基于物联网与射频识别技术的土鸡全产业链监管体系构建

黄惠珍 刘善文

摘 要：【目的/意义】应用物联网和射频识别技术，构建土鸡全产业链监管体系，从而实现山林土鸡的生态养殖管理，架设农户与消费者的互信桥梁。【方法/过程】搭建智能鸡舍、生产智能化管理系统、生产可视化监控系统、智能立体栖架观测与评价系统、安全生产监管与溯源系统以及互联网定制认养系统，构建土鸡全产业链监管体系。通过在智能鸡舍内布署物联传感设备及以射频识别技术读写鸡脚环信息，实现对生产过程数据、农产品信息、农产品溯源信息的采集和监测，养殖基地可视化360°高清24h展示，农产品网络平台认养与订购等功能。【结果/结论】构建土鸡全产业链监管体系，识别鸡只个体状态及活动行为，形成可追溯、可验证、透明化的全产业链过程信息的传输与展示，可实现高效、稳定的溯源，保障农产品优质生产和质量安全。

关键词：物联网;NFC脚环;食品安品;监管

Abstract： 【Objective/Meaning】The Internet of Things and Radio Frequency Identification Technology were applied to build the supervision system of whole industry chain for native chickens， so as to realize the ecological breeding and management of native chickens in the mountain forests and build a bridge of mutual trust between farmers and consumers. 【Methods/Procedures】Through establishing the intelligent chicken house， the intelligent production management system， the visual production monitoring system， the intelligent three-dimensional roost observation and evaluation system， the safety production supervision and traceability system and the Internet customized adoption system， the supervision system of whole industry chain for native chickens has been constructed. By placing the iot sensing equipment in the intelligent chicken coop and reading and writing the information of chicken foot rings with Radio Frequency Identification Technology， the functions could be realized including the collection and monitoring of the production process data， the agricultural product information and the information of agricultural product traceability， the visual 360-degree display of aquaculture base for 24 hours， and the adoption and order of agricultural products on the online platform. 【Results/Conclusions】By establishing the supervision system of whole industry chain for native chickens， identifying the individual status and activities of chickens， and forming the transmission and display of traceable， verifiable and transparent process information of the whole industry chain， the efficient and stable traceability could be achieved， thus to ensure the high-quality production and the quality safety of agricultural products.

Key words： Internet of Things; NFC foot ring; food safety; supervision

近年來，出于对安全食品的渴望，在山林生态养殖的土鸡越来越受到消费者的亲睐。经过动物行为学家的分析，山里的土鸡具有昼夜节律性，白天在外站立或活动行为较多，晚上习惯回鸡舍的趴卧行为和栖息行为表现较多[1]。传统的养殖鸡舍以人力管理为主，人员需要时常进出鸡舍，不仅极易携带细菌，感染群，还易对土鸡造成应激，影响鸡只的生长发育[2]。另外，“脏、乱、臭、差”的养殖环境也非常不利于鸡只的健康生长，甚至导致家禽疫病问题[3]。

为了保障原始农产品的质量，提高消费者对食品安全的信任度，近些年国家颁布了多项新政策。中共中央办公厅、国务院办公厅2019年印发的《数字乡村发展战略纲要》，明确提出要推进农业数字化转型，加快推广云计算、物联网、人工智能等现代信息化技术在农业生产经营管理中的应用[4]。赵春江[5]在《发展智慧农业 建设数字乡村》中提到对“十四五”数字乡村建设战略的考虑：“加强农村地区信息化建设，大力发展以数据为关键要素的农业生产性服务业，加快数字技术对农村地区生产、生活、治理（公共服务、公共事务、公共安全）等全面渗透，加快信息化服务普及，降低应用成本，为老百姓提供用得上、用得起、用得好的信息服务，让老百姓有获得感与幸福感。”

因此，越来越多的科技企业和科研专家深入田间地头，改变传统的农业生产模式，推动现代农业整体提档升级，带动脱贫攻坚与产业振兴。随着信息网络和智慧农业的快速发展，农业信息化技术已经大量应用到了生产监测、精准灌溉、农产品质量安全追溯、定制农业等诸多领域，收效甚佳。例如：湖南省永州市宁远县的农户结合物联网技术，运用智能化手段实现“手机养猪”，通过手机终端实施养猪生产各个环节信息的24 h远程监控，该模式给当地农民带来了可观的收入[6]。

