蔡兆暉

（廈門大學(xué)嘉庚學(xué)院，福建漳州 363100）

對畜禽的編碼采集可以有效幫助畜牧管理者對畜禽生長防疫屠宰等過程進(jìn)行有效的管理和監(jiān)控，配合信息化管理系統(tǒng)，可以提高畜牧效益。隨畜牧產(chǎn)業(yè)的升級，畜牧企業(yè)需要在管理、信息等方面進(jìn)行信息系統(tǒng)的構(gòu)建，而信息系統(tǒng)的構(gòu)建基礎(chǔ)在于畜禽信息的數(shù)據(jù)采集，諸如畜禽編碼、生命體征、飼養(yǎng)用藥、運(yùn)動(dòng)量等相關(guān)數(shù)據(jù)。傳統(tǒng)的畜禽編碼采集，從原始的人工耳標(biāo)編號識(shí)別到較為先進(jìn)的無源RFID 輔助識(shí)別技術(shù)，采集過程需要人員參與。在規(guī)?；竽聊Ｊ较?，隨著人工成本的增加，市場對品質(zhì)控制、可追溯等的需求更高，自動(dòng)化的編碼采集技術(shù)的應(yīng)用顯得尤為重要。隨著畜牧規(guī)?；潭鹊奶岣?，傳統(tǒng)的畜禽編碼人工采集方法由于勞動(dòng)強(qiáng)度大，人畜交叉感染風(fēng)險(xiǎn)等因素，不適合集約化畜牧農(nóng)場的需求。借助RFID 技術(shù)及物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，在耳標(biāo)的小型化及免維護(hù)上改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)自主能量采集及低功耗程序設(shè)計(jì)，可以解決傳統(tǒng)方法不足的問題［1］。對于RFID技術(shù)應(yīng)用中出現(xiàn)的技術(shù)性問題，如讀碼現(xiàn)場畜禽數(shù)量眾多造成讀碼辨識(shí)困難，可以通過采用RSSI 原理，進(jìn)行畜禽個(gè)體的辨識(shí)，實(shí)現(xiàn)畜碼對應(yīng)功能加以解決［2］。新技術(shù)的采用，推動(dòng)RFID 技術(shù)在耳標(biāo)應(yīng)用的普及，為現(xiàn)代畜牧業(yè)管理信息化及智能化發(fā)展提供了條件。

1 有源RFID 技術(shù)的優(yōu)勢和局限

RFID 識(shí)別方案在成本、系統(tǒng)構(gòu)建、技術(shù)管理維護(hù)等方面要求較高，成為其發(fā)展的制約因素。因此，RFID 識(shí)別技術(shù)主要應(yīng)用于規(guī)模化的畜牧養(yǎng)殖企業(yè)，如乳源生產(chǎn)企業(yè)中的奶牛養(yǎng)殖等；在中小型肉牛、羊養(yǎng)殖場利用較少，依然采用原始的視覺辨識(shí)耳標(biāo)，通過畜牧人員手工記錄方式進(jìn)行管理［3］。

RFID 系統(tǒng)的組成如圖1，RFID 標(biāo)簽根據(jù)發(fā)射頻信號的方式，分為有源RFID 標(biāo)簽和無源RFID 標(biāo)簽。無源RFID 標(biāo)簽無自帶電源，工作過程中需要貼近標(biāo)簽讀取裝置。利用讀取裝置產(chǎn)生的射頻信號耦合產(chǎn)生電源供電。有源RFID 標(biāo)簽內(nèi)置電源供電系統(tǒng)，可以獨(dú)立運(yùn)行，無需靠近讀取裝置。讀取裝置發(fā)送射頻信號與RFID 標(biāo)簽進(jìn)行通訊并接收RFID 標(biāo)簽的應(yīng)答信息，讀取相關(guān)數(shù)據(jù)，如畜禽編碼等信息。讀取裝置可為手持式或固定式，手持式往往配合無源RFID標(biāo)簽通過人工手持靠近標(biāo)簽讀??；固定式配合有源RFID 標(biāo)簽，可以遠(yuǎn)距離讀取信息，無需人工干預(yù)。讀取裝置通過相應(yīng)信息傳播接口模塊，借助移動(dòng)蜂窩網(wǎng)絡(luò)、Wi-Fi、以太網(wǎng)等與中央控制系統(tǒng)通訊，將RFID 獲取的信息存儲(chǔ)于管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫，用于管理系統(tǒng)的應(yīng)用程序調(diào)用［4］。

