基于無線動(dòng)物識(shí)別和跟蹤管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)用

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(zhǎng)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(zhǎng)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(kù)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(zhǎng)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(kù)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(kù)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(chǎng)。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(chǎng)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(cè)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(chǎng)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(jiǎn)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)簽通過射頻電路檢測(cè)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)。