基于RFID奶牛場專用手持機(jī)的開發(fā)研究

昔 克，馬新春，郭亞平

（新疆電子研究所有限公司 新疆 烏魯木齊 830049）

隨著奶牛產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展，改善奶牛單體產(chǎn)乳量，提高牛群總體經(jīng)濟(jì)效益成為發(fā)展趨勢。牛群管理逐漸由粗放型松散化管理向精細(xì)化型集約化管理方向過度；要求準(zhǔn)確了解牛群的總體狀況，嚴(yán)格監(jiān)控奶牛的喂養(yǎng)，產(chǎn)乳，繁殖和疾病防治等各個環(huán)節(jié)。根據(jù)奶牛的產(chǎn)奶量控制精料飼養(yǎng)量，實(shí)現(xiàn)個體精確飼養(yǎng)，以提高飼料利用率和奶牛生產(chǎn)水平。根據(jù)奶牛疫病管理方便獸醫(yī)快速診斷奶牛疾病，并可參考奶牛歷史病史及對歷史病史的治療情況。

國外奶牛飼養(yǎng)目前均采用自動識別、自動喂養(yǎng)和電腦管理系統(tǒng)相結(jié)合的綜合措施，可在相同奶牛飼養(yǎng)量下，大幅度增加產(chǎn)奶量，效益極其顯著，以色列、荷蘭等發(fā)達(dá)國家均先后采用，以色列1996年奶牛平均產(chǎn)量已達(dá)到10 198kg，比國內(nèi)同期的平均水平高出一倍多[1]。國內(nèi)北京、上海等地奶牛場也開始引進(jìn)，但成套“奶?！痹O(shè)備價格昂貴，對于國內(nèi)大中城市已形成的奶牛產(chǎn)業(yè)化企業(yè)集團(tuán)來說，單純依靠引進(jìn)，很難大面積推廣。

在消化吸收國內(nèi)外大中型奶牛場先進(jìn)自動化管理技術(shù)的基礎(chǔ)上，利用射頻識別技術(shù)（RFID）自主開發(fā)奶牛場專用手持機(jī)，根據(jù)中小型奶牛場的生產(chǎn)現(xiàn)狀和技術(shù)水平，針對性研制數(shù)據(jù)采集終端，通過采集終端采集奶牛個體的產(chǎn)奶量和疫病情況，并將采集數(shù)據(jù)上傳至奶牛養(yǎng)殖管理平臺系統(tǒng)。

1 RFID技術(shù)在奶牛養(yǎng)殖上的應(yīng)用

射頻識別技術(shù)（Radio Frequency Dentification，RFID）是一種無線的、非接觸方式的自動識別技術(shù)，RFID射頻識別是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[2]。RFID技術(shù)可識別高速運(yùn)動物體并可同時識別多個標(biāo)簽，操作快捷方便。 短距離射頻產(chǎn)品不怕油漬、灰塵污染等惡劣的環(huán)境，可在這樣的環(huán)境中替代條碼，例如用在工廠的流水線上跟蹤物體。長距射頻產(chǎn)品多用于交通上，識別距離可達(dá)十幾米，如自動收費(fèi)或識別車輛身份等。

1.1 RFID技術(shù)

基本的RFID系統(tǒng)由RFID標(biāo)簽、RFID讀寫器及后臺數(shù)據(jù)庫等3部分組成[3]。

1）RFID標(biāo)簽 由芯片與天線組成，具有唯一的電子編碼，有一定的信息存儲容量.附在物體上以標(biāo)識目標(biāo)對象。根據(jù)不同的射頻信號發(fā)射方式可以分為主動式有源標(biāo)簽和被動式（無源）標(biāo)簽。前者可以主動地向讀寫器發(fā)送射頻信號：后者接收到讀寫器發(fā)出的電磁波信號后，將部分電磁能量轉(zhuǎn)化為供自己工作的能量。

2）RFID讀寫器 控制射頻模塊向標(biāo)簽發(fā)射讀取信號并接受標(biāo)簽的應(yīng)答，對標(biāo)簽對象標(biāo)識信息進(jìn)行解碼，將對象標(biāo)識信息連同標(biāo)簽上其他有關(guān)信息傳輸?shù)胶笈_主機(jī)以供理。

