一种用于奶牛健康管理的射频卡系统

在奶牛养殖业中，对奶牛的健康进行监测，及时发现牛群中的病牛和处于发情期的牛是很重要的。我国大部分对奶牛的监测均是由饲养员来进行的，这对饲养员来说非常困难。随着现代电子技术的发展，奶牛场计算机管理系统在国外养殖业中已大量采用，这种系统可根据奶牛每天走的步数(即活动量)来确定奶牛的健康状况。在以色列，每头奶牛都有一个计步器，用于统计奶牛每天的行走步数。国内养殖业如要从国外引入这个系统其成本是很高的。本系统利用射频卡技术，能对奶牛的活动情况进行统计管理，而且成本较低。

1 奶牛健康与活动量的关系
    奶牛每天的活动量与奶牛行走的步数有关系。当奶牛的步数多时，即活动量大；反之，活动量少。每头健康的奶牛在平时都有一个平均的活动量，即行走的步数在一定范围内是小幅波动的。当一头奶牛的活动量突然减少时，表示这头奶牛可能生病了；而当一头奶牛的活动量突然增加时，表明奶牛可能发情了。本系统就是利用这个特点对奶牛每天的活动量进行统计，从而达到对奶牛健康管理的目的。

2 系统总体结构和工作原理
    射频卡系统是一种无线识别装置，由阅读器、射频卡两部分组成，在现代生活中主要应用于考勤和消费等领域。它避免了因接触式IC卡的读写、油污和芯片裸露等缺陷而造成的各种故障，具有免接触、高可靠和无磨损等优点。目前，射频卡系统已经逐步成为我国取代磁卡、光电卡、条码卡和接触式IC卡的最佳选择。
    射频卡是安装在奶牛腿上的一个装置，对它的要求是功耗要低，体积要小。射频卡系统框图如图1所示。射频卡的工作原理是：单片机通过软件在每个卡中设置一个唯一的编码(即卡号，它相当于我们的身份证)，另外，单片机与一个水银开关相连，奶牛每走一步，水银开关通断一次，单片机对水银开关的脉冲进行计数，从而将奶牛的活动记录下来。当射频卡靠近阅读器时，它接收到阅读器耦合电路的无线电波能量，经整流滤波后对射频卡供电；同时，给单片机中断信号，单片机将卡号和记录的步数数据进行曼彻斯特编码，然后通过脉冲驱动电路将编码信号发出。脉冲驱动电路根据单片机送来的编码信号，控制并接在射频卡耦合电路两端的电阻。当高电平时，电阻接入耦合电路；低电平时，电阻不接入耦合电路。根据变压器原理，当负载变化时变压器的原副电压电流均将发生变化，从而将信号传递给阅读器。

    阅读器是阅读射频卡内的卡号和计步数据的装置，由AT89C51单片机和外围电路组成，系统框图如图2所示。

    工作原理是：振荡器产生8 MHz的方波信号，经分频器分频后得到125 kHz的方波信号。再经驱动电路驱动耦合电路中的线圈，对外发出125 kHz的无线电波。当耦合电路线圈处没有射频卡时，耦合电路中为一等幅信号，在检波电路中没有解调信号输出。当上述射频卡放入耦合电路线圈附近时，根据变压器原理，它将能量传递给射频卡；当射频卡线圈两端的负载电阻变化时，对于阅读器来说，相当于所接负载在改变，从而使线圈两端电压随射频卡耦合电路的电阻变化而变化，实现加载调幅。检波器从调幅信号中将射频卡的编码信号接收下来，经放大电路放大整形并送单片机解码，得到相关的卡号和计步数据。

3 系统硬件设计
3．1 阅读器硬件电路
    阅读器由振荡器、分频器、驱动电路、耦合电路、检波电路、放大器、单片机电路、蜂鸣器、显示器等部分组成。125 kHz方波信号产生电路由脉冲振荡和分频两部分组成，如图3所示。由CD4060和石英晶体组成振荡器，产生8 MHz的方波信号，并由CD4060进行64分频得到125kHz方波信号。

