些偏远的养殖区域传输速率慢，信号盲区多，即使采用具有3G/4G的无线公用网络，如此频繁地采集与传输数据，也会遇到速率瓶颈问题和通讯资费较高的问题。当然，随着国家公网覆盖范围的不断扩大，通讯资费的不断下降，数据采集系统的有效优化，上述通信速率及资源问题会逐步得到缓解甚至不成问题。

1.2.2 家畜养殖环境数据采集与传输方案

家畜的养殖环境（温湿度、关照强度、空气质量等）及体征行为是连续变化的。为营造养殖动物的舒适环境，满足动物的福利、动物的生理及生产需求，需要动态监测养殖区域（圈、栏）的环境参数，为畜禽的精准化饲喂和环境动态控制提供参数。为此，国内外有关单位在传统的环境控制的基础上，将传感器技术与移动通讯技术融合起来，获得了基于物联网技术的环境数据采集与控制方案。

在科研方面，中国农业科学院北京畜牧兽医研究所联合无锡富华科技责任有限公司，研究开发了家畜养殖环境监控物联网，主要利用环境感知传感器，如温湿度传感器、光照度传感器，CO2传感器等，对连续变化的环境参数进行远程监测，监测的数据首先通过2G或3G SIM卡传输到数据服务器中贮存，借助手机客户端APK文件，可在线查看

连续变化的环境参数变化曲线，并依据监测的数据及预设的环境参数阈值，提醒用户调控相应的控制设备，如水帘、电暖、风机的开启与关闭等。图6显示了手机客户端的处理结果。特别地，对现场设备实现远程控制，需要事先对现场设备的控制开关进行集成，并追加可接受信息的通信端口。

a. 大气温度监测记录

b. 大气湿度监测记录c. 设备远程控制操作

曲线图

曲线图 界面

a. Curve chart for b. Curve chart for air c. Interface for equipment

air temperature

humidity remote control

图6 基于移动手机家畜场环境远程监测与设备控制

Fig.6 Remote monitoring and equipment control of livestock

farm environment on mobile intelligent phone

在企业内部解决方案方面，作为中国最大的家畜养殖企业——温氏集团，率先开展了企业畜牧业物联网的应用研究，构建了畜牧养殖生产的监控中心、家畜养殖环境监测物联网系统、家畜体征与行为监测传感网系统等[19]。该系统主要采用物联网技术及视频编码压缩技术，将企业所属各地养殖户及加工厂的重要位点部署视频实时监控，自动感知与收集主要位点的传感器检测数据，如温度、湿度、空气质量、水质、冷库温度等，并在指挥中心的大屏幕上集中显示（图7），管理者通过点击鼠标，或查看历史数据、统计报表及视频等，可获得相应养殖户或工厂的各项实时数据，快速地提供与当前关注问题有关的重要信息，由此进行可视化的日常管理、巡查及应急指挥。该企业将大数据理念应用于物联网系统，建立了不同类型数据之间的关联，寻求数据或信息之间的规律。

前已述及，家畜环境监测物联网构建的核心不仅仅是实时获得环境监测的状态数据，更重要的通过对数据的分析，获得对环境控制设备的远程操作依据，从而形成物联网系统的闭环。

1.3 家畜物联网数据分析与精准饲喂控制

实施家畜的精细饲喂，必须是以家畜个体为单元，因此需要按个体采集数据，实现具有差异性的个性化饲喂，这一要求在母猪的饲喂与控制上取得了成功。此外，在家畜群体的数据采集与分析方面，种畜的生产过程数字化管理与数据集成分析拓展

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了物联网技术的应用空间。

a. 信息服务平台

b. 生产状态综合监控中心 a. Information service platform

b. Comprehensive monitoring

center for production

c. 数据处理平台

c. Data processing platform

d.安全养殖监控与流向跟踪系统

d. Monitor system of safety cultivation and product traceability system

图7 温氏集团数据采集与分析中心

Fig.7 Data collection and analysis center of Wenshi IoT

1.3.1 智能母猪电子饲喂站

母猪生产力水平代表了一个国家养猪业的科技含量，不仅影响商品猪饲养的成效，而且影响一个地区甚至一个国家的价格指数[20-21]。近些年来，随着物联网核心技术的发展，国内外在电子母猪饲喂站（electronic sow feeding，ESF）的升级换代上取得了突破性进展，其目的是通过智能化的数字控制，满足母猪不同个体的生理变化及营养需求的动态变化，具有“私人定制”的特点，最终提高母猪的生产力水平。ESF系统具有典型的物联网核心技术特征，包含感知、数据采集与传输及饲喂控制的3个层面，因此可称为母猪精准饲喂物联网系统。

在国内，从事母猪ESF研究的企业主要有河南河顺自动化设备公司、河南南商农牧科技责任公司等。他们在设备的研究与制造方面，实现了由先期的模仿阶段到目前的自主创新研制的转变，为中国母猪饲养物联网设备的国产化做出了贡献。最新一代的ESF即第5代妊娠母猪及哺乳母猪智能饲喂系统，主要由河南南商农牧科技责任公司与中国农业科学院北京畜牧兽医研究所联合研制[22]，已经申报及获得发明专利及实用新型专利近10项，计算机软件登记3项。

图8为最新研制的妊娠母猪电子饲喂站，该饲喂站进入门采用传感器与电动门及中央控制器协同工作的方式，提高了猪只有序进入饲喂器的效率；根据感知的猪只信息，通过上位计算机显示其历史档案，决定饲喂的频率与数量，实施具有阈值

设定下的自动饲喂，实现了基于感知、数据分析及饲喂控制的闭环控制，基本达到了无人控制下按母猪个体体况的精细化饲喂。

图8 妊娠母猪电子饲喂站

Fig.8 Electronic sow feeding for pregnant sow

图9为哺乳母猪自动饲喂器，该饲喂站也通过采集母猪个体的体况数据（包括质量、哺乳胎次及抚养的仔猪头数），依据日粮养分需要量模型计算不同哺乳天数的采食量，并以此作为采食量的设定阈值，通过中央控制器或移动智能终端控制饲喂次数、投放时间点及每次饲喂量，实现基于物联网技术下的精细饲喂。如果中央控制器中嵌入SIM卡，将手机端APK文件与SIM卡关联，那么通过手机端可以实时查看每头母猪的实际采食数据，并对每头母猪的饲喂程序进行远程控制，实现了 “手机养猪”（图10）。

图9 哺乳母猪饲喂器

Fig.9 Sucking sow feeder phone

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