针对土鸡传统养殖中难以将健康散养管理过程进行数字化[7]，阻碍规模化发展;无法自动化改善鸡舍环境，影响土鸡发育生长;生产过程数据透明化程度较低，土鸡系列产品信任度得不到保障等系列问题，本研究基于物联网与射频识别技术，设计了土鸡全产业链监管体系，通过智能手机或电脑进行远程控制，实现对土鸡24 h活动与生产的自动监管，不仅保持了土鸡的自由活动，减少了应激干扰，还能最大程度地节约养殖场的物力和人力成本。该土鸡全产业链监管体系已在古田县钱厝村试验点的养殖户中应用，完成了对土鸡日常活动、生产过程管理的监测和数据采集，体系运行稳定可靠。

1 土鸡全产业链监管体系应用技术

1.1 物联网

物联网（Internet of Things，IOT），是一个基于互联网、传统电信网、无线网等信息承载体，让所有能够被独立寻址的普通物理对象形成互联互通的网络。它通过各种传感装置与技术，包括信息传感器、红外感应器、激光扫描器、射频识别技术、全球定位系统等，实时联系目标物体与过程，采集目标的生物、化学、力学、位置、声、光、热、电等各类信息，实现物与物、物与人的泛在连接，完成对物品和过程的智能化感知、识别和管理[8]。

1.2 射频识别技术

射频识别技术（Radio Frequency Identification，RFID），是一种通过无线射频方式进行非接触双向数据通信的自动识别技术，由专用记录媒体（电子标签或射频卡）进行识别与读写，达到数据无线快速交换的作用，被认为是21世纪最具发展潜力的信息技术之一[9]。最基本的RFID系统由3个部分组成，读写器（Reader）、标签（Tag）、天线（Antenna）。近场通信（Near Field Communication，NFC），是由非接触式射频识别（RFID）及互联互通技术整合演变而来的一种新兴技术，使用了NFC技术的设备（如智能手机）可以在彼此靠近的情况下进行数据交换[10]。NFC系统的工作原理：首先读写器将要发送的信息，经编码并加载到高频载波信号上再经天线向外发送。当进入读写器工作区域的电子标签接收到此信号，其内部芯片的有关电路对此信号进行倍压整流、调制、解码、解密，然后对命令请求、密码、权限等进行判断。

2 土鸡全产业链监管体系构建

2.1 体系设计及功能实现

基于物联网与射频识别技术的土鸡全产业链监管体系，包括：智能鸡舍、生产智能化管理系统、生产可视化监控系统、智能立体栖架观测与评价系统、安全生产监管与溯源系统以及互联网认养与销售推广系统（图1）。整个体系通过智能鸡舍内布署的物联传感设备实现对生产过程数据、产品信息、农产品溯源信息的采集和监测，养殖基地可视化高清展示，农产品网络平台认养与订购等功能。

2.2 智能鸡舍搭建

2.2.1 必备条件

智能土鸡舍首先要考虑防疫隔离条件。选择自然环境生态，水源光照充足、水质较好、地势高且远离生活区，有足够的放养面积（450～750只/hm2）的山地林下区域，便于鸡只活动与觅食。场地及鸡舍周围必须实现电信宽带有线/无线网络全覆盖，安装稳定电源和配置避雷设备等基础设施，针对野外及农村电网的特点，鸡舍内配套的电子/电气设备均满足《GB7450-87》《IEC61312-1》《GBT19271.1-2003》等防雷、电涌防护相关的国家标准。

2.2.2 设计步骤

鸡舍主体框架按照低成本、高牢固的要求建设，采用坚固耐用的材料，保证有效防止外来敌害入侵的同时，可以抗暴雨和9级台风。物联设备遵循可拆卸、易安装、故障率低的原则，选用易于拆卸安装且可多次利用的材料，并在舍内设计好相应的连接端口，使操作简单易懂，达到无需专业人员现场指导，农户可按照说明书自行快速搭建及拆卸，从而减少人工成本，且该设备在一批次鸡的全饲养周期（即8个月）内故障率低于2%。

