无源RFID猪场溯源管理系统的实现与关键技术陶琳丽1，杨秀娟1，曹志勇2，邓君明1，周铝3，王全春3，张曦1 *
( 1.云南农业大学动物科学技术学院云南省动物营养与饲料重点实验室, 云南昆明 650201；2.云南农业大学基础与信息工程学院, 云南昆明650201；3.云南农业大学经济管理学院, 云南昆明650201)
摘要：研究旨在通过猪场溯源管理系统的建立, 提供真实可靠的生猪饲养信息, 供国家质监部门和消费者对猪肉质量进行监控和查询。系统采用. net面向对象编程技术、SQL Server2005数据库技术、动物射频编码技术和无源RFID标识技术进行设计开发，本文论述了实现过程中的核心问题，在猪场实际使用中对系统进行黑盒测试，测试结果表明系统的实用性、可靠性和安全性均满足实际需求。
关键字：无源RFID；猪；溯源系统
猪场溯源是一种用来追踪生猪养殖过程和猪肉供应流通的机制，通过使用现代信息标识技术记录保存生产过程中每个环节的信息，当出现产品安全问题时，能够快速有效地查询到出问题的原料或生产环节，以此来提高猪肉的安全和质量[1]。现代信息标识技术中用于溯源的普通物理标识认证包括条码和无线射频识别技术(Radio Frequency Identification，RFID)。RFID技术主要是指利用无线射频进行非接触式的自动识别技术，它通过射频信号自动识别目标对象并获取相关数据，识别工作无须人工干预，可工作于各种恶劣环境。基于RFID技术的电子标签可以重复使用．读取的准确率超过98％以上[2]。无源RFID电子标签成本相对较低，在家畜的检疫监督管理和家畜的饲养方面应用较多[3]。
无源RFID猪场溯源管理系统是基于RFID的猪场溯源管理系统，正是利用RFID标签的传输数据率高、通信距离长和可靠性高等优点，从源头上对猪肉的生产进行有效的监控。猪场溯源管理系统主要集猪只养殖信息记录和猪场管理两种功能为一体，实现对猪只基本信息、饲料使用情况、兽药使用情况和免疫情况等的真实记录，养殖过程中的重要信息被上传至数据中心，确保了溯源信息的真实性。该系统是畜产品可追溯管理系统的重要组成部分，上传到数据管理中心的养殖信息，供消费者查询和国家质监部门对猪肉质量进行监控。
1 系统构成
1.1 系统业务流程图
畜产品可追溯管理系统的总体结构图[4]如图1所示。
图1 畜产品可追溯管理系统总体结构图
猪场溯源管理系统的业务流程如图2所示。
图2 系统业务流程图
1.2 系统功能结构
猪场生猪质量安全可追溯管理子系统主要由用户登录模块、用户管理、猪场档案信息管理、饲料档案管理、兽药档案管理、电子标签管理、生猪基本信息管理、饲养信息管理、疾病信息管理、免疫信息管理、转群信息管理、生猪出场信息管理、数据上传管理、生猪信息查询模块，系统数据维护模块组成。系统功能结构图如图3所示。
图3 系统功能结构图
2 硬件设备与软件环境
2.1 标签与读写器
电子标签采用基于IPJ_Monza3的866M频段RFID标识件，如图4所示，其中图b已申请外观专利，读写器采用ISO18000-6C开发板，自行研究设计标签振子天线，配合自行研发的读写器，使通讯距离延长至30-100cm。
（a）方形标签
（b）弧形标签
图4 RFID标签实物图图5 866MHZ读写器电路板
2.2 开发及运行环境
本系统后台数据库采用Microsoft SQL Server 2005，该数据库系统在安全性、准确性和运行速度方面具有较强优势，并且处理数据量大，效率高；前台采用Microsoft公司的Visual Studio 2008作为主要的开发工具，可与SQL Server 2005数据库无缝链接，使用https://www.doczj.com/doc/2218204973.html,和C#作为开发语言。
