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发布时间：2023-12-04 18:12:26 来源：文档文库
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动物食品安全可溯源系统有源电子标签的设计・赵金燕１’２，陶琳丽２，张曦２“（１．云南农业大学基础与信息工程学院，云南昆明６５０２０１；２．云南省动物营养与饲料重点实验室，云南昆明６５０２０１）摘要：电子标签的设计是动物食品安全可溯源系统的硬件基础和关键技术之一。本文介绍了基于ＲＦＩＤ技术的动物食品安全可溯源系统构建方法，并提出基于２．４ＧＨｚ微波芯片的动物食品安全可溯源系统可溯源系统有源电子标签的设计方案。使用该有源电子标签，可以提高动物食品安全可溯源系统的安全性。关键词：ＲＦＩＤ；可溯源系统；有源电子标签近年来，随着人们生活水平的不断提高，食品安全问题成为了国家、新闻媒体、群众关注的热点。例如“瘦肉精”、“苏丹红”等社会公共事件，受到社会各界的高度关注。２００７年７月２６日，国务院颁布实施了《关于加强食品等产品安全监督管理的特别规定》，表明了我国加强食品安全监督管理的决心和态度…。从动物食品产业链来看，动物的养殖过程是动物食品监管的源头，如何有效地对动物进行识别和跟踪管理，加强动物性食品安全的监督管理工作，解决动物性食品安全中存在的问题，已成为当前一项十分紧迫的任务。目前国内外一般采用的是低频无源标签系统来对动物进行识别和跟踪管理，主要是因为无源标签的成本较低，技术简单，但该系统最主要的缺点是通信速率低、工作距离短（小于ｌＯｃｍ）、天线尺寸大；而且无源标签芯片本身只有一个唯一ＩＤ号码幢１，动物饲养管理的基本信息还依赖于人工录入，所以在监督食品安全方面可能存在隐瞒部分疾病信息的可能，使整个系统提供的信息可信度有所降低。相比较而言，高频有源标签系统由于传输距离远，比较适合动物追踪，它的通信速率快，标签的信息存储量大，可以每天定时自动更新数据，最大限度的降低人为因素的干预，提高整个系统信息的可信度。而且有源标签系统采用分布式管理，即使系统中某个环节出现问题，也不会导致整个系统崩溃，提高了系统的安全性。因此越来越受到大家的关注，在动物食品安全监管中使用高频有源电子标签也成为一种发展趋势。１基于ＲＦＩＤ技术的动物食品安全可溯源系统无线射频识别（ＲａｄｉｏＦｒｅｑｕｅｎｃｙＩＤ，简称ＲＦＩＤ）技术是一种非接触式的自动识别技术，它通过射频信号自动识别目标对象并获取相关数据，识别工作无须人工干预，可工作于各种恶劣环境。ＲＦＩＤ技术的核心是电子标签和配套读写器，按照目前比较标准的说法，电子标签是目前使用的条形码的无线版本；它具有条形码所不具备的防水、防磁、耐高温、使用寿命长、读取距离大、标签上数据可以加密、存储数据容量更大、存储信息可更改等优点旧１。ＲＦＩＤ技术在动物食品安全可溯源系统中的应用，不仅包括对动物从出生到进入屠宰场整个饲养过程（饲养管理、兽医预防、疾病治疗、饲料使用）的记录与监控，还包括畜产品进入消费市场（超市等）后，消费者可通过每一只动物唯一的识别码，查询该产品的整个饲养过程，使老百姓能安心吃到放心肉，提高居民生活水平。１１７
