1、奶牛计步器和无线采集终端江苏省农业科学院胡肄农9/29/20221基金项目国家攻关计划子专题“奶牛小区饲养模式自动化管理技术开发”（2002BA518A02-03-03）863计划子专题“奶牛个体信息采集无线终端的研制”（2003AA209050-7-4）863计划子课题“奶牛个体标识技术”（2006AA10Z243-3）9/29/20222一、奶牛计步器0.基本原理1.基于CC1000无线收发模块的方案2.基于低频RFID阅读器的方案9/29/20223借鉴国外成熟系统的经验，设计计步器来检测奶牛的活动量,通过发情期活动量明显增大这一特点来检测奶牛是否发情。设计要点：标识奶牛个体。体积小、超
2、低功耗、具有无线发送功能。计步器固定于奶牛身体，体积过大影响正常生理活动。为减小计步器体积，采用纽扣电池作为供电电源，要使计步器长期稳定工作，必须降低计步器的功率消耗。计步器采集的信息需要传输到上位机上的奶牛信息管理系统进行分析，这就需要把采集的信息定期经无线传输输送到计算机上。在奶牛场，需要进行多头奶牛的信息采集。9/29/20224一、奶牛计步器0.基本原理1.基于CC1000无线收发模块的方案2.基于低频RFID阅读器的方案9/29/20225电池振荡检测无线收发天线MSP430F147IPM外围电路9/29/202269/29/20227该传感器采用环氧树脂封装，具有耐潮、抗冲击的良好
3、性能，对雷电、鞭炮、喇叭等声响不作反应，能有效抑制周围环境噪音的干扰。检测全方位，能采集0.1g物体落体所产生的微弱振动。可以选择合适的测量阈值。SV801微振动传感器9/29/20228无线收发模块的选用无线收发芯片的种类和数量较多，选择适当的无线收发芯片可减小开发难度，缩短开发周期，降低成本，增加系统的稳定性。选用Chipcon公司的CC1000：发射功率为10mW。工作频率在ISM频段，载频频率433MHz，提供11个信道。基于FSK的调制方式和采用前向纠错信道编码技术，波特率1.2kbps19.2kbps。在可视距情况下可靠传输离300m。可采用外接或嵌入式天线。9/29/20229振
4、荡检测电路无线收发模块工作模式时消耗电流是825mA，对于电池供电系统是不可接受的。平时置通讯模块于掉电模式，以降低功耗。要进行信息传输时，首先把通讯模块从低功耗模式唤醒进入工作模式状态，接着完成信息的传输。当信息发送完成后，无线通讯模块立刻又进入掉电模式状态。振荡检测电路的功能就是“唤醒”无线传输模块。无线转发系统平时循环发送振荡探测信号，当个体识别及信息采集系统与无线转发系统相距2m以内时，可检测到无线转发系统发出的握手信号，经判断是有效信号后，置无线通讯模块于工作状态。9/29/202210开关电源无线收发天线串行接口显示器件MSP430DC-DC外围器件接收及传输系统结构设计9/29/
5、2022119/29/202212一、奶牛计步器0.基本原理1.基于CC1000无线收发模块的方案2.基于低频RFID阅读器的方案9/29/202213工作原理、计步器处于待机状态（0.5uA）,当有振荡传感器S1闭合产生计步脉冲后，由中断激活CPU，对RAM中计数值加一，并进行200ms的滤波等待，如无下一个脉冲则继续进入待机状态。、当经过采集区域时，感应线圈L1感应到电压，经整流后下降沿触发单片机中断，单片机进入内部DCO产生1MHz的振荡频率作为时钟，通过三极管控制线圈负载把内部的编号、计步值发送到采集器后，等待采集器的数据应答，成功后转入低频工作模式，同时通过检测感应线圈的调制波来判断
6、是否离开采集区域，以保证在一个采集区域只进行一次通讯。计步器上传数据采用标准EM4100 ID 卡的数据格式。采集器采用通用的低频RFID阅读器。9/29/202214原理框图9/29/2022159/29/202216布线图9/29/202217佩戴实验9/29/202218现场采集器9/29/202219二、无线采集信息终端1.系统结构框图2.奶牛无线采集信息终端3.基于CF接口的RFID读写卡9/29/202220CF RFID 卡CF RFID Reader Card插入 CF槽 Insert CF socket耳标号cow IDPPC 应用程序PPC applicationPocke
