基于RFID手持終端的中小規(guī)模牛場養(yǎng)殖管理系統(tǒng)研究

李國強 周萌 陳付英 秦一浪 胡峰 汪一平 鄭國清

摘要：針對中小規(guī)模肉牛和奶牛養(yǎng)殖場信息化管理水平不高的問題，采用超高頻射頻識別技術RFID和Android構(gòu)建了手持式牛場智能管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)由Android軟件端和RFID硬件端組成。其中，Android端以Android Studio為開發(fā)平臺，采用SQLite輕型數(shù)據(jù)庫。RFID硬件端包括：手持終端和RFID耳標。該系統(tǒng)提供牛群管理、育種管理、繁殖管理、泌乳管理、育肥管理、疾病防控、統(tǒng)計分析和用戶管理等8個功能模塊。系統(tǒng)在河南省4個牛場經(jīng)過3年應用，結(jié)果表明，該系統(tǒng)能夠快速識別牛只，并能夠通過自定義快捷輸入鍵，實現(xiàn)牛場業(yè)務數(shù)據(jù)的高效采集。通過柱狀圖、曲線圖、表格等方式，實現(xiàn)牛場繁育、泌乳、生長、發(fā)病等數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析。通過判斷和指認不同發(fā)病部位的病癥及特征圖像，實現(xiàn)了常見疾病的快速診斷和防治。該系統(tǒng)通過整合牛場內(nèi)各類業(yè)務流程數(shù)據(jù)，生成“決策分析一張圖”，大大提高了工作效率。

關鍵詞：牛場;繁育;泌乳;智能終端;超高頻RFID;信息管理系統(tǒng)

中圖分類號：S126?? 文獻標志碼： A

文章編號：1002-1302（2021）22-0192-06

收稿日期：2021-04-24

基金項目：河南省“四優(yōu)四化”科技支撐行動計劃（編號：HN2020-3）。

作者簡介：李國強（1984—），男，河南林州人，博士，副研究員，主要從事農(nóng)業(yè)信息技術研究與智慧農(nóng)業(yè)相關研究。E-mail：gqli@hnagri.org.cn。

通信作者：鄭國清（1964—），男，河南淅川人，博士，研究員，主要從事農(nóng)業(yè)信息技術研究。E-mail：zgqzx@hnagri.org.cn。

千頭以下肉牛和奶牛養(yǎng)殖場存在飼養(yǎng)管理技術落后、信息化水平不高[1-2]等粗放經(jīng)營方式。以物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)和云計算等技術為依托[3]，完善養(yǎng)殖規(guī)?；⑸a(chǎn)標準化的發(fā)展方式[4]，是當前畜牧養(yǎng)殖智能化和裝備化的迫切需求[5]。

信息化與自動化的現(xiàn)代管理技術在農(nóng)業(yè)和畜牧業(yè)中已經(jīng)得到比較廣泛的應用[6-8]。在奶牛智能養(yǎng)殖管理方面，楊亮等建立了規(guī)?；膛錾a(chǎn)過程數(shù)據(jù)網(wǎng)絡整合與智能分析平臺，實現(xiàn)了奶牛場基本數(shù)據(jù)的保存和繁殖性能參數(shù)的在線分析[9]。李建等采用“云+端”模式，研制了奶牛繁殖管理系統(tǒng)，實現(xiàn)了WEB端和移動終端的數(shù)據(jù)實時同步[10]。李亞萍研制的奶牛場信息管理系統(tǒng)，實現(xiàn)了軟件和飼喂設備下位機之間的數(shù)據(jù)通訊[11]。Calsamiglia等構(gòu)建了基于網(wǎng)絡的虛擬奶牛群管理軟件，協(xié)助養(yǎng)殖場了解牛群結(jié)構(gòu)和功能[12]。王蕾構(gòu)建了奶牛場信息化管理系統(tǒng)，包含奶牛管理、飼料管理、牛奶管理、藥品管理和奶源追溯等模塊[13]。在肉牛智能養(yǎng)殖管理方面，浣成等以母牛繁殖周期和配種為核心，構(gòu)建了肉牛實時信息管理系統(tǒng)，實現(xiàn)了牛只繁殖信息的實時預警[14]。王虹等構(gòu)建了市級基礎母牛信息化管理系統(tǒng)，實現(xiàn)了基礎母牛繁殖、檢疫、生長測定等管理[15]。Sivamani等基于Android構(gòu)建了畜禽疾病早期檢測系統(tǒng)，即通過監(jiān)測家畜飼養(yǎng)行為預防早期可能出現(xiàn)的疾病[16]。

