畜牧專刊電子書
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學術園地

用無線射頻辨識(RFID)技術e化管理乳牛群

新竹分所 王思涵、張菊犁、李國華

一、引言

  無線射頻辨識(Radio Frequency Identification, RFID)技術是最近越來越熱門的 IT議題,但它卻是ㄧ項至少有 50年以上歷史的技術,在二次大戰期間,英國應用此項技術於敵我戰機的辨識,1970年代美國政府將RFID技術轉移到民間。1980年代中期,民間開始量產低頻的 RFID標籤(Tag);1999年發展高頻的技術與標準。目前己被認定為21世紀10大重要技術之ㄧ,可將人類的日常生活從e化帶到M化進而U化,所謂的U化即Ubiquitous無所不在的意思,意即能由多方供給資訊,提供網狀資訊交流,以達到資訊無所不在的境界。台灣於 2004年開始推動「U台灣計畫」,此計畫運用RFID技術、無線網路與寬頻技術、網際網路、無線傳輸及設備以發揮無線通訊科技無所不在的功能,期再創另一次的科技與經濟發展奇蹟。由經濟部發起統籌與輔導國內業者成立「RFID 研發及產業應用聯盟」,於交通、經濟、農業、教育、衛生、文化、國防等部門規劃進行RFID技術與各種科技的整合運用,以發展新的商機同時帶來生活上的便利。大家所熟知的捷運悠遊卡即是RFID技術的應用。農委會推動 RFID的策略於農業領域大致分為生產管理、運銷管理與安全管理等三大面向,主要將發展焦點集中在物流與生產履歷上。

  乳牛是一種高經濟動物,既是種畜也是生產畜,其性能好壞直接影響酪農收益。更因乳牛生命週期比一般家畜長久,每一頭乳牛使用年限約7年以上,而個別牛隻性能差異很大,個別牛隻本身的各種性能紀錄(Performance records)包括生長發育、繁殖配種、各胎次泌乳量及品質、體型、疾病淘汰等,每項性能紀錄又由五至十幾項的資料(Data)組成。因此個別乳牛身分識別尤其重要。國內乳牛身份識別有釘掛制式耳標與冷烙編號,制式耳標由中華民國乳業協會統一採購再分發酪農使用,牛隻出生後一個月,即在其左耳釘上統一編號耳標,該耳標編號並作為日後牛隻長大至12月齡時冷烙編號則由各縣市防疫負責,據先前釘掛之耳標統一編號,於乳牛左側體表被毛黑色部份,以液態氮烙印,俟其長出白毛後即成為該個別乳牛之永久辨識號碼,因烙印處與底色不同,該號碼在距離5公尺外還很容易辨識,並沿用終身至淘汰止,除供飼養管理、DHI育種系統之用,尚可作為管制牛隻異動。

  1985年 4月英國肯特郡發現第一頭有狂牛症的瘋牛後,1990年英國政府成立「狂牛病研究調查專門委員會」,追蹤調查引發牛病之病源物質,於是發展出最早的「產銷履歷」。歐盟(European Union, EU)及加拿大等國隨即開始積極投入飼養牛隻的登錄與追蹤系統之研究發展,應用的技術就是RFID。乳、肉牛先進國家均應用RFID電子耳標,作為個別牛隻辨識系統,並建立「乳牛異動追溯系統」,作為動物疾病追溯、管制之措施,並限制未裝有電子耳標之牛隻移動。如美國的USAIP(United State Animal Identification Plan)計畫、加拿大的NLID (National Livestock Identification ) 計畫、澳洲的NLIS (National Livestock Identification Scheme)計畫及歐盟之IDEA計畫…等。美國某些州之傳染病撲滅計畫也強制牛隻畜主使用RFID電子耳標來做牛隻辨識,以收集及處理牛隻健康與檢驗結果資料,如密西根州之結核病撲滅計畫(Michigan Bovine Tuberculosis (TB) Eradication Program)等。有些國家甚至強制規定每頭牛隻必須使用RFID電子耳標,作為牛隻身份識別系統。而美國DHIA中心亦配合FAIR (National Farm Animal Identification and Records)計畫,利用RFID、讀取器及PDA上簡易程式將牛隻性能紀錄自動收集,在牧場、DHI資料處理中心間迅速地整理紀錄、回傳資訊,以即時、方便、精準且無需紙張列印資訊報表來管理牛群,充份改善DHI作業模式,有效地提升牛隻性能表現,掌握牛隻健康狀況,選留淘汰牛隻及改善經營效率。本文旨在收集無線射頻辨識技術RFID資料,簡介無線射頻辨識技術及本計畫目前RFID的規劃應用。

