基于物聯網與射頻識別技術的土雞全產業鏈監管體系構建

黃惠珍 劉善文

摘 要：【目的/意義】應用物聯網和射頻識別技術，構建土雞全產業鏈監管體系，從而實現山林土雞的生態養殖管理，架設農戶與消費者的互信橋梁。【方法/過程】搭建智能雞舍、生產智能化管理系統、生產可視化監控系統、智能立體棲架觀測與評價系統、安全生產監管與溯源系統以及互聯網定制認養系統，構建土雞全產業鏈監管體系。通過在智能雞舍內布署物聯傳感設備及以射頻識別技術讀寫雞腳環信息，實現對生產過程數據、農產品信息、農產品溯源信息的采集和監測，養殖基地可視化360°高清24h展示，農產品網絡平臺認養與訂購等功能。【結果/結論】構建土雞全產業鏈監管體系，識別雞只個體狀態及活動行為，形成可追溯、可驗證、透明化的全產業鏈過程信息的傳輸與展示，可實現高效、穩定的溯源，保障農產品優質生產和質量安全。

關鍵詞：物聯網;NFC腳環;食品安品;監管

Abstract： 【Objective/Meaning】The Internet of Things and Radio Frequency Identification Technology were applied to build the supervision system of whole industry chain for native chickens， so as to realize the ecological breeding and management of native chickens in the mountain forests and build a bridge of mutual trust between farmers and consumers. 【Methods/Procedures】Through establishing the intelligent chicken house， the intelligent production management system， the visual production monitoring system， the intelligent three-dimensional roost observation and evaluation system， the safety production supervision and traceability system and the Internet customized adoption system， the supervision system of whole industry chain for native chickens has been constructed. By placing the iot sensing equipment in the intelligent chicken coop and reading and writing the information of chicken foot rings with Radio Frequency Identification Technology， the functions could be realized including the collection and monitoring of the production process data， the agricultural product information and the information of agricultural product traceability， the visual 360-degree display of aquaculture base for 24 hours， and the adoption and order of agricultural products on the online platform. 【Results/Conclusions】By establishing the supervision system of whole industry chain for native chickens， identifying the individual status and activities of chickens， and forming the transmission and display of traceable， verifiable and transparent process information of the whole industry chain， the efficient and stable traceability could be achieved， thus to ensure the high-quality production and the quality safety of agricultural products.

Key words： Internet of Things; NFC foot ring; food safety; supervision

近年來，出于對安全食品的渴望，在山林生態養殖的土雞越來越受到消費者的親睞。經過動物行為學家的分析，山里的土雞具有晝夜節律性，白天在外站立或活動行為較多，晚上習慣回雞舍的趴臥行為和棲息行為表現較多[1]。傳統的養殖雞舍以人力管理為主，人員需要時常進出雞舍，不僅極易攜帶細菌，感染群，還易對土雞造成應激，影響雞只的生長發育[2]。另外，“臟、亂、臭、差”的養殖環境也非常不利于雞只的健康生長，甚至導致家禽疫病問題[3]。

為了保障原始農產品的質量，提高消費者對食品安全的信任度，近些年國家頒布了多項新政策。中共中央辦公廳、國務院辦公廳2019年印發的《數字鄉村發展戰略綱要》，明確提出要推進農業數字化轉型，加快推廣云計算、物聯網、人工智能等現代信息化技術在農業生產經營管理中的應用[4]。趙春江[5]在《發展智慧農業 建設數字鄉村》中提到對“十四五”數字鄉村建設戰略的考慮：“加強農村地區信息化建設，大力發展以數據為關鍵要素的農業生產性服務業，加快數字技術對農村地區生產、生活、治理（公共服務、公共事務、公共安全）等全面滲透，加快信息化服務普及，降低應用成本，為老百姓提供用得上、用得起、用得好的信息服務，讓老百姓有獲得感與幸福感。”

因此，越來越多的科技企業和科研專家深入田間地頭，改變傳統的農業生產模式，推動現代農業整體提檔升級，帶動脫貧攻堅與產業振興。隨著信息網絡和智慧農業的快速發展，農業信息化技術已經大量應用到了生產監測、精準灌溉、農產品質量安全追溯、定制農業等諸多領域，收效甚佳。例如：湖南省永州市寧遠縣的農戶結合物聯網技術，運用智能化手段實現“手機養豬”，通過手機終端實施養豬生產各個環節信息的24 h遠程監控，該模式給當地農民帶來了可觀的收入[6]。

