基于能量收集的低功耗有源RFID 禽畜耳標(biāo)設(shè)計(jì)

蔡兆暉

（廈門大學(xué)嘉庚學(xué)院，福建漳州 363100）

對(duì)畜禽的編碼采集可以有效幫助畜牧管理者對(duì)畜禽生長(zhǎng)防疫屠宰等過程進(jìn)行有效的管理和監(jiān)控，配合信息化管理系統(tǒng)，可以提高畜牧效益。隨畜牧產(chǎn)業(yè)的升級(jí)，畜牧企業(yè)需要在管理、信息等方面進(jìn)行信息系統(tǒng)的構(gòu)建，而信息系統(tǒng)的構(gòu)建基礎(chǔ)在于畜禽信息的數(shù)據(jù)采集，諸如畜禽編碼、生命體征、飼養(yǎng)用藥、運(yùn)動(dòng)量等相關(guān)數(shù)據(jù)。傳統(tǒng)的畜禽編碼采集，從原始的人工耳標(biāo)編號(hào)識(shí)別到較為先進(jìn)的無源RFID 輔助識(shí)別技術(shù)，采集過程需要人員參與。在規(guī)模化畜牧模式下，隨著人工成本的增加，市場(chǎng)對(duì)品質(zhì)控制、可追溯等的需求更高，自動(dòng)化的編碼采集技術(shù)的應(yīng)用顯得尤為重要。隨著畜牧規(guī)模化程度的提高，傳統(tǒng)的畜禽編碼人工采集方法由于勞動(dòng)強(qiáng)度大，人畜交叉感染風(fēng)險(xiǎn)等因素，不適合集約化畜牧農(nóng)場(chǎng)的需求。借助RFID 技術(shù)及物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，在耳標(biāo)的小型化及免維護(hù)上改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)自主能量采集及低功耗程序設(shè)計(jì)，可以解決傳統(tǒng)方法不足的問題［1］。對(duì)于RFID技術(shù)應(yīng)用中出現(xiàn)的技術(shù)性問題，如讀碼現(xiàn)場(chǎng)畜禽數(shù)量眾多造成讀碼辨識(shí)困難，可以通過采用RSSI 原理，進(jìn)行畜禽個(gè)體的辨識(shí)，實(shí)現(xiàn)畜碼對(duì)應(yīng)功能加以解決［2］。新技術(shù)的采用，推動(dòng)RFID 技術(shù)在耳標(biāo)應(yīng)用的普及，為現(xiàn)代畜牧業(yè)管理信息化及智能化發(fā)展提供了條件。

1 有源RFID 技術(shù)的優(yōu)勢(shì)和局限

RFID 識(shí)別方案在成本、系統(tǒng)構(gòu)建、技術(shù)管理維護(hù)等方面要求較高，成為其發(fā)展的制約因素。因此，RFID 識(shí)別技術(shù)主要應(yīng)用于規(guī)?；男竽琉B(yǎng)殖企業(yè)，如乳源生產(chǎn)企業(yè)中的奶牛養(yǎng)殖等；在中小型肉牛、羊養(yǎng)殖場(chǎng)利用較少，依然采用原始的視覺辨識(shí)耳標(biāo)，通過畜牧人員手工記錄方式進(jìn)行管理［3］。

RFID 系統(tǒng)的組成如圖1，RFID 標(biāo)簽根據(jù)發(fā)射頻信號(hào)的方式，分為有源RFID 標(biāo)簽和無源RFID 標(biāo)簽。無源RFID 標(biāo)簽無自帶電源，工作過程中需要貼近標(biāo)簽讀取裝置。利用讀取裝置產(chǎn)生的射頻信號(hào)耦合產(chǎn)生電源供電。有源RFID 標(biāo)簽內(nèi)置電源供電系統(tǒng)，可以獨(dú)立運(yùn)行，無需靠近讀取裝置。讀取裝置發(fā)送射頻信號(hào)與RFID 標(biāo)簽進(jìn)行通訊并接收RFID 標(biāo)簽的應(yīng)答信息，讀取相關(guān)數(shù)據(jù)，如畜禽編碼等信息。讀取裝置可為手持式或固定式，手持式往往配合無源RFID標(biāo)簽通過人工手持靠近標(biāo)簽讀?。还潭ㄊ脚浜嫌性碦FID 標(biāo)簽，可以遠(yuǎn)距離讀取信息，無需人工干預(yù)。讀取裝置通過相應(yīng)信息傳播接口模塊，借助移動(dòng)蜂窩網(wǎng)絡(luò)、Wi-Fi、以太網(wǎng)等與中央控制系統(tǒng)通訊，將RFID 獲取的信息存儲(chǔ)于管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫，用于管理系統(tǒng)的應(yīng)用程序調(diào)用［4］。

