基于能量收集的低功耗有源RFID 禽畜耳標設計

蔡兆暉

（廈門大學嘉庚學院，福建漳州 363100）

對畜禽的編碼采集可以有效幫助畜牧管理者對畜禽生長防疫屠宰等過程進行有效的管理和監控，配合信息化管理系統，可以提高畜牧效益。隨畜牧產業的升級，畜牧企業需要在管理、信息等方面進行信息系統的構建，而信息系統的構建基礎在于畜禽信息的數據采集，諸如畜禽編碼、生命體征、飼養用藥、運動量等相關數據。傳統的畜禽編碼采集，從原始的人工耳標編號識別到較為先進的無源RFID 輔助識別技術，采集過程需要人員參與。在規模化畜牧模式下，隨著人工成本的增加，市場對品質控制、可追溯等的需求更高，自動化的編碼采集技術的應用顯得尤為重要。隨著畜牧規模化程度的提高，傳統的畜禽編碼人工采集方法由于勞動強度大，人畜交叉感染風險等因素，不適合集約化畜牧農場的需求。借助RFID 技術及物聯網技術，在耳標的小型化及免維護上改進，實現自主能量采集及低功耗程序設計，可以解決傳統方法不足的問題［1］。對于RFID技術應用中出現的技術性問題，如讀碼現場畜禽數量眾多造成讀碼辨識困難，可以通過采用RSSI 原理，進行畜禽個體的辨識，實現畜碼對應功能加以解決［2］。新技術的采用，推動RFID 技術在耳標應用的普及，為現代畜牧業管理信息化及智能化發展提供了條件。

1 有源RFID 技術的優勢和局限

RFID 識別方案在成本、系統構建、技術管理維護等方面要求較高，成為其發展的制約因素。因此，RFID 識別技術主要應用于規模化的畜牧養殖企業，如乳源生產企業中的奶牛養殖等；在中小型肉牛、羊養殖場利用較少，依然采用原始的視覺辨識耳標，通過畜牧人員手工記錄方式進行管理［3］。

RFID 系統的組成如圖1，RFID 標簽根據發射頻信號的方式，分為有源RFID 標簽和無源RFID 標簽。無源RFID 標簽無自帶電源，工作過程中需要貼近標簽讀取裝置。利用讀取裝置產生的射頻信號耦合產生電源供電。有源RFID 標簽內置電源供電系統，可以獨立運行，無需靠近讀取裝置。讀取裝置發送射頻信號與RFID 標簽進行通訊并接收RFID 標簽的應答信息，讀取相關數據，如畜禽編碼等信息。讀取裝置可為手持式或固定式，手持式往往配合無源RFID標簽通過人工手持靠近標簽讀取；固定式配合有源RFID 標簽，可以遠距離讀取信息，無需人工干預。讀取裝置通過相應信息傳播接口模塊，借助移動蜂窩網絡、Wi-Fi、以太網等與中央控制系統通訊，將RFID 獲取的信息存儲于管理系統數據庫，用于管理系統的應用程序調用［4］。

圖1 RFID 系統原理

主流的RFID 耳標采用無源RFID 識別方案，通過耳標外掛或者玻璃圓管植入，識別時需要工作人員用手持式RFID 設備讀取，耗費人力，增加人畜交叉感染的風險。有源RFID 方案通過安裝在檢測門的RFID 讀取設備，能夠遠距離對通過的牲畜信息進行讀取，是智能化畜牧的發展方向。

有源RFID 需要具備自主供能裝置，如電容、鋰電池、薄膜電池等，既增加設備成本，又不利于設備的微型化；同時常規自主供能裝置需要進行定期維護充電。這些不利因素制約有源RFID 技術在畜牧企業替代無源RFID。除了成本、維護性及微型化等方面外，有源RFID 在應用中還面臨一個突出問題，讀碼設備往往配置行走通道或檢測閘門，讀碼距離較遠，雖讀碼設備可以通過RFID 防止沖突算法在短時間內讀取畜禽的編碼，但在特定功能拓展應用方面，如通過稱重過道檢測畜禽的體重或者通過熱成像技術檢測畜禽體溫，需要畜碼對應，無源RFID 可以通過人工現場辨識，有源RFID 因無需人工現場操作，較少具備畜碼對應相關功能，限制了有源RFID在信息化管理上的應用。

