无线动物识别和跟踪管理系统的设计

 引言

疯牛病、口蹄疫、禽流感和人-猪链球菌等动物疾病在全世界范围内发生之后，人们越来越重视对动物疾病的控制、监督和预防。其中，动物监管的重要措施之一是对动物的饲养、运输、屠宰及其产品的加工和流通等环节实施全过程、全方位的有序管理和监控。

动物身份识别的实践表明，射频识别(RFID)在动物管理中起着越来越重要的作用。RFID利用射频通信实现的非接触式自动识别，通过射频信号自动识别目标对象并获取相关数据，识别工作无须人工干预，可工作于各种恶劣环境，以跟随动物生长的整个过程。开发一个性能优异的RFID系统进行动物识别与跟踪具有十分重要的意义，本文提出了基于EM4469的设计方案，以满足人对动物的非接触管理、户外长时间和低功耗的动物识别和跟踪中的各种要求。

系统组成及工作原理

系统的组成

基于RFID技术的动物识别和跟踪管理系统主要由射频电子标签、便携式手持读写器以及计算机网络及数据库管理软件组成。系统组成如图1所示。

 

 

(1)射频电子标签。在本设计中，射频电子标签即为内嵌EM4469射频芯片的动物用耳标。用于记录动物的ID、基本生长信息、免疫、检疫信息以及其他管理信息。每个射频电子标签都有自己唯一的编码，在动物身体上进行标识。射频电子标签具有智能读写和加密通信的功能，通过无线电波与便携式手持读写器进行数据传输。EM4469是无源的射频芯片，工作所需要的全部能量来自于便携式手持读写器。

(2)便携式手持读写器。实现对射频标签EM4469的ID号识别、密码修改以及用户数据的读写操作。主要由天线、无线收发模块、控制模块以及接口电路组成。

(3)计算机网络及数据库管理软件。主要实现与便携式手持读写器的相互通信以及数据信息的交换，从而将获得的动物相关信息及各种记录、统计报表等内容保存在数据库中，实现数据的计算机管理。

系统工作原理

当便携式手持读写器准备读射频电子标签时，读写器会发射固定频率的电磁波，从而在读写器的天线周围产生高频的交变磁场。当带有RFID射频电子标签的动物进入便携式手持读写器发射的射频场范围内时，射频电子标签中的天线会产生感应电流，并经内部升压电路升压后作为射频芯片EM4469的电源，使其进入工作状态。EM4469的数据解压器不断探测来自天线端的信号，将带有信息的感应电流进行解码，并提取数字信号进入逻辑控制电路进行信息处理，最后发送给便携式手持读写器。读写器读取信息并解码后，将其送至信息系统进行相关的数据处理并保存。写标签时，读写器把处理后的信息重新写入EM4469芯片中。

当有多个射频电子标签进入便携式手持读写器的射频场时，由于EM4469具有防冲突认证机制，使得便携式手持读写器在识读范围内只保留一个射频电子标签处于活动状态和数据通信状态。

系统硬件设计

本系统以动物身份识别和跟踪为目的，应用RFID技术进行射频发射及读写系统的相关硬件设计，其中主要包括射频电子标签和便携式手持读写器的设计两大部分。

射频电子标签的选择

目前，用于动物识别的电子标签形式主要有耳钉式、项圈式、植入式和药丸式，这几种形式各有其特点和适用范围。本系统采用耳钉式射频电子标签简称耳标，它具有存储数据多、抗污以及防水等特点。

使用专用耳标钳将内嵌EM4469射频卡的耳标钉穿入动物耳朵，并用耳标帽固定。耳标钉中存储动物出生以后的整个生命周期的相关信息，这些信息可用便携式手持读写器进行读写。

射频电子标签的选择

射频电子标签通过射频电路检测到便携式手持读写器发出的信号后进行解调，再把有效信息传输给标签内的单片机;而便携式手持读写器接收数据信息的过程刚好与发送时相反，即射频电子标签要对发送的信号进行调制，便携式手持读写器则对其进行解调，再把有效信息传输给便携式手持读写器内部的单片机。以上工作主要由射频芯片实现，本设计采用EM4469芯片。

EM4469主要特点及原理框图

EM4469是Microelectronic公司推出的一种工作频率为100~150kHz的具有读/写功能的非接触式RFID射频芯片，可以较低的功耗提供多种数据传输率和数据编码方式。该射频芯片不仅兼容ISO11784/11785标准，而且还符合ISO FDX/B动物识别标准，因此被广泛应用于各种应用管理系统中，尤其是动物识别和跟踪管理中。其主要特点如下：

