基于RFID動(dòng)物跟蹤管理系研究

　目前，人們對(duì)肉類食品、奶制品的需求量日益增加：與此同時(shí)，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(gè)新的挑戰(zhàn)，要求企業(yè)有一個(gè)完整的管理體系對(duì)這些產(chǎn)品的生產(chǎn)、加工過程進(jìn)行嚴(yán)格的監(jiān)督與控制。然而，近十多年來，全世界的動(dòng)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(guó)的高度重視。為此，各國(guó)政府迅速制定相應(yīng)的政策和采取各種措施，加強(qiáng)對(duì)動(dòng)物的監(jiān)控管理，其中對(duì)動(dòng)物的識(shí)別與跟蹤成為這些重大措施之一。例如，英國(guó)政府就規(guī)定對(duì)豬、馬、牛、綿羊與山羊等飼養(yǎng)動(dòng)物都必須采取各種跟蹤與識(shí)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(gè)完整、靈活、便捷的管理系統(tǒng)，提高養(yǎng)豬場(chǎng)的現(xiàn)代化管理水平；同時(shí)，在豬肉及其制品出現(xiàn)問題時(shí)，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(kuò)大。 RFID是一種非接觸式自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，具有數(shù)據(jù)存儲(chǔ)量大、可讀寫、穿透力強(qiáng)、讀寫距離遠(yuǎn)、讀取速率快、使用壽命長(zhǎng)、環(huán)境適應(yīng)性好等特點(diǎn)。而且它還是唯一可以實(shí)現(xiàn)多目標(biāo)識(shí)別的自動(dòng)識(shí)別技術(shù)。

　　1 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與工作原理

　　基于 RFID的動(dòng)物識(shí)別與跟蹤管理系統(tǒng)由RFID射頻卡、讀寫器和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)三部分組成，見圖1。讀寫器一般作為計(jì)算機(jī)終端，用來實(shí)現(xiàn)對(duì)RFID射頻卡的數(shù)據(jù)讀寫和存儲(chǔ)，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(chǔ)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(dòng)物識(shí)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(jìn)入讀寫器的射頻場(chǎng)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(shí)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(hào)送入邏輯控制電路進(jìn)行信息處理；所需回復(fù)的信息則從存儲(chǔ)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(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)通過接口獲取養(yǎng)殖場(chǎng)里豬的信息，并集養(yǎng)豬場(chǎng)日常管理需要的基本功能為一體，將養(yǎng)豬場(chǎng)日常管理所涉及的各種記錄、統(tǒng)計(jì)、報(bào)表等原來用手工完成的工作全部實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)管理。系統(tǒng)基本滿足了養(yǎng)豬場(chǎng)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(shí)、準(zhǔn)確地了解養(yǎng)豬場(chǎng)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(jì)

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

　　2．1“耳釘”(RFID卡)的安裝

　　目前，給動(dòng)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(diǎn)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(duì)豬這種動(dòng)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(chǔ)的數(shù)據(jù)多，而且抗臟污和雨水。“耳釘”式射頻卡里存儲(chǔ)的信息有：養(yǎng)豬場(chǎng)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(gè)生命周期，以便于對(duì)豬進(jìn)行識(shí)別跟蹤與管理。

　　2．2 RFID標(biāo)簽讀寫器的實(shí)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(jī)的USB接口或COM口輸入到系統(tǒng)的軟件平臺(tái)中。而固定式讀寫器在讀取RFID標(biāo)簽信息后是實(shí)時(shí)傳輸?shù)杰浖脚_(tái)中，而不用在讀寫器中存儲(chǔ)。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(tái)實(shí)時(shí)進(jìn)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(jī)進(jìn)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(jī)，嵌入式軟件平臺(tái)采用C語(yǔ)言編寫。MCU中固件負(fù)責(zé)整個(gè)讀寫器對(duì)RFID標(biāo)簽的識(shí)別與讀寫控制工作，以及與軟件平臺(tái)通過CAN網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信和數(shù)據(jù)處理工作。LCD點(diǎn)陣顯示模塊作為軟件平臺(tái)的一個(gè)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(shí)通信距離達(dá)到1．5krn，通信物理傳輸媒介簡(jiǎn)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(hào)是差分電壓信號(hào)，抗干擾能力強(qiáng)，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(jī)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(shí)現(xiàn)無阻塞地工作。
(3)900MHz RF信號(hào)處理模塊：負(fù)責(zé)對(duì) 900MHz的射頻信號(hào)進(jìn)行調(diào)制和解調(diào)工作，并通過900MHz的無線電波對(duì)RFID標(biāo)簽進(jìn)行讀寫控制，對(duì)900MHz RF信號(hào)處理模塊能通過發(fā)射能量的控制來控制RFID標(biāo)簽識(shí)別的感應(yīng)距離，并使用反碰撞技術(shù)可以識(shí)別感應(yīng)區(qū)內(nèi)的多個(gè)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(jìn)行處理工作。
(4)讀寫器可以對(duì)多個(gè)RFID標(biāo)簽進(jìn)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(shí)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(kù)服務(wù)器進(jìn)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(jì)

　　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(duì)養(yǎng)豬場(chǎng)內(nèi)的物流活動(dòng)進(jìn)行仔細(xì)的需求分析。通過對(duì)某現(xiàn)代化養(yǎng)豬場(chǎng)的調(diào)查，養(yǎng)豬場(chǎng)內(nèi)的管理對(duì)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(hù)管理、生長(zhǎng)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(chǎng)資料管理，各模塊功能見圖4。

　　整個(gè)系統(tǒng)平臺(tái)采用C／5技術(shù)，數(shù)據(jù)庫(kù)使用SQLServer2000，處理系統(tǒng)內(nèi)部事務(wù)。前端開發(fā)平臺(tái)采用Delphi6．0設(shè)計(jì)，系統(tǒng)采用多線程技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)養(yǎng)豬場(chǎng)內(nèi)RFID標(biāo)簽讀寫器使用狀況的監(jiān)測(cè)。系統(tǒng)通過幾個(gè)月的運(yùn)行，情況良好，基本上達(dá)到了預(yù)期的要求。

　　4 結(jié)束語(yǔ)

　　我國(guó)是一個(gè)農(nóng)業(yè)大國(guó)，畜牧產(chǎn)品在國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)的流通領(lǐng)域中具有重要的地位。電子標(biāo)簽將成為我國(guó)畜牧產(chǎn)品進(jìn)入國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)的“身份證”。電子標(biāo)簽國(guó)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(guó)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(guó)際貿(mào)易中的競(jìng)爭(zhēng)力，同時(shí)也有利于規(guī)范和凈化畜牧產(chǎn)品市場(chǎng)。

　　最近幾年，我國(guó)因?yàn)閯?dòng)物及其產(chǎn)品造成自勺重大疫情時(shí)有發(fā)生，由于地域廣闊、人口眾多、人員和物資的流動(dòng)性大，造成的危害非常巨大，制止疫情需要的時(shí)間長(zhǎng)、付出的代價(jià)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(duì)畜產(chǎn)品質(zhì)量的要求，對(duì)提高全民族的身體素質(zhì)具有十分重要的意義。因此，在對(duì)動(dòng)物的識(shí)別與跟蹤管理中進(jìn)一步研究和使用RFID技術(shù)，將能促進(jìn)我國(guó)的畜牧業(yè)向更高層次發(fā)展。

圖4 基于RFID的養(yǎng)豬場(chǎng)管理信息系統(tǒng)