基于EPC物聯網和RFID的奶牛精細養殖信息管理系統

發布時間：2022-12-24 11:11

第1章緒論 1

1.1研究的背景及意義 1

1.1.1必要性 1

1.1.2產業發展需求 2

1.1.3市場需求 3

1.2國內外研究現狀 4

1.2.1國外研究現狀 4

1.2.2國內研究現狀 5

1．3 研究內容和研究目標 5

1.4 論文組織結構 6

第2章相關技術 7

2.1EPC物聯網 7

2.1.1EPC技術與標準 7

2.1.2EPC編碼協議 8

2.1.3EPC 條形碼 9

2.1.4EPC物聯網系統組成 10

2.1.5EPC碼的識讀流程 12

2.2RFID技術 13

2.2.1RFID技術概念 13

2.2.2RFID的系統組成 13

2.2.3RFID 中間件 15

2.2.4RFID技術工作原理 17

2.2.5EPC、RFID、條形碼的區別與聯系 18

2.3數據庫技術 18

第3章系統總體設計 20

3.1系統結構設計 20

3.2系統的功能圖設計 21

3.2.1系統的數據流 21

3.2.2系統功能圖 22

3.3RFID 標簽 25

3.4數據庫設計 26

3.4.1系統信息表 26

3.4.2數據實體 27

3.5系統設計 29

第4章系統實現 34

4.1系統主界面 34

4.2系統信息獲取 38

4.2.1信息采集 38

4.2.2信息監控 38

4.2.3信息服務 41

第5章結論 45

參考文獻 46

作者簡介 48

致謝 49

第1章緒論

1.1研究的背景及意義

1.1.1必要性

近些年來，各種動物疫情如瘋牛病、禽流感、口蹄疫以及食品安全的事件如三氯氰胺、瘦肉精也時有爆發，這些使全世界國家和人民開始關注食品安全。隨著全球化的經濟貿易，食品的流通也開始跨國界、跨地區也越來越頻繁地發生，于是，各種食品的安全事故以及安全隱患呈現出迅速擴展和蔓延之迅速的趨勢。因此，如何開發既能保證食品安全又能提高畜牧養殖產業發展的高效生態畜牧業，已成為一個重要的研究課題。如何開發即能保證食品安全又可以提高畜牧養殖產業的高效生態的畜牧業，已經成為一個重要的研究課題。

自 2004 年以后，我過奶業開始逐步從進入從數量擴張向質量效益型轉換的時期。牛奶生產力水平和質量安全直接影響到我國奶業健康的發展，成為新時期中國奶業發展的瓶頸。據2008 年統計表明，我國牛奶生產力水平與世界發達國家相比還有一定差距，美國奶牛每年每頭平均產奶水平達 9.38 噸，日本為 9.02 噸，歐盟為5.56噸，而中國僅為 4.01 噸；原奶品質低下，奶牛平均利用年限低，中國奶牛的利用年限一般為 3~4年，而國際發達國家為 5~6 年；奶牛健康情況堪憂，臨床乳房炎達 30%，隱性乳房炎高達 50%。并且體細胞數量、細菌數量、抗生素殘留等衛生指標也比發達國家的水平高。上述這些現象之所以出現，主要是由于我國奶牛品種差、奶牛淘汰率低、不合理的奶牛群結構、不高的奶牛精細飼養水平等因素造成的。

而將EPC物聯網技術和RFID技術應用到奶牛精細養殖中，能有效地改善當前的狀況。本文是基于EPC物聯網和RFID的奶牛精細養殖管理系統是以奶牛的精細飼養為目的，利用RFID先進的技術并依托網絡技術和數據庫技術等，建立奶牛個體的狀況、生長、生理等生產檔案數據庫，實現對奶牛的自動喂養、自動擠奶、個體自動識別、發情智能檢測等自動化過程。

鑒于此，通過基于EPC物聯網和RFID的奶牛精細養殖管理系統的開發，不能能有效地減少勞動力、降低了農場養殖的成本和提高了產奶的質量，還可以減少對環境的影響，使奶牛養殖成為管理科學、資源節約，環境友好、效益顯著的產業，這對于實現我國畜牧養殖產業由數量型向質量型轉移，以及管理方式由粗放型向精細型轉變可謂是一個非常重要的技術措施［22］。

1.1.2產業發展需求

近 20 多年來，隨著電子技術、計算機及無線網絡技術、空間技術等高新技術在農業的應用，先進發達國家的農業體系在數字化和精準化方面已經有了迅速的發展。精細養殖是數字農業的重要組成部分之一。，世界上的一些發達國家如荷蘭、美國、新西蘭、日本、澳大利亞早在20 世紀80 年代已經建立了一些數字化、信息化程度很高的奶牛養殖場［23］。隨著各方面技術的發展，歐美發達國家的乳業經濟已經成熟，在歐美等發達國家，奶農的數量、奶牛的數量和奶牛場的數量都在減少，維牛奶產量保持穩步發展使用數字信息化精細飼養技術以及相應的相關設備，單產水平也得到不斷提高，是奶牛業的發展趨勢。數字化農業精細養殖的概念，也在863 計劃重大專項的“數字農業技術研究與規范”啟動于我國的“十五”期間中正式地提出。隨著我國不斷地發展的奶牛產業，我國的養牛業也開始由傳統的生產管理模式向現代化的管理方式轉變即從粗放型向精細效益型轉變，也正在漸漸地由傳統的松散化、粗放型管理方式向現代化的集約化、精養型管理方式的方向發展牛群的管理，這本身就要求有一定程度上細致詳細地了解牛群的總體狀況。通過實施相對嚴格的實時監控奶牛個體的飼養、泌乳、繁殖以及疾病防治等，奶牛個體的產乳水平才能夠相應地提高，進而提高牛群的總體經濟效益［24］。在這種背景條件下，計算機綜合技術平臺管理引入到奶牛場已經成為發展的必然。在過去三十多年里，在我國，雖然已有少數奶牛場改變傳統的管理方式，精細養殖管理模式已經在這些養殖場進行嘗試，一些奶牛場即使具備高管理水平，但是，他們的精細化信息化管理水平以及數字化設備的使用在目前仍處在初級階段。

近幾年物聯網技術同樣受到了人們的廣泛關注，“物聯網”被稱為繼計算機、互聯網之后，世界信息產業的第三次浪潮。目前在發達國家，物聯網技術的研發與應用已經拓展到食品藥品質量監管、環境監測、農業生產等領域。物聯網在現代農業領域的應用主要是利用各種傳感器，監視農作物或者畜禽的生產養殖環境信息，從而進行科學預測，幫助農民抗災、減災，科學種植，提高農業綜合效益。在以自動化技術和信息技術為基礎上，在發達國家，集約化、信息化奶牛場，精細化信息化養殖的目標已經基本上達到了，也較大地提高牛奶產量、奶牛質量、資源利用率以及經濟、社會效益等等。雖然，在精細化信息化養殖方面，在我國，有很多高校和先進科研單位都致力于此方面的研究，并取得一定的科研成果，但是將這些研究成果推廣應用在奶牛生產中的力度還是遠達不到目標［25］，與發達國家還有一定的距離。有鑒于此，在本基于物聯網的奶牛精細養殖系統中，將針對奶牛的精細飼養作為平臺建設的核心研究內容，借助物聯網的先進技術設備、規范但不失有效的疾病防治、良好的生態環境、高效使用飼料以及自動化控制養殖設施和信息管理，從而勞動生產率能大大提高，進而促進大幅度提高我國奶牛養殖業生產水平。

1.1.3市場需求

目前我國畜牧業的養殖水平和管理水平都非常低，而又有著巨大的人口基數，和隨之而來的巨大飲食需求量，這使得物聯網技術在這個行業大有用武之地。08 年開始凸顯的食品安全問題使得物聯網技術在畜牧業中的精細化管理成為核心發展方向。牛奶工業在畜牧業中占有重要地位。伴隨著不斷發展我國乳牛業，乳牛業也正在轉變生產管理方式從傳統的逐步向現代化的生產管理方式，并且對牛群的管理也正在逐步由傳統的松散化、粗放型管理向集約化、精養型管理的方向發展。然而，改革開放以來我國的乳牛業進步主要體現在擴大牛場規模，增加牛群的數量，奶牛品種的引進以及改良奶牛品種、改變或者增加飼料。但養殖方法卻沒有根本改變，很少有養殖戶進行精細奶牛飼養，因此在飼養奶牛的整體水平上仍大幅落后于美國等發達國家。國外由于技術壟斷，使得他們可以任意定價，盡管一部分合資企業引進了包括計算機管理技術等的先進的飼養技術和設備，明顯的提高了奶牛的平均產奶水平。然而，很多奶牛養殖場仍依靠它們已有的傳統飼養技術，采用傳統、落后的管理方式，導致這些養殖場的生產水平仍然趕不上發達國家的生產水平，照此發展，它們遠不能達到數字化精細養殖的要求，在一定程度上，它們還具備很大的發展潛力，于是，迫切需求改變管理方式，采用精細養殖的技術與設備來對奶牛精細養殖。

