基于RFID奶牛场专用手持机的开发研究

昔 克，马新春，郭亚平

（新疆电子研究所有限公司 新疆 乌鲁木齐 830049）

随着奶牛产业的不断发展，改善奶牛单体产乳量，提高牛群总体经济效益成为发展趋势。牛群管理逐渐由粗放型松散化管理向精细化型集约化管理方向过度；要求准确了解牛群的总体状况，严格监控奶牛的喂养，产乳，繁殖和疾病防治等各个环节。根据奶牛的产奶量控制精料饲养量，实现个体精确饲养，以提高饲料利用率和奶牛生产水平。根据奶牛疫病管理方便兽医快速诊断奶牛疾病，并可参考奶牛历史病史及对历史病史的治疗情况。

国外奶牛饲养目前均采用自动识别、自动喂养和电脑管理系统相结合的综合措施，可在相同奶牛饲养量下，大幅度增加产奶量，效益极其显著，以色列、荷兰等发达国家均先后采用，以色列1996年奶牛平均产量已达到10 198kg，比国内同期的平均水平高出一倍多[1]。国内北京、上海等地奶牛场也开始引进，但成套“奶牛”设备价格昂贵，对于国内大中城市已形成的奶牛产业化企业集团来说，单纯依靠引进，很难大面积推广。

在消化吸收国内外大中型奶牛场先进自动化管理技术的基础上，利用射频识别技术（RFID）自主开发奶牛场专用手持机，根据中小型奶牛场的生产现状和技术水平，针对性研制数据采集终端，通过采集终端采集奶牛个体的产奶量和疫病情况，并将采集数据上传至奶牛养殖管理平台系统。

1 RFID技术在奶牛养殖上的应用

射频识别技术（Radio Frequency Dentification，RFID）是一种无线的、非接触方式的自动识别技术，RFID射频识别是通过射频信号自动识别目标对象并获取相关数据，识别工作无须人工干预，可工作于各种恶劣环境[2]。RFID技术可识别高速运动物体并可同时识别多个标签，操作快捷方便。 短距离射频产品不怕油渍、灰尘污染等恶劣的环境，可在这样的环境中替代条码，例如用在工厂的流水线上跟踪物体。长距射频产品多用于交通上，识别距离可达十几米，如自动收费或识别车辆身份等。

1.1 RFID技术

基本的RFID系统由RFID标签、RFID读写器及后台数据库等3部分组成[3]。

1）RFID标签 由芯片与天线组成，具有唯一的电子编码，有一定的信息存储容量.附在物体上以标识目标对象。根据不同的射频信号发射方式可以分为主动式有源标签和被动式（无源）标签。前者可以主动地向读写器发送射频信号：后者接收到读写器发出的电磁波信号后，将部分电磁能量转化为供自己工作的能量。

2）RFID读写器 控制射频模块向标签发射读取信号并接受标签的应答，对标签对象标识信息进行解码，将对象标识信息连同标签上其他有关信息传输到后台主机以供理。

3）后台数据库 存放标签的基本信息和企业应用相关的数据。

1.2 RFID技术在畜牧业中的应用

国际标准ISO11784和ISO11785规定了用RFID识别动物的代码结构和技术准则，ISO11784规定动物识别代码总共由64位（8个字节）组成，ISO11785则规定了电子标签数据的传输方法以及读写器的规范。动物电子标签基本包括颈圈式、耳标式、可注射式和药丸式4种。在国外，RFID电子标签已经成功用于动物的识别与跟踪。在我国，RFID在畜牧业中的应用也逐渐被推广，应用前景乐观，如奶牛现代化饲养管理及防疫中应用RFID电子标签实现了对奶牛个体的标识，电子标签具有如下作用：1）为每头奶牛建立一个永久性的电子档案：2）架起信息化管理平台与奶牛个体之间的桥梁；3）实现对奶牛个体的自动监控；4）依据奶牛个体体况实现精细饲养。在肉猪生产中应用RFID技术可实现安全猪肉全程可跟踪，在育种方面也可应用RFID技术，如母猪多功能自动饲喂系统和种猪性能测定自动化系统。但是基于RFID的专用手持机的研究与应用还比较少。

2 基于RFID的奶牛专用手持机的开发研究

2.1 系统构成

研制基于射频识别（RFID）的奶牛个体标签，将基于专用芯片或微功耗单片机的专用手持机与奶牛管理服务平台系统进行集成，构成具有个体识别，无线数据采集功能的移动终端；开发运行于移动终端的奶牛场管理软件，进行奶牛个体信息管理，牛群生产分析与决策；在奶牛场建立802.11无线局域网，实现数据的无线采集与传输，构建完整的奶牛信息管理移动终端系统。

其中，奶牛个体识别技术是奶牛数字化管理的基础，使奶牛在整个生长、疾病控制、配种、繁殖、产奶过程中，均纳入自动化管理系统。基于射频技术的奶牛电子标签，有无源/有源两种模式，前者无需电源或电池供电，通过电磁耦合从阅读器得到工作能量，但是距离短，功能较单一；后者用电池供电、内置低功耗单片机，可实现计算器等复杂功能，在生产中用于奶牛的发情监测。

2.2 手持机常用工具软件及开发流程

手持机常用的操作系统有WinCE和Linux。WinCE系统下的开发工具软件主要有：C、C#、Java、Embedded Visual Basic和Embedded Visua C++等；而Linux系统下一般用C语言来进行开发[4]。本文是在WinCE系统下进行软件开发的 。系统开发流程如图1所示。