圖1 RFID 系統(tǒng)原理

主流的RFID 耳標(biāo)采用無源RFID 識(shí)別方案，通過耳標(biāo)外掛或者玻璃圓管植入，識(shí)別時(shí)需要工作人員用手持式RFID 設(shè)備讀取，耗費(fèi)人力，增加人畜交叉感染的風(fēng)險(xiǎn)。有源RFID 方案通過安裝在檢測門的RFID 讀取設(shè)備，能夠遠(yuǎn)距離對通過的牲畜信息進(jìn)行讀取，是智能化畜牧的發(fā)展方向。

有源RFID 需要具備自主供能裝置，如電容、鋰電池、薄膜電池等，既增加設(shè)備成本，又不利于設(shè)備的微型化；同時(shí)常規(guī)自主供能裝置需要進(jìn)行定期維護(hù)充電。這些不利因素制約有源RFID 技術(shù)在畜牧企業(yè)替代無源RFID。除了成本、維護(hù)性及微型化等方面外，有源RFID 在應(yīng)用中還面臨一個(gè)突出問題，讀碼設(shè)備往往配置行走通道或檢測閘門，讀碼距離較遠(yuǎn)，雖讀碼設(shè)備可以通過RFID 防止沖突算法在短時(shí)間內(nèi)讀取畜禽的編碼，但在特定功能拓展應(yīng)用方面，如通過稱重過道檢測畜禽的體重或者通過熱成像技術(shù)檢測畜禽體溫，需要畜碼對應(yīng)，無源RFID 可以通過人工現(xiàn)場辨識(shí)，有源RFID 因無需人工現(xiàn)場操作，較少具備畜碼對應(yīng)相關(guān)功能，限制了有源RFID在信息化管理上的應(yīng)用。

2 有源RFID 在信息化管理解決方案

2.1 整體方案

改善有源RFID 的不利因素，主要從幾個(gè)角度進(jìn)行。

對有源RFID 采用的供能裝置進(jìn)行改進(jìn)，采用能量采集方式替代定期維護(hù)充電方式，減少人工維護(hù)工時(shí)。由于能量持續(xù)采集機(jī)制，儲(chǔ)能裝置主要作用于緩沖電源的波動(dòng)，對應(yīng)的儲(chǔ)能裝置容量可以減少，儲(chǔ)能裝置的成本可降低，同時(shí)體積可縮小；RFID 讀碼設(shè)備大部分時(shí)間在非工作狀態(tài)，可以通過保持設(shè)備長時(shí)間處于休眠狀態(tài)，不定期喚醒工作狀態(tài)，達(dá)到降低有源RFID 的功耗。

在畜碼對應(yīng)的實(shí)現(xiàn)方式上，可采用RSSI 技術(shù)，通過有源RFID 設(shè)備在與讀取設(shè)備進(jìn)行通訊時(shí)段、采集有源RFID 接收的射頻信號強(qiáng)度，將強(qiáng)度數(shù)值與畜禽編碼信息發(fā)送至讀取設(shè)備，通過讀取設(shè)備對RFID設(shè)備發(fā)送的信號強(qiáng)度比對，選擇最大值所對應(yīng)的畜禽編碼為該時(shí)刻與讀取設(shè)備距離最近的畜禽編碼。

傳統(tǒng)的有源RFID 標(biāo)簽，采用射頻基帶處理芯片及控制芯片分立于PCB 板，PCB 板的尺寸較大，不利于實(shí)現(xiàn)低功耗及微型化。隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，新的方案采用單一芯片的片上系統(tǒng)（SoC）方案，將射頻基帶處理（RF）、微控制器（MCU）、模數(shù)轉(zhuǎn)換（ADC）等相關(guān)功能集成在單一芯片，提高了設(shè)備的集成度，能滿足微型化及低功耗要求。采用Nordic公司的最新的RFID 的SoC 方案nRF24LE1 實(shí)現(xiàn)有源RFID 標(biāo)簽，該SoC 內(nèi)置MCS51 微控制器，具備休眠喚醒模式、接收信號功率測量，便于實(shí)現(xiàn)諸如休眠喚醒、RSSI 定位等相關(guān)功能，具備多種封裝，其中QFN24 封裝尺寸只有4 mm×4 mm，適合微型化應(yīng)用。

