蔣 芳，茅晨曉，柏 娜

（安徽大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，安徽 合肥 230601）

隨著RFID（Radio Frequency Identification）[1-3]、物聯(lián)網(wǎng)[4]和大數(shù)據(jù)的運(yùn)用，信息化養(yǎng)殖得到了長(zhǎng)足發(fā)展，但是國(guó)內(nèi)奶牛養(yǎng)殖的規(guī)?；托畔⒒芾硭饺耘c國(guó)外有較大差距。一系列精準(zhǔn)養(yǎng)殖的設(shè)備和解決方案被以色列Afikim等公司所壟斷，國(guó)內(nèi)平均每1 000頭奶牛需要35名管理人員，而以色列和歐洲等發(fā)達(dá)國(guó)家僅為5名。目前國(guó)內(nèi)奶牛主要以中國(guó)荷斯坦奶牛為主，存欄量在1 600萬頭左右[5]，但是大型集約化養(yǎng)殖場(chǎng)仍然較少，因此需要大力推進(jìn)和開展信息化養(yǎng)殖設(shè)備的鋪設(shè)和信息化養(yǎng)殖系統(tǒng)的搭建。文獻(xiàn)[1-3]中提及的電子耳標(biāo)大多僅用于奶牛身份識(shí)別，文獻(xiàn)[6]作者基于ZigBee技術(shù)來搭建大棚農(nóng)業(yè)智慧系統(tǒng)。本文設(shè)計(jì)的電子耳標(biāo)包含RFID電子標(biāo)簽、計(jì)步傳感器和ZigBee終端，用于替代Afikim等公司的昂貴解決方案，其系統(tǒng)設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框架

奶牛的健康狀況和發(fā)情狀態(tài)影響其產(chǎn)奶量，可以通過監(jiān)測(cè)奶牛的運(yùn)動(dòng)量并通過算法判斷得到，且計(jì)步器可用于檢測(cè)奶牛的運(yùn)動(dòng)步數(shù)并量化奶牛運(yùn)動(dòng)量。牧場(chǎng)的信息化管理依托ZigBee無線通信技術(shù)，搭建基于星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的ZigBee網(wǎng)絡(luò)，終端設(shè)備接收信號(hào)并發(fā)送到數(shù)據(jù)平臺(tái)，同時(shí)牧場(chǎng)配備聲音采集裝置和圖像識(shí)別裝置。圖像識(shí)別技術(shù)分析奶牛的身體關(guān)鍵部位，結(jié)合來自電子耳標(biāo)的數(shù)據(jù)和奶牛叫聲聲譜分析，綜合分析奶牛健康狀況，從而進(jìn)行BCS（Body Condition Scoring）評(píng)分，對(duì)奶牛群體管理做出決策。

1 GJB7377.1標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議與電子標(biāo)簽數(shù)字基帶

1.1 空中接口協(xié)議參數(shù)

RFID標(biāo)簽的數(shù)字基帶基于GJB7377.1協(xié)議設(shè)計(jì)，用以標(biāo)識(shí)牧場(chǎng)中的奶牛個(gè)體并可用于溯源奶牛信息，表1中列出了協(xié)議相關(guān)參數(shù)。采用的TPP編碼格式是對(duì)于傳統(tǒng)PIE[7]編碼方式的改進(jìn)，將閱讀器發(fā)送的數(shù)據(jù)視為隨機(jī)信號(hào)，則TPP編碼信號(hào)符合馬爾科夫過程[8]，其功率譜密度為

表1 國(guó)家軍用標(biāo)準(zhǔn)GJB7377.1協(xié)議參數(shù)

可以得到其第一零點(diǎn)帶寬內(nèi)包含了大于90%的能量。在相同碼速率下，單個(gè)TPP碼元的平均能量高于PIE 碼元。相同信號(hào)帶寬下，TPP 編碼相比PIE 編碼具有更高的碼速率。

