《智慧農(nóng)業(yè)關(guān)鍵技術(shù)與裝備》機(jī)電工程學(xué)院第六章個(gè)體識別技術(shù)務(wù)本崇實(shí)修德精業(yè)第六章個(gè)體識別技術(shù)6.1射頻識別技術(shù)原理與應(yīng)用6.1.1射頻識別技術(shù)原理標(biāo)題

射頻識別（RFID）是一種無線通信技術(shù)，可以通過無線電信號自動識別目標(biāo)對象并讀寫數(shù)據(jù)。作為非接觸式自動識別技術(shù)，識別過程無須人工干預(yù)，并能工作于有嚴(yán)重沖擊、振動、電磁、溫度和化學(xué)腐蝕等各種惡劣環(huán)境之中。另外，RFID技術(shù)具有對高速運(yùn)動物體標(biāo)識和對多個(gè)標(biāo)簽批量讀取的優(yōu)點(diǎn)，操作快捷方便。RFID系統(tǒng)通常由標(biāo)簽、閱讀器和天線三部分組成。標(biāo)簽（tag）：也稱為應(yīng)答器，由標(biāo)簽芯片和標(biāo)簽線圈組成，每個(gè)標(biāo)簽中存儲有唯一的電子編碼，附著在物體上從而實(shí)現(xiàn)單品級的目標(biāo)對象編碼。閱讀器（reader）：是對標(biāo)簽信息進(jìn)行讀取或?qū)懭氩僮鞯脑O(shè)備，由射頻模塊和信號處理模塊組成，通常有手持式或固定式設(shè)計(jì)。天線（antenna）：在標(biāo)簽和讀取器間建立無線通信連接，實(shí)現(xiàn)射頻信號空間傳播的設(shè)備。6.1.1射頻識別技術(shù)原理RFID技術(shù)基本工作原理是:當(dāng)標(biāo)簽進(jìn)入閱讀器磁場范圍后，憑借感應(yīng)電流獲得的能量激活微芯片電路，芯片轉(zhuǎn)換電磁波，然后發(fā)送出存儲其中的產(chǎn)品信息（passivetag,無源標(biāo)簽或被動標(biāo)簽），或者通過標(biāo)簽中已裝電池提供能量主動發(fā)送存儲于芯片中的產(chǎn)品信息（activetag,有源標(biāo)簽或主動標(biāo)簽）；解讀器將接收到的產(chǎn)品信息解碼后，送至中央信息處理系統(tǒng)，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理從而實(shí)現(xiàn)管理控制。

6.1.2RFID系統(tǒng)的具體工作流程系統(tǒng)的具體工作流程如下：閱讀器通過發(fā)射天線發(fā)送一定頻率的射頻信號，形成一個(gè)電磁場區(qū)域，即為其工作范圍：當(dāng)電子標(biāo)簽進(jìn)入發(fā)射天線的磁場區(qū)域后，受空間耦合作用影響將產(chǎn)生感應(yīng)電流，電子標(biāo)簽微芯片電路獲得能量被激活；電子標(biāo)簽激活后，將白身編碼等數(shù)據(jù)信息調(diào)制到載波上然后通過卡內(nèi)置發(fā)射天線發(fā)送出去；閱讀器接收天大線接收到電子標(biāo)簽發(fā)送來的載波信號，并傳送到閱讀器，數(shù)據(jù)處理電路對接收的含有數(shù)據(jù)信息的信號進(jìn)行解調(diào)和解碼，然后送到后臺系統(tǒng)進(jìn)行進(jìn)一步處理；主系統(tǒng)通過邏輯運(yùn)算確認(rèn)該卡合法后，根據(jù)不同的先期設(shè)定做出相應(yīng)的判斷和控制,然后發(fā)送指令信號控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行相應(yīng)操作。6.1.3RFID系統(tǒng)中的關(guān)鍵參數(shù)讀寫距離是RFID系統(tǒng)中一個(gè)關(guān)鍵的參數(shù)。目前，遠(yuǎn)距離RFID系統(tǒng)的價(jià)格并不便宜，因此，對RFID系統(tǒng)遠(yuǎn)距離讀寫方法的研究非常重要。影響系統(tǒng)讀寫距離的因素有：閱讀器的輸出功率、電子標(biāo)簽的功耗、閱讀器的接收靈敏度、天線工作頻率、天線和諧振電路的Q值、閱讀器和電子標(biāo)簽的耦合度、天線方向，以及電子標(biāo)簽轉(zhuǎn)化獲得的能量和發(fā)送產(chǎn)品信息消耗的能量等。大多數(shù)射頻識別系統(tǒng)的寫入距離較讀取距離低，為40%～80%。6.1.4RFID在農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)中的典型應(yīng)用1、畜牧生產(chǎn)對象的識別項(xiàng)圈式耳牌式注射式和藥丸項(xiàng)圈式應(yīng)答器主要用于飼料自動配給系統(tǒng)和牛奶產(chǎn)量自動統(tǒng)計(jì)系統(tǒng)中,可以方便實(shí)現(xiàn)不同動物之間的循環(huán)利用。耳牌式應(yīng)答器如圖6.3所示,最大可以在1m的距離接收相關(guān)數(shù)據(jù)讀寫，相較于條形碼耳牌更適用于自動化飼養(yǎng)過程，而且隨著技術(shù)的發(fā)展,其成本也不斷下降,因而其大有替代條碼型耳牌的趨勢。注射式應(yīng)答器相對于以上兩種方式發(fā)展較晚,在近十年才開始應(yīng)用。