阅读说明：本技术 一种lf-rfid阵列监测装置及其监测方法 (LF-RFID array monitoring device and monitoring method thereof ) 是由 孙继禹 李冬明 王梅雪 于 2019-10-09 设计创作，主要内容包括：一种LF-RFID阵列监测装置及其监测方法,属于无线监测装置领域,本发明提供了一种能够长距离定位、实时监测动物轨迹、使用寿命长的LF-RFID阵列监测装置及其监测方法。本发明中,无源标签固定在动物体上,阅读器分别安装在每个线圈中间；无源标签分别与阅读器无线连接,阅读器的三个端点分别为5V电源端、GND接地端和串口端,串口端与数据处理中心的输入端连接,5V电源端用于对阅读器供电,阅读器将实时数据发送至数据处理中心。将待监测的动物放在待监测区域内,将无源标签固定在待监测的动物体上；将线圈按阵列固定在待监测区域上方,将多组阅读器通过串口分别与数据处理中心连接。本发明主要用于无线监测。(The invention discloses an LF-RFID array monitoring device and a monitoring method thereof, belongs to the field of wireless monitoring devices, and provides the LF-RFID array monitoring device and the monitoring method thereof, which can realize long-distance positioning and real-time monitoring of animal tracks and have long service life. In the invention, the passive tag is fixed on an animal body, and the readers are respectively arranged in the middle of each coil; the passive tag is respectively in wireless connection with the reader, three endpoints of the reader are respectively a 5V power end, a GND grounding end and a serial port end, the serial port end is connected with the input end of the data processing center, the 5V power end is used for supplying power to the reader, and the reader sends real-time data to the data processing center. Placing an animal to be monitored in an area to be monitored, and fixing a passive tag on the animal to be monitored; the coils are fixed above the area to be monitored according to an array, and the plurality of groups of readers are respectively connected with the data processing center through serial ports. The invention is mainly used for wireless monitoring.)

一种LF-RFID阵列监测装置及其监测方法

技术领域

本发明属于无线监测装置领域，具体涉及一种LF-RFID阵列监测装置及其监测方法。

背景技术

射频识别技术(RFID)是一种自动识别技术，依靠电磁感应进行非接触式通信以达到目标识别和数据交换的目的，根据工作频率不同，RFID标签分为低频(LF)、高频(HF)和超高频(UHF)等类型，不同频率的RFID系统的工作原理和识别距离不同。要实现对无源低频标签的读取，必须依靠电磁感应产生足够的能量来驱动标签里的芯片，因此标签须位于阅读器天线辐射的近场区内，这导致了LF-RFID的通信距离较短。近年来，RFID无源标签在动物个体识别领域表现优异，可以通过阅读器方便地读取动物的编号信息，但仅凭单个感应线圈，不能完成对动物运动轨迹及生活习性的监测。

因此，就需要一种能够长距离定位、实时监测动物轨迹、使用寿命长的LF-RFID阵列监测装置及其监测方法。

发明内容

本发明针对现有的监测装置不能长距离监测、不能实时监测、使用寿命短的缺陷，提供了一种能够长距离定位、实时监测动物轨迹、使用寿命长的LF-RFID阵列监测装置及其监测方法。

本发明所涉及的一种LF-RFID阵列监测装置及其监测方法的技术方案如下：

本发明所涉及的一种LF-RFID阵列监测装置，它包括无源标签、多个线圈、多个阅读器和数据处理中心；所述每个无源标签固定在动物体上，所述多个线圈形成LF-RFID阵列，所述每个阅读器分别安装在每个线圈中间；所述每个无源标签分别与每个阅读器无线连接，所述每个阅读器的三个端点分别为5V电源端、GND接地端和串口端，所述串口端与数据处理中心的输入端连接，所述5V电源端用于对阅读器供电，所述每个阅读器将实时数据发送至数据处理中心。

