江苏探感：无源超高频RFID"猪牛羊"安全追溯管理系统

　　一、概述：

　　项目背景

　　某种畜改良中心，为了实现下辖所有养殖场的统一管理。通过采用RFID射频识别技术对每个养殖场内所有猪牛羊进行电子耳标标识，为每个物理猪牛羊建立“电子身份”，以实现所有养殖猪牛羊从饲料、养殖、防疫、出厂屠宰等关键环节的所有信息自动采集，并通过计算机网络技术汇总到管理中心软件，形成所有养殖猪牛羊的电子档案信息。

　　项目概要

　　猪牛羊安全追溯管理系统主要是利于物联网RFID技术，以RFID电子猪牛羊耳标为信息载体，并依托网络通讯、系统集成及数据库应用等技术，实现对养殖猪牛羊从饲料、养殖、防疫、出厂屠宰每一个环节的跟踪记录和及时追溯管理，确保猪牛羊产品质量的安全可靠，让消费者真正吃上放心、安全的猪牛羊食品。该技术方案中以“羊”为例，进行了猪牛羊安全追溯管理系统的方案描述。

　　项目建设意义

　　1、猪牛羊安全追溯管理系统的建立将提高畜改良中心生产现代化水平，促进猪牛羊养殖健康可持续发展，增强企业核心竞争力

　　2、推动畜改良中心下辖养殖场信息化进程，提高养殖的效率，降低养殖的成本

　　3、信息透明，降低公众的质疑，减少因意外市场给企业带来的损失

　　4、猪牛羊信息的全程可追溯为猪牛羊的市场开拓和品牌建立提供强大的支撑

　　5、猪牛羊安全追溯系统让消费者来监督企业的行为，促使养殖企业提高肉类产品的质量

　　6、让消费者吃上放心的、真正优质、美味、健康的猪牛羊肉

　　二、系统建设内容

　　养殖环节

　　生羊养殖分为配种、怀孕、仔羊、成品羊等不同阶段

　　一是，公羊和母羊通过佩戴RFID电子耳标，可对其进行动态管理，包括配种信息，怀孕、生仔羊情况等信息

　　二是，仔羊出生30天时，将接受第一次疫苗、保健，同时佩戴有颜色的区分公母的RFID电子耳标，并通过该电子耳标关联小羊的母羊及其父辈信息，在养殖过程中饲养员通过信息平台或PDA统一将仔羊及成品羊的饲料喂养信息、防疫信息、用药信息、环境信息等写入猪牛羊耳朵的RFID电子耳标，并通过网络将数据上传到企业云平台数据中心，且在数据中心建立完整的羊只个体养殖档案

　　三是，仔羊出生50天时，从母羊栏出来，被选为种羊的仔羊进行永久性饲养(自行留种培育)，其他成批转移到育成舍继续喂养成成品肉羊

　　出厂环节

　　成品肉羊装车出厂时，通过安装在养殖厂门口上方的超高频读写器，自动读取、统计出厂的成品肉羊RFID电子耳标信息，并自动记录其出厂时间等信息。(及出厂流向信息在装车时PDA输入或后台录入，非法或不达出厂条件的羊经过大门口时自动报警提示)并通过网络将数据上传到企业云平台数据中心，系统自动将出厂信息保存在对应的成品羊档案数据库里以备后续溯源及为种畜改良中心财务账务提供最初依据。

　　移动手持终端PDA办公

　　在移动手持终端PDA上开发配种、喂养、防疫、检疫、数据查询应用办公模块;饲料员或检疫人员每天进行生羊饲养或者进行防疫、检疫时可直接使用手持终端进行操作，同时数据可通过无线网络连接自动同步导入到安全追溯数据库中心。

　　三、项目建设方案

　　设计原则

　　为保证方案的可行性和稳定性，并能适应应用的不断发展，在系统方案设计中，应遵循以下几点原则：

　　(1)实用性：系统规划要为实施工作提供指导，为进一步实施提供依据;整个系统的功能应完全立足于客户的运营和管理需要;方案选择应追求实用性，必须符合种畜改良中心管理的实际需求，技术上要有一定高度，手段强调实用;

