近年來，瘋牛病、口蹄疫、豬鏈球菌感染、禽流感、三聚氨膠、瘦肉精等重大食品安全事件的爆發(fā)引起了全世界的廣泛關(guān)注.隨著經(jīng)濟的全球化，食品跨國界和跨地區(qū)流通越來越頻繁，各種食品安全事故和隱患呈迅速擴展和蔓延之勢。如何確保食品安全，已經(jīng)成為目前迫切需要解決的問題.為了解決食品安全問題，目前，各種先進(jìn)的信息技術(shù)正在被研究和利用，近年來出現(xiàn)的EPC物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)成為當(dāng)前解決該類問題的最佳選擇.

    在國外，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在食品藥品質(zhì)量監(jiān)管領(lǐng)域已得到廣泛研究.澳大利亞建立了一個畜牧標(biāo)示和追溯系統(tǒng)，使用統(tǒng)一的電子耳標(biāo)對牛羊進(jìn)行識別管理[2J日本自2001年起建立了食品身份證制度，即農(nóng)產(chǎn)品履歷制度，用來實現(xiàn)對農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)銷的追蹤。美國PurduePharma制藥公司已將RFID標(biāo)簽與單一藥瓶包裝生產(chǎn)線的流程成功整合，將RFID標(biāo)簽貼在OxyContin(一種麻醉止疼藥)藥品的包裝瓶上，對其進(jìn)行流向追蹤及監(jiān)控.北美最大的食品服務(wù)營銷和分配組織SYSCO公司，已完成低溫儲運系統(tǒng)的RFID與傳感系統(tǒng)集成測試，結(jié)果表明RFID在食品運輸過程中監(jiān)控溫度、溫度等環(huán)境參數(shù)的能力很強，可有效保證食品品質(zhì)和質(zhì)量安全。

    在國內(nèi)的食品安全領(lǐng)域，食品識別多采用條形碼技術(shù)，RFID技術(shù)應(yīng)用也逐漸成為研究的熱點.基于RFID技術(shù)的"安全豬肉監(jiān)控追溯系統(tǒng)"2005年在上海正式技人使用，該系統(tǒng)將RFID標(biāo)簽打在豬耳朵上，實時獲取生豬的飼料、病歷、喂藥、轉(zhuǎn)群、檢疫等信息。

    目前，牛奶工業(yè)是各種經(jīng)濟中的重要組成部分.例如，在美國，牛奶工業(yè)估計產(chǎn)值接近350億美元;在意大利，2007年和2008年產(chǎn)值估計115億美元，是整個國民經(jīng)濟的重點，也關(guān)系到每個人的切身利益。

    目前.國內(nèi)將RFID應(yīng)用于養(yǎng)殖場的應(yīng)用很少，而且目前國內(nèi)的系統(tǒng)主要是針對生豬養(yǎng)殖，沒有專門針對奶牛養(yǎng)殖的系統(tǒng).保證奶牛所產(chǎn)奶的安全性和可靠性，是一個持續(xù)的過程.所以，本文以RFID技術(shù)和EPC物聯(lián)網(wǎng)為基礎(chǔ)，提出基于EPC的物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)下奶牛養(yǎng)殖和牛奶追蹤系統(tǒng)的基本原理，對其結(jié)構(gòu)和功能進(jìn)行分析，利用RFID標(biāo)簽來實現(xiàn)奶牛的跟蹤追溯，降低了奶牛的養(yǎng)殖成本，提高了牛奶的安全性.

    1、EPC物聯(lián)網(wǎng)

