基于RFID手持终端的中小规模牛场养殖管理系统研究

李国强 周萌 陈付英 秦一浪 胡峰 汪一平 郑国清

摘要：针对中小规模肉牛和奶牛养殖场信息化管理水平不高的问题，采用超高频射频识别技术RFID和Android构建了手持式牛场智能管理系统。该系统由Android软件端和RFID硬件端组成。其中，Android端以Android Studio为开发平台，采用SQLite轻型数据库。RFID硬件端包括：手持终端和RFID耳标。该系统提供牛群管理、育种管理、繁殖管理、泌乳管理、育肥管理、疾病防控、统计分析和用户管理等8个功能模块。系统在河南省4个牛场经过3年应用，结果表明，该系统能够快速识别牛只，并能够通过自定义快捷输入键，实现牛场业务数据的高效采集。通过柱状图、曲线图、表格等方式，实现牛场繁育、泌乳、生长、发病等数据的统计分析。通过判断和指认不同发病部位的病症及特征图像，实现了常见疾病的快速诊断和防治。该系统通过整合牛场内各类业务流程数据，生成“决策分析一张图”，大大提高了工作效率。

关键词：牛场;繁育;泌乳;智能终端;超高频RFID;信息管理系统

中图分类號：S126   文献标志码： A

文章编号：1002-1302（2021）22-0192-06

收稿日期：2021-04-24

基金项目：河南省“四优四化”科技支撑行动计划（编号：HN2020-3）。

作者简介：李国强（1984—），男，河南林州人，博士，副研究员，主要从事农业信息技术研究与智慧农业相关研究。E-mail：gqli@hnagri.org.cn。

通信作者：郑国清（1964—），男，河南淅川人，博士，研究员，主要从事农业信息技术研究。E-mail：zgqzx@hnagri.org.cn。

千头以下肉牛和奶牛养殖场存在饲养管理技术落后、信息化水平不高[1-2]等粗放经营方式。以物联网、大数据和云计算等技术为依托[3]，完善养殖规模化、生产标准化的发展方式[4]，是当前畜牧养殖智能化和装备化的迫切需求[5]。

信息化与自动化的现代管理技术在农业和畜牧业中已经得到比较广泛的应用[6-8]。在奶牛智能养殖管理方面，杨亮等建立了规模化奶牛场生产过程数据网络整合与智能分析平台，实现了奶牛场基本数据的保存和繁殖性能参数的在线分析[9]。李建等采用“云+端”模式，研制了奶牛繁殖管理系统，实现了WEB端和移动终端的数据实时同步[10]。李亚萍研制的奶牛场信息管理系统，实现了软件和饲喂设备下位机之间的数据通讯[11]。Calsamiglia等构建了基于网络的虚拟奶牛群管理软件，协助养殖场了解牛群结构和功能[12]。王蕾构建了奶牛场信息化管理系统，包含奶牛管理、饲料管理、牛奶管理、药品管理和奶源追溯等模块[13]。在肉牛智能养殖管理方面，浣成等以母牛繁殖周期和配种为核心，构建了肉牛实时信息管理系统，实现了牛只繁殖信息的实时预警[14]。王虹等构建了市级基础母牛信息化管理系统，实现了基础母牛繁殖、检疫、生长测定等管理[15]。Sivamani等基于Android构建了畜禽疾病早期检测系统，即通过监测家畜饲养行为预防早期可能出现的疾病[16]。

随着智能手持终端的飞速发展，功能配置日益强大，能够满足农业生产信息采集[17-18]，如赵敏等构建了牛场养殖管理Web APP，实现了对牛只生长发育信息的存储管理和数据可视化[19]。王海翠等设计了基于超高频RFID技术的肉牛养殖可追溯系统，实现了肉牛品种、质量、健康状况等信息的高效采集[20]。RFID是一种非接触式的自动识别技术，可以在较远读写距离识别运动中的动物体。使用具有RFID功能的手持终端，识别牛电子耳标内的数据，并随时随需采集信息和即时跟踪管理，这是掌握动物健康状况的有效管理方法，也是传统人工采集无法比拟的方法。综上，规模化养殖场管理系统多为PC版和WEB版，而集成养殖管理与超高频RFID的手持养殖管理系统还少见报道。为此，本研究以手持终端为载体，利用RFID、移动互联网技术，以千头规模化养殖场牛只繁育流程为主线，重点涉及发情、配种、产犊、泌乳或育肥、离场等事件，构建涵盖肉牛和奶牛养殖的智能管理系统。旨在为中小规模养殖场的品种选育、繁殖和疾病治疗等环节的信息化提供技术支撑。