首先，在我國城市結合處，交通便利，資源豐富，環境良好，因此，養殖奶牛規模比較大的養牛場主要位于此處。企業為了提高它們的整體效益、降低養殖成本、提高資源利用率，如果有基于精細化信息化飼養奶牛的整體解決方案，正好能滿足這些企業的需要，以此來提高原奶總數量和最大限度節省飼料用量。這不僅是企業發展自身的需要，更是向深層次發展我國奶業的重大需求——滿足日益增長的消費和安全性需求，完成奶業產業一體化。其次，隨著信息技術迅速地發展，信息技術及其產品得到不斷發展和完善，應用信息技術產品也越來越廣泛，并且不斷對奶牛的營養需求進行研究，它的控制理論已經得到不斷完善，這就使在實踐基于精細化信息化飼養奶牛方面我國已經基本具備了條件［22］，即我國已經具備了實現奶牛精細養殖的條件。

基于以上的背景環境下，為滿足個方面的需要，本文基于EPC物聯網和RFID的奶牛精細養殖管理系統中擬給出一套完整奶牛精細飼養的解決方案，并融合奶牛智能診斷等，以滿足市場需求，對我國牛奶業的進一步發展具有重要的促進作用。

1.2國內外研究現狀

1.2.1國外研究現狀

物聯網在農業生產中的運用卓有成效，比如一個畜牧標識和追蹤回溯系統在澳大利亞建立，該系統對牛羊個體進行識別管理使用了統一標識的電子耳標；自 2001 年起，食品身份證制度，即農產品履歷制度，可以實現對農產品生產和銷售的追蹤，在日本建立了；加州 Oxnard 的草莓培育商 Norcal Harvesting 安裝的物聯網系統，不僅可以實時追蹤植物的狀況，還可以根據空氣和土壤的狀況，自動實現如澆水或調節溫度等功能。在奶牛的精細飼養方面，國際上開發了各種奶牛自動化識別和智能化飼養系統，而且在集約化的奶牛養殖場廣泛應用了這些系統。在個體自動識別方面，集約化奶牛養殖場數字化管理的基礎是奶牛個體識別技術，使奶牛個體整體生長水平、飼養與繁殖、產奶過程等都納入自動化管理系統。伴隨著不斷地完善射頻識別RFID技術及其標準，奶牛個體的電子標簽從過去的有源RFID電子標簽迅速過渡到無源的電子標簽，再配合適當的天線及相應的功率，閱讀距離也滿足了奶牛飼養及對其擠奶的技術要求。此外，在奶牛的精細飼養方面［3］，通過奶牛個體的體重、產奶量和質量的采集，再根據預制的奶牛泌乳曲線、奶牛體重變化曲線以及奶干物質采食量曲線等。目前，對牛個體的跟蹤系統在歐洲國家已經建立了，如英國。在 1998 年 9 月，英國政府宣布了對牛只進行實施跟蹤計劃。并且規定，必須數字化標識自 2000年7 月1日之后出生或者進口的牛只。美國農業部也經歷多年最終研發出“全國動物檢測系統（NAIS）”該系統是通過射頻技術 RFID 技術進行識別監測奶牛，以預防死亡性疾病的傳播。世界上第一個數字化、信息化、自動化管理的奶牛養殖場由荷蘭于20世紀80年代興建，自動地記錄奶牛在各種生產活動過程中所產生的數據如運動量、產奶量，進食量，根據這些數據，相應的飼料需要量通過計算機分析并給出，從而實現了精細養殖奶牛。在奶牛精細養殖領域， DairyPlan C21系統，Crystal牛群自動管理系統由分別德國Weatfalia Surge公司研發、英國FullFood有限公司推行，它們能進行整合分布式的資源數據與連接網絡，將喂養、稱重、自動擠奶、分群等模塊集成起來。

1.2.2國內研究現狀

2005 年，上海正式投入使用了基于 RFID 技術的“安全豬肉監控追蹤系統”，該系統在豬耳朵上打上 RFID 標簽，對豬的飼料、檢疫、病例、喂藥、檢群等信息進行進行實時獲取。牛奶工業也是各種經濟中的重要組成部分。1991 年陳德等人建立了奶牛生產信息電腦關了系統。2003 年，奶牛養殖專家咨詢系統被張學煒等人利用數字化技術所建立，該系統包含的模塊有奶牛品種、奶牛喂養、奶牛育種技術等。劉東明等人在證據不明確性推理的基礎上構建了奶牛疾病診斷專家系統［4］。使用 JBuilder9.0 開發工具，李鴻強等人開發包含牛群繁殖、牛群管理、養牛場管理、產乳管理等方面的奶牛場信息資料管理系統，適合中小型奶牛養殖場使用［5］。熊本海建立的集約化奶牛場高效養殖綜合技術平臺［6］,是通過應用RFD、無線局域網、PDA等技術，該系統有牛群管理、產奶管理、疾病與防疫、牛群繁殖等內容組成。應用RFID技術，建立了比較完善的奶牛自動識別系統。RFID技術在動物標識及疾病科追溯系統是對動物個體或者群體精細標識。目前，主要是將RFID技術應用于養殖場的應用還很少，而且目前國內的系統是針對生豬養殖，專門針對奶牛精細養殖的系統更少。RFID技術應用在奶牛個體識別上已經確定一定的進步。

1．3 研究內容和研究目標

本文基于以上的背景，提出基于EPC物聯網和RFID的奶牛精細養殖管理系統以飼養為目的，利用電子產品編碼（EPC）物聯網技術和射頻識別RFID技術實現奶牛精細養殖關系系統，主要研究內容和目標如下：

（1）信息采集:利用超高頻EPC技術和超高頻的RFID技術采取奶牛的基本系統;

（2）信息監控：根據信息采集中的奶牛信息對奶牛進行自動擠奶、自動配料和自動喂養，并對體重、健康等生理指標檢測；

（3）信息服務：提供對奶牛信息的存儲和查詢，生長過程模擬預測，進行效益評估和生長速率調整；

（4）對該系統的管理和維護。

1.4論文組織結構

本文的組織結構如下：

第一章敘述本研究進行下的背景意義，國內外研究現狀，和本文的研究內容和研究

目標。

第二章敘述本文需要的EPC物聯網、RFID技術和數據庫技術等相關技術。

第三章對基于EPC物聯網和RFID的奶牛精細系統的設計包括系統總體的設計、系

統功能圖的設計、RFID標簽的設計、數據表的設計等內容。

第四章講述系統的實現，系統的登錄、系統的信息管理部分，奶牛的信息獲取，奶牛自動化配料、自動喂食、自動擠奶的實現以及統計分析等的實現。

第五章本文的總結。

第2章相關技術

本系統基于EPC物聯網和RFID的奶牛精細養殖管理系統，需要幾種核心相關技術，如EPC物聯網、RFID和數據庫技術。本章節就這三個重要的相關進行闡述。

2.1EPC物聯網

近幾年物聯網(“The Internet of Things")技術受到人們的廣泛關注，繼計算機、互聯網之后，“物聯網”被稱為世界信息產業的第三次浪潮，受到了世界各研究單位和行業的追棒。目前對物聯網的研究在國際上逐漸明朗起來，歐美EPC系統和日本的UID 系統等是目前最典型的解決方案。1999年，美國Auto-ID首先提出"The Internet of Things" (物聯網)概念，它建立在統一物品編碼、RFID技術和互聯網的基礎上。于2002年，日本UID根據泛在計算(Ubiquitous Computing)想法提出“泛在網絡”(Ubiquitous Networks)概念，主要是建立在泛在編碼uCode、RFID和嵌入智能設備、傳感器、通信網絡(含物聯網)基礎上。

本系統采用的是EPC物聯網技術。下面來詳細介紹EPC。

2.1.1EPC技術與標準

EPC (Electronic Product Code，電子產品編碼)技術，是美國Auto-ID開發的，通過互聯網平臺、利用無線數據通信技術、RFID技術等，旨在構建一個能實現實時共享全球物品信息的網絡平臺，能夠實現對物品信息的跟蹤及回溯。電子產品編碼技術EPC 是一項現代技術［7］，由各種RFID空中接口協議、EPC編碼以及利用互聯網傳遞編碼及存儲、管理和檢索相關物品信息。EPC具有很多的特點如靈活、開放、獨立、互動行強。為每一個商品建立開放的、全球的編碼標準是EPC的最終目標。

電子產品編碼EPC對商品在世界范圍內的標識編碼的規則進行了統一。EPC系統就是通過RFID系統應用EPC編碼，再聯合網絡技術而組成了的。并且EPC還規定了用數字信息化的形式存儲于和具體的實物商品綁定在一起的RFID應答器中。

基于RFID技術，為每個標簽設置唯一的電子產品代碼，實現為所有產品提供一個唯一有效的標識，區別以往的技術，因此EPC是一種基于RFID技術的新型的射頻識別標簽。EPC利用計算機自動管理物品的來源、位置和動態等，并將信息充分應用于物流