进一步地：所述每个阅读器包括调制电路、谐振电路、放大电路和整流电路，所述放大电路和谐振电路的输入端均与调制电路的输出端连接，所述谐振电路和放大电路的输出端均与整流电路的输入端连接，所述整流电路的输出端与数据处理中心的输入端连接。

进一步地：所述调制电路包括微控芯片ATTINY13-10U、电阻R503、R504、R505、R521、R530、电容C504、电源VCC3.3，所述微控芯片ATTINY13-10U的引脚PB4与通过电阻R504与电源VCC3.3连接，所述微控芯片ATTINY13-10U的引脚VCC与电源VCC3.3连接，所述微控芯片ATTINY13-10U的引脚VCC通过电容C504接地，所述微控芯片ATTINY13-10U的引脚PB2通过电阻R530接地，所述微控芯片ATTINY13-10U的引脚PB2通过电阻R503与电源VCC3.3连接，所述微控芯片ATTINY13-10U的引脚PB0通过电阻R521接地。

进一步地：所述谐振电路包括逻辑芯片CD4060B、电阻R501、R502、电容C502、C503、C504、晶体Y501，所述逻辑芯片CD4060B的引脚T0与微控芯片ATTINY13-10U的引脚PB3连接，所述逻辑芯片CD4060B的引脚T1通过电容C501接地，所述逻辑芯片CD4060B的引脚T2依次通过电阻R502和电容C502接地，所述晶体Y501的两端分别与逻辑芯片CD4060B的引脚T1和引脚T2连接，所述电阻R501与晶体Y501并联，所述逻辑芯片CD4060B的引脚RST与引脚GND连接且接地，所述逻辑芯片CD4060B的引脚VDD与电源VCC3.3连接，所述电容C503的两端分别与逻辑芯片CD4060B的引脚VDD和引脚GND连接。

进一步地：所述放大电路包括放大芯片LM358、电阻R507、R508、R509、R510、R511、R512、R513、R514、R515、R516、R517、R518、R519、R520、R522、电容C505、C509、C510、C511、C513、C514、C515、C516、电感、L501、二极管D501、晶闸管Q501、Q502，所述放大芯片LM358的引脚VIO通过电阻R508与微控芯片ATTINY13-10U的引脚PB0连接，所述放大芯片LM358的引脚VIO与引脚V1+并联且通过电阻R515接地，所述放大芯片LM358的引脚V1-通过电阻R512接地，所述电阻R510的一端与电源VCC3.3连接、另一端接入电阻R512和放大芯片LM358的引脚V1-之间，所述电阻R513的两端分别与放大芯片LM358的引脚V1-和引脚V1+连接，所述电阻R517的一端接入放大芯片LM358的引脚V1+和电阻R515之间、另一端通过电容C515接地，所述放大芯片LM358的引脚GND与电容C515的接地端连接，所述放大芯片LM358的引脚VCC与电源VCC3.3连接，所述电阻R514的两端分别与放大芯片LM358的引脚V2O和引脚V2-连接，所述电容C510与电阻R514并联，所述放大芯片LM358的引脚V2O依次通过电容C509和电阻R509与放大芯片LM358的引脚VI+连接，所述放大芯片LM358的引脚V2-与引脚V2+连接，所述放大芯片LM358的引脚V2+分别通过电阻R518、电阻R519、电容C513、电阻R520和电容C514接地，所述电容C516的一端接入电容C513和放大芯片LM358的引脚V2+之间、另一端接入电阻R520和放大芯片LM358的引脚V2+之间，所述二极管D501的一端接入电阻R520和电容C516之间、另一端依次通过电阻R516和电容C511接地，所述晶闸管Q501的集电极与电源VCC3.3连接，所述晶闸管Q501的集电极通过电容C505接地，所述晶闸管Q501的基极与晶闸管Q502的基极连接，所述晶闸管Q501的发射极与晶闸管Q502的集电极连接，所述晶闸管Q502的发射极接地，所述电阻R511的两端分别与晶闸管Q502的基极和发射极连接，所述电阻R508的一端接入晶闸管Q501的发射极和晶闸管Q502的集电极之间、另一端依次通过电阻R508、电感L501和电容C511接地，所述电阻R507的一端接入晶闸管Q501的基极和晶闸管Q502的基极之间、另一端与逻辑芯片CD4060B的引脚Q5连接。

