無線動物識別和跟蹤管理系統(tǒng)的設(shè)計

引言

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

動物身份識別的實踐表明，射頻識別(RFID)在動物管理中起著越來越重要的作用。RFID利用射頻通信實現(xiàn)的非接觸式自動識別，通過射頻信號自動識別目標(biāo)對象并獲取相關(guān)數(shù)據(jù)，識別工作無須人工干預(yù)，可工作于各種惡劣環(huán)境，以跟隨動物生長的整個過程。開發(fā)一個性能優(yōu)異的RFID系統(tǒng)進(jìn)行動物識別與跟蹤具有十分重要的意義，本文提出了基于EM4469的設(shè)計方案，以滿足人對動物的非接觸管理、戶外長時間和低功耗的動物識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)的動物識別和跟蹤管理系統(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)計中，射頻電子標(biāo)簽即為內(nèi)嵌EM4469射頻芯片的動物用耳標(biāo)。用于記錄動物的ID、基本生長信息、免疫、檢疫信息以及其他管理信息。每個射頻電子標(biāo)簽都有自己唯一的編碼，在動物身體上進(jìn)行標(biāo)識。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。實現(xiàn)對射頻標(biāo)簽EM4469的ID號識別、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)計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)及數(shù)據(jù)庫管理軟件。主要實現(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，從而將獲得的動物相關(guān)信息及各種記錄、統(tǒng)計報表等內(nèi)容保存在數(shù)據(jù)庫中，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的計算機(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，讀寫器會發(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)簽的動物進(jìn)入便攜式手持讀寫器發(fā)射的射頻場范圍內(nèi)時，射頻電子標(biāo)簽中的天線會產(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，將帶有信息的感應(yīng)電流進(jìn)行解碼，并提取數(shù)字信號進(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，讀寫器把處理后的信息重新寫入EM4469芯片中。

當(dāng)有多個射頻電子標(biāo)簽進(jìn)入便攜式手持讀寫器的射頻場時，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讀范圍內(nèi)只保留一個射頻電子標(biāo)簽處于活動狀態(tài)和數(shù)據(jù)通信狀態(tài)。

系統(tǒng)硬件設(shè)計

本系統(tǒng)以動物身份識別和跟蹤為目的，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，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)計兩大部分。

射頻電子標(biāo)簽的選擇

目前，用于動物識別的電子標(biāo)簽形式主要有耳釘式、項圈式、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)釘穿入動物耳朵，并用耳標(biāo)帽固定。耳標(biāo)釘中存儲動物出生以后的整個生命周期的相關(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)送時相反，即射頻電子標(biāo)簽要對發(fā)送的信號進(jìn)行調(diào)制，便攜式手持讀寫器則對其進(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現(xiàn)，本設(shè)計采用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動物識別標(biāo)準(zhǔn)，因此被廣泛應(yīng)用于各種應(yīng)用管理系統(tǒng)中，尤其是動物識別和跟蹤管理中。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，時鐘解壓器的作用是產(chǎn)生系統(tǒng)時鐘，其頻率與射頻磁場的頻率相適應(yīng)，邏輯模塊內(nèi)的時序發(fā)生器將利用系統(tǒng)時鐘產(chǎn)生內(nèi)部時序。數(shù)據(jù)解壓器的作用是探測天線端信號的存在時間周期，它可以監(jiān)測到磁場停止時間是否長過數(shù)據(jù)提取時限TMONO。調(diào)制器由邏輯模塊驅(qū)動，當(dāng)其處于開狀態(tài)時，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、時序發(fā)生器、編碼器和命令解碼器等多個子模塊組成，它的作用是控制IC的狀態(tài)、產(chǎn)生工作時序信號、編碼和解碼數(shù)據(jù)以及讀寫EEPROM數(shù)據(jù)等。

EM4469射頻芯片的存儲結(jié)構(gòu)
512位的EEPROM存儲空間，被分成16個扇區(qū)(編號為0-15)，每個扇區(qū)有32位(編號為0-31)，讀寫時按低位優(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(UID)都寫在這兩個扇區(qū)中；第2，3，4三個扇區(qū)是內(nèi)部管理塊，用來定義器件的操作選項(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個扇區(qū)(5-15)是用戶可以自由使用的空間(共352位)。EM4469的存儲器結(jié)構(gòu)如表1所示。

便攜式手持讀寫器的設(shè)計

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。本設(shè)計中使用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，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。