活動過程中，實現全球范圍內的單件產品的追蹤與追溯。

2.1.2EPC編碼協議

目前的EPC系統中應用的編碼類型主要有64位、96位和256位三種［26］如表2.1。版本號、序列號、產品域名管理和產品分類部分四個字段組成EPC編碼。

表 2.1 EPC 的編碼協議類型

編碼類型版本號序列號域名管理對象分類

EPC-64 TYPE I 2 24 21 17

TYPE II 2 32 15 13

TYPE III 3 23 26 13

EPC-96 TYPE I 8 36 28 24

EPC-256 TYPE I 8 160 32 56

TYPE II 8 128 64 56

TYPE III 8 64 128 56

I型EPC-64編碼提供的占有兩個數字位的版本號編碼。如圖2.1所示。21位被分配給了具體的EPC域名管理編碼，17位被用于標識產品具體的分類信息，最后的24位序列具體地標識了具體的產品的個體。

圖2.1 EPC-64 I型編碼

當I型EPC-64無法滿足需要時可以采用II型EPC-64來滿足大量產品和對價格反應敏感的消費品生產者的要求。II型EPC-64編碼如圖2.2采用34位的產品序列號，與 13位對象分類區結合（允許多達8192庫存單元），遠遠超過了世界上最大的消費品生產商的生產能力。

圖2.2 EPC-64 II型編碼

成為一個公開的物品標識代碼是I型EPC-96的設計目的，比I型EPC-64表示更多的物品，可以保證使每個物品有一個唯一的代碼表示。它的應用類似于目前的統一產品代碼，具體的字段含義如圖 2.3 所示。

EPC-96 1 型

O1 - OOOOAS9 - OOO16F - 000169000

版本號域名管理對篆分類序列號

8位 28位 24位 36位

圖 2.3 EPC-96 I 編碼

隨著時間的推移，物品的增多，EPC的64位編碼和96位編碼版本已經不足以長期使用并保證物品有唯一的編碼。于是，一直以來，人們就期待更長的 EPC 編碼規則能滿足需求，并對已經醞釀已久。因此，在這種情況下，EPC的256位編碼標準就應運而生了，可以使用更久。EPC的256位編碼的三種類型如圖2.4所示。

圖2.4 EPC-256的三種類型編碼

2.1.3EPC條形碼

條形碼標簽是商品上比較常見的標識圖形，它是集編碼、識別、數據采集和處理、印刷于一身。因此是市面上比較常見的標簽。根據一定的編碼規則排列不等寬度的多個黑條和空白，用來表達信息的圖形標識符，這樣的圖形標識符就是條形碼。一維條形碼和二維條形碼是條形碼中常見的兩種。按照一定的就是和編碼規則，將一組反射率不同、

寬度不同的平行相鄰的線條和空白組合在一起，表示某種數據信息的符號，被稱為一維條碼。在 EPC 條形碼的編碼方式中，可直接顯示數字、中文、英文、圖型、符號等信息，并將這些信息存儲在垂直和水平方向的二維空間中的條碼，稱為二維條碼(2 dimensional bar code)。如圖2.5所示的一維和二維條形碼。

2.1.4EPC物聯網系統組成

典型的EPC物聯網系統由信息采集系統、PML (Physical Markup Language，實體描述語言)服務器、Savant服務器和ONS (Object Name Service，名稱解析服務)服務器4部分組成［8］。如圖2.6所示基于EPC的物聯網的系統組成。組成一個完整的系統這四者缺一就不可。

(1)信息采集系統主要是完成識別物品對象以及采集和處理EPC等信息。由電子產品標簽、讀寫器、有信息采集軟件的計算機組成了信息采集系統，

(2)PML服務器PML是描述產品信息的計算機語言。PML語言描述的實物信息存儲于PML服務器中。是通過XML而發展的。產品生產商建立PML服務器并對其維護，由該生產商所生產的所有商品信息存儲在文件中，并將該所有的文件信息都儲存這 PML 服務器中。編碼的原則需要事先規定，對產品編碼需要根據此規則，并進行描述產品的相關信息需利用標準的 PML， PML 文件從而生成。不僅不會改變的產品信息被包括在 PML 文件中的信息中，而且文件中的信息還包括隨時間離散并間歇地變動的數據和經常性變動的數據。為其他計算機提供他們所需要的文件，該服務器將配置一個專用的計算機。每個產品的信息存儲在 PML 文件中，并且必須都被存儲在一個 PML

服務器中。

(3)ONS 服務器它用來把 EPC 轉化成 IP 地址，用來定位相應的計算機和完成相應的信息交互服務。ONS的作用是實現產品PML信息到產品EPC之間的映射，需在PML信息服務器與各信息采集節點之間建立聯系。ONS給Savant系統指名存儲產品有關信息的服務器，ONS服務器發揮了關鍵作用。

(4)Savant 服務器相當于物聯網的神經系統。在物聯網中處于企業應用程序和讀寫器之間是Savant系統。Sevant服務器的主要任務是數據校對、讀寫器協調、數據傳輸、數據存儲和任務管理，是EPC工作系統的中樞神經，起著管理系統平臺的作用。 Savant系統能將有用的信息傳到其他Savant系統或企業后端的應用系統中，是因為分布式結構形式被采用，數據流被層次化地組織、管理，不僅具有收集數據、過濾數據的功能，而且還具有整合數據與傳遞數據等功能。對數據進行相應的處理由 Savant 系統完成，其中，過濾冗余數據、聚合數據和傳遞信息三方面是最關鍵的處理。

圖2.6 EPC物聯網的系統組成[8]

在由信息采集系統、PML服務器、Savant服務器和ONS服務器以及眾多數據庫組成的EPC物聯網系統中，讀寫器讀出的EPC是一個信息指針，該信息經過Internet，傳到ONS服務器，找到該EPC對應的IP地址并獲取該地址中存放的相關產品信息。Savant 服務器處理和管理由讀寫器讀取的一連串EPC信息，Savant將EPC傳給ONS，ONS指示Savant系統到一個保存產品文件的PML中查找，該文件可以由Savant服務器復制。

進而文件中的產品信息就能傳到供應鏈中。

2.1.5EPC碼的識讀流程

讀寫器讀取一個EPC碼，將信息傳送給savant服務器系統，并通過ONS服務器獲取與當前所探測到的遠程EPC信息服務器的地址。此后Savant系統向遠程的EPC信息服務器發送讀取PML數據的請求，EPC信息服務器返回給Savant系統它所請求的PML 數據，再由Savant系統處理新讀取的EPC碼的內容，其識讀流程如圖2.7所示。

2.2RFID 技術

2.2.1RFID技術概念

射頻識別 RFID (radio frequency identification devices)技術，是一種通信技術，又稱無線射頻識別、電子標簽。識別指定目標可通過無線電訊號并讀寫其相關數據信息，無須人為干涉，指定目標和自動識別系統之間并不需要建立光學或機械接觸，可以進行自動識別物品或人員。標識物品射頻模塊，稱為RFID標簽，RFID Tags，又簡稱標簽，配合讀寫器，是實現物流管理職能化、自動化的重要信息手段之一。

對RFID分類，如果按照能量供給方式分類，則RFID系統分為無源、有源和半有源RFID。無源RFID發展最早，發展最成熟，近距離接觸式識別。其產品的主要工作頻率有低頻125KHZ、高頻13.56MHZ、超高頻433MHZ，超高頻915MHZ。有源RFID 的特性是具備低發射功率、傳輸數據量大、通信距離長，兼容性好和可靠性高以及遠距離自動識別等。產品主要工作頻率有超高頻915MHZ，微波2.45GHZ。半有源RFID技術，集合有源RFID和無源RFID的優勢，在低頻125KHZ頻率的觸發下，讓微波2.45G 發揮優勢。半有源RFID技術，也可以叫做低頻激活觸發技術，利用低頻近距離精確定位，微波遠距離識別和上傳數據，來解決單純的有源RFID和無源RFID沒有辦法實現的功能。簡單的說，就是近距離激活定位，遠距離識別及上傳數據。

如果按工作頻率分類，RFID系統分為低頻、高頻和超高頻3種RFID系統。工作在低頻的感應器的工作頻率120KHz到134KHz之間。感應器的工作頻率為13.56MHz, 該頻率的波長大概為22m，為高頻的感應器。超高頻的工作頻率為860MHz到960Mhz 之間。

2.2.2RFID的系統組成

一個RFID系統的基本組成部分是RFID閱讀器、RFID應答器和RFID高層軟件等部分。

集成電路芯片形式的是應答器，而又根據芯片的封裝不同表現的形式，集成芯片也不太一樣。一般來說現在都是用標簽(Tag)作為應答器，附著在現實物體上標識目標對象，每個標簽都具有唯一的電子產品編碼。在RFID系統中，識別信息存放于電子信