    近幾年物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)受到了人們的廣泛關(guān)注，"物聯(lián)網(wǎng)"被稱為繼計算機、互聯(lián)網(wǎng)之后，世界信息產(chǎn)業(yè)的第三次浪潮.物聯(lián)網(wǎng)概念最早出現(xiàn)于比爾·蓋茨1995年出版的《未來之路》一書.自物聯(lián)網(wǎng)概念提出以來，相繼引起了美國、歐盟、日韓和中國等各國的重視.物聯(lián)網(wǎng)目前并沒有準(zhǔn)確的定義，關(guān)于物聯(lián)網(wǎng)的比較準(zhǔn)確的定義是:物聯(lián)網(wǎng)是通過各種信息傳感設(shè)備及系統(tǒng)(傳感網(wǎng)、射頻識別系統(tǒng)、紅外感應(yīng)器、激光掃描器等)、條碼及二維碼、全球定位系統(tǒng)，按約定的通信協(xié)議，將物與物、人與物、人與人連接起來，通過各種接入網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行信息交換，以實現(xiàn)智能化識別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的一種信息網(wǎng)絡(luò)[8J物聯(lián)網(wǎng)已經(jīng)在環(huán)境監(jiān)控和精細(xì)農(nóng)業(yè)、民用安全監(jiān)控、醫(yī)療監(jiān)控、工業(yè)監(jiān)控、智能交通、物流管理及控制、智能家居領(lǐng)域等方面得到一定程度的應(yīng)用.物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用前景非常廣闊.

    基于EPC的物聯(lián)網(wǎng)是在計算機互聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)上，利用全球統(tǒng)→的物品編碼技術(shù)、RFID技術(shù)、元線數(shù)據(jù)通信技術(shù)等，實現(xiàn)全球范圍內(nèi)的單件產(chǎn)品的追蹤與追溯.典型的EPC物聯(lián)網(wǎng)由信息采集系統(tǒng)、實體描述語言(PhysicalMarkupLanguage,PML)信息服務(wù)器、對象名服務(wù)器(ONS)和Savant系統(tǒng)4部分組成?EPC物聯(lián)網(wǎng)的系統(tǒng)組成如圖1所示.    

    信息采集系統(tǒng):信息采集系統(tǒng)由產(chǎn)品電子標(biāo)簽、讀寫器、駐留有信息采集軟件的計算機組成，主要完成產(chǎn)品的識別及EPC的采集和處理.PML信息服務(wù)器:PML信息服務(wù)器由產(chǎn)品生產(chǎn)商建立并維護(hù)，儲存著這個生產(chǎn)商生產(chǎn)的所有商品的文件信息.它根據(jù)事先規(guī)定的原則對產(chǎn)品進(jìn)行編碼，并利用標(biāo)準(zhǔn)的PML對產(chǎn)品的相關(guān)信息進(jìn)行描述，從而生成PML文件.在PML文件中，除了包括不會改變的產(chǎn)品信息外，還包括經(jīng)常性變動的數(shù)據(jù)和隨時間變動的數(shù)據(jù).每個產(chǎn)品的PML文件都被存儲在一個PML信息服務(wù)器中，該服務(wù)器將配置一個專用的計算機，為其他計算機提供他們所需要的文件.

    ONS:ONS的作用是在各信息采集節(jié)點與PML信息服務(wù)器之間建立聯(lián)系，實現(xiàn)產(chǎn)品EPC到產(chǎn)品PML信息之間的映射.

    Savant系統(tǒng):Savant系統(tǒng)在物聯(lián)網(wǎng)中處于讀寫器和企業(yè)應(yīng)用程序之間，相當(dāng)于物聯(lián)網(wǎng)的神經(jīng)系統(tǒng).Savant系統(tǒng)采用分布式結(jié)構(gòu)，層次化地組織、管理數(shù)據(jù)流，具有數(shù)據(jù)收集、過濾、整合與傳遞等功能，因此，能將有用的信息傳到企業(yè)后端的應(yīng)用系統(tǒng)或其他Savant系統(tǒng)中.Savant系統(tǒng)需要對數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的處理，其中，最關(guān)鍵的是冗余數(shù)據(jù)過濾、數(shù)據(jù)聚合和信息傳遞三方面的處理

2、系統(tǒng)設(shè)計

    2.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

    該系統(tǒng)由信息采集、監(jiān)控中心、信息服務(wù)三部分組成，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示.   

    信息采集:由標(biāo)簽讀寫器、電子標(biāo)簽及天線等構(gòu)成，完成奶牛信息的識別和傳送.

    監(jiān)控中心:完成對奶牛的自動喂食控制、擠奶過程的控制以及疾病監(jiān)控的控制.

    信息服務(wù):提供對奶牛信息的存儲和查詢.