7、t PC数据库服务器database server局域网local area network无线接入点wireless access point无线局域网wireless local area network9/29/202221二、无线采集信息终端1.系统结构框图2.奶牛无线采集信息终端3.基于CF接口的RFID读写卡9/29/2022229/29/202223软件设计：开发环境与工具开发环境与工具 主流Pocket PC的操作系统多为Windows Mobile 2003，基于Windows Mobile的设备提供一个灵活的平台，支持功能丰富的移动应用程序。为提高Windows Mobil
8、e开发效率，微软将.NET Framework移植到Windows Mobile设备上，称为.NET Compact Framework（.NET CF），提供了一个从服务器到桌面到设备的端到端编程模型；需要ActiveSync，管理Windows Mobile设备连接及与PC进行数据同步；选择Visual Studio 2003开发应用程序：其中集成.NET CF 1.1，提供Pocket PC 2003的开发模板；集成Device Emulator，PPC仿真器。9/29/2022241.什么是传统机械按键设计？传统的机械按键设计是需要手动按压按键触动PCBA上的开关按键来实现功能的一种设
9、计方式。传统机械按键设计要点：1.合理的选择按键的类型，尽量选择平头类的按键，以防按键下陷。2.开关按键和塑胶按键设计间隙建议留0.050.1mm，以防按键死键。3.要考虑成型工艺，合理计算累积公差，以防按键手感不良。传统机械按键结构层图：按键开关键PCBA软件设计：数据库访问技术数据库访问技术Microsoft SQL Server 2000 Windows CE Edition（SQL Server CE）2.0版是用作快速开发的精简数据库，它与SQL Server桌面版之间可以实现良好的数据同步及互操作，将企业数据管理能力扩展到了移动设备上。SQL Server CE是强有力的工具，它使
10、得移动应用程序能够支持类似结构化查询语言SQL的语法，并且提供了与SQL Server一致的开发模型和API。9/29/202226SQL Server CE引擎体现了关系数据库的本质，例如优化的查询处理、支持事务处理以及混合数据类型等，同时又保持精简，节省珍贵的系统资源。远程数据访问和合并复制确保了SQL Server数据库中的数据能够可靠地传输、能够离线操作并在晚些时候与服务器同步，这些使得SQL Server CE成为移动和无线环境下理想的数据库。SQL Server CE 2.0通过Visual Studio.NET和.NET CF集成在一起，用以简化智能设备上数据库应用程序的开发。依
11、靠公共语言运行时（Common Language Runtime）使用新的SQL Server CE数据提供器来管理代码，建立具有高度可扩展性的移动应用程序，使其在无法连接时能够离线管理数据。9/29/202227应用程序应用程序SQL Server CESQL Server CE客户端代理客户端代理SQL Server CESQL Server CE引擎引擎SQL Server CESQL Server CE客户端客户端SQL Server CE的架构基于基于Win CEWin CE的设备的设备SQL Server CESQL Server CE服务器端代理服务器端代理服务器端服务器端IIS
12、IISSQL ServerSQL ServerActiveSynActiveSync cHTTPHTTP9/29/202228软件设计：应用软件设计应用软件设计 运行于PPC上的应用软件，为用户提供移动解决方案，是奶牛场管理软件的一个组成部分，通过移动设备与服务器间的通讯及应用程序数据交换，使信息从桌面延伸到用户指尖。奶牛场管理系统，整合大量奶牛生产和管理数据：其一是生产管理系统建立的数据库，提供每头牛的家谱、品质信息、产奶量、营养史、繁殖力及健康状况等；其二是奶牛生产性能测定的实验室数据，如脂肪、蛋白质、乳糖和体细胞数等；其三是奶量计量、乳成分分析的个体实时记录；其四是健康监测系统提供的生理
