RFID技术在生猪养殖业中的应用现状与展望*

刘广同 ， 何金成 ， 刘 橙

（1.福建农林大学机电工程学院，福建 福州 350002；2.现代农业装备福建省高校工程研究中心，福建 福州 350002）

我国是农业大国，生猪养殖产业是我国畜牧业的支柱性产业。2020年世界猪肉总产量为9 788万吨，相比于2019年，同比下降幅度为4.02%。世界猪肉产量下降的主要原因就是中国生猪产能下降[1]。中国生猪市场自2020年1月份以来就面临着非洲猪瘟疫情与新冠肺炎疫情的双重打击，使得生猪供给出现紧张态势，造成猪肉价格剧烈上涨[2]。传统落后的养殖管理制度已经无法应对疫病、溯源等现实问题带来的多重挑战。随着现代养猪业的规模化发展，移动互联网技术、云计算、物联网、大数据、人工智能等高端前沿技术不断被融入到传统的畜牧业中[3]，更高效、更高质量、更智慧的养猪新模式不断被发掘投入使用，推动了整体生猪养殖行业智能设备的应用普及和自动化发展进程。其中，无线射频识别（Radio Frequency Identification，RFID）技术作为构建智慧养猪的核心关键技术，备受国内外专家学者的关注[4]。

1 RFID技术简介

第二次世界大战期间英国空军受到雷达原理的启发开发了一套敌我飞机识别系统[5]，在其后的几十年间，RFID技术在理论领域得到了长足发展。20世纪70年代末，美国的Los Alamos实验室正式将RFID技术推广到民用领域[6]。20世纪80年代，RFID技术走向成熟，挪威的RFID电子收费系统，美国铁路使用的RFID识别车辆系统，欧洲的野生动物追踪系统以及纽约港务局的RFID电子收费系统[7-8]，RFID技术逐渐在各行各业开花结果，射频识别技术的应用日益繁荣。随着标准化与成本的下降，RFID技术全面推广与应用成为自动化行业不可逆转的大势。2006年，科技部颁布了《中国射频识别（RFID）技术政策白皮书》，为RFID技术战略发展、产业化战略推进和宏观环境建设建立了政策指导框架[9]。随着我国高新技术的快速发展，社会对于食品安全、智能化管理等方面的要求也逐步提高，这些促使RFID技术在我国农畜业快速推广与普及[10]。

2 RFID技术基本原理

RFID技术的基本原理是电磁理论[11]，通过无线射频方式进行非接触双向数据通信，利用无线射频方式对电子标签进行读写操作，从而达到识别与交换数据的目的[12-13]。首先，读写器将微波查询信号直接发出，在RFID可识别的范围内，被安装在目标物体上的电子标签会接收到部分微波能量并将其转化为直流电，形成微弱电压，以供电子标签内部电路使用。同时，另外一部分微波能量会通过本身携带的微带天线反射到电子标签读出装备，并将自身携带的信息与之进行交换，进行处理，最后得到存储在电子标签的RFID唯一识别码[14-15]。

当前的RFID系统由读写器、电子标签及上位机软件构成[16]。其中，RFID电子标签具有唯一编码性，每一个电子标签都是独一无二的，电子标签与猪只的身份信息一一对应，可以很清楚地追踪到猪只的流通情况。根据对电子标签供电方式的不同，可将RFID技术分为三类：无源RFID、有源RFID、半有源RFID[17]。无源RFID通过电磁感应线圈获取能量来对自身短暂供电[18]，不需要对标签单独外接电源，因而在畜牧业中应用最为广泛。

3 RFID技术的应用优势

3.1 高容纳性

与条形码相比，RFID的存储容量能够达到数兆字节。因此，RFID电子标签可以存储容纳更多的数据信息，如猪只身份、生产地、出生日期等等。读写器还可以根据实际需求对电子标签进行反复读写，重复使用。当读写器将读取的数据上传到上位机系统时，系统加以处理，便可以实现对目标产品的追根溯源。

