無線動(dòng)物識(shí)別和跟蹤管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

 引言

瘋牛病、口蹄疫、禽流感和人-豬鏈球菌等動(dòng)物疾病在全世界范圍內(nèi)發(fā)生之后，人們?cè)絹碓街匾晫?duì)動(dòng)物疾病的控制、監(jiān)督和預(yù)防。其中，動(dòng)物監(jiān)管的重要措施之一是對(duì)動(dòng)物的飼養(yǎng)、運(yùn)輸、屠宰及其產(chǎn)品的加工和流通等環(huán)節(jié)實(shí)施全過程、全方位的有序管理和監(jiān)控。

動(dòng)物身份識(shí)別的實(shí)踐表明，射頻識(shí)別(RFID)在動(dòng)物管理中起著越來越重要的作用。RFID利用射頻通信實(shí)現(xiàn)的非接觸式自動(dòng)識(shí)別，通過射頻信號(hào)自動(dòng)識(shí)別目標(biāo)對(duì)象并獲取相關(guān)數(shù)據(jù)，識(shí)別工作無須人工干預(yù)，可工作于各種惡劣環(huán)境，以跟隨動(dòng)物生長的整個(gè)過程。開發(fā)一個(gè)性能優(yōu)異的RFID系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)物識(shí)別與跟蹤具有十分重要的意義，本文提出了基于EM4469的設(shè)計(jì)方案，以滿足人對(duì)動(dòng)物的非接觸管理、戶外長時(shí)間和低功耗的動(dòng)物識(shí)別和跟蹤中的各種要求。

系統(tǒng)組成及工作原理

系統(tǒng)的組成

基于RFID技術(shù)的動(dòng)物識(shí)別和跟蹤管理系統(tǒng)主要由射頻電子標(biāo)簽、便攜式手持讀寫器以及計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)及數(shù)據(jù)庫管理軟件組成。系統(tǒng)組成如圖1所示。

(1)射頻電子標(biāo)簽。在本設(shè)計(jì)中，射頻電子標(biāo)簽即為內(nèi)嵌EM4469射頻芯片的動(dòng)物用耳標(biāo)。用于記錄動(dòng)物的ID、基本生長信息、免疫、檢疫信息以及其他管理信息。每個(gè)射頻電子標(biāo)簽都有自己唯一的編碼，在動(dòng)物身體上進(jìn)行標(biāo)識(shí)。射頻電子標(biāo)簽具有智能讀寫和加密通信的功能，通過無線電波與便攜式手持讀寫器進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。EM4469是無源的射頻芯片，工作所需要的全部能量來自于便攜式手持讀寫器。

(2)便攜式手持讀寫器。實(shí)現(xiàn)對(duì)射頻標(biāo)簽EM4469的ID號(hào)識(shí)別、密碼修改以及用戶數(shù)據(jù)的讀寫操作。主要由天線、無線收發(fā)模塊、控制模塊以及接口電路組成。

(3)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)及數(shù)據(jù)庫管理軟件。主要實(shí)現(xiàn)與便攜式手持讀寫器的相互通信以及數(shù)據(jù)信息的交換，從而將獲得的動(dòng)物相關(guān)信息及各種記錄、統(tǒng)計(jì)報(bào)表等內(nèi)容保存在數(shù)據(jù)庫中，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的計(jì)算機(jī)管理。

系統(tǒng)工作原理

當(dāng)便攜式手持讀寫器準(zhǔn)備讀射頻電子標(biāo)簽時(shí)，讀寫器會(huì)發(fā)射固定頻率的電磁波，從而在讀寫器的天線周圍產(chǎn)生高頻的交變磁場。當(dāng)帶有RFID射頻電子標(biāo)簽的動(dòng)物進(jìn)入便攜式手持讀寫器發(fā)射的射頻場范圍內(nèi)時(shí)，射頻電子標(biāo)簽中的天線會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流，并經(jīng)內(nèi)部升壓電路升壓后作為射頻芯片EM4469的電源，使其進(jìn)入工作狀態(tài)。EM4469的數(shù)據(jù)解壓器不斷探測來自天線端的信號(hào)，將帶有信息的感應(yīng)電流進(jìn)行解碼，并提取數(shù)字信號(hào)進(jìn)入邏輯控制電路進(jìn)行信息處理，最后發(fā)送給便攜式手持讀寫器。讀寫器讀取信息并解碼后，將其送至信息系統(tǒng)進(jìn)行相關(guān)的數(shù)據(jù)處理并保存。寫標(biāo)簽時(shí)，讀寫器把處理后的信息重新寫入EM4469芯片中。

