基于RFID技術的養(yǎng)豬場個體識別系統(tǒng)設計

程佳威　李亞敏　王艷紅

摘要：為順應當前畜牧業(yè)的發(fā)展趨勢，滿足市場對生豬生產(chǎn)質與量的需求，設計了基于RFID技術的生豬個體快速識別系統(tǒng)。系統(tǒng)以8位CMOS單片機AT89C2051、讀寫芯片MFRC522、標簽芯片I·CODE SLI Label IC SL2 ICS20（簡稱I·CODE2）作為核心硬件，實現(xiàn)了對豬的個體識別和信息追蹤。該系統(tǒng)簡單，便于實現(xiàn)，有較高的可靠性，可應用于大規(guī)模養(yǎng)豬場，有助于養(yǎng)殖的自動控制。

關鍵詞：RFID；電子標簽；個體識別；讀寫器

中圖分類號：TP391.4 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2013）07-1683-03

近年來，隨著全球人口及經(jīng)濟的增長，生豬產(chǎn)量的增長也成為人們關注的焦點。但是，近幾年動物疫情頻繁暴發(fā)，如口蹄疫、禽流感、豬瘟、高致病性豬藍耳病，不僅給人們的身體健康和生命安全帶來了嚴重危害，而且給生豬產(chǎn)量造成損失，給各國帶來了巨大的經(jīng)濟損失，解決生豬質量問題迫在眉睫。為此，各國政府紛紛制定政策，研究措施[1]。其中RFID（Radio Frequency Identification）技術在動物養(yǎng)殖中的廣泛應用是其中的一個有效措施。個體識別系統(tǒng)應用于養(yǎng)豬場中可以實現(xiàn)養(yǎng)豬場管理的自動化、智能化及對豬的個體化管理，對于提高養(yǎng)豬場養(yǎng)殖水平具有重要意義。

實踐表明，RFID技術在養(yǎng)豬業(yè)中的作用越來越大，但國內從事RFID技術研究的部門不多，通常需要從國外購買配套器材[2]。目前，國內有些大型養(yǎng)豬場引進國外先進個體識別管理系統(tǒng)，但是引進國外系統(tǒng)成本很高，很難在我國普及，所以亟待研發(fā)一套符合我國國情的個體識別系統(tǒng)。

1 總體結構及工作原理

一個典型的RFID系統(tǒng)通常由三部分組成，如圖1所示。

電子標簽：由耦合組件及芯片組成，每個標簽都有惟一的電子編碼，附著在物體上用來標識目標對象。通過無線形式傳輸數(shù)據(jù)信息，該系統(tǒng)采用無源式電子標簽，其工作所需的能量通過天線接收無線電波來提供。

讀寫器：由天線、讀寫模塊、控制模塊、接口模塊組成，用來讀取標簽信息。

上位機：通過串行通信接口把指令發(fā)送到控制電路控制整個系統(tǒng)，并且完成信息存儲。

系統(tǒng)基本工作原理：讀寫器上電后通過串口接收上位機發(fā)出的指令，通過天線在一定區(qū)域內連續(xù)發(fā)射出頻率固定的電磁波。當生豬佩戴相應頻率的標簽進入磁場區(qū)后，通過天線接收讀寫器發(fā)出的射頻信號，并依靠產(chǎn)生感應電流獲得的能量將自身信息發(fā)送給讀寫器，從而實現(xiàn)自動識別的目的。讀寫器獲得的信息通過調制、譯碼后傳送給數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)進行處理。如果有必要數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)繼續(xù)發(fā)出指令控制其他設備工作，或者給標簽寫入信息[3]。

2 系統(tǒng)硬件設計

2.1 單片機的選擇

綜合考慮各種型號單片機在性能、功耗、性價比等方面的優(yōu)勢，選用了ATMEL公司生產(chǎn)的AT89C2051。它是一個8位低功耗、高性能的CMOS單片機，片內包含2 kb Flash只讀程序內存和128 b的RAM內存，利用編程器可以方便寫入和修改程序。電源范圍在2.7～6.0 V，和MCS-51產(chǎn)品兼容，擁有兩個16位定時器/計數(shù)器，兩級程序存儲保密鎖定使信息更安全。基本接線如圖2。

2.2 射頻讀寫芯片的選擇

射頻讀寫芯片是讀寫器的關鍵部件。無線射頻技術在國內外發(fā)展很快，RFID產(chǎn)品種類繁多，像TI、Motorola、Philips等世界著名廠商都在生產(chǎn)RFID產(chǎn)品，且各有特點[4]。NXP公司生產(chǎn)的MFRC522是一款低電壓、低成本、體積小的非接觸式讀寫芯片，芯片工作電壓2.5～3.3 V， 工作頻率13.56 MHz。該芯片集成了13.56 MHz下所有類型的被動非接觸式通信方式和協(xié)議[5]。

