RFID在現(xiàn)代化奶牛場管理中的應用

　　0 引言

　　信息與自動化的現(xiàn)代管理技術(shù)在畜牧業(yè)發(fā)展中的地位越來越重要，基于無線射頻原理的奶牛自動識別系統(tǒng)，是現(xiàn)代化奶牛場管理 中不可或缺的一部分。無線射頻識別技術(shù)(RFID)是一種非接觸式的標簽識別技術(shù)，它通過射頻信號自動識別目標對象，并獲取相關(guān)數(shù)據(jù)，可進行無線讀寫 。

　　目前，國內(nèi)應用最成功的是近距離的RFID系統(tǒng)，識別范圍僅在20～30era以內(nèi)，而物流或現(xiàn)代化動物識別管理中往往需要在數(shù)十厘米甚至數(shù)米的距離范圍內(nèi)讀取數(shù)據(jù)，RFID在超高頻段(UHF)的讀寫距離可達1m以上。我國在超高頻段的研究和應用目前還處于起步階段，也還沒有自己的標準，發(fā)達國家早已形成了統(tǒng)一的標準和成熟的體系 。

　　我國最大規(guī)模的UHF RFID行業(yè)應用是鐵路車號自動識別系統(tǒng)，識別距離可達6m 。因此，應以國際ISO／IEC和EPCglobal相關(guān)標準為基礎，結(jié)合我國實際情況制定適合自己的標準，同時借鑒國內(nèi)外現(xiàn)有經(jīng)驗，推進RFID在我國相關(guān)行業(yè)中的應用。

　　系統(tǒng)采用超高頻讀寫器模塊S1871作為無線射頻部分。LPC2214作為系統(tǒng)的主控制芯片，輔之于顯示及外部接口等電路搭建系統(tǒng)的硬件平臺，在txCLinux實時操作系統(tǒng)下，采用C語言完成系統(tǒng)的軟件部分設計，同時采用SQL Sever2000作為系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫服務器軟件，旨在搭建一個能應用于奶牛場快速準確識別奶牛信息的RFID系統(tǒng)，識別系統(tǒng)符合最新國際標準ISO18000—6C和EPC C1 Gen2。

　　1 系統(tǒng)簡介及組成

　　1．1 分類

　　RFID系統(tǒng)根據(jù)工作頻段、識別距離以及工作原理的不同有多種分類方法。其中，135kHz以下和13．56MHz屬于電磁耦合類型，作用距離在lOcm 以內(nèi)；433．92MHz及2．45GHz對應有源RFID電子標簽；860—960MHz以無源RFID電子標簽為主體，多頻點，作用范圍在1～20m內(nèi)，是目前應用最廣泛的產(chǎn)品。其工作原理是基于電磁反向散射耦合通信(即雷達原理模型)，發(fā)射出去的電磁波碰到目標后反射，同時攜帶回目標信息。

　　1．2 結(jié)構(gòu)

　　RFID系統(tǒng)由3大部分構(gòu)成，分別是應答器(標簽)、讀寫器以及后端數(shù)據(jù)庫 。

　　1．3 工作原理

　　系統(tǒng)中，選擇860～960MHz作為其工作頻段，對應無源電子標簽以節(jié)約能源。牛耳標、固定在過道門上的閱讀器和上位機數(shù)據(jù)庫組成了一個完整的奶牛識別系統(tǒng)。每頭奶牛均配備有一個無線射頻標簽，對應唯一一個ID號。奶牛進入擠奶廳時，遠距離射頻識別器即可識別出其所帶標簽的ID信息，并進行實時顯示與傳送，并發(fā)出命令，奶牛進入相應的擠奶槽擠奶，完畢后自行離去。通過對奶量的測量，記錄奶牛本次的擠奶量等信息。整個過程有條不紊、準確迅速，大大提高了生產(chǎn)效率。系統(tǒng)的各組成部分如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)框圖
Fig．1 Structural chan of system

　　2 硬件設計

　　射頻識別控制器系統(tǒng)以LPC2214做為主控制芯片，超高頻部分采用基于Intel R1000技術(shù)的UHF微型讀寫器嵌入式模塊S1871，LCD采用液晶顯示模塊LCMl2864。另外，系統(tǒng)還擴展了4MB的Hash和256kB的SDRAM，外部接口有用于下載和通信的串口。LPC2214是一款基于32位ARM7TDMI—S內(nèi)核，并支持實時仿真和跟蹤的微處理器，并帶有16kB的片內(nèi)SRAM 和256kB的高速Flash。兩個16C550工業(yè)標準UART串行接口滿足了系統(tǒng)的通信功能。簡易的JTAG接口使程序的調(diào)試和下載都很方便，并且LPC2214的通用IZO口多達112個，滿足系統(tǒng)需求，并留有以后擴展外部設備的余地。

