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發生之后，人們越來越重視對動物疾病的控制、監督和預防。其中，動物監管的重要措施之一是對動物的飼養、運輸、屠宰及其產品的加工和流通等環節實施全過程、全方位的有序管理和監控。

         動物身份識別的實踐表明，射頻識別(RFID)在動物管理中起著越來越重要的作用。RFID利用射頻通信實現的非接觸式自動識別，通過射頻信號自動識別目標對象并獲取相關數據，識別工作無須人工干預，可工作于各種惡劣環境，以跟隨動物生長的整個過程。開發一個性能優異的RFID系統進行動物識別與跟蹤具有十分重要的意義，本文提出了基于EM4469的設計方案，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。

系統組成及工作原理

系統的組成

      基于RFID技術的動物識別和跟蹤管理系統主要由射頻電子標簽、便攜式手持讀寫器以及計算機網絡及數據庫管理軟件組成。系統組成如圖1所示。


(1)射頻電子標簽。在本設計中，射頻電子標簽即為內嵌EM4469射頻芯片的動物用耳標。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。每個射頻電子標簽都有自己唯一的編碼，在動物身體上進行標識。射頻電子標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進行數據傳輸。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。實現對射頻標簽EM4469的ID號識別、密碼修改以及用戶數據的讀寫操作。主要由天線、無線收發模塊、控制模塊以及接口電路組成。

(3)計算機網絡及數據庫管理軟件。主要實現與便攜式手持讀寫器的相互通信以及數據信息的交換，從而將獲得的動物相關信息及各種記錄、統計報表等內容保存在數據庫中，實現數據的計算機管理。

系統工作原理

       當便攜式手持讀寫器準備讀射頻電子標簽時，讀寫器會發射固定頻率的電磁波，從而在讀寫器的天線周圍產生高頻的交變磁場。當帶有RFID射頻電子標簽的動物進入便攜式手持讀寫器發射的射頻場范圍內時，射頻電子標簽中的天線會產生感應電流，并經內部升壓電路升壓后作為射頻芯片EM4469的電源，使其進入工作狀態。EM4469的數據解壓器不斷探測來自天線端的信號，將帶有信息的感應電流進行解碼，并提取數字信號進入邏輯控制電路進行信息處理，最后發送給便攜式手持讀寫器。讀寫器讀取信息并解碼后，將其送至信息系統進行相關的數據處理并保存。寫標簽時，讀寫器把處理后的信息重新寫入EM4469芯片中。

        當有多個射頻電子標簽進入便攜式手持讀寫器的射頻場時，由于EM4469具有防沖突認證機制，使得便攜式手持讀寫器在識讀范圍內只保留一個射頻電子標簽處于活動狀態和數據通信狀態。

系統硬件設計

        本系統以動物身份識別和跟蹤為目的，應用RFID技術進行射頻發射及讀寫系統的相關硬件設計，其中主要包括射頻電子標簽和便攜式手持讀寫器的設計兩大部分。

射頻電子標簽的選擇

       目前，用于動物識別的電子標簽形式主要有耳釘式、項圈式、植入式和藥丸式，這幾種形式各有其特點和適用范圍。本系統采用耳釘式射頻電子標簽簡稱耳標，它具有存儲數據多、抗污以及防水等特點。

       使用專用耳標鉗將內嵌EM4469射頻卡的耳標釘穿入動物耳朵，并用耳標帽固定。耳標釘中存儲動物出生以后的整個生命周期的相關信息，這些信息可用便攜式手持讀寫器進行讀寫。

射頻電子標簽的選擇

       射頻電子標簽通過射頻電路檢測到便攜式手持讀寫器發出的信號后進行解調，再把有效信息傳輸給標簽內的單片機；而便攜式手持讀寫器接收數據信息的過程剛好與發送時相反，即射頻電子標簽要對發送的信號進行調制，便攜式手持讀寫器則對其進行解調，再把有效信息傳輸給便攜式手持讀寫器內部的單片機。以上工作主要由射頻芯片實現，本設計采用EM4469芯片。


EM4469主要特點及原理框圖

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據傳輸率和數據編碼方式。該射頻芯片不僅兼容ISO11784/11785標準，而且還符合ISO FDX/B動物識別標準，因此被廣泛應用于各種應用管理系統中，尤其是動物識別和跟蹤管理中。其主要特點如下：

容量為512位EEPROM，分為16扇區，每區32位。
具有32位密碼讀寫保護。
每張卡都有32位唯一的ID碼。
具有10位用戶碼。
兼容ISO11784/11785標準。
EM4469的鎖定位可以將EEPROM的數據塊轉變成只讀模式。
具有Manchester、miller、Bi-phase、PSK、FSK等多種編碼形式。
具有多種數據傳輸速率(從1-32K波特)。
工作頻率范圍10～105kHz。
有片內整流器和限壓器。
額定工作溫度為-40℃～85℃。
超低功耗。
EM4469片內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生系統時鐘，其頻率與射頻磁場的頻率相適應，邏輯模塊內的時序發生器將利用系統時鐘產生內部時序。數據解壓器的作用是探測天線端信號的存在時間周期，它可以監測到磁場停止時間是否長過數據提取時限TMONO。調制器由邏輯模塊驅動，當其處于開狀態時，將消耗天線兩端大的電流，從而調制射頻磁場。邏輯電路由控制器、配置寄存器、時序發生器、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、產生工作時序信號、編碼和解碼數據以及讀寫EEPROM數據等。