二、無線射頻辨識(RFID)技術簡介:

圖1. RFID標籤內部結構圖

 

1、RFID技術組成:

(1)

RFID的標籤由一塊微小的晶片和天線組成,並加上一個簡單的基板,圖1左是UHF Tag的,天線多屬長形,圖1是LF與HF Tag的形式,天線是用線圈層層圍繞所組成,後面白色的塑膠貼紙就是基板。不同頻段的標籤界定了可被讀取器存取的範圍,頻率越高,讀取距離越遠,UHF標籤的存取範圍可達1~3米,但對於液態及金屬物質會出現一定程度的干擾;相反的在LF與HF所受的干擾較少,但存取的範圍卻只在數十厘米內。晶片內具有一組辨識碼(ID),可以使用讀取器經由無線通訊方式讀取標籤內的ID或是資料,而這些動作則需由資訊系統透過中介軟體負責驅動與管理。

(2)

.RFID之無線電波頻段分成a.低頻(Low Frequency, LF);b.高頻(High Frequency, HF);c.超高頻(Ultra High Frequency, UHF)與d.微波(Microwave)等四種,表1為我國各頻段RFID頻率與使用狀況。低頻主要指的是頻率在125KHz或是134KHz左右。高頻的主流則是在13.56MHz,而超高頻則因地區與國家所開放的頻段不同而不同,表2為各國RFID UHF開放頻段。微波則是落在2.45 GHz或是5.4 GHz的頻段,其中2.45 GHz是屬於全球通用的ISM(Industrial Scientific Medical)公用頻段。

2、根據RFID標籤之電源有無可區分為主動式(Active)及被動式(Passive)。前者是指標籤內具備有電源,可以自行發送通訊電波,讀

      取距離長,後者則是完全要靠讀取器的電波能量來驅動標籤工作,目前市場聚焦在被動式。

3讀取器則有兩種分類方式,第ㄧ種是根據Tag頻段不同,分成LF、HF與UHF的讀取器,另ㄧ種則是依照與資訊系統通訊介面的

      不同,可以分成RS232、USB、PCMCIA、CF、SD、Ethernet與Wiegand等七種介面。

表 1、我國各頻段RFID頻率與使用狀況

頻 段

頻 率

感應距離

我國使用現況

 低 頻 LF

 125 KHz
 135 KHz

< 1.5 m

 117.6~126 KHz 129~160 KHz已指定業務分配

 高 頻 HF

 6.78 MHz
 13.56 MHz

< 1.5 m

 134.1~157 MHz已指定業務分配
 13.56 ± 0.007 MHz供工業,科學,醫療設備使用

 超高頻 UHF

 860-950 MHz

> 1.5m

 864.1~868.1 MHz:Low-Tier
 870~890 MHz:3G
 895~915, 940~960 MHz:GSM

 微 波

 2.45 GHz

> 1.5m

 2.45 ± 0.05 GHz:供工業,科學,醫療設備使用

表 2、世界各國RFID UHF開放頻段

 國 別

 頻段範圍(MHz)

 國 別

 頻段範圍(MHz)

 歐 盟

 869.4~869.65 865.6~867.6

 紐西蘭

 864~868

 南 非

 869.4~869.65

 915.2~915.4

 日 本

 905~956

 美 加

 902~928

 韓 國

 910~914

 澳 洲

 918~926

 台 灣

 922~928

 

4

根據RFID標籤內之資料寫讀可分Class 0至Class 4等五類。A).Class 0標籤是只供讀取(Read Only),此為最基本的標籤,製造商於生產時,已將ID碼植入標籤晶片內,植入後號碼不能變更。B).Class 1標籤是只可寫一次及多次讀取(Write Once Read Many Times),此類標籤在生產時不會植入任何ID資料,使用者可在購買後透過讀取器植入資料一次,以供日後多次讀取。C). Class 2則為可供重覆讀寫,可儲存更多的資料,如有效日期、產地及其他參考編號等,由於所寫入的數據較多,標籤記憶體容量亦較高。D). Class 3標籤擁有Class 2的讀寫效能,更包含額外的感應器,能偵察溫度、氣壓、動向等環境數據。由於標籤本身要具偵測感應效能,一般設計成半主動或主動式。E). Class 4標籤本身就如一個天線,能發出訊息與其他標籤進行溝通,不必再經過其他讀取器,標籤本身亦帶有電池。