息載體中，這個電子信息載體就是應答器，應答器在具體不同應用領域有表現為多種不同的形式。應答器是由天線、編/解碼器、電源、解調器、存儲器、控制器以及負載電路組成。應答器的基本組成示意圖如圖2.8所示。應答器可以分為只讀應答器、讀/寫應答器和具有識別功能的應答器。

圖2.8 應答器的組成

產生射頻載波并完成與RFID應答器之間的交互信息的功能的就是RFID閱讀器。高層軟件的功能是管理信息和決策系統。RFID閱讀器（讀寫器）通過天線實現對應答器識別碼和內存數據的讀出或寫入操作。RFID閱讀器是以一定的頻率、特定的通信協議完成對應答器中信息的讀取，閱讀器基本組成模塊如圖2.9所示。

閱讀器和應答器耦合的方式有多種，應用較為典型的是電感耦合，閱讀器和應答器天線部分的電感線圈通過電磁場進行信息傳輸。如圖 2.10 所示電感融合方式原理圖。

圖2.10 閱讀器和應答器的電感融合方式

在RFID系統中，不得不提到是天線（Antenna）。天線是一種裝置，一種把前端射頻信號功率以電磁波形式輻射出去或接收的裝置，是用來實現轉化自由空間波與導行波能量的空間與電路的界面器件，這就是天線。在RFID系統中，讀寫器天線和電子標簽天線是天線的兩大類，分別發射能量和承擔接收能量的作用。

應用層軟件是RFID高層軟件，主要是把收集的數據進一步處理，并為人們所使用。

2.2.3RFID中間件

RFID中間件（RFID Middleware），是中介，是介于后端數據庫與應用軟件和前端

RFID讀寫器硬件模塊之間的中介。如圖2.11所示RFID中間的基本構成。應用程序能連接到RFID讀寫器，并讀取RFID電子標簽數據，就是使用RFID中間件所提供的一組通用的API （應用程序接口），這些通用的。如圖2.12所示RFID數據庫的更新。

上層服務接口

RFID 數據庫需要非常頻繁更新。構建 RFID 數據庫和傳統數據庫不同，需要分層建立，如圖4.13所示。這是因為原始數據不斷地被RFID閱讀器讀入，閱讀器進行過濾數據、聚合數據，要存儲處理后的數據，數據又被上層應用程序不斷地進行查詢。因此要分層建立RFID數據庫。

業務應用邏輯

快速查詢數據庫業務邏輯數據庫

過濾組合后的數據庫

RFID原始數據庫

圖4.13 RFID數據庫分層建立

2.2.4RFID技術工作原理

上一小節中已經敘述了 RFID系統的基本組成即一套完整的RFID系統事是由閱讀器與電子標簽（應答器）以及應用軟件系統。本節進行講述RFID技術的工作原理。RFID 系統的工作原理［2］如圖 2.14 所示。其工作原理一特定頻率的無線電波能量由閱讀器發射出給應答器，應答器接收，其內部的數據被驅動送出，此時閱讀器 Reader 便依序接收閱讀數據了。

圖2.14 RFID系統工作原理［2］

2.2.5EPC、RFID、條形碼的區別與聯系

條形碼是應用了不同寬度的黑白條碼反射光來編碼，具體成本低廉，使用方便，缺點是編碼容量不足。RFID標簽是存儲了具體的EPC標準的產品編碼信息的產品標簽，它會因不同應用場合的具體要求而表現出不同的封裝形式，如紐扣類、IC卡類以及條形碼形式等等oEPC是編碼標準，規定了對具體不同商品產品唯一的編碼格式，完成RFID 產品信息編碼。

2.3數據庫技術

本系統是一個管理系統，必然要使用數據庫技術。隨著計算機網絡技術和數據庫技術的發展，兩者相互促進，相互滲透，已經成為當今計算機研究領域應用廣泛、發展迅速的兩大領域。不僅事務處理應用數據庫技術，并且情報檢索，人工智能，專家系統，計算機輔助設計等領域都應用了數據庫技術。此外，數據庫技術已經很成熟。

20世紀60年代末70年代初，在各種背景需求下，數據庫技術產生。它的主要研究內容包括如何有效存儲數據、使用數據和管理數據。其主要目的是有效地存取、管理大量的數據資源。這就促使數據庫技術的發展。數據庫技術是一種用計算機來輔助實現數據管理的方法，是信息系統的核心技術之一，數據庫技術也是研究數據如何進行組織以及存儲，以及如何能高效地獲取和處理數據的方法。是通過研究數據庫的結構形式、設計、存儲結構、管理以及應用的基本科學理論及其實現方法，并通過這些理論來實現處理、分析和理解數據庫中的數據的一種技術。于是，可以說數據庫技術是對數據庫的研究、管理以及應用的一門軟件科學。

數據庫技術研究如何在計算機處理信息過程中有效地存儲和組織大量數據的問題，并解決了該問題。減少數據冗余存儲、數據安全性得到保障、共享數據以及數據檢索和數據處理的高效性，在數據庫系統中得到實現。這不僅是數據庫技術與其他技術組成了現代信息科學與技術的原因，也是計算機處理數據以及管理信息系統的核心是數據庫技術的原因。

數據是數據庫技術研究和管理的主要對象，因此數據庫技術所涉及的具體內容，主要包括首先通過統一組織、管理數據，并構建相應的數據庫和數據倉庫按照指定的數據結構；然后，設計出數據管理和數據挖掘應用管理系統，這個系統是通過利用數據庫管理系統技術和數據挖掘系統技術。該應用系統實現對數據庫中的數據進行對數據的添加、刪除、修改、處理、分析、理解、報表和打印等操作功能；并利用應用管理系統最終實現了對處理、分析和理解數據的功能。

數據庫通常分為三種分別為關系式、層次式、網絡式數據庫。而各種數據庫的劃分是根據不同的數據結構形式來聯系和組織不同的數據庫。所謂數據結構是指數據之間的聯系或數據的組織形式。數據的物理結構和數據的邏輯結構是數據結構的兩種結構。數據在計算機中存放的結構，稱為數據的物理結構，即在計算機中的實現數據的邏輯結構存儲的結構形式，所以又存儲結構代替物理結構。從邏輯的角度來觀察、分析數據，無關數據的存儲位置，這樣的數據結構就稱為數據的邏輯結構。數據模型是反映了數據聯系并形象地實現數據聯系的方法。目前，有三種數據模型比較流行，分別為關系結構模型，網狀結構模型、層次結構模型。前者基于關系理論，后兩者是按圖論理論建立的。實質上是一種有根結點的定向有序樹的結構模型是層次結構模型。層次模型數據庫系統就是在層次模型基礎上建立的數據庫系統，其典型代表之一是 IMS， Information Management System。網狀數據庫系統就是在網狀數據結構基礎上構建的數據庫系統， Data Base Task Group，DBTG是其典型代表之一。用相對簡單的的二元關系即二維表格形式歸結一些復雜的數據結構的數據結構被稱為關系式數據結構。關系數據庫系統就是是由關系數據結構組成的數據庫系統。通過對數據的操作如連接、分類、合并或選取等運算幾乎全部建立在一個或多個關系表格或者由表組成的視圖上，在關系數據庫系統中，來實現對數據的管理。

第3章系統總體設計

保證奶牛所產奶的安全性和可靠性，是一個持續的過程。為保持基于物聯網的奶牛精細養殖管理系統對奶牛所產奶的安全性和可靠性，我們采用以超高頻 RFID 技術和 EPC物聯網為基礎，提出基于電子產品編碼（EPC）物聯網和RFID的奶牛精細養殖管理系統的基本原理，完成模擬預測生長過程、定量配料、自動飼養、計量個體奶量、監測體重、健康狀況、生理等指標，以及完成生長速率調節和效益評估等功能。在本文中，分析了該系統的結果和功能，為實現跟蹤與追溯奶牛，本系統利用RFID電子標簽，不僅提高并保障了牛奶的安全性，而且使養殖奶牛的成本降低了，充分利用了資源，進而提高了經濟效益。

3.1系統結構設計

我們采用以超高頻RFID技術和EPC物聯網為基礎，提出基于電子產品編碼（EPC）物聯網的奶牛精細養殖管理系統的基本原理，完成模擬預測生長過程、定量配料、自動飼養、計量個體奶量、監測體重、健康狀況、生理等指標，以及完成生長速率調節和效益評估等功能。因此該系統由三個部分組成，分別為信息采集、信息監控以及信息服務。該系統的系統結構如圖3.1所示［8］。