RFID標(biāo)簽由標(biāo)簽天線和標(biāo)簽芯片兩部分組成，數(shù)字基帶是標(biāo)簽芯片中最重要的模塊。超高頻（920-925 MHz）電子標(biāo)簽所設(shè)計(jì)的芯片面積可以很小[9]，能有效降低電子耳標(biāo)內(nèi)部空間的占用。當(dāng)電子標(biāo)簽芯片靠近閱讀器，電子標(biāo)簽天線接收來自閱讀器的射頻信號(hào)并從中獲取能量供標(biāo)簽初始化以及響應(yīng)工作。牧場(chǎng)中的每一頭奶牛擁有各自唯一的編號(hào)并存儲(chǔ)在芯片存儲(chǔ)器中，當(dāng)標(biāo)簽時(shí)再次使用，內(nèi)部信息可以被擦除并再次寫入。

1.2 數(shù)字基帶設(shè)計(jì)

數(shù)字基帶作為標(biāo)簽中的核心部分，采用模塊化的設(shè)計(jì)架構(gòu)，分為12個(gè)模塊[10]，包括初始化模塊、解碼模塊、命令檢測(cè)模塊、接收模塊、CRC校驗(yàn)?zāi)K、標(biāo)簽狀態(tài)跳轉(zhuǎn)模塊、發(fā)送模塊、編碼模塊、隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生模塊、MTP存儲(chǔ)器控制模塊、分頻模塊和功耗管理模塊。

標(biāo)簽中的數(shù)字基帶處理來自模擬射頻前端解調(diào)得到的數(shù)據(jù)，首先進(jìn)行解碼，分頻模塊根據(jù)載波信號(hào)將頻率分割，作為時(shí)鐘信號(hào)用于解碼模塊的信號(hào)長(zhǎng)度檢測(cè)。在GJB7377.1 協(xié)議中，前向數(shù)據(jù)鏈路采用TPP編碼方式，根據(jù)其數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)，需要先檢測(cè)到前導(dǎo)碼才能開始對(duì)數(shù)據(jù)幀內(nèi)容進(jìn)行解碼。對(duì)于TPP編碼格式，其前導(dǎo)碼由一段12.5 μs的低電平信號(hào)作為分隔符，緊接著由兩個(gè)符號(hào)長(zhǎng)度為3:2的校準(zhǔn)符組成，根據(jù)協(xié)議規(guī)定，校準(zhǔn)符一和校準(zhǔn)符二的長(zhǎng)度分別為6 Tc和4 Tc，一般Tc為6.25 μs，根據(jù)下面的公式得到三個(gè)參考時(shí)間用于TPP數(shù)據(jù)解碼，其中N_cal1和N_cal2分別是兩個(gè)校準(zhǔn)符的長(zhǎng)度。

每個(gè)TPP碼元由一段低電平作為終止信號(hào)，時(shí)鐘信號(hào)檢測(cè)兩個(gè)相鄰上升沿脈沖的時(shí)間間隔即可得到單個(gè)TPP碼元信號(hào)的長(zhǎng)度，解碼過程如圖2 所示。每完成一個(gè)符號(hào)的解碼，就產(chǎn)生一個(gè)脈沖信號(hào)clk_tpp，并用于命令檢測(cè)模塊和接收模塊，同時(shí)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行CRC校驗(yàn)。

