程佳威　李亞敏　王艷紅

摘要：為順應(yīng)當(dāng)前畜牧業(yè)的發(fā)展趨勢，滿足市場對生豬生產(chǎn)質(zhì)與量的需求，設(shè)計(jì)了基于RFID技術(shù)的生豬個(gè)體快速識別系統(tǒng)。系統(tǒng)以8位CMOS單片機(jī)AT89C2051、讀寫芯片MFRC522、標(biāo)簽芯片I·CODE SLI Label IC SL2 ICS20（簡稱I·CODE2）作為核心硬件，實(shí)現(xiàn)了對豬的個(gè)體識別和信息追蹤。該系統(tǒng)簡單，便于實(shí)現(xiàn)，有較高的可靠性，可應(yīng)用于大規(guī)模養(yǎng)豬場，有助于養(yǎng)殖的自動(dòng)控制。

關(guān)鍵詞：RFID；電子標(biāo)簽；個(gè)體識別；讀寫器

中圖分類號：TP391.4 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：0439-8114（2013）07-1683-03

近年來，隨著全球人口及經(jīng)濟(jì)的增長，生豬產(chǎn)量的增長也成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)。但是，近幾年動(dòng)物疫情頻繁暴發(fā)，如口蹄疫、禽流感、豬瘟、高致病性豬藍(lán)耳病，不僅給人們的身體健康和生命安全帶來了嚴(yán)重危害，而且給生豬產(chǎn)量造成損失，給各國帶來了巨大的經(jīng)濟(jì)損失，解決生豬質(zhì)量問題迫在眉睫。為此，各國政府紛紛制定政策，研究措施[1]。其中RFID（Radio Frequency Identification）技術(shù)在動(dòng)物養(yǎng)殖中的廣泛應(yīng)用是其中的一個(gè)有效措施。個(gè)體識別系統(tǒng)應(yīng)用于養(yǎng)豬場中可以實(shí)現(xiàn)養(yǎng)豬場管理的自動(dòng)化、智能化及對豬的個(gè)體化管理，對于提高養(yǎng)豬場養(yǎng)殖水平具有重要意義。

實(shí)踐表明，RFID技術(shù)在養(yǎng)豬業(yè)中的作用越來越大，但國內(nèi)從事RFID技術(shù)研究的部門不多，通常需要從國外購買配套器材[2]。目前，國內(nèi)有些大型養(yǎng)豬場引進(jìn)國外先進(jìn)個(gè)體識別管理系統(tǒng)，但是引進(jìn)國外系統(tǒng)成本很高，很難在我國普及，所以亟待研發(fā)一套符合我國國情的個(gè)體識別系統(tǒng)。

1 總體結(jié)構(gòu)及工作原理

一個(gè)典型的RFID系統(tǒng)通常由三部分組成，如圖1所示。

電子標(biāo)簽：由耦合組件及芯片組成，每個(gè)標(biāo)簽都有惟一的電子編碼，附著在物體上用來標(biāo)識目標(biāo)對象。通過無線形式傳輸數(shù)據(jù)信息，該系統(tǒng)采用無源式電子標(biāo)簽，其工作所需的能量通過天線接收無線電波來提供。

讀寫器：由天線、讀寫模塊、控制模塊、接口模塊組成，用來讀取標(biāo)簽信息。

上位機(jī)：通過串行通信接口把指令發(fā)送到控制電路控制整個(gè)系統(tǒng)，并且完成信息存儲。

系統(tǒng)基本工作原理：讀寫器上電后通過串口接收上位機(jī)發(fā)出的指令，通過天線在一定區(qū)域內(nèi)連續(xù)發(fā)射出頻率固定的電磁波。當(dāng)生豬佩戴相應(yīng)頻率的標(biāo)簽進(jìn)入磁場區(qū)后，通過天線接收讀寫器發(fā)出的射頻信號，并依靠產(chǎn)生感應(yīng)電流獲得的能量將自身信息發(fā)送給讀寫器，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)識別的目的。讀寫器獲得的信息通過調(diào)制、譯碼后傳送給數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)進(jìn)行處理。如果有必要數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)繼續(xù)發(fā)出指令控制其他設(shè)備工作，或者給標(biāo)簽寫入信息[3]。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 單片機(jī)的選擇

綜合考慮各種型號單片機(jī)在性能、功耗、性價(jià)比等方面的優(yōu)勢，選用了ATMEL公司生產(chǎn)的AT89C2051。它是一個(gè)8位低功耗、高性能的CMOS單片機(jī)，片內(nèi)包含2 kb Flash只讀程序內(nèi)存和128 b的RAM內(nèi)存，利用編程器可以方便寫入和修改程序。電源范圍在2.7～6.0 V，和MCS-51產(chǎn)品兼容，擁有兩個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，兩級程序存儲保密鎖定使信息更安全?；窘泳€如圖2。