圖1 RFID 系統(tǒng)原理

主流的RFID 耳標(biāo)采用無源RFID 識(shí)別方案，通過耳標(biāo)外掛或者玻璃圓管植入，識(shí)別時(shí)需要工作人員用手持式RFID 設(shè)備讀取，耗費(fèi)人力，增加人畜交叉感染的風(fēng)險(xiǎn)。有源RFID 方案通過安裝在檢測(cè)門的RFID 讀取設(shè)備，能夠遠(yuǎn)距離對(duì)通過的牲畜信息進(jìn)行讀取，是智能化畜牧的發(fā)展方向。

有源RFID 需要具備自主供能裝置，如電容、鋰電池、薄膜電池等，既增加設(shè)備成本，又不利于設(shè)備的微型化；同時(shí)常規(guī)自主供能裝置需要進(jìn)行定期維護(hù)充電。這些不利因素制約有源RFID 技術(shù)在畜牧企業(yè)替代無源RFID。除了成本、維護(hù)性及微型化等方面外，有源RFID 在應(yīng)用中還面臨一個(gè)突出問題，讀碼設(shè)備往往配置行走通道或檢測(cè)閘門，讀碼距離較遠(yuǎn)，雖讀碼設(shè)備可以通過RFID 防止沖突算法在短時(shí)間內(nèi)讀取畜禽的編碼，但在特定功能拓展應(yīng)用方面，如通過稱重過道檢測(cè)畜禽的體重或者通過熱成像技術(shù)檢測(cè)畜禽體溫，需要畜碼對(duì)應(yīng)，無源RFID 可以通過人工現(xiàn)場(chǎng)辨識(shí)，有源RFID 因無需人工現(xiàn)場(chǎng)操作，較少具備畜碼對(duì)應(yīng)相關(guān)功能，限制了有源RFID在信息化管理上的應(yīng)用。

2 有源RFID 在信息化管理解決方案

2.1 整體方案

改善有源RFID 的不利因素，主要從幾個(gè)角度進(jìn)行。

對(duì)有源RFID 采用的供能裝置進(jìn)行改進(jìn)，采用能量采集方式替代定期維護(hù)充電方式，減少人工維護(hù)工時(shí)。由于能量持續(xù)采集機(jī)制，儲(chǔ)能裝置主要作用于緩沖電源的波動(dòng)，對(duì)應(yīng)的儲(chǔ)能裝置容量可以減少，儲(chǔ)能裝置的成本可降低，同時(shí)體積可縮小；RFID 讀碼設(shè)備大部分時(shí)間在非工作狀態(tài)，可以通過保持設(shè)備長(zhǎng)時(shí)間處于休眠狀態(tài)，不定期喚醒工作狀態(tài)，達(dá)到降低有源RFID 的功耗。

在畜碼對(duì)應(yīng)的實(shí)現(xiàn)方式上，可采用RSSI 技術(shù)，通過有源RFID 設(shè)備在與讀取設(shè)備進(jìn)行通訊時(shí)段、采集有源RFID 接收的射頻信號(hào)強(qiáng)度，將強(qiáng)度數(shù)值與畜禽編碼信息發(fā)送至讀取設(shè)備，通過讀取設(shè)備對(duì)RFID設(shè)備發(fā)送的信號(hào)強(qiáng)度比對(duì)，選擇最大值所對(duì)應(yīng)的畜禽編碼為該時(shí)刻與讀取設(shè)備距離最近的畜禽編碼。

傳統(tǒng)的有源RFID 標(biāo)簽，采用射頻基帶處理芯片及控制芯片分立于PCB 板，PCB 板的尺寸較大，不利于實(shí)現(xiàn)低功耗及微型化。隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，新的方案采用單一芯片的片上系統(tǒng)（SoC）方案，將射頻基帶處理（RF）、微控制器（MCU）、模數(shù)轉(zhuǎn)換（ADC）等相關(guān)功能集成在單一芯片，提高了設(shè)備的集成度，能滿足微型化及低功耗要求。采用Nordic公司的最新的RFID 的SoC 方案nRF24LE1 實(shí)現(xiàn)有源RFID 標(biāo)簽，該SoC 內(nèi)置MCS51 微控制器，具備休眠喚醒模式、接收信號(hào)功率測(cè)量，便于實(shí)現(xiàn)諸如休眠喚醒、RSSI 定位等相關(guān)功能，具備多種封裝，其中QFN24 封裝尺寸只有4 mm×4 mm，適合微型化應(yīng)用。