针对动物养殖过程的特点，本系统采用自行设计的有源电子标签，这样可以使识别距离达到５０米范围，在养殖区域内通过配套的读写器，即可实现数据的快速读取。无须动物集中到专用的识别通道，可减少动物因驱赶而出现的应激反应。动物食品安全可溯源系统由计算机、射频标签、读写器等组成，其硬件结构图如图ｌ所示。图１．动物食品安全可追溯系统硬件结构Ｆｉｇ１．ＨａｒｄｗａｒｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆａｎｉｍａＩｆｏｏｄｓａｆｅｔｙｔｒａｃｅａｂｉＩｉｔｙｓｙｓｔｅｍ本系统中读写器与计算机之间的通信可采用ＲＳ２３２／４８５接口，或者ＵＳＢ接口，计算机与数据中心之间的通信方式根据需要可以采用ＧＳＭ、ＤＤＮ、或者ＰＳＤＮ方式。２动物食品安全可溯源系统有源电子标签的设计ＲＦＩＤ系统根据使用工作频率的不同，分为四类：低频（３０－－３００．ｋＨｚ）、高频（３—３０删ｚ）、超高频（３００ＭＨｚ－－３ＧＨＺ）以及微波（２．４ＧＨＺ以上）Ｈ１。通过对不同频段ＲＦＩＤ系统的优缺点的分析比较，再结合本课题的要求，能在５０米范同内自动监测动物个体，并且自动更新数据，通信速率要求快，我们选用２．４ＧＨＺ的微波频段。根据查阅大量资料和比较各厂家芯片的优缺点，我们选用的芯片是采用０．１８ｕｍＣＭＯＳ工艺生产的全集成收发芯片。它工作在工业、科学和医疗（ＩＳＭ）频段，设计标准频段为２．４ＧＨｚ，采用嵌入式８０５１ＭＣＵ，其闪存存储量可为８／１６／３２ＫＢ，随机存储器存储量可为Ｉ／２／４ＫＢ，并具有功率放大器（ＰＡ）、低噪声放大器（ＬＮＡ）、调制解调器（ＭＯＤＥＭ）等功能，ＱＬＰ封装，体积小（６木６ｍｍ），支持流行的跳频技术，以及各种调制方式，能够使数据传输率达到５００Ｋｂｐｓ。２．１有源电子标签无线射频收发原理有源电子标签与无源电子标签的主要区别是对ＲＦ信号的处理，也就是射频收发模块部分怕“１。有源电子标签的射频收发功能模块比较复杂，其无线射频收发原理为：把接收到的ＲＦ信号通过低噪声放人器（ＬＮＡ）和功率放大器（ＰＡ），进行积分转换，输入到混频器中，再经过频率合成器和９０度的相位转换，以及模数转换（ＡＤＣ），调制解调（Ｍｏｄｅｍ）和同步信号校准（ＦＥＣ）、信息包处理，然后送入ＲＸ／ＴＸ中，再通过嵌入式的微控制单元（ＭＣＵ）进行数据的传输。具体无线射频收发结构图如图２所示。１１８
混频器ｍｌＸｅｒＲＦ－ＰＲＦ—ＮＰＡＡＤＣ转换ＡＤＣｔｒａｎｓｆｅｒ口。ｏｏ萎薹相位转换ｌＩ频率合成器ｐｈａｓｅｔｒａｎｓｆｅｒ暴莲鞋。：吕８ＨｌＩｆｒｅｑｕｅｎｃｙｓｙｎｔｈｅｓｉｚｅｒ匕Ｕ山‰螫菩呈昌芝图２．无线射频结构图Ｆｉｇ２．Ｔｈｅｄｉａｇｒａｍｏｆｒａｄｉｏｆｒｅｑｕｅｎｃｙｓｔｒｕｃｔｕｒｅ２．２有源电子标签原理图无源电子标签本身没有电池，利用耦合的读写器发射电磁场能量最为自己的能量。有源电子标签使用标签内电池的能量，识别距离较远。根据选用芯片的特性，其主要电路原理图如图３所示。有源电子标签的外围元件功能：偏置电阻Ｒ１用于设置一个精确的偏置电流；去藕电容Ｃｌ用于提供ＰＣＢ板精确的功率供给：Ｃ５、Ｃ６和Ｃ７、Ｃ８分别为晶体Ｘ３和Ｘ４的负载电容。