信息化养殖下的电子耳标设计

蒋 芳，茅晨晓，柏 娜

（安徽大学 电子信息工程学院，安徽 合肥 230601）

随着RFID（Radio Frequency Identification）[1-3]、物联网[4]和大数据的运用，信息化养殖得到了长足发展，但是国内奶牛养殖的规模化和信息化管理水平仍与国外有较大差距。一系列精准养殖的设备和解决方案被以色列Afikim等公司所垄断，国内平均每1 000头奶牛需要35名管理人员，而以色列和欧洲等发达国家仅为5名。目前国内奶牛主要以中国荷斯坦奶牛为主，存栏量在1 600万头左右[5]，但是大型集约化养殖场仍然较少，因此需要大力推进和开展信息化养殖设备的铺设和信息化养殖系统的搭建。文献[1-3]中提及的电子耳标大多仅用于奶牛身份识别，文献[6]作者基于ZigBee技术来搭建大棚农业智慧系统。本文设计的电子耳标包含RFID电子标签、计步传感器和ZigBee终端，用于替代Afikim等公司的昂贵解决方案，其系统设计如图1所示。

图1 系统结构框架

奶牛的健康状况和发情状态影响其产奶量，可以通过监测奶牛的运动量并通过算法判断得到，且计步器可用于检测奶牛的运动步数并量化奶牛运动量。牧场的信息化管理依托ZigBee无线通信技术，搭建基于星型拓扑结构的ZigBee网络，终端设备接收信号并发送到数据平台，同时牧场配备声音采集装置和图像识别装置。图像识别技术分析奶牛的身体关键部位，结合来自电子耳标的数据和奶牛叫声声谱分析，综合分析奶牛健康状况，从而进行BCS（Body Condition Scoring）评分，对奶牛群体管理做出决策。

1 GJB7377.1标准协议与电子标签数字基带

1.1 空中接口协议参数

RFID标签的数字基带基于GJB7377.1协议设计，用以标识牧场中的奶牛个体并可用于溯源奶牛信息，表1中列出了协议相关参数。采用的TPP编码格式是对于传统PIE[7]编码方式的改进，将阅读器发送的数据视为随机信号，则TPP编码信号符合马尔科夫过程[8]，其功率谱密度为

表1 国家军用标准GJB7377.1协议参数

可以得到其第一零点带宽内包含了大于90%的能量。在相同码速率下，单个TPP码元的平均能量高于PIE 码元。相同信号带宽下，TPP 编码相比PIE 编码具有更高的码速率。

RFID标签由标签天线和标签芯片两部分组成，数字基带是标签芯片中最重要的模块。超高频（920-925 MHz）电子标签所设计的芯片面积可以很小[9]，能有效降低电子耳标内部空间的占用。当电子标签芯片靠近阅读器，电子标签天线接收来自阅读器的射频信号并从中获取能量供标签初始化以及响应工作。牧场中的每一头奶牛拥有各自唯一的编号并存储在芯片存储器中，当标签时再次使用，内部信息可以被擦除并再次写入。

1.2 数字基带设计

数字基带作为标签中的核心部分，采用模块化的设计架构，分为12个模块[10]，包括初始化模块、解码模块、命令检测模块、接收模块、CRC校验模块、标签状态跳转模块、发送模块、编码模块、随机数产生模块、MTP存储器控制模块、分频模块和功耗管理模块。

标签中的数字基带处理来自模拟射频前端解调得到的数据，首先进行解码，分频模块根据载波信号将频率分割，作为时钟信号用于解码模块的信号长度检测。在GJB7377.1 协议中，前向数据链路采用TPP编码方式，根据其数据帧结构，需要先检测到前导码才能开始对数据帧内容进行解码。对于TPP编码格式，其前导码由一段12.5 μs的低电平信号作为分隔符，紧接着由两个符号长度为3:2的校准符组成，根据协议规定，校准符一和校准符二的长度分别为6 Tc和4 Tc，一般Tc为6.25 μs，根据下面的公式得到三个参考时间用于TPP数据解码，其中N_cal1和N_cal2分别是两个校准符的长度。

