基于物联网技术的生猪养殖场质量安全溯源管理系统的设计
发布时间：2022-01-08
摘 要：在国家国际科技合作专项“肉品供应链全程质量安全溯源监管智能平台的合作研究”项目支持下，基于RFID物联网技术和WSN远程无线信息自动采集技术、HACCP食品管理规则，提出了生猪养殖过程移动数据采集的数据规范，建立生猪养殖的关键质量控制点和质量自动控制预警机制，开发了生猪养殖场质量安全溯源管理系统。设计的生猪养殖质量安全溯源管理系统包括系统管理、档案管理、标准和法规管理、销售采购管理、免疫管理、生猪管理、猪栏管理、仓库管理和环境安全监测九个模块。该系统也可为消费者提供查询平台，公开透明地展示养殖过程，保证流向餐桌肉品的质量安全，增加消费者对肉品质量安全的信心。
关键词：物联网;生猪养殖;质量安全;溯源;RFID
0 引言
中国是猪肉生产和消费大国，然而在产量不断增长的背后，我国的猪肉类行业也遭遇了多次食品安全的严重考验。目前国内外对食品溯源系统的研究已经越来越多地把无线射频识别技术(Radio Frequency Identification，RFID)应用在食品供应链跟踪和质量追溯中，但对于肉类产品生产过程中的关键信息目前仍主要采用人工信息输入方式。本文分析了生猪养殖过程中的生产与管理业务流程，基于RFID技术、无线信息采集技术和传感器技术，设计开发了生猪养殖场质量安全溯源管理系统。
1 质量安全溯源管理系统设计
1.1 系统功能设计
溯源管理工作需要多个部门、多个岗位共同完成，系统的难点是将标准与法规数据、生猪标识数据、生猪繁殖数据、生猪免疫与检疫数据、饲料与兽药使用数据和重大疾病等数据进行准确与实时记录，系统的重点是能够根据系统有关数据进行及时质量安全预警。通过对我国生猪养殖场生产过程分析，以及借鉴国内外先进的相关管理经验，本文设计的生猪养殖质量安全溯源管理系统包括系统管理、档案管理、标准和法规管理、销售采购管理、免疫管理、生猪管理、猪栏管理、仓库管理和环境安全监测九个模块。
1)系统管理模块
系统管理模块主要包括用户管理、操作日志管理和角色管理三个子模块。用户管理主要实现对系统用户信息的增、删、改、查功能;操作日志显示系统操作的所有记录;角色管理主要是系统的权限管理，不同岗位有不同权限。
2)档案管理模块
档案管理模块主要包括生猪、猪栏、饲料、仓库、工作人员和客户基本信息管理六个子模块，主要实现对相关基本信息的增、删、改、查功能。生猪基本信息子模块中，可根据生猪耳标号查询该头猪的关键信息，包括生猪的出、入场时间，父、母猪耳标，猪栏编号、入场体重、来源(采购/销售)，去向，品种，用途等信息。添加一条新的生猪基本信息时，生猪耳标号是自动生成的，无需手动输入，生猪耳标是唯一标识，每头猪都有特定的ID。
3)标准和法规管理模块
标准和法规管理模块主要包括兽药标准和法规、饲料标准和法规、环境标准和法规、标准和法规上传四个子模块，主要实现对标准和法规的查阅、上传、下载功能。
4)销售采购管理模块
销售采购管理模块主要包括生猪销售、生猪采购和饲料采购三个子模块，主要实现对采购销售信息的增、删、改、查功能。并实现了生猪销售、生猪采购、饲料采购安全预警。
5)免疫管理模块
免疫管理模块主要包括免疫记录和免疫程序两个子模块，主要实现对免疫记录的增、删、改、查功能。养殖场需根据制定的免疫程序，严格执行免疫流程，记录生猪使用疫苗的批号、名称、来源、时间、方法、操作人员、免疫剂量、加强免疫时间等信息。并实现了生猪免疫安全预警。
6)生猪管理模块
生猪管理模块主要包括体温、体重、患病、死亡和换栏记录五个子模块，主要实现对生猪养殖过程中的关键信息增、删、改、查功能。并实现了生猪体温、体重、患病安全预警。
7)猪栏管理模块
猪栏管理模块主要包括喂食管理和环境管理两个子模块，主要实现对饲喂信息和猪栏环境信息的增、删、改、查功能。并实现了猪栏安全预警。
8)仓库管理模块