3.2 读取距离远

RFID电子标签相对于条形码和磁条而言，自身有比较大的优势[19]。RFID技术可以通过改变天线的增益率与读写器功率，调整读取距离，从几十厘米到几十米，精确定位。因此，RFID技术是舍内生猪定位的有效手段。

3.3 编码唯一性

RFID的每个电子标签都具有唯一性，在生产标签的过程中，便已经将电子标签与物体信息绑定在一起。因此，在后续物体的流通使用中，这个标签都是对应此物体，在此基础上可以实现物体的防伪溯源。

3.4 安全性高

RFID电子标签可以以任何形式附着在目标物体上，同时还可以采取多种加密方式（如三重DES和RSA算法）对RFID标签数据进行加密[20]。这就保证了电子标签所附带的数据信息不被销毁和篡改，保密性高。

3.5 读取速度快

RFID读写器进行读取时，速度非常快，读取12位数据只需要0.3 s~0.5 s，而且一次可以读取多个电子标签的信息。

3.6 无障碍阅读

RFID读写器可以穿过布帛、纸张、木材等多种材质对电子标签进行阅读，具有良好的穿透性，实现了无障碍阅读。

4 RFID技术在我国生猪养殖业中的应用

4.1 生猪个体数字化精细养殖

RFID技术可以实现非接触式的远距离目标自动识别，适用于当前猪只生产养殖与管理控制的实际需求。在生猪猪耳上贴上电子标签，这些标签记录下猪只的相应个体信息，包括猪只的生产地、品种类别、出栏日期等。在饲料投喂之前，需将本次投喂饲料的生产厂商、饲料名称以及添加剂等使用情况记录在生猪的RFID标签里，以便出现任何饲料问题时能够迅速查询溯源。一旦猪只靠近射频识别区域，电子标签就会自动激活，读写器就会读取出目标猪只的相应数据信息，并将此信息传递给RFID的上位机软件，从而完成对猪只的识别与跟踪。

确定了猪只身份，就可以收集到目标猪只的采食量与体重数据，然后根据年龄以及身体健康等方面的情况进行分析，针对单个猪只进行饲料、饮水、药物等方面的投喂。该技术的使用可以实现饲料转化率的计算[21]，选取更适合猪只育肥的饲料投喂量。

4.2 在猪肉制品追溯过程中的应用

当前市场除了关注猪肉价格的波动外，对于高品质、健康安全的猪肉同样抱有极高的期望。近年来，随着动物福利和饲料工业的发展，我国的猪肉产量得到了显著提高，但也带来了新的问题[22]。在生猪的养殖过程中，养殖户滥用抗生素、化学合成药物、激素等未经国家批准的药物，导致猪肉类产品的兽药残留度严重超标，直接危害到消费者的健康。如2011年3·15晚会曝光的“瘦肉精”事件，引起了全社会的广泛关注，一度激起了消费者的“恐肉”心理。因此，为了使生猪从养殖、屠宰、加工、贮藏、运输和销售等各个环节透明化，有效被监管，建立完善的猪肉制品追溯系统就显得尤为重要[23]。

猪肉制品追溯系统基于RFID技术，由RFID标签、读写器、增益天线、服务器和信息终端等组成，通过PDA（Personal Digital Assistant）自动扫描，并依托GPRS（General Packet Radio Service）、ADSL（Asymmetric Digital Subscriber Loop）、Wi-Fi（Wireless-Fidelity）等网络通信技术、系统集成及数据库等计算机技术实现互联[24]。在生猪的养殖环节中，采用RFID技术，用电子标签记录下生猪的饲养信息、防疫信息、治疗信息与出栏信息等。运输环节中，质检人员随机抽查生猪信息，并将猪只信息匹配后上传到系统。屠宰前，为了能确保所有猪只都满足屠宰要求，需要对猪只在养殖阶段的各项数据进行读取，以确保那些未达到屠宰标准的生猪被筛选出来淘汰。屠宰后，需要将生猪的RFID电子标签信息转移到胴体标签内[25]，以便生猪的身份信息能够被继承和传递。胴体切割成猪肉，再将分类的猪肉封装成物流单元，贴上条形标签，便能分级显示猪肉的流动环节，做到真正意义上的全程追溯与跟踪。