　　(2)先进性：系统设计应采用先进的概念、技术、方法、设备，即可靠成熟，又能反映当今世界的先进水平，并具有发展潜力;

　　(3)开放性：整个系统应遵循总体的开发规范和接口标准，同时要考虑和现有部分应用系统的接口，以保证系统结构的完整性和信息的一致性。应能支持异构系统和不同的网络协议的互联，提供开放的网络接口和数据接口，不同的系统能够协同运行，进行数据交换、信息共享;

　　(4)经济性和冗余性：系统力求设计紧贴用户需求，同时要为可能的增值服务留有空间，总体上具有良好的性价比;

　　(5)扩展性：系统要有良好的兼容性、可移植性和升级前景。在系统容量、通信能力、处理能力等方面具有扩充性、业务重组能力。在设计中，要保证系统结构模块化，功能模块可以平滑扩充;

　　(6)易用性：必须提供友好的用户截面，采用规范的行业用语。友好、清晰、操作简单、方便，容错性强;

　　(7)可维护性：对于应用系统，可维护性体现在易分析性、易更改性、易测试性、稳定性业务流程可重组。使用模块化的结构;对于网络系统，体现在能够提供有效的网络管理的系统监控、测试、诊断工具，保证系统维护管理简明、方便、有效;

　　(8)可靠性：应在系统结构、设计方案、设备选择、技术服务等方面综合考虑，保证系统能够持续(7X24小时)无故障运行。同时系统应具备出错处理、容错能力、冗余备份能力;

　　(9)安全性：系统应具有高度的安全性和保密性，通过对系统分级保护、数据存储权限的控制，以及内外网设置防火墙，虚拟路由隔离等手段，来防止各种形式的对系统的非法侵入;

　　基于RFID进行数据采集

　　RFID射频技术是一种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。与条形码技术相比，RFID可以节省更多的时间和人力、物力，降低生产成本，提高工作效率。其优点是不局限于视线，识别距离比光学系统远，射频识别卡具有读写能力，可存储大量数据，并具有一定的智能，难以伪造。

　　本系统通过使用含有RFID芯片的超高频猪牛羊耳标对猪牛羊的出生，养殖，出厂进行全程管理，每个过程通过耳标记录羊的各种信息，通过使用手持机或者非移动读卡器采集数据，最终实现猪牛羊的信息追溯。

　　总体架构

　　系统建设框架

图一 系统建设框架

　　如图1所示，系统采用多层结构，共分为接入层、展现层、业务层和基础设施层四层。

　　(1)接入层

　　用户使用PC、手持移动终端通过不同接入方式(Internet、VPN、GPRS、WIFI)接入到猪牛羊安全追溯管理系统。

　　(2)展现层

　　提供一个内部信息交互及所有业务系统的统一表示和展现入口。实现应用展现、认证授权、系统管理三大类服务。展现层将实现PC端浏览器展现方式及手持设备客户端展现方式。

　　(3)业务层

　　作为猪牛羊安全追溯管理系统的具体应用实现，包括对养殖环节整个流程的业务实现，出厂环节的业务实现，猪牛羊耳标授权业务实现，以及相关业务的综合管理。

　　(4)基础设施

　　包括基础网络及硬件设施等，保证系统的正常运行、访问。

　　此外，系统还包括贯穿各个层次的系统及安全管理和接口管理。

　　系统技术框架

　　“猪牛羊”安全追溯管理系统的开发将做到构件化、模块化和平台化，以保证各系统及子系统的各项功能，满足可持续性开发需求，每一个应用程序都做到高度模块化，以便支持跨平台的移植能力，同时具备可扩展的技术框架和标准的对外接口，为与系统外的应用系统和二次开发预留接口。

