蔡兆晖

（厦门大学嘉庚学院，福建漳州 363100）

对畜禽的编码采集可以有效帮助畜牧管理者对畜禽生长防疫屠宰等过程进行有效的管理和监控，配合信息化管理系统，可以提高畜牧效益。随畜牧产业的升级，畜牧企业需要在管理、信息等方面进行信息系统的构建，而信息系统的构建基础在于畜禽信息的数据采集，诸如畜禽编码、生命体征、饲养用药、运动量等相关数据。传统的畜禽编码采集，从原始的人工耳标编号识别到较为先进的无源RFID 辅助识别技术，采集过程需要人员参与。在规模化畜牧模式下，随着人工成本的增加，市场对品质控制、可追溯等的需求更高，自动化的编码采集技术的应用显得尤为重要。随着畜牧规模化程度的提高，传统的畜禽编码人工采集方法由于劳动强度大，人畜交叉感染风险等因素，不适合集约化畜牧农场的需求。借助RFID 技术及物联网技术，在耳标的小型化及免维护上改进，实现自主能量采集及低功耗程序设计，可以解决传统方法不足的问题［1］。对于RFID技术应用中出现的技术性问题，如读码现场畜禽数量众多造成读码辨识困难，可以通过采用RSSI 原理，进行畜禽个体的辨识，实现畜码对应功能加以解决［2］。新技术的采用，推动RFID 技术在耳标应用的普及，为现代畜牧业管理信息化及智能化发展提供了条件。

1 有源RFID 技术的优势和局限

RFID 识别方案在成本、系统构建、技术管理维护等方面要求较高，成为其发展的制约因素。因此，RFID 识别技术主要应用于规模化的畜牧养殖企业，如乳源生产企业中的奶牛养殖等；在中小型肉牛、羊养殖场利用较少，依然采用原始的视觉辨识耳标，通过畜牧人员手工记录方式进行管理［3］。

RFID 系统的组成如图1，RFID 标签根据发射频信号的方式，分为有源RFID 标签和无源RFID 标签。无源RFID 标签无自带电源，工作过程中需要贴近标签读取装置。利用读取装置产生的射频信号耦合产生电源供电。有源RFID 标签内置电源供电系统，可以独立运行，无需靠近读取装置。读取装置发送射频信号与RFID 标签进行通讯并接收RFID 标签的应答信息，读取相关数据，如畜禽编码等信息。读取装置可为手持式或固定式，手持式往往配合无源RFID标签通过人工手持靠近标签读取；固定式配合有源RFID 标签，可以远距离读取信息，无需人工干预。读取装置通过相应信息传播接口模块，借助移动蜂窝网络、Wi-Fi、以太网等与中央控制系统通讯，将RFID 获取的信息存储于管理系统数据库，用于管理系统的应用程序调用［4］。

图1 RFID 系统原理

主流的RFID 耳标采用无源RFID 识别方案，通过耳标外挂或者玻璃圆管植入，识别时需要工作人员用手持式RFID 设备读取，耗费人力，增加人畜交叉感染的风险。有源RFID 方案通过安装在检测门的RFID 读取设备，能够远距离对通过的牲畜信息进行读取，是智能化畜牧的发展方向。

有源RFID 需要具备自主供能装置，如电容、锂电池、薄膜电池等，既增加设备成本，又不利于设备的微型化；同时常规自主供能装置需要进行定期维护充电。这些不利因素制约有源RFID 技术在畜牧企业替代无源RFID。除了成本、维护性及微型化等方面外，有源RFID 在应用中还面临一个突出问题，读码设备往往配置行走通道或检测闸门，读码距离较远，虽读码设备可以通过RFID 防止冲突算法在短时间内读取畜禽的编码，但在特定功能拓展应用方面，如通过称重过道检测畜禽的体重或者通过热成像技术检测畜禽体温，需要畜码对应，无源RFID 可以通过人工现场辨识，有源RFID 因无需人工现场操作，较少具备畜码对应相关功能，限制了有源RFID在信息化管理上的应用。