隨著智能手持終端的飛速發(fā)展，功能配置日益強大，能夠滿足農(nóng)業(yè)生產(chǎn)信息采集[17-18]，如趙敏等構(gòu)建了牛場養(yǎng)殖管理Web APP，實現(xiàn)了對牛只生長發(fā)育信息的存儲管理和數(shù)據(jù)可視化[19]。王海翠等設計了基于超高頻RFID技術的肉牛養(yǎng)殖可追溯系統(tǒng)，實現(xiàn)了肉牛品種、質(zhì)量、健康狀況等信息的高效采集[20]。RFID是一種非接觸式的自動識別技術，可以在較遠讀寫距離識別運動中的動物體。使用具有RFID功能的手持終端，識別牛電子耳標內(nèi)的數(shù)據(jù)，并隨時隨需采集信息和即時跟蹤管理，這是掌握動物健康狀況的有效管理方法，也是傳統(tǒng)人工采集無法比擬的方法。綜上，規(guī)?；B(yǎng)殖場管理系統(tǒng)多為PC版和WEB版，而集成養(yǎng)殖管理與超高頻RFID的手持養(yǎng)殖管理系統(tǒng)還少見報道。為此，本研究以手持終端為載體，利用RFID、移動互聯(lián)網(wǎng)技術，以千頭規(guī)模化養(yǎng)殖場牛只繁育流程為主線，重點涉及發(fā)情、配種、產(chǎn)犢、泌乳或育肥、離場等事件，構(gòu)建涵蓋肉牛和奶牛養(yǎng)殖的智能管理系統(tǒng)。旨在為中小規(guī)模養(yǎng)殖場的品種選育、繁殖和疾病治療等環(huán)節(jié)的信息化提供技術支撐。

1 系統(tǒng)分析

1.1 功能需求分析

課題組對河南省肉牛和奶牛產(chǎn)業(yè)聚集區(qū)中的豫西、豫西南、豫東地區(qū)進行入場調(diào)查。通過梳理牛場日常業(yè)務，結(jié)合現(xiàn)有軟件平臺建設實踐，摸清軟件功能需求主要包括：（1）能夠?qū)ε鲇N、繁殖、泌乳、育種等信息進行綜合管理;（2）能夠?qū)崟r查看牛場管理狀態(tài)，生成詳細圖表;（3）盡量降低基層信息采集員的工作復雜度，提高信息錄入效率;（4）能夠?qū)ΤＲ姴√峁┏醪降募膊≥o助判斷。

根據(jù)不同類型牛場業(yè)務流程，總結(jié)提煉制定了業(yè)務信息流圖（圖1）。由圖1可知，第一個環(huán)節(jié)是牛只進場前，通過外購或本場繁育，增加牛只存欄量。進場后要進行檢疫檢查，更換耳標和分配牛舍。隨后是養(yǎng)殖場日常管理業(yè)務。牛場負責人綜合判斷牛場運營狀況，制定牛只銷售決策。

1.2 系統(tǒng)功能設計分析

針對養(yǎng)殖場一線員工信息化接受程度不高等特點，堅持簡潔友好、操作簡便的原則，采用智能手持終端+安卓手機應用的架構(gòu)模式。根據(jù)前期功能需求分析，由圖2可知，系統(tǒng)一級功能模塊包括牛群管理、育種管理、繁殖管理、泌乳管理、疾病防控、育肥管理、統(tǒng)計分析、用戶管理8個模塊。如下：

