应用水下RFID技术于水产种鱼监测之先期概念验证

　　“农委会”水产试验所为保育重要水产生物的遗传资源、维护遗传歧异度，以利发展水产高科技产业、强化我省渔业及相关产业的国际竞争力，于2000年“奉行政院”核定筹建省水产生物种原库，并列入“政府”中长程公共建设计划，2001年度起正式编列预算实施。于2005年完成省水产生物种原库鹿港、澎湖两支库，并于2007年起接续建置东港主库及台东支库。为提升本所水产种省原库种鱼管理营运作业上的效率及精准性，本所于“农委会”“建构RFID与二维条码于农产品安全追溯管理之策略研究及应用”之E化领域重点优先执行之科技计划支持下，规划利用非接触性无线电波传送识别资料特性，研发种鱼之RFID (Radio Frequency IDentification, 无线射频识别系统)监测管理系统，以自动化辨识及资讯化的作业流程，结合RFID通信设备及资料库管理软体，建立种鱼养殖生态习性观测系统，以利研究者记录及查询使用，并逐步扩大推广于民间种鱼场及活鱼产销供应链之中。 

　　应用水下RFID技术于水产种鱼监测之先期概念验证合作案系由水产试验所企划资讯组、澹水繁养殖研究中心及工研院辨识与安全科技中心 共同合作进行“水中RFID频率选择”、“静态读取距离测试”、“环形水道鱼体标签读取性能测试”及“鱼池天线配置及动态读取性能测试”等项目。 

水中RFID频率选择 

　　RFID常用的频率有低频 (LF，25KHz、134.2KHz，标签如图1)、高频 (HF，13.56MHz、433MHz，标签如图2) 及超高频(UHF，860－960MHz、2.4GHz，标签如图3) 等，不同频率的应用范围与情境各不相同，在水下的效能也有很大的差异性。  

　　为瞭解不同频段RFID设备及标签在水中的读取性能，利用一35 cm长 × 16 cm宽 × 20 cm高之玻璃水缸进行测试 (图4)，将RFID读取天线架设在水缸左侧紧贴玻璃表面，将标签放置在水槽中，正对读取天线正中心，量测标签之可读取最大距离，可得表1读取结果。 

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图 1 、 LF 标签外型 ( 长 8-23mm 、直径 2-4mm ，封装材质：玻璃圆管 ) 

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 图 2 、 HF 标签外型 ( 3cm 正方～ 7×5cm ，贴附材质：纸或 PVC 等 )    

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图 3 、 UHF 标签外型 ( 尺寸： 7cm×2cm 以下，贴附材质：以纸为主 )   
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图 4 、 不同 RFID 频段水中读取距离测试示意图   
   
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表1、RFID各频段(UHF、HF、LF)之水中读取距离测试 

　　其中，UHF频段易受水与金属的影响，在水中以固定式读取器及可携式读取器均无法读取；HF系统在水中之读取距离，由大气中之10 cm缩小为6.5 cm，受水的影响很大；LF标签在水中的读取距离大于测试水槽的35 cm，受水的影响最小。就以上的分析与实际测试之结果，决定採用LF的系统作为水下鱼类监测之RFID系统。 

低频(LF)系统静态读取距离测试 

　　为确认水中天线计算设定之电容值可获得最佳的通讯效果，以量测天线调频模组在不同的电容值状态下，标签可被读取得的最远距离，製作一刻度工作台，左侧放置感应天线，标签 (TI RI-TRP- WRHP-20) 则放置在天线的中心点，延法线方向向外移动，至标签无法被正常读取，并记录下标签可被读取的最远距离。经筛选配对选择不同读取器及电子标签组合，以进行最大读取距离测试，其结果如表2。由测试结果得知，以TI (德州仪器) 之读取器及电子标签组合之读取距离最大。

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表2、各厂牌RFID电子标签读取距离测试结果 

环形水道鱼体标签读取性能测试 

　　本项测试先设计製作一压克力之椭圆型环形水道测试平台 (图5)。平台长边一侧中央设一插槽，可将製作好的长方框型低频LF读取天线固定。同时使用吴郭鱼为测试鱼种，当鱼体通过天线时，观察鱼体内的标签是否被读取 (图6)。另为瞭解标签注射植入鱼体中之部位对水中实际读取性能之影响，将四种不同厂牌型号的LF电子标签以与鱼体平行方向分别植入鱼体的三个不同部位A、B、C如图7所示。 

