無線動物識別和跟蹤管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)用

【W(wǎng)ord版本下載可任意編輯】無線動物識別和跟蹤管理系統(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)視和預(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(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。

動物身份識別的實(shí)踐說明，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(shí)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)開展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(jì)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(jì)算機(jī)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(jì)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)簽都有自己的編碼，在動物身體上開展標(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開展數(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(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)及數(shù)據(jù)庫管理軟件。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，從而將獲得的動物相關(guān)信息及各種記錄、統(tǒng)計(jì)報表等內(nèi)容保存在數(shù)據(jù)庫中，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，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(jìn)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(jìn)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)電流開展解碼，并提取數(shù)字信號進(jìn)入邏輯控制電路開展信息處理，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)開展相關(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(jìn)入便攜式手持讀寫器的射頻場時，由于EM4469具有防沖突機(jī)制，使得便攜式手持讀寫器在識讀范圍內(nèi)只保存一個射頻電子標(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(jì)

本系統(tǒng)以動物身份識別和跟蹤為目的，應(yīng)用RFID技術(shù)開展射頻發(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，用于動物識別的電子標(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)簽簡稱耳標(biāo)，它具有存儲數(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開展讀寫。

射頻電子標(biāo)簽的選擇

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)出的信號后開展解調(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)送時相反，即射頻電子標(biāo)簽要對發(fā)送的信號開展調(diào)制，便攜式手持讀寫器則對其開展解調(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ISOFDX/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(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)。

工作頻率范圍10～105kHz。

有片內(nèi)整流器和限壓器。

額定工作溫度為-40℃～85℃。

超低功耗。

EM4469片內(nèi)集成的諧振電容多種可選(33opF，250pF，75pF)。

圖２為EM4469芯片的原理框圖。其中，時鐘解壓器的作用是產(chǎn)生系統(tǒng)時鐘，其頻率與射頻磁場的頻率相適應(yīng)，邏輯模塊內(nèi)的時序發(fā)生器將利用系統(tǒng)時鐘產(chǎn)生內(nèi)部時序。數(shù)據(jù)解壓器的作用是探測天線端信號的存在時間周期，它可以監(jiān)測到磁場停止時間是否長過數(shù)據(jù)提取時限TMONO。調(diào)制器由邏輯模塊驅(qū)動，當(dāng)其處于開狀態(tài)時，將消耗天線兩端大的電流，從而調(diào)制射頻磁場。邏輯電路由控制器、配置存放器、時序發(fā)生器、編碼器和命令解碼器等多個子模塊組成，它的作用是控制IC的狀態(tài)、產(chǎn)生工作時序信號、編碼和解碼數(shù)據(jù)以及讀寫EEPROM數(shù)據(jù)等。

EM4469射頻芯片的存儲構(gòu)造

512位的EEPROM存儲空間，被分成16個扇區(qū)(編號為0-15)，每個扇區(qū)有32位(編號為0-31)，讀寫時按低位優(yōu)先的原則開展，總是從LSB開始。其中第0和第1扇區(qū)由芯片生產(chǎn)廠商定義為只讀扇區(qū)，芯片的類型、版本、用戶代碼和序列號(UID)都寫在這兩個扇區(qū)中；第2，3，4三個扇區(qū)是內(nèi)部管理塊，用來定義器件的操作選項(xiàng)(輔助管理字段)，它們由密碼塊、保護(hù)字塊和配置字塊組成；剩下的11個扇區(qū)(5-15)是用戶可以自由使用的空間(共352位)。EM4469的存儲器構(gòu)造如下表1所示。

便攜式手持讀寫器的設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的便攜式手持讀寫器體積小，攜帶方便，可以由管理人員帶到動物身邊讀寫耳標(biāo)，主要由天線、射頻部分、控制部分以及主機(jī)接口四大模塊組成。此外，為了方便用戶使用，用來顯示和輸入數(shù)據(jù)的液晶顯示屏和鍵盤也是不可缺少的。設(shè)計(jì)原理框圖如圖3所示。各模塊功能介紹如下：