●系统开发平台：Windows Server 2003；Microsoft Visual Studio 2008；https://www.doczj.com/doc/2218204973.html, framework3.5；
AjaxControlToolkit 3.0.30930.28736。
●系统开发语言：C#，https://www.doczj.com/doc/2218204973.html,。
●系统后台数据库：SQL Server 2005。
●运行平台：Windows Server 2003; SQL Server 2005
●运行环境：https://www.doczj.com/doc/2218204973.html, framework3.5；AjaxControlToolkit 3.0.30930.28736。
●分辨率：最佳效果1400×900像素。
3 系统实现的关键技术
3.1 RFID编码
3.1.1 RFID编码与EPC编码的转换
每一个RFID标识件中携带的ID号应是全球唯一，对动物电子标签的编码应遵循GB/T 20563—2006和ISO11784：1996《动物射频识别代码结构》标准的规定。具体实现的过程中发现RFID芯片在其出厂时，遵守EPC码的编码规范，如何将EPC编号和RFID编码实现无缝识别，让用户在全程使用的过程中只接触一个编码，感受不到存在两个编码，是系统研究的一个关键技术，具体实现如图7所示。
图7 RFID编码与EPC编码转换的实现
3.1.2 RFID十进制编码规则
在数据库中定义RFID编码字段时根据二进制位表示的含义不同又转化成23位的十进制编码字符串，其十进制字符串编码含义如图8所示。
第23位：标签类别，取值范围{0，1}，“1”表示动物标签，“0”表示非动物标签；
第22位：标签重置计数，取值范围{0..7}；
第21-20位：畜禽种类，取值范围{00..31}，猪的代码是“01”；
第19-18位：省市代码，取值范围{00..63}，云南省的代码是“00”；
第17位：链接标志，取值范围{0,1}；
第16-13位：国家（地区）代码，取值范围{0000..1023}，中国的代码是“0156”；
第12-11位：猪只编码，取值范围{000000000000..274877906943}。
图8 猪RFID码十进制字符串编码规则
3.2 接口设计与实现
系统接口主要涉及三个方面：一是RFID读写器读卡程序获得的数据与B/S架构的猪场溯源管理系统之间的数据传递；二是猪场溯源管理系统需要从数据中心下载RFID标签的购买信息；三是猪场溯源管理系统将养殖信息上传至数据中心。针对以上三个方面的接口问题，均采用数据表作为连接介质。
3.2.1 读卡程序与猪场溯源管理系统之间的接口实现
考虑到读卡器读卡程序是基于window的用户程序，如果数据库再使用SQL SERVER的话，用户在软件和硬件的成本投入会加大，因此，读卡程序就以ACCESS 2003数据库为基础进行RFID读卡程序的信息保存，读卡完成后，用户再将信息上传至猪场的数据库服务器中，供猪场溯源管理系统使用。
3.2.2 基于B/S系统的数据的上传下载
数据的上传下载均是通过数据表来进行信息的传递，在上传和下载过程中严格审核RFID标签购买信息，一旦发现RFID编号不对应或者猪场信息不一致，则审核失败，只有审核通过才能进行信息的上传和下载。
3.3 NET Language-Integrated Query（LINQ）技术的使用
NET Language-Integrated Query(LINQ，语言集成查询)是微软公司提供的一项新技术。它能够将查询功能直接引入到.NET Framework 3.5所支持的编程语言(如C#、Visual Basic等)中。查询操作可以通过编程语言自身来传达，而不是以字符串嵌入到应用程序代码中。
猪场溯源管理系统应用LINQ技术中的LINQ-SQL进行数据的操作，在系统中生成一个LINQ to SQL 类，将猪场数据库中的数据表引入到此类中，方便程序集的调同。
