一、     背景分析

 

近年来,中国畜牧业发展迅速,特别是养牛业在中国畜牧业中异军突起,到2005年年底,全国存栏牛达1. 41亿头,当年出栏数超过澳大利亚、美国和巴西,越居世界第一位。但由于我国肉牛业起步较晚,规模化肉牛养殖场生产管理仍以传统方式为主,牛肉产品的生产、流通秩序混乱,缺乏完整的繁育、饲养、迁徙、防疫、治疗等环节的信息, 使得我国牛肉生产难以达到安全、优质、高效与可持续化的要求。与发达国家相比，我国肉牛业实际上还处在初级阶段水平，肉牛业存在的主要问题是生产水平低，资源浪费严重，牛肉品质较差，不适应市场需求。加上国际市场对中国畜牧产品安全性不断设置绿色技术壁垒,使得原本具有优势的畜牧业处境尴尬。同时,随着贸易全球化和畜产品生产的工业化,牛肉产品生产与消费日益分离,复杂的供给体系使得消费者对获取所消费产品的安全信息变得相当困难,如果没有生产信息的有效传递,消费者将很难从最终产品了解其安全性。因此，需要提高科技生产能力进而改善牛肉品质。通过计算机网络及通信技术，把畜牧信息及时、准确地传递到用户手中，实现畜牧生产、管理、畜产品营销网络化，加速传统畜牧业的改造和升级，大幅度提高畜牧业生产效率、以 及管理和经营决策水平。

为此,我们提出用物联网的技术，实现生产信息透明化、可追溯的功能,提高肉牛健康和牛肉产品卫生安全性。而作为牛肉质量追溯系统有效组成部分的肉牛养殖环节的质量追溯,畜体标识是实现肉牛养殖可追溯的重要因素之一。以前应用条码技术识别畜体的方法,对肉牛、肉鸡、生猪等实现了养殖的可追溯系性,但由于条码的识读效率低、识读操作困难、无法重用等缺点使得这些追溯系统的预期性能受到了严重的影响。所以选用重用率高、识读效率高、识读操作方便又满足养殖过程数字化管理要求的个体标识是实现肉牛养殖可追溯系统的关键。同时根据我国肉牛养殖的特点,设计高效的信息传递系统是肉牛养殖可追溯系统实现的又一个关键。

从相关资料得知，我国现有牛存栏头数 1.38 亿头，牛肉产量达到 675.9 万t。但牛肉人 均产量只有 4.3kg，低于世界平均 9.8kg 的水平。我国肉牛业生产水平不高，优质肉牛比重少，牛肉档次低仍然是制约肉牛业发展的主要因素。

我国肉牛繁育体系不健全，大多数养殖户对牛群数量的追求远远超过牛群的质量，见母 牛就留。母牛繁殖成活率平均为 72%，国内肉牛的全程死亡率高达 5%，直接经济损失达 90 亿元～150 亿元。

目前，我国存栏肉牛平均产肉量仅为 45kg，而发达国家平均每头存栏牛产肉量为 120kg， 美国为 115kg，一头肉牛的胴体重相当于我国 2.3 头。

在国际贸易中，牛肉的出口被发达国家垄断，我国在出口方面则一直处于弱势。目前我国鲜冻牛肉出口比重还很小，仅占世界贸易量的 1%左右。

纵观未来发展前景，我国牛肉生产应定位在追求质量上。由于国产牛肉大多为中低档牛 肉，优质牛肉很少，造成出口牛肉价格不足世界平均价格的 80%。据了解，出口高档牛肉 每吨可达 3500 美元左右，一般牛肉每吨仅 1500 美元左右。国内的大宾馆、饭店及外资餐厅，

每年都要大量从国外进口牛排、小牛肉等高档产品。近 3年我国每年花费巨额外汇，从国外采购高档牛肉 2000t～3000t。由此可见，我国肉牛业发展的空间是非常广阔的。 近年来，国家对畜牧业给以重点政策倾斜，特别是肉牛带区域规划和冻精政策性补贴等必将推动繁育体系建设 和肉牛业的快速发展。随着我国家畜饲养向节粮型品种调整，以我们用物联网（RFID）技术 面向动物识别追溯产品是基于国家标准《动物射频识别代码结构》（GB/T20563-2006）开发的动物标识及可追溯系统，该系统主要是应用于对动物的饲养、 运输、屠宰、销售进行跟踪监控， 当爆发疫情时，对动物进行追溯；卫生部门通过该系统能够对可能感染疾病的动物进行追溯，以决定其归属关系以及历史踪迹。同时系统能对动物从出生到屠宰提供即时、详细、可靠的数据。