（1）“牛群管理”記錄牛只個體特征，場內(nèi)牛只轉(zhuǎn)移、離場等信息，包括牛舍管理、牛只管理、轉(zhuǎn)舍登記和離場登記4個功能?！芭Ｉ峁芾怼庇涗浥Ｉ岬幕拘畔ⅲㄅＩ峋幪?、牛舍名稱、牛舍類別、牛舍面積和最大存欄量;“牛只管理”記錄完整的牛只檔案?！稗D(zhuǎn)舍登記”和“離場登記”記錄牛只在場內(nèi)和場外的轉(zhuǎn)移情況。

（2）“育種管理”記錄牛只配種情況，凍精使用情況以及體型評分，包括配種記錄、凍精管理、體型鑒定和體況評分等4個功能?！皟鼍芾怼庇涗泝鼍幪?、凍精來源、所屬品種等信息?！芭浞N記錄”記錄配種流程和配種次數(shù);“體型鑒定”記錄體型總分、體軀容量、泌乳系統(tǒng)等信息;“體況評分”采用向?qū)讲僮?，逐步逐項引導用戶完成評分。

（3）“繁殖管理”記錄牛只發(fā)情、產(chǎn)犢和流產(chǎn)情況，包括發(fā)情記錄、產(chǎn)犢記錄和流產(chǎn)記錄3個功能?！鞍l(fā)情記錄”記錄發(fā)情類型、發(fā)現(xiàn)方式等信息;“產(chǎn)犢記錄”記錄母牛號、犢牛號、初生重、性別胎教、產(chǎn)犢難易、胎衣情況等信息;“流產(chǎn)記錄”記錄母牛號、流產(chǎn)原因、胎兒類型、發(fā)現(xiàn)方式等信息。

（4）“泌乳管理”記錄牛只每日產(chǎn)奶情況，包括產(chǎn)奶記錄和干奶記錄2個功能?！爱a(chǎn)奶記錄”記錄擠奶班次和產(chǎn)奶量;“干奶記錄”記錄干奶類型和原因。

（5）“疾病防控”記錄牛只發(fā)病、治療、免疫和防疫情況，包括免疫登記、發(fā)病登記、病情診斷和病情檢索4個功能?！懊庖叩怯洝庇涗浥Ｖ灰呙缡褂们闆r，包括疫苗種類，疫苗階段，劑量和部位;“發(fā)病登記”記錄牛只發(fā)病癥狀;“病情診斷”提供常見疾病指認式診斷功能;“病情檢索”提供9大類41種常見病知識庫，包括疾病種類、疾病名稱、發(fā)病癥狀、嚴重程度、發(fā)現(xiàn)方式、防治措施、處方備注。

（6）“育肥管理”記錄牛只體質(zhì)量、體長等生長狀況，即“生長測定”記錄牛只身體狀況信息，包括稱質(zhì)量時間、體質(zhì)量、體高、體長、體斜長、胸圍、腹圍等。

（7）“統(tǒng)計分析”即針對牛群結(jié)構(gòu)和產(chǎn)奶等數(shù)據(jù)進行可視化分析。

（8）“用戶管理”即設置用戶信息、牧場基本信息等。

2 系統(tǒng)設計

2.1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設計

系統(tǒng)采用基于客戶端的B/S架構(gòu)（圖3），其中，服務器設置在云端，用于數(shù)據(jù)存儲和管理，為手持終端提供數(shù)據(jù)服務?？蛻舳思从脩舻氖謾C終端，用于接受用戶指令、向服務器發(fā)出請求并接收回傳數(shù)據(jù)。本系統(tǒng)采用基于HTTP協(xié)議的WEB API來實現(xiàn)服務端與客戶端的交互。服務器端通過WEB API處理HTTP請求（GET、POST、DELETE等），當客戶端查詢結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)時，客戶端發(fā)送GET查詢請求，服務器端通過查詢服務器關系數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，返回查詢結(jié)果。

2.2 數(shù)據(jù)庫設計

根據(jù)系統(tǒng)功能設置，設計了23個數(shù)據(jù)表，分別保存養(yǎng)殖事件，部分表結(jié)構(gòu)見表1。

3 系統(tǒng)實現(xiàn)與應用

3.1 系統(tǒng)實現(xiàn)