    工作過程:當(dāng)有標(biāo)簽的奶牛通過設(shè)置了RFID讀寫器的大門時，讀寫器讀出該奶牛的EPC編碼，通過無線個人局域網(wǎng)ZigBee技術(shù)，在PML專用計算機中找到該EPC編碼，并通過ONS，將該EPC編碼和PML信息服務(wù)器中的PML文件建立映射關(guān)系，找到該EPC所對應(yīng)的PML文件后，將該文件中有關(guān)該奶牛的信息顯示在計算機屏幕上，并將需要特別注意的奶牛信息在顯示屏中以不同的顏色顯示，以引起飼養(yǎng)員的注意.根據(jù)該PML文件中所提供的該奶牛產(chǎn)奶的情況，通過Savant系統(tǒng)，給每頭奶牛自動配置所需的食物，并在喂食的過程中，飼養(yǎng)員將接奶杯和奶牛的乳頭連接起來，擠奶過程自動開始，擠奶過程完成后，將每頭奶牛產(chǎn)奶的相關(guān)情況寫回數(shù)據(jù)庫，完成食物喂養(yǎng)和擠奶后奶牛退出奶場.

    2.2系統(tǒng)實現(xiàn)

    2.2.1信息采集

    該系統(tǒng)采用超高頻的RFID技術(shù)，該技術(shù)優(yōu)點在于電子標(biāo)簽是一種非接觸式的自動識別技術(shù)，它通過射頻信號自動識別目標(biāo)對象并獲取相關(guān)數(shù)據(jù)，識別工作無需人工干預(yù)，可工作于各種惡劣環(huán)境.而超高頻的RFID技術(shù)具有較遠(yuǎn)的讀寫距離，能夠在比較遠(yuǎn)的距離上識別高速運動中的物體，并可同時識別多個標(biāo)簽，操作快捷方便.本系統(tǒng)采用符合國際標(biāo)準(zhǔn)的IS018000-6C協(xié)議的EPC標(biāo)簽，目前EPC有64位、96位和256位，其特點是安全、簡單、具有唯一性和分層擴展性.為了降低電子標(biāo)簽成本，本系統(tǒng)采用64位編碼，其中EPC區(qū)數(shù)據(jù)編碼依據(jù)國際(動物射頻識別代碼結(jié)構(gòu),GB/T20563-2006)，結(jié)合實際應(yīng)用，本標(biāo)簽采用如圖3所示的編碼結(jié)構(gòu).   

    在該EPC編碼中，頭部指出了EPC標(biāo)簽的格式、產(chǎn)品電子碼總長度和EPC的分區(qū)信息.全世界總共有224個國家，所以采用8位表示，最多能表示256個國家;省級代碼用6位，最多能表示64個省，足以表示每個國家所有的省;縣市代碼采用6位，能表示64個縣市;養(yǎng)殖場代碼采用16位，每個縣市能夠有65536個養(yǎng)殖場;動物代碼采用20位，每個養(yǎng)殖場能夠養(yǎng)殖1048576頭動物.采用該EPC編碼后，能夠保證全世界每一個動物都有唯一能夠識別的編碼.

    對剛出生o~4天的小牛在右耳放置EPC標(biāo)簽，設(shè)置了EPC標(biāo)簽的每一頭奶牛都有一個唯一的EPC編碼，對每一頭有標(biāo)簽的奶牛都在本地數(shù)據(jù)庫及遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)庫中存放該奶牛的相關(guān)信息:EPC代碼，出生日期，產(chǎn)奶開始日期，已經(jīng)產(chǎn)奶天數(shù)，產(chǎn)奶量，產(chǎn)奶速度，用藥記錄，體溫.

    在喂養(yǎng)場和擠奶場的大門處設(shè)置讀寫器，當(dāng)奶牛進(jìn)入該讀寫器的讀寫范圍時，由讀寫器讀出該奶牛的EPC編碼，在ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)的作用下，并通過ONS在各個奶牛的EPC編碼之間與PML信息服務(wù)器之間建立聯(lián)系，實現(xiàn)從EPC編碼到PML信息之間的映射，找到對應(yīng)的PML文件，并將其顯示出來。