（1）信息采集部分：由天線、RFID讀寫器及RFID應答器（電子標簽）等構成，要完成識別和傳送奶牛的信息，這便是信息采集的功能。

（2）信息監控部分：完成控制奶牛的自動擠奶過程、根據飼料配方控制自動配料和自動飼喂以及檢測體重、健康狀況、生理指標。

（3）信息服務部分：提供對奶牛信息的存儲和查詢，進行生長過程模擬、效益評估和生長速率調整。

該系統的工作過程可簡單歸納為：當帶有唯一 RFID標簽的奶牛個體經過設置有讀寫器的大門時，該奶牛的EPC編碼被RFID讀寫器讀出，并通過ZigBee無線個人局域網，該奶牛的唯一 EPC 編碼在 PML 專用計算機中找到，并將 PML 信息服務器中的 PML 文件和該 EPC 編碼通過 ONS 服務器建立映射關系，找到該 EPC 所對應的 PML 文件后，在計算機屏幕上顯示該文件中有關該奶牛的信息，來引起飼養員等人的注意，在顯示屏中用不同的顏色顯示需要特別注意的奶牛信息。再根據該奶牛產奶情況信息由在PML文件所提供，再由Savant服務系統，自動地為每只帶有電子標簽的奶牛配置所需的飼料量。飼養員需要在喂食奶牛過程中連接奶牛的乳頭和奶杯，于是就開始了自動擠奶的過程。當完成自動擠奶過程后，再寫回數據庫并保存每頭帶有標簽的奶牛產奶的相關情況，對奶牛的自動喂食和自動擠奶完成后，奶牛退出擠奶場。

3.2系統的功能圖設計

3.2.1系統的數據流

實現奶牛精細養殖的關鍵在于對奶牛飼養和繁殖過程中動態數據的采集、管理、分析，在此基礎上藥形成基于各種傳感器數據的信息流控制模式，支持對奶牛相關的數據信息的動態查詢，并形成反饋。基于EPC物聯網和RFID的奶牛精細養殖管理系統的數據流程如圖 3.2 所示。

圖3.2 系統的數據流程

奶牛進行養殖的數據采集主要奶牛個體識別、體重、采食量、產奶量、體況、運動量以及奶牛飼養場的飼料數據存儲等信息。奶牛運動量可以通過自動計步器計算，產奶量的記錄可以通過自動擠奶設備實現。奶牛個體識別、體重、采食量、體況等信息的記錄可以通過基于RFID技術（無線射頻識別技術）、計算機和網絡技術開發的奶牛精細養殖的數字化養殖系統，自動識別、記錄奶牛的體重、采食量等實時傳輸，通過其它的傳感器傳輸和記錄奶牛個體的體況等信息，在計算終端對奶牛個體狀況進行動態監控，利用相關知識比如專家知識系統，判斷奶牛個體的生理狀態，進行調整喂食的飼料結構和供給量。該系統適應性強，能很好地進行獨立奶場的數據采集、管理和分析，滿足養殖過程的需要，而且本系統也能滿足分布式數據源的采集調度和面向奶牛生產管理全過程的需要。

3.2.2系統功能圖

根據以上內容的分析，本系統對奶牛精細養殖要完成模擬預測生長過程、定量配料、自動飼養、計量個體奶量、監測體重、健康狀況、生理等指標，以及完成生長速率調節和效益評估等功能。本系統又是一個管理系統，需要對奶牛、奶牛場、飼料、工作人員等基本信息的管理。因此，本系統可歸結包含有信息管理模塊、信息采集模塊、信息監控模塊、信息服務模塊四個部分。基于EPC物聯網和RFID的奶牛精細養殖管理系統的功能結構圖如圖3.3所示。

基于EPC物聯網和RFID的奶牛精細養殖管理系統

圖3.3 系統的功能結構圖

信息管理模塊包括對奶牛個體的基本信息的管理如增加、修改等奶牛個體的信息，

奶牛場的基本信息的管理如添加、修改、刪除奶牛場的信息，飼料、藥品等信息的管理以及奶場職工等的信息管理。信息管理模塊的功能結構圖如圖 3.4 所示。

圖3.4 信息管理模塊的功能圖

奶牛場精細養殖的信息采集部分是由RFID電子標簽、RFID標簽讀寫器及天線等的構成，要完成奶牛個體信息的識別和傳送。所以，信息采集模塊的功能包括奶牛個體的識別，采集并記錄奶牛的體況（溫度等）、產奶量、采食量等信息。系統的信息采集模塊的功能結構圖如圖 3.5 所示。

圖3.5 信息采集模塊功能圖

信息監控模塊根據信息采集中識別的奶牛個體的 EPC 編碼，根據奶牛個體的相關信息控制奶牛個體的自動配料飼養過程、自動擠奶過程以及奶牛疾病控制。信息監控模塊的功能結構圖如圖 3.6 所示。

該系統的信息服務模塊，提供對數據采集中的奶牛信息的存儲以及對這個系統中的奶牛等信息的查詢。根據信息系統中的信息，還可以將信息用于奶牛生長過程中進行模擬預測、效益評估和生長速率調節等。該系統的信息服務模塊的功能結構圖如圖 3.7 所示。

圖3.7 信息服務模塊的功能圖

3.3RFID 標簽

RFID電子標簽是一種非接觸式的自動識別技術。超高頻RFID技術不僅具有較遠的讀寫距離，和可同時識別多個標簽，而且操作方便快捷，符合本系統的需求，因此本系統采用超高頻 RFID 技術。又超高頻 RFID 技術該系統使用的 RFID 標簽是存儲了奶牛的EPC標準的產品編碼信息的產品標簽。系統中RFID標簽（應答器）的攜帶者是奶牛。奶牛標簽放置如圖 3.8 所示。

圖3.8 奶牛標簽放置示意圖

在第二章中已經介紹了復合國際標準的EPC編碼有三種,分別是EPC-64位、EPC-94 位和EPC-256位，它們都具有安全性、簡單性，最重要的是具有全球唯一性。本系統采用EPC-64位編碼類型，為了減低該系統開發成本，并且根據《動物射頻識別代碼結構》的國際標準，對 EPC 區數據進行編碼，結合本系統的實際應用，本系統的標簽用如圖 3.9所示的編碼結構。

08 16 22 28 44 63

頭部國家代碼省級代碼縣市代碼養殖場代碼動物代碼

圖3.8系統采用的EPC編碼結構形式

采用該 EPC 編碼結構后，足以確保能全世界每一個奶牛個體都有能被唯一識別的電子編碼。因為，在該系統的EPC編碼中，頭部8位指出了 EPC標簽的格式類型、EPC 的分區信息和產品電子碼總長度。用采用8 位表示，最多能表示256 個國家和地區，而全世界總共只有有224 個國家和地區，所以用8位足夠表示全世界的國家和地區；省級代碼用 6 位，可以表示 64 個省，足夠表示每個國家的所有的省；縣市代碼采用 6 位，能表示 64 個縣市，能夠表示每個省的所有縣和市; 養殖場代碼采用16 位，每個縣市能夠有 65536 個養殖場，每個每個縣市的所有養殖場都用，也足以表示；動物代碼采用 20 位，每個養殖場能夠最大養殖 1048576頭動物，足以表示每個養殖場中的所有動物。

3.4數據庫設計

保證奶牛所產奶的安全性和可靠性，是一個持續的過程。該系統是基于 EPC 物聯網和RFID的奶牛精細養殖管理系統，需要在奶牛養殖過過程所產生的數據是龐大的，靠人工進行記錄和整理即費時費力并且不可靠。就需要借助數據庫技術，建立數據庫，對奶牛精細養殖過程中所產生的數據進行記錄、存儲、管理、分析，不但節省人力，提高工作效率，而且能保證數據的可靠性。

3.4.1系統信息表

根據該系統的功能和奶牛精細養殖過程中的數據，可以將對這些數據的管理可以分為職工信息的管理，養殖場信息管理、牛群管理、產奶管理、飼養與飼料管理、牛群繁殖管理、疾病防疫等。

職工信息關系管理包括，職工的基本信息表、職工登錄系統表、職工的出勤情況。

職工的基本信息表包含職工編號ID,職工性別，職工年齡，入職時間，職工類別等信息，其中職工類別分為系統管理員、飼養員、獸醫、清潔工等類別。職工登錄系統表包含登錄名（唯一）、登錄密碼、職工號、職工姓名、職位等信息。

牛舍信息管理包括牛舍基本信息表、牛舍的使用情況記錄、牛舍的維修情況記錄等表。牛舍基本信息表包括牛舍編號、牛舍名稱、牛舍的容量，牛舍創建日期、開始使用日期，牛舍位置、負責人等信息。牛舍的使用情況記錄包含記錄號、使用日期、牛只數、產奶量、飼料量等信息。

牛群管理要包括以下各表的記錄的錄入和修改：牛的基本信息、母牛發情、母牛配種、牛犢斷奶、母牛初檢、母牛復查、母牛流產、人工催乳、母牛干奶、奶牛個體識別、體尺體重測定、生產性能測定、奶牛體況評分以及奶牛線性評分等表。牛基本信息表主要包括EPC代碼、性別、胎次、出生日期、出生重、品種、毛色、分類、母EPC號、入牛群日期、離群日期、在群否、飼養員和責任獸醫等。牛的基本信息時一只牛的核心信息，其他所有相關的表的基礎數據記錄如果包含有牛基本信息表中的字段的信息，則都是依此表為準并自動調用的。EPC代碼、已經產奶天數、產奶量奶牛產奶開始日期、奶牛出生日期等信息組成了奶牛的信息表。