 

二、     系统总体框架

由于肉牛养殖周期较长的特殊性(一般为2年左右)和我国畜牧业发展的实际情况,目前国内许多肉牛养殖企业的经营模式主要以“公司+农户”为主,即从农户手中收购架子牛进行规模化养殖与育肥。这种经营模式在让农户和企业双赢的同时,也对肉牛养殖信息在活牛流通过程中的有效传递形成了相当的难度,对实现牛肉质量可追溯形成了不可逾越的障碍。根据我国养殖场的业务流程,设计了如图1所示的肉牛养殖可追溯系统的总体框架。由图1可知,养殖场在肉牛进场时,可通过该牛的基本养殖信息,为其制作方便识别与存储养殖信息的RF ID耳标。其中,手持机是养殖场工作人员在日常的饲养工作中与肉牛、服务器进行数据交互的主要信息工具。

 

图一

 

系统利用了超高频（UHF）的 RFID 技术， RFID（以下称电子标签）技术优点在于电子标签是一种非接触式的自动识别技术，它通过射频信号自动识别目标对象并获取相关数据，识别工作无须人工干预，可工作于各种恶劣环境。而超高频的 RFID 技术具 有较远的读写距离，能够在比较远的距离上识别高速运动中的动物体，并可同时识别多个标签，操作快捷方便。

基于 RFID  技术的肉牛养殖管理系统电子标签采用的是符合国际标准的IS018000-6C 协议的 EPC 标签，其中 EPC 区数据编码依据国标（《动物射频识别代码结构》（GB/T20563-2006）），并且结合EPC 标签的特色组成了如下的编码格式。

图  牲畜养殖管理系统标签格式

 

 

基本目标：实现养殖管理信息化，为每一头牛戴上电子耳标来建立电子信息档案。采用 RFID 射频识别技术、自动称重技术、门禁技术、视频监控技术等实现科学的 精细化的肉牛养殖管理。

规范管理：应用 RFID 技术不仅减少了劳动力，还强化了管理细节，对于每头牛每天的成本都可以计算出来；能更准确的对饲养人员工作的量，进行绩效考评，为以后企业实现信息化建设垫定良好基础。

市场开拓：实现对肉牛养殖的各个环节的信息化管理，实现检疫免疫流程的标准化管理以及饲养规范化管理，实现信息可查可追溯，实现企业产品优质优价。增强市 场竞争力，还为下一步的加工、流通等可追溯环节建立了肉牛质量安全信息库。如 雪龙产业集团的肉牛养殖及加工全部采用了基于 RFID 技术的“雪龙肉牛质量安全 追溯系统”，实施效果非常理想，使雪龙黑牛产品迅速占领国内高端牛肉市场，为 企业带来巨大的经济效益和深远的社会影响。

企业品牌：应用 RFID 技术在提高企业自身管理水平的同时，在终端专卖店设立查询机器，让消费者了解符合卫生安全的生产和流通过程，提高了消费者对企业和品 牌的放心程度，从而为企业带来更大的经济效益。

系统由养殖管理子系统、自动称重子系统、门禁通道系统、押运车辆管理系统、监控管理系统、养殖人员管理系统组成，中心建立大型数据库，每个子系统与中心进行网络连接并实现数据共享。

 

三、     系统方案设计

 

操作流程为

图  养殖管理系统

 

根据肉牛养殖过程设计的肉牛养殖管理模块主要涉及进牛、个体识别、免疫消毒、肉牛转群、饲料投喂、肉牛治疗、肉牛出栏、饲料管理、药品管理等九个业务处理模块。分别对肉牛养殖过程中的各个环节及饲料、药品的出入库进行了档案记录和数字化管理。在此过程中,系统将根据养殖标准库内的休药期、违禁药物名录、肉牛养殖作业规范等内容预设预警参数,从而实现对养殖违规现象进行预警。本模块与肉牛养殖管理过程中所使用的手持设备系统可以实现同步。

 具体实现操作

自动称重子系统主要包括四个设备，分别是读写器、电子称、LED 显示屏、主机，如 下图所示

 

 

图  自动称重子系统架构图

首先主机上的称重软件打开读写器、电子称、LED 显示屏。然后，读写器便不断向外发送读取电子耳标指令。肉牛进入称重通道后，读写器读取电子耳标并把信息发送给自动称重软件。自动称重软件收到电子耳标信息后，查询数据库服务器中该耳标对应的肉牛编号。