每个TPP码元由一段低电平作为终止信号，时钟信号检测两个相邻上升沿脉冲的时间间隔即可得到单个TPP码元信号的长度，解码过程如图2 所示。每完成一个符号的解码，就产生一个脉冲信号clk_tpp，并用于命令检测模块和接收模块，同时对数据进行CRC校验。

图2 TPP解码过程

CRC 校验模块基于16 位的线性反馈移位寄存器（LFSR）设计，选择CRC16 校验生成的多项式为

当数据的CRC校验结果无误，则认为接收到的信息dec_data正确，将数据发送至命令检测模块，为方便后续模块调用，检测模块将命令重新编码为5 bit长度的信号，并根据接收到的5 bit长度命令控制标签状态的跳转。标签跳转状态划分为7个状态，分别为准备、仲裁、应答、鉴别、开放、安全和灭活7个状态，其跳转顺序如图3所示。存储器信息的读取发生在应答状态，在数据发送完成时，标签开始判断是否需要安全鉴别，经过安全状态后，标签被灭活，等待下一次上电工作。伪随机数用于防碰撞算法中筛选特定的标签进行通信。伪随机数同样采用线性反馈移位寄存器设计，由标签初始化时奶牛身份码的CRC校验结果作为寄存器的初始值。

图3 标签状态转图

LFSR内部采用异或结构，其输出结果的变化规律取决于反馈节点的设置。16位LFSR具有最大216个不同状态，考虑到若初始值为16’h0000时，二进制数与0异或仍是其本身，下一次的迭代结果较当前的结果不会发生变化，因此寄存器会进入无限循环，应避免这种状况，故理想的最大输出状态为216-1。使得最大输出状态数为216-1的多项式需要是本原多项式，本文选择抽头位置为[15,4,2,1]，对应的本原多项式为

对应的线性反馈移位寄存器结构如图4所示，最右端的一位数据作为输出伪随机数。每头奶牛的身份信息用2 字节16 bit 长度记录，每头奶牛的身份ID 唯一，该数据经CRC16 校验后的校验码也各不相同，将其作为16位LFSR的初始值，由此产生的伪随机数用于标签防碰撞算法是合理的。

图4 线性反馈移位寄存器

2 ZigBee通信

ZigBee 技术具有组网方式灵活、功耗极低、电池寿命长和成本低的特点，但传输速率限制于（20～250）Kbps，因此常被应用于工业控制、智慧农业、智能家居、环境监测、物流追踪等需要全天候待命并且传输速率要求不高的场景，是物联网的重要技术之一。其网络主要有星型网络、树状网络和网状网络三种形式。星型网络最为简单，但覆盖范围有限，且易造成网络堵塞，此拓扑结构适合在低数据量和轮流传输的场景下使用；在星型网络中增加路由节点形成树状网络，其覆盖范围比星型网络结构大，但多级路由会导致高延迟，并且一个路由节点失灵将导致下级节点全部失联；网状网络允许不同路由节点之间的数据互相传输，功耗较大。考虑到奶牛状况数据的采集可以在一天中分批次进行，不需要同时进行，数据可以轮流、间断发送，对于路由节点或协调器的数据流量要求不高，因此采用星型拓扑结构搭建ZigBee通信网络即可。采集节点与传感器相连，控制节点与设备相连，每个采集节点和控制节点直接与汇总节点通信。ZigBee 模块终端采用成都亿佰特的E180-ZG120A EFR32 ZigBee 模块，其工作频段为2.4 GHz，内部集成功率放大器最高发射功率20 dBm，提供完整的基于IEEE802.15.4标准的ISM频段的应用集成方案，支持ZigBee3.0的电源管理机制。