仓库管理模块主要包括出入库管理、仓库环境管理和饲料过期管理三个子模块，主要实现出入库记录、环境信息和饲料过期记录的增、删、改、查功能。
9)环境安全监测模块
环境安全监测模块主要包括水质、猪栏、仓库、生猪和人员安全监测五个子模块，主要实现对监测信息的增、删、改、查功能。并实现了环境安全预警。
1.2 数据库表设计
生猪养殖场质量安全溯源信息系统的数据库包含36 个数据表，涵盖了涉及质量安全的所有数据，如表1所示。表与表之间通过主键和外键关联。
1.3 系统管理流程
系统覆盖生猪养殖的全部生产过程，即从仔猪的出生或采购入场开始，到商品猪销售出场结束。并包括生猪养殖场的一切活动，如：如用料情况、用药情况、防疫情况、健康状况等。本文从质量安全溯源角度，设计了生猪养殖场质量安全溯源系统管理流程，如图1所示。 1)基本管理流程参 见 图 1 ， 在 仔 猪 出 生 后 的 一 定 时 间 段 内 ，要求给每头猪的耳朵上安装电子标签耳标(基于 ISO11784/5)，每个电子标签耳标将具有全国唯一的号码(生猪号码)，即建立起每头猪的“电子身份证”，并将养猪场代码、批次号、圈舍号等标识性信息写入 RFID耳标内。
建立每头生猪的电子身份证时，要输入关键信息，包括：生猪来源(采购/自产)、父母猪编号(便于追溯遗传疾病)、品类(商品猪/种猪/母猪等)、品系(肉猪、黑毛猪等)、进养殖场日期、健康状况等信息。
伴随生猪的不断成长，系统将基于耳标信息，记录养殖过程中每头生猪发生的一切必要信息，如用料情况、用药情况、防疫情况、健康状况等。
2)饲料质量安全管理流程
饲料质量安全是生猪养殖场质量安全的基础和和保证，饲料的营养缺乏、不平衡或有毒物质的存在不但影响猪的生长、繁殖，甚至危及猪的健康，并严重影响养殖场的经济效益。本文从质量安全溯源角度，设计了养殖场饲料从采购到使用的质量安全管理流程。如图2所示。
3)患病处理管理流程
某些养殖场在暴发疫情后滥用药物，且病猪肉流向市场、餐桌的现象难以控制，瘦肉精、病猪肉等食品安全案件时有发生，严重影响了人的健康。因此，要想吃到放心猪肉必须加大政府的监管力度，养殖场的免疫程序必须严格按规定执行，疫苗及药品统一向政府申领，合法使用，彻底杜绝滥用、以次充好的现象。本文从质量安全溯源角度，设计了养殖场饲生猪患病处理管理流程，如图3所示。
2 关键技术
2.1 自动信息采集技术
系统采用有源RFID电子标签，灵活地将生猪改变为“智能体”，并与软件系统结合，可以实现生猪的跟踪和管理。首先给每头生猪安装电子标签制成的耳标，耳标号根据标准编码，建立生猪唯一标识;仔猪入场时，操作员使用RFID读写器将重要数据(如生猪基本信息等)写入有源RFID电子标签，该标签使用后可以回首重复利用，降低猪只溯源成本;伴随着仔猪生长，安装在猪栏上方的RFID读写器会自动读取耳标中有关数据，并与生猪所在环节的质量安全信息结合，上传至系统数据库。
无线传感网络(Wireless Sensor Networks，WSN)由分布在猪栏内的若干无线传感器组成，包括温度、湿度、CO2浓度等传感器。系统自动采集猪栏及仓库的温湿度和其它环境信息，并上传至系统数据库。例如，环境温湿度控制：根据母猪、公猪和商品猪在各个不同时期最适宜的温度和湿度要求，采用基于ZigBee无线通讯的温度传感器(DS18B20)、湿度传感器(HIS-06)和现场监控计算机技术，如图4所示。现场监控计算机接收无线传感网络上传的数据并进行处理，依据处理结果发出控制信号驱动控制节点工作，实现闭环控制，以达到预期的控制目标。
无线传感网单元直接面向现场，由必要的硬件组成 RF无线传感网络，网络由传感器节点、簇头节点、汇聚节点以及控制节点组成。由于猪舍都具有大小相当，相互独立等特点，因此无线传感网采用簇状拓扑结构(Cluster Tree)较为合适。每个猪舍中的若干传感器节点通过设备商提供的接口函数，组成一个簇，并且设置一个固定的簇头。传感器节点只能与对应的簇头节点通信，节点之间不能进行数据交换。簇头与簇头之间可以相互通信转发信息，各簇头通过单跳或多跳的方式最终完成和汇聚节点的数据通信，汇聚节点通过RS232/485 总线与现场监控计算机进行有线数据通信，上传采集的信号，监控计算机最终形成控制信号再次通过汇聚节点以无线方式启动控制节点工作，分别控制新风处理组合式空调器和发热电缆，实现环境温湿度的闭环控制。