13、指标数据。通过数据分析可提示每头牛的生产状态及健康状况，根据最佳的营养和经济效益来计算饲喂方案，既可为产奶牛和处于孕期的非产奶牛提供足够的营养，也可为幼小的牛提供适当的食谱。9/29/2022299/29/2022309/29/2022319/29/2022329/29/202233二、无线采集信息终端1.系统结构框图2.奶牛无线采集信息终端3.基于CF接口的RFID读写卡9/29/202234方案设计PPC硬件系统具有高度集成的特点，并提供多种数字接口，如CF接口、SD接口、USB接口、红外接口、蓝牙接口、802.11无线网卡等，为其硬件扩展的提供了多种可能。其中，CF接口可从PPC获取较大
14、的电源功率、以16位并行方式与PPC进行高速数据传输、具备包括中断和DMA在内的丰富触发信号，因此广泛应用于数据采集卡、MODEM、网卡、GPS卡的设计中。9/29/202235RFID CF卡的硬件结构RFID CF卡的硬件构成包括：控制器MCU及外围电路、射频读写模块（天线印制于电路板上）、主机接口模块（CF/UART转换）等。CF卡的结构根据其功能，一般包括主机接口、控制器和Flash存储器模块（CF卡）或I/O模块（CF+卡）。CF卡的工作电压为3.3V和5V两种，接 口 标 准 有 C F T y p e （43mm36mm5mm）和CF Type I（43mm36mm3.3mm）两
15、种，主机接口为25x2的双列Female型连接件，孔间距为1.27mm。9/29/202236RFID CF卡的硬件结构MCU(PIC16F874)RFID读写器模块(RI-R6C-001A)天线模块TX RXDinDoutM_errSclocksCF/UART转换(TL16C564B)A0-A8D0-D7控制总线串行通道串行控制CF/UART转换转换射频读写射频读写图4、RFID CF卡硬件框图CF插槽外围电路9/29/202237子系统MCU子系统MCU选用PIC16F877，采用RISC指令系统和哈佛总线结构，最高运行时钟可达20MHz。内部有8kx14的Flash程序存储器和512字节
16、的RAM数据存储器。支持SPI串行同步通信方式。9/29/202238多协议收发芯片接收解码模式寄存器发送解码M_ERRDOUTDINSCLOCKRX输入调制深度VCCGND13.56MHz振荡器低通滤波器调制、滤波423/484/848kHz图2、RI-R6C-001A芯片原理框图9/29/202239多协议收发芯片读写器设计采用TI公司的S6700多协议收发芯片RI-R6C-001A（图2），支持含Tag-it在内的多种13.56MHz RFID通信协议，芯片适用于遥耦合卡，最远识别距离在1m左右。与MCU的通信方式为同步串行方式，并配置16位先进先出缓存器（FIFO）。支持“全功率”、“
17、闲置”和“掉电”3种供电模式。9/29/202240CF接口转换芯片属性空间CIS256x8CCR8x8UART主系统接口逻辑子系统接口逻辑HD7-HD0HA9-HA0控制总线主机侧主机侧(CF(CF)SAD7-SAD0SA8-SA0控制总线串行通道串行控制MCUMCU侧侧DATAADDRControlDATAADDRControl图3、TL16C564B芯片原理框图9/29/202241CF接口转换芯片CF接口电路的设计，主要由TI公司的接口转换芯片TL16C564B（图3）实现。该芯片内嵌一个TL16C550异步通信单元类型的核，兼容PCMCIA标准协议2.01版。芯片提供下位机子系统中串