EM4469射頻芯片的存儲結構
        512位的EEPROM存儲空間，被分成16個扇區(編號為0-15)，每個扇區有32位(編號為0-31)，讀寫時按低位優先的原則進行，總是從LSB開始。其中第0和第1扇區由芯片生產廠商定義為只讀扇區，芯片的類型、版本、用戶代碼和唯一序列號(UID)都寫在這兩個扇區中；第2，3，4三個扇區是內部管理塊，用來定義器件的操作選項(輔助管理字段)，它們由密碼塊、保護字塊和配置字塊組成；剩下的11個扇區(5-15)是用戶可以自由使用的空間(共352位)。EM4469的存儲器結構如表1所示。



便攜式手持讀寫器的設計

        本系統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，主要由天線、射頻部分、控制部分以及主機接口四大模塊組成。此外，為了方便用戶使用，用來顯示和輸入數據的液晶顯示屏和鍵盤也是不可缺少的。設計原理框圖如圖3所示。各模塊功能介紹如下：


天線：在射頻電子標簽和讀寫器之間傳遞射頻信號。本設計中使用PCB天線。
射頻芯片：讀寫器與射頻電子標簽之間的信息交換通過射頻芯片及外圍電路實現，本系統使用的射頻芯片是EM4095。
控制芯片：控制射頻芯片讀取耳標中的數據并發送信令給耳標，并控制通過LCD屏幕顯示數據以及判斷鍵盤的操作。
主機接口：便攜式手持讀寫器與上位的PC機進行信息交換時，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。


系統軟件設計
系統軟件設計原理及流程圖
       本系統的主要功能是完成便攜式手持讀寫器對電子射頻標簽的讀寫過程。首先初始化單片機串口，發送開射頻場的命令，輸入要讀取(寫入)的數據扇區的區號。然后發送讀數據(寫數據)的命令，判斷此命令是否發送完畢，若未發送完就繼續發送；若發送結束就判斷是否有數據，沒有數據則提示錯誤并返回到初始化的地方，如果有數據就開始接收(寫入)。最后判斷接收到的數據正確與否，如果正確，則可以進行數據處理；如果錯誤，則提示錯誤并返回初始化。

系統軟件設計原理及流程圖如圖5所示。



主要模塊底層驅動設計

鍵盤驅動設計
鍵盤驅動設計以防止鍵盤抖動為主，否則會出現誤判情況。本設計中采用軟件延時的方式消除抖動，逐行進行掃描，無鍵按下時返回十六進制數0x00。

串口通信模塊驅動設計
在讀寫器與PC機的串口通信中，主要通過中斷方式實現，需要完成的任務有UART模塊初始化，包括個寄存器的設置、波特率的選擇及中斷使能、數據發送與接收函數的編制。

UART模塊初始化函數：
int initialize_uart1(unsigned int br)
{ unsigned short Fdiv;
PINSEL0|=((0x01<<16)|(0x01<<18)
);
U1LCR = 0x83; // DLAB=1,允許設置波特率
Fdiv = (Fpclk / 16) / br; // 設置波特率
U1DLM = Fdiv / 256;
U1DLL = Fdiv % 256;
U1LCR = 0x03;
U1FCR = 0x01; // 使能FIFO，并設置觸發點為1字節
U1IER = 0x01; // 使能中斷
VICIntSelect = 0x00000000; // 設置所有的通道為IRQ中斷
VICVectCntl1 = 0x20 | 0x07; // UART1分配到IRQ slot1，
VICVectAddr1 =(unsigned long int)irq_uart1; // 設置UART1向量地址
上位機信息交換以及數據庫存儲的軟件設計

        動物識別和跟蹤管理系統將日常所涉及的各種信息、記錄和報表等資料完全實現計算機自動化處理，從而節省人力消耗，避免錯誤操作，可提高工作效率。上位機中的數據管理，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，記錄飼養場名稱和編號、動物編號、動物名稱、出生日期、重量、以及所經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信息。包括飼料廠家名稱、飼料類型、飼料批號、喂養人、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。

防疫免疫檢疫模塊。該模塊中記錄檢疫防疫免疫單位名稱、檢疫內容、免疫時間、檢疫結果、責任人等內容。

人員管理子系統。用來記錄畜牧場職工的個人資料和所負責的工作等信息，
數據管理子系統。可根據需要打印相關報表。

結束語
       本文簡要介紹了EM4469的主要特性、功能原理和存儲結構，并介紹了基于EM4469的動物識別和跟蹤管理系統的基本結構和工作原理，以及動物識別和跟蹤管理系統的軟件設計。通過現場測試，該系統可安全可靠地采集到動物的各種信息。