5、

動物用RFID識別標籤種類大致分為皮下植入式晶片、灌吞置於廇胃晶片與耳標式晶片(電子耳標) 等3種,植入式晶片常用於寵物追蹤,體積小,植入個體皮下,灌吞置於廇胃晶片用於牛羊等反芻動物,兩者均會出現移動與迷失等缺點。耳標式晶片(電子耳標)亦常用於大動物配釘於內耳,並有外印號碼供肉眼觀查識別。

三、建置適合乳牛場牛群管理之RFID系統

1

RFID電子耳標:為便於識別牛隻及乳牛群管理,所選用RFID標籤為被動式(Passive)亦即是完全要靠讀取器的電波能量來驅動標籤工作。而其型式為Class 1 Gen2,即標籤是只可寫一次及多次讀取(Write Once Read Many Times),此類標籤在生產時不會植入任何ID資料,使用者可在購買後透過讀取器植入資料多次讀取。標籤晶片UCODE分為三個區塊,其一為TID碼,為原廠製造標籤時,植入標籤晶片內之64 bit生產號碼(可輸入16數字編碼),屬於不能變更且為唯一生產號碼。其二為EPC及USER MEMORY等兩區塊,該兩區塊記憶體容量亦較高, EPC可區塊可植入96 bit(可輸入24數字編碼)而USER MEMORY區塊可植入224 bit(可輸入56數字編碼),規劃植入電子耳標資料及規格如表3所示。乳牛統一編號編碼是由7碼組成如97Q1234,前兩碼為年度,第3碼為地區碼,第4碼起之四個碼為連續編號。

表 3、乳牛 RFID電子耳標晶片編碼原則

晶片編碼區塊

 

欄位大小

欄位起始

備   

EPC編碼

國別碼

3

1~3

471代表台灣

縣  市

2

4~5

縣市別: A01;F06代替

場所代號

5

6~10

DHI酪農代號

統一編號

8

11~18

97060009代表 97F0009

性  別

1

19

1代表母; 2代表公

USER
MEMORY
編碼

統一編號

8

1~8

97060009代表 97F0009

場內編號

4

9~12

畜主自編牛隻耳牌號碼

出生日期

6

13~18

日期欄位
0970802 9782
020704代表10274

父親牛編號

8

19~26

10017828代表100HO7828

母親牛編號

8

27~34

97060009代表 97F0009

第一胎

1

35

胎次別

第一胎分娩日期

6

36~41

日期欄位

第二胎

1

42

胎次別

第二胎分娩日期

6

43~48

日期欄位

第三胎

1

49

胎次別

第三胎分娩日期

6

50~55

日期欄位

 

2

手持式RFID讀取器:考量使用者使用方便性,選用RFID讀取器與PDA兩者結合為一體成型之器具。該器具讀取器讀牛隻耳標之距離在80公分以上。讀取時有嗶聲告知管理人讀到。讀到之電子耳標編號及收集的資料可以透過無線傳輸將牛號傳入電腦。讀取器需符合國家通訊傳播委員會(NCC)低功率射頻電機技術規範。其LCD螢幕為240×320觸控式256彩色TFT,鍵盤具36數字與功能鍵,充電式鋰?池,防水防塵及耐摔設計。圖1.為採用RFID電子耳標及具PDA功能之手持讀取器。

3、

固定式天線讀取器(Fixed Reader with Antenna):固定式讀取器一組安裝於擠乳間,其四組天線分別以不同角度於安裝於擠乳間左右兩側走道入口處以讀取通過走道的個別牛隻電子耳標辨識RFID資料。該等固定式讀取器天線讀取器頻率及功率應符合國家通訊標準,即RFID 讀取器符合國家通訊傳播委員會(NCC)之低功率射頻電機技術規範,並提供RS232及Ethernet通訊介面。擠乳室架設一組無線伺服器,提供擠乳室無線傳輸環境。該伺服器與固定式讀取器共同放置於防水防潮箱內。擠乳室亦架設整合型觸控式面板工業電腦。觸控面板尺寸為26吋,觸控面板需為表面聲波感應式的防刮式玻璃。供擠乳人員在擠乳室線上查詢及輸入資料。圖2為擠乳間之固定讀取器天線及觸控面板。