18、行数据与上位机CF卡并行接口之间的串并转换功能，由下位机子系统的MCU控制上位机与外部系统的数据流交互。9/29/202242子系统软件功能RFID CF卡的工作过程如下：插入CF卡的PPC开机，或者已经开机的PPC插入CF卡后，CF卡子系统上电，首先由子系统MCU对射频协议收发模块和CF接口模块进行必要的初始化；接着通过控制TL16PC564B的控制寄存器，向上位机通知子系统已经准备好；最后上位机识别CF卡。9/29/202243子系统软件功能应用程序需要读取奶牛的个体标签时，经API函数CreateFile()打开和存取CF卡驱动程 序，产 生 一 个 对 C F 卡 驱 动 程 序 中C
19、FC_Open()的调用，驱动程序返回一个句柄，然后该句柄被常规的Win32文件功能所用，如ReadFile()、WriteFile()，对应驱动程序中CFC_Read、CFC_Write模块。应用程序读取到标签后，CloseHandle()调用驱动程序的CFC_Close释放内部资源。9/29/202244子系统软件功能应用程序向CF卡子系统发出读写RFID的指令后，子系统MCU向射频协议收发模块RI-R6C-001A发出指令，射频模块按照Tag-it射频协议将指令信息进行编码和调制，然后由天线发送；在阅读范围内的电子标签收到命令并认证正确后，按命令要求把UID等信息编码调制并发送（如果错误
20、则返回错误信息）；射频模块经过天线收到标签的无线信号后，经过解调和解码，将信息写入PIC16PC564B的FIFO，从而将标签信息返回到上位机。9/29/202245CF接口电路的CIS设计实现CF卡功能的软件设计包括两个方面，其一是CF卡子系统的MCU对CIS的初始化，其二是上位机（PPC）的驱动程序。9/29/202246CF接口电路的CIS设计卡信息结构CIS的功能是提供一种让软件识别CF接口电路功能、数据源和性能的机制。当CF卡子系统上电后，上位机设备驱动中的代码分析CIS并为CF卡和系统配置执行所需的操作后，才能识别CF卡及明确其应用类型，开始正常工作。CF卡属性空间，包含256字节
21、的存储卡配置结构CIS和8字节的卡配置寄存器CCR，CIS和CCR由双口RAM（DPRAM）构成，并自带仲裁逻辑，上位机CPU和下位机MCU均可访问，系统上电时，由子系统负责完成对CIS的初始化，将CIS信息写入属性空间。9/29/202247Windows CE 驱动程序设计PPC中CF卡驱动程序设计模式对应流接口驱动。流接口驱动是一个管理外围设备的DLL，它把设备表示为文件系统的一个特殊文件，主要任务是把外设的使用传递给应用程序。流接口驱动程序接收设备管理器和应用程序通过系统调用的命令，并封装所有命令，转化成控制设备的适当信息。9/29/202248Windows CE 驱动程序设计CF卡
22、驱动程序使用CF插槽函数实现驱动。对每个驱动程序而言，所要求的标准入口点用来实现标准文件I/O函数和电源管理函数，这些函数由WinCE操作系统的内核使用。这些标准入口点为：CFC_Open、C F C _ C l o s e、C F C _ I n i t、C F C _ D e i n i t、CFC_IOControl、CFC_Read、CFC_Write等。应用程序对CF卡的操作采用文件操作进行。应用层可调用CreateFile()、ReadFile()、WriteFile()、DeviceIOControl()、CloseHandle()等API接口函数对CF卡操作，API函数封装上述
23、标准入口点函数，使用文件句柄访问内部资源。9/29/202249CF RFID卡讨论基于SD接口的RFID读写卡，已有产品开始上市，由于SD接口比CF接口更小巧，在数码产品中应用更广泛。通过集成基于SD接口的RFID读写卡，以运行Windows Mobile操作系统的智能手机为平台，开发奶牛场无线信息终端，其便携性和集成性更好。高频电子标签（工作频率13.56MHz）的感应距离，理论值最大可达1m，但实际产品中，感应距离主要取决于天线设计。天线设计需考虑两方面，一是设计尺寸合适的天线，二是搭建天线与阅读器的匹配电路。由于本文设计的CF RFID卡，外形尺寸受到限制，要获得较远的感应距离，需要在天线设计和匹配电路两方面进行设计，有待进一步完善。9/29/202250