當(dāng)有多個(gè)射頻電子標(biāo)簽進(jìn)入便攜式手持讀寫器的射頻場時(shí)，由于EM4469具有防沖突認(rèn)證機(jī)制，使得便攜式手持讀寫器在識(shí)讀范圍內(nèi)只保留一個(gè)射頻電子標(biāo)簽處于活動(dòng)狀態(tài)和數(shù)據(jù)通信狀態(tài)。

系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)以動(dòng)物身份識(shí)別和跟蹤為目的，應(yīng)用RFID技術(shù)進(jìn)行射頻發(fā)射及讀寫系統(tǒng)的相關(guān)硬件設(shè)計(jì)，其中主要包括射頻電子標(biāo)簽和便攜式手持讀寫器的設(shè)計(jì)兩大部分。

射頻電子標(biāo)簽的選擇

目前，用于動(dòng)物識(shí)別的電子標(biāo)簽形式主要有耳釘式、項(xiàng)圈式、植入式和藥丸式，這幾種形式各有其特點(diǎn)和適用范圍。本系統(tǒng)采用耳釘式射頻電子標(biāo)簽簡稱耳標(biāo)，它具有存儲(chǔ)數(shù)據(jù)多、抗污以及防水等特點(diǎn)。

使用專用耳標(biāo)鉗將內(nèi)嵌EM4469射頻卡的耳標(biāo)釘穿入動(dòng)物耳朵，并用耳標(biāo)帽固定。耳標(biāo)釘中存儲(chǔ)動(dòng)物出生以后的整個(gè)生命周期的相關(guān)信息，這些信息可用便攜式手持讀寫器進(jìn)行讀寫。

射頻電子標(biāo)簽的選擇

射頻電子標(biāo)簽通過射頻電路檢測到便攜式手持讀寫器發(fā)出的信號(hào)后進(jìn)行解調(diào)，再把有效信息傳輸給標(biāo)簽內(nèi)的單片機(jī);而便攜式手持讀寫器接收數(shù)據(jù)信息的過程剛好與發(fā)送時(shí)相反，即射頻電子標(biāo)簽要對(duì)發(fā)送的信號(hào)進(jìn)行調(diào)制，便攜式手持讀寫器則對(duì)其進(jìn)行解調(diào)，再把有效信息傳輸給便攜式手持讀寫器內(nèi)部的單片機(jī)。以上工作主要由射頻芯片實(shí)現(xiàn)，本設(shè)計(jì)采用EM4469芯片。

EM4469主要特點(diǎn)及原理框圖

EM4469是Microelectronic公司推出的一種工作頻率為100~150kHz的具有讀/寫功能的非接觸式RFID射頻芯片，可以較低的功耗提供多種數(shù)據(jù)傳輸率和數(shù)據(jù)編碼方式。該射頻芯片不僅兼容ISO11784/11785標(biāo)準(zhǔn)，而且還符合ISO FDX/B動(dòng)物識(shí)別標(biāo)準(zhǔn)，因此被廣泛應(yīng)用于各種應(yīng)用管理系統(tǒng)中，尤其是動(dòng)物識(shí)別和跟蹤管理中。其主要特點(diǎn)如下：