圖2 TPP解碼過程

CRC 校驗(yàn)?zāi)K基于16 位的線性反饋移位寄存器（LFSR）設(shè)計(jì)，選擇CRC16 校驗(yàn)生成的多項(xiàng)式為

當(dāng)數(shù)據(jù)的CRC校驗(yàn)結(jié)果無誤，則認(rèn)為接收到的信息dec_data正確，將數(shù)據(jù)發(fā)送至命令檢測(cè)模塊，為方便后續(xù)模塊調(diào)用，檢測(cè)模塊將命令重新編碼為5 bit長(zhǎng)度的信號(hào)，并根據(jù)接收到的5 bit長(zhǎng)度命令控制標(biāo)簽狀態(tài)的跳轉(zhuǎn)。標(biāo)簽跳轉(zhuǎn)狀態(tài)劃分為7個(gè)狀態(tài)，分別為準(zhǔn)備、仲裁、應(yīng)答、鑒別、開放、安全和滅活7個(gè)狀態(tài)，其跳轉(zhuǎn)順序如圖3所示。存儲(chǔ)器信息的讀取發(fā)生在應(yīng)答狀態(tài)，在數(shù)據(jù)發(fā)送完成時(shí)，標(biāo)簽開始判斷是否需要安全鑒別，經(jīng)過安全狀態(tài)后，標(biāo)簽被滅活，等待下一次上電工作。偽隨機(jī)數(shù)用于防碰撞算法中篩選特定的標(biāo)簽進(jìn)行通信。偽隨機(jī)數(shù)同樣采用線性反饋移位寄存器設(shè)計(jì)，由標(biāo)簽初始化時(shí)奶牛身份碼的CRC校驗(yàn)結(jié)果作為寄存器的初始值。

圖3 標(biāo)簽狀態(tài)轉(zhuǎn)圖

LFSR內(nèi)部采用異或結(jié)構(gòu)，其輸出結(jié)果的變化規(guī)律取決于反饋節(jié)點(diǎn)的設(shè)置。16位LFSR具有最大216個(gè)不同狀態(tài)，考慮到若初始值為16’h0000時(shí)，二進(jìn)制數(shù)與0異或仍是其本身，下一次的迭代結(jié)果較當(dāng)前的結(jié)果不會(huì)發(fā)生變化，因此寄存器會(huì)進(jìn)入無限循環(huán)，應(yīng)避免這種狀況，故理想的最大輸出狀態(tài)為216-1。使得最大輸出狀態(tài)數(shù)為216-1的多項(xiàng)式需要是本原多項(xiàng)式，本文選擇抽頭位置為[15,4,2,1]，對(duì)應(yīng)的本原多項(xiàng)式為

對(duì)應(yīng)的線性反饋移位寄存器結(jié)構(gòu)如圖4所示，最右端的一位數(shù)據(jù)作為輸出偽隨機(jī)數(shù)。每頭奶牛的身份信息用2 字節(jié)16 bit 長(zhǎng)度記錄，每頭奶牛的身份ID 唯一，該數(shù)據(jù)經(jīng)CRC16 校驗(yàn)后的校驗(yàn)碼也各不相同，將其作為16位LFSR的初始值，由此產(chǎn)生的偽隨機(jī)數(shù)用于標(biāo)簽防碰撞算法是合理的。