2.2 能量采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

能量采集系統(tǒng)較為普遍的采集能量源有太陽能、熱能、振動(dòng)、射頻等，利用光伏原理將通過太陽能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔苁禽^為主流的能量采集技術(shù)。由于光伏板要求定期維護(hù)保持清潔便于接收光線能量，不適用于畜禽的耳標(biāo)場(chǎng)景；射頻能量需要相應(yīng)的射頻信號(hào)發(fā)射裝置，采集設(shè)備與射頻源要保持適當(dāng)空間距離，不適用于畜牧業(yè)的多變環(huán)境。

耳標(biāo)放置于畜禽的運(yùn)動(dòng)部位，可以考慮采用振動(dòng)能量采集，將振動(dòng)的機(jī)械能通過能量轉(zhuǎn)化裝置轉(zhuǎn)化為電能，將電能通過電源管理芯片存儲(chǔ)于儲(chǔ)能器件。該裝置不需要與外界進(jìn)行接觸，因此可以設(shè)計(jì)在密封的空間，采用該裝置的RFID 耳標(biāo)可以達(dá)到IP68 防護(hù)等級(jí)，隔絕雨水塵土，適應(yīng)畜牧的復(fù)雜氣候環(huán)境要求。利用壓電式或者磁電式原理進(jìn)行振動(dòng)能量采集，是比較成熟的方式。

能量采集系統(tǒng)的核心在于電源管理，能量管理設(shè)計(jì)如圖2。該系統(tǒng)既要對(duì)能量生成裝置生成的不穩(wěn)定的電能進(jìn)行整流升壓，輸入到儲(chǔ)能元件及低功耗設(shè)備。同時(shí)又要負(fù)責(zé)在采集能量不足時(shí)將儲(chǔ)能元件的電能輸出到低功耗設(shè)備。采用Linear 公司專用的電源管理芯片LTC3588-1。該芯片可以采集機(jī)電能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的電能，輸出3.3 V 的電壓驅(qū)動(dòng)nRF24LE1，可以將多余電能存儲(chǔ)在電容器緩沖系統(tǒng)電壓波動(dòng)。具備低功耗的休眠喚醒機(jī)制，配合nRF24LE1，可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)級(jí)的低功耗優(yōu)化［5］。

圖2 能量采集系統(tǒng)

2.3 休眠-喚醒功能

采用休眠-喚醒功能以實(shí)現(xiàn)低功耗設(shè)計(jì)，既滿足設(shè)備實(shí)現(xiàn)基本功能，又降低設(shè)備的電源需求，對(duì)產(chǎn)品的輕量化、尺寸微型化及成本低廉化，起到關(guān)鍵的作用。對(duì)于畜禽耳標(biāo)這類產(chǎn)品，低成本、微型化、免維護(hù)是其應(yīng)用推廣的基礎(chǔ)，通過軟硬件方式進(jìn)行低功耗的優(yōu)化設(shè)計(jì)極為重要。主流的低功耗設(shè)計(jì)有芯片制程工藝改進(jìn)、休眠-喚醒模式等。其中休眠喚醒功能較為適用于主動(dòng)RFID 數(shù)據(jù)采集。RFID 數(shù)據(jù)采集對(duì)實(shí)時(shí)性要求較低，定期啟動(dòng)的方式可以滿足其要求，將設(shè)備由全天候工作的方式改進(jìn)為全天候休眠、定期間斷喚醒的方式，可以較大程度地降低設(shè)備功耗。

nRF24LE1 在休眠-喚醒模式的設(shè)計(jì)上較為先進(jìn)，根據(jù)其芯片內(nèi)部不同外設(shè)的開閉狀態(tài)，分為發(fā)送、接收、待命II、待命I、關(guān)閉5 種狀態(tài)。發(fā)送狀態(tài)功耗最高，關(guān)閉狀態(tài)功耗最低，5 種狀態(tài)的功耗依次減少。正常工作于待命I 狀態(tài)，通過循環(huán)定時(shí)啟動(dòng)的方式降低平均功耗。在待命I 狀態(tài)下會(huì)根據(jù)不同的觸發(fā)信號(hào)，完成從待命I狀態(tài)到發(fā)送、接收、待命II及關(guān)閉狀態(tài)的切換。

通過nRF24LE1 實(shí)現(xiàn)RF 發(fā)射功率控制技術(shù)，在滿足讀取設(shè)備較低接收信號(hào)功率的條件下，進(jìn)一步降低耳標(biāo)設(shè)備的功耗。應(yīng)用nRF24LE1 將RF 發(fā)射功率從0 dBm 降低到-18 dBm，對(duì)應(yīng)的驅(qū)動(dòng)電流從11.1 mA 降低到6.8 mA。通過對(duì)讀取設(shè)備配置更大尺寸的接收天線等方式，可以接收耳標(biāo)發(fā)出更低功率的射頻信號(hào)。

