基于CC1110的畜产品可溯源系统读写器设计

赵金燕， 吴兴纯， 杨 丽， 张 云， 曹志勇

（1.云南农业大学 基础与信息工程学院，云南 昆明 650201；2.云南省第二建筑工程公司 云南 昆明 650203）

畜产品是食品中最重要的一类，由于其食品链长于其他食品，对畜产品信息和经营责任的全程监管较难实现，因此畜产品的安全问题尤为突出。为了保障消费者健康，国际标准化组织（ISO）、欧盟委员会、食品标准委员会等组织提出了食品安全的“可追溯性”的概念[1]。所谓食品安全追溯制就是对食品生产、流通过程中各关键环节的信息加以有效管理，通过对这种信息的监控管理，来实现预警和追溯，预防和减少问题的出现，一旦出现问题即可以迅速追溯至源头。而畜产品可溯源系统的主要目的就是大力提高畜产品的质量，以确保畜产品的可靠性和安全性。

1 畜产品可溯源系统

无线射频识别（RFID）技术是一种非接触式的自动识别技术，它通过射频信号自动识别目标对象并获取相关数据，识别工作无须人工干预，可工作于各种恶劣环境。RFID技术的核心是电子标签和配套读写器，按照目前比较标准的说法，电子标签是目前使用的条形码的无线版本；它具有条形码所不具备的防水、防磁、耐高温、使用寿命长、读取距离大、标签上数据可以加密、存储数据容量更大、存储信息可更改等优点[2]。

根据实现的方式不同，RFID技术可分为无源RFID技术和有源RFID技术。无源RFID技术系统中的电子标签工作所需要的全部电源都依靠转换接收到的读写器发送的电磁波而获得，读写器的发射功率一般较大，电子标签的数据存储空间极小。有源RFID技术系统中的电子标签具备电池，可提供全部器件工作的电源，读写器的发射功率要求较低，而且有效阅读距离也较前者有所增加，并可存储几十K以上数据，显然在追踪和识别高价值的畜产品过程中使用有源RFID技术是非常适宜。

RFID技术在畜产品可溯源系统中的应用，不仅包括对动物从出生到进入屠宰场整个饲养过程（兽医预防、疾病治疗、饲料使用）的记录与监控，还包括畜产品进入消费市场（超市等）后，消费者可通过每一只动物唯一的识别码，查询该产品的整个饲养过程。针对动物养殖过程的特点，本系统采用自行设计的有源电子标签，这样可以使识别距离达到90 m范围，在养殖区域内通过配套的读写器，即可实现数据的快速读取。无须动物集中到专用的识别通道，可减少动物因驱赶而出现的应激反应。

2 畜产品可溯源系统的读写器设计

2.1 芯片选择

根据课题的要求，选用德州仪器（TI）生产的CC1110芯片。该芯片是采用0.18 μm CMOS工艺生产的全集成收发芯片。它工作在工业、科学和医疗（ISM）频段，设计频段为433 MHz，采用嵌入式8051MCU，其闪存存储量可为8/16/32 kB，随机存储器存储量可为1/2/4 kB，最高系统时钟是26 MHz，并具有功率放大器（PA）、低噪声放大器（LNA）、调制解调器（MODEM）等功能，QLP 封装，体积小（6×6 mm），支持流行的跳频技术，以及各种调制方式，内核加载128位AES加密协处理器，能够使数据传输率达到500 kbps。

2.2 读写器原理图

在畜产品可溯源系统中，有源电子标签使用标签内电池的能量，与自行设计的专用读写器配合，使得识别距离较远。该读写器通过USB接口与计算机或者PDA相连，可灵活组成基站式读写器和手持式读写器，大大提高了畜产品可溯源系统的兼容性和可移植性。根据CC1110芯片的特性，设计的电路原理图如图1所示。

图1 读写器原理图Fig.1 The schematic of reader

2.2.1 射频收发电路设计

读写器的射频收发电路相关元件功能：偏置电阻R1用于设置一个精确的偏置电流；去藕电容C1用于提供精确的功率供给；C19、C20和 C21、C22分别为晶体 X1和 X2的负载电容；RF端口由C10、C11、L2和L4共同组成不平衡变压器，用于芯片不同RF端口信号转换成单个RF信号，再通过一个π型 LC 滤波器（C14、C15、L3）的作用 ，最终输 出 50 Ω 的 RF 信号，和天线达到最佳的阻抗匹配。

2.2.2 电源和接口设计

读写器采用USB接口，由于电脑供给USB的电压为5 V，所以需要将5 V电压转换成3.3 V的电压，在电路设计上要加上电压转换芯片TPS76933来实现这个功能。另外CC1110与USB之间还需要设计USB转换芯片（CP2102），以及一些外部的阻容元件和二极管。其中C16、C18用于稳定电压，C17用于与其它外设的电压调节，R1用于芯片电压重新设置，D1、D2、D3用于电路板的 ESD 保护。

2.3 读写器PCB图

电路的设计采用Protel 99SE开发工具，在设计印制电路（PCB）板的时候，应特别注意电磁兼容性设计、地线设计、去耦电容配置等几个方面的合理配置。

电磁兼容性设计的目的是使电子设备既能抑制各种外来的干扰，使电子设备在特定的电磁环境中能够正常工作，同时又能减少电子设备本身对其它电子设备的电磁干扰。在双面PCB板中，上下两层信号线的走线方向要尽量相互垂直或斜交叉，尽量避免平行走线，以减少寄生耦合的产生[3-4]。