其原理是利用特殊工具在需要標(biāo)識的動物皮下放置應(yīng)答器。但是這種安裝方式可能會因?yàn)閼?yīng)答器的位置不穩(wěn)定而導(dǎo)致閱讀器不能正常讀取數(shù)據(jù)。藥丸式應(yīng)答器安裝在耐酸的圓柱陶瓷外殼里面，是一種很有效的安裝方式。一旦藥丸式應(yīng)答器放置到反芻動物的前胃葉內(nèi)，應(yīng)答器將伴隨動物終生，實(shí)現(xiàn)其個(gè)體信息的標(biāo)識。6.1.4RFID在農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)中的典型應(yīng)用1、畜牧生產(chǎn)對象的識別6.1.4RFID在農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)中的典型應(yīng)用2、數(shù)字養(yǎng)殖RFID電子標(biāo)簽可用于記錄圈養(yǎng)牲畜的生理、生產(chǎn)活動，讀寫器通過有線或無線通信將相關(guān)數(shù)據(jù)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)數(shù)據(jù)控制中心，上位機(jī)軟件根據(jù)相應(yīng)信息對系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)管理。20世紀(jì)80年代,美國、荷蘭、新西蘭等國已建立了數(shù)字化程度較高的奶牛場，其基本組成如圖6.4所示。目前,美國奧斯本公司設(shè)計(jì)的全自動母豬飼喂系統(tǒng)（TotalElectronicAnimalManagement，TEAM)、全自動種豬生產(chǎn)性能測定系統(tǒng)（FeedIntakeRecordingEquipment，F(xiàn)IRE)、生長育肥豬自動分階段飼養(yǎng)系統(tǒng)(WeightWatcher)也都已投人使用。6.1.4RFID在農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)中的典型應(yīng)用2、數(shù)字養(yǎng)殖奧斯本公的TEAM系統(tǒng)主要用于懷農(nóng)母豬的飼養(yǎng)和管理。TEAM全自動母豬飼喂系統(tǒng)的工作原理是：每50~60頭懷孕母豬圈養(yǎng)在一個(gè)90～100m2大欄中，根據(jù)飼養(yǎng)規(guī)模，每欄可以是同一批配種的懷孕母豬，也可以是不同日期配種的懷孕母豬進(jìn)行混合飼養(yǎng)。自動飼喂站通過母豬佩帶的RFID電子耳牌對母豬個(gè)體進(jìn)行識別和區(qū)分，并根據(jù)每頭母豬的懷孕日程和體況，結(jié)合天氣溫度自動計(jì)算出母豬每天應(yīng)采食的飼料定額，并投放相應(yīng)的飼料量給該母豬。母豬采食完自已當(dāng)天的飼料定額后，即使它再進(jìn)入飼喂站，飼喂站不會再投放飼料給它，從而達(dá)到控制懷孕母豬采食量和保持母豬體況的目的。通過TEAM系統(tǒng)的精確飼喂方式,懷孕母豬的總體飼料節(jié)約水平可達(dá)每頭每天節(jié)約1磅飼料。6.1.4RFID在農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)中的典型應(yīng)用2、數(shù)字養(yǎng)殖TEAM系統(tǒng)還在懷孕欄中為懷孕前8周的母豬安裝了自動的發(fā)情探測站并配備了試情公豬。當(dāng)欄內(nèi)母豬接近發(fā)情或發(fā)情時(shí)，它們將接近電子發(fā)情探測站并與試情公豬進(jìn)行鼻與鼻的接觸，在此同時(shí)，發(fā)情探測站將記錄下該母豬的電子耳牌以及它與公豬接觸的次數(shù)和接觸持續(xù)時(shí)間，并將記錄的數(shù)值轉(zhuǎn)化為發(fā)情指數(shù)曲線，當(dāng)曲線達(dá)到預(yù)設(shè)的發(fā)情閾值時(shí)，TEAM系統(tǒng)將自動提醒飼養(yǎng)員或管理人員對該母豬進(jìn)行發(fā)情的人工鑒定。電子發(fā)情探測站和試情公豬如同一位永遠(yuǎn)工作的飼養(yǎng)員，它幾乎不放過每一頭發(fā)情母豬，這種發(fā)情鑒定完全符合母豬的自然生理特性，不會給母豬造成任何應(yīng)激反應(yīng)。理論計(jì)算表明，電子發(fā)情探測結(jié)合人工復(fù)查手段，母豬的懷孕受胎率將提高8%。實(shí)際應(yīng)用中我們也發(fā)現(xiàn)，使用了TEAM系統(tǒng)和電子發(fā)情探測站的某些豬場，其母豬受胎率甚至提高了10%。6.1.4RFID在農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)中的典型應(yīng)用3、精細(xì)作物生產(chǎn)精細(xì)作物生產(chǎn)可節(jié)省人力物力,有效提高作物的產(chǎn)量和質(zhì)量,是保障農(nóng)作物經(jīng)濟(jì)效益的重要手段之一。