　　2．1 射頻模塊

　　系統(tǒng)射頻部分采用920—925MHz的超高頻頻段，符合最新國際標準ISO／IEC組織的ISO18000—6C和EPCglobal組織的EPC C1 Gen2。標簽為相應標準的無源超高頻射頻識別標簽。其中，采用這些標準的意義還在于為實現(xiàn)全球物聯(lián)網(wǎng)這個偉大的設想做初步準備。

　　基于Intel R1000技術(shù)的UHF微型讀寫器模塊Sl871，是可嵌入需要電子標簽識讀的固定或移動式中短距離設備的超高頻多用途微型讀寫器模塊。功率范圍符合歐洲(ETSI EN 302 208)以及美國(FCCpart 15)等主流標準。其可調(diào)最大功率為1300mW，支持EPC Classl Gen2協(xié)議，采用偶極子型天線。

　　2．2 通信接口

　　LPC2214與上位機通信采用RS232串口直接通信。RS232串行通信采用全雙工模式，波特率9600bps，與LPC2214的UART0通訊接口相連。當監(jiān)控中心離工作現(xiàn)場較遠時，可考慮采用GPRS實現(xiàn)遠距離無線數(shù)據(jù)傳輸。

　　2．3 LCD顯示部分

　　系統(tǒng)采用LCMl2864顯示模塊，液晶屏幕為128mm ×64mm，可顯示4行，每行8個漢字。LCM12864的字型ROM內(nèi)含8 192個16×16點中文字型和128個16×8半寬的字母符號字型，內(nèi)含CGRAM提供4組軟件可編程的16 Z 16點陣造字功能，可實現(xiàn)漢字、ASCII碼和點陣圖形的同屏顯示。同時，提供了與微控器靈活的接口模式(并行8位／4位，串行3線／2線)。

　　2．4 電源及復位

　　根據(jù)系統(tǒng)設計的要求，需要DC5V、DC3．3V和DC1．8V等3種直流電源。使用小功率的正電壓調(diào)節(jié)器SPX1117，它以其極低的靜態(tài)電流和截止電壓而著稱，滿負載情況下的截止電壓僅為1．1V。系統(tǒng)采用CAT1025監(jiān)控系統(tǒng)的復位，利用低功耗的CMOS技術(shù)將2kbit的串行E² PROM和用于掉電保護的系統(tǒng)電源監(jiān)控電路集成在一塊芯片內(nèi)，含1個精確的VCC監(jiān)控測電路和2個開漏輸出引腳(RESET和／RESET)。當VCC低于復位門檻電壓時，RESET引腳變?yōu)楦唠娖?，而／RESET變?yōu)榈碗娖健?

　　3 軟件設計

　　采用μ CLinux作為本系統(tǒng)的操作系統(tǒng)內(nèi)核。軟件的設計按照系統(tǒng)的基本運行流程進行，采用C語言編程。首先，系統(tǒng)供電初始化開始，等待判斷是否有標簽進入有效閱讀區(qū)域；若無，繼續(xù)等待并判斷直到檢測出區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)標簽，電磁波反射帶回標簽信息；然后，進行一系列的響應和處理，完成識別過程。系統(tǒng)程序流程如圖2所示。

　　當上位機接收到射頻控制器傳來的牛號信息時，由上位機數(shù)據(jù)庫中調(diào)出與此牛號相對應的詳細信息。系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫服務器軟件采用SQL Sever 2000，Visual C++作為其前臺開發(fā)工具?？蓪崿F(xiàn)的功能如下：一是查看奶牛的基本信息，如出生、父本、母本、身高、體改、刪除或添加信息，可以方便管理人員對此牛的所有信息進行查閱或修改；三是根據(jù)此信息發(fā)出相應命令，引導奶牛進人相應擠奶槽擠奶，整個過程不需要人工干預，準確迅速。

　　4 實驗結(jié)果

　　通過對奶牛識別器的多次運行測試，能達到既定1m以上的識別距離，識別率達99% 以上。

圖2 系統(tǒng)程序流程圖
Fig．2 Procedure flow chart of system

　　5 結(jié)論 

　　1)奶牛遠距離自動識別器實現(xiàn)了無接觸和無人工干預的奶牛標號自動識別，并與上位機聯(lián)系，能及時、準確地調(diào)用奶牛的詳細信息及發(fā)出命令，具有識別率高的優(yōu)點。

　　2)采用ARM7芯片作為主控芯片，硬件平臺和軟件平臺均得到提升，為系統(tǒng)的升級留有余地。