鸡舍顶棚修建成斜坡式，坡面向南，面积以16 m2为宜;南、北墙设通风窗口，窗口面积与地面面积比达1∶5，方便采光，通风效果好，墙体和舍顶加入石棉保温材料，做好隔热保暖措施;地面用木屑、稻草桔等做垫料[11]，提高鸡只生活环境的舒适度，增强鸡只体质和抵抗力。在鸡舍接入稳定电源和网络后，配置物联网各类传感器（图2），按鸡舍大小与实际需求选择安装传感器的数量与位置;在鸡舍进出口及鸡舍内四面方向上方，各裝一台高清夜视网络摄像头，用以保证鸡只全天24 h鸡舍范围内的活动数据的采集，同时为保证饲养安全，在鸡舍外投料槽上方也同样安装高清可旋转网络摄像头，监管投料过程和鸡只集中进食情况;鸡舍入口通道的地板上铺设有称重块，称重块与远程主机连接，称重块用于获取当前入口通道上鸡的总重量，由远程电脑记录及分析鸡只的体重变化。

2.2.3 实现功能

这样运用各种传感器组成的无线传感网络，实现了鸡舍内环境的温度、湿度、光照强度等多个物理量参数的检测。智能鸡舍既保障了鸡只生态健康生长的环境条件，又能完成生产过程数据、产品信息、产品溯源信息的采集和监管。

2.3 生产智能化管理系统

2.3.1 系统功能

通过鸡舍内研发安装的可以自动采集二氧化碳浓度、氨气浓度、粉尘、风速、温湿度等环境信息的无线数据传感器，对鸡舍的温度、湿度、氨气等养殖环境数据进行监测[12]（表1），并依靠5G、2.4G无线技术和ZigBee技术将采集到的数据信息通过无线传输与数据交换器进行通信数据转化并传到装有专家系统的控制器，由控制器根据设定的参数控制供热、通风、光照、舍门开关、数量清点、食物及饮水添加等设备的运作。

2.3.2 设计原则

温湿度传感器配置要求：性价比高，测量精度高，可设计性强，适合农业应用。二氧化碳传感器和氨气传感器配置要求：低功耗，响应时间不超过2 min[13]，准确实现对氨气浓度和二氧化碳浓度的实时采集，即使在1 d内气体量变化很大，也能连续不断地监测及捕获异常变化。网络连通要求：稳定网络信号，传输速度快。大多数物联网传感装备兼具环保性：采用微功耗“无线”化的数据采集及交换系统。舍内的数据采集器（如：温度、湿度、氨气采集器等）均设计为微功耗模式，（即在一批次鸡只的全饲养周期8个月内无需更换电池）。同时，控制器将智能地判断设备的使用情况，及时将暂时不工作的设备切换至睡眠状态，为养殖户节约能源，减少养殖成本。

2.3.3 关键技术与实现

该系统的智能化在于：控制器会根据生产设定数据判断环境参数值是否超标，如果超标，则发出指令启动相应的通风、排气、加热装置来改善舍内环境，当环境参数值回归系统允许范围内时，控制器发出信号停止设备，系统中同时设置手动按钮作为辅助控制设备，可通过按钮人工控制设备的启停，以备不时之需，增加系统的可靠性。鸡舍情况通过互联网实时上传控制中心，管理人员或养殖户可使用手机或电脑，通过5G网络随时查看鸡舍状况，对养殖现场进行动态跟踪监测与控制，异常情况实时预警、远程管控等智能化管理，实现养殖过程的精准管理、过程可视、全程可查询的全自动智能化监控功能。

2.4 生产可视化监控系统

鸡舍内外指定区域安装高清智能化摄像机，对鸡群的日常事件进行记录，并对是否有其他大型动物对鸡群进行骚扰进行远程监控;同时支持视频无限回放和自动切片上传喂食、上脚环、消毒、免疫等重要事件（图3）。一家养殖户安装一个监控主机，10路300万高清网络监控、星光级夜视H.265编码的海康威视网络摄像机，将网络数字摄像机分布在鸡舍产蛋处、鸡只栖息处，出入口及鸡舍外鸡只频繁出现的重点区域。

在监控系统中，产业体系管理者及终端消费者能连接网络，进入信息管理平台，随时察看和跟踪的鸡只个体，了解特定鸡只的活动情况和养殖过程，让管理者远程了解全产业范围的养殖情况，同时消费者也能获得认养鸡只的生长情况等相关信息，真正做到买得放心，吃得安心。