2.2 能量采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

能量采集系統(tǒng)較為普遍的采集能量源有太陽能、熱能、振動(dòng)、射頻等，利用光伏原理將通過太陽能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔苁禽^為主流的能量采集技術(shù)。由于光伏板要求定期維護(hù)保持清潔便于接收光線能量，不適用于畜禽的耳標(biāo)場景；射頻能量需要相應(yīng)的射頻信號發(fā)射裝置，采集設(shè)備與射頻源要保持適當(dāng)空間距離，不適用于畜牧業(yè)的多變環(huán)境。

耳標(biāo)放置于畜禽的運(yùn)動(dòng)部位，可以考慮采用振動(dòng)能量采集，將振動(dòng)的機(jī)械能通過能量轉(zhuǎn)化裝置轉(zhuǎn)化為電能，將電能通過電源管理芯片存儲(chǔ)于儲(chǔ)能器件。該裝置不需要與外界進(jìn)行接觸，因此可以設(shè)計(jì)在密封的空間，采用該裝置的RFID 耳標(biāo)可以達(dá)到IP68 防護(hù)等級，隔絕雨水塵土，適應(yīng)畜牧的復(fù)雜氣候環(huán)境要求。利用壓電式或者磁電式原理進(jìn)行振動(dòng)能量采集，是比較成熟的方式。

能量采集系統(tǒng)的核心在于電源管理，能量管理設(shè)計(jì)如圖2。該系統(tǒng)既要對能量生成裝置生成的不穩(wěn)定的電能進(jìn)行整流升壓，輸入到儲(chǔ)能元件及低功耗設(shè)備。同時(shí)又要負(fù)責(zé)在采集能量不足時(shí)將儲(chǔ)能元件的電能輸出到低功耗設(shè)備。采用Linear 公司專用的電源管理芯片LTC3588-1。該芯片可以采集機(jī)電能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的電能，輸出3.3 V 的電壓驅(qū)動(dòng)nRF24LE1，可以將多余電能存儲(chǔ)在電容器緩沖系統(tǒng)電壓波動(dòng)。具備低功耗的休眠喚醒機(jī)制，配合nRF24LE1，可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)級的低功耗優(yōu)化［5］。

圖2 能量采集系統(tǒng)

2.3 休眠-喚醒功能

采用休眠-喚醒功能以實(shí)現(xiàn)低功耗設(shè)計(jì)，既滿足設(shè)備實(shí)現(xiàn)基本功能，又降低設(shè)備的電源需求，對產(chǎn)品的輕量化、尺寸微型化及成本低廉化，起到關(guān)鍵的作用。對于畜禽耳標(biāo)這類產(chǎn)品，低成本、微型化、免維護(hù)是其應(yīng)用推廣的基礎(chǔ)，通過軟硬件方式進(jìn)行低功耗的優(yōu)化設(shè)計(jì)極為重要。主流的低功耗設(shè)計(jì)有芯片制程工藝改進(jìn)、休眠-喚醒模式等。其中休眠喚醒功能較為適用于主動(dòng)RFID 數(shù)據(jù)采集。RFID 數(shù)據(jù)采集對實(shí)時(shí)性要求較低，定期啟動(dòng)的方式可以滿足其要求，將設(shè)備由全天候工作的方式改進(jìn)為全天候休眠、定期間斷喚醒的方式，可以較大程度地降低設(shè)備功耗。

nRF24LE1 在休眠-喚醒模式的設(shè)計(jì)上較為先進(jìn)，根據(jù)其芯片內(nèi)部不同外設(shè)的開閉狀態(tài)，分為發(fā)送、接收、待命II、待命I、關(guān)閉5 種狀態(tài)。發(fā)送狀態(tài)功耗最高，關(guān)閉狀態(tài)功耗最低，5 種狀態(tài)的功耗依次減少。正常工作于待命I 狀態(tài)，通過循環(huán)定時(shí)啟動(dòng)的方式降低平均功耗。在待命I 狀態(tài)下會(huì)根據(jù)不同的觸發(fā)信號，完成從待命I狀態(tài)到發(fā)送、接收、待命II及關(guān)閉狀態(tài)的切換。

通過nRF24LE1 實(shí)現(xiàn)RF 發(fā)射功率控制技術(shù)，在滿足讀取設(shè)備較低接收信號功率的條件下，進(jìn)一步降低耳標(biāo)設(shè)備的功耗。應(yīng)用nRF24LE1 將RF 發(fā)射功率從0 dBm 降低到-18 dBm，對應(yīng)的驅(qū)動(dòng)電流從11.1 mA 降低到6.8 mA。通過對讀取設(shè)備配置更大尺寸的接收天線等方式，可以接收耳標(biāo)發(fā)出更低功率的射頻信號。

