Evaluation of a UHF RFID system for livestock

Abstract

A structural change could be observed within German animal production in recent years. Whereas the number of livestock holdings decreased, the number of animals per livestock holding increased. Because bigger livestock holdings are also often in a conflict of aims between sustainability, animal welfare and economy, a well-functioning and cost-effective management assistance is even more important. The collection of animal-related data and data from their environment with simple, innovative and low-cost techniques to improve animal welfare, animal health and animal performance, as well as the housing conditions, is a main part of so-called precision livestock farming (PLF). A possible solution for implementation of these thoughts is a technology called radio-frequency identification (RFID). The suitability of an UHF RFID system for simultaneous pig and cattle detection could be evaluated during a three year project, which was funded by the Federal Office of Agriculture and Food. Therefore, several UHF transponder ear tags had to be developed and tested in laboratory and practical experiments. Additionally, a cost-benefit analysis of the UHF system based on four example barns had to be carried out to estimate the potential of the system for use in practice. Thereby, not only the costs and benefits of simultaneous animal detection were calculated, but also the costs and benefits of hotspot monitoring of the animals in their husbandry environment were estimated. Nine different transponder types for each animal species were developed within the duration of the project. During the development process, the antenna structure, antenna length and label material had to be varied to adjust the transponder to its immediate surroundings as optimally as possible. The grouting process of the transponder into the ear tag was also continuously improved. Before testing the UHF transponder ear tag types in practice, they were all tested on a dynamic test bench. Using this test bench, a preliminarily assessment of the in-house developed transponder types by themselves, with foreign and commercially available UHF transponder types under various conditions was possible. The number of readings per round was recorded and used to identify differences between the transponder types. The UHF transponder ear tag types were tested with the aid of driving experiments using pigs and cattle with a focus on their suitability and durability under practical conditions. While one gate in a stall environment was built in the driving experiments for the fattening pigs, with cattle, reader output power, reader orientation and the test environment were varied. In these experiments, the number of readings per round and the reading rates, which were the more decisive value in practice, were calculated. In the last stage of development, a suitable, well-functioning UHF transponder ear tag type and good average reading rates could be achieved for both animal species (pigs: ø 98 %; cattle: ø 99 %) While performing the cost-benefit analysis, it could be calculated that, at the present state of development of the UHF system, the benefits do not exceed the costs of the system in the fattening pig husbandry. In dairy cattle husbandry, a positive result could be reached only under the best estimations and the larger farm. However, the costs arising per animal are still too high to implement the systems on the market. Because of the early stage of development, the calculation of the costs and benefits was difficult and still holds uncertainties. Following the assumption that the UHF system will be developed to practical maturity, the costs calculated would be lower and an advantageousness of the system would be also expected for other farms. This work was sensible and necessary to get a first assessment of the costs and benefits. Great development progress could be achieved for the UHF RFID system and a large potential for PLF could be shown within this project, even if the system is not yet ready for market.