2 有源RFID 在信息化管理解决方案

2.1 整体方案

改善有源RFID 的不利因素，主要从几个角度进行。

对有源RFID 采用的供能装置进行改进，采用能量采集方式替代定期维护充电方式，减少人工维护工时。由于能量持续采集机制，储能装置主要作用于缓冲电源的波动，对应的储能装置容量可以减少，储能装置的成本可降低，同时体积可缩小；RFID 读码设备大部分时间在非工作状态，可以通过保持设备长时间处于休眠状态，不定期唤醒工作状态，达到降低有源RFID 的功耗。

在畜码对应的实现方式上，可采用RSSI 技术，通过有源RFID 设备在与读取设备进行通讯时段、采集有源RFID 接收的射频信号强度，将强度数值与畜禽编码信息发送至读取设备，通过读取设备对RFID设备发送的信号强度比对，选择最大值所对应的畜禽编码为该时刻与读取设备距离最近的畜禽编码。

传统的有源RFID 标签，采用射频基带处理芯片及控制芯片分立于PCB 板，PCB 板的尺寸较大，不利于实现低功耗及微型化。随着微电子技术的发展，新的方案采用单一芯片的片上系统（SoC）方案，将射频基带处理（RF）、微控制器（MCU）、模数转换（ADC）等相关功能集成在单一芯片，提高了设备的集成度，能满足微型化及低功耗要求。采用Nordic公司的最新的RFID 的SoC 方案nRF24LE1 实现有源RFID 标签，该SoC 内置MCS51 微控制器，具备休眠唤醒模式、接收信号功率测量，便于实现诸如休眠唤醒、RSSI 定位等相关功能，具备多种封装，其中QFN24 封装尺寸只有4 mm×4 mm，适合微型化应用。

2.2 能量采集系统设计

能量采集系统较为普遍的采集能量源有太阳能、热能、振动、射频等，利用光伏原理将通过太阳能转变为电能是较为主流的能量采集技术。由于光伏板要求定期维护保持清洁便于接收光线能量，不适用于畜禽的耳标场景；射频能量需要相应的射频信号发射装置，采集设备与射频源要保持适当空间距离，不适用于畜牧业的多变环境。

耳标放置于畜禽的运动部位，可以考虑采用振动能量采集，将振动的机械能通过能量转化装置转化为电能，将电能通过电源管理芯片存储于储能器件。该装置不需要与外界进行接触，因此可以设计在密封的空间，采用该装置的RFID 耳标可以达到IP68 防护等级，隔绝雨水尘土，适应畜牧的复杂气候环境要求。利用压电式或者磁电式原理进行振动能量采集，是比较成熟的方式。

能量采集系统的核心在于电源管理，能量管理设计如图2。该系统既要对能量生成装置生成的不稳定的电能进行整流升压，输入到储能元件及低功耗设备。同时又要负责在采集能量不足时将储能元件的电能输出到低功耗设备。采用Linear 公司专用的电源管理芯片LTC3588-1。该芯片可以采集机电能量转换系统的电能，输出3.3 V 的电压驱动nRF24LE1，可以将多余电能存储在电容器缓冲系统电压波动。具备低功耗的休眠唤醒机制，配合nRF24LE1，可以实现系统级的低功耗优化［5］。