以安卓手機作為客戶端，客戶端使用安卓視圖（VIEW）組件，實現(xiàn)數(shù)據(jù)錄入界面的交互;應用嵌入型數(shù)據(jù)庫（SQLite），實現(xiàn)手機端數(shù)據(jù)存儲;云端基于阿里提供的云服務器。

客戶端運行環(huán)境：以Android Studio為開發(fā)集成環(huán)境，使用Java編程語言，基于安卓3.1SDK開發(fā)。采用SQLite輕型數(shù)據(jù)庫，通過JSON數(shù)據(jù)格式進行數(shù)據(jù)交換。系統(tǒng)最終運行在安卓3.1以上版本的手持終端，并需內(nèi)置UHF、1D/2D掃描等物聯(lián)網(wǎng)功能。本研究選擇傅里葉CILICO F880手持終端，該終端基于Android 7.1系統(tǒng)開發(fā)，內(nèi)置物聯(lián)網(wǎng)功能，讀取距離3～5 m。牛耳佩戴的電子耳標選擇超高頻UHF電子耳簽，讀寫距離在1～7 m。

云端運行環(huán)境：Web端開發(fā)環(huán)境為Visual Studio 2019，使用IIS 8作網(wǎng)絡服務器，服務端數(shù)據(jù)庫為MS SQL Server。服務端部署到阿里云服務器上。

3.2 系統(tǒng)應用

初次使用本系統(tǒng)時，養(yǎng)殖場負責人需先注冊，然后設置養(yǎng)殖場員工信息，如姓名、聯(lián)系方式和密碼等。登錄系統(tǒng)后，首先進入“場長視圖”，展示了整個牛場前1 d牛只個體發(fā)生的不同事件信息。點擊“功能列表”，展示各數(shù)據(jù)填報功能，根據(jù)業(yè)務流程，逐項完成數(shù)據(jù)填報。點擊“統(tǒng)計分析”，展示牛群數(shù)據(jù)和產(chǎn)奶量的分析圖表。點擊“用戶管理”，完成員工管理、密碼修改等。

3.2.1 數(shù)據(jù)填報 詳實完整的牛只檔案信息是本系統(tǒng)業(yè)務運行的核心數(shù)據(jù)。本系統(tǒng)提供了歷史數(shù)據(jù)導入和日常數(shù)據(jù)填報2種錄入方式。對于歷史數(shù)據(jù)，將紙質(zhì)記錄表電子化后，保存為Excel格式，直接導入系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫。由圖4可知，對于日常錄入，通過點選虛擬輸入鍵盤，調(diào)取高頻字段字典數(shù)據(jù)，實現(xiàn)信息的快速錄入。由圖5可知，系統(tǒng)提供了單個和批量2種記錄方式，對于單個牛只事件，如單頭牛的轉(zhuǎn)舍或離場，采取逐頭牛填報，而對于整個牛舍事件，例如斷奶犢牛轉(zhuǎn)舍至青年牛舍，采取批量填報。由圖6可知，手持終端識別電子耳標數(shù)據(jù)，獲取牛只唯一ID。根據(jù)牛只ID查詢數(shù)據(jù)庫，判斷為空，新增牛只信息或事件，否則顯示查詢結(jié)果。

3.2.2 專家知識診斷 本系統(tǒng)提供病情診斷和病情檢索2種智能推理診斷功能。（1）病情診斷?；趫D像及特征描述的指認式診斷模式是最簡單直觀的診斷方式。由圖7可知，推理過程，即采用本體論方法，對常見病診斷知識進行結(jié)構(gòu)劃分，設計知識庫。由圖8可知，該知識庫包括營養(yǎng)代謝性疾病、消化系統(tǒng)疾病、繁殖系統(tǒng)疾病、外科病、神經(jīng)系統(tǒng)疾病、中毒病、寄生蟲病、細菌病、病毒病等9大類。然后采用二叉樹檢索算法，基于不同發(fā)病部位的病癥及特征圖像，實現(xiàn)對常見疾病的知識解析說明。用戶根據(jù)發(fā)病部位，瀏覽圖像庫中的圖像，然后根據(jù)系統(tǒng)提示，逐步確認疾病種類。（2）病情查詢。系統(tǒng)收錄了41種常見病，每種疾病包括概況、病源、臨床癥狀、確診方法和防治措施等詳細描述（圖9）。

