奶牛計(jì)步器和無(wú)線采集終端課件

1、奶牛計(jì)步器和無(wú)線采集終端基金項(xiàng)目國(guó)家攻關(guān)計(jì)劃子專題“奶牛小區(qū)飼養(yǎng)模式自動(dòng)化管理技術(shù)開(kāi)發(fā)”（2002BA518A02-03-03）863計(jì)劃子專題“奶牛個(gè)體信息采集無(wú)線終端的研制”（2003AA209050-7-4）863計(jì)劃子課題“奶牛個(gè)體標(biāo)識(shí)技術(shù)”（2006AA10Z243-3）一、奶牛計(jì)步器0.基本原理1.基于CC1000無(wú)線收發(fā)模塊的方案2.基于低頻RFID閱讀器的方案借鑒國(guó)外成熟系統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計(jì)計(jì)步器來(lái)檢測(cè)奶牛的活動(dòng)量,通過(guò)發(fā)情期活動(dòng)量明顯增大這一特點(diǎn)來(lái)檢測(cè)奶牛是否發(fā)情。設(shè)計(jì)要點(diǎn)：標(biāo)識(shí)奶牛個(gè)體。體積小、超低功耗、具有無(wú)線發(fā)送功能。計(jì)步器固定于奶牛身體，體積過(guò)大影響正常生理活動(dòng)。為減小計(jì)

2、步器體積，采用紐扣電池作為供電電源，要使計(jì)步器長(zhǎng)期穩(wěn)定工作，必須降低計(jì)步器的功率消耗。計(jì)步器采集的信息需要傳輸?shù)缴衔粰C(jī)上的奶牛信息管理系統(tǒng)進(jìn)行分析，這就需要把采集的信息定期經(jīng)無(wú)線傳輸輸送到計(jì)算機(jī)上。在奶牛場(chǎng)，需要進(jìn)行多頭奶牛的信息采集。一、奶牛計(jì)步器0.基本原理1.基于CC1000無(wú)線收發(fā)模塊的方案2.基于低頻RFID閱讀器的方案電池振蕩檢測(cè)無(wú)線收發(fā)天線MSP430F147IPM外圍電路該傳感器采用環(huán)氧樹(shù)脂封裝，具有耐潮、抗沖擊的良好性能，對(duì)雷電、鞭炮、喇叭等聲響不作反應(yīng)，能有效抑制周?chē)h(huán)境噪音的干擾。檢測(cè)全方位，能采集0.1g物體落體所產(chǎn)生的微弱振動(dòng)?？梢赃x擇合適的測(cè)量閾值。 SV801微振

3、動(dòng)傳感器無(wú)線收發(fā)模塊的選用無(wú)線收發(fā)芯片的種類(lèi)和數(shù)量較多，選擇適當(dāng)?shù)臒o(wú)線收發(fā)芯片可減小開(kāi)發(fā)難度，縮短開(kāi)發(fā)周期，降低成本，增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性。選用Chipcon公司的CC1000：發(fā)射功率為10mW。工作頻率在ISM頻段，載頻頻率433MHz，提供11個(gè)信道。基于FSK的調(diào)制方式和采用前向糾錯(cuò)信道編碼技術(shù)，波特率1.2kbps19.2kbps。在可視距情況下可靠傳輸離300m。可采用外接或嵌入式天線。振蕩檢測(cè)電路無(wú)線收發(fā)模塊工作模式時(shí)消耗電流是825mA，對(duì)于電池供電系統(tǒng)是不可接受的。平時(shí)置通訊模塊于掉電模式，以降低功耗。要進(jìn)行信息傳輸時(shí)，首先把通訊模塊從低功耗模式喚醒進(jìn)入工作模式狀態(tài)，接著完成信息