进一步地：所述整流电路包括射频芯片RF125-IC、电阻R1、R2、R3、R4、R5、R6、电容C1、C2、C3、C4、二极管D5、接线端子J1，所述射频芯片RF125-IC的引脚A1依次通过电阻R5、电容C3和电容C2接地，所述电阻R6与电容C2并联，所述射频芯片RF125-IC的引脚VCC与接线端子J1的端口2连接，所述射频芯片RF125-IC的引脚A2接入电阻R5与电容C3之间，所述射频芯片RF125-IC的引脚GND接地，所述射频芯片RF125-IC的引脚XH与接线端子J1的端口4连接，所述射频芯片RF125-IC的引脚TXD与接线端子J1的端口3连接，所述射频芯片RF125-IC的引脚LS与接线端子J1的端口5连接，所述射频芯片RF125-IC的引脚L通过电阻R2与接线端子J1的端口6连接，所述电阻R1的一端与接线端子J1的端口2连接、另一端与接线端子J1的端口6连接，所述接线端子J1的端口7通过电容C1接地，所述二极管D5的一端与接线端子J1的端口7连接、另一端接入电容C3和电容C2之间，所述电容C4的一端与电容C1的接地端连接、另一端与射频芯片RF125-IC的引脚A1连接，所述电阻R3的两端分别与射频芯片RF125-IC的引脚VCC和引脚A1连接，所述电阻R4的一端与射频芯片RF125-IC的引脚A1连接、另一端接地；所述微控芯片ATTINY13-10U的引脚PB1通过电阻R505与二极管D5的阴极连接。

一种基于所述的LF-RFID阵列监测装置的监测方法，它包括以下步骤：

步骤一、将待监测的动物放在待监测区域内，将无源标签固定在待监测的动物体上；

步骤二、将多组阅读器放置在线圈内，将线圈按阵列固定在待监测区域上方，将多组阅读器通过串口分别与数据处理中心连接；

步骤三，所述多组阅读器实时监测无源标签的位置，并生成运动轨迹传输给数据处理中心。

本发明所涉及的一种LF-RFID阵列监测装置及其监测方法的有益效果是：

本发明所涉及的一种LF-RFID阵列监测装置及其监测方法，当佩戴低频无源标签的动物在笼子里活动的时候，不同的阅读器持续感应标签的位置，所有的位置数据形成一条轨迹，从而达到对动物运动轨迹的监测，当被观测动物长时间停留在一个位置或频繁运动(躁动)时，观测人员可以远程了解到，观测人员可以通过这些数据预判待观测动物的生活***米9个正方形线圈，具有功耗小、成本低、寿命长的优点。本装置能够实时监测，阅读器读取到的信息通过串口实时发送至数据处理中心，无需人工干预，阅读器一旦扫描到标签，该监测装置将自动运作。

附图说明

图1为一种LF-RFID阵列监测装置每平方米的结构示意图；

图2为阅读器的结构连接示意图；

图3为阅读器的结构框图；

图4为每平米内阅读器的监测信号轨迹图；

图5为阅读器的电路一图；

图6为阅读器的电路二图；

图7为一种LF-RFID阵列监测装置的监测方法流程图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明的技术方案做进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。

