應(yīng)用水下RFID技術(shù)于水產(chǎn)種魚監(jiān)測(cè)之先期概念驗(yàn)證

　　“農(nóng)委會(huì)”水產(chǎn)試驗(yàn)所為保育重要水產(chǎn)生物的遺傳資源、維護(hù)遺傳歧異度，以利發(fā)展水產(chǎn)高科技產(chǎn)業(yè)、強(qiáng)化我省漁業(yè)及相關(guān)產(chǎn)業(yè)的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力，于2000年“奉行政院”核定籌建省水產(chǎn)生物種原庫(kù)，并列入“政府”中長(zhǎng)程公共建設(shè)計(jì)劃，2001年度起正式編列預(yù)算實(shí)施。于2005年完成省水產(chǎn)生物種原庫(kù)鹿港、澎湖兩支庫(kù)，并于2007年起接續(xù)建置東港主庫(kù)及臺(tái)東支庫(kù)。為提升本所水產(chǎn)種省原庫(kù)種魚管理營(yíng)運(yùn)作業(yè)上的效率及精準(zhǔn)性，本所于“農(nóng)委會(huì)”“建構(gòu)RFID與二維條碼于農(nóng)產(chǎn)品安全追溯管理之策略研究及應(yīng)用”之E化領(lǐng)域重點(diǎn)優(yōu)先執(zhí)行之科技計(jì)劃支持下，規(guī)劃利用非接觸性無(wú)線電波傳送識(shí)別資料特性，研發(fā)種魚之RFID (Radio Frequency IDentification, 無(wú)線射頻識(shí)別系統(tǒng))監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng)，以自動(dòng)化辨識(shí)及資訊化的作業(yè)流程，結(jié)合RFID通信設(shè)備及資料庫(kù)管理軟體，建立種魚養(yǎng)殖生態(tài)習(xí)性觀測(cè)系統(tǒng)，以利研究者記錄及查詢使用，并逐步擴(kuò)大推廣于民間種魚場(chǎng)及活魚產(chǎn)銷供應(yīng)鏈之中。 

　　應(yīng)用水下RFID技術(shù)于水產(chǎn)種魚監(jiān)測(cè)之先期概念驗(yàn)證合作案系由水產(chǎn)試驗(yàn)所企劃資訊組、澹水繁養(yǎng)殖研究中心及工研院辨識(shí)與安全科技中心 共同合作進(jìn)行“水中RFID頻率選擇”、“靜態(tài)讀取距離測(cè)試”、“環(huán)形水道魚體標(biāo)簽讀取性能測(cè)試”及“魚池天線配置及動(dòng)態(tài)讀取性能測(cè)試”等項(xiàng)目。 

水中RFID頻率選擇 

　　RFID常用的頻率有低頻 (LF，25KHz、134.2KHz，標(biāo)簽如圖1)、高頻 (HF，13.56MHz、433MHz，標(biāo)簽如圖2) 及超高頻(UHF，860－960MHz、2.4GHz，標(biāo)簽如圖3) 等，不同頻率的應(yīng)用范圍與情境各不相同，在水下的效能也有很大的差異性。  

　　為瞭解不同頻段RFID設(shè)備及標(biāo)簽在水中的讀取性能，利用一35 cm長(zhǎng) × 16 cm寬 × 20 cm高之玻璃水缸進(jìn)行測(cè)試 (圖4)，將RFID讀取天線架設(shè)在水缸左側(cè)緊貼玻璃表面，將標(biāo)簽放置在水槽中，正對(duì)讀取天線正中心，量測(cè)標(biāo)簽之可讀取最大距離，可得表1讀取結(jié)果。 

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圖 1 、 LF 標(biāo)簽外型 ( 長(zhǎng) 8-23mm 、直徑 2-4mm ，封裝材質(zhì)：玻璃圓管 ) 

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 圖 2 、 HF 標(biāo)簽外型 ( 3cm 正方～ 7×5cm ，貼附材質(zhì)：紙或 PVC 等 )    

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圖 3 、 UHF 標(biāo)簽外型 ( 尺寸： 7cm×2cm 以下，貼附材質(zhì)：以紙為主 )   
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圖 4 、 不同 RFID 頻段水中讀取距離測(cè)試示意圖   
   
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表1、RFID各頻段(UHF、HF、LF)之水中讀取距離測(cè)試 