　　以“猪牛羊”安全追溯管理系统为例，技术框架图如下图所示：

图二 系统技术框架

　　系统组成

　　本系统同硬件和软件两部分组成。

　　硬件包括软件部署的中心WEB服务器，提供数据服务的云平台数据中心服务器，手持超高频读写器，固定超高频读写器，高清摄像头，超高频RFID耳标及网络设备等。

　　软件部分包括部署在中心WEB服务器上的“猪牛羊”安全追溯管理系统，部署在手持超高频上的“猪牛羊”安全追溯管理系统手持客户端。

　　运行环境要求

　　为了确保令人满意的性能，猪牛羊安全追溯管理系统具有下列最低和推荐的客户端和服务器应用程序系统要求。

　　下列平台支持安装和运行系统。

　　猪牛羊安全追溯管理系统是基于J2EE技术构建的数据库应用软件系统，若要使系统能够正确运行，还需要下列附加组件(注：这些附加组件已集成在Windows XP、Windows Server 2003及更高版本上)。

　　注：为使系统显示信息完整美观，建议使用显示器分辨率支持1024*768 或以上。

　　系统功能设计方案

　　系统功能框架

　　根据猪牛羊的业务需求，我们设计的软件系统将包含以下功能模块，见下图所示：

图四 PC端系统功能模块图

图五 移动手持PDA客户端系统

　　基础数据管理

　　基础数据管理是指对业务管理过程当中用到的一些基础数据的初始化工作。这些数据贯穿整个业务流程，初始化好以后在业务模块中需要用到这些数据直接选择即可。基础数据管理包括羊舍管理、员工管理、耳标管理、摄像头管理、饲料信息管理、药品信息管理等。

　　羊舍管理

　　羊舍管理是用来管理种畜改良中心下辖所有养殖场的羊舍信息，羊舍的父级是栋号，种畜改良中心需要对所有的养羊棚编制栋号，以及对每个羊楼里面的羊舍栏都编制栏舍号，编好后在每个羊舍的墙上写上号码，然后在系统的这个模块中把这些信息录入进来，管理员可以对这些数据的信息进行新增，修改，删除等操作。栋号的牌为印刷种畜改良中心LOGO信息的超高频硬质卡，卡中存储本栋羊舍中栏舍及羊的养殖相关信息，还可用来管理养殖人员对整栋羊的饲养、打疫苗等工作，亦方便种畜改良中心领导不定期带手持设备检查工作用。

　　员工管理

　　员工管理用来管理种畜改良中心的所有员工的信息，系统管理员可以对会员信息进行新增，修改，删除等操作。

　　耳标管理

　　耳标管理用来管理种畜改良中心采购的所有耳标的信息。耳标采购过来的时候，上面都标有编号，系统操作员需要手动通过此模块把这些编号录入到系统中，当然录入耳标的过程可以和使用耳标的过程同时进行，也就是说当需要使用一部分耳标的时候，只录入要使用的这些耳标，同时通过标签读写器将数据写入到耳标中。耳标一旦使用，则和具体某头羊绑定到了一起，只要通过耳标上的编号(当然耳标中RFID芯片中同时存了这个编号)就可以查询到和这头羊相关的所有信息。

　　饲料信息管理

　　把喂养的各种饲料的信息录入到系统中管理起来，在喂食管理中直接选择喂用的饮料类型即可。系统操作员可以对会员信息进行新增，修改，删除等操作。

　　药品信息管理

　　把黑羊生长过程中可能使用到的各种药物的信息录入到系统中管理起来，在防疫管理中直接选择使用的药物类型即可。系统操作员可以对会员信息进行新增，修改，删除等操作。

　　养殖管理

　　养殖管理是系统中最为重要的一个功能模块，此模块将管理羊在整个养殖过程中的一切事务。

　　母羊管理

　　母羊管理是管理那些用来怀孕生小羊的母羊，系统中需要记录这些羊对应的耳标编号，居住的羊舍号，饲养过程当中喂用的食物信息，用药信息，等等。系统操作员可以对这些信息进行新增，修改，删除等操作。

