基于無線動物識別和跟蹤管理系統(tǒng)的設(shè)計應(yīng)用

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)電流進行解碼，并提取數(shù)字信號進入邏輯控制電路進行信息處理，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。

　 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行讀寫。

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)出的信號后進行解調(diào)，再把有效信息傳輸給標(biāo)簽內(nèi)的單片機；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)送的信號進行調(diào)制，便攜式手持讀寫器則對其進行解調(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。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。

　 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)。