6.1 射频识别技术原理与应用

《智慧农业关键技术与装备》机电工程学院第六章个体识别技术务本崇实修德精业第六章个体识别技术6.1射频识别技术原理与应用6.1.1射频识别技术原理标题

射频识别（RFID）是一种无线通信技术，可以通过无线电信号自动识别目标对象并读写数据。作为非接触式自动识别技术，识别过程无须人工干预，并能工作于有严重冲击、振动、电磁、温度和化学腐蚀等各种恶劣环境之中。另外，RFID技术具有对高速运动物体标识和对多个标签批量读取的优点，操作快捷方便。RFID系统通常由标签、阅读器和天线三部分组成。标签（tag）：也称为应答器，由标签芯片和标签线圈组成，每个标签中存储有唯一的电子编码，附着在物体上从而实现单品级的目标对象编码。阅读器（reader）：是对标签信息进行读取或写入操作的设备，由射频模块和信号处理模块组成，通常有手持式或固定式设计。天线（antenna）：在标签和读取器间建立无线通信连接，实现射频信号空间传播的设备。6.1.1射频识别技术原理RFID技术基本工作原理是:当标签进入阅读器磁场范围后，凭借感应电流获得的能量激活微芯片电路，芯片转换电磁波，然后发送出存储其中的产品信息（passivetag,无源标签或被动标签），或者通过标签中已装电池提供能量主动发送存储于芯片中的产品信息（activetag,有源标签或主动标签）；解读器将接收到的产品信息解码后，送至中央信息处理系统，进行数据处理从而实现管理控制。