自动称重软件取到肉牛编号后准备称重，同时 LED 显示屏显示肉牛编号。自动称重软件采集到一组肉牛称重数据，并对这些称重数据分析处理，获取一个最佳称重数据保存到数据库服务器中。最后，LED 屏幕显示称重结果，自动称重软件语音提示本次称重结束。

 门禁通道系统由出入记录模块、出入通道模块、系统管理模块、异常报警模块组成，其中

出入记录模块，对于带有耳标的牛只只要通过养殖门禁通道，无需停留自然通过，系统将自动识别牛只的耳标能快速的记录牛只出入养殖场的情况与时间。同时也要求系统记录饲养员进出的养殖场的情况和时间。

出入通道权限模块，出入通道的权限就是对每个通道设置哪些人在什么时间范围内可以出入，哪些人不能出入。当饲养员进入养殖场时，必须用身份卡刷门禁通道系统后才能 正常通过通道。

系统管理模块，系统管理员可以通过电脑实时查看每个门通道的进出情况（同时有相片显示），每个门的状态（包括门的开关，各种非正常状态报警等），也可以在紧急状态 打开或关闭所有的门。

异常报警模块，在异常情况下可以实现电脑报警或报警器报警，如：非法侵入、门超时未关等。消防报警监控联动功能是在出现火警时门禁系统可以自动打开所有电子锁让里 面的人和肉牛随时逃生。与监控联动通常是指监控系统自动将有人刷卡时（有效/无效）录 下当时的情况，同时也将门禁系统出现警报时的情况录下来。

押运车辆管理系统由押运车辆信息模块、RFID 电子关锁系统模块、GPS 车辆实时追踪模块。

押运车辆信息模块主要功能是将押运员信息、押运车辆信息、出发地、中转地和目的地的信息等输入到系统中，并上传到数据中心。还有押运员须做好供港澳活牛运输途中的饲养管理和防疫消毒工作，不得串车，不得沿途出售或随意抛弃病、残、死牛及饲料、粪便、 垫料等物，并做好押运记录实时上传到数据中心。在供港澳活牛抵达出境口岸后，押运员可以从系统导出押运记录提交出境口岸检验检疫机构。

RFID 电子关锁系统模块，押运车辆 RFID 电子关锁系统跟踪押运车辆每次开关车辆箱门的信息，包括箱门开关地点、开关时间、开箱门授权号。如利用手持机对电子关锁进 行施封、验封/启封，并上传操作结果。车载摄像与电子关锁联动，当电子关锁打开时记录下开锁人员图片。

GPS 车辆实时追踪模块，全程 GPS 监管押运车辆、保养维修及车载设备的使用状况（比如 RFID 电子关锁），确保押运车辆按时完成押运任务。

监控管理系统主要是对养殖场饲养人员的各个环节的操作过程以及实时视频监控 牛场的情况，对于分散的养殖场集中管理。整个监控管理系统，只须 1 人在办公室操作，就随时做到监控养殖场饲养人员的操作过程以及现在牛场的情况，实现对全场的 24h 监控，极大地方便了牛场生产管理，同时也提高了牛场防疫隔离能力。

当饲养人员进入养殖场时，必须用身份卡刷门禁通道系统后才能正常通过通道。

系统能准确的记录他们的工作情况，这样以便进行绩效考评。

不同的养殖人员给予他们进入养殖管理系统的权限。

 

四、     系统的特点

全自动识别：实现了肉牛身份编码，使得饲养人员只要通过系统手持设备就能很轻易的获得某头肉牛的基本信息以及饲养、检疫防疫、疾病状况。

高效的可追溯性： 系统对肉牛的整个养殖周期进行全程的跟踪，都对每个环节进行记录，并且将数据集中备份在系统数据中心，如发生疾病事件，系统将对病源进 行查找，方便饲养人员进行分析。

自动称重子系统具有快速识别牛号、智能控制、高可靠性的特点。自动获取肉牛重量，存入数据库中，实现肉牛养殖成本的计算。

方便性：系统全电子化的数据集中管理，使得大量的数据的查找工作由服务器来完成，节省了大量的人力和时间，使得对事件的反应得以提速。

安全性：本系统采用嵌入超高频标签型牛耳标，该电子标签是专为牛而设计 的，识别响应时间快，平均故障发生率低，可以确保标签识别环节的安全性，及时性及稳定性，从而实现系统的实时传输，保证了信息的及时性。

提高管理水平：集中管理、分布式控制；不光是减少了劳动力，也让管理更规范。

系统的可扩展性：考虑到将来的发展趋势及信息化建设的推动，系统设计上能够方便的实现系统的扩充。

 

