|
在奶牛養殖業(yè)中，對奶牛的健康進(jìn)行監測，及時(shí)發(fā)現牛群中的病牛和處于發(fā)情期的牛是很重要的。我國大部分對奶牛的監測均是由飼養員來(lái)進(jìn)行的，這對飼養員來(lái)說(shuō)非常困難。隨著(zhù)現代電子技術(shù)的發(fā)展，奶牛場(chǎng)計算機管理系統在國外養殖業(yè)中已大量采用，這種系統可根據奶牛每天走的步數(即活動(dòng)量)來(lái)確定奶牛的健康狀況。在以色列，每頭奶牛都有一個(gè)計步器，用于統計奶牛每天的行走步數。國內養殖業(yè)如要從國外引入這個(gè)系統其成本是很高的。本系統利用射頻卡技術(shù)，能對奶牛的活動(dòng)情況進(jìn)行統計管理，而且成本較低。 1 奶牛健康與活動(dòng)量的關(guān)系 奶牛每天的活動(dòng)量與奶牛行走的步數有關(guān)系。當奶牛的步數多時(shí)，即活動(dòng)量大；反之，活動(dòng)量少。每頭健康的奶牛在平時(shí)都有一個(gè)平均的活動(dòng)量，即行走的步數在一定范圍內是小幅波動(dòng)的。當一頭奶牛的活動(dòng)量突然減少時(shí)，表示這頭奶�？赡苌×�；而當一頭奶牛的活動(dòng)量突然增加時(shí)，表明奶�？赡馨l(fā)情了。本系統就是利用這個(gè)特點(diǎn)對奶牛每天的活動(dòng)量進(jìn)行統計，從而達到對奶牛健康管理的目的。 2 系統總體結構和工作原理 射頻卡系統是一種無(wú)線(xiàn)識別裝置，由閱讀器、射頻卡兩部分組成，在現代生活中主要應用于考勤和消費等領(lǐng)域。它避免了因接觸式IC卡的讀寫(xiě)、油污和芯片裸露等缺陷而造成的各種故障，具有免接觸、高可靠和無(wú)磨損等優(yōu)點(diǎn)。目前，射頻卡系統已經(jīng)逐步成為我國取代磁卡、光電卡、條碼卡和接觸式IC卡的最佳選擇。 射頻卡是安裝在奶牛腿上的一個(gè)裝置，對它的要求是功耗要低，體積要小。射頻卡系統框圖如圖1所示。射頻卡的工作原理是：單片機通過(guò)軟件在每個(gè)卡中設置一個(gè)唯一的編碼(即卡號，它相當于我們的身份證)，另外，單片機與一個(gè)水銀開(kāi)關(guān)相連，奶牛每走一步，水銀開(kāi)關(guān)通斷一次，單片機對水銀開(kāi)關(guān)的脈沖進(jìn)行計數，從而將奶牛的活動(dòng)記錄下來(lái)。當射頻卡靠近閱讀器時(shí)，它接收到閱讀器耦合電路的無(wú)線(xiàn)電波能量，經(jīng)整流濾波后對射頻卡供電；同時(shí)，給單片機中斷信號，單片機將卡號和記錄的步數數據進(jìn)行曼徹斯特編碼，然后通過(guò)脈沖驅動(dòng)電路將編碼信號發(fā)出。脈沖驅動(dòng)電路根據單片機送來(lái)的編碼信號，控制并接在射頻卡耦合電路兩端的電阻。當高電平時(shí)，電阻接入耦合電路；低電平時(shí)，電阻不接入耦合電路。根據變壓器原理，當負載變化時(shí)變壓器的原副電壓電流均將發(fā)生變化，從而將信號傳遞給閱讀器。 
閱讀器是閱讀射頻卡內的卡號和計步數據的裝置，由AT89C51單片機和外圍電路組成，系統框圖如圖2所示。
工作原理是：振蕩器產(chǎn)生8 MHz的方波信號，經(jīng)分頻器分頻后得到125 kHz的方波信號。再經(jīng)驅動(dòng)電路驅動(dòng)耦合電路中的線(xiàn)圈，對外發(fā)出125 kHz的無(wú)線(xiàn)電波。當耦合電路線(xiàn)圈處沒(méi)有射頻卡時(shí)，耦合電路中為一等幅信號，在檢波電路中沒(méi)有解調信號輸出。當上述射頻卡放入耦合電路線(xiàn)圈附近時(shí)，根據變壓器原理，它將能量傳遞給射頻卡；當射頻卡線(xiàn)圈兩端的負載電阻變化時(shí)，對于閱讀器來(lái)說(shuō)，相當于所接負載在改變，從而使線(xiàn)圈兩端電壓隨射頻卡耦合電路的電阻變化而變化，實(shí)現加載調幅。檢波器從調幅信號中將射頻卡的編碼信號接收下來(lái)，經(jīng)放大電路放大整形并送單片機解碼，得到相關(guān)的卡號和計步數據。 3 系統硬件設計 3．1 閱讀器硬件電路 閱讀器由振蕩器、分頻器、驅動(dòng)電路、耦合電路、檢波電路、放大器、單片機電路、蜂鳴器、顯示器等部分組成。125 kHz方波信號產(chǎn)生電路由脈沖振蕩和分頻兩部分組成，如圖3所示。由CD4060和石英晶體組成振蕩器，產(chǎn)生8 MHz的方波信號，并由CD4060進(jìn)行64分頻得到125kHz方波信號。