2.5 智能立体栖架观测与评价系统

2.5.1 设计原理

鸡属于禽类，在被驯化的过程中，仍然保留一定的飞行能力和树栖习惯，所以晚上还保存着栖息在高处的习性。智能栖架就是利用鸡的这一习性，在养殖舍内部署多个栖架，每个栖架各安装多个高度不一的栖杆，每根栖杆上各安装1个射频读写器，远程主机预存有每个射频读写器的水平位置信息以及其所在栖架的高度位置信息，且每只鸡脚上佩戴有NFC一次性溯源脚环。通过二者结合，智能栖杆可以实时观察鸡群的活动轨迹和准确记录鸡只个体的栖息位置。

2.5.2 装配步骤

鸡舍内设置相应数量的电子栖架（梯式或登式）。首先，栖架用直径10 cm左右的毛竹和直径2 cm的圆形小木棍搭建。本文试验点栖架采用双边阶梯型，与地面呈45°的2根斜支撑杆上放置多个与地面平行而高度不一的横向栖杆。其次，采用脚环模具依次放入水晶滴胶、线圈+芯片，至凝固定型，设计制作出NFC脚环（图4），这样的NFC脚环即为NFC系统中的被动式电子标签。

其次，在每根栖杆上与地面平行的位置安装1个射频读写器[14]，栖杆内部安装天线，外置远程主机（树莓派卡片机）预存每个射频读写器的水平位置信息以及所在栖架的高度位置信息。当NFC脚环靠近栖杆，脚环内线圈与栖杆天线形成磁场，NFC脚环通过该磁场获取能量并返回电磁波，返回电磁波被转换为数据信息，远程主机通过编程语言执行机器指令，采集、存储NFC脚环和电子栖杆交换的数据信息（图5），包括土鸡在所有栖杆上栖息的位置和停留时间。

2.5.3 特点与功能

智能立体栖架观测与评价系统，其特点在于：（1）自动清点数量：可以实现对归舍鸡群的数量清点，以及对串舍率、未归舍率的計算并上传服务器。（2）健康状况评价：通过NFC脚环和射频读写器获取每一只土鸡活动与栖息的位置坐标，构建土鸡个体行为习惯与活动偏好模型。

基于13.56GHz射频技术的智能立体栖架观测与评价系统，利用NFC脚环和电子栖杆，对土鸡在立体栖架上的分布状况进行实时采集监测[15]，实时在线分析土鸡栖息分布数据;应用平台进行批量数据特征提取，探明鸡只个体日常活动行为习惯，为土鸡健康评价提供理论依据。

通过清点鸡群和对鸡只个体日常活动数据模型分析，能够及时感知数据流中的异常变化，结合高清视频和图像采集和检测，预测鸡只个体的健康变化，及时预防和诊治。另外，结合鸡肉品质鉴定，形成鸡只个体行为习惯与肉质评级对应关系，进一步为鸡肉品质评判提供有力的事实依据[16]。

2.6 安全生产监管与溯源系统

2.6.1 设计步骤

利用高清视频人工智能监控技术、产品标识体系（GS1编码体系、物流分销管理技术及NFC溯源脚环），建立土鸡日志档案信息数据库，实行“一个产地一个编码一套档案”的管理方式，进行个体识别和场内事件跟踪监管。从鸡苗的选择到养殖、检疫、出售、宰杀、运输等环节，详细记录产地环境、原料采购、养殖管理、疫苗及用药、采集鸡蛋、鸡肉加工、运输等信息（图6）;经过信息采集归纳与分析，建立土鸡精细化安全生产监管与溯源管理系统，搭建数据反馈链路，形成畜禽智慧养殖的“感知-传输-应用-反馈”闭环控制系统，实现养殖过程物联网数据应用服务的无人值守。

2.6.2 实现功能

利用鸡脚上不可损坏、不可替换、不脱落的定制NFC脚环，即农产品个体身份证，实现通过智能手机NFC射频感应获得产品编码（图7），轻松追溯查询到相应的基地档案、农产品生产全过程相关记录、相关农资投入品采购验收等信息，从源头确保质量可追溯。场地高清监控、NFC不可拆卸脚环、智能栖架等物联网设施，让每一粒蛋和每一只鸡的生产过程、养殖周期都可以被视频和数据重现[17]。通过建立“生产有记录、过程留痕迹、质量能追溯，产品可召回”的生态食品安全生产质量管理模式，运用精准推送、用户画像等技术，面向政府部门、养殖户、科研高校、科技公司和农产品消费者等不同群体，开展个性化、专业化、定制化服务，真正实现了“从山头到餐桌”的全程监管与溯源，以此获取公众的信任。