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中,利用電子標(biāo)簽或其他傳感器自動記錄田間影像與土壤酸堿度、溫濕度、日照量乃至風(fēng)速、降雨量等變化,記錄田間管理情況、農(nóng)藥使用情況等信息,可實(shí)現(xiàn)科學(xué)化、精細(xì)化的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。除此之外,電子標(biāo)簽也可用于存儲農(nóng)作物的生產(chǎn)者、品名、品種、等級、尺寸、凈重、收獲期、農(nóng)田代碼、包裝日期等信息,為食品追溯提供源頭數(shù)據(jù)。圖6.5是荷蘭的精細(xì)花卉種植基地的分選系統(tǒng)及其使用的RFID標(biāo)簽。6.1.4RFID在農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)中的典型應(yīng)用4、農(nóng)產(chǎn)品流通6.1.4RFID在農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)中的典型應(yīng)用4、農(nóng)產(chǎn)品流通由于我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)地域差異性顯著，農(nóng)產(chǎn)品需要跨地域運(yùn)輸，必須經(jīng)過"產(chǎn)地一道口—批發(fā)市場一零售賣場"這一流通過程。常規(guī)農(nóng)產(chǎn)品流通完全采用人工記錄方法，不僅耗費(fèi)大量人力物力，而且延長了農(nóng)產(chǎn)品流通周期和上市時(shí)間，降低了農(nóng)產(chǎn)品保鮮度降低，造成進(jìn)一步的經(jīng)濟(jì)損失。通過在農(nóng)產(chǎn)品上粘貼RFID標(biāo)簽，自動記錄和識別農(nóng)產(chǎn)品"生產(chǎn)—加工—倉儲—運(yùn)輸—銷售"等流通環(huán)節(jié)信息，提高產(chǎn)品信息在"產(chǎn)地—批發(fā)市場—零售市場"的采集速度和信息共享程度，可提高農(nóng)產(chǎn)品物流效率和經(jīng)濟(jì)效益。2005年，美國著名水果農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)商Ballantine公司率先在行業(yè)內(nèi)開發(fā)和應(yīng)用RFID技術(shù)，以達(dá)到其顧客沃爾瑪公司對RFID技術(shù)應(yīng)用的要求。荷蘭的花卉物流配送已經(jīng)利用RFID實(shí)現(xiàn)了花卉生產(chǎn)、交易、物流配送的信息化管理，如圖6.6所示。中國茶葉、蔬菜水果、牛肉產(chǎn)品和糧食等多種食品從農(nóng)田到餐桌的安全狀況，已試點(diǎn)加入全球統(tǒng)一的編碼標(biāo)識追溯系統(tǒng)。北京、上海等一些地方政府部門，正在與行業(yè)協(xié)會合作，在分類食品領(lǐng)域,試點(diǎn)采用以商品條碼、物品編碼及射頻識別技術(shù)為核心的GSI全球統(tǒng)一識別系統(tǒng)，開展農(nóng)產(chǎn)品安全追溯工作，同時(shí)建立從農(nóng)田到餐桌的全程追溯體制。6.1.4RFID在農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)中的典型應(yīng)用5、RFID在智能交通與物流領(lǐng)域的應(yīng)用1）車輛智能進(jìn)出管理貼有射頻識別電子標(biāo)簽的車輛，通過關(guān)閘門禁時(shí)，固定式閱讀器與電子標(biāo)簽自動通信，省去了人工操作，從而更快捷有效地實(shí)現(xiàn)車輛進(jìn)出操作。2）信息處理在倉儲物流信息管理領(lǐng)域，射頻識別電子標(biāo)簽的功能是存儲貨物和物流運(yùn)輸車輛信息，RFID標(biāo)簽以其不可復(fù)制、不可更改的特性及高度的安全性，被視為車輛的電子身份證，每個(gè)RFID標(biāo)簽都具有世界上獨(dú)一無二的ID號。3）實(shí)時(shí)追蹤管理通過GPRS技術(shù)，可以檢測到路途上的車輛是否中途停車、為何停車及車輛的行駛軌跡等信息，即實(shí)現(xiàn)管理平臺對車輛的狀態(tài)、位置的跟蹤記錄。4）車輛檔案維護(hù)通過射頻識別電子標(biāo)簽與數(shù)據(jù)庫的通信，可錄入車輛的關(guān)鍵信息，包括出入過程、運(yùn)貨信息、維修、運(yùn)輸過程、時(shí)間、檢驗(yàn)等信息。6.1.4RFID在農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)中的典型應(yīng)用6、RFID在智慧圖書館中的應(yīng)用目前，在圖書館管理系統(tǒng)中大多采用安全磁條與條形碼結(jié)合使用的技術(shù)手段，來解決圖書識別和分類的問題，但同時(shí)自動化程度低、防盜效果差、勞動強(qiáng)度高等眾多問題亟待解決。采取R