針對土雞傳統養殖中難以將健康散養管理過程進行數字化[7]，阻礙規模化發展;無法自動化改善雞舍環境，影響土雞發育生長;生產過程數據透明化程度較低，土雞系列產品信任度得不到保障等系列問題，本研究基于物聯網與射頻識別技術，設計了土雞全產業鏈監管體系，通過智能手機或電腦進行遠程控制，實現對土雞24 h活動與生產的自動監管，不僅保持了土雞的自由活動，減少了應激干擾，還能最大程度地節約養殖場的物力和人力成本。該土雞全產業鏈監管體系已在古田縣錢厝村試驗點的養殖戶中應用，完成了對土雞日常活動、生產過程管理的監測和數據采集，體系運行穩定可靠。

1 土雞全產業鏈監管體系應用技術

1.1 物聯網

物聯網（Internet of Things，IOT），是一個基于互聯網、傳統電信網、無線網等信息承載體，讓所有能夠被獨立尋址的普通物理對象形成互聯互通的網絡。它通過各種傳感裝置與技術，包括信息傳感器、紅外感應器、激光掃描器、射頻識別技術、全球定位系統等，實時聯系目標物體與過程，采集目標的生物、化學、力學、位置、聲、光、熱、電等各類信息，實現物與物、物與人的泛在連接，完成對物品和過程的智能化感知、識別和管理[8]。

1.2 射頻識別技術

射頻識別技術（Radio Frequency Identification，RFID），是一種通過無線射頻方式進行非接觸雙向數據通信的自動識別技術，由專用記錄媒體（電子標簽或射頻卡）進行識別與讀寫，達到數據無線快速交換的作用，被認為是21世紀最具發展潛力的信息技術之一[9]。最基本的RFID系統由3個部分組成，讀寫器（Reader）、標簽（Tag）、天線（Antenna）。近場通信（Near Field Communication，NFC），是由非接觸式射頻識別（RFID）及互聯互通技術整合演變而來的一種新興技術，使用了NFC技術的設備（如智能手機）可以在彼此靠近的情況下進行數據交換[10]。NFC系統的工作原理：首先讀寫器將要發送的信息，經編碼并加載到高頻載波信號上再經天線向外發送。當進入讀寫器工作區域的電子標簽接收到此信號，其內部芯片的有關電路對此信號進行倍壓整流、調制、解碼、解密，然后對命令請求、密碼、權限等進行判斷。

2 土雞全產業鏈監管體系構建

2.1 體系設計及功能實現

基于物聯網與射頻識別技術的土雞全產業鏈監管體系，包括：智能雞舍、生產智能化管理系統、生產可視化監控系統、智能立體棲架觀測與評價系統、安全生產監管與溯源系統以及互聯網認養與銷售推廣系統（圖1）。整個體系通過智能雞舍內布署的物聯傳感設備實現對生產過程數據、產品信息、農產品溯源信息的采集和監測，養殖基地可視化高清展示，農產品網絡平臺認養與訂購等功能。

2.2 智能雞舍搭建

2.2.1 必備條件

智能土雞舍首先要考慮防疫隔離條件。選擇自然環境生態，水源光照充足、水質較好、地勢高且遠離生活區，有足夠的放養面積（450～750只/hm2）的山地林下區域，便于雞只活動與覓食。場地及雞舍周圍必須實現電信寬帶有線/無線網絡全覆蓋，安裝穩定電源和配置避雷設備等基礎設施，針對野外及農村電網的特點，雞舍內配套的電子/電氣設備均滿足《GB7450-87》《IEC61312-1》《GBT19271.1-2003》等防雷、電涌防護相關的國家標準。

2.2.2 設計步驟

雞舍主體框架按照低成本、高牢固的要求建設，采用堅固耐用的材料，保證有效防止外來敵害入侵的同時，可以抗暴雨和9級臺風。物聯設備遵循可拆卸、易安裝、故障率低的原則，選用易于拆卸安裝且可多次利用的材料，并在舍內設計好相應的連接端口，使操作簡單易懂，達到無需專業人員現場指導，農戶可按照說明書自行快速搭建及拆卸，從而減少人工成本，且該設備在一批次雞的全飼養周期（即8個月）內故障率低于2%。