發(fā)射驅動(dòng)電路如圖4所示。因為奶牛刷卡不可能和人一樣，將卡直接放到閱讀器附近，而是要求讀卡距離比較遠，這樣，只要奶牛從閱讀器旁走過(guò)就可以實(shí)現讀卡。為了實(shí)現遠距離讀卡，驅動(dòng)電路采用推挽驅動(dòng)方式。它由晶體管T1～T4、非門(mén)74HC04和耦合線(xiàn)圈L1構成。其中，T1～T4組成橋式推挽電路，用來(lái)驅動(dòng)由L2、C1組成的串聯(lián)諧振電路(C1用3 300 pF的高精度電容)。由于信號頻率為125 kHz，根據串聯(lián)諧振電路的諧振頻率計算公式有：f0=1/（2πLC）。為了讓諧振電路諧振，根據上述公式可計算得到電感大約為492μH。
在有射頻卡時(shí)，從L1過(guò)來(lái)的信號是一種調幅波，所以用普通檢波電路就可實(shí)現，電路如圖5所示。檢波二極管用IN4148開(kāi)關(guān)二極管，100 kΩ電阻和1 000 pF電容完成低通濾波。 從檢波電路來(lái)的脈沖信號幅度較小，要經(jīng)過(guò)放大電路放大后才能被單片機接收。放大電路由CD4069反向器組成，如圖6所示。電路最后兩級放大器構成低通濾波器，具有整形功能。
單片機電路采用AT89C51，它用來(lái)對接收到的編碼信號進(jìn)行解碼。解碼后的信號經(jīng)RS232接口送上位機處理，電路如圖7所示。
3．2 射頻卡硬件電路 射頻卡電路由計數脈沖產(chǎn)生電路、單片機電路、脈沖驅動(dòng)電路、耦合電路等組成。(原理框圖見(jiàn)圖 1。) 由于射頻卡是裝在奶牛身上的一個(gè)裝置，所以要求其功耗要低。本系統采用單片機MSP430，該單片機具有功耗低、體積小、功能強的特點(diǎn)。計步信號由 P1．0口輸入，單片機對其進(jìn)行計數，電路如圖8所示。當耦合線(xiàn)圈接收到閱讀器的信號時(shí)，通過(guò)D1給單片機中斷，單片機經(jīng)P3．3口對外輸出卡號和計步數據編碼信號。2個(gè)晶體管為脈沖驅動(dòng)，它用來(lái)控制R1(510Ω)是否接入有效。當P3．3為低電平時(shí)，R1接入耦合電路，電路負載加重，當卡放入閱讀器時(shí)，閱讀器由于負載變化，使得閱讀器的耦合電路兩端電壓下降產(chǎn)生調幅效果；當P3．3為高電平時(shí)，晶體管截止，電阻接入無(wú)效，對耦合電路不產(chǎn)生影響。這樣不僅實(shí)現了編碼的正常傳輸，而且提高了效率。
4 系統軟件設計 系統軟件設計包括閱讀器和射頻卡兩部分，由于各模塊功能單一，因此軟件設計相對簡(jiǎn)單。閱讀器和射頻卡的程序流程分別如圖9和圖10所示。
5 結論 經(jīng)過(guò)反復調試、完善電路結構、優(yōu)化設計參數，最終閱讀正確率可達98％(識別時(shí)間低于1 s)。射頻卡電路由于采用低功耗芯片，整機用3 V、1 000 mA鋰電池供電，經(jīng)測試一般可用1年以上。圖1l為閱讀器線(xiàn)圈兩端的電壓實(shí)際測量波形，(a)為閱讀器線(xiàn)圈周?chē)鸁o(wú)射頻卡波形，(b)為線(xiàn)圈周?chē)猩漕l卡時(shí)的波形(由于諧振電路中加入的為方波信號，所以波形并不是普通的正弦波形)�？梢�(jiàn)有射頻卡時(shí)，線(xiàn)圈兩端電壓波形幅度明顯比無(wú)射頻卡時(shí)低，且波形后沿明顯變得平緩，兩波形的差異性與閱讀器和射頻卡的耦合線(xiàn)圈距離有關(guān)。調制輸出信號經(jīng)放大后波形如圖12所示，(a)為無(wú)射頻卡時(shí)的波形，(b)為有射頻卡時(shí)的波形。顯然，在無(wú)射頻卡時(shí)，輸出波形無(wú)變化；而當有射頻卡時(shí)，輸出波形在占空比上出現大幅變化，顯示有編碼信號輸入。
電路由于采用特殊的信號傳遞方式，使得系統的閱讀速度較一般磁卡要快，實(shí)現了高速讀卡。另外，采用標準曼徹斯特編碼，可以使讀卡的準確度和分辨率得到大幅提高。如若在射頻卡中使用低功耗芯片，敷設充電電路，那么市場(chǎng)前景將更為可觀(guān)。 參考文獻 1. Griffin J D How to construct a test bed for RFID antenna measurements 2006 2. 陳爾紹 電子控制電路實(shí)例 2004 3. 黃繼昌 電子元器件手冊 2004 4. 高吉祥 模擬電子線(xiàn)路設計 2007 5. 王彥朋 大學(xué)生電子設計與應用 2007 作者：江蘇工業(yè)學(xué)院 儲開(kāi)斌 陸貴榮 何寶祥 來(lái)源：?jiǎn)纹瑱C與嵌入式系統應用 2009 (2) |
