基于RFID动物跟踪管理系研究与应用

　　目前，人们对肉类食品、奶制品的需求量日益增加：与此同时，人们也越来越关注这些产品质量的可靠性，这给一些企业提出了一个新的挑战，要求企业有一个完整的管理体系对这些产品的生产、加工过程进行严格的监督与控制。然而，近十多年来，全世界的动物疫情不断爆发，如疯牛病、猪链球菌、口蹄疫、禽流感等，给人民的身体健康和生命带来严重威胁，也沉重地打击了全世界的畜牧业，从而引起了世界各国的高度重视。为此，各国政府迅速制定相应的政策和采取各种措施，加强对动物的监控管理，其中对动物的识别与跟踪成为这些重大措施之一。例如，英国政府就规定对猪、马、牛、绵羊与山羊等饲养动物都必须采取各种跟踪与识别手段。

　　本系统研究的目的在于应用RFID（Radio Frequency Identification）技术，建立一个完整、灵活、便捷的管理系统，提高养猪场的现代化管理水平；同时，在猪肉及其制品出现问题时，方便管理人员迅速找出病源，从而做出相应的处理，避免损失的扩大。 射频识别即RFID（Radio Frequency IDentification）技术，又称电子标签、无线射频识别，是一种通信技术，可通过无线电讯号识别特定目标并读写相关数据，而无需识别系统与特定目标之间建立机械或光学接触。

　　射频识别技术（Radio Frequency Identification,缩写RFID），射频识别技术是20世纪90年代开始兴起的一种自动识别技术，射频识别技术是一项利用射频信号通过空间耦合（交变磁场或电磁场）实现无接触信息传递并通过所传递的信息达到识别目的的技术。

　　从信息传递的基本原理来说，射频识别技术在低频段基于变压器耦合模型（初级与次级之间的能量传递及信号传递），在高频段基于雷达探测目标的空间耦合模型（雷达发射电磁波信号碰到目标后携带目标信息返回雷达接收机）。1948年哈里斯托克曼发表的"利用反射功率的通信"奠定了射频识别技术的理论基础。

　　1 系统的结构与工作原理

　　基于 RFID的动物识别与跟踪管理系统由RFID射频卡、读写器和计算机网络三部分组成，见图1.读写器一般作为计算机终端，用来实现对RFID射频卡的数据读写和存储，它是由控制单元、高频通讯模块和天线组成。本系统中读写器包括固定式和手持式两种。RFID卡则是一种无源的应答器，它主要由一块集成电路 （1C）芯片及其外接天线组成，RFID芯片通常集成有射频前端、逻辑控制、存储器等电路，有的甚至将天线一起集成在同一芯片上。

　　图1 基于RFID的动物识别系统结构

　　本系统的基本工作原理是：当带有"耳钉"（RFID卡）的猪进入读写器的射频场后，由其天线获得的感应电流经升压电路升压后作为芯片的电源，同时将带信息的感应电流通过射频前端电路检得数字信号送入逻辑控制电路进行信息处理；所需回复的信息则从存储器中获取经由逻辑控制电路送回射频前端电路，通过天线发回给读写器。

　　不同频段的RFID产品会有不同的特性，下面详细介绍无源的感应器在不同工作频率产品的特性以及主要的应用。目前定义RFID产品的工作频率有低频、高频和超高频的频率范围内的符合不同标准的不同的产品，而且不同频段的RFID产品会有不同的特性。其中感应器有无源和有源两种方式，下面详细介绍无源的感应器在不同工作频率产品的特性以及主要的应用。

　　计算机网络通过接口获取养殖场里猪的信息，并集养猪场日常管理需要的基本功能为一体，将养猪场日常管理所涉及的各种记录、统计、报表等原来用手工完成的工作全部实现计算机管理。系统基本满足了养猪场目前生产管理的需要，从宏观决策上提供信息，便于管理者及时、准确地了解养猪场的管理状况，提高了现代化管理水平。

　　2 系统硬件设计

　　本系统中硬件电路的实现包括：猪"耳钉"（RFID卡）的安装、标签读写器的实现以及计算机网络的组建三部分。

　　2.1"耳钉"（RFID卡）的安装

　　目前，给动物安装电子标签的基本方法有颈圈式、耳牌（钉）式、注射式和药丸式电子标签，各种标签有它自己的特点和适用范围。颈圈式标签的成本太高，而注射式标签和药丸式标签对猪这种动物又不合适，所以本系统中采用的是"耳钉"式电子标签。耳钉"式射频卡里存储的信息有：养猪场所在乡镇的地址、邮政编码、品种信息、耳钉佩戴日期、检疫与免疫信息、疾病信息、家谱及繁殖信息、出栏日期等，所有这些信息必须涵盖这头猪从出生后的整个生命周期，以便于对猪进行识别跟踪与管理。

　　读写器即 射频标签读写设备是射频识别系统的两个重要组成部分（标签与读写器）之一。射频标签读写设备根据具体实现功能的特点也有一些其他较为流行的别称，如：阅读器（Reader），查询器（Interrogator），通信器（Communicator），扫描器（Scanner），读写器（Reader and Writer），编程器（Programmer），读出装置（Reading Device），便携式读出器（Portable Readout Device），AEI设备（ Automatic Equipment Identification Device）等。 通常情况下，射频标签读写设备应根据射频标签的读写要求以及应用需求情况来设计。随着射频识别技术的发展，射频标签读写设备也形成了一些典型的系统实现模式，本章的重点也在于介绍这种读写器的实现原理。 从基本的原理角度出度，射频标签读写设备一般均遵循如图所示的基本模式。

