生猪精细生产深度溯源物联网信息技术研究.doc

。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。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。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：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。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。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/3GRFID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（Application Service Provider，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