雞舍頂棚修建成斜坡式，坡面向南，面積以16 m2為宜;南、北墻設通風窗口，窗口面積與地面面積比達1∶5，方便采光，通風效果好，墻體和舍頂加入石棉保溫材料，做好隔熱保暖措施;地面用木屑、稻草桔等做墊料[11]，提高雞只生活環境的舒適度，增強雞只體質和抵抗力。在雞舍接入穩定電源和網絡后，配置物聯網各類傳感器（圖2），按雞舍大小與實際需求選擇安裝傳感器的數量與位置;在雞舍進出口及雞舍內四面方向上方，各裝一臺高清夜視網絡攝像頭，用以保證雞只全天24 h雞舍范圍內的活動數據的采集，同時為保證飼養安全，在雞舍外投料槽上方也同樣安裝高清可旋轉網絡攝像頭，監管投料過程和雞只集中進食情況;雞舍入口通道的地板上鋪設有稱重塊，稱重塊與遠程主機連接，稱重塊用于獲取當前入口通道上雞的總重量，由遠程電腦記錄及分析雞只的體重變化。

2.2.3 實現功能

這樣運用各種傳感器組成的無線傳感網絡，實現了雞舍內環境的溫度、濕度、光照強度等多個物理量參數的檢測。智能雞舍既保障了雞只生態健康生長的環境條件，又能完成生產過程數據、產品信息、產品溯源信息的采集和監管。

2.3 生產智能化管理系統

2.3.1 系統功能

通過雞舍內研發安裝的可以自動采集二氧化碳濃度、氨氣濃度、粉塵、風速、溫濕度等環境信息的無線數據傳感器，對雞舍的溫度、濕度、氨氣等養殖環境數據進行監測[12]（表1），并依靠5G、2.4G無線技術和ZigBee技術將采集到的數據信息通過無線傳輸與數據交換器進行通信數據轉化并傳到裝有專家系統的控制器，由控制器根據設定的參數控制供熱、通風、光照、舍門開關、數量清點、食物及飲水添加等設備的運作。

2.3.2 設計原則

溫濕度傳感器配置要求：性價比高，測量精度高，可設計性強，適合農業應用。二氧化碳傳感器和氨氣傳感器配置要求：低功耗，響應時間不超過2 min[13]，準確實現對氨氣濃度和二氧化碳濃度的實時采集，即使在1 d內氣體量變化很大，也能連續不斷地監測及捕獲異常變化。網絡連通要求：穩定網絡信號，傳輸速度快。大多數物聯網傳感裝備兼具環保性：采用微功耗“無線”化的數據采集及交換系統。舍內的數據采集器（如：溫度、濕度、氨氣采集器等）均設計為微功耗模式，（即在一批次雞只的全飼養周期8個月內無需更換電池）。同時，控制器將智能地判斷設備的使用情況，及時將暫時不工作的設備切換至睡眠狀態，為養殖戶節約能源，減少養殖成本。

2.3.3 關鍵技術與實現

該系統的智能化在于：控制器會根據生產設定數據判斷環境參數值是否超標，如果超標，則發出指令啟動相應的通風、排氣、加熱裝置來改善舍內環境，當環境參數值回歸系統允許范圍內時，控制器發出信號停止設備，系統中同時設置手動按鈕作為輔助控制設備，可通過按鈕人工控制設備的啟停，以備不時之需，增加系統的可靠性。雞舍情況通過互聯網實時上傳控制中心，管理人員或養殖戶可使用手機或電腦，通過5G網絡隨時查看雞舍狀況，對養殖現場進行動態跟蹤監測與控制，異常情況實時預警、遠程管控等智能化管理，實現養殖過程的精準管理、過程可視、全程可查詢的全自動智能化監控功能。