3）后臺數(shù)據(jù)庫 存放標(biāo)簽的基本信息和企業(yè)應(yīng)用相關(guān)的數(shù)據(jù)。

1.2 RFID技術(shù)在畜牧業(yè)中的應(yīng)用

國際標(biāo)準(zhǔn)ISO11784和ISO11785規(guī)定了用RFID識別動物的代碼結(jié)構(gòu)和技術(shù)準(zhǔn)則，ISO11784規(guī)定動物識別代碼總共由64位（8個字節(jié)）組成，ISO11785則規(guī)定了電子標(biāo)簽數(shù)據(jù)的傳輸方法以及讀寫器的規(guī)范。動物電子標(biāo)簽基本包括頸圈式、耳標(biāo)式、可注射式和藥丸式4種。在國外，RFID電子標(biāo)簽已經(jīng)成功用于動物的識別與跟蹤。在我國，RFID在畜牧業(yè)中的應(yīng)用也逐漸被推廣，應(yīng)用前景樂觀，如奶?，F(xiàn)代化飼養(yǎng)管理及防疫中應(yīng)用RFID電子標(biāo)簽實(shí)現(xiàn)了對奶牛個體的標(biāo)識，電子標(biāo)簽具有如下作用：1）為每頭奶牛建立一個永久性的電子檔案：2）架起信息化管理平臺與奶牛個體之間的橋梁；3）實(shí)現(xiàn)對奶牛個體的自動監(jiān)控；4）依據(jù)奶牛個體體況實(shí)現(xiàn)精細(xì)飼養(yǎng)。在肉豬生產(chǎn)中應(yīng)用RFID技術(shù)可實(shí)現(xiàn)安全豬肉全程可跟蹤，在育種方面也可應(yīng)用RFID技術(shù)，如母豬多功能自動飼喂系統(tǒng)和種豬性能測定自動化系統(tǒng)。但是基于RFID的專用手持機(jī)的研究與應(yīng)用還比較少。

2 基于RFID的奶牛專用手持機(jī)的開發(fā)研究

2.1 系統(tǒng)構(gòu)成

研制基于射頻識別（RFID）的奶牛個體標(biāo)簽，將基于專用芯片或微功耗單片機(jī)的專用手持機(jī)與奶牛管理服務(wù)平臺系統(tǒng)進(jìn)行集成，構(gòu)成具有個體識別，無線數(shù)據(jù)采集功能的移動終端；開發(fā)運(yùn)行于移動終端的奶牛場管理軟件，進(jìn)行奶牛個體信息管理，牛群生產(chǎn)分析與決策；在奶牛場建立802.11無線局域網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的無線采集與傳輸，構(gòu)建完整的奶牛信息管理移動終端系統(tǒng)。

其中，奶牛個體識別技術(shù)是奶牛數(shù)字化管理的基礎(chǔ)，使奶牛在整個生長、疾病控制、配種、繁殖、產(chǎn)奶過程中，均納入自動化管理系統(tǒng)?；谏漕l技術(shù)的奶牛電子標(biāo)簽，有無源/有源兩種模式，前者無需電源或電池供電，通過電磁耦合從閱讀器得到工作能量，但是距離短，功能較單一；后者用電池供電、內(nèi)置低功耗單片機(jī)，可實(shí)現(xiàn)計(jì)算器等復(fù)雜功能，在生產(chǎn)中用于奶牛的發(fā)情監(jiān)測。

2.2 手持機(jī)常用工具軟件及開發(fā)流程

手持機(jī)常用的操作系統(tǒng)有WinCE和Linux。WinCE系統(tǒng)下的開發(fā)工具軟件主要有：C、C#、Java、Embedded Visual Basic和Embedded Visua C++等；而Linux系統(tǒng)下一般用C語言來進(jìn)行開發(fā)[4]。本文是在WinCE系統(tǒng)下進(jìn)行軟件開發(fā)的 。系統(tǒng)開發(fā)流程如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)開發(fā)流程圖Fig.1 Flow chart of system development

2.3 系統(tǒng)所具備的功能模塊

系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)的功能模塊主要有5個，包括端口配置、端口配置信息、標(biāo)簽信息、擠奶管理、疫病管理。系統(tǒng)模塊功能圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)模塊功能圖Fig.2 Functional diagram of system module

一般來說，端口配置的內(nèi)容大多是固定的，包括端口名、波特率、數(shù)據(jù)位、奇偶校驗(yàn)及停止位。在打開串口之前首先應(yīng)進(jìn)行端口配置的設(shè)置，設(shè)置完畢后再連接或斷開鏈接。

端口配置信息包括除端口配置外的標(biāo)簽協(xié)議信息、工作模式、射頻頻率及射頻功率等。標(biāo)簽協(xié)議信息可包括常用的幾種RDID協(xié)議，并可選擇設(shè)置同時讀取幾種不同協(xié)議的標(biāo)簽；工作模式根據(jù)循環(huán)讀取模式的不同讀取單張或多張標(biāo)簽；筆者使用的是高頻RFID模塊的手持機(jī)，其頻率是13.56 MHz；協(xié)議是15 693的。

3 軟件開發(fā)

3.1 通信方式

筆者使用的手持終端主要采用串口通訊的方式，默認(rèn)波特率19 200 b/s，8位數(shù)據(jù)位，1位起始位，1位停止位，無校驗(yàn)。

3.2 通信協(xié)議

由于讀寫RFID主要采用無接觸的通信方式。射頻標(biāo)簽與讀寫器之間通過無線數(shù)據(jù)傳輸來完成數(shù)據(jù)的交換。在這樣的數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)模型下，射頻標(biāo)簽是數(shù)據(jù)通信的一方，讀寫器是通信的另一方。要實(shí)現(xiàn)安全、可靠、有效的數(shù)據(jù)通信目的，數(shù)據(jù)通信的雙方必須遵守相互約定的通信協(xié)議。