圖4 線性反饋移位寄存器

2 ZigBee通信

ZigBee 技術(shù)具有組網(wǎng)方式靈活、功耗極低、電池壽命長(zhǎng)和成本低的特點(diǎn)，但傳輸速率限制于（20～250）Kbps，因此常被應(yīng)用于工業(yè)控制、智慧農(nóng)業(yè)、智能家居、環(huán)境監(jiān)測(cè)、物流追蹤等需要全天候待命并且傳輸速率要求不高的場(chǎng)景，是物聯(lián)網(wǎng)的重要技術(shù)之一。其網(wǎng)絡(luò)主要有星型網(wǎng)絡(luò)、樹狀網(wǎng)絡(luò)和網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)三種形式。星型網(wǎng)絡(luò)最為簡(jiǎn)單，但覆蓋范圍有限，且易造成網(wǎng)絡(luò)堵塞，此拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)適合在低數(shù)據(jù)量和輪流傳輸?shù)膱?chǎng)景下使用；在星型網(wǎng)絡(luò)中增加路由節(jié)點(diǎn)形成樹狀網(wǎng)絡(luò)，其覆蓋范圍比星型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)大，但多級(jí)路由會(huì)導(dǎo)致高延遲，并且一個(gè)路由節(jié)點(diǎn)失靈將導(dǎo)致下級(jí)節(jié)點(diǎn)全部失聯(lián)；網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)允許不同路由節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)互相傳輸，功耗較大?？紤]到奶牛狀況數(shù)據(jù)的采集可以在一天中分批次進(jìn)行，不需要同時(shí)進(jìn)行，數(shù)據(jù)可以輪流、間斷發(fā)送，對(duì)于路由節(jié)點(diǎn)或協(xié)調(diào)器的數(shù)據(jù)流量要求不高，因此采用星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)搭建ZigBee通信網(wǎng)絡(luò)即可。采集節(jié)點(diǎn)與傳感器相連，控制節(jié)點(diǎn)與設(shè)備相連，每個(gè)采集節(jié)點(diǎn)和控制節(jié)點(diǎn)直接與匯總節(jié)點(diǎn)通信。ZigBee 模塊終端采用成都億佰特的E180-ZG120A EFR32 ZigBee 模塊，其工作頻段為2.4 GHz，內(nèi)部集成功率放大器最高發(fā)射功率20 dBm，提供完整的基于IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的ISM頻段的應(yīng)用集成方案，支持ZigBee3.0的電源管理機(jī)制。

3 計(jì)步傳感器

計(jì)步傳感器內(nèi)部核心為水銀開關(guān)。如圖5 所示，水銀在管中流動(dòng)，每晃動(dòng)一次開關(guān)就導(dǎo)通一次。牛脖子的運(yùn)動(dòng)是隨機(jī)的，因此單個(gè)方向的晃動(dòng)檢測(cè)具有較大的局限性，增加其引腳可以實(shí)現(xiàn)不同方向的檢測(cè)。在空間中選取三維坐標(biāo)用于確定其運(yùn)動(dòng)位置，因此增加引腳后能夠檢測(cè)三個(gè)坐標(biāo)軸上的數(shù)據(jù)，采用如圖5所示的單向開關(guān)以實(shí)現(xiàn)來自三個(gè)方向的震動(dòng)檢測(cè)。實(shí)際測(cè)試中，當(dāng)水銀傳感器沿著預(yù)先定義的x軸方向晃動(dòng)，x軸方向引腳的電壓會(huì)有較大波動(dòng)，而y軸和z軸方向上的引腳電壓則保持穩(wěn)定，相應(yīng)地，y軸和z軸方向上的測(cè)試也有類似結(jié)果，從而檢測(cè)耳標(biāo)在三個(gè)方向上的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。

圖5 水銀開關(guān)和單向開關(guān)。（a）水銀開關(guān)；（b）單向開關(guān)

4 設(shè)計(jì)結(jié)果

RFID標(biāo)簽數(shù)字基帶設(shè)計(jì)在ModelSim下仿真，圖6為從閱讀器到標(biāo)簽芯片的前向鏈路數(shù)據(jù)，解調(diào)后的數(shù)據(jù)被送入解碼模塊，其中dec_dem為解調(diào)后的待解碼信號(hào)，解碼得到的數(shù)據(jù)如data_dec所示。命令檢測(cè)模塊將校驗(yàn)無誤的數(shù)據(jù)重新編碼得到cmd_id，數(shù)字基帶根據(jù)命令跳轉(zhuǎn)至不同狀態(tài)，以響應(yīng)電子標(biāo)簽接收的命令。完成數(shù)據(jù)處理后得到待返回的數(shù)據(jù)，根據(jù)code_sel的參數(shù)選擇Miller或FM0編碼方式在反向鏈路中傳輸至閱讀器。歐洲用于養(yǎng)殖的電子耳標(biāo)大多低于134 KHz的低頻而高頻下的RFID穩(wěn)定性更高，2 W的閱讀器可以識(shí)別的范圍為2米[6]。如圖7所示，電子標(biāo)簽激活靈敏度最高達(dá)到-15.9 dBm，并且在925 MHz附近有-14.6 dBm，其反向散射靈敏度在對(duì)應(yīng)頻率點(diǎn)也達(dá)到了-12 dBm。超高頻RFID電子標(biāo)簽在（920-925）MHz頻率下工作半徑在8米內(nèi)[8]，實(shí)際測(cè)試結(jié)果發(fā)現(xiàn)其讀距離能達(dá)到5米，寫距離大于2米，用于奶牛養(yǎng)殖完全可行。