使用此技术的优点是：第一，通过自动翻译sql语句，将结果集创建成对象并返回。发送到Sql Server 端的sql语句由Linq To Sql自动生成；其次，Linq To Sql语句是在编译期间就做检查的，而不是运行时检查，这样，那里出了问题，就可以及时更改，而不是到了运行时才发现问题；第三，Linq To Sql是针对对象操作的，更符合今天的面向对象呼声。
3.4 用户权限管理设置
系统用户权限的设置，大多通过用户与角色来进行分配，给不同的角色分配固定的操作权限，不同的用户又从属于不同的角色，从而拥有不同的操作权限。
但猪场溯源管理系统在用户权限的设计时，如果遵循上述原则，则会出现角色分配权限过细，猪场用户使用不灵活，操作不方便等弊端。因此，系统在用户权限的设定中，根据系统的特点，在系统中设置了猪场功能权限自分配页面，实现了猪场用户可根据自身的需要动态的进行用户权限的设置，增强了用户使用过程中的互动性和友好性。
3.5 系统信息真实性的控制
如何使上传至数据中心的溯源信息真实可靠，是系统设计和实现中的重中之重，为了实现这一目的，系统进行了多重控制，下面就以饲料上传信息为例进行说明，具体实现流程如图9所示。
图9 饲料上传信息控制流程
3.5 通用类的定义
类是C# 中功能最为强大的数据类型。像结构一样，类也定义了数据类型的数据和行为，为了针加系统的通用性和可适性，在系统中定义了不同的类，如数据库连接类、数据类型转换类等等。
4 系统测试
本系统在云南神农安宁云山育肥基地进行系统测试，数据中心管理系统安装于云南神农农业产业集团数据中心。
4.1 发卡测试
模拟猪场购买RFID标签过程，在数据中心共发RFID卡300张，其中方形卡180张，弧形卡120张，发卡率成功率为100%。如图10和图11。在发卡时将电子耳标放在读写器左上方0到10厘米处写发成功，
超出这个范围则不能成功发卡。
图10 溯源RFID发卡程序图 11 发卡成功的耳标
4.2 读卡测试
将读写器垂直安装与赶猪通道的左边，距离地面1.0米，此时读写器识读RFID标签的最大距离为10米，当读取目标与读卡器成45°夹角时，读卡最灵敏。两者间有障碍物时会影响读卡的灵敏度，甚至不能读卡。
4.3 RFID标签佩戴
配合读写器安装位置，RFID耳标均佩戴在猪左边，如图12所示。
图12 猪配套RFID耳标
4.4 猪场溯源管理系统测试
分别以管理员身份、猪场场长身份和饲养人员身份对系统中各功能进行黑盒测试，各功能运行正常，并针对猪场实际操作流程，对饲料档案信息模块进行微调，使原来以饲料名称为查询关键字的模式，改为以饲料名称和生产日期为查询关键字的模式，弥补了原系统中相同饲料名称生产批次不同只产生一条溯源记录的不足，改为只要生产批次不同，溯源记录均上传数据中心，增强了信息的可追溯性。
5 小结
猪场溯源管理系统详细的记录了猪场养殖管理信息，并提供了多种技术措施实现了溯源信息的安全性、真实性和可靠性，为保障我国的食品安全提供了一种新的可行性方法。在该系统的基础上，今后将进一步研究如何将养殖和环境自动化控制技术与该系统的融合使用，使之发挥更大的功效。
参考文献
[1]曹志勇,周铝,李晓斌等.基于溯源技术的养殖厂管理系统设计[J].广东农业科学.2010,[6]:237-239
[2]Schwaegele F.Traceability from a European perspective[J]. Meat Science,2005,71(1):164-173
[3]周仲芳,游洪,王彭军等.RFID技术在活猪检验检疫监督管理中的应用研究[J].农业工程学
报,2008,24(2):241-245
[4]雷兴刚,周铝,曹志勇等.基于有源RFID的猪场溯源管理系统[J].黑龙江畜牧兽医.2011,(1):48-51