0 引言

　　信息與自動(dòng)化的現(xiàn)代管理技術(shù)在畜牧業(yè)發(fā)展中的地位越來(lái)越重要，基于無(wú)線射頻原理的奶牛自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)，是現(xiàn)代化奶牛場(chǎng)管理 中不可或缺的一部分。無(wú)線射頻識(shí)別技術(shù)(RFID)是一種非接觸式的標(biāo)簽識(shí)別技術(shù)，它通過(guò)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)，可進(jìn)行無(wú)線讀寫 。

　　目前，國(guó)內(nèi)應(yīng)用最成功的是近距離的RFID系統(tǒng)，識(shí)別范圍僅在20～30era以內(nèi)，而物流或現(xiàn)代化動(dòng)物識(shí)別管理中往往需要在數(shù)十厘米甚至數(shù)米的距離范圍內(nèi)讀取數(shù)據(jù)，RFID在超高頻段(UHF)的讀寫距離可達(dá)1m以上。我國(guó)在超高頻段的研究和應(yīng)用目前還處于起步階段，也還沒(méi)有自己的標(biāo)準(zhǔn)，發(fā)達(dá)國(guó)家早已形成了統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)和成熟的體系 。

　　我國(guó)最大規(guī)模的UHF RFID行業(yè)應(yīng)用是鐵路車號(hào)自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)，識(shí)別距離可達(dá)6m 。因此，應(yīng)以國(guó)際ISO／IEC和EPCglobal相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)，結(jié)合我國(guó)實(shí)際情況制定適合自己的標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)借鑒國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有經(jīng)驗(yàn)，推進(jìn)RFID在我國(guó)相關(guān)行業(yè)中的應(yīng)用。

　　系統(tǒng)采用超高頻讀寫器模塊S1871作為無(wú)線射頻部分。LPC2214作為系統(tǒng)的主控制芯片，輔之于顯示及外部接口等電路搭建系統(tǒng)的硬件平臺(tái)，在txCLinux實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)下，采用C語(yǔ)言完成系統(tǒng)的軟件部分設(shè)計(jì)，同時(shí)采用SQL Sever2000作為系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器軟件，旨在搭建一個(gè)能應(yīng)用于奶牛場(chǎng)快速準(zhǔn)確識(shí)別奶牛信息的RFID系統(tǒng)，識(shí)別系統(tǒng)符合最新國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO18000—6C和EPC C1 Gen2。

　　1 系統(tǒng)簡(jiǎn)介及組成

　　1．1 分類

　　RFID系統(tǒng)根據(jù)工作頻段、識(shí)別距離以及工作原理的不同有多種分類方法。其中，135kHz以下和13．56MHz屬于電磁耦合類型，作用距離在lOcm 以內(nèi)；433．92MHz及2．45GHz對(duì)應(yīng)有源RFID電子標(biāo)簽；860—960MHz以無(wú)源RFID電子標(biāo)簽為主體，多頻點(diǎn)，作用范圍在1～20m內(nèi)，是目前應(yīng)用最廣泛的產(chǎn)品。其工作原理是基于電磁反向散射耦合通信(即雷達(dá)原理模型)，發(fā)射出去的電磁波碰到目標(biāo)后反射，同時(shí)攜帶回目標(biāo)信息。

　　1．2 結(jié)構(gòu)

　　RFID系統(tǒng)由3大部分構(gòu)成，分別是應(yīng)答器(標(biāo)簽)、讀寫器以及后端數(shù)據(jù)庫(kù) 。

　　1．3 工作原理

　　系統(tǒng)中，選擇860～960MHz作為其工作頻段，對(duì)應(yīng)無(wú)源電子標(biāo)簽以節(jié)約能源。牛耳標(biāo)、固定在過(guò)道門上的閱讀器和上位機(jī)數(shù)據(jù)庫(kù)組成了一個(gè)完整的奶牛識(shí)別系統(tǒng)。每頭奶牛均配備有一個(gè)無(wú)線射頻標(biāo)簽，對(duì)應(yīng)唯一一個(gè)ID號(hào)。奶牛進(jìn)入擠奶廳時(shí)，遠(yuǎn)距離射頻識(shí)別器即可識(shí)別出其所帶標(biāo)簽的ID信息，并進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示與傳送，并發(fā)出命令，奶牛進(jìn)入相應(yīng)的擠奶槽擠奶，完畢后自行離去。通過(guò)對(duì)奶量的測(cè)量，記錄奶牛本次的擠奶量等信息。整個(gè)過(guò)程有條不紊、準(zhǔn)確迅速，大大提高了生產(chǎn)效率。系統(tǒng)的各組成部分如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)框圖
Fig．1 Structural chan of system

　　2 硬件設(shè)計(jì)

　　射頻識(shí)別控制器系統(tǒng)以LPC2214做為主控制芯片，超高頻部分采用基于Intel R1000技術(shù)的UHF微型讀寫器嵌入式模塊S1871，LCD采用液晶顯示模塊LCMl2864。另外，系統(tǒng)還擴(kuò)展了4MB的Hash和256kB的SDRAM，外部接口有用于下載和通信的串口。LPC2214是一款基于32位ARM7TDMI—S內(nèi)核，并支持實(shí)時(shí)仿真和跟蹤的微處理器，并帶有16kB的片內(nèi)SRAM 和256kB的高速Flash。兩個(gè)16C550工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)UART串行接口滿足了系統(tǒng)的通信功能。簡(jiǎn)易的JTAG接口使程序的調(diào)試和下載都很方便，并且LPC2214的通用IZO口多達(dá)112個(gè)，滿足系統(tǒng)需求，并留有以后擴(kuò)展外部設(shè)備的余地。