2.4 生產可視化監控系統

雞舍內外指定區域安裝高清智能化攝像機，對雞群的日常事件進行記錄，并對是否有其他大型動物對雞群進行騷擾進行遠程監控;同時支持視頻無限回放和自動切片上傳喂食、上腳環、消毒、免疫等重要事件（圖3）。一家養殖戶安裝一個監控主機，10路300萬高清網絡監控、星光級夜視H.265編碼的海康威視網絡攝像機，將網絡數字攝像機分布在雞舍產蛋處、雞只棲息處，出入口及雞舍外雞只頻繁出現的重點區域。

在監控系統中，產業體系管理者及終端消費者能連接網絡，進入信息管理平臺，隨時察看和跟蹤的雞只個體，了解特定雞只的活動情況和養殖過程，讓管理者遠程了解全產業范圍的養殖情況，同時消費者也能獲得認養雞只的生長情況等相關信息，真正做到買得放心，吃得安心。

2.5 智能立體棲架觀測與評價系統

2.5.1 設計原理

雞屬于禽類，在被馴化的過程中，仍然保留一定的飛行能力和樹棲習慣，所以晚上還保存著棲息在高處的習性。智能棲架就是利用雞的這一習性，在養殖舍內部署多個棲架，每個棲架各安裝多個高度不一的棲桿，每根棲桿上各安裝1個射頻讀寫器，遠程主機預存有每個射頻讀寫器的水平位置信息以及其所在棲架的高度位置信息，且每只雞腳上佩戴有NFC一次性溯源腳環。通過二者結合，智能棲桿可以實時觀察雞群的活動軌跡和準確記錄雞只個體的棲息位置。

2.5.2 裝配步驟

雞舍內設置相應數量的電子棲架（梯式或登式）。首先，棲架用直徑10 cm左右的毛竹和直徑2 cm的圓形小木棍搭建。本文試驗點棲架采用雙邊階梯型，與地面呈45°的2根斜支撐桿上放置多個與地面平行而高度不一的橫向棲桿。其次，采用腳環模具依次放入水晶滴膠、線圈+芯片，至凝固定型，設計制作出NFC腳環（圖4），這樣的NFC腳環即為NFC系統中的被動式電子標簽。

其次，在每根棲桿上與地面平行的位置安裝1個射頻讀寫器[14]，棲桿內部安裝天線，外置遠程主機（樹莓派卡片機）預存每個射頻讀寫器的水平位置信息以及所在棲架的高度位置信息。當NFC腳環靠近棲桿，腳環內線圈與棲桿天線形成磁場，NFC腳環通過該磁場獲取能量并返回電磁波，返回電磁波被轉換為數據信息，遠程主機通過編程語言執行機器指令，采集、存儲NFC腳環和電子棲桿交換的數據信息（圖5），包括土雞在所有棲桿上棲息的位置和停留時間。

2.5.3 特點與功能

智能立體棲架觀測與評價系統，其特點在于：（1）自動清點數量：可以實現對歸舍雞群的數量清點，以及對串舍率、未歸舍率的計算并上傳服務器。（2）健康狀況評價：通過NFC腳環和射頻讀寫器獲取每一只土雞活動與棲息的位置坐標，構建土雞個體行為習慣與活動偏好模型。

基于13.56GHz射頻技術的智能立體棲架觀測與評價系統，利用NFC腳環和電子棲桿，對土雞在立體棲架上的分布狀況進行實時采集監測[15]，實時在線分析土雞棲息分布數據;應用平臺進行批量數據特征提取，探明雞只個體日常活動行為習慣，為土雞健康評價提供理論依據。

通過清點雞群和對雞只個體日常活動數據模型分析，能夠及時感知數據流中的異常變化，結合高清視頻和圖像采集和檢測，預測雞只個體的健康變化，及時預防和診治。另外，結合雞肉品質鑒定，形成雞只個體行為習慣與肉質評級對應關系，進一步為雞肉品質評判提供有力的事實依據[16]。

2.6 安全生產監管與溯源系統

2.6.1 設計步驟

利用高清視頻人工智能監控技術、產品標識體系（GS1編碼體系、物流分銷管理技術及NFC溯源腳環），建立土雞日志檔案信息數據庫，實行“一個產地一個編碼一套檔案”的管理方式，進行個體識別和場內事件跟蹤監管。從雞苗的選擇到養殖、檢疫、出售、宰殺、運輸等環節，詳細記錄產地環境、原料采購、養殖管理、疫苗及用藥、采集雞蛋、雞肉加工、運輸等信息（圖6）;經過信息采集歸納與分析，建立土雞精細化安全生產監管與溯源管理系統，搭建數據反饋鏈路，形成畜禽智慧養殖的“感知-傳輸-應用-反饋”閉環控制系統，實現養殖過程物聯網數據應用服務的無人值守。

