射频识别技术及其在农业上应用

射频识别技术及其在农业上应用
1 RFID 技术简介
RFID(Radio Frequency Identification ,射频识别) 是无线电频率识别的简称,是一种非
接触的自动识别技术,它通过射频信号自动识别目标对象、获取相关数据,与其它软硬件
信息系统协同实施更为高层的目标对象管理。

射频识别系统一般由安置在目标识别对象上的应答器(一种电子数据载体) 和阅读器两部分构成。

目标对象的数据信息存储在应答器之中,它是射频识别系统真正的数据载体。

应答器由耦合元件以及微电子芯片组成,其
构造形式有：盘形、玻璃/ 塑料外壳的、钥匙/ 钥匙扣型的、手表型的、ID —1 型非接触IC卡、薄膜型构造的智能标签、片上线圈型的等其他的结构形式。

阅读器是读或读/ 写装置,取决于其具体应用要求、所使用的技术和结构。

典型的阅读器包含有高频模块(发
送器和接收器) 、控制单元以及与应答器连接的耦合元件。

应答器和阅读器需要协同完
成目标对象的识别过程,在阅读器的响应范围之外,应答器处于无源状态,在阅读器的响
应范围之内,应答器才是有源的。

应答器工作所需的能量,如同时钟脉冲和数据一样,是通过与阅读器部分元件一起构成的耦合单元(非接触的) 传输给应答器的。

此外,许多阅读器还都有附加的接口(RS232 ,RS485 等) ,以便将所获得的数据进一步传输给个人计算机、机器人控制装置等数据处理和控制系统。

射频识别的发送频率基本上划归三个范围:低频(30kHz —300kHz) 、高频或射频
(3MHz —30MHz) 和超高频(300MHz —3GHz) 或微波( > 3GHz) 。

根据作用距离,射频识别系统可分为:密耦合、遥耦合和远距离系统。

1、密耦合为具有很小作用距离的射频识别系统,典型的范围从0 到lcm。

密耦合系统可以用介于直流和30MHz 交流之间的任意频率进行工作,因为应答器工作时不必发射
电磁波。

密耦合系统应用于安全要求较高,但对作用距离要求不高的设备中。

2、遥耦合指把写和读的作用距离增至lm 的系统称作遥耦合系统。

所有遥耦合系统在阅读器和应答器之间都是电感(磁) 耦合发送频率,使用135kHz 以下的频率,或使用6175MHz、13156MHz 以及271125MHz频率。

遥耦合系统又分为近耦合系统( 执行ISO14443)
和疏耦合系统(执行ISO15693) 两个子类。

3、远距离系统的典型作用距离是从lm 到10m ,个别的系统也有更远的作用距离。

所有远距离系统都是在微波范围内用电磁波工作的,发送频率通常为2145GHz ,也有些系统使用的频率为915MHz、518GHz和241125GHz。

一般把反向散射方法作为由应答器到阅读器的数据传输的标准方法。

射频识别系统按其功能分类(按数据载体的存储能力、处理速度、作用距离和密码功能等) ,可从低档到高档构成整个谱系。

只读系统构成低档系统的下端。

如果把一个只读应答器放入某阅读器的高频场,那么应答器就开始连续发送它本身的序列号。

通过阅读器启动只读应答器是不可能的。

只有从应答器到阅读器的单向数据流在进行。

此外,在阅读器的工作范围内只能有一个应答器,否则,必然发生数据冲突。

只读系统在频率小于
135kHz 或在2145GHz 范围内工作。

由于微型芯片耗费功率很小,可达到较大的作用距离。

只读系统在功能上能取代条码系统,例如,用在控制货物流、识别产品品种、集装箱、玻璃瓶等方面。

由许多带有可写数据存储器构成的系统组成射频识别系统的中档部分。

这些系统存储量的变化范围介于16 字节至16 千字节以上的EEPROM或SRAM之间。

在此范围内,系统类型是多种多样的,用所有可供射频识别系统使用的频率进行工作, 特别是
135kHz、13156MHz、271125MHz 和2145GHz。

由具有密码功能(即有验证和数据流密钥)
的系统,和微处理器系统组成的系统属于射频识别系统的高档部分,使用微处理器使得密码学和验证的复杂算法得以实现。

高档系统主要用13156MHz 频率进行工作。

射频识别
系统还可以根据其数据量、数据传输、可否编程、数据载体、运行方式、能量供给等方面来加以分类。

2 RFID 在农业上的应用实例
211 畜牧生产对象的识别
在对畜牧生产对象的管理应用领域,国际标准IS011784 和11785 规定了用射频
识别系统进行对动物识别的代码结构和技术准则。

IS011784 规定动物识别代码总共由
64 位(8 个字节) 组成,并给出了各位的含义,27 至64 位也可以分配用于区别不同的
动物的类型、品种、所在区域、饲养者等等。