2.2.2監(jiān)控中心

    在計算機顯示器上顯示出相關(guān)奶牛的信息，并通過體溫傳感器檢測每頭奶牛的健康狀況，將每頭奶牛所測得的體溫寫入PML文件并將相關(guān)信息顯示在擠奶場的大屏幕上，以方便飼養(yǎng)員查看.對于需要特別注意的奶牛以不同的顏色進(jìn)行標(biāo)注，比如產(chǎn)奶速度比較慢的奶牛以紅色標(biāo)識，以便飼養(yǎng)員可以先讓這些奶牛先產(chǎn)奶;對于最新開始產(chǎn)奶的，可以以黃色標(biāo)注，以便飼養(yǎng)員對它們的情況進(jìn)行關(guān)注;對于新近注射了藥物的奶牛，以綠色標(biāo)注，以方便飼養(yǎng)員丟棄它們所產(chǎn)的奶;對于所測體溫異常的奶牛，以藍(lán)色標(biāo)注，以便飼養(yǎng)員進(jìn)一步檢測該奶牛的情況.當(dāng)進(jìn)入擠奶室的奶牛數(shù)量已經(jīng)滿了則自動關(guān)掉大門.此時可以開始自動喂食，每頭奶牛的食量根據(jù)它的產(chǎn)量和泌乳周期進(jìn)行自動配置，比如上次產(chǎn)奶量達(dá)到50L的可以喂食12kg,30L的8kg,20L的6嶺，小于20L的2嶺，當(dāng)一頭奶牛產(chǎn)奶時間達(dá)到300天周期的第150天，它的高產(chǎn)期就已經(jīng)過了，這個時候應(yīng)該將食量減少到75%，到250天時，應(yīng)該將食量減少到50%[7J在喂食的過程中，飼養(yǎng)員將每一頭奶牛的乳頭和杯子連接，此時就可以實現(xiàn)自動產(chǎn)奶，對于產(chǎn)奶量比較大的奶牛，飼養(yǎng)員需要換第二個杯子.飼養(yǎng)員還需要注意的是處理一些特殊情況，比如當(dāng)完成擠奶時拔掉杯子，對有疾病的奶牛產(chǎn)的奶進(jìn)行丟棄.當(dāng)完成擠奶后，操作員需要向乳頭噴灑防感染藥，對病牛使用過的設(shè)備進(jìn)行消毒，打開大門，完成自動擠奶和喂食過程.擠奶過程完成后，由Savant系統(tǒng)將產(chǎn)奶過程中和產(chǎn)奶結(jié)束后需要寫回PML文件的數(shù)據(jù)進(jìn)行管理，通過冗余數(shù)據(jù)過濾、數(shù)據(jù)聚合和信息傳遞完成對數(shù)據(jù)的管理.最后由飼養(yǎng)員收集牛奶到一個固定的容器，并對其進(jìn)行密封，對該容器貼上RFID標(biāo)簽，以備對牛奶的去向和生產(chǎn)過程進(jìn)行追蹤.

    2.2.3信息服務(wù)

    本地信息系統(tǒng)由2臺服務(wù)器和數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)軟件組成，2臺服務(wù)器為主、從配置，數(shù)據(jù)實時備份，確保數(shù)據(jù)安全可靠.遠(yuǎn)程信息系統(tǒng)由服務(wù)商提供.通過信息服務(wù)可以實現(xiàn)對奶牛信息和牛奶信息的追蹤和溯源.

    3、結(jié)語

    本文主要實現(xiàn)了對奶牛養(yǎng)殖場中奶牛的自動管理，實現(xiàn)對奶牛的自動喂養(yǎng)、自動擠奶、疾病監(jiān)控自動化過程，減少了勞動力，降低了農(nóng)場養(yǎng)殖的成本，提高了產(chǎn)奶的質(zhì)量，并能對每一頭奶牛進(jìn)行追蹤溯源.本系統(tǒng)主要針對的是奶牛養(yǎng)殖過程中的擠奶自動化和喂食自動化，可以類似地將其推廣至其他畜牧業(yè)的養(yǎng)殖過程中.不足之處在于:系統(tǒng)雖然實現(xiàn)了養(yǎng)殖場的自動化管理，但是沒有實現(xiàn)對所生產(chǎn)的牛奶的追蹤和溯源，要實現(xiàn)這一功能，需要對牛奶加工和運輸過程進(jìn)行控制，這是下一步研究的目標(biāo)。