RFID射频识别技术在奶牛信息管理系统的应用

RFID射频识别技术在奶牛信息管理系统的应用—控制系统方案设计

根据在PPT里的理论介绍，参考ISO/IEC 18000体系标准，结合奶牛大规模饲养场所信息化管理的需要。本文制定一个基于RFID技术的奶牛信息处理与监控系统。

在方案设计之前，我们需要假设一种应用环境。用以对设计做实际的验证。假定有一家规模为10000头奶牛的饲养场，饲养场内的奶牛均由精饲料加草料的混合饲养方式喂养。牛圈的布局通槽形式，每头牛之间的距离保持在2米左右一字排开。饲养场设置奶牛疫情监控区，特殊病症或妊娠监护区以及普通牛圈。疫情监控区用于零时隔离有传染性威胁的奶牛，保障整个牛群的安全。特殊病症或妊娠监护区用于对那些在孕期或需要特殊照顾的奶牛给予特殊的照顾，该区不设通槽，只设围栏。饲养场对各个牛圈划定片区，指定专人管理，实行专人负责制度。饲养场定期对产奶牛的体制和牛奶品质进行检测，并对检测结果进行评价。每天定时对产奶奶牛自动挤奶，并对挤奶量进行记录。饲养场对草料来源地和精饲料产地进行重金属等污染物检测，采用饲料来源认证机制，确保喂料安全和牛奶品质。根据奶牛的生理特点，产牛犊后会出现三个不同的产奶期：旺奶期，产量稳定期和产量衰减期。奶牛场还应建立奶牛产奶的时间表，每个月更新一次信息，用以跟踪未来一段时间内整个饲养场的产量变化情况。

有了这些对实际应用环境的认识，且看看所能得到的技术条件有哪些：

RFID射频识别技术：采用分布于各个监测点的电子标签加读写器和后台处理的计算机组成。电子标签负责存储用于识别监测点的信息，考虑到它的应用环境，电子标签必须安全可靠易于读写。读写器可以是手持式的，读写器的有效读取距离与它的发射功率有关，功率越高，读取距离越远。另外，读写器也具备了一定的智能化特点，它能够对来自电子标签加解密，进行完整性检查和缓冲的作用。计算机作为后台处理数据的中枢，可以实现大量的分析和监控任务。

当然也不能缺少现代化饲养场管控的一整套制度支撑，这里先抛开不看，主要研究RFID 怎样应用到奶牛场信息管理系统中的。下面是初步的想法：

先考虑电子标签

标签应当足够小以便植入到奶牛的耳朵上，标签设计为无源标签，只有当读写器靠近时才会触发进行读写活动。电子标签与读写器之间是一对一的读写关系。为了得到准确完整的信息，需要对标签的数据约定一定的格式和内容。暂且称一个标签的数据为一帧，一帧的内

＃奶牛编码是奶牛唯一的身份证，作为识别的唯一依据。

＃该片区负责人编号，便于追溯责任。

＃饲料来源为建立奶源质量安全的追溯机制而设定。

＃奶牛出生日期可以帮助饲养场管理奶牛在全生命周期的各种活动，比如接种，妊娠等。

＃产奶情况可以动态预报个体和奶场产量的波动，为饲养场发展决策提供依据。

＃奶牛健康状况关注的是是否产生疫情，是否需要特殊看护等等。

＃校验符提供数据在传输和读写过程中是否出错的证明。

＃结束符提供数据在传输中完整性的证明。

然后考虑读写器：

根据ISO/IEC 18000 读写器与电子标签之间的通信可以采用ASK调制，位速率为10kbps 或40kbps的曼彻斯特编码传输。当读写器靠近牛耳朵附近的电子标签时，电子标签会感受到一个一定的电磁能从而激发，根据ISO/IEC 18000 电子标签在激发前会有一段静默时间（约为30ms）,一方面确认该读写器的目的就是为读取该电子标签，一方面也为电子标签内部线圈积累足够能量提供了时间。为了成功读取，读写器要与电子标签一起满足一定的规格和标准。读写器的发射功率，调制方式，存储容量，数据编码和校验方式都需要和电子标签保持一致。发射功率能满足1米的读取距离即可；存储容量至少应该超过一个片区所有标签数据的容量；校验方式选择偶校验；数据编码方式和电子标签的帧格式相同。

下面考虑读写器的读写逻辑控制方案：

读过程：当读写器靠近牛耳朵附近的电子标签时，假设此时的情况是1对1的读取（暂不考虑防碰撞的问题），电子标签的感应线圈受到磁场激发开始工作，并通过内置天线将密文发给附近的读写器。读写器识别并解密，如果不能识别会发出报警信息提示出现“读”异常。解密后对报文进行解码，最后将处理后的报文缓存。

写过程：写过程在读过程之后进行，当读取的报文信息缓存后，读写器会对帧头和奶牛编码进行简单识别并与需要写入的报文信息的帧头和奶牛编码进行对比。如果不一致就会发出报警信息提示出现“比较”错误。读写器向电子标签发出“写”命令。电子标签获得命令后清除所储存的密文，将天线调整为接受状态后向读写器回执确认信息。然后读写器开始向电子标签发出写的内容。电子标签检测到结束符后自动向读写器发出“完成”信息，此时，读写器发出报警提示写操作已经顺利完成。

现在说说后台计算机层面的一些考虑：

该信息系统的设计参考C/S架构设计，所有读写器都通过现场总线（比如CAN）连接到终端计算机上，计算机可以对连接到的读写器进行自动识别，可以对读写器进行读写操作。该系统几乎所有的信息处理和决策产生都发生在计算机终端上。比如预测整个饲养场下一月鲜奶产量情况，就可以统计所有存栏中目前产奶奶牛的数量，以及下个月即将进入产奶期的奶牛数量。同时还可以根据标签信息，对产奶奶牛进行产奶旺期，产奶稳定期，产奶衰减期不同时期划分，精确估计产量变化情况，为决策给出数字依据。当然更进一步，可以对饲料消耗情况进行预报，估计饲料进货的多少，避免出现饲料短缺和囤积现象。凡此种种，显示出信息化手段在奶牛饲养方面的巨大优势，尤其是规模较大的饲养场，已经不能单凭个人经验决策的时候，该系统就会帮助人们快速，准确，及时的完成决策依据的生成。在人力节约和成本控制方面实现了巨大的突破，显示出美好的前景。