这些在此标签内未做规定, 各国识别代码
由该国自行管理。

IS011785 则规定了应答器数据的传输方法以及阅读器的规范,使不同制造商的应答器能使用一个共同的阅读器来询问。

在标准中没有规定使用的应答器的构造形式。

因此可以设计成适合于所涉及的动物的形式。

在应答器的安装方式上,有四种不同的基本方法:项圈式应答器、耳牌式应答器、可注射式应答器和所谓药丸式应答器。

1）、项圈式应答器能够非常容易地从一头动物身上换到另外一头动物身上。

主要应用于自动饲料配给和牛奶产量测定。

2）、耳牌式射频识别应答器对非常价廉的条型码耳牌产生了竞争。

但是条型码耳牌不适用于完全自动化过程,而射频识别耳牌在最大1 米的距离内即可把数据读出。

3）、注射式应答器在近十年才开始应用。

其原理是利用一个特殊工具将应答器放置到动物的皮下。

但是注射进去的应答器在动物的体内是一个异物。

可能会出现应答器在动物体内的位置的不稳定导致数据读取出现问题。

4）药丸式应答器是一种非常有用的应答器安装方式。

它安装在一个耐酸的圆柱形陶瓷外壳。

将药丸式应答器通过动物的食道放置到所有反刍动物均有的前胃页(瘤胃) 内。

一般情况下药丸式应答器会终生停留在动物的胃内。

但是药丸式应答器、注射式应答器或者也包括射频识别耳牌式应答器能够在多大程度上成为企业的标准识别工具的领域,还需拭目以待。

2．12 应用RFID 和手机构建的农产品可跟踪系统日本Koji SUGAHARA 和Shigehisa OMATSU 在AFITA/ WCCA2004 年会上介绍了他们应用RFID 和手机构建的农产品可跟踪系统。

AFAMA 是以互联网为基础的农产品生产过程管理系统,农户利用可上互联网的手机很容易输入在户外作业时关于工作和使用材料的记录。

他们使用具有唯一识别码的小型的RFID 标签来更有效地识别在分发过程中的每件产品。

每一个RFID 标签携带了AFAMA 数据库中关于该产品的和生产相关的数据。

在分发过程中,工人可以用RFID 阅读器读RFID 标签,把输入的产品记录转入数据库。

这种综合可跟踪系统已经应用于梨和草莓,客户很好地接收到了封装的产品信息。

2、13 应用RFID 的牛可跟踪系统
韩国K1S1Seo 等在AFITA/ WCCA2004 年会上介绍了他们应用RFID 技术构建的牛可跟踪系统。

该系统可以系统地识别动物,以便在国家基础上更好的、更容易的进行动物改良、饲养、处理、分发、和卫生设施改良。

这种新的动物识别跟踪系统设计中考虑到便于管理以及数据的收集和存储。

也考虑到接收条型码、注册号和农场号。

该系统用基本家畜识别装置防止疾病和进行家畜改良。

该系统的目标是为家畜管理、耳标标准、微芯片和耳标识别装置提供标准RFID 技术;为消费者提供真实可靠的肉产品信息;增加农户的收入和支持农户的系统的饲养管理;提供全国家畜管理的联合系统。