　　2．1 射頻模塊

　　系統(tǒng)射頻部分采用920—925MHz的超高頻頻段，符合最新國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO／IEC組織的ISO18000—6C和EPCglobal組織的EPC C1 Gen2。標(biāo)簽為相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)的無(wú)源超高頻射頻識(shí)別標(biāo)簽。其中，采用這些標(biāo)準(zhǔn)的意義還在于為實(shí)現(xiàn)全球物聯(lián)網(wǎng)這個(gè)偉大的設(shè)想做初步準(zhǔn)備。

　　基于Intel R1000技術(shù)的UHF微型讀寫器模塊Sl871，是可嵌入需要電子標(biāo)簽識(shí)讀的固定或移動(dòng)式中短距離設(shè)備的超高頻多用途微型讀寫器模塊。功率范圍符合歐洲(ETSI EN 302 208)以及美國(guó)(FCCpart 15)等主流標(biāo)準(zhǔn)。其可調(diào)最大功率為1300mW，支持EPC Classl Gen2協(xié)議，采用偶極子型天線。

　　2．2 通信接口

　　LPC2214與上位機(jī)通信采用RS232串口直接通信。RS232串行通信采用全雙工模式，波特率9600bps，與LPC2214的UART0通訊接口相連。當(dāng)監(jiān)控中心離工作現(xiàn)場(chǎng)較遠(yuǎn)時(shí)，可考慮采用GPRS實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸。

　　2．3 LCD顯示部分

　　系統(tǒng)采用LCMl2864顯示模塊，液晶屏幕為128mm ×64mm，可顯示4行，每行8個(gè)漢字。LCM12864的字型ROM內(nèi)含8 192個(gè)16×16點(diǎn)中文字型和128個(gè)16×8半寬的字母符號(hào)字型，內(nèi)含CGRAM提供4組軟件可編程的16 Z 16點(diǎn)陣造字功能，可實(shí)現(xiàn)漢字、ASCII碼和點(diǎn)陣圖形的同屏顯示。同時(shí)，提供了與微控器靈活的接口模式(并行8位／4位，串行3線／2線)。

　　2．4 電源及復(fù)位

　　根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要求，需要DC5V、DC3．3V和DC1．8V等3種直流電源。使用小功率的正電壓調(diào)節(jié)器SPX1117，它以其極低的靜態(tài)電流和截止電壓而著稱，滿負(fù)載情況下的截止電壓僅為1．1V。系統(tǒng)采用CAT1025監(jiān)控系統(tǒng)的復(fù)位，利用低功耗的CMOS技術(shù)將2kbit的串行E² PROM和用于掉電保護(hù)的系統(tǒng)電源監(jiān)控電路集成在一塊芯片內(nèi)，含1個(gè)精確的VCC監(jiān)控測(cè)電路和2個(gè)開(kāi)漏輸出引腳(RESET和／RESET)。當(dāng)VCC低于復(fù)位門檻電壓時(shí)，RESET引腳變?yōu)楦唠娖剑疪ESET變?yōu)榈碗娖健?

　　3 軟件設(shè)計(jì)

　　采用μ CLinux作為本系統(tǒng)的操作系統(tǒng)內(nèi)核。軟件的設(shè)計(jì)按照系統(tǒng)的基本運(yùn)行流程進(jìn)行，采用C語(yǔ)言編程。首先，系統(tǒng)供電初始化開(kāi)始，等待判斷是否有標(biāo)簽進(jìn)入有效閱讀區(qū)域；若無(wú)，繼續(xù)等待并判斷直到檢測(cè)出區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)標(biāo)簽，電磁波反射帶回標(biāo)簽信息；然后，進(jìn)行一系列的響應(yīng)和處理，完成識(shí)別過(guò)程。系統(tǒng)程序流程如圖2所示。

　　當(dāng)上位機(jī)接收到射頻控制器傳來(lái)的牛號(hào)信息時(shí)，由上位機(jī)數(shù)據(jù)庫(kù)中調(diào)出與此牛號(hào)相對(duì)應(yīng)的詳細(xì)信息。系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器軟件采用SQL Sever 2000，Visual C++作為其前臺(tái)開(kāi)發(fā)工具?？蓪?shí)現(xiàn)的功能如下：一是查看奶牛的基本信息，如出生、父本、母本、身高、體改、刪除或添加信息，可以方便管理人員對(duì)此牛的所有信息進(jìn)行查閱或修改；三是根據(jù)此信息發(fā)出相應(yīng)命令，引導(dǎo)奶牛進(jìn)人相應(yīng)擠奶槽擠奶，整個(gè)過(guò)程不需要人工干預(yù)，準(zhǔn)確迅速。

　　4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

　　通過(guò)對(duì)奶牛識(shí)別器的多次運(yùn)行測(cè)試，能達(dá)到既定1m以上的識(shí)別距離，識(shí)別率達(dá)99% 以上。

圖2 系統(tǒng)程序流程圖
Fig．2 Procedure flow chart of system

　　5 結(jié)論 

　　1)奶牛遠(yuǎn)距離自動(dòng)識(shí)別器實(shí)現(xiàn)了無(wú)接觸和無(wú)人工干預(yù)的奶牛標(biāo)號(hào)自動(dòng)識(shí)別，并與上位機(jī)聯(lián)系，能及時(shí)、準(zhǔn)確地調(diào)用奶牛的詳細(xì)信息及發(fā)出命令，具有識(shí)別率高的優(yōu)點(diǎn)。

　　2)采用ARM7芯片作為主控芯片，硬件平臺(tái)和軟件平臺(tái)均得到提升，為系統(tǒng)的升級(jí)留有余地。