2.7 互联网定制认养与销售推广系统

2.7.1 意义

定制农业是按照消费者而非生产者的主观意愿进行农业生产，将特定的需求通过网络信息等媒介直接作用到农业生产中，完成农业生产上的“私人订制”[18]。李克强总理在2015年政府报告中首次提出“将物联网、大数据等技术与传统类型产业相结合”，随后国内引起广泛关注。马云曾在2019年“阿里巴巴技术脱贫大会”上指出“未来的农业是数据农业，是定制化的农业，是智能化的农业”。

飞速发展的互联网技术推动农户使用生态食品互联网销售系统或第三方网络交易平台开展农业电子商务，对接各大商超、零售店、用户等渠道，打通线上线下交易[19]，打破传统的“先产后卖”格局。这样让市场来决定农户按需生产投入，重构农业产销关系。引导农村合作社组织农户进行生产更优质、安全的特色农产品，最大化地合理使用农村自然资源，以达到可持续地开发“金山银山”，具有良好生态示范效应。

2.7.2 设计与实现

本研究通过自营电商平台“佳仆网”，销售可验证可溯源的定制化土鸡和土鸡蛋;消费者通过微信公众号或“佳仆网”直接观察土鸡的日常生活情况，看中后即可直接对某一区域的某只土鸡或其鸡蛋进行网上下单，在预付一定的订金后，等到土鸡一出栏或鸡蛋一落地，定制鸡即可定向送到消费者手中。

通过互联网定制认养与销售系统，农户的优质农产品与消费者的个性需求直接对接，免去中间环节，既节省农户外销产品的市场成本，又降低了消费者的购买成本;凭借土鸡全产业链监管体系的应用与指导，潜移默化地提升农业经营者的诚信服务意识，增强农产品品牌形象，形成区域的特色产业，让优质产品营销网络化，农民卖出优质价[20]，促进农民增产增收，加快乡村振兴步伐。

3 结论与讨论

3.1 结论

基于物联网与射频识别技术的土鸡全产业链监管体系的创新之处在于：利用物联网溯源技术和射频个体识别技术，采集从养殖到屠宰、储运至加工等各环节的全信息化电子数据，形成可定制、可追溯、可验证的土鸡、土鸡蛋供应链，让公众远程观察到农产品养殖过程，起到质量安全监管作用，进一步强化农产品优质生产与质量安全;通过定位于安全、绿色、有机农产品的互联网定制认养与销售推广，农户按消费需求生产，消费者参与生产过程，由此建立起消费者与农户的互信互利桥梁，大大降低农产品滞销积压风险，减少生产资料的浪费，同时对保障农业资本投入，提升农业生产力有重要意义。

在土鸡全产业链监管体系构建过程中，也发现存在一些现实问题。安装物联网传感设备需要一定费用进行前期投入，启用全产业链监管体系后，农户无法在短期内快速获得经济回报，从而打击农户建立全套监管体系的积极性，至今应用范围较小。定制认养与销售推广过程中，由于定制认养的农产品需要精细化管控、绿色化生产、高端化包装、定制化配送等过程，需要投入大量资金与技术设备，抬高了生产成本，使得产品销售价格高于普通市场价格;因此该农产品的消费客户群体比较局限，推广速度缓慢，市场渗透率较低。

3.2 讨论

基于物联网与射频识别技术的土鸡全产业链监管体系，用NFC脚环（土鸡身份证）精准识别鸡只个体和智能管理，采集捕获土鸡全产业链过程的全信息化关键数据，建立土鸡档案数据库，实现回溯农产品信息和定制认养销售，可保障农产品质量安全，建立农户与消费者的互信关系，增强优质农产品市场竞争力。

随着智能信息技术的更替发展和农民观念的转变，智慧农业未来可期。本课题组今后将进一步细化研究数字信息在农业生产中的应用，让农业大数据精准对接农业生产，开辟以产业兴农促乡村振兴的新路径。

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