趙金燕， 吳興純， 楊 麗， 張 云， 曹志勇

（1.云南農(nóng)業(yè)大學(xué) 基礎(chǔ)與信息工程學(xué)院，云南 昆明 650201；2.云南省第二建筑工程公司 云南 昆明 650203）

畜產(chǎn)品是食品中最重要的一類，由于其食品鏈長于其他食品，對畜產(chǎn)品信息和經(jīng)營責(zé)任的全程監(jiān)管較難實(shí)現(xiàn)，因此畜產(chǎn)品的安全問題尤為突出。為了保障消費(fèi)者健康，國際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）、歐盟委員會、食品標(biāo)準(zhǔn)委員會等組織提出了食品安全的“可追溯性”的概念[1]。所謂食品安全追溯制就是對食品生產(chǎn)、流通過程中各關(guān)鍵環(huán)節(jié)的信息加以有效管理，通過對這種信息的監(jiān)控管理，來實(shí)現(xiàn)預(yù)警和追溯，預(yù)防和減少問題的出現(xiàn)，一旦出現(xiàn)問題即可以迅速追溯至源頭。而畜產(chǎn)品可溯源系統(tǒng)的主要目的就是大力提高畜產(chǎn)品的質(zhì)量，以確保畜產(chǎn)品的可靠性和安全性。

1 畜產(chǎn)品可溯源系統(tǒng)

無線射頻識別（RFID）技術(shù)是一種非接觸式的自動識別技術(shù)，它通過射頻信號自動識別目標(biāo)對象并獲取相關(guān)數(shù)據(jù)，識別工作無須人工干預(yù)，可工作于各種惡劣環(huán)境。RFID技術(shù)的核心是電子標(biāo)簽和配套讀寫器，按照目前比較標(biāo)準(zhǔn)的說法，電子標(biāo)簽是目前使用的條形碼的無線版本；它具有條形碼所不具備的防水、防磁、耐高溫、使用壽命長、讀取距離大、標(biāo)簽上數(shù)據(jù)可以加密、存儲數(shù)據(jù)容量更大、存儲信息可更改等優(yōu)點(diǎn)[2]。

根據(jù)實(shí)現(xiàn)的方式不同，RFID技術(shù)可分為無源RFID技術(shù)和有源RFID技術(shù)。無源RFID技術(shù)系統(tǒng)中的電子標(biāo)簽工作所需要的全部電源都依靠轉(zhuǎn)換接收到的讀寫器發(fā)送的電磁波而獲得，讀寫器的發(fā)射功率一般較大，電子標(biāo)簽的數(shù)據(jù)存儲空間極小。有源RFID技術(shù)系統(tǒng)中的電子標(biāo)簽具備電池，可提供全部器件工作的電源，讀寫器的發(fā)射功率要求較低，而且有效閱讀距離也較前者有所增加，并可存儲幾十K以上數(shù)據(jù)，顯然在追蹤和識別高價(jià)值的畜產(chǎn)品過程中使用有源RFID技術(shù)是非常適宜。

RFID技術(shù)在畜產(chǎn)品可溯源系統(tǒng)中的應(yīng)用，不僅包括對動物從出生到進(jìn)入屠宰場整個(gè)飼養(yǎng)過程（獸醫(yī)預(yù)防、疾病治療、飼料使用）的記錄與監(jiān)控，還包括畜產(chǎn)品進(jìn)入消費(fèi)市場（超市等）后，消費(fèi)者可通過每一只動物唯一的識別碼，查詢該產(chǎn)品的整個(gè)飼養(yǎng)過程。針對動物養(yǎng)殖過程的特點(diǎn)，本系統(tǒng)采用自行設(shè)計(jì)的有源電子標(biāo)簽，這樣可以使識別距離達(dá)到90 m范圍，在養(yǎng)殖區(qū)域內(nèi)通過配套的讀寫器，即可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的快速讀取。無須動物集中到專用的識別通道，可減少動物因驅(qū)趕而出現(xiàn)的應(yīng)激反應(yīng)。

2 畜產(chǎn)品可溯源系統(tǒng)的讀寫器設(shè)計(jì)