產奶管理要管理的表包括奶牛個體日產奶記錄表、牛舍日產奶記錄表、牛奶質量檢驗記錄表、牛奶日支出記錄、牛奶質量標準維護表、牛奶脂肪蛋白指標、鮮奶價格管理、自動擠奶數據導入等。奶牛個體日產奶記錄表包括的內容有產奶編號、EPC代碼、產奶日期、產奶量、產奶速度、產奶質量、備注等信息。

飼養與飼料管理包括精補料原料管理、精補料配方管理、精補料配方原料、奶牛精補料配方、日糧庫存查詢、日糧領用記錄、牛日糧信息維護和飼養方案變更等。飼養與飼養主要是用于計算奶牛精補料配方。

牛群繁殖管理包括公牛基本信息、牛只系譜查詢、公牛近交預測、母牛近交預測、凍精庫存記錄、凍精領用記錄和凍精庫存維護記錄等。需要對凍精庫存維護，可以對凍精庫存查詢等操作。

疾病防疫包括奶牛常見疾病、疾病報告、檢疫和免疫、牛舍消毒、獸藥庫存記錄、盲乳頭記錄、獸藥領用記錄等，可以對獸藥庫存查詢以及對獸藥產品維護。

3.4.2數據實體

本小節列出部分系統實體的屬性圖，如圖3.9至圖3.13。

圖3.10 牛舍基本信息表的實體屬性

圖3.11 牛的基本信息表的實體屬性

圖3.13 奶牛個體日產奶表的實體屬性

3.5系統設計

為實現本系統的設計，我們采用面向對象的方法來進行編碼實現。以下列出本系統的幾個類以及相關代碼實現。此處列出職工類、牛基本信息類，奶牛產奶信息類，如下：

1、職工類

class Employee

{

private:

char* num;//職工編號 char* name;//職工姓名 char* sex;//職工性別 int age;// 年齡

Date entrydate;// 入職時間 char *position;〃職位 char * Address;// 通訊地址 char * telephone;// 聯系電話

//其他內容

};

2、牛的基本信息類

class cowInfo

{

private:

char* EPCcode;//EPC 代碼 char* sex;//牛的性別

int Birth_parity;// 出生胎次 float weight;// 出生重 char* kind;// 品種 char* color;// 毛色 char* class;// 分類 char* Incow;//在群否

Date entryCowDate;//入牛群日期

Date leftCowDate;// 離牛群日期 char* motherEPC;//母 EPC 代碼 char* fatherEPC;//父 EPC 代碼 char * feedEmployee;// 飼養人員 char * doctor;// 責任獸醫

//其他

};

3、奶牛產奶信息類

class productionMilkRecord

{

private:

char * EPCcode;//EPC 代碼 char * num;// 編號

Date productMilkDate;// 產奶日期 double productVolume;//產奶量 double productSpeed;// 產奶速度 char* productQuality;//產奶質量 char* feedEmployee;// 飼養員 char* health;// 健康狀況 char* newProduct;// 新產奶否 char* remarks; 〃備注

//其他

};

以下本系統實現從數據庫中讀顯示基本信息，以及奶牛產奶信息寫入數據庫的部分代碼如下：

1、顯示職工信息的代碼

SqlConnection conn = new SqlConnection(@"Data Source=.\SQLEXPRES S;Initial Catalog=Cow; Integrated Security=True");〃 Cow 是數據庫的名字 conn.Open();

string sql = "select * from Employee ";

SqlCommand cmd = new SqlCommand(sql, conn);

SqlDataAdapter sda = new SqlDataAdapter(cmd);

DataTable dt = new DataTable();

sda.Fill(dt);

conn.Close();

cmd.Dispose();

2、寫入奶牛產奶信息的代碼向數據庫中寫入新增或者新獲取的信息，一奶牛產奶信息為例，主要代碼如下：

SqlConnection conn = new SqlConnection(@"Data Source=.\SQLEXPRES S;Initial Catalog=Cow;Integrated Security=True");// Cow 是數據庫的名字 conn.Open();

string sql = "update productionMilkRecord set EPCcode = @strEPCcode, num = @strnum, productMilkDate = @strproductMilkDate, productVolume = @Volume, productSpeed = @ Speed, productQuality= @strproductQuality, feedEmployee= @ feedEmployee, health = @str health, newProduct = @strnewProduct, remarks= @remarks where EPCcode = @str EPCcode "; //SQL 語句

SqlCommand cmd = new SqlCommand(sql, conn);

SqlParameter parn = new SqlParameter("@EPCcode ", strEPCcode); cmd.Parameters.Add(parn);

SqlParameter parp = new SqlParameter("@num ", strnum); cmd.Parameters.Add(parn);

SqlParameter parp = new SqlParameter("@productMilkDate

", strproductMilkDate);

cmd.Parameters.Add(parn);

SqlParameter parp = new SqlParameter("@num ", strnum); cmd.Parameters.Add(parn);

//其他屬性的添加類似，在此不贅述

int result = cmd.ExecuteNonQuery();

其他功能的設計可以采用類似的代碼實現，在此就不在贅述。

第4章系統實現

保證奶牛所產奶的安全性和可靠性，是一個持續的過程。為此，我們需要在奶牛養殖過程中，需要能準確地觀察奶牛在養殖和產奶過程中的健康狀況和確保所產奶的安全性。又在養殖過程中奶牛的信息是實時的、動態變化的而且數據量是巨大的。為此，我們采用超高頻RFID技術和電子產品編碼EPC物聯網為基礎，提出了基于EPC物聯網和RFID的奶牛精細養殖管理吸引的原理，對奶牛等基本信息的管理和維護，完成模擬預測生長過程、定量配料、自動飼養、計量個體奶量、監測體重、健康狀況、生理等指標，以及完成生長速率調節和效益評估等功能。本章講述該系統的實現。本系統有兩個部分，一部分是計算機終端對信息的管理，一部分是在對奶牛的擠奶、喂食等過程中信息采集和監控等部分。

4.1系統主界面

該系統在計算終端設置了用戶登錄部分，是為了確保登錄該系統中的人員是在本系統允許的用戶。本系統設置用戶登錄，能保證只有該系統的用戶才能進入該系統，能對系統的數據進行操作如查詢、添加、修改、刪除相關信息，可以保證該系統的數據的安全性。該系統的登錄界面如圖 4.1 所示。

圖4.1 系統的登錄界面

用戶進入該系統后，進入奶牛精細養殖管理系統的主管理界面，如圖 4.2 所示。該系統的管理包括職工信息管理、牛群信息管理、產奶信息管理、牛舍信息管理、疾病與疾病防疫、飼養與飼料管理、牛群繁殖管理、統計分析以及對系統的系統維護等管理。

職工信息管理包含職工信息顯示、職工信息添加、職工信息查詢、職工的出勤信息、職

工的出勤查詢等。職工信息是養牛場所有員工的基本信息。職工信息查詢，可以是對某

個職工的具體查詢，也可以查詢在某年進入該養牛場的員工的信息，或者某個年齡區間的員工信息等等。職工信息添加是進入養牛場的新員工的信息。職工出勤是使用該系統后養牛場職工的出勤情況。職工的出勤查詢可以是對某個員工的出勤情況的查詢、也可以是某天的職工的出勤情況等等。職工的信息列表示圖 4.3 所示。

圖4.3 職工信息列表

牛舍管理包括牛舍基本信息的顯示、牛舍信息的查詢、牛舍信息添加、牛舍使用、牛舍維修記錄等。牛舍基本信息顯示的是牛舍的牛舍編號，牛舍的容量，開始使用日期負責人等信息。牛舍信息的查詢，可以查詢某個牛舍的使用時間長、牛舍的容量等信息。牛舍信息添加是當一個新的牛舍建立，將該牛舍的基本信息添加到牛舍基本信息中。牛舍使用是包含牛舍使用編號，使用日期，使用容量等信息。牛舍維護記錄主要是記錄牛舍的維護記錄如何時維修、維修人、維修原因等信息。

牛群信息管理包括牛群基本信息、牛基本信息添加、母牛發情信息記錄、母牛配種記錄、牛犢斷奶記錄、母牛流產記錄、母牛干奶記錄、人工催乳記錄、體尺體重測定、生產性能測定。牛基本信息表如圖4.4所示主要包括EPC代碼、性別、胎次、牛的出生日期、出生時體重、牛的品種、牛的毛色、分類、在群否、母 EPC 號、入牛群日期、離群日期、飼養員以及負責獸醫等。

