1、基于物联网技术的禽类养殖及全程溯源系统解决方案V1基于物联网技术的禽类xx养殖及全程溯源系统解决方案设计单位：xx物联xx科技有限公司设计日期：2013年11月第一章 概述1.1禽类养殖及溯源的现状我国现代禽类养殖是一种“高投入、高产出、高效益”的集约化产业。资本密集型和劳动集约化是其基本特征。这种集约化的产业耗费了大量的人力和自然资源，并在某种程度上对环境造成负面影响。使用物联网可以有效降低资源消耗，并减少对环境的影响，使禽类养殖成为管理科学、资源节约、环境友好、效益显著的产业。加快物联网技术在当下禽类养殖建设中的应用已成为我国禽类养殖业发展的必然选择。目前，我国针对新时期不断出现的食品安全
2、新问题，已提出了构建安全战略框架的构想，其中一个重要的构建原则就是可追溯性原则。建立禽产品xx全程可追溯系统是确保食品安全的关键。以物联网RFID技术为载体，以现在信息化技术为手段，实现禽产品从养殖场到屠宰场，从屠宰场到超市，从超市到市民餐桌的全程、有效监管。食品安全关系到国民最基本的生存需求，利用先进的物联网技术来提升禽产品安全的管理意义重大。1.2禽类xx养殖及全程溯源系统的总体目标本项目由禽类xx养殖系统和全程溯源系统构成。禽类xx养殖建设目标是：禽类饲养场环境的xx监测是当今禽类养殖业发展的重要方向,它推动着粗放式、低效的养殖业向知识型、技术型、现代化的高效禽类养殖业转变。与此同时也必
3、然对养殖环境特别是禽舍环境方面提出了更高的要求。采用物联网技术通过智能感知、识别与普适计算、泛在网络的融合，来大幅提升禽类饲养效率、能源节约、防疫检疫水平，在实现自动化、智能及安全管理的同时创造最大的经济和社会效益。禽产品全程溯源体系建立的总体目标是：以新型的禽类“电子标签”为载体，利用先进的物联网技术、成熟的计算机与数据库技术，在科学合理的管理规范与完备通用的技术规范下，建立食品安全数据库，通过标识编码、标识佩戴、身份识别、信息录入与传输、数据分析和查询，给禽类食品配一个唯一的“电子身份证”，使禽类养殖场中的养殖、防疫检疫、监督与后期加工、销售有机结合，完成禽类食品从“养殖场到餐桌”各环节的
4、一体化全程追踪和追溯，从而实现对禽类疫情和产品安全事件的快速处理。1.3设计原则禽类xx养殖及全程溯源系统的建设须坚持“先进性、实用性、开放性、标准化、可靠性、稳定性、xx、易维护性、可管理性”的设计原则。（1） 先进性：采用先进的思想、成熟的技术与设计方法，符合当前潮流与未来发展趋势，以便跟上信息技术的发展，具有较强的生命力，具有长期使用价值。（2） 实用性：建设的核心目的就是“应用”，须坚持实用的设计原则，紧紧围绕市场食品安全的实际需求。在能够满足禽类xx养殖及全程溯源系统建设要求的前提下，以尽可能以少的投入，取得尽可能大的效益。（3） 开放性：具有良好的开放性和兼容性。通过信息门户、唯一
5、身份标识和公共数据交换，整合、集成各环节应用系统和各种信息资源，建立完善多级互联互通的可追溯网络。（4） 标准化：应符合业界主流标准与规范，包括基础架构与各个应用系统的系统集成与标识数据整合，均遵循标准化原则，不依赖特定的网络、系统软件与硬件，能够部署并运行在各种主流的软硬件环境中，解决目前该领域系统软件不兼容的问题。（5） 可靠性：禽类xx养殖及全程溯源系统支撑着整个食品生产销售链的管理与监督，必须具有高可靠性、高容错性和强大的数据处理能力，以确保不间断运行、确保局部出错不影响整体、确保快速响应。（6） 稳定性：必须具有良好的稳定性，保证持续运行时间长、故障间隔大、无故障时间长。（7） xx