实施例1

结合图1-图7说明本实施例，在本实施例中，本实施例所涉及的一种LF-RFID阵列监测装置，它包括无源标签、多个线圈、多个阅读器和数据处理中心；所述每个无源标签固定在动物体上，所述多个线圈形成LF-RFID阵列，所述每个阅读器分别安装在每个线圈中间；所述每个无源标签分别与每个阅读器无线连接，所述每个阅读器的三个端点分别为5V电源端、GND接地端和串口端，所述串口端与数据处理中心的输入端连接，所述5V电源端用于对阅读器供电，所述每个阅读器将实时数据发送至数据处理中心。本装置是基于低频射频识别(LF-RFID)阵列的监测装置，包括无源标签、线圈、阅读器和数据处理中心。以图1的尺寸为例，边长200mm的线圈3*3排列分布，每两个线圈之间的距离为200mm，能够完成了对1m²大小面积的监测，感应距离可以达到1m。如图2所示，该装置电路结构相对简单，每个线圈中间安装一个自制阅读器，所有阅读器由3根线连接在一起，即5V的电源、GND以及串口，电源对阅读器供电，串口将实时数据发送至数据处理中心。本装置可以工作在恶劣的工作环境下，灰尘、黑暗及动物粪便不会对通信产生干扰；LF-RFID阵列包含多个阅读器，在指定空间内可以实现无死角阅读；通信距离增大，LF-RFID阵列的读取距离可达到1m。本装置所使用的标签为无源标签，无需充电或更换电池，依靠电磁感应获得能量；阅读器的接入电压仅5V，每平米9个正方形线圈，具有功耗小、成本低、寿命长的优点。本装置的另一个优点为实时监测，阅读器读取到的信息通过串口实时发送至数据处理中心，无需人工干预，阅读器一旦扫描到标签，该监测装置将自动运作。

更为具体地：所述每个阅读器包括调制电路、谐振电路、放大电路和整流电路，所述放大电路和谐振电路的输入端均与调制电路的输出端连接，所述谐振电路和放大电路的输出端均与整流电路的输入端连接，所述整流电路的输出端与数据处理中心的输入端连接。阅读器具体结构如图3所示，从原理图可以看出，自制阅读器包含调制电路、谐振电路、放大电路、整流电路。笼子为底面积等于5m*5m、高小于1m的长方体，在笼子的顶部安装该装置的阅读器部分，根据感应距离计算出25m2的面积内需要安装45个阅读器，图4所示为其中一平方米面积内的安装示意图。线圈为边长20cm的正方形，相邻两个线圈之间的距离为20cm，阅读器安装在线圈的中心，所有的阅读器均与5V电源和串口相连。将该装置安装在笼子顶部，接入5V电源后，当佩戴无缘标签的小动物进入小于感应距离的空间内，该装置将自动运行。将笼子简化为一个上下底面积均为25m2、高小于1m的长方体，将该装置安装在长方体上底面，无源RFID标签佩戴在监测目标腿上或其他部位，当监测目标进入笼子后，标签通过磁场耦合得到能量，阅读器获得脉冲调幅信号，检波后恢复低频脉冲信号，若标签携带了监测目标的编号信息，那么解码后获得的就是该监测目标的编号，串口将获取到的信息实时传至数据处理中心。假设在一段时间内，1号、2号、4号、9号阅读器均读取到该信号，数据处理中心通过数据处理获得该监测目标的活动轨迹，如图4所示；假设在一段时间内，只有9号阅读器读取到监测目标的信号，那么数据处理中心认为该监测目标在该时段内停留在在笼子的右下角，如果右下角放了食盆或者右下角光线较其他地方不一样，则这些信息还可以帮助研究人员推测监测目标的生活习性。