Innerhalb der deutschen Tierproduktion konnte in den vergangenen Jahren ein Strukturwandel festgestellt werden. Während die Anzahl der landwirtschaftlichen Betriebe stetig sank, nahm die Anzahl an Tieren pro Betrieb zu. Da jedoch auch große tierhaltende landwirtschaftliche Betriebe häufig im Zielkonflikt zwischen Nachhaltigkeit, Tiergerechtheit und Wirtschaftlichkeit stehen, ist eine gut funktionierende und kostengünstige Managementhilfe umso wichtiger. Das Sammeln von tier- und umweltbezogenen Daten mit einfachen, innovativen und günstigen Techniken zur Verbesserung von Tierwohl, -gesundheit und -leistung sowie Haltungsbedingungen, stellt den hauptsächlichen Teil des sogenannten Precision Livestock Farming (PLF) dar. Eine Möglichkeit zur technischen Umsetzung stellt die sogenannte Radiofrequenzidentifikation dar (RFID). Während eines dreijährigen, von der Bundesanstalt für Landwirtschaft und Ernährung finanzierten, Verbundprojektes wurde die Eignung eines UHF-RFID-Systems zur Simultanerfassung von Schweinen und Rindern getestet und bewertet. Hierfür wurden verschiedenste UHF-Transponderohrmarken entwickelt, an Prüfständen und in Praxisanwendungen getestet. Zusätzlich wurde eine Kosten-Nutzen-Analyse des UHF-RFID-Systems anhand von vier Beispielställen durchgeführt um das Potential des Systems für den Einsatz in der Praxis abzuschätzen. Hierfür wurden nicht nur die Kosten und der Nutzen des Systems zur simultanen Tiererfassung berücksichtigt, sondern auch eine Überwachung der Tiere an verschiedensten Punkten ihrer Haltungsumwelt. In der gesamten Projektlaufzeit wurden für beide Tierarten neun unterschiedliche Transpondertypen entwickelt. Während des Entwicklungsprozesses wurden die Antennenstruktur, -länge und das Trägermaterial des Transponders verändert und somit der Transponder an seine unmittelbare Umgebung so gut wie möglich angepasst. Auch der Prozess des Eingießens wurde stetig verbessert. Bevor die UHF-Transponderohrmarken in der Praxis getestet wurden, wurden sie auf einem dynamischen Prüfstand beurteilt, sowie mit anderen eigens entwickelten, projektfremden und kommerziell erhältlichen UHF-Transponderohrmarken unter verschiedenen Bedingungen verglichen. Es wurde die Anzahl an Lesungen pro Runde aufgenommen um Unterschiede zwischen den Transpondertypen festzustellen. Mit Hilfe von Treibeversuchen an Schweinen und Rindern wurde die Eignung und Haltbarkeit der Transponderohrmarken in der Praxis untersucht. Während für die Versuche mit Schweinen ein Lesegerätgate, mit in allen Versuchen gleichen Einstellungen, im Stall aufgebaut wurde, wurden bei den Rindern die Lesegerätleistung, die Lesegerätausrichtung und die Versuchsumgebung variiert. Bei diesen Experimenten wurden sowohl die Anzahl an Lesungen pro Runde als auch die Erfassungsquoten, welche den für die praktische Anwendung wichtigeren Wert darstellen, berechnet. Mit dem letzten Entwicklungsschritt konnte eine funktionsfähige und haltbare UHF-Transponderohrmarke mit guten durchschnittlichen Erfassungsquoten für beide Tierarten entwickelt werden (Schwein: ø 98 %; Rind: ø 99 %). Bei der Durchführung der Kosten-Nutzen-Analyse konnte gezeigt werden, dass, zum jetzigen Entwicklungszeitpunkt des Systems, der Nutzen die Kosten im Bereich der Mastschweinehaltung nicht übersteigt. In der Milchviehhaltung konnte nur unter den günstigsten Annahmen und für den größten Betrieb ein positives Ergebnis erzielt werden. Die entstehenden Kosten pro Tier sind vermutlich jedoch zu hoch für die Etablierung des Systems auf dem Markt. Allerdings war, aufgrund des frühen Entwicklungsstadiums des Systems, eine Kosten- und Nutzenabschätzung des Systems schwierig und ist mit Unsicherheiten behaftet. Unter der Voraussetzung der Praxistauglichkeit des Systems würden die Kosten sinken und auch für andere Betriebe ließe sich eine Vorteilhaftigkeit des Systems erwarten. Die vorliegende Arbeit war sinnvoll und wichtig um eine erste Beurteilung der Kosten und Nutzen des Systems zu bekommen. Innerhalb des Projektes konnte ein großer Entwicklungsfortschritt des UHF-RFID-Systems erreicht und das große Potential für PLF gezeigt werden, auch wenn das System bis jetzt noch nicht marktreif ist.