图2 能量采集系统

2.3 休眠-唤醒功能

采用休眠-唤醒功能以实现低功耗设计，既满足设备实现基本功能，又降低设备的电源需求，对产品的轻量化、尺寸微型化及成本低廉化，起到关键的作用。对于畜禽耳标这类产品，低成本、微型化、免维护是其应用推广的基础，通过软硬件方式进行低功耗的优化设计极为重要。主流的低功耗设计有芯片制程工艺改进、休眠-唤醒模式等。其中休眠唤醒功能较为适用于主动RFID 数据采集。RFID 数据采集对实时性要求较低，定期启动的方式可以满足其要求，将设备由全天候工作的方式改进为全天候休眠、定期间断唤醒的方式，可以较大程度地降低设备功耗。

nRF24LE1 在休眠-唤醒模式的设计上较为先进，根据其芯片内部不同外设的开闭状态，分为发送、接收、待命II、待命I、关闭5 种状态。发送状态功耗最高，关闭状态功耗最低，5 种状态的功耗依次减少。正常工作于待命I 状态，通过循环定时启动的方式降低平均功耗。在待命I 状态下会根据不同的触发信号，完成从待命I状态到发送、接收、待命II及关闭状态的切换。

通过nRF24LE1 实现RF 发射功率控制技术，在满足读取设备较低接收信号功率的条件下，进一步降低耳标设备的功耗。应用nRF24LE1 将RF 发射功率从0 dBm 降低到-18 dBm，对应的驱动电流从11.1 mA 降低到6.8 mA。通过对读取设备配置更大尺寸的接收天线等方式，可以接收耳标发出更低功率的射频信号。

2.4 畜码对应功能

RSSI 全称接收信号强度指示，是物联网应用中室内定位的主流技术。该技术的原理是，信号在开放空间中进行传播，信号强度随着传播距离逐渐衰减，据此进行空间距离的测量。RSSI 测距只需要2个设备，发射测量信号的设备（简称信标）和接收测量信号的设备（定位主体）。信标往往只负责信号的发送，距离测量在定位主体设备中实现。

畜码对应功能借鉴RSSI 相关技术原理实现，实现方式略有改进，读取设备在应用场景中，既具备信标的功能，又具备根据有源RFID 信号强度信息进行对比统计的边缘计算功能。该应用场景只需要寻找与读取设备最近的畜禽，只需在信号强度参数上进行比对，无需进行距离换算和距离-场强标定，技术应用难度得以降低。

nRF24LE1 芯片采集测量接收到的读取设备发送射频信号，将测量值存储在内部的RPD 寄存器，通过CPU 读取寄存器的耳标编码数值，作为一个数据帧，发送至读取设备。

2.5 实现电路

采用SoC 方案电路结构简单，主要分两大部分：nRF24LE1 核心和电源管理。

nRF24LE1 核心电路如图3 所示，其外围电路主要包含16 MHz 的无源晶振提供MCU 时钟信号；多个去耦电容保证芯片稳定工作，减少电源纹波；配置多个电感提高射频天线效率。

图3 nRF24LE1 核心电路

电源管理采用LTC3588-1 电源管理电路［6］，如图4 所示。 PZ1 与PZ2 管脚接入振动能量采集装置，采用压电采集装置。采集能量经过电源管理芯片，由Vout 管脚输出3.3 V 电压与核心电路的VCC_nRF 连接，提供核心电路稳定的电源。配置47 uF 的电容，作为电源储能缓冲器件。可选配置9 V 电池作为备用能源，避免供电缺失。

图4 电源管理电路

3 小结

畜禽编码信息的采集在畜牧养殖资产监管、身份识别、溯源、生产全流程监控等方面有较多应用，是畜牧业向集约化、规模化发展必须实现的功能。无需人工参与的自动化畜禽编码采集在现代畜牧业的发展中尤为重要。采用有源RFID 耳标方案，配合振动发电能量采集装置，对比无源RFID 耳标，解决了有源RFID 在尺寸上以及维护上的缺点，采用RS⁃SI 技术完善了自动辨识条件下畜码对应功能，发挥自动化无人工干预的优点，是规模化畜牧可以采用的低成本、可操作性强的方案。

借助有源RFID 能量自动采集、休眠唤醒、RSSI距离测量等相关技术，构建畜禽耳标自动化识别的低成本、易实施的解决方案，从而为畜牧业信息系统的建立，构建了数据采集的硬件基础。