圖6 ModelSim下的RTL仿真波形

圖7 標(biāo)簽靈敏度測(cè)試。（a）激活靈敏度測(cè)試；（b）反向散射靈敏度測(cè)試

采用TSMC 180 nm工藝和Flip Chip封裝，數(shù)字基帶芯片面積為0.541 mm2，標(biāo)簽實(shí)物如圖8所示。

圖8 奶牛耳標(biāo)實(shí)物圖

5 結(jié)論

為實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代牧場(chǎng)奶牛的信息化養(yǎng)殖和科學(xué)管理，提高國(guó)內(nèi)奶牛養(yǎng)殖的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力，本文提出的電子耳標(biāo)在超高頻RFID技術(shù)基礎(chǔ)上，結(jié)合ZigBee技術(shù)，用于搭建輔助奶牛營(yíng)養(yǎng)健康檢測(cè)系統(tǒng)，目標(biāo)在于替代Afikim等公司的昂貴解決方案，從而降低牧場(chǎng)養(yǎng)殖成本。

利用電子標(biāo)簽芯片RFID技術(shù)，存儲(chǔ)并識(shí)別出牧場(chǎng)中每一頭奶牛的編號(hào)信息，且基于水銀震動(dòng)傳感器為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的運(yùn)動(dòng)計(jì)步器用于奶牛身體狀況檢測(cè)。ZigBee技術(shù)將奶牛數(shù)據(jù)匯總至數(shù)據(jù)管理平臺(tái)，編碼中設(shè)置flag標(biāo)志位與奶牛ID 對(duì)應(yīng)，奶牛的ID 信息從閱讀器中經(jīng)ZigBee 上傳，在處理數(shù)據(jù)時(shí)，將對(duì)應(yīng)的步數(shù)數(shù)據(jù)映射到奶牛ID 信息下，完成數(shù)據(jù)匹配，根據(jù)奶牛運(yùn)動(dòng)狀態(tài)檢測(cè)算法，配合圖像識(shí)別和聲譜分析技術(shù)，綜合評(píng)價(jià)得到奶牛個(gè)體的體況評(píng)分?jǐn)?shù)值并且將其映射到當(dāng)前奶牛群體，有的放矢地配給飼料、診斷、精準(zhǔn)養(yǎng)殖并提高效率?；诮y(tǒng)一協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)的信息化養(yǎng)殖系統(tǒng)打破了不同系統(tǒng)數(shù)據(jù)不兼容而導(dǎo)致的數(shù)據(jù)孤島問題，也給數(shù)據(jù)反饋、優(yōu)化算法實(shí)現(xiàn)和提升系統(tǒng)效率打下了良好的基礎(chǔ)。

本文設(shè)計(jì)的電子耳標(biāo)能夠滿足奶牛智慧養(yǎng)殖的需求，并且其設(shè)計(jì)成本僅為Afikim公司解決方案費(fèi)用的十分之一，大大降低了牧場(chǎng)管理成本。此外，對(duì)于如何優(yōu)化計(jì)步器以進(jìn)一步提高其步數(shù)計(jì)算準(zhǔn)確性，如何在ZigBee自組網(wǎng)中進(jìn)一步提升數(shù)據(jù)傳輸?shù)男?、提升圖像識(shí)別精確度、優(yōu)化奶牛聲譜分析算法，從而給出一個(gè)更加精準(zhǔn)的奶牛健康評(píng)測(cè)標(biāo)準(zhǔn)，有待進(jìn)一步研究。