基于CC1110的畜產品可溯源系統讀寫器設計

趙金燕， 吳興純， 楊 麗， 張 云， 曹志勇

（1.云南農業大學 基礎與信息工程學院，云南 昆明 650201；2.云南省第二建筑工程公司 云南 昆明 650203）

畜產品是食品中最重要的一類，由于其食品鏈長于其他食品，對畜產品信息和經營責任的全程監管較難實現，因此畜產品的安全問題尤為突出。為了保障消費者健康，國際標準化組織（ISO）、歐盟委員會、食品標準委員會等組織提出了食品安全的“可追溯性”的概念[1]。所謂食品安全追溯制就是對食品生產、流通過程中各關鍵環節的信息加以有效管理，通過對這種信息的監控管理，來實現預警和追溯，預防和減少問題的出現，一旦出現問題即可以迅速追溯至源頭。而畜產品可溯源系統的主要目的就是大力提高畜產品的質量，以確保畜產品的可靠性和安全性。

1 畜產品可溯源系統

無線射頻識別（RFID）技術是一種非接觸式的自動識別技術，它通過射頻信號自動識別目標對象并獲取相關數據，識別工作無須人工干預，可工作于各種惡劣環境。RFID技術的核心是電子標簽和配套讀寫器，按照目前比較標準的說法，電子標簽是目前使用的條形碼的無線版本；它具有條形碼所不具備的防水、防磁、耐高溫、使用壽命長、讀取距離大、標簽上數據可以加密、存儲數據容量更大、存儲信息可更改等優點[2]。

根據實現的方式不同，RFID技術可分為無源RFID技術和有源RFID技術。無源RFID技術系統中的電子標簽工作所需要的全部電源都依靠轉換接收到的讀寫器發送的電磁波而獲得，讀寫器的發射功率一般較大，電子標簽的數據存儲空間極小。有源RFID技術系統中的電子標簽具備電池，可提供全部器件工作的電源，讀寫器的發射功率要求較低，而且有效閱讀距離也較前者有所增加，并可存儲幾十K以上數據，顯然在追蹤和識別高價值的畜產品過程中使用有源RFID技術是非常適宜。

RFID技術在畜產品可溯源系統中的應用，不僅包括對動物從出生到進入屠宰場整個飼養過程（獸醫預防、疾病治療、飼料使用）的記錄與監控，還包括畜產品進入消費市場（超市等）后，消費者可通過每一只動物唯一的識別碼，查詢該產品的整個飼養過程。針對動物養殖過程的特點，本系統采用自行設計的有源電子標簽，這樣可以使識別距離達到90 m范圍，在養殖區域內通過配套的讀寫器，即可實現數據的快速讀取。無須動物集中到專用的識別通道，可減少動物因驅趕而出現的應激反應。

2 畜產品可溯源系統的讀寫器設計

2.1 芯片選擇

根據課題的要求，選用德州儀器（TI）生產的CC1110芯片。該芯片是采用0.18 μm CMOS工藝生產的全集成收發芯片。它工作在工業、科學和醫療（ISM）頻段，設計頻段為433 MHz，采用嵌入式8051MCU，其閃存存儲量可為8/16/32 kB，隨機存儲器存儲量可為1/2/4 kB，最高系統時鐘是26 MHz，并具有功率放大器（PA）、低噪聲放大器（LNA）、調制解調器（MODEM）等功能，QLP 封裝，體積小（6×6 mm），支持流行的跳頻技術，以及各種調制方式，內核加載128位AES加密協處理器，能夠使數據傳輸率達到500 kbps。

2.2 讀寫器原理圖

在畜產品可溯源系統中，有源電子標簽使用標簽內電池的能量，與自行設計的專用讀寫器配合，使得識別距離較遠。該讀寫器通過USB接口與計算機或者PDA相連，可靈活組成基站式讀寫器和手持式讀寫器，大大提高了畜產品可溯源系統的兼容性和可移植性。根據CC1110芯片的特性，設計的電路原理圖如圖1所示。

圖1 讀寫器原理圖Fig.1 The schematic of reader

2.2.1 射頻收發電路設計

讀寫器的射頻收發電路相關元件功能：偏置電阻R1用于設置一個精確的偏置電流；去藕電容C1用于提供精確的功率供給；C19、C20和 C21、C22分別為晶體 X1和 X2的負載電容；RF端口由C10、C11、L2和L4共同組成不平衡變壓器，用于芯片不同RF端口信號轉換成單個RF信號，再通過一個π型 LC 濾波器（C14、C15、L3）的作用 ，最終輸 出 50 Ω 的 RF 信號，和天線達到最佳的阻抗匹配。

2.2.2 電源和接口設計

讀寫器采用USB接口，由于電腦供給USB的電壓為5 V，所以需要將5 V電壓轉換成3.3 V的電壓，在電路設計上要加上電壓轉換芯片TPS76933來實現這個功能。另外CC1110與USB之間還需要設計USB轉換芯片（CP2102），以及一些外部的阻容元件和二極管。其中C16、C18用于穩定電壓，C17用于與其它外設的電壓調節，R1用于芯片電壓重新設置，D1、D2、D3用于電路板的 ESD 保護。

2.3 讀寫器PCB圖

電路的設計采用Protel 99SE開發工具，在設計印制電路（PCB）板的時候，應特別注意電磁兼容性設計、地線設計、去耦電容配置等幾個方面的合理配置。

電磁兼容性設計的目的是使電子設備既能抑制各種外來的干擾，使電子設備在特定的電磁環境中能夠正常工作，同時又能減少電子設備本身對其它電子設備的電磁干擾。在雙面PCB板中，上下兩層信號線的走線方向要盡量相互垂直或斜交叉，盡量避免平行走線，以減少寄生耦合的產生[3-4]。