2 有源RFID 在信息化管理解決方案

2.1 整體方案

改善有源RFID 的不利因素，主要從幾個角度進行。

對有源RFID 采用的供能裝置進行改進，采用能量采集方式替代定期維護充電方式，減少人工維護工時。由于能量持續采集機制，儲能裝置主要作用于緩沖電源的波動，對應的儲能裝置容量可以減少，儲能裝置的成本可降低，同時體積可縮小；RFID 讀碼設備大部分時間在非工作狀態，可以通過保持設備長時間處于休眠狀態，不定期喚醒工作狀態，達到降低有源RFID 的功耗。

在畜碼對應的實現方式上，可采用RSSI 技術，通過有源RFID 設備在與讀取設備進行通訊時段、采集有源RFID 接收的射頻信號強度，將強度數值與畜禽編碼信息發送至讀取設備，通過讀取設備對RFID設備發送的信號強度比對，選擇最大值所對應的畜禽編碼為該時刻與讀取設備距離最近的畜禽編碼。

傳統的有源RFID 標簽，采用射頻基帶處理芯片及控制芯片分立于PCB 板，PCB 板的尺寸較大，不利于實現低功耗及微型化。隨著微電子技術的發展，新的方案采用單一芯片的片上系統（SoC）方案，將射頻基帶處理（RF）、微控制器（MCU）、模數轉換（ADC）等相關功能集成在單一芯片，提高了設備的集成度，能滿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 實現有源RFID 標簽，該SoC 內置MCS51 微控制器，具備休眠喚醒模式、接收信號功率測量，便于實現諸如休眠喚醒、RSSI 定位等相關功能，具備多種封裝，其中QFN24 封裝尺寸只有4 mm×4 mm，適合微型化應用。

2.2 能量采集系統設計

能量采集系統較為普遍的采集能量源有太陽能、熱能、振動、射頻等，利用光伏原理將通過太陽能轉變為電能是較為主流的能量采集技術。由于光伏板要求定期維護保持清潔便于接收光線能量，不適用于畜禽的耳標場景；射頻能量需要相應的射頻信號發射裝置，采集設備與射頻源要保持適當空間距離，不適用于畜牧業的多變環境。

耳標放置于畜禽的運動部位，可以考慮采用振動能量采集，將振動的機械能通過能量轉化裝置轉化為電能，將電能通過電源管理芯片存儲于儲能器件。該裝置不需要與外界進行接觸，因此可以設計在密封的空間，采用該裝置的RFID 耳標可以達到IP68 防護等級，隔絕雨水塵土，適應畜牧的復雜氣候環境要求。利用壓電式或者磁電式原理進行振動能量采集，是比較成熟的方式。

能量采集系統的核心在于電源管理，能量管理設計如圖2。該系統既要對能量生成裝置生成的不穩定的電能進行整流升壓，輸入到儲能元件及低功耗設備。同時又要負責在采集能量不足時將儲能元件的電能輸出到低功耗設備。采用Linear 公司專用的電源管理芯片LTC3588-1。該芯片可以采集機電能量轉換系統的電能，輸出3.3 V 的電壓驅動nRF24LE1，可以將多余電能存儲在電容器緩沖系統電壓波動。具備低功耗的休眠喚醒機制，配合nRF24LE1，可以實現系統級的低功耗優化［5］。