2.3 串口通訊電路

當前支持熱插拔的USB標準接口成為串行接口的主流。采用Silicon Laboritories公司生產(chǎn)的CP2102作為串口轉換的芯片，可以方便地實現(xiàn)接口通訊[6]。

2.4 天線

電子標簽和讀寫器通過無線射頻信號進行能量和數(shù)據(jù)的傳輸。讀寫器天線形成的電磁場有效作用范圍、強度決定了標簽感應的強度、工作距離和范圍。遠距離工作的系統(tǒng)，讀寫器的線圈天線具有較大面積，一般采用銅箔帶或銅管制成，工作時具有較高的電流，相匹配的電容和電阻要承受較高的電壓和功率[7]。

2.5 電子標簽的選擇

Philips公司的I·CODE2標簽芯片是當前比較常用的一種標簽芯片。芯片工作頻率為13.56 MHz， 擁有惟一標識符，可擦寫十萬次以上，易于修改和保存數(shù)據(jù)，并且安全性高，適用于遠距離場合。

電子標簽工作原理：當標簽進入磁場區(qū)域內，因為和讀寫器發(fā)射頻率相同，標簽內部LC諧振電路產(chǎn)生共振，當達到工作電壓時芯片開始工作[8]。

電子標簽封裝采用強樹脂材料制成耳標，具有抗沖擊、防腐蝕、防水、耐磨等性能，直接掛在生豬耳朵上，不需要日常維護。

3 系統(tǒng)軟件設計

3.1 系統(tǒng)軟件流程

系統(tǒng)工作時，讀寫器就處于不斷的工作檢測狀態(tài)。當讀卡器檢測到有標簽進入到它發(fā)射的磁場范圍時，上位機可以控制一些管理設備（如測量體重、投放食物等）進行工作。在這期間讀寫器一直在進行檢測，當檢測不到標簽時，單片機將數(shù)據(jù)發(fā)送給上位機，然后系統(tǒng)又進入下一次循環(huán)[9]（圖3）。

3.2 控制模塊單片機的控制流程

單片機在系統(tǒng)上電后對參數(shù)進行初始化，并且讀取信息，等待上位機的指令或者是射頻芯片發(fā)回信息。當上位機需要讀寫耳標信息時，會給主控制器單片機AT89C2051發(fā)送讀寫指令，主控制器會把命令轉發(fā)給射頻讀寫芯片MFRC522，MFRC522再通過天線把信息發(fā)出去；當耳標的響應信號被讀寫器天線接收后會傳給射頻讀寫芯片MFRC522，MFRC522經(jīng)過調制解調后傳給主控制器，最后傳給上位機[10]（圖4）。

4 小結

針對養(yǎng)豬場自動化控制的需要，設計了基于RFID的養(yǎng)豬場個體識別系統(tǒng)，系統(tǒng)由電子標簽、讀寫器、上位機三部分組成，采用各種性能高、成本低的芯片，在試驗中取得了良好效果，容易實現(xiàn)，具有較強的穩(wěn)定性和廣泛的實用性。測試中芯片讀取有一定的誤差，需要改進。標簽天線和讀寫器天線的增益是影響閱讀距離的重要因素，還有待深入研究。隨著技術的不斷發(fā)展、完善和成本的降低，RFID技術在畜牧業(yè)中一定會有更大的發(fā)展空間。

參考文獻：

[1] 寧煥生，王炳輝.RFID重大工程與國家物聯(lián)網(wǎng)[M].北京：機械工業(yè)出版社，2008.

[2] 范國連，何東健.基于電子標簽的動物身份識別與跟蹤系統(tǒng)[J].農機化研究，2008（6）：97-99，102.

[3] 胡圣杰，王樹才.RFID技術在養(yǎng)豬業(yè)中的應用[J].湖北農機化，2007（5）：24-25.

[4] 胡圣杰.基于RFID的母豬自動喂養(yǎng)控制系統(tǒng)的研究[D].武漢：華中農業(yè)大學，2008.

[5] 廣州周立功單片機科技有限公司.MFRC522非接觸式讀卡芯片[EB/OL].http：//www.zlgmcu.com，2012-06-28.

[6] 何金鳳.基于RFID的奶牛個體識別系統(tǒng)的設計[D].河北保定：河北農業(yè)大學，2010.

[7] 寧煥生，張 彥.RFID與物聯(lián)網(wǎng)——射頻、中間件、解析與服務[M].北京：電子工業(yè)出版社，2008.

[8] 王光春，李向宏.智能電子標簽芯片BL75R02的設計[J].電子技術，2004（1）：8-11.

[9] 許 博，高樹東.無線動物識別和跟蹤管理系統(tǒng)的設計[J].世界電子元器件，2009（3）：58-61，66.

[10] 李寶山，李 革.超高頻射頻識別讀寫器的研究與設計[J].電子與封裝，2011，11（9）：23-26.