園牛基本信息則表

EPC代碼性別胎次出生匱品種毛色分類在鮮否入牛鮮日期 t

A403040T06D0080 母 1 21 草原紅牛紫虹成年牛是 2012-2-2

A403040T06D0081 母 1 20 草原紅牛紫虹成年牛是 2012-2-3

A403040T06D0082 母 2 18 草原紅牛紫紅成年牛是 2012-2-3

A403040706D0083 母 2 21 草原紅牛紫紅成年牛是 2012-2-3

A403040706D0084 0 20 草原紅牛紅成年牛是 2012-2-4

A403040706D0085 0 22 草原紅牛紫紅成年牛是 2012-2-4

A403040706D0086 母 2 21 草原紅牛紫紅成年牛是 2012-2-4

A403040706D0087 母 1 18 草原紅牛紅成年牛是 2012-2-4

A403040706D0088 母 2 19 草原紅牛紫紅成年牛是 2012-2-4

A403040706D0089 母 2 20 草原紅牛紫紅成年牛是 2012-2-4

A403040706D008A. 母 1 21 草原紅牛紅成年牛是 2012-2-5

A403040706D008B 0 19 草原紅牛紫紅成年牛是 2012-2-5

圖4.4 牛的基本信息

牛基本信息添加是對剛出生 0~3 天的幼牛在左耳放置一個有唯一的 EPC 編碼的

RFID標簽（如圖3.8所示的編碼結構），將該新產牛犢的基本信息添加到數據庫中。母牛發情信息是記錄母牛發情的信息如編碼、母牛的 EPC 代碼、發情日期等信息。母牛配種是記錄對母牛的配種記錄如編號、母牛的EPC代碼、配種牛的EPC代碼、配種日期等信息。牛犢斷奶記錄的是編號、牛犢EPC代碼、母EPC代碼、斷奶日期、斷奶體重等信息。母牛流產記錄的是對有孕的母牛流產的記錄包含有編號、母牛 EPC 代碼、流產日期、懷孕天數、體況等信息。母牛干奶記錄的是母牛無奶的記錄包含有代碼、母牛 EPC 代碼、產奶天數、干奶開始日期、干奶體重等信息。人工催乳記錄的是編號、催乳母牛 EPC 代碼、催乳日期、催乳劑量、體重等信息。體尺體重測定是對牛的生長過程中定期對牛的體尺和體重進行的測量，包含編號、EPC代碼、測定日期、長、寬、體重、身高、牛肚的長、牛肚的寬等信息。生產性能測定是對牛的生產性能的記錄。

產奶信息管理包含牛舍日產奶記錄、奶牛個體日產奶記錄、牛奶質量檢驗記錄、牛奶日支出記錄、牛奶脂肪蛋白指標、鮮牛奶價格管理表、牛奶質量標準維護。

在飼養與飼料管理模塊中，包括對奶牛精補料原料信息顯示、奶牛精補料配方原料顯示、奶牛精補料配方顯示、奶牛精補料配方、日糧庫存查詢、飼養方案變更等的管理。其中精補料原料信息顯示是原料編號、原料名稱，入庫時間、庫存等信息。

牛繁殖管理是對牛繁殖信息的管理，如公牛基本信息、牛只系譜查詢、公牛近交預測，母牛近交預測、凍精領用記錄、凍精庫存維護等。公牛基本信息相當于是從牛基本信息表中提取出是性別是“公”的牛只的相關信息，存入該公牛基本信息表中。牛只系譜查詢是查詢一只牛只的父輩以上的信息或者是一只牛的后代。凍精領用記錄是對凍精的使用情況的信息是編號、領用職工編號、領用凍精量、用于牛只的EPC代碼等信息。凍精庫存維護是對庫存中的凍精的維護，如凍精被領用，需要減少凍精量，對庫存中的凍精需要定時檢查，對其做相應的維護。

疾病與疾病防疫管理對常見疾病、檢疫與免疫、疾病報告、獸藥領用記錄、對牛舍進行消毒記錄、獸藥庫存記錄、奶牛盲乳頭記錄等的管理。常見疾病是數據庫中存儲了一些牛的常見疾病信息如編號、疾病名字、疾病癥狀、需要防治的藥品等信息，疾病報告是記錄編號、日期、牛 EPC 代碼、牛的癥狀等信息。檢驗和免疫顯示編號、日期、牛個體 EPC 代碼、癥狀、體溫、服用藥品等信息。牛舍消毒記錄是記錄對牛舍進行消毒的記錄如編號、日期、牛舍編號、消毒量、職工編號等信息。獸藥庫存記錄顯示是獸藥編號、獸藥名稱、獸藥進貨時間、進貨量、現有庫存量等信息。獸藥領用記錄是領用編號、獸藥編號、領用日期、領用職工編號、領用量等信息。

統計分析相當于是奶牛精細養殖獲得信息后的信息服務，主要是通過對奶牛精細養殖過程中的信息獲取和信息監控中的獲取以及數據庫中的數據的統計和分析。統計分析包括母牛資料卡查詢、泌乳曲線、日均產奶圖、繁殖配種受胎統計、日產奶量趨勢、應配奶牛表、胎次產量分析、母牛胎次結構、胎次結構分析、妊娠奶牛表、應配青年奶牛表、近*月配種、近*月產奶、近*月產犢、近*月成乳牛頭天等。其中母牛資料卡查詢包含該母牛的基本信息、該母牛的產奶記錄、泌乳曲線、該母牛的繁殖記錄、性能測定、線性評定、體尺體重、生長過程的圖片、體況評分、事件記錄，列出該母牛的譜系以及后裔，可以更新繁殖信息，打印歷史卡、錄入圖片等。本部分中的具體內容在 4.2.3 中進行詳細闡述。

4.2系統信息獲取

由第三章系統設計，基于EPC物聯網和RFID的奶牛精細養殖管理可以分信息采集、信息監控、信息服務三部分。信息采集只要完成奶牛信息的識別和傳送。信息監控主要完成對奶牛的自動配料、自動喂食、自動擠奶以及體重、健康、生理指標檢測等。信息服務是對奶牛的相關信息的存儲和查詢（奶牛信息查詢已經在 4.1 節介紹），進行生長過程模擬、效益評估和生長速率調整以及統計分析等部分。

4.2.1信息采集

超高頻RFID技術和EPC編碼技術是該系統采用的主要技術，電子標簽能自動識別目標對象并獲取相關的信息，無須人為的干涉。在第三章中已經敘述了為新生牛犢安置一個唯一標識的EPC標簽，并記錄相應的奶牛信息。

RFID 讀寫器設置在擠奶場與喂養場的大門處，當帶有唯一 RFID 標簽的奶牛個體一旦進入該RFID讀寫器的讀寫距離的范圍時，則該奶牛個體的唯一 EPC代碼由RFID 讀寫器就讀出，并在Zigbee無線網絡的作用下，在PML信息服務器與各個奶牛個體的 EPC代碼之間的映射聯系的建立，需要通過ONS服務器，從PML信息到EPC代碼之間的映射從而實現了，于是對應的 PML 文件被找到了，最后并將顯示出來其相關的奶牛的信息。

4.2.2信息監控

該部分敘述信息監控的實現過程。通過信息采集過程中識別出奶牛個體的 EPC 代碼并該奶牛的相關信息顯示在計算機顯示器上，每頭奶牛的健康狀況可以通過體溫傳感器檢測出，并將每頭奶牛個體所測得的體溫寫入相應的 PML 文件并在擠奶場的大屏幕上顯示相關奶牛信息，以方便飼養員方便查看。系統以不同的顏色進行標注對于需要特別注意的奶牛以引起飼養員的注意，比如用黃色進行標注最新開始產奶的奶牛個體，以便于飼養員關注它們的情況；用紅色進行標識產奶速度相對慢的奶牛個體，方便飼養員讓這些產奶速度慢的奶牛個體先進行產奶；以綠色標注最近注射了藥物的奶牛個體，飼養員可以丟棄這些牛所產的奶，以防其他的鮮牛奶被污染了; 同藍色標注所測體溫異常的奶牛個體，方便飼養員對該奶牛所產牛奶的安全及其健康情況做進一步檢測。擠奶場會自動關掉大門，當進入擠奶場和喂養場的奶牛數量已經滿了，以杜絕其他奶牛的進入。此時奶牛個體進行自動喂食就可以開始了，奶牛精補配方存儲于系統中，系統進行自動配置該配方下的奶牛的飼料量，依據奶牛的泌乳周期和產奶量，如果奶牛上次產奶量達到25kg的，就喂食飼料14 kg，15kg的，喂飼料8 kg，10kg的喂飼料6kg，小于20kg 的喂飼料2 kg，當奶牛個體產奶時間達到第150天，300天周期的一半，就已經過了高產奶期，之后應該將減少到 75% 左右的喂食量，產奶天數超過 250 天，應該將減少到 50%左右喂食量。喂食的過程中，通過飼養員進行連接接奶杯子和奶牛個體的乳頭，于是自動擠奶的過程就可以實現了，飼養員需要為產奶比較多的奶牛個體換第二個杯子或者當第二個杯子也滿了就需要換第三個等。此外，一些特殊情況需要飼養員注意并處理的，比如當完成自動擠奶后拔掉杯子后，需要丟棄有疾病的奶牛個體所產牛奶。當自動擠奶完成后，必須消毒處理病牛使用過的設備，為防乳頭感染細菌，工作人員需要進行噴灑防感染藥向乳頭。處理結束后，打開擠奶場和喂養場的大門，自動喂食和自動擠奶的過程這時就完成了。完成擠奶過程后，產奶過程中和產奶結束后需要寫回 PML 文件的數據由Savant系統進行管理，Savant系統完成對數據的管理通過過濾冗余數據、聚合數據和傳遞信息。處理之后，飼養員用一個貼有 RFID 標簽的固定容器收集奶牛所產牛奶，飼養員并對進行密封該容器，以備進行追蹤牛奶的生產過程和去向。