1 系统分析

1.1 功能需求分析

课题组对河南省肉牛和奶牛产业聚集区中的豫西、豫西南、豫东地区进行入场调查。通过梳理牛场日常业务，结合现有软件平台建设实践，摸清软件功能需求主要包括：（1）能够对牛场育种、繁殖、泌乳、育种等信息进行综合管理;（2）能够实时查看牛场管理状态，生成详细图表;（3）尽量降低基层信息采集员的工作复杂度，提高信息录入效率;（4）能够对常见病提供初步的疾病辅助判断。

根据不同类型牛场业务流程，总结提炼制定了业务信息流图（图1）。由图1可知，第一个环节是牛只进场前，通过外购或本场繁育，增加牛只存栏量。进场后要进行检疫检查，更换耳标和分配牛舍。随后是养殖场日常管理业务。牛场负责人综合判断牛场运营状况，制定牛只销售决策。

1.2 系统功能设计分析

针对养殖场一线员工信息化接受程度不高等特点，坚持简洁友好、操作简便的原则，采用智能手持终端+安卓手机应用的架构模式。根据前期功能需求分析，由图2可知，系统一级功能模块包括牛群管理、育种管理、繁殖管理、泌乳管理、疾病防控、育肥管理、统计分析、用户管理8个模块。如下：

（1）“牛群管理”记录牛只个体特征，场内牛只转移、离场等信息，包括牛舍管理、牛只管理、转舍登记和离场登记4个功能。“牛舍管理”记录牛舍的基本信息，包括牛舍编号、牛舍名称、牛舍类别、牛舍面积和最大存栏量;“牛只管理”记录完整的牛只档案。“转舍登记”和“离场登记”记录牛只在场内和场外的转移情况。

（2）“育种管理”记录牛只配种情况，冻精使用情况以及体型评分，包括配种记录、冻精管理、体型鉴定和体况评分等4个功能。“冻精管理”记录冻精编号、冻精来源、所属品种等信息。“配种记录”记录配种流程和配种次数;“体型鉴定”记录体型总分、体躯容量、泌乳系统等信息;“体况评分”采用向导式操作，逐步逐项引导用户完成评分。

（3）“繁殖管理”记录牛只发情、产犊和流产情况，包括发情记录、产犊记录和流产记录3个功能。“发情记录”记录发情类型、发现方式等信息;“产犊记录”记录母牛号、犊牛号、初生重、性别胎教、产犊难易、胎衣情况等信息;“流产记录”记录母牛号、流产原因、胎儿类型、发现方式等信息。

（4）“泌乳管理”记录牛只每日产奶情况，包括产奶记录和干奶记录2个功能。“产奶记录”记录挤奶班次和产奶量;“干奶记录”记录干奶类型和原因。

（5）“疾病防控”记录牛只发病、治疗、免疫和防疫情况，包括免疫登记、发病登记、病情诊断和病情检索4个功能。“免疫登记”记录牛只疫苗使用情况，包括疫苗种类，疫苗阶段，剂量和部位;“发病登记”记录牛只发病症状;“病情诊断”提供常见疾病指认式诊断功能;“病情检索”提供9大类41种常见病知识库，包括疾病种类、疾病名称、发病症状、严重程度、发现方式、防治措施、处方备注。

（6）“育肥管理”记录牛只体质量、体长等生长状况，即“生长测定”记录牛只身体状况信息，包括称质量时间、体质量、体高、体长、体斜长、胸围、腹围等。

（7）“统计分析”即针对牛群结构和产奶等数据进行可视化分析。

（8）“用户管理”即设置用户信息、牧场基本信息等。

2 系统设计

2.1 系统总体结构设计

系统采用基于客户端的B/S架构（图3），其中，服务器设置在云端，用于数据存储和管理，为手持终端提供数据服务。客户端即用户的手机终端，用于接受用户指令、向服务器发出请求并接收回传数据。本系统采用基于HTTP协议的WEB API来实现服务端与客户端的交互。服务器端通过WEB API处理HTTP请求（GET、POST、DELETE等），当客户端查询结构化数据时，客户端发送GET查询请求，服务器端通过查询服务器关系数据库系统，返回查询结果。

2.2 数据库设计

根据系统功能设置，设计了23个数据表，分别保存养殖事件，部分表结构见表1。

3 系统实现与应用

3.1 系统实现

以安卓手机作为客户端，客户端使用安卓视图（VIEW）组件，实现数据录入界面的交互;应用嵌入型数据库（SQLite），实现手机端数据存储;云端基于阿里提供的云服务器。

客户端运行环境：以Android Studio为开发集成环境，使用Java编程语言，基于安卓3.1SDK开发。采用SQLite轻型数据库，通过JSON数据格式进行数据交换。系统最终运行在安卓3.1以上版本的手持终端，并需内置UHF、1D/2D扫描等物联网功能。本研究选择傅里叶CILICO F880手持终端，该终端基于Android 7.1系统开发，内置物联网功能，读取距离3～5 m。牛耳佩戴的电子耳标选择超高频UHF电子耳签，读写距离在1～7 m。