214 RFID 技术在我国数字养殖中的应用
2003 年在我国863 数字农业项目中首次列入了数字养殖研究课题,目前,一套基于远距离系统的RFID 牛个体识别系统已经进入实用阶段。

该系统采用项圈式的应答器,挂在牛颈上,当牛通过系统的自动称重车时,系统中的阅读器将自动读取牛的唯一编号并通过压力传感器完成称重过程。

将这两个一一对应的数据(编号- 体重) 连同采集时间一起通过无线局域网发送到养殖场的上位服务器,为数字化养殖平台提供了重要的实时数据。

江苏省农业科学院也采用项圈式应答器挂在牛颈上,用手持式PDA 进行数据的读取和上传。

这两个系统的完成, 体现了RFID 技术在我国农业应用中的初步实现。

同时基于各种不同的读写器的非接触式智能卡数据管理系统也在开发中。

3 RFID 技术在我国农业领域应用的展望311 电子标签技术的发展与应用
目前RFID 技术广泛应用于生产、物流、交通、医疗、食品、防伪等领域。

各种智能卡、读写器、制卡机具和印刷设备等已经出现在市场。

随着应用的不断普及和市场的扩大,建立和应用RFID 系统的成本将大幅度下降,市场接受能力会逐步提高。

令人关注的是,随着微电子技术的发展,电子标签正在成为目前最具生命力和最有发展前途的一
种RFID 技术应用。

电子标签是指基于RFID 技术,由IC 芯片和无线通信天线组成的超微型的小标签。

它具有条形码所不具备的防水、防磁、耐高温、使用寿命长、读取距离大、数据可以加密、存储数据容量更大、存储信息可更改、可以封装在各种包装材料中等优点。

存储在电子标签中IC 卡内的信息可以是:生产和流通的企业名称、商品的种类、生产编号等。

从商品制造、物流、销售等一系列环节都可共同利用这一标签进行管理。

在可以预见的将来,电子标签将广泛地取代商品条码。

电子标签是一种市场前景和应用规模巨大的高新技术,这种技术的应用将会给零售、物流等产业带来革命性变化。

由美国最早研究和开发的电子标签很快将步入实用阶段。

美国在世界领先成立了“EPC(电子产品代码) 环球协会”。

日本2004 年春季在物流系统中开始大规模试用电子标签。

参与“食品”项目试用的企业,将进行畜产品的流通管理。

顾客在超市购物时,可通过店内的监视器查看到食品的产地和生产日期等“生鲜度”的信息。

日本将确立有关电子标签的标准,一些厂商已开始生产和销售电子标签。

日本成立了“随时随地可应用的识别中心”,实际上就是日本有关电子标签的标准化组织。

该组织已经与中国科学院计算所签订了技术合作协议。

韩国成立了韩国无线射频识别技术协会,与该组织进行电子标签标准的合作。

新加坡也将成立相应的机构,加入中日韩三国的电子标签上的标准化工作。

中日韩三国的标准化机构和有关机构,同意以日本制定的电子标签标准作为三国通用的电子标签的标准。

RFID 技术已经在很多国际大公司中开始进入实用阶段。

德国METRO 从2004 年11 月开始在该公司店铺销售的商品将贴上电子标签。

美国沃尔玛公司和美国国防部从2005 年1 月份开始全面引进电子标签。

沃尔玛已经要求旗下前100 名供货商在2004 年底之前,所有运到主要集散工厂的产品,都得装上RFID。

在2006 年1 月1 日之前,所有运到经销点的产品都要加装RFID。

英国塔斯科公司从2003 年12月份开始为2006 年正式引进进行实证实验。

华尔街分析师称,RFID 技术市场在未来五年内将达到数百亿美元的市场空间。

据市场研究公司预测,到2008年,在零售供应链中跟踪货物的电子标签技术市场规模将接近13 亿美元。

目前,全球还没有形成一个统一有关电子标签的标准,国际上很多国家都在抓紧时间制定各自的标准。

电子标签在我国缺乏相应的标准规范,不同类型的产品间不能有效实现信息共享和传递,无法满足用户的需求。

2004 年1 月,中国国家标准化管理委员会正式成立“电子标签”国家标准工作组,负责起草、制定中国有关“电子标签”的国家标准。

设计出具有自主知识产权标准又与国际标准兼容的电子标签,规范我国电子
标签的生产和使用,同时保护国家的利益,防止外国知识侵扰。

我国有了自主知识产权的电子标签,将大大地降低我国电子标签的生产成本,对推广普及起着至关重要的作用。

“电子标签”国家标准的制定和实施将指导新兴的“电子标签”产业走标准化、规范化、产业化的道路。

3、12 在农业领域中使用电子标签技术
我国是个农业大国,农产品(含农业生产资料) 在国内外市场流通领域中具有重要地位。

电子标签将成为我国农产品进入国内外市场的“身份证”。

电子标签国家标准的推出和电子标签的广泛应用将大大提高我国农产品物流管理能力、农产品质量监督能力、农产品可跟踪能力以及国际贸易中的竞争力,同时也有利于规范和净化农产品市场。

许多新的研究课题也出现在我们面前,主要集中在中国农产品电子标签数据标准(包括数据格式和元数据) 的制定,电子标签信息管理系统的开发和我国农产品虚拟数据中心(识别中心) 的建立等方面。

为了适应一两年内即将出现的电子标签技术的广泛应用,尤其是在农业中的应用,为了使带有中国牌的电子标签的农产品进入国际市场,打破发达国家的技术垄断和贸易壁垒,必须尽快开展RFID 技术在我国农业领域中的应用研究和开发。

开展RFID 技术应用需要得到政府的重视和大力支持以及相关部门(海关、检疫、市场管理等) 的协作。

要进行充分的技术和市场调研,开展可行性分析(市场风险评估、成本分析、运作机制等) 。

要联合企业、中央和地方研究院所组织和建立起研发队伍,以建立农产品智能标签为主的RFID 技术应用实验系统为切入点。

争取在我国经济发达地区(如泛珠三角洲地区) 率先进入市场应用。

“电子标签”被称为信息技术领域里的下一座“金矿”,淘“金”者蜂拥而至,市场前景广阔。

最近广东省人民政府和香港特别行政区政府已经决定将电子标签技术列为六个关键领域之一,通过两地联合向社会公开招标的方式,优选项目承担单位。

机遇已经出现在我们面前,把握住这次机遇将会使农业信息技术与市场经济紧密结合,开辟新的广阔的应用领域,极大地促进我国农业信息技术及其应用的发展。