3.2.3 統(tǒng)計分析 本系統(tǒng)提供了“場長一張圖”和統(tǒng)計圖表2種分析方式。由圖10可知，“場長一張圖”匯集整個牛場前1 d牛只個體發(fā)生的不同事件信息，通過數(shù)據(jù)表，顯示牛只存欄、離場、總產(chǎn)奶量、日均產(chǎn)奶量、發(fā)情數(shù)、配種數(shù)、產(chǎn)犢數(shù)、流產(chǎn)數(shù)，發(fā)病數(shù)、免疫數(shù)等10個指標均值。本系統(tǒng)對牛群數(shù)據(jù)和產(chǎn)奶量進行統(tǒng)計分析，提供牛群結(jié)構(gòu)和牛舍存欄動態(tài)圖（圖11、圖12），計算牛群結(jié)構(gòu)占比、各牛舍存欄分布、牛群胎次等。從牛只、牛舍和牛場3個層次，動態(tài)分析泌乳牛產(chǎn)奶分布、泌乳天數(shù)等。

4 系統(tǒng)應用效果

于2019—2020年，在河南省原陽縣河南農(nóng)科牛業(yè)科技有限公司（奶牛養(yǎng)殖）、河南省蘭考縣花花牛有限公司（奶牛養(yǎng)殖）、河南省上蔡縣欣燃養(yǎng)殖專業(yè)合作社（肉牛養(yǎng)殖）、河南省泌陽縣夏南?？萍奸_發(fā)有限公司（肉牛養(yǎng)殖）進行系統(tǒng)測試和應用。應用結(jié)果表明，與手工記錄數(shù)據(jù)對比，利用該系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)，節(jié)約記錄耗時80%，省去數(shù)據(jù)手工填報、后期整理和制圖等環(huán)節(jié)，并且生成格式統(tǒng)一的數(shù)據(jù)檔案。與傳統(tǒng)管理方式對比，發(fā)情監(jiān)測漏配率降低25%，平均縮短胎間距4%（11 d）。奶牛乳房炎發(fā)病率降低20%。牛奶中乳蛋白不低于3.1%，肉牛飼養(yǎng)成本平均降低5%。

5 結(jié)論

本研究以牛只檔案為數(shù)據(jù)源，基于Android和手持終端構(gòu)建了一套適用于千頭以下規(guī)?；B(yǎng)殖場的牛場智能管理系統(tǒng)，具有牛群、育種、繁殖、泌乳和育肥等8個管理模塊。該系統(tǒng)具有以下特點：（1）集成超高頻RIFD技術，提供“點讀”和“群讀”2種快速牛只實時識別與監(jiān)測方式，實現(xiàn)了牛場日常業(yè)務高效準確采集;（2）采用二叉樹檢索算法，基于不同發(fā)病部位的病癥及特征圖像，提供指認式診斷方式;（3）提供“場長一張圖”等統(tǒng)計功能，實現(xiàn)了牛場繁育、泌乳、生長、發(fā)病等數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析。應用結(jié)果表明，利用手持終端遠距離讀取耳標信息、調(diào)取牛只檔案、查閱關聯(lián)事件，有效整合了牛場內(nèi)各類業(yè)務流程，提升了牛場的業(yè)務水平及管理水平。在本研究中，該系統(tǒng)的統(tǒng)計分析模塊實現(xiàn)了對牛只記錄信息分析與處理，但未涉及數(shù)據(jù)挖掘等功能。在下一版本研發(fā)中，將結(jié)合飼養(yǎng)設備和專家知識，增加飼養(yǎng)管理模塊識，進一步完善數(shù)據(jù)分析類型和圖表類型。

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