6、：禽类xx养殖及全程溯源系统涉及到从“养殖到餐桌”的大量敏感数据，安全运行至关重要。必须构建全方位、多层次、完善的安全保障体系，在保证物理安全和网络安全的基础上，保证数据安全。（8） 易维护性：禽类xx养殖及全程溯源系统涉及从养殖、防检疫、加工、销售到餐桌食用众多环节，数据量、信息量巨大，对系统的稳定性和可靠性有重大考验，因此必须坚持易维护的设计原则，确保结构清晰、操作简单、维护方便。（9） 可管理性：应具有高可管理性，使得系统管理员和运行维护人员的管理简便快捷，降低运行维护费用。综上，禽类xx养殖与全程追溯涵盖食品安全的诸多方面，应进行统一规划、承前启后、分步实施。第二章 禽类xx养殖及全程
7、溯源系统禽类xx养殖及全程溯源系统是一项系统工程，涉及物联网及信息技术的各个层面。建设应遵从“顶层设计，分步实施，xx用边完善”的原则。首先提出总体解决方案，确定禽类xx养殖的体系结构，制定全程溯源的信息标准，以及各系统之间的接口规范。2.1禽类xx养殖系统建设内容基于物联网技术的禽类xx养殖系统建设内容包括：（1） 禽舍内环境信息采集和自动控制建设（传感层）：实时监测禽舍内温度、湿度、光照强度、氨气浓度、硫化氢浓度和二氧化碳浓度。布置监测节点、构建无线传感网络、安装禽舍内自动控制执行机构；（2） 通讯组网连接（传输层）：搭建有线通信和无线通信相结合的综合组网方式，实现数据的短距离传输和长距离
8、中继功能；（3） 禽类xx养殖应用系统建设（应用层）：由精细饲养子系统、能耗控制子系统、疾病防检子系统和粪便清理子系统组成；（4） 禽类xx养殖信息管理平台建设：进行数据的采集、存储、处理、分析、接口、运维。具备海量数据存储和大规模计算性能。支撑远程及智能终端的查询、管理和控制；（5） 设立禽类xx养殖系统与全程溯源系统接口：基于物联网RFID技术构建覆盖禽类从生产、养殖、xx或生产加工、流通到消费各个环节的，统一且唯一的“电子身份”，作为禽类xx养殖系统与全程溯源系统的硬件接口。禽类xx养殖信息管理平台为禽类xx养殖系统与全程溯源系统提供软件接口。2.2全程溯源系统建设内容（1） 建立统一的
9、信息标准，规范禽产品全程溯源的管理标识规则，为确保数据的完整性、准确性与一致性提供依据；（2） 建立一个从养殖到最终消费品，覆盖食品生产各个阶段资料的中心数据信息库，集中信息资源管理、应用服务管理和内容整合；（3） 构建统一的“电子身份”认证系统，集中养殖场禽类及其产品的生产、防检疫、加工、销售过程中电子信息的管理，产品电子身份的唯一性、真实性，实现全程可追溯；（4） 构建安全可靠的公共数据交换系统，实现国家、省、市、县、企业、消费者等各个环节的应用系统之间的数据交换与数据共享；（5） 利用网络和RFID技术，开发基于手机的可追溯终端。2.3体系结构通过以上分析，结合xx物联xx产品线及专业的
10、项目实施经验，本方案给出先进，完善的禽类xx养殖及全程溯源系统体系结构和应用解决方案，如图所示：第三章 禽类xx养殖及全程溯源系统解决方案2.1 禽类xx养殖系统禽类xx养殖系统主要实现：禽舍内环境信息的采集与自动控制；禽舍内的信息及数据经无线传感网、有线传输方式、无线传输方式进行汇集、存储；再由禽类xx养殖信息管理平台进行统一地分析、处理，支持远程查询、管理和控制；从而实现禽舍内环境监测、精细饲养、节能减排、疾病检防和粪便清理等功能；建立统一且唯一的“电子身份”，奠定覆盖从养殖到消费的全程质量安全追溯的基础。具体如下：图1.系统主要构成禽舍内环境信息的采集与自动控制系统根据禽舍环境的特点，本
