基于RFID動物跟蹤管理系研究

　目前，人們對肉類食品、奶制品的需求量日益增加：與此同時，人們也越來越關注這些產品質量的可靠性，這給一些企業提出了一個新的挑戰，要求企業有一個完整的管理體系對這些產品的生產、加工過程進行嚴格的監督與控制。然而，近十多年來，全世界的動物疫情不斷爆發，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重威脅，也沉重地打擊了全世界的畜牧業，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的政策和采取各種措施，加強對動物的監控管理，其中對動物的識別與跟蹤成為這些重大措施之一。例如，英國政府就規定對豬、馬、牛、綿羊與山羊等飼養動物都必須采取各種跟蹤與識別手段。

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

　　1 系統的結構與工作原理

　　基于 RFID的動物識別與跟蹤管理系統由RFID射頻卡、讀寫器和計算機網絡三部分組成，見圖1。讀寫器一般作為計算機終端，用來實現對RFID射頻卡的數據讀寫和存儲，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的動物識別系統結構
本系統的基本工作原理是：當帶有“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電流經升壓電路升壓后作為芯片的電源，同時將帶信息的感應電流通過射頻前端電路檢得數字信號送入邏輯控制電路進行信息處理；所需回復的信息則從存儲器中獲取經由邏輯控制電路送回射頻前端電路，最后通過天線發回給讀寫器。

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

　　2 系統硬件設計

　　本系統中硬件電路的實現包括：豬“耳釘”(RFID卡)的安裝、標簽讀寫器的實現以及計算機網絡的組建三部分。

　　2．1“耳釘”(RFID卡)的安裝

　　目前，給動物安裝電子標簽的基本方法有頸圈式、耳牌(釘)式、注射式和藥丸式電子標簽，各種標簽有它自己的特點和適用范圍 。頸圈式標簽的成本太高，而注射式標簽和藥丸式標簽對豬這種動物又不合適，所以本系統中采用的是“耳釘”式電子標簽。耳釘式電子標簽不僅存儲的數據多，而且抗臟污和雨水。“耳釘”式射頻卡里存儲的信息有：養豬場所在鄉鎮的地址、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標簽讀寫器的實現

　　本系統中使用的RFID標簽讀寫器有兩種：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別是：手持式讀寫器能夠在讀取大量的RFID標簽信息后，使這些信息通過pc機的USB接口或COM口輸入到系統的軟件平臺中。而固定式讀寫器在讀取RFID標簽信息后是實時傳輸到軟件平臺中，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總線網絡與軟件平臺實時進行數據和信息交換。手持式讀寫器的使用十分方便，在集中讀取RFID標簽信息后然后才與Pc機進行數據交換。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 系統網絡結構圖

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中固件負責整個讀寫器對RFID標簽的識別與讀寫控制工作，以及與軟件平臺通過CAN網絡進行通信和數據處理工作。LCD點陣顯示模塊作為軟件平臺的一個輔助顯示終端。
(2)CAN網絡控制模塊：CAN總線網絡在波特率為9600時通信距離達到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絡，CAN總線網絡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，通過CAN網絡控制模塊的控制能以多主機方式通信。CAN網絡控制模塊負責網絡狀態監控和網絡通信仲裁等工作，使總線網絡通信實現無阻塞地工作。
(3)900MHz RF信號處理模塊：負責對 900MHz的射頻信號進行調制和解調工作，并通過900MHz的無線電波對RFID標簽進行讀寫控制，對900MHz RF信號處理模塊能通過發射能量的控制來控制RFID標簽識別的感應距離，并使用反碰撞技術可以識別感應區內的多個RFID標簽。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標簽進行讀寫處理，并能設置RFID標簽的讀寫距離和方向，讀寫器能自行判斷RFID標簽是否被重復讀寫處理。

　　2．3 系統網絡結構的實現

　　本系統網絡結構見圖2。系統中手持式讀寫器通過PC工作站的USB口和HUB集線器與數據庫服務器進行數據交換。而固定式閱讀器則通過CAN總線網絡和PC工作站相連，然后通過HUB與數據服務器通信。

　　3 系統軟件設計

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

　　整個系統平臺采用C／5技術，數據庫使用SQLServer2000，處理系統內部事務。前端開發平臺采用Delphi6．0設計，系統采用多線程技術，可以實現對養豬場內RFID標簽讀寫器使用狀況的監測。系統通過幾個月的運行，情況良好，基本上達到了預期的要求。

　　4 結束語

　　我國是一個農業大國，畜牧產品在國內外市場的流通領域中具有重要的地位。電子標簽將成為我國畜牧產品進入國內外市場的“身份證”。電子標簽國家標準的推出和電子標簽的廣泛應用將大大提高我國畜牧產品物流管理能力、質量監督能力、可跟蹤能力以及國際貿易中的競爭力，同時也有利于規范和凈化畜牧產品市場。

　　最近幾年，我國因為動物及其產品造成自勺重大疫情時有發生，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。生產安全、衛生、合格的綠色畜禽產品，滿足人們對畜產品質量的要求，對提高全民族的身體素質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，將能促進我國的畜牧業向更高層次發展。

圖4 基于RFID的養豬場管理信息系統