3 计步传感器

计步传感器内部核心为水银开关。如图5 所示，水银在管中流动，每晃动一次开关就导通一次。牛脖子的运动是随机的，因此单个方向的晃动检测具有较大的局限性，增加其引脚可以实现不同方向的检测。在空间中选取三维坐标用于确定其运动位置，因此增加引脚后能够检测三个坐标轴上的数据，采用如图5所示的单向开关以实现来自三个方向的震动检测。实际测试中，当水银传感器沿着预先定义的x轴方向晃动，x轴方向引脚的电压会有较大波动，而y轴和z轴方向上的引脚电压则保持稳定，相应地，y轴和z轴方向上的测试也有类似结果，从而检测耳标在三个方向上的运动状态。

图5 水银开关和单向开关。（a）水银开关；（b）单向开关

4 设计结果

RFID标签数字基带设计在ModelSim下仿真，图6为从阅读器到标签芯片的前向链路数据，解调后的数据被送入解码模块，其中dec_dem为解调后的待解码信号，解码得到的数据如data_dec所示。命令检测模块将校验无误的数据重新编码得到cmd_id，数字基带根据命令跳转至不同状态，以响应电子标签接收的命令。完成数据处理后得到待返回的数据，根据code_sel的参数选择Miller或FM0编码方式在反向链路中传输至阅读器。欧洲用于养殖的电子耳标大多低于134 KHz的低频而高频下的RFID稳定性更高，2 W的阅读器可以识别的范围为2米[6]。如图7所示，电子标签激活灵敏度最高达到-15.9 dBm，并且在925 MHz附近有-14.6 dBm，其反向散射灵敏度在对应频率点也达到了-12 dBm。超高频RFID电子标签在（920-925）MHz频率下工作半径在8米内[8]，实际测试结果发现其读距离能达到5米，写距离大于2米，用于奶牛养殖完全可行。

图6 ModelSim下的RTL仿真波形

图7 标签灵敏度测试。（a）激活灵敏度测试；（b）反向散射灵敏度测试

采用TSMC 180 nm工艺和Flip Chip封装，数字基带芯片面积为0.541 mm2，标签实物如图8所示。

图8 奶牛耳标实物图

5 结论

为实现现代牧场奶牛的信息化养殖和科学管理，提高国内奶牛养殖的国际竞争力，本文提出的电子耳标在超高频RFID技术基础上，结合ZigBee技术，用于搭建辅助奶牛营养健康检测系统，目标在于替代Afikim等公司的昂贵解决方案，从而降低牧场养殖成本。

利用电子标签芯片RFID技术，存储并识别出牧场中每一头奶牛的编号信息，且基于水银震动传感器为基础设计的运动计步器用于奶牛身体状况检测。ZigBee技术将奶牛数据汇总至数据管理平台，编码中设置flag标志位与奶牛ID 对应，奶牛的ID 信息从阅读器中经ZigBee 上传，在处理数据时，将对应的步数数据映射到奶牛ID 信息下，完成数据匹配，根据奶牛运动状态检测算法，配合图像识别和声谱分析技术，综合评价得到奶牛个体的体况评分数值并且将其映射到当前奶牛群体，有的放矢地配给饲料、诊断、精准养殖并提高效率。基于统一协议标准的信息化养殖系统打破了不同系统数据不兼容而导致的数据孤岛问题，也给数据反馈、优化算法实现和提升系统效率打下了良好的基础。

本文设计的电子耳标能够满足奶牛智慧养殖的需求，并且其设计成本仅为Afikim公司解决方案费用的十分之一，大大降低了牧场管理成本。此外，对于如何优化计步器以进一步提高其步数计算准确性，如何在ZigBee自组网中进一步提升数据传输的效率、提升图像识别精确度、优化奶牛声谱分析算法，从而给出一个更加精准的奶牛健康评测标准，有待进一步研究。