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RFID在现代化奶牛场管理中的应用
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0 引言
信息与自动化的现代管理技术在畜牧业发展中的地位越来越重要，基于无线射频原理的奶牛自动识别系统，是现代化奶牛场管理 中不可或缺的一部分。无线射频识别技术(RFID)是一种非接触式的标签识别技术，它通过射频信号自动识别目标对象，并获取相关数据，可进行无线读写 。
目前，国内应用最成功的是近距离的RFID系统，识别范围仅在20～30era以内，而物流或现代化动物识别管理中往往需要在数十厘米甚至数米的距离范围内读取数据，RFID在超高频段(UHF)的读写距离可达1m以上。我国在超高频段的研究和应用目前还处于起步阶段，也还没有自己的标准，发达国家早已形成了统一的标准和成熟的体系 。
我国最大规模的UHF RFID行业应用是铁路车号自动识别系统，识别距离可达6m 。因此，应以国际ISO／IEC和EPCglobal相关标准为基础，结合我国实际情况制定适合自己的标准，同时借鉴国内外现有经验，推进RFID在我国相关行业中的应用。
系统采用超高频读写器模块S1871作为无线射频部分。LPC2214作为系统的主控制芯片，辅之于显示及外部接口等电路搭建系统的硬件平台，在txCLinux实时操作系统下，采用C语言完成系统的软件部分设计，同时采用SQL Sever2000作为系统数据库服务器软件，旨在搭建一个能应用于奶牛场快速准确识别奶牛信息的RFID系统，识别系统符合最新国际标准ISO18000—6C和EPC C1 Gen2。
1 系统简介及组成
1．1 分类
RFID系统根据工作频段、识别距离以及工作原理的不同有多种分类方法。其中，135kHz以下和13．56MHz属于电磁耦合类型，作用距离在lOcm 以内；433．92MHz及2．45GHz对应有源RFID电子标签；860—960MHz以无源RFID电子标签为主体，多频点，作用范围在1～20m内，是目前应用最广泛的产品。其工作原理是基于电磁反向散射耦合通信(即雷达原理模型)，发射出去的电磁波碰到目标后反射，同时携带回目标信息。
1．2 结构
RFID系统由3大部分构成，分别是应答器(标签)、读写器以及后端数据库 。
1．3 工作原理
系统中，选择860～960MHz作为其工作频段，对应无源电子标签以节约能源。牛耳标、固定在过道门上的阅读器和上位机数据库组成了一个完整的奶牛识别系统。每头奶牛均配备有一个无线射频标签，对应唯一一个ID号。奶牛进入挤奶厅时，远距离射频识别器即可识别出其所带标签的ID信息，并进行实时显示与传送，并发出命令，奶牛进入相应的挤奶槽挤奶，完毕后自行离去。通过对奶量的测量，记录奶牛本次的挤奶量等信息。整个过程有条不紊、准确迅速，大大提高了生产效率。系统的各组成部分如图1所示。
射频识别控制器系统以LPC2214做为主控制芯片，超高频部分采用基于Intel R1000技术的UHF微型读写器嵌入式模块S1871，LCD采用液晶显示模块LCMl2864。另外，系统还扩展了4MB的Hash和256kB的SDRAM，外部接口有用于下载和通信的串口。LPC2214是一款基于32位ARM7TDMI—S内核，并支持实时仿真和跟踪的微处理器，并带有16kB的片内SRAM 和256kB的高速Flash。两个16C550工业标准UART串行接口满足了系统的通信功能。简易的JTAG接口使程序的调试和下载都很方便，并且LPC2214的通用IZO口多达112个，满足系统需求，并留有以后扩展外部设备的余地。
2．1 射频模块
系统射频部分采用920—925MHz的超高频频段，符合最新国际标准ISO／IEC组织的ISO18000—6C和EPCglobal组织的EPC C1 Gen2。标签为相应标准的无源超高频射频识别标签。其中，采用这些标准的意义还在于为实现全球物联网这个伟大的设想做初步准备。
基于Intel R1000技术的UHF微型读写器模块Sl871，是可嵌入需要电子标签识读的固定或移动式中短距离设备的超高频多用途微型读写器模块。功率范围符合欧洲(ETSI EN 302 208)以及美国(FCCpart 15)等主流标准。其可调最大功率为1300mW，支持EPC Classl Gen2协议，采用偶极子型天线。
2．2 通信接口
LPC2214与上位机通信采用RS232串口直接通信。RS232串行通信采用全双工模式，波特率9600bps，与LPC2214的UART0通讯接口相连。当监控中心离工作现场较远时，可考虑采用GPRS实现远距离无线数据传输。