4.3 在病死猪无害化处理过程中的应用

十八大报告提出，建设生态文明，是关系人民福祉、关乎民族未来的长远大计。自2018年非洲猪瘟传入我国以来[26]，形成了对中国生猪养殖业产业升级与绿色环保的双重挑战。传统的病死猪无害化处理技术包括四类：焚烧法、化制法、掩埋法和发酵法[27]。采用RFID技术监控病死猪无害化处理流程，可有效保障处理过程的真实性，提高政府的公信力与人民的安全感。

首先，由养殖户申报病死猪信息，无害化处理厂核实信息后，由专门人员对猪只尸体建立档案并安装RFID电子标签，将相应的病死猪信息记录到标签中（如病死原因、病死日期等），同时将信息上传到服务器存档。其次，在病死猪运输、存储、处置等各个流程中，严格按照RFID电子标签记录信息核实猪只身份，防漏防缺。最后，在病死猪处置后回收RFID标签，消除标签信息。

4.4 在生猪疾病防控管理中的应用

我国防疫机构具有良好的信息化环境，相关的业务流程十分规范，这就为检疫领域使用RFID技术提供了可行性[28]。首先，防疫人员为养殖场定制生猪防疫计划，包括消毒处理、药物治疗、疫苗注射、定时检疫等，然后将该计划上传到生猪疾病防控系统。系统会根据生猪防疫计划为养殖场制定时间，并提醒防疫人员该去什么养殖场进行防疫工作，此防疫工作的内容是什么。防疫人员到达养殖场后，只需通过PDA扫描生猪耳标上的RFID电子标签，便能完成该猪只的防疫信息采集。当防疫人员完成防疫工作后，需将本次工作的时间和内容通过PDA写入猪只的RFID电子标签中，这样当养殖场人员扫描时，便能知道猪只的健康情况和防疫效果。一旦猪只发生疫情，兽医可以根据RFID电子标签所记录的具体信息，快速查询和锁定目标，进行紧急防疫和治疗。

5 RFID技术在国外生猪养殖业中的研究现状

20世纪80年代起，欧美国家便已经成功地将计算机技术融入到畜牧业的生产体系中，在自动化、精准化、信息化的浪潮中获得了长足发展。通过RFID技术，施行了有效的自动化控制和信息化管理，使得其生产效率空前提高，生猪的养殖规模不断扩大。当前，世界上的主要发达国家如美国、英国、日本、德国、法国、荷兰等已经陆续建立了一些自动化程度高的生猪养殖农场，将RFID技术应用于生猪自动化养殖的信息收集，并对数据进行分析整合，取得了很好的成果。

荷兰的NEDAP公司从1982年开始，便将RFID技术成功应用到了生猪饲养管理中，从最初的母猪自动饲喂站，到后来的奶牛自动识别，再到如今的Velos自动群养系统，他们在利用RFID技术进行精准饲喂、动物福利的道路上走得很远[29]。法国ACEMO公司设计的Elistar母猪多功能自动饲喂系统可以提供饲料投喂、激素供应、母猪筛选与喷色分类等多种功能，大大减少了养殖场员工的工作量，提升了养殖自动化水平。此外，还有美国Osborne公司设计的TEAM全自动母猪饲喂系统[30]，德国Big Dutchchman公司的CALLMATIC2智能饲养管理系统等[31]。这些欧美国家通过RFID技术构建起猪只管理系统，将养殖猪只的各个环节数据链接起来，通过计算机技术提高养殖效率，推动了生猪养殖自动化与信息化的进程。但是，由于进口设备贵，维护成本高，加之在生猪养殖环境下设备易老化磨损，而且一旦出现断电问题，电子元器件容易损坏，所以企业效益的提升与设备的推广受到了严重影响。