2.1 芯片選擇

根據(jù)課題的要求，選用德州儀器（TI）生產(chǎn)的CC1110芯片。該芯片是采用0.18 μm CMOS工藝生產(chǎn)的全集成收發(fā)芯片。它工作在工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)療（ISM）頻段，設(shè)計(jì)頻段為433 MHz，采用嵌入式8051MCU，其閃存存儲量可為8/16/32 kB，隨機(jī)存儲器存儲量可為1/2/4 kB，最高系統(tǒng)時(shí)鐘是26 MHz，并具有功率放大器（PA）、低噪聲放大器（LNA）、調(diào)制解調(diào)器（MODEM）等功能，QLP 封裝，體積?。?×6 mm），支持流行的跳頻技術(shù)，以及各種調(diào)制方式，內(nèi)核加載128位AES加密協(xié)處理器，能夠使數(shù)據(jù)傳輸率達(dá)到500 kbps。

2.2 讀寫器原理圖

在畜產(chǎn)品可溯源系統(tǒng)中，有源電子標(biāo)簽使用標(biāo)簽內(nèi)電池的能量，與自行設(shè)計(jì)的專用讀寫器配合，使得識別距離較遠(yuǎn)。該讀寫器通過USB接口與計(jì)算機(jī)或者PDA相連，可靈活組成基站式讀寫器和手持式讀寫器，大大提高了畜產(chǎn)品可溯源系統(tǒng)的兼容性和可移植性。根據(jù)CC1110芯片的特性，設(shè)計(jì)的電路原理圖如圖1所示。

圖1 讀寫器原理圖Fig.1 The schematic of reader

2.2.1 射頻收發(fā)電路設(shè)計(jì)

讀寫器的射頻收發(fā)電路相關(guān)元件功能：偏置電阻R1用于設(shè)置一個(gè)精確的偏置電流；去藕電容C1用于提供精確的功率供給；C19、C20和 C21、C22分別為晶體 X1和 X2的負(fù)載電容；RF端口由C10、C11、L2和L4共同組成不平衡變壓器，用于芯片不同RF端口信號轉(zhuǎn)換成單個(gè)RF信號，再通過一個(gè)π型 LC 濾波器（C14、C15、L3）的作用 ，最終輸 出 50 Ω 的 RF 信號，和天線達(dá)到最佳的阻抗匹配。

2.2.2 電源和接口設(shè)計(jì)

讀寫器采用USB接口，由于電腦供給USB的電壓為5 V，所以需要將5 V電壓轉(zhuǎn)換成3.3 V的電壓，在電路設(shè)計(jì)上要加上電壓轉(zhuǎn)換芯片TPS76933來實(shí)現(xiàn)這個(gè)功能。另外CC1110與USB之間還需要設(shè)計(jì)USB轉(zhuǎn)換芯片（CP2102），以及一些外部的阻容元件和二極管。其中C16、C18用于穩(wěn)定電壓，C17用于與其它外設(shè)的電壓調(diào)節(jié)，R1用于芯片電壓重新設(shè)置，D1、D2、D3用于電路板的 ESD 保護(hù)。

2.3 讀寫器PCB圖

電路的設(shè)計(jì)采用Protel 99SE開發(fā)工具，在設(shè)計(jì)印制電路（PCB）板的時(shí)候，應(yīng)特別注意電磁兼容性設(shè)計(jì)、地線設(shè)計(jì)、去耦電容配置等幾個(gè)方面的合理配置。

電磁兼容性設(shè)計(jì)的目的是使電子設(shè)備既能抑制各種外來的干擾，使電子設(shè)備在特定的電磁環(huán)境中能夠正常工作，同時(shí)又能減少電子設(shè)備本身對其它電子設(shè)備的電磁干擾。在雙面PCB板中，上下兩層信號線的走線方向要盡量相互垂直或斜交叉，盡量避免平行走線，以減少寄生耦合的產(chǎn)生[3-4]。

在電子設(shè)備中，接地是控制干擾的重要方法。地線設(shè)計(jì)中應(yīng)根據(jù)電路特性，正確選擇單點(diǎn)接地與多點(diǎn)接地，對高頻電路要采用多點(diǎn)接地，并盡量加粗接地線，接地線的寬度一般為普通走線的2倍，而且要將接地線構(gòu)成閉合環(huán)路。

在直流電源回路中，負(fù)載的變化會引起電源噪聲。因?yàn)樵跀?shù)字電路中，當(dāng)電路從一種狀態(tài)轉(zhuǎn)換為另一種狀態(tài)時(shí)，就會在電源線上產(chǎn)生一個(gè)很大的尖峰電流，形成瞬變的噪聲電壓。合理配置去耦電容可以抑制因負(fù)載變化而產(chǎn)生的噪聲，提高PCB板的可靠性[5]。