4、的傳輸。當(dāng)信息發(fā)送完成后，無(wú)線通訊模塊立刻又進(jìn)入掉電模式狀態(tài)。振蕩檢測(cè)電路的功能就是“喚醒”無(wú)線傳輸模塊。無(wú)線轉(zhuǎn)發(fā)系統(tǒng)平時(shí)循環(huán)發(fā)送振蕩探測(cè)信號(hào)，當(dāng)個(gè)體識(shí)別及信息采集系統(tǒng)與無(wú)線轉(zhuǎn)發(fā)系統(tǒng)相距2m以內(nèi)時(shí)，可檢測(cè)到無(wú)線轉(zhuǎn)發(fā)系統(tǒng)發(fā)出的握手信號(hào)，經(jīng)判斷是有效信號(hào)后，置無(wú)線通訊模塊于工作狀態(tài)。開(kāi)關(guān)電源無(wú)線收發(fā)天線串行接口顯示器件MSP430DC-DC外圍器件接收及傳輸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)一、奶牛計(jì)步器0.基本原理1.基于CC1000無(wú)線收發(fā)模塊的方案2.基于低頻RFID閱讀器的方案工作原理、計(jì)步器處于待機(jī)狀態(tài)（0.5uA）,當(dāng)有振蕩傳感器S1閉合產(chǎn)生計(jì)步脈沖后，由中斷激活CPU，對(duì)RAM中計(jì)數(shù)值加一，并進(jìn)行200m

5、s的濾波等待，如無(wú)下一個(gè)脈沖則繼續(xù)進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)。、當(dāng)經(jīng)過(guò)采集區(qū)域時(shí)，感應(yīng)線圈L1感應(yīng)到電壓，經(jīng)整流后下降沿觸發(fā)單片機(jī)中斷，單片機(jī)進(jìn)入內(nèi)部DCO產(chǎn)生1MHz的振蕩頻率作為時(shí)鐘，通過(guò)三極管控制線圈負(fù)載把內(nèi)部的編號(hào)、計(jì)步值發(fā)送到采集器后，等待采集器的數(shù)據(jù)應(yīng)答，成功后轉(zhuǎn)入低頻工作模式，同時(shí)通過(guò)檢測(cè)感應(yīng)線圈的調(diào)制波來(lái)判斷是否離開(kāi)采集區(qū)域，以保證在一個(gè)采集區(qū)域只進(jìn)行一次通訊。計(jì)步器上傳數(shù)據(jù)采用標(biāo)準(zhǔn)EM4100 ID 卡的數(shù)據(jù)格式。采集器采用通用的低頻RFID閱讀器。原理框圖布線圖佩戴實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)采集器二、無(wú)線采集信息終端1.系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖2.奶牛無(wú)線采集信息終端3.基于CF接口的RFID讀寫(xiě)卡CF RFID 卡

6、CF RFID Reader Card插入 CF槽 Insert CF socket耳標(biāo)號(hào)cow IDPPC 應(yīng)用程序PPC applicationPocket PC數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器database server局域網(wǎng)local area network無(wú)線接入點(diǎn)wireless access point無(wú)線局域網(wǎng)wireless local area network二、無(wú)線采集信息終端1.系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖2.奶牛無(wú)線采集信息終端3.基于CF接口的RFID讀寫(xiě)卡軟件設(shè)計(jì)：開(kāi)發(fā)環(huán)境與工具開(kāi)發(fā)環(huán)境與工具 主流Pocket PC的操作系統(tǒng)多為Windows Mobile 2003，基于Windows Mob

7、ile的設(shè)備提供一個(gè)靈活的平臺(tái)，支持功能豐富的移動(dòng)應(yīng)用程序。為提高Windows Mobile開(kāi)發(fā)效率，微軟將.NET Framework移植到Windows Mobile設(shè)備上，稱為.NET Compact Framework（.NET CF），提供了一個(gè)從服務(wù)器到桌面到設(shè)備的端到端編程模型；需要ActiveSync，管理Windows Mobile設(shè)備連接及與PC進(jìn)行數(shù)據(jù)同步；選擇Visual Studio 2003開(kāi)發(fā)應(yīng)用程序：其中集成.NET CF 1.1，提供Pocket PC 2003的開(kāi)發(fā)模板；集成Device Emulator，PPC仿真器。軟件設(shè)計(jì)：數(shù)據(jù)庫(kù)訪問(wèn)技術(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)訪問(wèn)技

