基于RFID動物跟蹤管理系統(tǒng)設(shè)計與應(yīng)用研究 - 全文

目前，人們對肉類食品、奶制品的需求量日益增加：與此同時，人們也越來越關(guān)注這些產(chǎn)品質(zhì)量的可靠性，這給一些企業(yè)提出了一個新的挑戰(zhàn)，要求企業(yè)有一個完整的管理體系對這些產(chǎn)品的生產(chǎn)、加工過程進行嚴(yán)格的監(jiān)督與控制。然而，近十多年來，全世界的動物疫情不斷爆發(fā)，如瘋牛病、豬鏈球菌、口蹄疫、禽流感等，給人民的身體健康和生命帶來嚴(yán)重威脅，也沉重地打擊了全世界的畜牧業(yè)，從而引起了世界各國的高度重視。為此，各國政府迅速制定相應(yīng)的政策和采取各種措施，加強對動物的監(jiān)控管理，其中對動物的識別與跟蹤成為這些重大措施之一。例如，英國政府就規(guī)定對豬、馬、牛、綿羊與山羊等飼養(yǎng)動物都必須采取各種跟蹤與識別手段。

本系統(tǒng)研究的目的在于應(yīng)用RFID（Radio Frequency Identification）技術(shù)，建立一個完整、靈活、便捷的管理系統(tǒng)，提高養(yǎng)豬場的現(xiàn)代化管理水平；同時，在豬肉及其制品出現(xiàn)問題時，方便管理人員迅速找出病源，從而做出相應(yīng)的處理，避免損失的擴大。 RFID是一種非接觸式自動識別技術(shù)，具有數(shù)據(jù)存儲量大、可讀寫、穿透力強、讀寫距離遠(yuǎn)、讀取速率快、使用壽命長、環(huán)境適應(yīng)性好等特點。而且它還是唯一可以實現(xiàn)多目標(biāo)識別的自動識別技術(shù)。

1 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與工作原理

基于 RFID的動物識別與跟蹤管理系統(tǒng)由RFID射頻卡、讀寫器和計算機網(wǎng)絡(luò)三部分組成，見圖1。讀寫器一般作為計算機終端，用來實現(xiàn)對RFID射頻卡的數(shù)據(jù)讀寫和存儲，它是由控制單元、高頻通訊模塊和天線組成。本系統(tǒng)中讀寫器包括固定式和手持式兩種。RFID卡則是一種無源的應(yīng)答器，它主要由一塊集成電路 （1C）芯片及其外接天線組成，RFID芯片通常集成有射頻前端、邏輯控制、存儲器等電路，有的甚至將天線一起集成在同一芯片上。

圖1 基于RFID的動物識別系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)的基本工作原理是：當(dāng)帶有“耳釘“（RFID卡）的豬進入讀寫器的射頻場后，由其天線獲得的感應(yīng)電流經(jīng)升壓電路升壓后作為芯片的電源，同時將帶信息的感應(yīng)電流通過射頻前端電路檢得數(shù)字信號送入邏輯控制電路進行信息處理；所需回復(fù)的信息則從存儲器中獲取經(jīng)由邏輯控制電路送回射頻前端電路，最后通過天線發(fā)回給讀寫器。

計算機網(wǎng)絡(luò)通過接口獲取養(yǎng)殖場里豬的信息，并集養(yǎng)豬場日常管理需要的基本功能為一體，將養(yǎng)豬場日常管理所涉及的各種記錄、統(tǒng)計、報表等原來用手工完成的工作全部實現(xiàn)計算機管理。系統(tǒng)基本滿足了養(yǎng)豬場目前生產(chǎn)管理的需要，從宏觀決策上提供信息，便于管理者及時、準(zhǔn)確地了解養(yǎng)豬場的管理狀況，提高了現(xiàn)代化管理水平。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

本系統(tǒng)中硬件電路的實現(xiàn)包括：豬“耳釘”（RFID卡）的安裝、標(biāo)簽讀寫器的實現(xiàn)以及計算機網(wǎng)絡(luò)的組建三部分。

2．1“耳釘”（RFID卡）的安裝

目前，給動物安裝電子標(biāo)簽的基本方法有頸圈式、耳牌（釘）式、注射式和藥丸式電子標(biāo)簽，各種標(biāo)簽有它自己的特點和適用范圍 。頸圈式標(biāo)簽的成本太高，而注射式標(biāo)簽和藥丸式標(biāo)簽對豬這種動物又不合適，所以本系統(tǒng)中采用的是“耳釘”式電子標(biāo)簽。耳釘式電子標(biāo)簽不僅存儲的數(shù)據(jù)多，而且抗臟污和雨水?！岸敗笔缴漕l卡里存儲的信息有：養(yǎng)豬場所在鄉(xiāng)鎮(zhèn)的地址、郵政編碼、品種信息、耳釘佩戴日期、檢疫與免疫信息、疾病信息、家譜及繁殖信息、出欄日期等，所有這些信息必須涵蓋這頭豬從出生后的整個生命周期，以便于對豬進行識別跟蹤與管理。

2．2 RFID標(biāo)簽讀寫器的實現(xiàn)

本系統(tǒng)中使用的RFID標(biāo)簽讀寫器有兩種：一種是固定式讀寫器；另一種是手持式讀寫器，見圖2。固定式讀寫器與手持式讀寫器的主要區(qū)別是：手持式讀寫器能夠在讀取大量的RFID標(biāo)簽信息后，使這些信息通過pc機的USB接口或COM口輸入到系統(tǒng)的軟件平臺中。而固定式讀寫器在讀取RFID標(biāo)簽信息后是實時傳輸?shù)杰浖脚_中，而不用在讀寫器中存儲。固定式讀寫器被安裝在豬舍的某一固定位置，可以通過CAN總線網(wǎng)絡(luò)與軟件平臺實時進行數(shù)據(jù)和信息交換。手持式讀寫器的使用十分方便，在集中讀取RFID標(biāo)簽信息后然后才與Pc機進行數(shù)據(jù)交換。由于篇幅的限制，本文中只給出了固定式讀寫器的原理框圖，見圖3。其中各模塊的功能如下：