2.2 预警机制
本文预警机制是基于HACCP食品管理规则，建立猪肉产品质量的关键质量控制点和质量自动控制预警机制并开发相应的系统功能，包括对饲料添加剂、兽药、疫苗以及猪栏仓库环境温湿度的全方位预警。
1)饲料质量预警
饲料入场前检测包括：外观检测、化学成分分析以及霉菌和毒素检测等，检测数据和结果上传至数据库。判断饲料是否营养缺乏、不平衡或有毒害物质的含量是否超出国家标准，或影响猪的生长繁殖和养殖场的经济效益。如果数据分析超出标准(例如：饲料中赭曲霉毒素A和玉米赤霉烯酮的允许量《GB 13078.2-2006》规定配合饲料和玉米中ZEN的最高限量为500ppb)。则预警启动，及时采取应对措施。
在仓库管理子系统中，除了常规的入库管理、出库管理、库存管理外，特别包括仓库温度监控与预警系统。饲料仓库分布若干温度、湿度传感器，自动采集仓库的实时环境信息，在温湿度超出标准(例如：温度低于10℃时，霉菌生长缓慢;温度高于30℃则生长迅速，使饲料质量迅速变坏)。时发出警报。
饲料入场时记录生产日期和保质期，在饲料即将超过最佳使用期限时产生预警。
三处预警可以保证养殖场采购符合国家标准有利生猪生长繁殖的饲料，同时保障饲料的安全储存及合理使用。饲料预警机制流程图如图5所示。
2)兽药违规预警
在养殖环节中，严格监控兽药、疫苗和违禁药品以及消毒产品的使用，保证每种药品的购买、储存、领取、使用符合国家或地区标准与法规。系统中有详细记录，并及时分析数据，对违规、超标的现象进行预警。根据不同药物、激素和重金属盐类等物质不同的半衰期以及休药期规定，规范了养猪饲养的用药及相关措施，设置育肥猪未按休药期规定饲喂的违规预警系统。对于兽药、疫苗的使用，要先通过政府相关部门审批才能领药，如果有滥用兽药的现象，预警发出警报后数据直接上传至政府监管部门，加大监管力度。
3)生猪养殖环境预警
生猪生长环境安全监测模块实现了对猪只生长环境及猪栏温湿度的预警机制，预警模块分别是生病预警和猪栏环境预警。无线温湿度自动采集系统由中心数据集中器和温湿度采集器两部分组成。中心数据集中器与计算机连接，用于设置温度采集器的工作方式和将采集到的温度值上报给系统。温湿度采集器放置在需要采集温湿度的地方，或将测温探头安置或插入需要测温湿的地方。通过猪栏的温湿度传感器，可以实时自动采集环境温湿度及生猪体温，并写入系统。所有上传的温湿度数据及生猪体温数据都会在系统中进行预警判断，如果数据超出正常范围就会发出警报，管理员需及时处理，找到温度异常的根源，杜绝影响生猪健康的因素，达到全方位预警的目的。生猪养殖预警机制如图6所示。
3 结束语
本文开发的质量安全溯源移动系统，实现了生猪耳但饲料预警机制流程图标使用、饲料及兽药使用、免疫及患病治疗处理流程、饲料采购仓储管理、环境温湿度安全监测、饲喂换栏事件等数据的移动采集和无线网络传输;提出了生猪养殖过程中移动数据采集的数据规范;可以解决了国内规模化养殖中建立生猪电子档案不灵活、效率低、不规范等技术问题;可以为养殖场管理者提供可视化的监控养殖手段，提高经营效率;为政府提供监管平台，加大对养猪业的监管力度，禁止病猪死猪流向市场，为官方兽医提供了便捷的移动监管工具;为消费者提供查询平台，公开透明的展示养殖过程，保证流向餐桌肉品的质量安全，增加消费者对肉品质量安全的信心;对于可能出现的肉品质量安全问题，方便追溯问题的根源及责任人，降低问题产品流散的可能性，为生猪养殖业的健康高速发展打好基础。——论文作者：单朝兰1 ，宁喜凤2 ，李苏建2 ，翁卫兵3
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