图1 系统开发流程图Fig.1 Flow chart of system development

2.3 系统所具备的功能模块

系统需要实现的功能模块主要有5个，包括端口配置、端口配置信息、标签信息、挤奶管理、疫病管理。系统模块功能图如图2所示。

图2 系统模块功能图Fig.2 Functional diagram of system module

一般来说，端口配置的内容大多是固定的，包括端口名、波特率、数据位、奇偶校验及停止位。在打开串口之前首先应进行端口配置的设置，设置完毕后再连接或断开链接。

端口配置信息包括除端口配置外的标签协议信息、工作模式、射频频率及射频功率等。标签协议信息可包括常用的几种RDID协议，并可选择设置同时读取几种不同协议的标签；工作模式根据循环读取模式的不同读取单张或多张标签；笔者使用的是高频RFID模块的手持机，其频率是13.56 MHz；协议是15 693的。

3 软件开发

3.1 通信方式

笔者使用的手持终端主要采用串口通讯的方式，默认波特率19 200 b/s，8位数据位，1位起始位，1位停止位，无校验。

3.2 通信协议

由于读写RFID主要采用无接触的通信方式。射频标签与读写器之间通过无线数据传输来完成数据的交换。在这样的数据通信系统模型下，射频标签是数据通信的一方，读写器是通信的另一方。要实现安全、可靠、有效的数据通信目的，数据通信的双方必须遵守相互约定的通信协议。

本文中使用的RFID通信协议命令帧格式主要如下：

3.3 数据库的选择及同步问题

在手持机的应用开发研究中，由于需要进行手持机与PC机数据的交互[5]，因此数据库的选择、维护和不同数据库间的同步问题显得非常重要。目前在手持机的win CE系统上可以使用的数据库有：Pocket Access、SQI Sever CE和Oracle9i Lite等。

Pocket Access只提供对一组表的存储和访问，由于缺乏报表、存储查询以及表之间的关系，因此并不常用，它只适合于地址本、通讯录之类的小容量数据库应用。

Oracle9i Lite提供基础架构和应用程序服务，可以发布使用各种移动设备的安全和个性化的应用程序。它是Oracle9i AS的附加软件，对Oracle9iAS Wireless进行了完善，提供了完整简单的集成化移动电子商务框架。Oracle9i Lite包括两个主要组件：Mobile Server和移动开发工具包。对于使用Oracle基础框架的企业，建议使用该数据库，以便获得更高的稳定性和服务。

SQL Server CE可以说是目前功能较全面、性能较稳定的移动数据库，它提供的关系数据库所占空间很小，但包含了一个查询处理器和一些合并复制功能，能执行大部分SQL查询处理，支持大部分SQL语句，而且为移动计算应用进行了很多优化和取舍，大大加快了SQL语句的执行速度，提高了在低CPU频率、低内存情况下运行的性能。SQL Server CE还能与SQL Server 2000较好地配合，只要通过少量的代码就能实现移动数据库到服务器的数据连接。从某种意义上讲，SQL Server CE就是SQL Server 2000的一个简化版本。本文选用的就是该数据库。

目前可以利用RDA （Remote Data Access，远程数据存取）和Replication（复制）来完成与PC机的SQI Server 2000[6]数据库的存取交换。由于手持机对PC机访问必须通过因特网信息服务器（IIS）进行，因此安装好SQL Server CE后需要在 IIS上安装 SQL CE Server Tool，并配置连接 SQLServer 2000。由于已有不少关于SQL Server CE与SQL Sever 2000配置的文章，本文不再赘述。

3.4 RFID读写类设计

RFID读写类设计图如图3所示。

图3 RFID读写类设计图Fig.3 Design of RFID reading and writing class

类方法说明：

Open：打开通信串口；Close：关闭通信串口；

ReadBlockData：读取指定编号block的数据；SendBeepCmd：发送手持机蜂鸣命令；

SendGetUIDCmd：发送获取RFID编号命令；

SendReadDataCmd：发送读取RFID卡信息命令；SendWriteDataCmd：发送写卡命令；

WriteBlockData：向指定编号的block写入内容。

3.5 实现结果

图4、图5、图6所示为WinCE系统下进行开发出的系统界面和具体实现的功能的图示。

图4 系统界面图Fig.4 Diagram of system interface

图5 挤奶管理的功能图Fig.5 Function diagram of milking management

图6 疫病管理功能图Fig.6 Function diagram of disease management

4 结束语

在奶牛个体识别技术研究的基础上，设计一套数据采集装置，方便采集和管理奶牛信息，实现奶牛的挤奶管理和疫病管理。数据采集方式从有线变为无线，克服奶牛场场粪便污水污染。实现了专用奶牛的手持机开发，在实际应用中解决了中小企业在不更换现有设备的情况下，做到挤奶自动采集数据和疫病管理，为奶牛场的数字化管理奠定了基础。

[1]熊本海.奶牛精细养殖综合技术平台[M].北京：中国农业科学技术出版社，2005.

[2]游战清，李苏剑.无线射频识别技术（RFID）理论与应用[M].北京：电子工业出版社，2004.

[3]朗为民.射频识别（RFID）技术原理与应用[M].北京：机械工业出版社，2006.

[4]王苗苗.嵌入式系统设计与实例开发[M].北京：清华大学出版社，2002.

[5]王宇飞，许进.OpenBase MINI数据同步的设计与实现[J].计算机科学，2000，27（10）：214-217.WANG Yu-fei，XU Jin.Openbase MINIdesign and implementation of data synchronization [J].ComputerScience 2000，27（10）：214-217.

[6]Garcia M F，Reding J，Whlen E，et a1.Microsoft SQL Server2000系统管理员宝典[M].北京：清华大学出版社，2001.