    发射驱动电路如图4所示。因为奶牛刷卡不可能和人一样，将卡直接放到阅读器附近，而是要求读卡距离比较远，这样，只要奶牛从阅读器旁走过就可以实现读卡。为了实现远距离读卡，驱动电路采用推挽驱动方式。它由晶体管T1～T4、非门74HC04和耦合线圈L1构成。其中，T1～T4组成桥式推挽电路，用来驱动由L2、C1组成的串联谐振电路(C1用3 300 pF的高精度电容)。由于信号频率为125 kHz，根据串联谐振电路的谐振频率计算公式有：f0=1/（2πLC）。为了让谐振电路谐振，根据上述公式可计算得到电感大约为492μH。

    在有射频卡时，从L1过来的信号是一种调幅波，所以用普通检波电路就可实现，电路如图5所示。检波二极管用IN4148开关二极管，100 kΩ电阻和1 000 pF电容完成低通滤波。
    从检波电路来的脉冲信号幅度较小，要经过放大电路放大后才能被单片机接收。放大电路由CD4069反向器组成，如图6所示。电路最后两级放大器构成低通滤波器，具有整形功能。

    单片机电路采用AT89C51，它用来对接收到的编码信号进行解码。解码后的信号经RS232接口送上位机处理，电路如图7所示。

3．2 射频卡硬件电路
    射频卡电路由计数脉冲产生电路、单片机电路、脉冲驱动电路、耦合电路等组成。(原理框图见图1。)
    由于射频卡是装在奶牛身上的一个装置，所以要求其功耗要低。本系统采用单片机MSP430，该单片机具有功耗低、体积小、功能强的特点。计步信号由P1．0口输入，单片机对其进行计数，电路如图8所示。当耦合线圈接收到阅读器的信号时，通过D1给单片机中断，单片机经P3．3口对外输出卡号和计步数据编码信号。2个晶体管为脉冲驱动，它用来控制R1(510Ω)是否接入有效。当P3．3为低电平时，R1接入耦合电路，电路负载加重，当卡放入阅读器时，阅读器由于负载变化，使得阅读器的耦合电路两端电压下降产生调幅效果；当P3．3为高电平时，晶体管截止，电阻接入无效，对耦合电路不产生影响。这样不仅实现了编码的正常传输，而且提高了效率。

4 系统软件设计
    系统软件设计包括阅读器和射频卡两部分，由于各模块功能单一，因此软件设计相对简单。阅读器和射频卡的程序流程分别如图9和图10所示。

5 结 论
    经过反复调试、完善电路结构、优化设计参数，最终阅读正确率可达98％(识别时间低于1 s)。射频卡电路由于采用低功耗芯片，整机用3 V、1 000 mA锂电池供电，经测试一般可用1年以上。图1l为阅读器线圈两端的电压实际测量波形，(a)为阅读器线圈周围无射频卡波形，(b)为线圈周围有射频卡时的波形(由于谐振电路中加入的为方波信号，所以波形并不是普通的正弦波形)。可见有射频卡时，线圈两端电压波形幅度明显比无射频卡时低，且波形后沿明显变得平缓，两波形的差异性与阅读器和射频卡的耦合线圈距离有关。调制输出信号经放大后波形如图12所示，(a)为无射频卡时的波形，(b)为有射频卡时的波形。显然，在无射频卡时，输出波形无变化；而当有射频卡时，输出波形在占空比上出现大幅变化，显示有编码信号输入。

    电路由于采用特殊的信号传递方式，使得系统的阅读速度较一般磁卡要快，实现了高速读卡。另外，采用标准曼彻斯特编码，可以使读卡的准确度和分辨率得到大幅提高。如若在射频卡中使用低功耗芯片，敷设充电电路，那么市场前景将更为可观。