　　种羊(公羊)管理

　　种羊管理是管理那些用来配种的优质公羊，像母羊管理一样，系统中需要记录这些羊对应的耳标编号，居住的羊舍号，饲养过程当中喂用的食物信息，用药信息等。

　　配种管理

　　配种管理包括配种计划管理，配种管理两部分。

　　配种计划管理是实验室通过科学计算后得出的哪个公羊和哪个母羊交配最好得出的计划，这些计划信息录入到系统中，待配种的时候工作人员根据计划实施。

　　配种管理是管理实际的配种情况，信息包括公羊编号，母羊编号，配种日期等。实际操作是工作人员在羊配种的时候通过手持机读取公羊及母羊的耳标号后通过手持机的客户端软件界面进行确认，确认后数据会通过无线发送到服务器中，管理人员可通过访问web端查询这些信息。

　　仔羊管理

　　仔羊管理是指刚生下来没多久的还没有分配羊舍的小羊，这些羊还在妈妈的羊舍里。这些信息的来源是羊妈妈一生下一窝小羊工作人员会在这里记录，通过录入母羊的编号以及生下的羊的总个数，系统会给每个小羊默认生成一串新的编号。等30天以后要给小羊做第一次防疫处理，并开始给羊打耳标，分性别等，这个时候需要对这些小仔羊的信息进行更新，比如羊的性别，耳标编号，防疫信息等。

　　育成羊管理

　　育成羊管理是用来管理已经分配了羊舍的羊，在这个模块里可以查询到羊的所有信息，包括父母的编号、所在羊舍的编号、出生日期、断奶日期、喂食情况，防疫情况等等。可以根据母亲的ID编号，羊舍编号，耳标编号等进行搜索。

　　喂食管理

　　每一次给羊喂食后记录喂食情况，记录这些信息的时候可以根据楼编号批量操作，操作即可以通过电脑端操作也可以通过手持机客户端进行操作。

　　防疫管理

　　每一次给羊防疫后记录防疫情况，记录这些信息的时候可以根据楼编号批量操作，操作即可以通过电脑端操作也可以通过手持机客户端进行操作。如果一栋羊舍的羊并不是一次性做完防疫的，那么操作的时候就先选择楼编号再勾选此楼下的已经做过防疫的所有羊舍即可。

　　系统管理

　　系统管理所含的是对系统进行维护的功能模块，主要的功能是完成系统底层维护的任务。包括的功能有：用户管理，权限管理，数据管理、系统日志、角色管理、数据字典项。

　　系统管理在软件开发中有着非常重要的的作用。软件是否能够正常运行在这里决定，这一部分没做好软件将无法正常运行;同时这里也是软件安全性的第一道关口，没有了这一部分软件也就没有什么安全可以讲了。由于地位的重要性，这一部分历来是软件开发的重点，同时也是软件开发中最稳定和成熟的部分，之所以这样说是因为从软件开发一开始每一套软件里都有这一部分，同时这一部分的功能也是基本一样的并且成熟度基本相同。

　　用户管理

　　任何一个软件的最终目的都是提供给人来使用，所以人员机构是任何软件的基础。我们在这里将人员和机构单独提炼出来作为一个体系来维护。在这个模块里涉及到了多种人员，每个人员都分属于不同的体系。作为系统的数据是对外开放的浏览权不开放维护权的，所以需要一定的权限和终端才可以对数据进行维护。在本方案中种畜改良中心对采集的数据信息有修改权限，下辖所有养殖场无更改权限，只有查询和浏览权限，以保证数据的完整性和准确性。

　　角色管理

　　基于RABC的三级权限管理，最重要的一个环节就是角色管理，建立不同的角色，并基于角色分配权限，很大的提高了权限分配的灵活性和工作强度，也满足本系统的三级权限管理。