11、方案主要对以下几个对鸡生长影响较大的环境参数进行重点的自动化监控：温度、湿度、光照度、二氧化碳浓度、硫化氢浓度、氨气浓度、粉尘控制和视频图像。ZigBee传感器节点采集前七项环境参数，在禽舍内构建无线传感网，由禽舍内环境信息控制器（根据禽舍内具体设备情况由xx物联xx科技有限公司基于嵌入式技术进行专项开发）进行各传感器数据的汇总与分析，并根据预先设定参数阈值对禽舍内风机等设备进行自动控制，调节禽舍内环境。图2. 禽舍内环境信息的采集与自动控制子系统一、温度监测温度在鸡的生长过程中起着至关重要的作用。如果温度过低，鸡容易受凉而引起xx或产生呼吸道疾病等；小鸡为了取暖容易造成xx，影响采食和活动，
12、造成伤残，严重时会造成大量死亡。雏鸡生长的最适温度，随日龄的增加而下降，1日龄为34.435，此后有规律的下降，到十八日龄为 ，32 日龄为。因此，适宜的温度控制是养鸡场成败的关键。考虑到禽类养殖场特殊的现场环境,传感器应该满足以下条件:传感器的特性参数与被检测量的线性相关程度好,易于测量,精度高；误差小,老化慢,对检测信号以外的物理量不敏感；耐机械、化学和热作用；结构简单,造价低,体积小。拟定测量范围:-55+l,测量精度:xx0.5%摄氏度。二、湿度监测养鸡场不仅要保持合适的温度，适宜的湿度也同样重要，湿度太高，有利于病原性真菌、细菌和寄生虫的生长繁殖。在高湿的环境下，鸡的机体抵抗力下降，
13、发病率增加，容易传染病得蔓延，死亡率升高。高温高湿的环境还容易使饲料霉败，可使雏鸡群爆发曲霉菌病。湿度过低，容易造成鸡的羽毛生长不良。本方案在畜舍现场环境采用陶瓷湿度传感器。它利用微细xx分布的金属氧化物陶瓷主体吸附水分后,导电性质发生变化的原理制成的,具有性能稳定、体积小、灵敏度高和测量范围宽等优点,特别适合在畜舍恶劣的环境下使用。拟定测量范围:O100%RH,测量精度:2%RH(01OO%RH,),非线性误差xx0.5%RH,响应时间:155(及空气缓慢流动环境下)。三、光照度监测光照的强度和畜禽的健康息息相关，自然光中含有紫外线，适量的光照能够杀死细菌病毒等，而且还能促进畜禽对钙、磷的吸
14、收，保证骨骼的正常发育等等。然而，如果过强的光照会使动物身体温度过高，影响动物正常的新陈代谢等活动，可见光照度的监测是必要的。选用具有较高灵敏度、测量精度高、安装方便、价格低廉的感光探测器。四、二氧化碳浓度监测鸡舍中二氧化碳浓度过高，会导致鸡舍中氧浓度过低，鸡舍缺氧，引起慢性毒害作用，使鸡食欲下降，体质减弱。因此，实时准确地监测鸡舍内二氧化碳，构建鸡舍二氧化碳信息采集网系统，对于提高蛋鸡的生产能力、降低发病率和死亡率具有重要的意义。考虑到禽舍中二氧化碳气体的浓度比较大,根据系统气体采样的要求,采用根据比尔定律和气体对红外线的选择性吸收原理设计的二氧化碳分析仪进行二氧化碳监测。五、硫化氢浓度监测
15、禽舍内空气中的硫化氢主要来自含硫有机物（垫草、粪尿和饲料等）的分解。较高的硫化氢对禽类和人都有危害。因此对畜舍养殖环境进行硫化氢浓度的监测显得尤为必要。根据本方案的整体要求，本方案选择电化学气体传感器。要求具有良好的灵敏度、简单的驱动电路、长使用寿命、易于标定、安装和调试。六、氨气浓度监测氨气属于碱性物质，其溶解度很高。它常被吸附或溶解在畜禽的黏膜、潮湿的墙壁和地面上，对皮肤组织有强烈的刺激和腐蚀性，它会破坏细胞膜的结构。鸡在短期内吸入少量的氨气，可以被体液所吸收，最终变成尿素被排出体外，但在一定程度上会降低鸡的体质；鸡若生长在高浓度氨气环境中，身体组织会直接受到强烈的刺激，引起皮肤组织灼伤，
16、使组织溶解、坏死，还能引起中枢神经系统麻痹，中毒性肝病、心肌损伤等病症。由于本方案氨气传感器主要用于畜舍内部，环境湿度较大，又要考虑到成本问题，因此，将选用电化学式氨气传感器。要求驱动电路简单、良好的灵敏度和长使用寿命、数据易于传输读取，适合多数场合的安装和拆卸。七、粉尘控制禽舍内的粉尘来源于谷物，垫料，羽毛，排泄物和微生物等，是病毒、细菌、真菌孢子等有机物质的载体，同时可能携带有害气体和臭气。粉尘微粒过多会影响鸡的采食、增重和生产性能，使机体的免疫力降低，患上各种呼吸系统疾病，严重影响畜禽生产效益。粉尘危害工作人员的健康,研究表明，粉尘会引起呼吸困难、哮喘、粉尘中毒综合症和支气管炎，严重的情