2.6.2 實現功能

利用雞腳上不可損壞、不可替換、不脫落的定制NFC腳環，即農產品個體身份證，實現通過智能手機NFC射頻感應獲得產品編碼（圖7），輕松追溯查詢到相應的基地檔案、農產品生產全過程相關記錄、相關農資投入品采購驗收等信息，從源頭確保質量可追溯。場地高清監控、NFC不可拆卸腳環、智能棲架等物聯網設施，讓每一粒蛋和每一只雞的生產過程、養殖周期都可以被視頻和數據重現[17]。通過建立“生產有記錄、過程留痕跡、質量能追溯，產品可召回”的生態食品安全生產質量管理模式，運用精準推送、用戶畫像等技術，面向政府部門、養殖戶、科研高校、科技公司和農產品消費者等不同群體，開展個性化、專業化、定制化服務，真正實現了“從山頭到餐桌”的全程監管與溯源，以此獲取公眾的信任。

2.7 互聯網定制認養與銷售推廣系統

2.7.1 意義

定制農業是按照消費者而非生產者的主觀意愿進行農業生產，將特定的需求通過網絡信息等媒介直接作用到農業生產中，完成農業生產上的“私人訂制”[18]。李克強總理在2015年政府報告中首次提出“將物聯網、大數據等技術與傳統類型產業相結合”，隨后國內引起廣泛關注。馬云曾在2019年“阿里巴巴技術脫貧大會”上指出“未來的農業是數據農業，是定制化的農業，是智能化的農業”。

飛速發展的互聯網技術推動農戶使用生態食品互聯網銷售系統或第三方網絡交易平臺開展農業電子商務，對接各大商超、零售店、用戶等渠道，打通線上線下交易[19]，打破傳統的“先產后賣”格局。這樣讓市場來決定農戶按需生產投入，重構農業產銷關系。引導農村合作社組織農戶進行生產更優質、安全的特色農產品，最大化地合理使用農村自然資源，以達到可持續地開發“金山銀山”，具有良好生態示范效應。

2.7.2 設計與實現

本研究通過自營電商平臺“佳仆網”，銷售可驗證可溯源的定制化土雞和土雞蛋;消費者通過微信公眾號或“佳仆網”直接觀察土雞的日常生活情況，看中后即可直接對某一區域的某只土雞或其雞蛋進行網上下單，在預付一定的訂金后，等到土雞一出欄或雞蛋一落地，定制雞即可定向送到消費者手中。

通過互聯網定制認養與銷售系統，農戶的優質農產品與消費者的個性需求直接對接，免去中間環節，既節省農戶外銷產品的市場成本，又降低了消費者的購買成本;憑借土雞全產業鏈監管體系的應用與指導，潛移默化地提升農業經營者的誠信服務意識，增強農產品品牌形象，形成區域的特色產業，讓優質產品營銷網絡化，農民賣出優質價[20]，促進農民增產增收，加快鄉村振興步伐。

3 結論與討論

3.1 結論

基于物聯網與射頻識別技術的土雞全產業鏈監管體系的創新之處在于：利用物聯網溯源技術和射頻個體識別技術，采集從養殖到屠宰、儲運至加工等各環節的全信息化電子數據，形成可定制、可追溯、可驗證的土雞、土雞蛋供應鏈，讓公眾遠程觀察到農產品養殖過程，起到質量安全監管作用，進一步強化農產品優質生產與質量安全;通過定位于安全、綠色、有機農產品的互聯網定制認養與銷售推廣，農戶按消費需求生產，消費者參與生產過程，由此建立起消費者與農戶的互信互利橋梁，大大降低農產品滯銷積壓風險，減少生產資料的浪費，同時對保障農業資本投入，提升農業生產力有重要意義。