　　权限管理

　　资源管理负责维护本系统的各种需要进行权限处理的各种资源，包括，各种添加，修改，删除，查看等各种操作以及基于行级别的数据过滤功能，基于页面组件的数据过滤功能。

　　模块管理

　　系统中所有模块的动态管理。

　　数据字典

　　系统中使用的一些常量数据的设置

　　操作日志

　　查看系统中的操作日志，系统会将每个用户登录系统后的所有操作日志记录下来，以便追踪查询，对系统数据的操作安全提供保障。

　　数据备份

　　数据备份是为了保证数据的安全性采取的一种保护方法，就是将数据以某种方式加以保留，以便在系统遭受破坏或其他特定情况下，重新加以利用的一个过程。

　　数据备份作为存储领域的一个重要组成部分，其在存储系统中的地位和作用都是不容忽视的。对一个完整的 IT 系统而言，备份工作是其中必不可少的组成部分。其意义不仅在于防范意外事件的破坏，而且还是历史数据保存归档的最佳方式。换言之，即便系统正常工作，没有任何数据丢失或破坏发生，备份工作仍然具有非常大的意义 —— 为我们进行历史数据查询、统计和分析，以及重要信息归档保存提供了可能。

　　移动手持PDA客户端系统

　　配种模块

　　工作人员在作配种工作的时候，使用手持PDA对公羊和母羊的耳标进行扫描，客户端系统中弹出配种确认信息，工作人员点击确认后配种的信息即上传到数据中心。

　　喂养模块

　　工作人员在每次喂养完一个羊舍以后，通过手持PDA扫描羊舍门口的楼标签，或者直接手工在界面上选择羊舍的编号操作，选择喂养的食物信息后点确认即可。

　　防疫模块

　　工作人员在每次对一个羊舍的羊做完防疫以后，通过手持PDA扫描羊舍门口的楼标签，或者直接手工在界面上选择羊舍的编号操作，选择防疫时使用的药物信息后点确认即可。如果一次防疫没有做完整个羊舍，那么系统界面中用户可以勾选这个楼下的已经做过防疫的羊栏号。

　　检疫模块

　　猪牛羊在加工前需要先检疫合格，检疫人员通过手持机扫描后点确认按钮即完成检疫过程。

　　数据查询模块

　　此模块用来查询各种信息，通过扫描耳标或者手动输入编号查询羊相关的各种信息，比如配种信息，喂养信息，防疫信息等等。

　　四、主要RFID设备清单

　　一、产品名称:

　　902~928MHz超高频RFID猪、牛、羊耳标

　　二、产品型号:

　　ETAG-T45

　　三、产品特性：

　　1、最远读距可达5m

　　2、防水，防晒，防浸泡，符合IP67标准

　　四、技术指标

　　一、产品名称:

　　902~928MHz超高频坚固型手持式RFID读写器

　　二、产品型号:

　　ETAG-R47

　　三、产品特性：

　　1、支持一维、二维条码、摄像头、蓝牙、WIFI、GPS等

　　2、支持USB、RS232多种数据接口

　　3、提供动态连接库(DLL)及演示软件源代码，支持二次开发

　　四、技术指标

　　一、产品名称:

　　902~928MHz超高频分体式RFID读写器

　　二、产品型号:

　　ETAG-R43

　　三、产品特性：

　　1、以广谱跳频(FHSS)或定频发射方式工作

　　2、支持主动、应答、触发等多种工作模式

　　3、提供动态连接库(DLL)及演示软件源代码，支持二次开发

　　四、技术指标

　　一、产品名称:

　　902~928MHz超高频8dbi圆极化RFID天线

　　二、产品型号:

　　ETAG-A02

　　三、 产品特性：

　　1、极化方式：圆极化

　　2、8dBi高增益设计

　　四、技术指标

　　一、产品名称:

　　902~928MHz超高频USB接口RFID读写器

　　二、产品型号:

　　ETAG-R45

　　三、产品特性：

　　1、以广谱跳频(FHSS)或定频发射方式工作

　　2、输出功率: 最大10dBm(可调)

　　3、USB1.1接口取电，无需外接电源

　　4、提供动态连接库(DLL)及演示软件源代码，支持二次开发

　　四、技术指标