圖2 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

圖3 固定式讀寫器框圖

（1）MCU可以采用16位單片機，嵌入式軟件平臺采用C語言編寫。MCU中固件負(fù)責(zé)整個讀寫器對RFID標(biāo)簽的識別與讀寫控制工作，以及與軟件平臺通過CAN網(wǎng)絡(luò)進行通信和數(shù)據(jù)處理工作。LCD點陣顯示模塊作為軟件平臺的一個輔助顯示終端。

（2）CAN網(wǎng)絡(luò)控制模塊：CAN總線網(wǎng)絡(luò)在波特率為9600時通信距離達(dá)到1．5krn，通信物理傳輸媒介簡單。只需兩芯雙絞線及可組成總線網(wǎng)絡(luò)，CAN總線網(wǎng)絡(luò)在雙絞線上傳送的物理信號是差分電壓信號，抗干擾能力強，傳輸距離遠(yuǎn)，通過CAN網(wǎng)絡(luò)控制模塊的控制能以多主機方式通信。CAN網(wǎng)絡(luò)控制模塊負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)監(jiān)控和網(wǎng)絡(luò)通信仲裁等工作，使總線網(wǎng)絡(luò)通信實現(xiàn)無阻塞地工作。

（3）900MHz RF信號處理模塊：負(fù)責(zé)對 900MHz的射頻信號進行調(diào)制和解調(diào)工作，并通過900MHz的無線電波對RFID標(biāo)簽進行讀寫控制，對900MHz RF信號處理模塊能通過發(fā)射能量的控制來控制RFID標(biāo)簽識別的感應(yīng)距離，并使用反碰撞技術(shù)可以識別感應(yīng)區(qū)內(nèi)的多個RFID標(biāo)簽。該模塊與MCU主控單元通過并口連接，MCU可以通過命令控制該模塊進行處理工作。

（4）讀寫器可以對多個RFID標(biāo)簽進行讀寫處理，并能設(shè)置RFID標(biāo)簽的讀寫距離和方向，讀寫器能自行判斷RFID標(biāo)簽是否被重復(fù)讀寫處理。

2．3 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的實現(xiàn)

本系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)見圖2。系統(tǒng)中手持式讀寫器通過PC工作站的USB口和HUB集線器與數(shù)據(jù)庫服務(wù)器進行數(shù)據(jù)交換。而固定式閱讀器則通過CAN總線網(wǎng)絡(luò)和PC工作站相連，然后通過HUB與數(shù)據(jù)服務(wù)器通信。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

為了有效地采用現(xiàn)代化管理方法，合理的組織生產(chǎn)，我們對養(yǎng)豬場內(nèi)的物流活動進行仔細(xì)的需求分析。通過對某現(xiàn)代化養(yǎng)豬場的調(diào)查，養(yǎng)豬場內(nèi)的管理對象不僅有豬，還有豬肉及其制品，飼料、員工等，因此，本系統(tǒng)設(shè)置了9大功能各模塊：即系統(tǒng)管理、豬只維護管理、生長發(fā)育管理、飼養(yǎng)管理、繁殖管理、疾病管理、防疫管理、跟蹤信息查詢和養(yǎng)豬場資料管理，各模塊功能見圖4。

整個系統(tǒng)平臺采用C／5技術(shù)，數(shù)據(jù)庫使用SQLServer2000，處理系統(tǒng)內(nèi)部事務(wù)。前端開發(fā)平臺采用Delphi6．0設(shè)計，系統(tǒng)采用多線程技術(shù)，可以實現(xiàn)對養(yǎng)豬場內(nèi)RFID標(biāo)簽讀寫器使用狀況的監(jiān)測。系統(tǒng)通過幾個月的運行，情況良好，基本上達(dá)到了預(yù)期的要求。

4 結(jié)束語

我國是一個農(nóng)業(yè)大國，畜牧產(chǎn)品在國內(nèi)外市場的流通領(lǐng)域中具有重要的地位。電子標(biāo)簽將成為我國畜牧產(chǎn)品進入國內(nèi)外市場的“身份證”。電子標(biāo)簽國家標(biāo)準(zhǔn)的推出和電子標(biāo)簽的廣泛應(yīng)用將大大提高我國畜牧產(chǎn)品物流管理能力、質(zhì)量監(jiān)督能力、可跟蹤能力以及國際貿(mào)易中的競爭力，同時也有利于規(guī)范和凈化畜牧產(chǎn)品市場。

最近幾年，我國因為動物及其產(chǎn)品造成自勺重大疫情時有發(fā)生，由于地域廣闊、人口眾多、人員和物資的流動性大，造成的危害非常巨大，制止疫情需要的時間長、付出的代價很大。生產(chǎn)安全、衛(wèi)生、合格的綠色畜禽產(chǎn)品，滿足人們對畜產(chǎn)品質(zhì)量的要求，對提高全民族的身體素質(zhì)具有十分重要的意義。因此，在對動物的識別與跟蹤管理中進一步研究和使用RFID技術(shù)，將能促進我國的畜牧業(yè)向更高層次發(fā)展。

圖4 基于RFID的養(yǎng)豬場管理信息系統(tǒng)