ＲＦ端口由Ｃ４、Ｃ８、Ｌ１和Ｌ２共同组成不平衡变压器，用于芯片不同ＲＦ端口信号转换成单个ＲＦ信号，再通过一个万型ＬＣ滤波器（Ｃ９、Ｃ１０、Ｌ３）的作用，最终输出５０欧姆的ＲＦ信号，和天线达到最佳的阻抗匹配。２．３有源电子标签ＰＣＢ图大量实践证明，即使电路原理图设计正确，印制电路（ＰｒｉｎｔｅｄＣｉｒｃｕｉｔＢｏａｒｄ，简称ＰＣＢ）板设计不当，也会对电子设备的可靠性产生不利影响。因此，在设计有源电子标签ＰＣＢ板的时候，滤波带宽等相关参数。电子标签参数：主频：２．４３ＧＨｚ；频带宽度：２００ＫＨｚ；时钟频率：２６Ｉ怔Ｉｚ；输出功率绝对值：ＯｄＢｍ（实际功率为ｌｍｗ）。测试条件：将其中一个标签设置为接收模式，即可为系统的读写器使用；其余标签设置为发送模式，即可为系统的标签使用：设置不同通讯参数条件时，系统测试结果如表１所示，部分参数比较图如图５所示。应特别注意以下几个方面Ｈ’８１。根据芯片特性，在有源电子标签ＰＣＢ板布局和布线时，要优先对ＲＦ端口的元件进行布局，这样才可以保证ＲＦ端口布线最短，以达到最佳的阻抗匹配和信号传输。利用电路辅助设计软件一Ｐｒｏｔｅｌ９９ＳＥ，最终设计的有源电子标签ＰＣＢ图如图４所示憎１。２．４有源电子标签测试结果将硬件驱动程序写入电路板之后，再利用ＳｍａｒｔＲＦ—ｓｔｕｄｉｏ软件设置数据传输率、调制方式、从表１和图５可以看出：（１）随着数据传输率呈倍数的减小，通讯距离和ＲＳＳＩ强度都逐渐增加；（２）采用６０ｋｂｐｓ或者ｌＯｋｂｐｓ数据传输率时，都能达到较好的通讯效果。在实际应用时，如果对数据传输要求高，就选择数据传输率为６０ｋｂｐｓ，调制方式ＭＳＫ，滤波带宽５４０ｋＨｚ这组参数，能达到５０米范围准确识别；如果要求通讯距离远，就选择数据传输率为ｌＯｋｂｐｓ，调制方式２－ＦＳＫ，１１９
滤波带宽２３２ｋＨｚ这组参数，能达到６４米范围准确识别。ｖＤＤｌｊｒ图３．有源电子标签原理图Ｆｉｇ３．Ｔｈｅｓｃｈｅｍａｔｉｃｏｆａｃｔｉｒｅｔａｇｓ表１电子标签测试结果Ｔａｂ１ＴｈｅｒｅｓｕＩｔｓｏｆｔａｇｓ３结束语最近几年，我国因为畜产品造成的重大疫情时有发生，造成的危害非常巨大，制止疫情需要的时间长、付出的代价很大：而且随着居民生活水平的提高，对卣产品质量提出了更高要求。特别是我国加入ＷＴＯ后，一些发达国家高筑技术“贸易壁垒”，提高亩产品市场准入门槛，因而，畜产品质量和安全面临着国内消费市场和国际贸易市场双重的压力和挑战。在动物食品安全可溯源系统中使用自行设计的高频有源电子标签，可以降低系统的成本，提高系统的安全性，并对彻底实现食品的“源头”追踪和提供食品安全的透明化管理提供技术支撑。随着电子标签国家标准的推出和电子标签的广泛应用，将大大提高我国畜牧产品物流管理能力、质量监督能力、可跟踪能力以及国际贸易中的竞争力，同时也有利于规范和净化畜牧产品市场¨仉儿１。１２０
溉嚣鬻鬻鬻絮，蝴渤㈨嗍…图４肯撵电子杯签ＰｃＢ目Ｆ’ｓｔｈｍ“３ｃｔｌｖｅｔ３Ｅｓ篷到芦谙确Ⅲ‰…Ⅲ”…㈨ｔｋⅫ㈨ｎａ…圉５缝用咖张参数比鞋田
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