17、况会导致肺功能衰竭。另外，粉尘通过气体交换传播到鸡舍外，会使周边环境在一定范围内受到污染。为此，采用畜禽舍电净化防疫系统这一综合性技术装备。该系统既可降低有害气体浓度又可除去粉尘。它可在禽舍内建立空间电场控制网络，而空间电场控制网络是由一定数量的绝缘子依据禽舍结构对空间电场强度影响规律而合理地悬置在棚梁上的，绝缘子之间由电极线连接在一起，该空间电极网络由主电源供电。空间电极与地面和建筑结构之间产生的强电场、高能带电粒子、微量臭氧能非常有效地除尘、除雾、除湿和杀灭空气中和物体表面的病原微生物。八、视频图像监控视频监控不仅可以监控进入养鸡场的人，包括外来人员和鸡场养殖工人，而且还可以对鸡场的环境和
18、鸡本身进行实时监控，例如监控死鸡病鸡等。监控摄像系统采用可变焦摄像头，根据需要可随时变焦，通过监控平台或手机等远程智能终端查看各养殖场的状况了解鸡的状态，有利于对鸡场进行更加及时、细致地管理。图3. 禽舍内视频图像监控通信组网设计将根据禽舍养殖场建设具体情况，采用无线传感网、有线通信、无线通信相融合的综合组网设计。在禽舍内部采用无线传感网；有线通信性能可靠，前提投入低；无线通讯覆盖范围大、后期维护方便。（1） 基于 ZigBee的无线传感网（2） 基于RS485或光纤的有线通信（3） 基于/ GPRS 的无线通信图4.禽类xx养殖通信组网禽类xx养殖应用系统由精细饲养子系统、能耗控制子系统、疾
19、病防检子系统和粪便处理子系统组成。一、精细饲养子系统包括两个主要模块：自动投喂模块，根据不同畜（禽）的生长模型，结合畜（禽）个体的体重和月龄等情况，计算该个体（或小群体）的天进食量，分时分量自动投喂；自动投喂设备，根据自动投喂模块的分析结果，完成自动投喂控制，当发生异常情况时自动报警。二、能耗控制子系统将普通的白炽灯换成led节能灯，LED照明系统光电转化效率高，是白炽灯的5倍左右；LED灯具寿命长、发热低，鸡场能耗可以大大降低；还可防止白炽灯破灭引起鸡的猝死；最主要的是，LED照明系统可以实现xx调控，可根据禽类生长的光需求特性来选择不同的光色、光强和光周期参数，定制禽类生长所需的最佳光源。
20、安装乳头饮水器。它是一种自动化的供水系统，可以很好的解决真空饮水器和普拉松饮水器易受到污染、不利于疫病的预防和控制、增加饲料消耗、不利于粪便处理等缺点。三、疾病防检子系统基于视频图像监控技术，将由可变焦摄像头构建的视频监控系统与xx摄像仪相结合，对鸡舍内的死鸡、病鸡进行实时监测。可采用基于红色区域提取及二值逻辑与运算和基于物体轮廓提取和支持向量机的死鸡探测算法对死鸡进行探测，还可使用xx摄像仪对整个禽舍温度进行监测，如图5所示。图5.禽类xx养殖通信组网四、粪便处理子系统人工清粪与粪便处理机相结合，建立沼气池对禽舍内的粪便统一管理。沼气池发酵后的沼渣、沼液，发酵充分是很好的有机食品的理想肥料，
21、同时沼渣又是一种很好的鱼料这样不仅实现环境的保护而且变废为宝实现资源的再利用。同时沼气可以用来发电，节省电力资源。2.14 禽类xx养殖信息管理平台养殖管理主要对种鸡苗的育雏期、育成期、产蛋期、孵化期等饲养情况进行管理,可记录、统计各期的用料、用药、防疫、体重、产蛋、孵化情况及各种实际指标,并与标准指标进行比较分析，做到科学养殖。本方案提出的禽类xx养殖信息管理平台由养殖ERP管理系统、数据库、养殖环境数据采集软件和数据查询软件构成。一、养殖ERP管理软件功能模块设计养殖ERP管理系统功能模块如下图所示：图6. 养殖ERP管理系统功能模块二、数据库数据库是系统的基础，数据库设计的好坏直接影响到