在土雞全產業鏈監管體系構建過程中，也發現存在一些現實問題。安裝物聯網傳感設備需要一定費用進行前期投入，啟用全產業鏈監管體系后，農戶無法在短期內快速獲得經濟回報，從而打擊農戶建立全套監管體系的積極性，至今應用范圍較小。定制認養與銷售推廣過程中，由于定制認養的農產品需要精細化管控、綠色化生產、高端化包裝、定制化配送等過程，需要投入大量資金與技術設備，抬高了生產成本，使得產品銷售價格高于普通市場價格;因此該農產品的消費客戶群體比較局限，推廣速度緩慢，市場滲透率較低。

3.2 討論

基于物聯網與射頻識別技術的土雞全產業鏈監管體系，用NFC腳環（土雞身份證）精準識別雞只個體和智能管理，采集捕獲土雞全產業鏈過程的全信息化關鍵數據，建立土雞檔案數據庫，實現回溯農產品信息和定制認養銷售，可保障農產品質量安全，建立農戶與消費者的互信關系，增強優質農產品市場競爭力。

隨著智能信息技術的更替發展和農民觀念的轉變，智慧農業未來可期。本課題組今后將進一步細化研究數字信息在農業生產中的應用，讓農業大數據精準對接農業生產，開辟以產業興農促鄉村振興的新路徑。

參考文獻：

[1]陳冬華，于韻青，包軍. 籠養環境下對產蛋雞棲架材質的喜好選擇及行為表現的研究[J]. 黑龍江農業科學，2013（6）：36-44.

[2]翟龍濤. 對一款多功能智能雞舍控制系統的研究與設計[J]. 河南科技，2016（3）：46-47.

[3]曹凌.論養殖場環境控制對家禽生產與防病的影響[J]. 魅力中國，2015（33）：296-296.

[4]中共中央辦公廳 國務院辦公廳印發《數字鄉村發展戰略綱要》[J]. 農村工作通訊，2019（11）：6-9.

[5]趙春江. 發展智慧農業 建設數字鄉村[J]. 山東農機化，2020（5）：9-10.

[6]樓彬，陳晨，王記彩，等. 基于物聯網技術的家庭農場監控管理系統研究[J]. 無線互聯科技，2019，16（12）：47-48.

[7]王明，平陽，劉新，等. 基于物聯網的北京油雞健康散養系統構建與應用[J]. 中國家禽，2020，42（8）：59-64.

[8]劉陳，景興紅，董鋼. 淺談物聯網的技術特點及其廣泛應用[J]. 科學咨詢，2011（9）：86-86.

[9]李成淵. 射頻識別技術的應用與發展研究 [J]. 無線互聯科技，2016（20）：146-148.

[10]張相飛，周芝梅，王永剛，等. NFC技術原理及應用[J]. 科技風，2019（5）：69-70，75.

[11]祁發瑩.高原山地規模化散養生態雞舍建設技術[J]. 吉林畜牧獸醫，2019（2）：33-34.

[12]柳軍，陶建平，孟力力，等. 基于物聯網技術的溫室環境監控系統設計. 中國農機化學報，2016，37（12）：179-182.

[13]王家農. 農業物聯網技術應用現狀和發展趨勢研究[J]. 農業網絡信息，2015（9）：18-20.

[14]楊柳，李保明. 蛋雞棲架立體散養系統研究的發展趨勢與問題[J]. 中國畜牧雜志，2017，53（3）：1-2，13.

[15]毛濤濤，滕光輝，李志忠，等. 基于LabVIEW平臺的蛋雞棲架分布監測系統設計與實現[J]. 農業工程學報，2016，32（16）：169-174.

[16]鄭紅亞. 蛋種雞福利化立體散養系統設計參數及行為適應特性研究[D].北京：中國農業大學，2019.

[17]楊勇，徐忠杰，殷智浩. 農產品溯源系統設計[J]. 電腦知識與技術，2018，14（4）：235-236.

[18]李冬霞. 助力鄉村振興 發展農業產業新業態——定制農業[J]. 蔬菜，2020（10）：1-7.

[19]江蛟，李德新，羊杏平. 定制農業研究初探[J]. 經濟研究導刊，2019（13）：36-37.

[20]趙寧. 農村電商精準扶貧績效評價體系研究[J]. 農村經濟與科技. 2019，30（12）：71-74.