圖2 能量采集系統

2.3 休眠-喚醒功能

采用休眠-喚醒功能以實現低功耗設計，既滿足設備實現基本功能，又降低設備的電源需求，對產品的輕量化、尺寸微型化及成本低廉化，起到關鍵的作用。對于畜禽耳標這類產品，低成本、微型化、免維護是其應用推廣的基礎，通過軟硬件方式進行低功耗的優化設計極為重要。主流的低功耗設計有芯片制程工藝改進、休眠-喚醒模式等。其中休眠喚醒功能較為適用于主動RFID 數據采集。RFID 數據采集對實時性要求較低，定期啟動的方式可以滿足其要求，將設備由全天候工作的方式改進為全天候休眠、定期間斷喚醒的方式，可以較大程度地降低設備功耗。

nRF24LE1 在休眠-喚醒模式的設計上較為先進，根據其芯片內部不同外設的開閉狀態，分為發送、接收、待命II、待命I、關閉5 種狀態。發送狀態功耗最高，關閉狀態功耗最低，5 種狀態的功耗依次減少。正常工作于待命I 狀態，通過循環定時啟動的方式降低平均功耗。在待命I 狀態下會根據不同的觸發信號，完成從待命I狀態到發送、接收、待命II及關閉狀態的切換。

通過nRF24LE1 實現RF 發射功率控制技術，在滿足讀取設備較低接收信號功率的條件下，進一步降低耳標設備的功耗。應用nRF24LE1 將RF 發射功率從0 dBm 降低到-18 dBm，對應的驅動電流從11.1 mA 降低到6.8 mA。通過對讀取設備配置更大尺寸的接收天線等方式，可以接收耳標發出更低功率的射頻信號。

2.4 畜碼對應功能

RSSI 全稱接收信號強度指示，是物聯網應用中室內定位的主流技術。該技術的原理是，信號在開放空間中進行傳播，信號強度隨著傳播距離逐漸衰減，據此進行空間距離的測量。RSSI 測距只需要2個設備，發射測量信號的設備（簡稱信標）和接收測量信號的設備（定位主體）。信標往往只負責信號的發送，距離測量在定位主體設備中實現。

畜碼對應功能借鑒RSSI 相關技術原理實現，實現方式略有改進，讀取設備在應用場景中，既具備信標的功能，又具備根據有源RFID 信號強度信息進行對比統計的邊緣計算功能。該應用場景只需要尋找與讀取設備最近的畜禽，只需在信號強度參數上進行比對，無需進行距離換算和距離-場強標定，技術應用難度得以降低。

nRF24LE1 芯片采集測量接收到的讀取設備發送射頻信號，將測量值存儲在內部的RPD 寄存器，通過CPU 讀取寄存器的耳標編碼數值，作為一個數據幀，發送至讀取設備。

2.5 實現電路

采用SoC 方案電路結構簡單，主要分兩大部分：nRF24LE1 核心和電源管理。

nRF24LE1 核心電路如圖3 所示，其外圍電路主要包含16 MHz 的無源晶振提供MCU 時鐘信號；多個去耦電容保證芯片穩定工作，減少電源紋波；配置多個電感提高射頻天線效率。

圖3 nRF24LE1 核心電路

電源管理采用LTC3588-1 電源管理電路［6］，如圖4 所示。 PZ1 與PZ2 管腳接入振動能量采集裝置，采用壓電采集裝置。采集能量經過電源管理芯片，由Vout 管腳輸出3.3 V 電壓與核心電路的VCC_nRF 連接，提供核心電路穩定的電源。配置47 uF 的電容，作為電源儲能緩沖器件。可選配置9 V 電池作為備用能源，避免供電缺失。

圖4 電源管理電路

3 小結

畜禽編碼信息的采集在畜牧養殖資產監管、身份識別、溯源、生產全流程監控等方面有較多應用，是畜牧業向集約化、規模化發展必須實現的功能。無需人工參與的自動化畜禽編碼采集在現代畜牧業的發展中尤為重要。采用有源RFID 耳標方案，配合振動發電能量采集裝置，對比無源RFID 耳標，解決了有源RFID 在尺寸上以及維護上的缺點，采用RS?SI 技術完善了自動辨識條件下畜碼對應功能，發揮自動化無人工干預的優點，是規模化畜牧可以采用的低成本、可操作性強的方案。

借助有源RFID 能量自動采集、休眠喚醒、RSSI距離測量等相關技術，構建畜禽耳標自動化識別的低成本、易實施的解決方案，從而為畜牧業信息系統的建立，構建了數據采集的硬件基礎。