五、     系统的效益分析

基于 RFID 技术的肉牛养殖管理系统，以信息化和基于 RFID 的自动识别技术带动传统 的肉牛养殖业的改造，可以为整个畜牧业带来不可估量的社会和经济效益。

（1）提高养殖管理人员的信息素养和管理水平使用信息平台能树立养殖管理人员的信息素养和全局的管理观念，基于 RFID 技术的肉牛养殖管理系统的使用能在实际中快速的带动整个肉牛行业从业人员的信息素养和管理水平。

（2）提高消费者信心 食品安全已经成了普通老百姓关注的焦点，而疯牛病，口蹄疫等动物疾病的频繁的爆发，严重的挫伤了消费的信心。为此养殖管理信息化就实现对畜牧产品的饲养和问题产品的可追溯性。

（3）重大疫情的快速反映建立对肉牛养殖管理和生产的信息化，可以对患病牛只进行快速的定位，能对重大事件进行快速的反映，使事件的伤害达到最小。

（4）疾病问题的及时处理对病牛的快速获知，使得肉牛疾病能得到及时的控制和治疗，使之损失及危害降到最低。

（1）提高我国肉牛业在国际的地位增加出口

基于 RFID 技术肉牛养殖管理系统的使用，可以很好的提高牛肉的档次。我国肉牛业生产水平不高，优质肉牛比重少，牛肉档次低仍然是制约肉牛业发展的主要因素。通过使用基 于 RFID 技术的肉牛养殖管理系统，能够有效地降低肉牛疾病的大规模爆发，使牛肉的质量得到极大的提高，从而使我国肉牛产品的国际竞争力随之增强，有利于为我国的肉类产品争创国际品牌。

（2）节省生产成本

基于 RFID 技术肉牛养殖管理系统的建立，通过对牛只个体的称重和精细的饲养可以节省成本，同时信息平台的建立打破了部门条块的分割，实现信息共享，完善监控手段，减少隐形成本。

（3）自动化称重

测量体重已作为一项重要任务摆在牛场工作人员的面前。RFID 自动称重子系统则为完 成这项工作，提供了一种捷径，可以大大降低工作人员的劳动强度，节省劳动时间。

（4）经济效益预算

系统的硬件设备都属于一次性的成本投入，大概在8万元左右，年出栏 1000 头 x500kg/ 头 x30 元/kg（普通肉牛）=1500 万元，按四川省“放心肉”计算，每公斤比普通肉多 0.25 元，可收入 1875 万元，累计纯收益 375 万元。

 

六、     结论

畜产品可追溯系统作为食品质量安全风险控制管理的有效手段正越来越受到社会各界的广泛关注,而中国的畜产品可追溯系统的研究则刚刚起步。本文对肉牛养殖过程中所涉及的个体识别、养殖数据的交互传输,以及设计实现基于此的肉牛养殖可追溯系统的关键技术进行了初步应用。

1) 在肉牛养殖过程中,对影响肉牛健康状况的各种因素的监控缺位是造成日后引发牛肉质量安全隐患的重要因素。系统在示范企业试运行期间,通过追溯系统对肉牛养殖管理的数字化,实现了本来应由饲养员完成的繁杂而又易疏漏的对肉牛养殖环境和肉牛健康状况的监控。分别对肉牛养殖进行了以下三个方面的预警: ( 1)对养殖作业和管理的预警; ( 2)在消毒、防疫、治疗过程中对使用药品进行预警; (3)在休药期内,对肉牛出栏的预警。

由于本系统对养殖环境的有效监控,不但提高了所养肉牛的牛肉品质,降低了养殖企业因肉牛淘汰率过高而产生的经营风险,而且还形成了针对每头肉牛的可靠而准确的产品质量追溯信息。

2) 研究发现,在肉牛养殖环节上进行的牛肉质量可追溯必须建立在顺利采集每头肉牛的养殖数据的基础上。而当质量追溯系统完全融入到养殖企业的生产管理系统中时,才能充分保证质量追溯信息的真实性和有效性。本研究通过对RF ID硬件设备的技术改造,克服了RF ID技术在生物体上应用会产生的各种局限性,使得RF ID 技术在肉牛识别上变得更加便捷、快速,在企业不损失任何生产效率的同时,采集到了精确到每头肉牛的养殖数据,确保了整个追溯系统的可用性和真实性。

3) 肉牛养殖数据因肉牛的迁徙而产生的数据断层是实现我国牛肉质量可追溯的关键障碍之一。因此,国家必须建立统一的肉牛养殖数据交流的网络平台,才能在最大程度上对记录规范有效的肉牛养殖数据有所保障。

 

附录：