容量為512位EEPROM，分為16扇區(qū)，每區(qū)32位。

具有32位密碼讀寫保護(hù)。

每張卡都有32位唯一的ID碼。

具有10位用戶碼。

兼容ISO11784/11785標(biāo)準(zhǔn)。

EM4469的鎖定位可以將EEPROM的數(shù)據(jù)塊轉(zhuǎn)變成只讀模式。

具有Manchester、miller、Bi-phase、PSK

、FSK等多種編碼形式。

具有多種數(shù)據(jù)傳輸速率(從1-32K波特)。

工作頻率范圍10～105kHz。

有片內(nèi)整流器和限壓器。

額定工作溫度為-40℃～85℃。

超低功耗。

EM4469片內(nèi)集成的諧振電容多種可選(33opF，250pF，75pF)。

圖2為EM4469芯片的原理框圖。其中，時(shí)鐘解壓器的作用是產(chǎn)生系統(tǒng)時(shí)鐘，其頻率與射頻磁場的頻率相適應(yīng)，邏輯模塊內(nèi)的時(shí)序發(fā)生器將利用系統(tǒng)時(shí)鐘產(chǎn)生內(nèi)部時(shí)序。數(shù)據(jù)解壓器的作用是探測天線端信號(hào)的存在時(shí)間周期，它可以監(jiān)測到磁場停止時(shí)間是否長過數(shù)據(jù)提取時(shí)限TMONO。調(diào)制器由邏輯模塊驅(qū)動(dòng)，當(dāng)其處于開狀態(tài)時(shí)，將消耗天線兩端大的電流，從而調(diào)制射頻磁場。邏輯電路由控制器、配置寄存器、時(shí)序發(fā)生器、編碼器和命令解碼器等多個(gè)子模塊組成，它的作用是控制IC的狀態(tài)、產(chǎn)生工作時(shí)序信號(hào)、編碼和解碼數(shù)據(jù)以及讀寫EEPROM數(shù)據(jù)等。

EM4469射頻芯片的存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)

512位的EEPROM存儲(chǔ)空間，被分成16個(gè)扇區(qū)(編號(hào)為0-15)，每個(gè)扇區(qū)有32位(編號(hào)為0-31)，讀寫時(shí)按低位優(yōu)先的原則進(jìn)行，總是從LSB開始。其中第0和第1扇區(qū)由芯片生產(chǎn)廠商定義為只讀扇區(qū)，芯片的類型、版本、用戶代碼和唯一序列號(hào)(UID)都寫在這兩個(gè)扇區(qū)中;第2，3，4三個(gè)扇區(qū)是內(nèi)部管理塊，用來定義器件的操作選項(xiàng)(輔助管理字段)，它們由密碼塊、保護(hù)字塊和配置字塊組成;剩下的11個(gè)扇區(qū)(5-15)是用戶可以自由使用的空間(共352位)。EM4469的存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)如表1所示。

便攜式手持讀寫器的設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的便攜式手持讀寫器體積小，攜帶方便，可以由管理人員帶到動(dòng)物身邊讀寫耳標(biāo)，主要由天線、射頻部分、控制部分以及主機(jī)接口四大模塊組成。此外，為了方便用戶使用，用來顯示和輸入數(shù)據(jù)的液晶顯示屏和鍵盤也是不可缺少的。設(shè)計(jì)原理框圖如圖3所示。各模塊功能介紹如下：

天線：在射頻電子標(biāo)簽和讀寫器之間傳遞射頻信號(hào)。本設(shè)計(jì)中使用PCB天線。

射頻芯片：讀寫器與射頻電子標(biāo)簽之間的信息交換通過射頻芯片及外圍電路實(shí)現(xiàn)，本系統(tǒng)使用的射頻芯片是EM4095。

控制芯片：控制射頻芯片讀取耳標(biāo)中的數(shù)據(jù)并發(fā)送信令給耳標(biāo)，并控制通過LCD屏幕顯示數(shù)據(jù)以及判斷鍵盤的操作。