8、術(shù)Microsoft SQL Server 2000 Windows CE Edition（SQL Server CE）2.0版是用作快速開(kāi)發(fā)的精簡(jiǎn)數(shù)據(jù)庫(kù)，它與SQL Server桌面版之間可以實(shí)現(xiàn)良好的數(shù)據(jù)同步及互操作，將企業(yè)數(shù)據(jù)管理能力擴(kuò)展到了移動(dòng)設(shè)備上。SQL Server CE是強(qiáng)有力的工具，它使得移動(dòng)應(yīng)用程序能夠支持類(lèi)似結(jié)構(gòu)化查詢語(yǔ)言SQL的語(yǔ)法，并且提供了與SQL Server一致的開(kāi)發(fā)模型和API。SQL Server CE引擎體現(xiàn)了關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)的本質(zhì)，例如優(yōu)化的查詢處理、支持事務(wù)處理以及混合數(shù)據(jù)類(lèi)型等，同時(shí)又保持精簡(jiǎn)，節(jié)省珍貴的系統(tǒng)資源。遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)訪問(wèn)和合并復(fù)制確保了SQL Ser

9、ver數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)能夠可靠地傳輸、能夠離線操作并在晚些時(shí)候與服務(wù)器同步，這些使得SQL Server CE成為移動(dòng)和無(wú)線環(huán)境下理想的數(shù)據(jù)庫(kù)。SQL Server CE 2.0通過(guò)Visual Studio .NET和.NET CF集成在一起，用以簡(jiǎn)化智能設(shè)備上數(shù)據(jù)庫(kù)應(yīng)用程序的開(kāi)發(fā)。依靠公共語(yǔ)言運(yùn)行時(shí)（Common Language Runtime）使用新的SQL Server CE數(shù)據(jù)提供器來(lái)管理代碼，建立具有高度可擴(kuò)展性的移動(dòng)應(yīng)用程序，使其在無(wú)法連接時(shí)能夠離線管理數(shù)據(jù)。 應(yīng)用程序應(yīng)用程序SQL Server CE客戶端代理客戶端代理SQL Server CE引擎引擎SQL Server C

10、E客戶端客戶端SQL Server CE的架構(gòu)基于基于Win CE的設(shè)備的設(shè)備SQL Server CE服務(wù)器端代理服務(wù)器端代理服務(wù)器端服務(wù)器端IISSQL ServerActiveSyncHTTP軟件設(shè)計(jì)：應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)應(yīng)用軟件設(shè)計(jì) 運(yùn)行于PPC上的應(yīng)用軟件，為用戶提供移動(dòng)解決方案，是奶牛場(chǎng)管理軟件的一個(gè)組成部分，通過(guò)移動(dòng)設(shè)備與服務(wù)器間的通訊及應(yīng)用程序數(shù)據(jù)交換，使信息從桌面延伸到用戶指尖。奶牛場(chǎng)管理系統(tǒng)，整合大量奶牛生產(chǎn)和管理數(shù)據(jù)：其一是生產(chǎn)管理系統(tǒng)建立的數(shù)據(jù)庫(kù)，提供每頭牛的家譜、品質(zhì)信息、產(chǎn)奶量、營(yíng)養(yǎng)史、繁殖力及健康狀況等；其二是奶牛生產(chǎn)性能測(cè)定的實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)，如脂肪、蛋白質(zhì)、乳糖和體細(xì)胞數(shù)等

11、；其三是奶量計(jì)量、乳成分分析的個(gè)體實(shí)時(shí)記錄；其四是健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)提供的生理指標(biāo)數(shù)據(jù)。通過(guò)數(shù)據(jù)分析可提示每頭牛的生產(chǎn)狀態(tài)及健康狀況，根據(jù)最佳的營(yíng)養(yǎng)和經(jīng)濟(jì)效益來(lái)計(jì)算飼喂方案，既可為產(chǎn)奶牛和處于孕期的非產(chǎn)奶牛提供足夠的營(yíng)養(yǎng)，也可為幼小的牛提供適當(dāng)?shù)氖匙V。 二、無(wú)線采集信息終端1.系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖2.奶牛無(wú)線采集信息終端3.基于CF接口的RFID讀寫(xiě)卡方案設(shè)計(jì)PPC硬件系統(tǒng)具有高度集成的特點(diǎn)，并提供多種數(shù)字接口，如CF接口、SD接口、USB接口、紅外接口、藍(lán)牙接口、802.11無(wú)線網(wǎng)卡等，為其硬件擴(kuò)展的提供了多種可能。其中，CF接口可從PPC獲取較大的電源功率、以16位并行方式與PPC進(jìn)行高速數(shù)據(jù)傳輸、具備