2.4 畜碼對應(yīng)功能

RSSI 全稱接收信號強(qiáng)度指示，是物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中室內(nèi)定位的主流技術(shù)。該技術(shù)的原理是，信號在開放空間中進(jìn)行傳播，信號強(qiáng)度隨著傳播距離逐漸衰減，據(jù)此進(jìn)行空間距離的測量。RSSI 測距只需要2個(gè)設(shè)備，發(fā)射測量信號的設(shè)備（簡稱信標(biāo)）和接收測量信號的設(shè)備（定位主體）。信標(biāo)往往只負(fù)責(zé)信號的發(fā)送，距離測量在定位主體設(shè)備中實(shí)現(xiàn)。

畜碼對應(yīng)功能借鑒RSSI 相關(guān)技術(shù)原理實(shí)現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)方式略有改進(jìn)，讀取設(shè)備在應(yīng)用場景中，既具備信標(biāo)的功能，又具備根據(jù)有源RFID 信號強(qiáng)度信息進(jìn)行對比統(tǒng)計(jì)的邊緣計(jì)算功能。該應(yīng)用場景只需要尋找與讀取設(shè)備最近的畜禽，只需在信號強(qiáng)度參數(shù)上進(jìn)行比對，無需進(jìn)行距離換算和距離-場強(qiáng)標(biāo)定，技術(shù)應(yīng)用難度得以降低。

nRF24LE1 芯片采集測量接收到的讀取設(shè)備發(fā)送射頻信號，將測量值存儲(chǔ)在內(nèi)部的RPD 寄存器，通過CPU 讀取寄存器的耳標(biāo)編碼數(shù)值，作為一個(gè)數(shù)據(jù)幀，發(fā)送至讀取設(shè)備。

2.5 實(shí)現(xiàn)電路

采用SoC 方案電路結(jié)構(gòu)簡單，主要分兩大部分：nRF24LE1 核心和電源管理。

nRF24LE1 核心電路如圖3 所示，其外圍電路主要包含16 MHz 的無源晶振提供MCU 時(shí)鐘信號；多個(gè)去耦電容保證芯片穩(wěn)定工作，減少電源紋波；配置多個(gè)電感提高射頻天線效率。

圖3 nRF24LE1 核心電路

電源管理采用LTC3588-1 電源管理電路［6］，如圖4 所示。 PZ1 與PZ2 管腳接入振動(dòng)能量采集裝置，采用壓電采集裝置。采集能量經(jīng)過電源管理芯片，由Vout 管腳輸出3.3 V 電壓與核心電路的VCC_nRF 連接，提供核心電路穩(wěn)定的電源。配置47 uF 的電容，作為電源儲(chǔ)能緩沖器件?？蛇x配置9 V 電池作為備用能源，避免供電缺失。

圖4 電源管理電路

3 小結(jié)

畜禽編碼信息的采集在畜牧養(yǎng)殖資產(chǎn)監(jiān)管、身份識(shí)別、溯源、生產(chǎn)全流程監(jiān)控等方面有較多應(yīng)用，是畜牧業(yè)向集約化、規(guī)?；l(fā)展必須實(shí)現(xiàn)的功能。無需人工參與的自動(dòng)化畜禽編碼采集在現(xiàn)代畜牧業(yè)的發(fā)展中尤為重要。采用有源RFID 耳標(biāo)方案，配合振動(dòng)發(fā)電能量采集裝置，對比無源RFID 耳標(biāo)，解決了有源RFID 在尺寸上以及維護(hù)上的缺點(diǎn)，采用RS?SI 技術(shù)完善了自動(dòng)辨識(shí)條件下畜碼對應(yīng)功能，發(fā)揮自動(dòng)化無人工干預(yù)的優(yōu)點(diǎn)，是規(guī)?；竽量梢圆捎玫牡统杀?、可操作性強(qiáng)的方案。

借助有源RFID 能量自動(dòng)采集、休眠喚醒、RSSI距離測量等相關(guān)技術(shù)，構(gòu)建畜禽耳標(biāo)自動(dòng)化識(shí)別的低成本、易實(shí)施的解決方案，從而為畜牧業(yè)信息系統(tǒng)的建立，構(gòu)建了數(shù)據(jù)采集的硬件基礎(chǔ)。