容量为512位EEPROM，分为16扇区，每区32位。

具有32位密码读写保护。

每张卡都有32位唯一的ID码。

具有10位用户码。

兼容ISO11784/11785标准。

EM4469的锁定位可以将EEPROM的数据块转变成只读模式。

具有Manchester、miller、Bi-phase、PSK

、FSK等多种编码形式。

具有多种数据传输速率(从1-32K波特)。

工作频率范围10～105kHz。

有片内整流器和限压器。

额定工作温度为-40℃～85℃。

超低功耗。

EM4469片内集成的谐振电容多种可选(33opF，250pF，75pF)。

图2为EM4469芯片的原理框图。其中，时钟解压器的作用是产生系统时钟，其频率与射频磁场的频率相适应，逻辑模块内的时序发生器将利用系统时钟产生内部时序。数据解压器的作用是探测天线端信号的存在时间周期，它可以监测到磁场停止时间是否长过数据提取时限TMONO。调制器由逻辑模块驱动，当其处于开状态时，将消耗天线两端大的电流，从而调制射频磁场。逻辑电路由控制器、配置寄存器、时序发生器、编码器和命令解码器等多个子模块组成，它的作用是控制IC的状态、产生工作时序信号、编码和解码数据以及读写EEPROM数据等。

 

 

EM4469射频芯片的存储结构

512位的EEPROM存储空间，被分成16个扇区(编号为0-15)，每个扇区有32位(编号为0-31)，读写时按低位优先的原则进行，总是从LSB开始。其中第0和第1扇区由芯片生产厂商定义为只读扇区，芯片的类型、版本、用户代码和唯一序列号(UID)都写在这两个扇区中;第2，3，4三个扇区是内部管理块，用来定义器件的操作选项(辅助管理字段)，它们由密码块、保护字块和配置字块组成;剩下的11个扇区(5-15)是用户可以自由使用的空间(共352位)。EM4469的存储器结构如表1所示。

 

 

便携式手持读写器的设计

本系统的便携式手持读写器体积小，携带方便，可以由管理人员带到动物身边读写耳标，主要由天线、射频部分、控制部分以及主机接口四大模块组成。此外，为了方便用户使用，用来显示和输入数据的液晶显示屏和键盘也是不可缺少的。设计原理框图如图3所示。各模块功能介绍如下：

天线：在射频电子标签和读写器之间传递射频信号。本设计中使用PCB天线。

射频芯片：读写器与射频电子标签之间的信息交换通过射频芯片及外围电路实现，本系统使用的射频芯片是EM4095。

控制芯片：控制射频芯片读取耳标中的数据并发送信令给耳标，并控制通过LCD屏幕显示数据以及判断键盘的操作。

主机接口：便携式手持读写器与上位的PC机进行信息交换时，可通过串口和无线通信两种方式完成。

 

 

读卡器射频芯片的硬件电路图如图4所示。

 

 

系统软件设计

系统软件设计原理及流程图

本系统的主要功能是完成便携式手持读写器对电子射频标签的读写过程。首先初始化单片机串口，发送开射频场的命令，输入要读取(写入)的数据扇区的区号。然后发送读数据(写数据)的命令，判断此命令是否发送完毕，若未发送完就继续发送;若发送结束就判断是否有数据，没有数据则提示错误并返回到初始化的地方，如果有数据就开始接收(写入)。最后判断接收到的数据正确与否，如果正确，则可以进行数据处理;如果错误，则提示错误并返回初始化。

系统软件设计原理及流程图如图5所示。

 

 

主要模块底层驱动设计

键盘驱动设计

键盘驱动设计以防止键盘抖动为主，否则会出现误判情况。本设计中采用软件延时的方式消除抖动，逐行进行扫描，无键按下时返回十六进制数0x00。

串口通信模块驱动设计

在读写器与PC机的串口通信中，主要通过中断方式实现，需要完成的任务有UART模块初始化，包括个寄存器的设置、波特率的选择及中断使能、数据发送与接收函数的编制。

UART模块初始化函数：

 

 

上位机信息交换以及数据库存储的软件设计

动物识别和跟踪管理系统将日常所涉及的各种信息、记录和报表等资料完全实现计算机自动化处理，从而节省人力消耗，避免错误操作，可提高工作效率。上位机中的数据管理，除了动物的生长、防疫、疾病等基本信息之外，还包括人员的信息。管理软件图如图6，各模块功能介绍如下：

动物基本信息模块。此模块的主要功能是建立动物基本信息档案，记录饲养场名称和编号、动物编号、动物名称、出生日期、重量、以及所经手人员的姓名和编号等基本信息。同时生成"动物基本信息文件"。

饲料管理模块。此模块的重要功能是记录动物饲料喂养信息。包括饲料厂家名称、饲料类型、饲料批号、喂养人、投料时间等信息。

疾病管理模块。在此模块中可以记录动物的疾病情况，包括动物生病的时间、疾病的名称、特征及一些治疗和防治的方法。

防疫免疫检疫模块。该模块中记录检疫防疫免疫单位名称、检疫内容、免疫时间、检疫结果、责任人等内容。

人员管理子系统。用来记录畜牧场职工的个人资料和所负责的工作等信息，

数据管理子系统。可根据需要打印相关报表。

 

 

结束语

本文简要介绍了EM4469的主要特性、功能原理和存储结构，并介绍了基于EM4469的动物识别和跟踪管理系统的基本结构和工作原理，以及动物识别和跟踪管理系统的软件设计。通过现场测试，该系统可安全可靠地采集到动物的各种信息。