12、包括中斷和DMA在內(nèi)的豐富觸發(fā)信號(hào)，因此廣泛應(yīng)用于數(shù)據(jù)采集卡、MODEM、網(wǎng)卡、GPS卡的設(shè)計(jì)中。RFID CF卡的硬件結(jié)構(gòu)RFID CF卡的硬件構(gòu)成包括：控制器MCU及外圍電路、射頻讀寫(xiě)模塊（天線印制于電路板上）、主機(jī)接口模塊（CF/UART轉(zhuǎn)換）等。CF卡的結(jié)構(gòu)根據(jù)其功能，一般包括主機(jī)接口、控制器和Flash存儲(chǔ)器模塊（CF卡）或I/O模塊（CF+ 卡）。CF卡的工作電壓為3.3V和5V兩種，接口標(biāo)準(zhǔn)有CF Type （43mm36mm5mm）和CF Type I（43mm36mm3.3mm）兩種，主機(jī)接口為25x2的雙列Female型連接件，孔間距為1.27mm。RFID CF卡的硬件結(jié)

13、構(gòu)MCU(PIC16F874)RFID讀寫(xiě)器模塊(RI-R6C-001A)天線模塊TX RXDinDoutM_errSclocksCF/UART轉(zhuǎn)換(TL16C564B)A0-A8D0-D7控制總線串行通道串行控制CF/UART轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換射頻讀寫(xiě)射頻讀寫(xiě)圖4、RFID CF卡硬件框圖CF插槽外圍電路子系統(tǒng)MCU子系統(tǒng)MCU選用PIC16F877，采用RISC指令系統(tǒng)和哈佛總線結(jié)構(gòu)，最高運(yùn)行時(shí)鐘可達(dá)20MHz。內(nèi)部有8kx14的Flash程序存儲(chǔ)器和512字節(jié)的RAM數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。支持SPI串行同步通信方式。多協(xié)議收發(fā)芯片接收解碼模式寄存器發(fā)送解碼M_ERRDOUTDINSCLOCKRX輸入調(diào)制深度

14、VCCGND13.56MHz振蕩器低通濾波器調(diào)制、濾波423/484/848kHz圖2、RI-R6C-001A芯片原理框圖多協(xié)議收發(fā)芯片讀寫(xiě)器設(shè)計(jì)采用TI公司的S6700多協(xié)議收發(fā)芯片RI-R6C-001A（圖2），支持含Tag-it在內(nèi)的多種13.56MHz RFID通信協(xié)議，芯片適用于遙耦合卡，最遠(yuǎn)識(shí)別距離在1m左右。與MCU的通信方式為同步串行方式，并配置16位先進(jìn)先出緩存器（FIFO）。支持“全功率”、“閑置”和“掉電”3種供電模式。CF接口轉(zhuǎn)換芯片屬性空間CIS256x8CCR8x8UART主系統(tǒng)接口邏輯子系統(tǒng)接口邏輯HD7-HD0HA9-HA0控制總線主機(jī)側(cè)主機(jī)側(cè)(CF(CF)SA

15、D7-SAD0SA8-SA0控制總線串行通道串行控制MCUMCU側(cè)側(cè)DATAADDRControlDATAADDRControl圖3、TL16C564B芯片原理框圖CF接口轉(zhuǎn)換芯片CF接口電路的設(shè)計(jì)，主要由TI公司的接口轉(zhuǎn)換芯片TL16C564B（圖3）實(shí)現(xiàn)。該芯片內(nèi)嵌一個(gè)TL16C550異步通信單元類(lèi)型的核，兼容PCMCIA標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議2.01版。芯片提供下位機(jī)子系統(tǒng)中串行數(shù)據(jù)與上位機(jī)CF卡并行接口之間的串并轉(zhuǎn)換功能，由下位機(jī)子系統(tǒng)的MCU控制上位機(jī)與外部系統(tǒng)的數(shù)據(jù)流交互。子系統(tǒng)軟件功能RFID CF卡的工作過(guò)程如下：插入CF卡的PPC開(kāi)機(jī)，或者已經(jīng)開(kāi)機(jī)的PPC插入CF卡后，CF卡子系統(tǒng)上電，首