6.1.2RFID系统的具体工作流程系统的具体工作流程如下：阅读器通过发射天线发送一定频率的射频信号，形成一个电磁场区域，即为其工作范围：当电子标签进入发射天线的磁场区域后，受空间耦合作用影响将产生感应电流，电子标签微芯片电路获得能量被激活；电子标签激活后，将白身编码等数据信息调制到载波上然后通过卡内置发射天线发送出去；阅读器接收天大线接收到电子标签发送来的载波信号，并传送到阅读器，数据处理电路对接收的含有数据信息的信号进行解调和解码，然后送到后台系统进行进一步处理；主系统通过逻辑运算确认该卡合法后，根据不同的先期设定做出相应的判断和控制,然后发送指令信号控制执行机构进行相应操作。6.1.3RFID系统中的关键参数读写距离是RFID系统中一个关键的参数。目前，远距离RFID系统的价格并不便宜，因此，对RFID系统远距离读写方法的研究非常重要。影响系统读写距离的因素有：阅读器的输出功率、电子标签的功耗、阅读器的接收灵敏度、天线工作频率、天线和谐振电路的Q值、阅读器和电子标签的耦合度、天线方向，以及电子标签转化获得的能量和发送产品信息消耗的能量等。大多数射频识别系统的写入距离较读取距离低，为40%～80%。6.1.4RFID在农业物联网中的典型应用1、畜牧生产对象的识别项圈式耳牌式注射式和药丸项圈式应答器主要用于饲料自动配给系统和牛奶产量自动统计系统中,可以方便实现不同动物之间的循环利用。耳牌式应答器如图6.3所示,最大可以在1m的距离接收相关数据读写，相较于条形码耳牌更适用于自动化饲养过程，而且随着技术的发展,其成本也不断下降,因而其大有替代条码型耳牌的趋势。注射式应答器相对于以上两种方式发展较晚,在近十年才开始应用。其原理是利用特殊工具在需要标识的动物皮下放置应答器。但是这种安装方式可能会因为应答器的位置不稳定而导致阅读器不能正常读取数据。药丸式应答器安装在耐酸的圆柱陶瓷外壳里面，是一种很有效的安装方式。一旦药丸式应答器放置到反刍动物的前胃叶内，应答器将伴随动物终生，实现其个体信息的标识。6.1.4RFID在农业物联网中的典型应用1、畜牧生产对象的识别6.1.4RFID在农业物联网中的典型应用2、数字养殖RFID电子标签可用于记录圈养牲畜的生理、生产活动，读写器通过有线或无线通信将相关数据传输到计算机数据控制中心，上位机软件根据相应信息对系统进行实时管理。20世纪80年代,美国、荷兰、新西兰等国已建立了数字化程度较高的奶牛场，其基本组成如图6.4所示。目前,美国奥斯本公司设计的全自动母猪饲喂系统（TotalElectronicAnimalManagement，TEAM)、全自动种猪生产性能测定系统（FeedIntakeRecordingEquipment，FIRE)、生长育肥猪自动分阶段饲养系统(WeightWatcher)也都已投人使用。6.1.4RFID在农业物联网中的典型应用2、数字养殖奥斯本公的TEAM系统主要用于怀农母猪的饲养和管理。TEAM全自动母猪饲喂系统的工作原理是：每50~60头怀孕母猪圈养在一个90～100m²大栏中，根据饲养规模，每栏可以是同一批配种的怀孕母猪，也可以是不同日期配种的怀孕母猪进行混合饲养。自动饲喂站通过母猪佩带的RFID电子耳牌对母猪个体进行识别和区分，并根据每头母猪的怀孕日程和体况，结合天气温度自动计算出母猪每天应采食的饲料定额，并投放相应的饲料量给该母猪。母猪采食完自已当天的饲料定额后，即使它再进入饲喂站，饲喂站不会再投放饲料给它，从而达到控制怀孕母猪采食量和保持母猪体况的目的。通过TEAM系统的精确饲喂方式,怀孕母猪的总体饲料节约水平可达每头每天节约1磅饲料。6.1.4RFID在农业物联网中的典型应用2、数字养殖TEAM系统还在怀孕栏中为怀孕前8周的母猪安装了自动的发情探测站并配备了试情公猪。当栏内母猪接近发情或发情时，它们将接近电子发情探测站并与试情公猪进行鼻与鼻的接触，在此同时，发情探测站将记录下该母猪的电子耳牌以及它与公猪接触的次数和接触持续时间，并将记录的数值转化为发情指数曲线，当曲线达到预设的发情阈值时，TEAM系统将自动提醒饲养员或管理人员对该母猪进行发情的人工鉴定。电子发情探测站和试情公猪如同一位永远工作的饲养员，它几乎不放过每一头发情母猪，这种发情鉴定完全符合母猪的自然生理特性，不会给母猪造成任何应激反应。理论计算表明，电子发情探测结合人工复查手段，母猪的怀孕受胎率将提高8%。实际应用中我们也发现，使用了TEAM系统和电子发情探测站的某些猪场，其母猪受胎率甚至提高了10%。6.1.4RFID在农业物联网中的典型应用3、精细作物生产精细作物生产可节省人力物力,有效提高作物的产量和质量,是保障农作物经济效益的重要手段之一。农业生产中,利用电子标签或其他传感器自动记录田间影像与土壤酸碱度、温湿度、日照量乃至风速、降雨量等变化,记录田间管理情况、农药使用情况等信息,可实现科学化、精细化的农业生产。除此之外,电子标签也可用于存储农作物的生产者、品名、品种、等级、尺寸、净重、收获期、农田代码、包装日期等信息,为食品追溯提供源头数据。图6.5是荷兰的精细花卉种植基地的分选系统及其使用的RFID标签。6.1.4RFID在农业物联网中的典型应用4、农产品流通6.1.4RFID在农业物联网中的典型应用4、农产品流通由于我国农业生产地域差异性显著，农产品需要跨地域运输，必须经过"产地一道口—批发市场一零售卖场"这一流通过程。常规农产品流通完全采用人工记录方法，不仅耗费大量人力物力，而且延长了农产品流通周期和上市时间，降低了农产品保鲜度降低，造成进一步的经济损失。通过在农产品上粘贴RFID标签，自动记录和识别农产品"生产—加工—仓储—运输—销售"等流通环节信息，提高产品信息在"产地—批发市场—零售市场"的采集速度和信息共享程度，可提高农产品物流效率和经济效益。2005年，美国著名水果农产品生产商Ballantine公司率先在行业内开发和应用RFID技术，以达到其顾客沃尔玛公司对RFID技术应用的要求。荷兰的花卉物流配送已经利用RFID实现了花卉生产、交易、物流配送的信息化管理，如图6.6所示。中国茶叶、蔬菜水果、牛肉产品和粮食等多种食品从农田到餐桌的安全状况，已试点加入全球统一的编码标识追溯系统。北京、上海等一些地方政府部门，正在与行业协会合作，在分类食品领域,试点采用以商品条码、物品编码及射频识别技术为核心的GSI全球统一识别系统，开展农产品安全追溯工作，同时建立从农田到餐桌的全程追溯体制。6.1.4RFID在农业物联网中的典型应用5、RFID在智能交通与物流领域的应用1）车辆智能进出管理贴有射频识别电子标签的车辆，通过关闸门禁时，固定式阅读器与电子标签自动通信，省去了人工操作，从而更快捷有效地实现车辆进出操作。2）信息处理在仓储物流信息管理领域，射频识别电子标签的功能是存储货物和物流运输车辆信息，RFID标签以其不可复制、不可更改的特性及高度的安全性，被视为车辆的电子身份证，每个RFID标签都具有世界上独一无二的ID号。3）实时追踪管理通过GPRS技术，可以检测到路途上的车辆是否中途停车、为何停车及车辆的行驶轨迹等信息，即实现管理平台对车辆的状态、位置的跟踪记录。4）车辆档案维护通过射频识别电子标签与数据库的通信，可录入车辆的关键信息，包括出入过程、运货信息、维修、运输过程、时间、检验等信息。6.1.4RFID在农业物联网中的典型应用6、RFID在智慧图书馆中的应用目前，在图书馆管理系统中大多采用安全磁条与条形码结合使用的技术手段，来解决图书识别和分类的问题，但同时自动化程度低、防盗效果差、劳动强度高等众多问题亟待解决。采取R