　　其中，UHF頻段易受水與金屬的影響，在水中以固定式讀取器及可攜式讀取器均無(wú)法讀??；HF系統(tǒng)在水中之讀取距離，由大氣中之10 cm縮小為6.5 cm，受水的影響很大；LF標(biāo)簽在水中的讀取距離大于測(cè)試水槽的35 cm，受水的影響最小。就以上的分析與實(shí)際測(cè)試之結(jié)果，決定採(cǎi)用LF的系統(tǒng)作為水下魚類監(jiān)測(cè)之RFID系統(tǒng)。 

低頻(LF)系統(tǒng)靜態(tài)讀取距離測(cè)試 

　　為確認(rèn)水中天線計(jì)算設(shè)定之電容值可獲得最佳的通訊效果，以量測(cè)天線調(diào)頻模組在不同的電容值狀態(tài)下，標(biāo)簽可被讀取得的最遠(yuǎn)距離，製作一刻度工作臺(tái)，左側(cè)放置感應(yīng)天線，標(biāo)簽 (TI RI-TRP- WRHP-20) 則放置在天線的中心點(diǎn)，延法線方向向外移動(dòng)，至標(biāo)簽無(wú)法被正常讀取，并記錄下標(biāo)簽可被讀取的最遠(yuǎn)距離。經(jīng)篩選配對(duì)選擇不同讀取器及電子標(biāo)簽組合，以進(jìn)行最大讀取距離測(cè)試，其結(jié)果如表2。由測(cè)試結(jié)果得知，以TI (德州儀器) 之讀取器及電子標(biāo)簽組合之讀取距離最大。

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表2、各廠牌RFID電子標(biāo)簽讀取距離測(cè)試結(jié)果 

環(huán)形水道魚體標(biāo)簽讀取性能測(cè)試 

　　本項(xiàng)測(cè)試先設(shè)計(jì)製作一壓克力之橢圓型環(huán)形水道測(cè)試平臺(tái) (圖5)。平臺(tái)長(zhǎng)邊一側(cè)中央設(shè)一插槽，可將製作好的長(zhǎng)方框型低頻LF讀取天線固定。同時(shí)使用吳郭魚為測(cè)試魚種，當(dāng)魚體通過(guò)天線時(shí)，觀察魚體內(nèi)的標(biāo)簽是否被讀取 (圖6)。另為瞭解標(biāo)簽注射植入魚體中之部位對(duì)水中實(shí)際讀取性能之影響，將四種不同廠牌型號(hào)的LF電子標(biāo)簽以與魚體平行方向分別植入魚體的三個(gè)不同部位A、B、C如圖7所示。 

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圖5、環(huán)形水道動(dòng)態(tài)讀取測(cè)試平臺(tái) 

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 圖6、吳郭魚活體通過(guò)水中感應(yīng)線圈之情形 

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圖7、魚體標(biāo)簽植入位置示意圖 

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表3、動(dòng)態(tài)測(cè)試結(jié)果 

　　由上表之測(cè)試結(jié)果可知，標(biāo)簽之植入位置對(duì)于讀取效果并無(wú)影響；標(biāo)簽在植入魚體后，在魚隻的正?；顒?dòng)狀態(tài)下，均可被成功讀取。 

魚池天線配置及動(dòng)態(tài)讀取性能測(cè)試 

　　本項(xiàng)測(cè)試系于小型養(yǎng)殖池 (約長(zhǎng)2m × 寬4m) 內(nèi)配置RFID天線兩支于長(zhǎng)邊兩側(cè)，如圖8所示。由于目前之讀取器只能于同一時(shí)間讀取一個(gè)標(biāo)簽，所以魚池內(nèi)只放置一尾在背鰭附近植入TI電子標(biāo)簽的吳郭魚。 

　　測(cè)試時(shí)使用兩組TI讀取器及天線之內(nèi)部連續(xù)讀取功能，以連線電腦針對(duì)同一時(shí)間所讀取之兩組資料 (分別經(jīng)由COM1及COM6串列埠介面) 進(jìn)行紀(jì)錄及儲(chǔ)存，其資料格式可轉(zhuǎn)換為EXCEL檔。 

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 圖8、動(dòng)態(tài)讀取性能測(cè)試之養(yǎng)殖池及天線配置圖 