云端运行环境：Web端开发环境为Visual Studio 2019，使用IIS 8作网络服务器，服务端数据库为MS SQL Server。服务端部署到阿里云服务器上。

3.2 系统应用

初次使用本系统时，养殖场负责人需先注册，然后设置养殖场员工信息，如姓名、联系方式和密码等。登录系统后，首先进入“场长视图”，展示了整個牛场前1 d牛只个体发生的不同事件信息。点击“功能列表”，展示各数据填报功能，根据业务流程，逐项完成数据填报。点击“统计分析”，展示牛群数据和产奶量的分析图表。点击“用户管理”，完成员工管理、密码修改等。

3.2.1 数据填报 详实完整的牛只档案信息是本系统业务运行的核心数据。本系统提供了历史数据导入和日常数据填报2种录入方式。对于历史数据，将纸质记录表电子化后，保存为Excel格式，直接导入系统数据库。由图4可知，对于日常录入，通过点选虚拟输入键盘，调取高频字段字典数据，实现信息的快速录入。由图5可知，系统提供了单个和批量2种记录方式，对于单个牛只事件，如单头牛的转舍或离场，采取逐头牛填报，而对于整个牛舍事件，例如断奶犊牛转舍至青年牛舍，采取批量填报。由图6可知，手持终端识别电子耳标数据，获取牛只唯一ID。根据牛只ID查询数据库，判断为空，新增牛只信息或事件，否则显示查询结果。

3.2.2 专家知识诊断 本系统提供病情诊断和病情检索2种智能推理诊断功能。（1）病情诊断。基于图像及特征描述的指认式诊断模式是最简单直观的诊断方式。由图7可知，推理过程，即采用本体论方法，对常见病诊断知识进行结构划分，设计知识库。由图8可知，该知识库包括营养代谢性疾病、消化系统疾病、繁殖系统疾病、外科病、神经系统疾病、中毒病、寄生虫病、细菌病、病毒病等9大类。然后采用二叉树检索算法，基于不同发病部位的病症及特征图像，实现对常见疾病的知识解析说明。用户根据发病部位，浏览图像库中的图像，然后根据系统提示，逐步确认疾病种类。（2）病情查询。系统收录了41种常见病，每种疾病包括概况、病源、临床症状、确诊方法和防治措施等详细描述（图9）。

3.2.3 统计分析 本系统提供了“场长一张图”和统计图表2种分析方式。由图10可知，“场长一张图”汇集整个牛场前1 d牛只个体发生的不同事件信息，通过数据表，显示牛只存栏、离场、总产奶量、日均产奶量、发情数、配种数、产犊数、流产数，发病数、免疫数等10个指标均值。本系统对牛群数据和产奶量进行统计分析，提供牛群结构和牛舍存栏动态图（图11、图12），计算牛群结构占比、各牛舍存栏分布、牛群胎次等。从牛只、牛舍和牛场3个层次，动态分析泌乳牛产奶分布、泌乳天数等。

4 系统应用效果

于2019—2020年，在河南省原阳县河南农科牛业科技有限公司（奶牛养殖）、河南省兰考县花花牛有限公司（奶牛养殖）、河南省上蔡县欣燃养殖专业合作社（肉牛养殖）、河南省泌阳县夏南牛科技开发有限公司（肉牛养殖）进行系统测试和应用。应用结果表明，与手工记录数据对比，利用该系统采集数据，节约记录耗时80%，省去数据手工填报、后期整理和制图等环节，并且生成格式统一的数据档案。与传统管理方式对比，发情监测漏配率降低25%，平均缩短胎间距4%（11 d）。奶牛乳房炎发病率降低20%。牛奶中乳蛋白不低于3.1%，肉牛饲养成本平均降低5%。

5 结论

本研究以牛只档案为数据源，基于Android和手持终端构建了一套适用于千头以下规模化养殖场的牛场智能管理系统，具有牛群、育种、繁殖、泌乳和育肥等8个管理模块。该系统具有以下特点：（1）集成超高频RIFD技术，提供“点读”和“群读”2种快速牛只实时识别与监测方式，实现了牛场日常业务高效准确采集;（2）采用二叉树检索算法，基于不同发病部位的病症及特征图像，提供指认式诊断方式;（3）提供“场长一张图”等统计功能，实现了牛场繁育、泌乳、生长、发病等数据的统计分析。应用结果表明，利用手持终端远距离读取耳标信息、调取牛只档案、查阅关联事件，有效整合了牛场内各类业务流程，提升了牛场的业务水平及管理水平。在本研究中，该系统的统计分析模块实现了对牛只记录信息分析与处理，但未涉及数据挖掘等功能。在下一版本研发中，将结合饲养设备和专家知识，增加饲养管理模块识，进一步完善数据分析类型和图表类型。

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