2.4 畜碼對(duì)應(yīng)功能

RSSI 全稱接收信號(hào)強(qiáng)度指示，是物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中室內(nèi)定位的主流技術(shù)。該技術(shù)的原理是，信號(hào)在開放空間中進(jìn)行傳播，信號(hào)強(qiáng)度隨著傳播距離逐漸衰減，據(jù)此進(jìn)行空間距離的測(cè)量。RSSI 測(cè)距只需要2個(gè)設(shè)備，發(fā)射測(cè)量信號(hào)的設(shè)備（簡(jiǎn)稱信標(biāo)）和接收測(cè)量信號(hào)的設(shè)備（定位主體）。信標(biāo)往往只負(fù)責(zé)信號(hào)的發(fā)送，距離測(cè)量在定位主體設(shè)備中實(shí)現(xiàn)。

畜碼對(duì)應(yīng)功能借鑒RSSI 相關(guān)技術(shù)原理實(shí)現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)方式略有改進(jìn)，讀取設(shè)備在應(yīng)用場(chǎng)景中，既具備信標(biāo)的功能，又具備根據(jù)有源RFID 信號(hào)強(qiáng)度信息進(jìn)行對(duì)比統(tǒng)計(jì)的邊緣計(jì)算功能。該應(yīng)用場(chǎng)景只需要尋找與讀取設(shè)備最近的畜禽，只需在信號(hào)強(qiáng)度參數(shù)上進(jìn)行比對(duì)，無需進(jìn)行距離換算和距離-場(chǎng)強(qiáng)標(biāo)定，技術(shù)應(yīng)用難度得以降低。

nRF24LE1 芯片采集測(cè)量接收到的讀取設(shè)備發(fā)送射頻信號(hào)，將測(cè)量值存儲(chǔ)在內(nèi)部的RPD 寄存器，通過CPU 讀取寄存器的耳標(biāo)編碼數(shù)值，作為一個(gè)數(shù)據(jù)幀，發(fā)送至讀取設(shè)備。

2.5 實(shí)現(xiàn)電路

采用SoC 方案電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，主要分兩大部分：nRF24LE1 核心和電源管理。

nRF24LE1 核心電路如圖3 所示，其外圍電路主要包含16 MHz 的無源晶振提供MCU 時(shí)鐘信號(hào)；多個(gè)去耦電容保證芯片穩(wěn)定工作，減少電源紋波；配置多個(gè)電感提高射頻天線效率。

圖3 nRF24LE1 核心電路

電源管理采用LTC3588-1 電源管理電路［6］，如圖4 所示。 PZ1 與PZ2 管腳接入振動(dòng)能量采集裝置，采用壓電采集裝置。采集能量經(jīng)過電源管理芯片，由Vout 管腳輸出3.3 V 電壓與核心電路的VCC_nRF 連接，提供核心電路穩(wěn)定的電源。配置47 uF 的電容，作為電源儲(chǔ)能緩沖器件?？蛇x配置9 V 電池作為備用能源，避免供電缺失。

圖4 電源管理電路

3 小結(jié)

畜禽編碼信息的采集在畜牧養(yǎng)殖資產(chǎn)監(jiān)管、身份識(shí)別、溯源、生產(chǎn)全流程監(jiān)控等方面有較多應(yīng)用，是畜牧業(yè)向集約化、規(guī)?；l(fā)展必須實(shí)現(xiàn)的功能。無需人工參與的自動(dòng)化畜禽編碼采集在現(xiàn)代畜牧業(yè)的發(fā)展中尤為重要。采用有源RFID 耳標(biāo)方案，配合振動(dòng)發(fā)電能量采集裝置，對(duì)比無源RFID 耳標(biāo)，解決了有源RFID 在尺寸上以及維護(hù)上的缺點(diǎn)，采用RS?SI 技術(shù)完善了自動(dòng)辨識(shí)條件下畜碼對(duì)應(yīng)功能，發(fā)揮自動(dòng)化無人工干預(yù)的優(yōu)點(diǎn)，是規(guī)?；竽量梢圆捎玫牡统杀?、可操作性強(qiáng)的方案。

借助有源RFID 能量自動(dòng)采集、休眠喚醒、RSSI距離測(cè)量等相關(guān)技術(shù)，構(gòu)建畜禽耳標(biāo)自動(dòng)化識(shí)別的低成本、易實(shí)施的解決方案，從而為畜牧業(yè)信息系統(tǒng)的建立，構(gòu)建了數(shù)據(jù)采集的硬件基礎(chǔ)。