22、前期系统开发、系统部署和后期的系统扩展和维护，因此数据库设计尤为重要。在禽类xx养殖信息管理平台中的数据种类包括实时测量数据、历史数据、用户登录xx等，这些数据问有可能重复，为了把这些数据信息合理的保存在数据库中，更好的组织起来，必须以某种的特定形式将这些数据加以xx。在本系统数据中关系数据库设计如图7所示。图7. 养殖ERP管理软件功能模块本系统的数据库按不同的功能分为以下几个部分：（1） 区域表，本系统可以同时监控多个区域，区域表记录着区域名称、地址等信息，区域最大；（2） 养殖环境表，在一个养殖场中可能有多个养殖场，每个养殖场都有自己的环境监测设备，区域表定义相关的名称和地址等相关信息，
23、是整个数据库的中心表；（3） 用户表，是为远程查询系统设计的，只有登陆信息与数据库中的信息匹配上才能登陆到远程查询系统，增强系统的xx；（4） xx信息表，记录用户每次登陆的相关信息，例如登陆时间、操作记录等等。当系统出现安全问题的时候，能够溯源问题的源头，及时解决问题；（5） 最新数据表，记录最近一次采集回来数据的信息，包括温湿度、二氧化碳浓度、氨气浓度、硫化氢浓度、光照度和采集时间等等；（6） 历史数据表，存储所有采集回来的数据，方便用户统计信息；（7） 报警上下限表，存储相关环境信息报警的上下限值，当环境信息超过此值时会报警，提示用户采取相应措施；（8） 错误信息表，存储相关的错误信息，
24、例如采集器无法采集数据，或者网络通讯异常等错误信息，当系统出现异常情况后，方便查找问题来源，快速解决问题。三、养殖环境数据采集软件该软件基于C/S架构，主要负责禽舍养殖环境相关信息的录入、数据的采集、超限报警、数据存储和本地实时数据显示、查询、修改等工作，并判断环境参数是否处于合理范围内。四、数据查询软件该软件基于B/S架构，是对外数据发布的平台，查询相关的禽舍环境信息，并提供相关的历史数据和趋势图等。该软件利用WWW技术，在计算机服务器中安装Web服务软件，通过Web站点和动态网页，实现远程联网，进行Internet远程数据查询，监测禽舍养殖环境信息的状态，系统日志和操作记录等。图8. 登录
25、页面2.15 禽类xx养殖系统与全程溯源系统接口分为软件和硬件接口，其中软件接口由禽类xx养殖信息管理平台提供。硬件接口采用电子脚环作为覆盖禽类从生产、养殖、xx或生产加工、流通到消费各个环节的，统一且唯一的“电子身份”。选型决定因素包括：（1） 电子脚环必须应用直径不大于的小脚环l脚环需支持读写功能l脚环容量不小于256bit（2） 通道式读写器远距离读卡器有效识读距离达到根据鸡通过时的特点，远距离读卡器可以覆盖鸡的通过范围（3） 手持设备手持机具备读写脚环功能，读写距离不低于l手持机可通过串口或xx方式与PC进行通讯l手持机提供编程接口，可支持应用开发图9. 电子脚环2.2 全程溯源系统业
26、务系统概要流程图10. 全程溯源系统业务系统概要流程主要模块建设统一信息标准平台、统一身份认证系统、过程跟踪模块、数据中心、预警自动上报模块、数据信息管理模块、公共数据交换平台、网络安全体系是禽类产品全程溯源系统建设的重要内容。具体如下：（1） 统一的信息标准平台的建设：规范禽类养殖及食品溯源的管理标识规则，为确保数据的完整性、准确性与一致性提供依据；（2） 统一身份标签认证系统建设：建立统一的身份认证中心。集中进行禽类身份认证，保证禽类及其产品的电子身份的唯一性与真实性，提高整个产品链条系统的xx；（3） 过程跟踪模块建设：对某个检验活动从开始到结束完整的状态跟踪及反馈处理；（4） 数据中心