 　　由所記錄的COM1及COM6資料切換的時(shí)間差，可得知魚體的移動(dòng)速度。數(shù)天試驗(yàn)期間總共記錄數(shù)萬(wàn)筆資料，由于資料內(nèi)容龐大，因此僅擷取前15筆資料如表4。在近半小時(shí)期間，魚體在兩支天線感應(yīng)范圍內(nèi)之移動(dòng)時(shí)間差，可小至數(shù)秒或大至數(shù)分鐘。 

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表4、實(shí)際測(cè)試結(jié)果部分?jǐn)?shù)據(jù)列表  

　　由水中天線原始感應(yīng)數(shù)據(jù)可分析因諸多環(huán)境狀況而影響魚體攝餌期間、悠游期間或日夜間等習(xí)性差異。未來(lái)正式建置養(yǎng)殖池RFID監(jiān)測(cè)系統(tǒng)后，可進(jìn)一步分析水產(chǎn)生物活動(dòng)范圍與活動(dòng)力是否良好，以作為水產(chǎn)繁養(yǎng)殖選種或配種之參考。 

結(jié)論 

　　本先期概念驗(yàn)證合作案已順利并成功完成“水中RFID頻率選擇”、“靜態(tài)讀取距離測(cè)試”、“環(huán)形水道魚體標(biāo)簽讀取性能測(cè)試”及“魚池天線配置及動(dòng)態(tài)讀取性能測(cè)試”等驗(yàn)測(cè)項(xiàng)目，并確認(rèn)RFID技術(shù)證明實(shí)際可應(yīng)用于水中活體魚類之動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。 

　　現(xiàn)行魚類養(yǎng)殖與配種作業(yè)時(shí)，需大量人力配合各種魚類生態(tài)與習(xí)性進(jìn)行紀(jì)錄，同時(shí)為取得正確魚類生態(tài)，也必須耐心、細(xì)心的清點(diǎn)與分辨各種魚類，因此影響?zhàn)B殖配種的效率與進(jìn)度。本所水產(chǎn)種原庫(kù)未來(lái)將導(dǎo)入RFID系統(tǒng)，藉此改善傳統(tǒng)管理模式，將RFID標(biāo)簽植入或掛載于所需觀察之魚類內(nèi)，在記錄與觀察各種魚類生態(tài)與習(xí)性時(shí)，以水中固定式天線及讀取器便能快速清點(diǎn)魚類數(shù)量、觀察魚類的活動(dòng)能力，使魚種數(shù)量、位置、活動(dòng)能力，各項(xiàng)魚類相關(guān)資訊均較能正確且快速地被整合于管理系統(tǒng)中，方便專案管理人員隨時(shí)掌握魚類資訊，以有效提升水產(chǎn)種原庫(kù)的管理及營(yíng)運(yùn)效率，并可建立更完善的種魚養(yǎng)殖生態(tài)監(jiān)測(cè)與管理系統(tǒng) (圖9)。 

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圖9、導(dǎo)入RFID之種魚養(yǎng)殖生態(tài)監(jiān)測(cè)與管理系統(tǒng)示意圖 

　　隨著我省農(nóng)漁畜產(chǎn)品產(chǎn)銷履歷制度的立法與推動(dòng)，最近RFID開(kāi)始應(yīng)用于TGAP產(chǎn)品的生產(chǎn)管理與流通管理上面。目前有活魚儲(chǔ)運(yùn)商使用一般流通用高頻13.56 MHz的大型TAG，以尼龍繩結(jié)附在活魚嘴鰓間后直銷餐廳及飯店。該方式之魚體需離水極近距離 (約3 cm以內(nèi)) 讀取資料，與水產(chǎn)試驗(yàn)所未來(lái)研發(fā)以低頻之水中微型TAG直接較長(zhǎng)距離感應(yīng)天線技術(shù)及相關(guān)應(yīng)用有所不同。另國(guó)外近年來(lái)也曾使用水中低頻RFID于野生及養(yǎng)殖魚類，例如鮭魚于澹水河川中生態(tài)及成長(zhǎng)率的監(jiān)測(cè)、鱒魚族群估計(jì)成長(zhǎng)特性、沿岸養(yǎng)殖鯊魚的飼育生態(tài)等監(jiān)測(cè)。但其各部分技術(shù)、機(jī)構(gòu)、電料模組零組件及成本效益比，亦有許多值得改進(jìn)之處，而低頻反碰撞、多標(biāo)簽同時(shí)讀取、多天線自動(dòng)切換之技術(shù)研發(fā)，亦為未來(lái)水產(chǎn)試驗(yàn)所RFID研究計(jì)劃之研發(fā)重點(diǎn)。