在电子设备中，接地是控制干扰的重要方法。地线设计中应根据电路特性，正确选择单点接地与多点接地，对高频电路要采用多点接地，并尽量加粗接地线，接地线的宽度一般为普通走线的2倍，而且要将接地线构成闭合环路。

在直流电源回路中，负载的变化会引起电源噪声。因为在数字电路中，当电路从一种状态转换为另一种状态时，就会在电源线上产生一个很大的尖峰电流，形成瞬变的噪声电压。合理配置去耦电容可以抑制因负载变化而产生的噪声，提高PCB板的可靠性[5]。

根据CC1110芯片特性，在有源电子标签PCB板布局和布线时，要优先对RF端口的元件进行布局，这样才可以保证RF端口布线最短，以达到最佳的阻抗匹配和信号传输。最终设计的读写器PCB图如图2所示。

图2 读写器PCB图Fig.2 The PCB of reader

3 系统的调试和测试结果

畜产品可溯源系统硬件驱动程序的编辑、调试是在IAR Embedded Workbench for MCS-51集成开发调试平台进行。硬件驱动程序编译调试结束以后，利用Flash Programmer把驱动写入读写器，再利用Smart RF-studio软件设置数据传输率、调制方式等相关参数。具体设置如图3所示。

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

在实际环境中，我们使用自行设计的读写器和电子标签等硬件设备，对畜产品可溯源系统进行通信测试。测试分为7组，其中第1～6组为直视测试，第7组为非直视测试，障碍物为建筑物。设置不同通讯参数条件时，系统测试结果如表1所示。

从表1可以看出：

1）系统数据传输率与传输距离关系密切，随着数据传输率呈倍数的减小，通讯距离和RSSI强度都逐渐增加；在可视距离通信距离90 m内，标签与读写器之间通讯可靠；

2）从试验具体测试来看，当遇到障碍物的时候，会使得RSSI强度和通讯距离减少，丢包率增大，由于采用了丢包检测及重传处理，仍可进行通信；

表1 系统测试结果Tab.1 Test result of system

（3）采用第 4、5组参数时，丢包率降到最低，60 kbps数据传输率时通讯距离在90 m范围内，10 kbps数据传输率时通讯距离在97 m范围内[6]。

实际应用时需考虑标签的阅读量、通信距离的远近和干扰情况来选择其中的一组参数。以每秒对20个标签进行操作，每个标签约1 000比特的数据量，选用表1中测试组4的相关参数即可。此外也可以通过增大读写器功率和降低数据传输率来达到较远距离或穿越障碍物。

4 结束语

在畜产品可溯源系统中使用高频有源电子标签和自行设计的配套读写器，可以降低系统的成本，提高系统的安全性，并对彻底实现食品的“源头”追踪和提供食品安全的透明化管理提供技术支撑。随着电子标签国家标准的推出和电子标签系统的广泛应用，将大大提高我国畜牧产品物流管理能力、质量监督能力、可跟踪能力以及国际贸易中的竞争力，同时也有利于规范和净化畜牧产品市场[7]。

最近几年，我国因为动物及其产品造成的重大疫情时有发生，由于地域广阔、人口众多、人员和物资的流动性大，造成的危害非常巨大，制止疫情需要的时间长、付出的代价很大。生产安全、卫生、合格的动物畜禽产品，满足人们对畜产品质量的要求，对提高全民族的身体素质具有十分重要的意义。因此，在动物食品安全可追溯系统中使用高频有源电子标签和配套读写器，将能促进我国的畜牧业向更高层次发展。

[1]Golan E，Krissof B，Kuchler F.Food traceability[J].Amber Waves，2004，2（2）：14-21.

[2]赵金燕，陶琳丽，高士争，等.畜产品可溯源系统有源电子标签的设计[J].云南农业大学学报，2008，23（5）:648-651.ZHAO Jin-yan，TAO Lin-li，GAO Shi-zheng，et al.Design of active tag on animal food safety traceability system[J].Journal of Yunnan Agricultural University，2008，23（5）:648-651.

[3]潘宇倩，白东炜.电磁干扰的产生及PCB设计中的抑制方案[J].航天器工程，2007（3）:125-129.PAN Yu-qian，BAI Dong-wei.Cause of EMI and restraining scheme in PCB design[J].Spacecraft Engineering，2007（3）:125-129.

[4]胡志勇.满足高性能多层印制板的设计[J].印制电路信息，2007（10）:18-21.HU Zhi-yong.Desingning for high performance multilayer PCBs[J].Printed Circuit Information，2007（10）:18-21.

[5]张伟，孙颖，赵晶.电路设计与制板Protel 99SE高级应用[M].北京：人民邮电出版社，2007.

[6]赵金燕.动物食品可溯源“RFID-条码”标识技术的研究[D].云南:云南农业大学，2008.

[7]曹志勇，王全春，吴兴勇，等.畜产品生产追溯系统的构建[J].安徽农业科学，2010，38（14）:7451-7453.CAO Zhi-yong，WANG Quan-chun，WU Xing-yong，et al.Traceability system construction of livestock products production[J].Journal of Anhui Agricultural Science，2010，38（14）：7451-7453.