2.2 射頻讀寫芯片的選擇

射頻讀寫芯片是讀寫器的關(guān)鍵部件。無線射頻技術(shù)在國內(nèi)外發(fā)展很快，RFID產(chǎn)品種類繁多，像TI、Motorola、Philips等世界著名廠商都在生產(chǎn)RFID產(chǎn)品，且各有特點(diǎn)[4]。NXP公司生產(chǎn)的MFRC522是一款低電壓、低成本、體積小的非接觸式讀寫芯片，芯片工作電壓2.5～3.3 V， 工作頻率13.56 MHz。該芯片集成了13.56 MHz下所有類型的被動(dòng)非接觸式通信方式和協(xié)議[5]。

2.3 串口通訊電路

當(dāng)前支持熱插拔的USB標(biāo)準(zhǔn)接口成為串行接口的主流。采用Silicon Laboritories公司生產(chǎn)的CP2102作為串口轉(zhuǎn)換的芯片，可以方便地實(shí)現(xiàn)接口通訊[6]。

2.4 天線

電子標(biāo)簽和讀寫器通過無線射頻信號進(jìn)行能量和數(shù)據(jù)的傳輸。讀寫器天線形成的電磁場有效作用范圍、強(qiáng)度決定了標(biāo)簽感應(yīng)的強(qiáng)度、工作距離和范圍。遠(yuǎn)距離工作的系統(tǒng)，讀寫器的線圈天線具有較大面積，一般采用銅箔帶或銅管制成，工作時(shí)具有較高的電流，相匹配的電容和電阻要承受較高的電壓和功率[7]。

2.5 電子標(biāo)簽的選擇

Philips公司的I·CODE2標(biāo)簽芯片是當(dāng)前比較常用的一種標(biāo)簽芯片。芯片工作頻率為13.56 MHz， 擁有惟一標(biāo)識符，可擦寫十萬次以上，易于修改和保存數(shù)據(jù)，并且安全性高，適用于遠(yuǎn)距離場合。

電子標(biāo)簽工作原理：當(dāng)標(biāo)簽進(jìn)入磁場區(qū)域內(nèi)，因?yàn)楹妥x寫器發(fā)射頻率相同，標(biāo)簽內(nèi)部LC諧振電路產(chǎn)生共振，當(dāng)達(dá)到工作電壓時(shí)芯片開始工作[8]。

電子標(biāo)簽封裝采用強(qiáng)樹脂材料制成耳標(biāo)，具有抗沖擊、防腐蝕、防水、耐磨等性能，直接掛在生豬耳朵上，不需要日常維護(hù)。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)軟件流程

系統(tǒng)工作時(shí)，讀寫器就處于不斷的工作檢測狀態(tài)。當(dāng)讀卡器檢測到有標(biāo)簽進(jìn)入到它發(fā)射的磁場范圍時(shí)，上位機(jī)可以控制一些管理設(shè)備（如測量體重、投放食物等）進(jìn)行工作。在這期間讀寫器一直在進(jìn)行檢測，當(dāng)檢測不到標(biāo)簽時(shí)，單片機(jī)將數(shù)據(jù)發(fā)送給上位機(jī)，然后系統(tǒng)又進(jìn)入下一次循環(huán)[9]（圖3）。

3.2 控制模塊單片機(jī)的控制流程

單片機(jī)在系統(tǒng)上電后對參數(shù)進(jìn)行初始化，并且讀取信息，等待上位機(jī)的指令或者是射頻芯片發(fā)回信息。當(dāng)上位機(jī)需要讀寫耳標(biāo)信息時(shí)，會(huì)給主控制器單片機(jī)AT89C2051發(fā)送讀寫指令，主控制器會(huì)把命令轉(zhuǎn)發(fā)給射頻讀寫芯片MFRC522，MFRC522再通過天線把信息發(fā)出去；當(dāng)耳標(biāo)的響應(yīng)信號被讀寫器天線接收后會(huì)傳給射頻讀寫芯片MFRC522，MFRC522經(jīng)過調(diào)制解調(diào)后傳給主控制器，最后傳給上位機(jī)[10]（圖4）。

4 小結(jié)

針對養(yǎng)豬場自動(dòng)化控制的需要，設(shè)計(jì)了基于RFID的養(yǎng)豬場個(gè)體識別系統(tǒng)，系統(tǒng)由電子標(biāo)簽、讀寫器、上位機(jī)三部分組成，采用各種性能高、成本低的芯片，在試驗(yàn)中取得了良好效果，容易實(shí)現(xiàn)，具有較強(qiáng)的穩(wěn)定性和廣泛的實(shí)用性。測試中芯片讀取有一定的誤差，需要改進(jìn)。標(biāo)簽天線和讀寫器天線的增益是影響閱讀距離的重要因素，還有待深入研究。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展、完善和成本的降低，RFID技術(shù)在畜牧業(yè)中一定會(huì)有更大的發(fā)展空間。

參考文獻(xiàn)：

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