16、先由子系統(tǒng)MCU對(duì)射頻協(xié)議收發(fā)模塊和CF接口模塊進(jìn)行必要的初始化；接著通過(guò)控制TL16PC564B的控制寄存器，向上位機(jī)通知子系統(tǒng)已經(jīng)準(zhǔn)備好；最后上位機(jī)識(shí)別CF卡。子系統(tǒng)軟件功能應(yīng)用程序需要讀取奶牛的個(gè)體標(biāo)簽時(shí)，經(jīng)API函數(shù)CreateFile()打開(kāi)和存取CF卡驅(qū)動(dòng)程序，產(chǎn)生一個(gè)對(duì)CF卡驅(qū)動(dòng)程序中CFC_Open()的調(diào)用，驅(qū)動(dòng)程序返回一個(gè)句柄，然后該句柄被常規(guī)的Win32文件功能所用，如ReadFile()、WriteFile()，對(duì)應(yīng)驅(qū)動(dòng)程序中CFC_Read、CFC_Write模塊。應(yīng)用程序讀取到標(biāo)簽后，CloseHandle()調(diào)用驅(qū)動(dòng)程序的CFC_Close釋放內(nèi)部資源。子系統(tǒng)軟件

17、功能應(yīng)用程序向CF卡子系統(tǒng)發(fā)出讀寫(xiě)RFID的指令后，子系統(tǒng)MCU向射頻協(xié)議收發(fā)模塊RI-R6C-001A發(fā)出指令，射頻模塊按照Tag-it射頻協(xié)議將指令信息進(jìn)行編碼和調(diào)制，然后由天線發(fā)送；在閱讀范圍內(nèi)的電子標(biāo)簽收到命令并認(rèn)證正確后，按命令要求把UID等信息編碼調(diào)制并發(fā)送（如果錯(cuò)誤則返回錯(cuò)誤信息）；射頻模塊經(jīng)過(guò)天線收到標(biāo)簽的無(wú)線信號(hào)后，經(jīng)過(guò)解調(diào)和解碼，將信息寫(xiě)入PIC16PC564B的FIFO，從而將標(biāo)簽信息返回到上位機(jī)。CF接口電路的CIS設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)CF卡功能的軟件設(shè)計(jì)包括兩個(gè)方面，其一是CF卡子系統(tǒng)的MCU對(duì)CIS的初始化，其二是上位機(jī)（PPC）的驅(qū)動(dòng)程序。CF接口電路的CIS設(shè)計(jì)卡信息結(jié)構(gòu)C

18、IS的功能是提供一種讓軟件識(shí)別CF接口電路功能、數(shù)據(jù)源和性能的機(jī)制。當(dāng)CF卡子系統(tǒng)上電后，上位機(jī)設(shè)備驅(qū)動(dòng)中的代碼分析CIS并為CF卡和系統(tǒng)配置執(zhí)行所需的操作后，才能識(shí)別CF卡及明確其應(yīng)用類(lèi)型，開(kāi)始正常工作。CF卡屬性空間，包含256字節(jié)的存儲(chǔ)卡配置結(jié)構(gòu)CIS和8字節(jié)的卡配置寄存器CCR，CIS和CCR由雙口RAM（DPRAM）構(gòu)成，并自帶仲裁邏輯，上位機(jī)CPU和下位機(jī)MCU均可訪問(wèn)，系統(tǒng)上電時(shí)，由子系統(tǒng)負(fù)責(zé)完成對(duì)CIS的初始化，將CIS信息寫(xiě)入屬性空間。Windows CE 驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)PPC中CF卡驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)模式對(duì)應(yīng)流接口驅(qū)動(dòng)。流接口驅(qū)動(dòng)是一個(gè)管理外圍設(shè)備的DLL，它把設(shè)備表示為文件系統(tǒng)的一個(gè)特殊文件，主要任務(wù)是把外設(shè)的使用傳遞給應(yīng)用程序。流接口驅(qū)動(dòng)程序接收設(shè)備管理器和應(yīng)用程序通過(guò)系統(tǒng)調(diào)用的命令，并封裝所有命令，轉(zhuǎn)化成控制設(shè)備的適當(dāng)信息。Wi