6 RFID技术在生猪养殖业中存在的问题

6.1 成本问题

对于我国大部分中小型生猪养殖业的厂商和农民而言，虽然RFID技术存在诸多优势，但是读写器和电子标签的成本过高，尤其是建立RFID系统后，还需要聘请专业人士进行维护，会严重增加其养殖负担。加之我国广大的农民文化水平较低，接受高新技术的能力较弱，养殖利润低，这就导致在我国生猪养殖业内推广和普及RFID技术具有较高的难度。

6.2 标准化问题

RFID的标准体系分为四大类：RFID技术标准、RFID数据内容标准、RFID性能标准和RFID应用标准。就技术标准而言，目前RFID存在三个主要的技术标准体系。其一是由国际电工委员会（IEC）组织联合技术委员会和国际标准化组织（ISO）制定的ISO标准体系。其二是国际物品编码协会（EAN）与美国统一代码协会（UCC）制定的EPC Global标准化体系。其三是由日本经济产业省牵头成立的Ubiquitous ID Center。随着RFID技术在我国生猪养殖业的快速普及，与之相应的标准化问题也接踵而至。以前我国基本都是照搬三大标准体系的标准，而且在目前生猪养殖行业中主要使用的是超高频及以上频段，我国还没有自己的标准，这就造成了开发商在开发设备时无章可循，生产的设备替换性和通用性极低，而且照搬三大标准体系很容易陷入他人的专利陷阱。因此，我国在2000年年初便已经开始了RFID技术相关标准化的研究制定工作，如出台了《建设事业IC卡应用技术》《集成电路卡模块技术规范》等相关政策标准。但是整个生猪养殖行业RFID标准化体系的平衡性、扩展性、保密性还只是在初步探索阶段，并没有十分完善的解决方案。

6.3 数据传输干扰问题

RFID技术使用非接触的通信方式，以电磁波为传输媒介在空间中传播。但是由于反射、折射、散射和吸收等一系列现象的存在，造成了信号在传播的过程中会有所衰减。在现实的猪舍环境中，猪舍猪只（电子标签）众多，读写器发送信号时，来自多个不同电子标签的应答信号之间也会相互干扰。同时使用多个读写器时，读写器之间也会相互干扰，最终就导致了数据在传输过程中出现丢失、无法识别等故障现象。

6.4 数据安全

以RFID技术为核心构建生猪系统使用了大量的电子标签，这些标签记录了猪只的一系列信息，甚至是公司的一些机密信息。但是RFID电子标签自身的计算、存储以及电源供应能力是有限的，应对敌对方从无线通信信道以及网络系统发起的截获或攻击，就显得力不从心了。尤其是RFID读写器与多个电子标签进行通信时，一旦遭到截获，就可能会暴露所有的信息，造成更大的风险。

7 展望

目前，我国的生猪养殖业在RFID技术的应用上整体技术水平还不太高，很多还只是停留在实验室的阶段。很多大型企业的RFID设备基本依赖于进口，虽然解决了标签的标准化问题，但是也加重了其生产成本。为了引导RFID技术在生猪养殖业的健康发展，需要政府在政策上给予更多的支持，鼓励养殖企业大胆创新并提供税收优惠。同时，还需要重视RFID技术人才队伍的建设，建设稳定的人才培养梯队。完善我国自身的RFID标准体系，建立RFID隐私保护法律法规。这样，随着RFID技术在生猪养殖业中的不断推进，成本与传输干扰问题逐渐得到解决，标准化与相关法律法规也健全和完善起来，RFID技术在生猪养殖产业中的应用将会拥有更广阔的前景。