2．3 LCD显示部分
系统采用LCMl2864显示模块，液晶屏幕为128mm ×64mm，可显示4行，每行8个汉字。LCM12864的字型ROM内含8 192个16×16点中文字型和128个16×8半宽的字母符号字型，内含CGRAM提供4组软件可编程的16 Z 16点阵造字功能，可实现汉字、ASCII码和点阵图形的同屏显示。同时，提供了与微控器灵活的接口模式(并行8位／4位，串行3线／2线)。
2．4 电源及复位
根据系统设计的要求，需要DC5V、DC3．3V和DC1．8V等3种直流电源。使用小功率的正电压调节器SPX1117，它以其极低的静态电流和截止电压而著称，满负载情况下的截止电压仅为1．1V。系统采用CAT1025监控系统的复位，利用低功耗的CMOS技术将2kbit的串行E2 PROM和用于掉电保护的系统电源监控电路集成在一块芯片内，含1个精确的VCC监控测电路和2个开漏输出引脚(RESET和／RESET)。当VCC低于复位门槛电压时，RESET引脚变为高电平，而／RESET变为低电平。
3 软件设计
采用μ CLinux作为本系统的操作系统内核。软件的设计按照系统的基本运行流程进行，采用C语言编程。首先，系统供电初始化开始，等待判断是否有标签进入有效阅读区域；若无，继续等待并判断直到检测出区域内出现标签，电磁波反射带回标签信息；然后，进行一系列的响应和处理，完成识别过程。系统程序流程如图2所示。
当上位机接收到射频控制器传来的牛号信息时，由上位机数据库中调出与此牛号相对应的详细信息。系统数据库服务器软件采用SQL Sever 2000，Visual C++作为其前台开发工具。可实现的功能如下：一是查看奶牛的基本信息，如出生、父本、母本、身高、体改、删除或添加信息，可以方便管理人员对此牛的所有信息进行查阅或修改；三是根据此信息发出相应命令，引导奶牛进人相应挤奶槽挤奶，整个过程不需要人工干预，准确迅速。
4 实验结果
通过对奶牛识别器的多次运行测试，能达到既定1m以上的识别距离，识别率达99% 以上。
1)奶牛远距离自动识别器实现了无接触和无人工干预的奶牛标号自动识别，并与上位机联系，能及时、准确地调用奶牛的详细信息及发出命令，具有识别率高的优点。
2)采用ARM7芯片作为主控芯片，硬件平台和软件平台均得到提升，为系统的升级留有余地。
信息与自动化的现代管理技术在畜牧业发展中的地位越来越重要，基于无线射频原理的奶牛自动识别系统，是现代化奶牛场管理 中不可或缺的一部分。无线射频识别技术(RFID)是一种非接触式的标签识别技术，它通过射频信号自动识别目标对象，并获取相关数据，可进行无线读写 。
目前，国内应用最成功的是近距离的RFID系统，识别范围仅在20～30era以内，而物流或现代化动物识别管理中往往需要在数十厘米甚至数米的距离范围内读取数据，RFID在超高频段(UHF)的读写距离可达1m以上。我国在超高频段的研究和应用目前还处于起步阶段，也还没有自己的标准，发达国家早已形成了统一的标准和成熟的体系 。
我国最大规模的UHF RFID行业应用是铁路车号自动识别系统，识别距离可达6m 。因此，应以国际ISO／IEC和EPCglobal相关标准为基础，结合我国实际情况制定适合自己的标准，同时借鉴国内外现有经验，推进RFID在我国相关行业中的应用。
系统采用超高频读写器模块S1871作为无线射频部分。LPC2214作为系统的主控制芯片，辅之于显示及外部接口等电路搭建系统的硬件平台，在txCLinux实时操作系统下，采用C语言完成系统的软件部分设计，同时采用SQL Sever2000作为系统数据库服务器软件，旨在搭建一个能应用于奶牛场快速准确识别奶牛信息的RFID系统，识别系统符合最新国际标准ISO18000—6C和EPC C1 Gen2。
1 系统简介及组成
1．1 分类
RFID系统根据工作频段、识别距离以及工作原理的不同有多种分类方法。其中，135kHz以下和13．56MHz属于电磁耦合类型，作用距离在lOcm 以内；433．92MHz及2．45GHz对应有源RFID电子标签；860—960MHz以无源RFID电子标签为主体，多频点，作用范围在1～20m内，是目前应用最广泛的产品。其工作原理是基于电磁反向散射耦合通信(即雷达原理模型)，发射出去的电磁波碰到目标后反射，同时携带回目标信息。
1．2 结构
RFID系统由3大部分构成，分别是应答器(标签)、读写器以及后端数据库 。
1．3 工作原理