天線：在射頻電子標(biāo)簽和讀寫器之間傳遞射頻信號。本設(shè)計(jì)中使用PCB天線。

射頻芯片：讀寫器與射頻電子標(biāo)簽之間的信息交換通過射頻芯片及外圍電路實(shí)現(xiàn)，本系統(tǒng)使用的射頻芯片是EM4095。

控制芯片：控制射頻芯片讀取耳標(biāo)中的數(shù)據(jù)并發(fā)送信令給耳標(biāo)，并控制通過LCD屏幕顯示數(shù)據(jù)以及判斷鍵盤的操作。

主機(jī)接口：便攜式手持讀寫器與上位的PC機(jī)開展信息交換時，可通過串口和無線通信兩種方式完成。

讀卡器射頻芯片的硬件電路圖如圖4所示。

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)原理及流程圖

本系統(tǒng)的主要功能是完成便攜式手持讀寫器對電子射頻標(biāo)簽的讀寫過程。首先初始化單片機(jī)串口，發(fā)送開射頻場的命令，輸入要讀取(寫入)的數(shù)據(jù)扇區(qū)的區(qū)號。然后發(fā)送讀數(shù)據(jù)(寫數(shù)據(jù))的命令，判斷此命令是否發(fā)送完畢，若未發(fā)送完就繼續(xù)發(fā)送；若發(fā)送結(jié)束就判斷是否有數(shù)據(jù)，沒有數(shù)據(jù)則提示錯誤并返回到初始化的地方，如果有數(shù)據(jù)就開始接收(寫入)。判斷接收到的數(shù)據(jù)正確與否，如果正確，則可以開展數(shù)據(jù)處理；如果錯誤，則提示錯誤并返回初始化。

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)原理及流程圖如圖5所示。

主要模塊底層驅(qū)動設(shè)計(jì)

鍵盤驅(qū)動設(shè)計(jì)

鍵盤驅(qū)動設(shè)計(jì)以防止鍵盤抖動為主，否則會出現(xiàn)誤判情況。本設(shè)計(jì)中采用軟件延時的方式消除抖動，逐行開展掃描，無鍵按下時返回十六進(jìn)制數(shù)0x00。

串口通信模塊驅(qū)動設(shè)計(jì)

在讀寫器與PC機(jī)的串口通信中，主要通過中斷方式實(shí)現(xiàn)，需要完成的任務(wù)有UART模塊初始化，包括個存放器的設(shè)置、波特率的選擇及中斷使能、數(shù)據(jù)發(fā)送與接收函數(shù)的編制。

UART模塊初始化函數(shù)：

intinitialize_uart1(unsignedintbr)

{unsignedshortFdiv;

PINSEL0|=((0x01<<16)|(0x01<<18)

);

U1LCR=0x83;//DLAB=1,允許設(shè)置波特率

Fdiv=(Fpclk/16)/br;//設(shè)置波特率

U1DLM=Fdiv/256;

U1DLL=Fdiv%256;

U1LCR=0x03;

U1FCR=0x01;//使能FIFO，并設(shè)置觸發(fā)點(diǎn)為1字節(jié)

U1IER=0x01;//使能中斷

VICIntSelect=0x00000000;//設(shè)置所有的通道為IRQ中斷

VICVectCntl1=0x20|0x07;//UART1分配到IRQslot1，

VICVectAddr1=(unsignedlongint)irq_uart1;//設(shè)置UART1向量地址

上位機(jī)信息交換以及數(shù)據(jù)庫存儲的軟件設(shè)計(jì)

動物識別和跟蹤管理系統(tǒng)將日常所涉及的各種信息、記錄和報表等資料完全實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)自動化處理，從而節(jié)省人力消耗，防止錯誤操作，可提高工作效率。上位機(jī)中的數(shù)據(jù)管理，除了動物的生長、防疫、疾病等基本信息之外，還包括人員的信息。管理軟件圖如圖6，各模塊功能介紹如下：

動物基本信息模塊。此模塊的主要功能是建立動物基本信息檔案，記錄飼養(yǎng)場名稱和編號、動物編號、動物名稱、出生日期、重量、以及所經(jīng)手人員的姓名和編號等基本信息。同時生成"動物基本信息文件"。

飼料管理模塊。此模塊的重要功能是記錄動物飼料喂養(yǎng)信息。包括飼料廠家名稱、飼料類型、飼料批號、喂養(yǎng)人、投料時間等信息。

疾病管理模塊。在此模塊中可以記錄動物的疾病情況，包括動物生病的時間、疾病的名稱、特征及一些治療和防治的方法。

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