　　读写器即对应于射频标签读写设备，读写设备与射频标签之间必然通过空间信道实现读写器向射频标签发送命令，射频标签接收读写器的命令后做出必要的响应，由此实现射频识别。此外，在射频识别应用系统中，一般情况下，通过读写器实现的对射频标签数据的无接触收集或由读写器向射频标签中写入的标签信息均要回送的应用系统中或来自应用系统，这就形成了射频标签读写设备与应用系统程序之间的接口API（Application Program Interface）。一般情况下，要求读写器能够接收来自应用系统的命令，并且根据应用系统的命令或约定的协议作出相应的响应（回送收集到的标签数据等）。 读写器本身从电路实现角度来说，又可划分为两大部分，即：射频模块（射频通道）与基带模块。 射频模块实现的任务主要有两项，项是实现将读写器欲发往射频标签的命令调制（装载）到射频信号（也称为读写器/射频标签的射频工作频率）上，经由发射天线发送出去。发送出去的射频信号（可能包含有传向标签的命令信息）经过空间传送（照射）到射频标签上，射频标签对照射的其上的射频信号作出响应，形成返回读写器天线的反射回波信号。

　　本系统中使用的RFID标签读写器有两种：一种是固定式读写器；另一种是手持式读写器，见图2.固定式读写器与手持式读写器的主要区别是：手持式读写器能够在读取大量的RFID标签信息后，使这些信息通过pc机的USB接口或COM口输入到系统的软件平台中。固定式读写器被安装在猪舍的某一固定位置，可以通过CAN总线网络与软件平台实时进行数据和信息交换。手持式读写器的使用十分方便，在集中读取RFID标签信息后然后才与Pc机进行数据交换。由于篇幅的限制，本文中只给出了固定式读写器的原理框图，见图3.其中各模块的功能如下：

　

图2 系统网络结构图

　　图3 固定式读写器框图

　　（1）MCU可以采用16位单片机，嵌入式软件平台采用C语言编写。MCU中固件负责整个读写器对RFID标签的识别与读写控制工作，以及与软件平台通过CAN网络进行通信和数据处理工作。LCD点阵显示模块作为软件平台的一个辅助显示终端。

　　（2）CAN网络控制模块：CAN总线网络在波特率为9600时通信距离达到1.5krn,通信物理传输媒介简单。只需两芯双绞线及可组成总线网络，CAN总线网络在双绞线上传送的物理信号是差分电压信号，抗干扰能力强，传输距离远，通过CAN网络控制模块的控制能以多主机方式通信。CAN网络控制模块负责网络状态监控和网络通信仲裁等工作，使总线网络通信实现无阻塞地工作。

　　（3）900MHz RF信号处理模块：负责对 900MHz的射频信号进行调制和解调工作，并通过900MHz的无线电波对RFID标签进行读写控制，对900MHz RF信号处理模块能通过发射能量的控制来控制RFID标签识别的感应距离，并使用反碰撞技术可以识别感应区内的多个RFID标签。该模块与MCU主控单元通过并口连接，MCU可以通过命令控制该模块进行处理工作。

　　（4）读写器可以对多个RFID标签进行读写处理，并能设置RFID标签的读写距离和方向，读写器能自行判断RFID标签是否被重复读写处理。

　　2.3 系统网络结构的实现

　　本系统网络结构见图2.系统中手持式读写器通过PC工作站的USB口和HUB集线器与数据库服务器进行数据交换。而固定式阅读器则通过CAN总线网络和PC工作站相连，然后通过HUB与数据服务器通信。

　　3 系统软件设计

　　为了有效地采用现代化管理方法，合理的组织生产，我们对养猪场内的物流活动进行仔细的需求分析。通过对某现代化养猪场的调查，养猪场内的管理对象不仅有猪，还有猪肉及其制品，饲料、员工等，因此，本系统设置了9大功能各模块：即系统管理、猪只维护管理、生长发育管理、饲养管理、繁殖管理、疾病管理、防疫管理、跟踪信息查询和养猪场资料管理，各模块功能见图4.

　　整个系统平台采用C/5技术，数据库使用SQLServer2000,处理系统内部事务。前端开发平台采用Delphi6.0设计，系统采用多线程技术，可以实现对养猪场内RFID标签读写器使用状况的监测。系统通过几个月的运行，情况良好，基本上达到了预期的要求。

　　4 结束语

　　我国是一个农业大国，畜牧产品在国内外市场的流通领域中具有重要的地位。电子标签将成为我国畜牧产品进入国内外市场的"身份证".电子标签国家标准的推出和电子标签的广泛应用将大大提高我国畜牧产品物流管理能力、质量监督能力、可跟踪能力以及国际贸易中的竞争力，同时也有利于规范和净化畜牧产品市场。

　　近几年，我国因为动物及其产品造成自勺重大疫情时有发生，由于地域广阔、人口众多、人员和物资的流动性大，造成的危害非常巨大，制止疫情需要的时间长、付出的代价很大。生产安全、卫生、合格的绿色畜禽产品。因此，在对动物的识别与跟踪管理中进一步研究和使用RFID技术，将能促进我国的畜牧业向更高层次发展。

　　图4 基于RFID的养猪场管理信息系统

  

参考文献:

[1]. COM datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/COM_1118194.html.