本文中使用的RFID通信協(xié)議命令幀格式主要如下：

3.3 數(shù)據(jù)庫的選擇及同步問題

在手持機(jī)的應(yīng)用開發(fā)研究中，由于需要進(jìn)行手持機(jī)與PC機(jī)數(shù)據(jù)的交互[5]，因此數(shù)據(jù)庫的選擇、維護(hù)和不同數(shù)據(jù)庫間的同步問題顯得非常重要。目前在手持機(jī)的win CE系統(tǒng)上可以使用的數(shù)據(jù)庫有：Pocket Access、SQI Sever CE和Oracle9i Lite等。

Pocket Access只提供對一組表的存儲和訪問，由于缺乏報表、存儲查詢以及表之間的關(guān)系，因此并不常用，它只適合于地址本、通訊錄之類的小容量數(shù)據(jù)庫應(yīng)用。

Oracle9i Lite提供基礎(chǔ)架構(gòu)和應(yīng)用程序服務(wù)，可以發(fā)布使用各種移動設(shè)備的安全和個性化的應(yīng)用程序。它是Oracle9i AS的附加軟件，對Oracle9iAS Wireless進(jìn)行了完善，提供了完整簡單的集成化移動電子商務(wù)框架。Oracle9i Lite包括兩個主要組件：Mobile Server和移動開發(fā)工具包。對于使用Oracle基礎(chǔ)框架的企業(yè)，建議使用該數(shù)據(jù)庫，以便獲得更高的穩(wěn)定性和服務(wù)。

SQL Server CE可以說是目前功能較全面、性能較穩(wěn)定的移動數(shù)據(jù)庫，它提供的關(guān)系數(shù)據(jù)庫所占空間很小，但包含了一個查詢處理器和一些合并復(fù)制功能，能執(zhí)行大部分SQL查詢處理，支持大部分SQL語句，而且為移動計(jì)算應(yīng)用進(jìn)行了很多優(yōu)化和取舍，大大加快了SQL語句的執(zhí)行速度，提高了在低CPU頻率、低內(nèi)存情況下運(yùn)行的性能。SQL Server CE還能與SQL Server 2000較好地配合，只要通過少量的代碼就能實(shí)現(xiàn)移動數(shù)據(jù)庫到服務(wù)器的數(shù)據(jù)連接。從某種意義上講，SQL Server CE就是SQL Server 2000的一個簡化版本。本文選用的就是該數(shù)據(jù)庫。

目前可以利用RDA （Remote Data Access，遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)存?。┖蚏eplication（復(fù)制）來完成與PC機(jī)的SQI Server 2000[6]數(shù)據(jù)庫的存取交換。由于手持機(jī)對PC機(jī)訪問必須通過因特網(wǎng)信息服務(wù)器（IIS）進(jìn)行，因此安裝好SQL Server CE后需要在 IIS上安裝 SQL CE Server Tool，并配置連接 SQLServer 2000。由于已有不少關(guān)于SQL Server CE與SQL Sever 2000配置的文章，本文不再贅述。

3.4 RFID讀寫類設(shè)計(jì)

RFID讀寫類設(shè)計(jì)圖如圖3所示。

圖3 RFID讀寫類設(shè)計(jì)圖Fig.3 Design of RFID reading and writing class

類方法說明：

Open：打開通信串口；Close：關(guān)閉通信串口；

ReadBlockData：讀取指定編號block的數(shù)據(jù)；SendBeepCmd：發(fā)送手持機(jī)蜂鳴命令；

SendGetUIDCmd：發(fā)送獲取RFID編號命令；

SendReadDataCmd：發(fā)送讀取RFID卡信息命令；SendWriteDataCmd：發(fā)送寫卡命令；

WriteBlockData：向指定編號的block寫入內(nèi)容。

3.5 實(shí)現(xiàn)結(jié)果

圖4、圖5、圖6所示為WinCE系統(tǒng)下進(jìn)行開發(fā)出的系統(tǒng)界面和具體實(shí)現(xiàn)的功能的圖示。

圖4 系統(tǒng)界面圖Fig.4 Diagram of system interface

圖5 擠奶管理的功能圖Fig.5 Function diagram of milking management

圖6 疫病管理功能圖Fig.6 Function diagram of disease management

4 結(jié)束語

在奶牛個體識別技術(shù)研究的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)一套數(shù)據(jù)采集裝置，方便采集和管理奶牛信息，實(shí)現(xiàn)奶牛的擠奶管理和疫病管理。數(shù)據(jù)采集方式從有線變?yōu)闊o線，克服奶牛場場糞便污水污染。實(shí)現(xiàn)了專用奶牛的手持機(jī)開發(fā)，在實(shí)際應(yīng)用中解決了中小企業(yè)在不更換現(xiàn)有設(shè)備的情況下，做到擠奶自動采集數(shù)據(jù)和疫病管理，為奶牛場的數(shù)字化管理奠定了基礎(chǔ)。

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