主機(jī)接口：便攜式手持讀寫器與上位的PC機(jī)進(jìn)行信息交換時(shí)，可通過串口和無線通信兩種方式完成。

讀卡器射頻芯片的硬件電路圖如圖4所示。

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)原理及流程圖

本系統(tǒng)的主要功能是完成便攜式手持讀寫器對(duì)電子射頻標(biāo)簽的讀寫過程。首先初始化單片機(jī)串口，發(fā)送開射頻場的命令，輸入要讀取(寫入)的數(shù)據(jù)扇區(qū)的區(qū)號(hào)。然后發(fā)送讀數(shù)據(jù)(寫數(shù)據(jù))的命令，判斷此命令是否發(fā)送完畢，若未發(fā)送完就繼續(xù)發(fā)送;若發(fā)送結(jié)束就判斷是否有數(shù)據(jù)，沒有數(shù)據(jù)則提示錯(cuò)誤并返回到初始化的地方，如果有數(shù)據(jù)就開始接收(寫入)。最后判斷接收到的數(shù)據(jù)正確與否，如果正確，則可以進(jìn)行數(shù)據(jù)處理;如果錯(cuò)誤，則提示錯(cuò)誤并返回初始化。

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)原理及流程圖如圖5所示。

主要模塊底層驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)

鍵盤驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)

鍵盤驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)以防止鍵盤抖動(dòng)為主，否則會(huì)出現(xiàn)誤判情況。本設(shè)計(jì)中采用軟件延時(shí)的方式消除抖動(dòng)，逐行進(jìn)行掃描，無鍵按下時(shí)返回十六進(jìn)制數(shù)0x00。

串口通信模塊驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)

在讀寫器與PC機(jī)的串口通信中，主要通過中斷方式實(shí)現(xiàn)，需要完成的任務(wù)有UART模塊初始化，包括個(gè)寄存器的設(shè)置、波特率的選擇及中斷使能、數(shù)據(jù)發(fā)送與接收函數(shù)的編制。

UART模塊初始化函數(shù)：

上位機(jī)信息交換以及數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ)的軟件設(shè)計(jì)

動(dòng)物識(shí)別和跟蹤管理系統(tǒng)將日常所涉及的各種信息、記錄和報(bào)表等資料完全實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)自動(dòng)化處理，從而節(jié)省人力消耗，避免錯(cuò)誤操作，可提高工作效率。上位機(jī)中的數(shù)據(jù)管理，除了動(dòng)物的生長、防疫、疾病等基本信息之外，還包括人員的信息。管理軟件圖如圖6，各模塊功能介紹如下：

動(dòng)物基本信息模塊。此模塊的主要功能是建立動(dòng)物基本信息檔案，記錄飼養(yǎng)場名稱和編號(hào)、動(dòng)物編號(hào)、動(dòng)物名稱、出生日期、重量、以及所經(jīng)手人員的姓名和編號(hào)等基本信息。同時(shí)生成"動(dòng)物基本信息文件"。

飼料管理模塊。此模塊的重要功能是記錄動(dòng)物飼料喂養(yǎng)信息。包括飼料廠家名稱、飼料類型、飼料批號(hào)、喂養(yǎng)人、投料時(shí)間等信息。

疾病管理模塊。在此模塊中可以記錄動(dòng)物的疾病情況，包括動(dòng)物生病的時(shí)間、疾病的名稱、特征及一些治療和防治的方法。

防疫免疫檢疫模塊。該模塊中記錄檢疫防疫免疫單位名稱、檢疫內(nèi)容、免疫時(shí)間、檢疫結(jié)果、責(zé)任人等內(nèi)容。

人員管理子系統(tǒng)。用來記錄畜牧場職工的個(gè)人資料和所負(fù)責(zé)的工作等信息，

數(shù)據(jù)管理子系統(tǒng)?？筛鶕?jù)需要打印相關(guān)報(bào)表。

結(jié)束語

本文簡要介紹了EM4469的主要特性、功能原理和存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)，并介紹了基于EM4469的動(dòng)物識(shí)別和跟蹤管理系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)和工作原理，以及動(dòng)物識(shí)別和跟蹤管理系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)。通過現(xiàn)場測試，該系統(tǒng)可安全可靠地采集到動(dòng)物的各種信息。