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(biāo)簽識別技術(shù),它通過射頻信號自動識別目標(biāo)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(yīng)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(yīng)用目前還處于起步階段,也還沒有自己的標(biāo)準(zhǔn),發(fā)達國家早已形成了統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)和成熟的體系 。

    我國最大規(guī)模的UHF RFID行業(yè)應(yīng)用是鐵路車號自動識別系統(tǒng),識別距離可達6m 。因此,應(yīng)以國際ISO／IEC和EPCglobal相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ),結(jié)合我國實際情況制定適合自己的標(biāo)準(zhǔn),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(yīng)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(shè)計,同時采用SQL Sever2000作為系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫服務(wù)器軟件,旨在搭建一個能應(yīng)用于奶牛場快速準(zhǔn)確識別奶牛信息的RFID系統(tǒng),識別系統(tǒng)符合最新國際標(biāo)準(zhǔn)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(yīng)有源RFID電子標(biāo)簽；860—960MHz以無源RFID電子標(biāo)簽為主體,多頻點,作用范圍在1～20m內(nèi),是目前應(yīng)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(biāo)后反射,同時攜帶回目標(biāo)信息。

    1．2 結(jié)構(gòu)

    RFID系統(tǒng)由3大部分構(gòu)成,分別是應(yīng)答器(標(biāo)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(yīng)無源RFID電子標(biāo)簽以節(jié)約能源。牛耳標(biāo)、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(biāo)簽,對應(yīng)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(biāo)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(yīng)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(zhǔn)確迅速,大大提高了生產(chǎn)效率。

    2 硬件設(shè)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(biāo)準(zhǔn)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(shè)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(biāo)準(zhǔn)ISO／IEC組織的ISO18000—6C和EPCglobal組織的EPC C1 Gen2。標(biāo)簽為相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)的無源超高頻射頻識別標(biāo)簽。其中,采用這些標(biāo)準(zhǔn)的意義還在于為實現(xiàn)全球物聯(lián)網(wǎng)這個偉大的設(shè)想做初步準(zhǔn)備。

    基于Intel R1000技術(shù)的UHF微型讀寫器模塊Sl871,是可嵌入需要RFID電子標(biāo)簽識讀的固定或移動式中短距離設(shè)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(biāo)準(zhǔn)。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(dāng)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(fù)位

    根據(jù)系統(tǒng)設(shè)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(fù)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(dāng)VCC低于復(fù)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(shè)計

    采用μ CLinux作為本系統(tǒng)的操作系統(tǒng)內(nèi)核。軟件的設(shè)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(biāo)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(biāo)簽,電磁波反射帶回標(biāo)簽信息；然后,進行一系列的響應(yīng)和處理,完成識別過程。系統(tǒng)程序流程如圖2所示。

    當(dāng)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(yīng)的詳細信息。系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫服務(wù)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(yīng)命令,引導(dǎo)奶牛進人相應(yīng)擠奶槽擠奶,整個過程不需要人工干預(yù),準(zhǔn)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。

     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(yù)的奶牛標(biāo)號自動識別,并與上位機聯(lián)系,能及時、準(zhǔn)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。