綜上所述，可以得出奶牛個體產奶計量過程如圖4.5所示和對奶牛進行自動配料和自動喂養的過程如圖4.6所示。

標記顏色

檢測

奶牛信息

體溫異

奶牛

產奶慢

藍色

紅色

合格

不合格

奶丟棄

健康狀況

新產奶

奶量計量

新近注射藥物

黃色

綠色

產奶丟棄

圖4.8 信息采集和信息監控的流程圖

4.2.3 信息服務

相關數據庫管理系統軟件和兩臺服務器組成了本地信息系統，其中兩臺服務器為主從配置。服務商提供遠程信息系統。為確保數據安全可靠，需要實時備份數據。牛奶信息以及奶牛信息的追蹤和溯源可以通過信息服務實現。本系統根據信息系統中的信息，還可以將信息用于奶牛生長過程中進行模擬預測、效益評估和生長速率調節和統計分析等。

奶牛生長過程模擬預測是根據奶牛出生日期，生長過程中的食量、運動量、體溫、體重等情況進行模擬生長趨勢，進而預測產奶的日期。需要的情況下可以對健康生長的奶牛進行人工催乳。

效益評估根據奶牛生長過長中的投入以及產奶過程中的產奶等，進行效益評估。由效益評估和生長過程模擬預測，在保證奶牛正常生長的情況下，來調整其生長速率，進而調整經濟效益。接下來我們詳細介紹統計分析。

在 4.1 節中已經討論了統計分析包含的統計分析部分。牛只的生長、繁殖和泌乳參數的設置是通過牛參數設置實現的。系統對牛只分類的自動維護的功能如斷奶天數、成年牛月齡、育成牛月齡、超年齡月齡，都受生長參數影響。養殖場內情況模塊受繁殖參數的影響。包含發情周期天數、初配月齡、初檢天數、妊娠天數、復檢天數等。

養殖場內情況中的干乳和305天高低產奶牛的劃分受奶牛的泌乳參數的影響。奶牛的產奶量從產犢到干奶，在一定的坐標系上描繪則會隨時間的變化呈規律性變化的曲線，這樣的曲線被稱為奶牛的泌乳曲線［10］。在正常泌乳的條件下，奶牛在剛開始泌乳的幾周內，日產奶量呈逐漸增加的趨勢，當增加到一定高峰水平之后，產奶量就會處于一個相對平穩的時期，平穩期過后，日產奶量會逐步下降，隨泌乳日的增加，下降的幅度也會增大，最后干奶，這就是泌乳曲線的典型特點。如圖 4.9 所示的泌乳曲線是 50 個泌乳記錄，先求出它們的平均值，然后畫出的群體泌乳曲線圖。

圖4.9牛群的泌乳曲線

盡管影響奶牛的產奶量的因素有很多，而奶牛群卻有相對穩定的的泌乳曲線的波形

［11］。經大量試驗研究表明，影響泌乳波形的因素，其中環境因素占75%，遺傳因素占 25%［12］。在相同的飼養環境下，主要由四大因素品種、生產性能、公牛品質、胎次等所決定泌乳曲線的波形。在相同的遺傳因素（品種等遺傳因素）情況下，則飼養管理條件等環境因素完全決定奶牛的泌乳曲線的形狀。一個奶牛群有相對穩定的遺傳性能，如果在良好的環境外界條件，那么牛群泌乳曲線就應當相對穩定。綜上，可以得出泌乳曲線可以用于四個方面的應用如預測奶牛產奶量、調控乳成份、選育品種和改良遺傳以及指導飼養管理等。

(1)泌乳峰期泌乳峰期是奶牛泌乳高峰出現的時期。根據有關報道，奶牛全期總產奶量和泌乳峰期存在一定的關系，泌乳高峰期出現在第 60~69 天時，總產量為最高。泌乳峰期遺傳力一般為 0.17~0.29[10]。在一定量范圍內越遲地出現泌乳峰期，則產奶量下降也就會越慢，也就會越長維持泌乳高峰的時間。反之，相反。由圖 4.9，泌乳高峰期在50 天之前，因為不一致的產犢的日期及胎次，因此胎次和氣候影響并非是該泌乳峰期的前移的原因，根據奶牛的發生機理產后能力負平衡，我們可以推斷出奶牛產后能量負平衡的機理可能導致牛場的牛群泌乳期普遍提前。因此，峰值日提前決定了奶牛產奶量不會太高。

(2)泌乳峰值峰期產奶量就是泌乳峰值，泌乳峰值與總產量呈強相關，如果泌乳峰值上升 1kg，那么整個泌乳期產奶總量會上升200到300kg左右，如果泌乳峰值越高，則下降就會越緩慢，持久力也就會越大。泌乳峰值的遺傳力一般為 0.23~0.44[10]。大量試驗結果表明, 在一般飼養水平的基礎上, 如果要延長泌乳高峰的持續時間，就需要在泌乳早期改飼料配方或者補料可以明顯提高泌乳峰值。

(3)峰值比峰值比是初產牛的峰值與經產牛的峰值的比值。母牛的遺傳品質、營養和管理水平

的高度是影響峰值比的兩個主要因素。

(4)泌乳曲線波形

導致泌乳曲線波形發生異常變化的原因有：(a)飼料和飼養條件；(b)環境與管理;

(c)品種、胎次、發病、發情配種、體況等三個方面。

綜上所述，我們提出提高奶牛產奶量的改進措施：(1)淘汰那些泌乳曲線不佳的奶牛；(2)提高營養水平，尤其是要提高奶牛產后初期的影響水平，如優質牧草、飼喂過瘤胃脂肪等，能從本質上解決泌乳峰值不高不穩的問題；(3)改善環境條件，保持牛舍的溫度、適度的適用即干爽，進可能地減低疾病發生和降低能耗，尤其是母牛乳房炎的發生；(4)采取分階段分群飼養法，在不同階段制定不同的精補日糧配方;(5)盡可能地確保啤青草、酒糟等料源的穩定供應；(6)提高粗飼料的質量，主要針對粗料品質太低，而精料多又會易發病的現狀, 于是減少麥秸等粗糧的喂量，再提高苜蓿及青貯玉米等細糧的喂量；(7)加強飼養員的技能培訓。

通過以上措施提高奶牛養殖的產奶量，進而提高奶牛養殖的經濟效益。統計分析中的繁殖配種受胎統計包含統計出全養牛場年綜合受胎指數、給定時間內的年發情受胎率、年空杯率、年漏情率、產后第一次配種受胎率、正常發情的周期的比

率、初配受胎率、胎間距、產后第一次配種的平均天數、產后 50 天內出現發情的母牛比率、年總受胎率、半年以上未妊牛只比率、配種三次一下即孕母牛比率、年繁殖率、年流產率等。

該系統的系統維護包括數據庫維護（如圖 4.10）、數據初始化、用戶管理和系統日志等。

圖4.10 該系統的數據庫維護

第5章結論

本系統是基于EPC物聯網和RFID的奶牛精細養殖管理系統，采用以超高頻RFID 技術和EPC物聯網為基礎提出基于電子產品編碼(EPC)物聯網的奶牛精細養殖管理系統的基本原理，完成模擬預測生長過程、定量配料、自動飼養、計量個體奶量、監測體重、健康、生理等指標，以及完成生長速率調節和效益評估等功能。因此該系統由信息采集、信息監控、信息服務三個部分組成。本文敘述了電子產品編碼EPC、射頻識別 RFID 技術和數據庫技術等相關技術。本文實現了職工信息管理、牛舍信息管理、牛信息管理等信息管理。還實現對奶牛的自動配料、自動喂養、自動擠奶。疾病監測等自動化過程，減少了勞動力，降低了養牛場的成本，提高了效率，提高了奶牛產奶的質量，并且能夠對每個奶牛個體進行追蹤溯源。本系統是針對奶牛精細養殖場的管理和奶牛自動飼養和自動擠奶的，也可以推廣到其他的畜牧業的養殖過程中。本系統根據信息系統中的信息，還可以將信息用于奶牛生長過程中進行模擬預測、效益評估和生長速率調節和統計分析等。根據泌乳曲線的規律，提出一些提高奶牛產量的措施，進而提高經濟效益。但是本系統也存在一定的不足處，系統雖然實現了奶牛精細養殖的自動化管理，但是沒能實現對所產的牛奶的追蹤和溯源。如果要實現這個功能，就需要對牛奶加工和運輸過程進行監控，這將是我們下一步研究的目標。

參考文獻

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