在電子設備中，接地是控制干擾的重要方法。地線設計中應根據電路特性，正確選擇單點接地與多點接地，對高頻電路要采用多點接地，并盡量加粗接地線，接地線的寬度一般為普通走線的2倍，而且要將接地線構成閉合環路。

在直流電源回路中，負載的變化會引起電源噪聲。因為在數字電路中，當電路從一種狀態轉換為另一種狀態時，就會在電源線上產生一個很大的尖峰電流，形成瞬變的噪聲電壓。合理配置去耦電容可以抑制因負載變化而產生的噪聲，提高PCB板的可靠性[5]。

根據CC1110芯片特性，在有源電子標簽PCB板布局和布線時，要優先對RF端口的元件進行布局，這樣才可以保證RF端口布線最短，以達到最佳的阻抗匹配和信號傳輸。最終設計的讀寫器PCB圖如圖2所示。

圖2 讀寫器PCB圖Fig.2 The PCB of reader

3 系統的調試和測試結果

畜產品可溯源系統硬件驅動程序的編輯、調試是在IAR Embedded Workbench for MCS-51集成開發調試平臺進行。硬件驅動程序編譯調試結束以后，利用Flash Programmer把驅動寫入讀寫器，再利用Smart RF-studio軟件設置數據傳輸率、調制方式等相關參數。具體設置如圖3所示。

圖3 Smart RF-studio界面Fig.3 Surface of Smart RF-studio

在實際環境中，我們使用自行設計的讀寫器和電子標簽等硬件設備，對畜產品可溯源系統進行通信測試。測試分為7組，其中第1～6組為直視測試，第7組為非直視測試，障礙物為建筑物。設置不同通訊參數條件時，系統測試結果如表1所示。

從表1可以看出：

1）系統數據傳輸率與傳輸距離關系密切，隨著數據傳輸率呈倍數的減小，通訊距離和RSSI強度都逐漸增加；在可視距離通信距離90 m內，標簽與讀寫器之間通訊可靠；

2）從試驗具體測試來看，當遇到障礙物的時候，會使得RSSI強度和通訊距離減少，丟包率增大，由于采用了丟包檢測及重傳處理，仍可進行通信；

表1 系統測試結果Tab.1 Test result of system

（3）采用第 4、5組參數時，丟包率降到最低，60 kbps數據傳輸率時通訊距離在90 m范圍內，10 kbps數據傳輸率時通訊距離在97 m范圍內[6]。

實際應用時需考慮標簽的閱讀量、通信距離的遠近和干擾情況來選擇其中的一組參數。以每秒對20個標簽進行操作，每個標簽約1 000比特的數據量，選用表1中測試組4的相關參數即可。此外也可以通過增大讀寫器功率和降低數據傳輸率來達到較遠距離或穿越障礙物。

4 結束語

在畜產品可溯源系統中使用高頻有源電子標簽和自行設計的配套讀寫器，可以降低系統的成本，提高系統的安全性，并對徹底實現食品的“源頭”追蹤和提供食品安全的透明化管理提供技術支撐。隨著電子標簽國家標準的推出和電子標簽系統的廣泛應用，將大大提高我國畜牧產品物流管理能力、質量監督能力、可跟蹤能力以及國際貿易中的競爭力，同時也有利于規范和凈化畜牧產品市場[7]。

最近幾年，我國因為動物及其產品造成的重大疫情時有發生，由于地域廣闊、人口眾多、人員和物資的流動性大，造成的危害非常巨大，制止疫情需要的時間長、付出的代價很大。生產安全、衛生、合格的動物畜禽產品，滿足人們對畜產品質量的要求，對提高全民族的身體素質具有十分重要的意義。因此，在動物食品安全可追溯系統中使用高頻有源電子標簽和配套讀寫器，將能促進我國的畜牧業向更高層次發展。

[1]Golan E，Krissof B，Kuchler F.Food traceability[J].Amber Waves，2004，2（2）：14-21.

[2]趙金燕，陶琳麗，高士爭，等.畜產品可溯源系統有源電子標簽的設計[J].云南農業大學學報，2008，23（5）:648-651.ZHAO Jin-yan，TAO Lin-li，GAO Shi-zheng，et al.Design of active tag on animal food safety traceability system[J].Journal of Yunnan Agricultural University，2008，23（5）:648-651.

[3]潘宇倩，白東煒.電磁干擾的產生及PCB設計中的抑制方案[J].航天器工程，2007（3）:125-129.PAN Yu-qian，BAI Dong-wei.Cause of EMI and restraining scheme in PCB design[J].Spacecraft Engineering，2007（3）:125-129.

[4]胡志勇.滿足高性能多層印制板的設計[J].印制電路信息，2007（10）:18-21.HU Zhi-yong.Desingning for high performance multilayer PCBs[J].Printed Circuit Information，2007（10）:18-21.

[5]張偉，孫穎，趙晶.電路設計與制板Protel 99SE高級應用[M].北京：人民郵電出版社，2007.

[6]趙金燕.動物食品可溯源“RFID-條碼”標識技術的研究[D].云南:云南農業大學，2008.

[7]曹志勇，王全春，吳興勇，等.畜產品生產追溯系統的構建[J].安徽農業科學，2010，38（14）:7451-7453.CAO Zhi-yong，WANG Quan-chun，WU Xing-yong，et al.Traceability system construction of livestock products production[J].Journal of Anhui Agricultural Science，2010，38（14）：7451-7453.