系统中，选择860～960MHz作为其工作频段，对应无源电子标签以节约能源。牛耳标、固定在过道门上的阅读器和上位机数据库组成了一个完整的奶牛识别系统。每头奶牛均配备有一个无线射频标签，对应唯一一个ID号。奶牛进入挤奶厅时，远距离射频识别器即可识别出其所带标签的ID信息，并进行实时显示与传送，并发出命令，奶牛进入相应的挤奶槽挤奶，完毕后自行离去。通过对奶量的测量，记录奶牛本次的挤奶量等信息。整个过程有条不紊、准确迅速，大大提高了生产效率。系统的各组成部分如图1所示。
图1 系统组成结构框图
Fig．1 Structural chan of system
射频识别控制器系统以LPC2214做为主控制芯片，超高频部分采用基于Intel R1000技术的UHF微型读写器嵌入式模块S1871，LCD采用液晶显示模块LCMl2864。另外，系统还扩展了4MB的Hash和256kB的SDRAM，外部接口有用于下载和通信的串口。LPC2214是一款基于32位ARM7TDMI—S内核，并支持实时仿真和跟踪的微处理器，并带有16kB的片内SRAM 和256kB的高速Flash。两个16C550工业标准UART串行接口满足了系统的通信功能。简易的JTAG接口使程序的调试和下载都很方便，并且LPC2214的通用IZO口多达112个，满足系统需求，并留有以后扩展外部设备的余地。
2．1 射频模块
系统射频部分采用920—925MHz的超高频频段，符合最新国际标准ISO／IEC组织的ISO18000—6C和EPCglobal组织的EPC C1 Gen2。标签为相应标准的无源超高频射频识别标签。其中，采用这些标准的意义还在于为实现全球物联网这个伟大的设想做初步准备。
基于Intel R1000技术的UHF微型读写器模块Sl871，是可嵌入需要电子标签识读的固定或移动式中短距离设备的超高频多用途微型读写器模块。功率范围符合欧洲(ETSI EN 302 208)以及美国(FCCpart 15)等主流标准。其可调最大功率为1300mW，支持EPC Classl Gen2协议，采用偶极子型天线。
2．2 通信接口
LPC2214与上位机通信采用RS232串口直接通信。RS232串行通信采用全双工模式，波特率9600bps，与LPC2214的UART0通讯接口相连。当监控中心离工作现场较远时，可考虑采用GPRS实现远距离无线数据传输。
2．3 LCD显示部分
系统采用LCMl2864显示模块，液晶屏幕为128mm ×64mm，可显示4行，每行8个汉字。LCM12864的字型ROM内含8 192个16×16点中文字型和128个16×8半宽的字母符号字型，内含CGRAM提供4组软件可编程的16 Z 16点阵造字功能，可实现汉字、ASCII码和点阵图形的同屏显示。同时，提供了与微控器灵活的接口模式(并行8位／4位，串行3线／2线)。
2．4 电源及复位
根据系统设计的要求，需要DC5V、DC3．3V和DC1．8V等3种直流电源。使用小功率的正电压调节器SPX1117，它以其极低的静态电流和截止电压而著称，满负载情况下的截止电压仅为1．1V。系统采用CAT1025监控系统的复位，利用低功耗的CMOS技术将2kbit的串行E2 PROM和用于掉电保护的系统电源监控电路集成在一块芯片内，含1个精确的VCC监控测电路和2个开漏输出引脚(RESET和／RESET)。当VCC低于复位门槛电压时，RESET引脚变为高电平，而／RESET变为低电平。
3 软件设计
采用μ CLinux作为本系统的操作系统内核。软件的设计按照系统的基本运行流程进行，采用C语言编程。首先，系统供电初始化开始，等待判断是否有标签进入有效阅读区域；若无，继续等待并判断直到检测出区域内出现标签，电磁波反射带回标签信息；然后，进行一系列的响应和处理，完成识别过程。系统程序流程如图2所示。
当上位机接收到射频控制器传来的牛号信息时，由上位机数据库中调出与此牛号相对应的详细信息。系统数据库服务器软件采用SQL Sever 2000，Visual C++作为其前台开发工具。可实现的功能如下：一是查看奶牛的基本信息，如出生、父本、母本、身高、体改、删除或添加信息，可以方便管理人员对此牛的所有信息进行查阅或修改；三是根据此信息发出相应命令，引导奶牛进人相应挤奶槽挤奶，整个过程不需要人工干预，准确迅速。
4 实验结果
通过对奶牛识别器的多次运行测试，能达到既定1m以上的识别距离，识别率达99% 以上。
图2 系统程序流程图
Fig．2 Procedure flow chart of system
1)奶牛远距离自动识别器实现了无接触和无人工干预的奶牛标号自动识别，并与上位机联系，能及时、准确地调用奶牛的详细信息及发出命令，具有识别率高的优点。
2)采用ARM7芯片作为主控芯片，硬件平台和软件平台均得到提升，为系统的升级留有余地。
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