 

2.採用之RFID電子耳標、釘配用之耳鉗以及具PDA功能之手持讀取器及其讀取

圖 3. 擠乳間之固定讀取器、天線及觸控面板

圖 4. 牛舍現場以具PDA功能之讀取器掃瞄RFID耳標內之牛隻編號 並查詢或輸入牛隻資料

肆、RFID技術應用乳牛場e化管理牛群及資料傳輸

1

釘配牛隻的RFID電子耳標,無論在任何地點均可以UHF手持式讀取器讀取牛隻之RFID電子耳標統一編號及表1所述各資料於讀取器螢幕上呈現,適用於異動之牛隻即時掌握該牛來源及追蹤回溯。

2、

牛群管理者於牛舍現場飼養管理牛隻時,應用手持式讀取器之「乳牛群PDA管理系統」,先以手持式讀取器讀取牛隻之RFID電子耳標統一編號並於手持式讀取器螢幕上呈現以及作業代碼包括如(1)牛隻配種 (2)乾乳 (3)分娩 (4)疾病治療 (5)個別牛隻生乳品質等。即於現場可查詢個別牛隻資訊紀錄而無需攜帶報表紙張至現場翻閱報表查詢資訊,若要更新資料可直接輸入相關紀錄。亦可將批次作業的資料先讀取牛隻RFID電子耳標再按批次作業代號如疾病治療、施打疫苗、體型評鑑、體重、體溫、分群…等,所收集的資料即可存檔,於回到牧場辦公室時即可將讀取器於牛舍現場收集之相關紀錄自動傳輸至牧場電腦之「牧場牛群管理系統」。

3、

應用「擠乳室牛隻乳量收集系統」,泌乳牛群擠乳時,牛隻分批進入擠乳間,每批次進入擠乳間之牛隻於入口處分別由固定式天線讀取器讀取牛隻RFID電子耳標編號,讀到時有嗶聲告知管理人並依序呈現於擠乳間之觸控式電腦螢幕上,並隨顯示該牛隻上次擠乳之乳量及乳質,並以不同顏色提醒須特別預警的牛隻而工作人員於擠乳時即可做好應作之改善措施。待個別牛隻擠乳完畢,管理者即於觸控式電腦螢幕用手直接輸入個別牛隻乳量,該批次牛隻擠乳量即存檔於電腦中,待整群牛隻擠乳工作完成後,個別牛隻擠乳量紀錄即自動存檔。而擠乳時有多頭牛隻於擠乳間走道入口處集聚準備擠乳,有的昂頭、亦有平伸或低頭者,導致固定讀取器天線讀取率無法100%。因此走道入口處須改裝使其不呈現喇叭口狀,固定讀取器天線讀取率可達98%。

4、

牧場電腦之「牛群管理系統」將定時DHI所需之牛群紀錄傳輸至DHI資料處理中心作資料處理,而後牧場電腦又從至DHI資料處理中心下載處理後之個別牛隻DHI資訊至牧場電腦之「牛群管理系統」及手持讀取器PDA,牛群管理者即應用資訊來管理牛群作業。

伍、結 語

  無線辨識系統技術在乳業國家的應用已在食品安全、動物防疫、遺傳育種及國際貿易等方面造成極大的貢獻。國內推動RFID於應用乳業,目前在強調乳牛群生管理效率提昇、節省人力資源以有效率地收集性能資料,建立完整、精準的個體資料庫。然而RFID於乳業上未來應用仍有待努力解決的瓶頸方可使得RFID的技術被廣泛應用,如成本仍屬鉅額投資;電子耳標須100%被讀取與辨識等。然國內目前年輕酪農多具有良好的資訊網路使用背景,將會致力應用RFID技術於乳牛場之生產系統提升經營效率。繼而應用RFID技術建置「乳牛異動追溯系統」,牛隻無論何種原因離場,其異動時所停留之場所及運輸車輛等均以其RFID電子耳標留下紀錄可作為追蹤回溯管制系統之參考,除可健全國內乳業環境外,亦可藉此與國際同步,不致被排除於國際防疫體系之外。

參考文獻

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Clay, J. S., P. A. Dukas, I. L. Mylin, J. A. High, P. E. Knepley, and R. Miller. The effectiveness of collecting and delivering RFID data to meet requirement of NAIS. J. Anim. Sci. 2005.Vol.83, Suppl. I/ J. Dairy Sci. Vol.88. Suppl: 320.

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