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图5、环形水道动态读取测试平台 

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 图6、吴郭鱼活体通过水中感应线圈之情形 

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图7、鱼体标签植入位置示意图 

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表3、动态测试结果 

　　由上表之测试结果可知，标签之植入位置对于读取效果并无影响；标签在植入鱼体后，在鱼隻的正常活动状态下，均可被成功读取。 

鱼池天线配置及动态读取性能测试 

　　本项测试系于小型养殖池 (约长2m × 宽4m) 内配置RFID天线两支于长边两侧，如图8所示。由于目前之读取器只能于同一时间读取一个标签，所以鱼池内只放置一尾在背鳍附近植入TI电子标签的吴郭鱼。 

　　测试时使用两组TI读取器及天线之内部连续读取功能，以连线电脑针对同一时间所读取之两组资料 (分别经由COM1及COM6串列埠介面) 进行纪录及储存，其资料格式可转换为EXCEL档。 

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 图8、动态读取性能测试之养殖池及天线配置图 

 　　由所记录的COM1及COM6资料切换的时间差，可得知鱼体的移动速度。数天试验期间总共记录数万笔资料，由于资料内容庞大，因此仅撷取前15笔资料如表4。在近半小时期间，鱼体在两支天线感应范围内之移动时间差，可小至数秒或大至数分钟。 

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表4、实际测试结果部分数据列表  

　　由水中天线原始感应数据可分析因诸多环境状况而影响鱼体摄饵期间、悠游期间或日夜间等习性差异。未来正式建置养殖池RFID监测系统后，可进一步分析水产生物活动范围与活动力是否良好，以作为水产繁养殖选种或配种之参考。 

结论 

　　本先期概念验证合作案已顺利并成功完成“水中RFID频率选择”、“静态读取距离测试”、“环形水道鱼体标签读取性能测试”及“鱼池天线配置及动态读取性能测试”等验测项目，并确认RFID技术证明实际可应用于水中活体鱼类之动态监测。 

　　现行鱼类养殖与配种作业时，需大量人力配合各种鱼类生态与习性进行纪录，同时为取得正确鱼类生态，也必须耐心、细心的清点与分辨各种鱼类，因此影响养殖配种的效率与进度。本所水产种原库未来将导入RFID系统，藉此改善传统管理模式，将RFID标签植入或挂载于所需观察之鱼类内，在记录与观察各种鱼类生态与习性时，以水中固定式天线及读取器便能快速清点鱼类数量、观察鱼类的活动能力，使鱼种数量、位置、活动能力，各项鱼类相关资讯均较能正确且快速地被整合于管理系统中，方便专案管理人员随时掌握鱼类资讯，以有效提升水产种原库的管理及营运效率，并可建立更完善的种鱼养殖生态监测与管理系统 (图9)。 

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图9、导入RFID之种鱼养殖生态监测与管理系统示意图 

　　随着我省农渔畜产品产销履历制度的立法与推动，最近RFID开始应用于TGAP产品的生产管理与流通管理上面。目前有活鱼储运商使用一般流通用高频13.56 MHz的大型TAG，以尼龙绳结附在活鱼嘴鳃间后直销餐厅及饭店。该方式之鱼体需离水极近距离 (约3 cm以内) 读取资料，与水产试验所未来研发以低频之水中微型TAG直接较长距离感应天线技术及相关应用有所不同。另国外近年来也曾使用水中低频RFID于野生及养殖鱼类，例如鲑鱼于澹水河川中生态及成长率的监测、鳟鱼族群估计成长特性、沿岸养殖鲨鱼的饲育生态等监测。但其各部分技术、机构、电料模组零组件及成本效益比，亦有许多值得改进之处，而低频反碰撞、多标签同时读取、多天线自动切换之技术研发，亦为未来水产试验所RFID研究计划之研发重点。