根據(jù)CC1110芯片特性，在有源電子標(biāo)簽PCB板布局和布線時(shí)，要優(yōu)先對RF端口的元件進(jìn)行布局，這樣才可以保證RF端口布線最短，以達(dá)到最佳的阻抗匹配和信號傳輸。最終設(shè)計(jì)的讀寫器PCB圖如圖2所示。

圖2 讀寫器PCB圖Fig.2 The PCB of reader

3 系統(tǒng)的調(diào)試和測試結(jié)果

畜產(chǎn)品可溯源系統(tǒng)硬件驅(qū)動程序的編輯、調(diào)試是在IAR Embedded Workbench for MCS-51集成開發(fā)調(diào)試平臺進(jìn)行。硬件驅(qū)動程序編譯調(diào)試結(jié)束以后，利用Flash Programmer把驅(qū)動寫入讀寫器，再利用Smart RF-studio軟件設(shè)置數(shù)據(jù)傳輸率、調(diào)制方式等相關(guān)參數(shù)。具體設(shè)置如圖3所示。

圖3 Smart RF-studio界面Fig.3 Surface of Smart RF-studio

在實(shí)際環(huán)境中，我們使用自行設(shè)計(jì)的讀寫器和電子標(biāo)簽等硬件設(shè)備，對畜產(chǎn)品可溯源系統(tǒng)進(jìn)行通信測試。測試分為7組，其中第1～6組為直視測試，第7組為非直視測試，障礙物為建筑物。設(shè)置不同通訊參數(shù)條件時(shí)，系統(tǒng)測試結(jié)果如表1所示。

從表1可以看出：

1）系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸率與傳輸距離關(guān)系密切，隨著數(shù)據(jù)傳輸率呈倍數(shù)的減小，通訊距離和RSSI強(qiáng)度都逐漸增加；在可視距離通信距離90 m內(nèi)，標(biāo)簽與讀寫器之間通訊可靠；

2）從試驗(yàn)具體測試來看，當(dāng)遇到障礙物的時(shí)候，會使得RSSI強(qiáng)度和通訊距離減少，丟包率增大，由于采用了丟包檢測及重傳處理，仍可進(jìn)行通信；

表1 系統(tǒng)測試結(jié)果Tab.1 Test result of system

（3）采用第 4、5組參數(shù)時(shí)，丟包率降到最低，60 kbps數(shù)據(jù)傳輸率時(shí)通訊距離在90 m范圍內(nèi)，10 kbps數(shù)據(jù)傳輸率時(shí)通訊距離在97 m范圍內(nèi)[6]。

實(shí)際應(yīng)用時(shí)需考慮標(biāo)簽的閱讀量、通信距離的遠(yuǎn)近和干擾情況來選擇其中的一組參數(shù)。以每秒對20個(gè)標(biāo)簽進(jìn)行操作，每個(gè)標(biāo)簽約1 000比特的數(shù)據(jù)量，選用表1中測試組4的相關(guān)參數(shù)即可。此外也可以通過增大讀寫器功率和降低數(shù)據(jù)傳輸率來達(dá)到較遠(yuǎn)距離或穿越障礙物。

4 結(jié)束語

在畜產(chǎn)品可溯源系統(tǒng)中使用高頻有源電子標(biāo)簽和自行設(shè)計(jì)的配套讀寫器，可以降低系統(tǒng)的成本，提高系統(tǒng)的安全性，并對徹底實(shí)現(xiàn)食品的“源頭”追蹤和提供食品安全的透明化管理提供技術(shù)支撐。隨著電子標(biāo)簽國家標(biāo)準(zhǔn)的推出和電子標(biāo)簽系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用，將大大提高我國畜牧產(chǎn)品物流管理能力、質(zhì)量監(jiān)督能力、可跟蹤能力以及國際貿(mào)易中的競爭力，同時(shí)也有利于規(guī)范和凈化畜牧產(chǎn)品市場[7]。

最近幾年，我國因?yàn)閯游锛捌洚a(chǎn)品造成的重大疫情時(shí)有發(fā)生，由于地域廣闊、人口眾多、人員和物資的流動性大，造成的危害非常巨大，制止疫情需要的時(shí)間長、付出的代價(jià)很大。生產(chǎn)安全、衛(wèi)生、合格的動物畜禽產(chǎn)品，滿足人們對畜產(chǎn)品質(zhì)量的要求，對提高全民族的身體素質(zhì)具有十分重要的意義。因此，在動物食品安全可追溯系統(tǒng)中使用高頻有源電子標(biāo)簽和配套讀寫器，將能促進(jìn)我國的畜牧業(yè)向更高層次發(fā)展。

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