27、建设：建设一个为整个养殖、生产、加工和销售链条服务的数据中心，保证数据实时更新和高度一致；（5） 预警自动上报模块建设：根据数据中心获得的检测数据及时与信息标准平台的相关判定法则相比较，自动判断某过程是否出现异常情况并及时上报处理；（6） 数据信息管理模块建设：日常检测数据、监管数据（包括正常、异常数据）录入系统，供数据统计研究之用各类检测、监测数据的查询、统计功能某个独立过程的跟踪查询，确保各环节溯源的可行性和可靠性（7） 公共数据交换平台建设：建立一个跨网段、跨路由、突破地域限制和软硬件不兼容问题的溯源产品数据上传、交流和共享的平台， 将分散、异构的信息和数据资源进行聚合，通过统一的访问x
28、x，实现各环节溯源数据资源和互联网资源、各种应用系统跨数据库、跨系统平台的无缝接入和集成；（8） 网络安全体系建设：建立溯源产品全链条的网络安全和信息安全体系，保证溯源网络的安全，保证关键数据、关键应用模块的安全，实现溯源系统及其各子系统的安全高效运行。系统体系结构禽类信息化养殖及全程溯源系统的体系结构主要由三个层次、二级节点和一个数据中心与基础构架平台构成。三个层次：网络资源平台系统、公共服务平台系统和应用服务平台系统。二级节点：由食品供应链及安全生产监管中心和食品产业链中各关键检测节点组成。数据中心为海量的禽类食品追溯与安全监测数据提供充足的存储空间，保证信息共享的开放性、资源共享及xx，
29、实现食品追踪与安全监测管理功能。各关键监测节点包括养殖场节点、生产与加工线节点、仓库与配送节点、消费节点，实现各节点的数据采集和信息链的连接，并使各环节可视。一个数据中心与基础构架平台：一个中心为食品供应链及安全生产监管数据管理中心，本中心是构建于基础支撑平台RFID之上的管理平台。图10. 系统结构图系统设计本设计方案主要包括两个系统：溯源管理系统和电子标识系统。（1） 全程溯源管理系统：提供整个业务流程中的数据记录、查询功能，从而解决禽类溯源问题。（2） RFID电子标识系统：主要标识禽类及其产品的身份，以及与“溯源管理系统”中的数据对应；并检验在产地检验检疫工作和外地检验检疫工作中的检验
30、检疫对象是否统一，从而保证溯源的有效性。全程溯源管理系统功能全程溯源管理系统功能主要包括：中心数据库系统、养殖场饲养管理信息系统、安全生产与加工管理系统、食品供应链管理系统、消费终端查询系统、检验检疫与监控系统、食品安全公共信息服务平台系统等组成。（1） 中心数据库系统功能主要包括：中心数据库主要包括：食品分类xx样品库、食品相关监管与生产单位等基本数据、食品安全标准与安全指标、食品生产与管理信息、食品安全监测与检测数据、管理服务系统等。（2） 养殖场饲养管理信息系统功能主要包括：生产原料管理、生产过程管理、实验室管理、出场管理、脚环管理、综合查询、基础数据维护等。（3） 安全生产与加工管理系统功能主要是：为养殖场食品进行生产加工进行信息管理。在生产与加工环节中，将养殖环节中电子标签所标识的信息传递入生产加工环节信息链，按管理标准与规范采集生产加工不同节点上的信息，通过电子标签唯一标识，并将该信息传送到物流配送环节中。（4） 供应链管理系统：主要为仓储和物流配送进行信息管理，通过RFID技术在生产加工及商店供应链中建立追溯系统。（5） 消费终端查询系统：在食品进入终端销售时，消费者可以查询食品相关信息。（6） 6. 检疫监控系统：不仅在养殖、生产加工过程进行检验检疫，基于RFID技术的检疫监控还可以在道口使用，并将监控链延伸到超市。RFID电子标识系统P149 图 6-18.