更为具体地：如图5所示，所述调制电路包括微控芯片ATTINY13-10U、电阻R503、R504、R505、R521、R530、电容C504、电源VCC3.3，所述微控芯片ATTINY13-10U的引脚PB4与通过电阻R504与电源VCC3.3连接，所述微控芯片ATTINY13-10U的引脚VCC与电源VCC3.3连接，所述微控芯片ATTINY13-10U的引脚VCC通过电容C504接地，所述微控芯片ATTINY13-10U的引脚PB2通过电阻R530接地，所述微控芯片ATTINY13-10U的引脚PB2通过电阻R503与电源VCC3.3连接，所述微控芯片ATTINY13-10U的引脚PB0通过电阻R521接地。ATTINY13是基于增强的AVRRISC结构的低功耗8位CMOS微控制器。由于其先进的指令集以及单时钟周期指令执行时间，ATTINY13的数据吞吐率高达1MIPS/MHz，从而可以缓减系统在功耗和处理速度之间的矛盾。(ALU)相连接，使得一条指令可以在一个时钟周期内同时访问两个独立的寄存器。这种结构大大提高了代码效率，并且具有比普通的CISC微控制器最高至10倍的数据吞吐率。ATTINY13有1K字节Flash，64字节EEPROM，64字节SRAM，6个通用I/O口线，32个通用工作寄存器，1个具有比较模式的8位定时器/计数器，片内/外中断，4路10位ADC，具有片内振荡器的可编程看门狗定时器，以及三种可以通过软件进行选择的省电模式。工作于空闲模式时CPU停止工作，而SRAM、T/C、ADC、模拟比较器以及中断系统继续工作；掉电模式时保存寄存器中值，停止除中断和硬件复位之外所有功能工作；ADC噪声抑制模式时终止CPU及ADC以外所有I/O模块的工作以降低ADC转换噪声。

更为具体地：如图5所示，所述谐振电路包括逻辑芯片CD4060B、电阻R501、R502、电容C502、C503、C504、晶体Y501，所述逻辑芯片CD4060B的引脚T0与微控芯片ATTINY13-10U的引脚PB3连接，所述逻辑芯片CD4060B的引脚T1通过电容C501接地，所述逻辑芯片CD4060B的引脚T2依次通过电阻R502和电容C502接地，所述晶体Y501的两端分别与逻辑芯片CD4060B的引脚T1和引脚T2连接，所述电阻R501与晶体Y501并联，所述逻辑芯片CD4060B的引脚RST与引脚GND连接且接地，所述逻辑芯片CD4060B的引脚VDD与电源VCC3.3连接，所述电容C503的两端分别与逻辑芯片CD4060B的引脚VDD和引脚GND连接。逻辑芯片CD4060B是4位二进制串行计数器。所有的计数器为主从触发器。计数器在时钟下降沿进行计数，CR为高电平时，对计数器进行清零。由于在时钟输入端使用斯密特触发器，对脉冲上升和下降时间无限制，所有输入和输出均经过缓冲。

更为具体地：如图5所示，所述放大电路包括放大芯片LM358、电阻R507、R508、R509、R510、R511、R512、R513、R514、R515、R516、R517、R518、R519、R520、R522、电容C505、C509、C510、C511、C513、C514、C515、C516、电感、L501、二极管D501、晶闸管Q501、Q502，所述放大芯片LM358的引脚VIO通过电阻R508与微控芯片ATTINY13-10U的引脚PB0连接，所述放大芯片LM358的引脚VIO与引脚V1+并联且通过电阻R515接地，所述放大芯片LM358的引脚V1-通过电阻R512接地，所述电阻R510的一端与电源VCC3.3连接、另一端接入电阻R512和放大芯片LM358的引脚V1-之间，所述电阻R513的两端分别与放大芯片LM358的引脚V1-和引脚V1+连接，所述电阻R517的一端接入放大芯片LM358的引脚V1+和电阻R515之间、另一端通过电容C515接地，所述放大芯片LM358的引脚GND与电容C515的接地端连接，所述放大芯片LM358的引脚VCC与电源VCC3.3连接，所述电阻R514的两端分别与放大芯片LM358的引脚V2O和引脚V2-连接，所述电容C510与电阻R514并联，所述放大芯片LM358的引脚V2O依次通过电容C509和电阻R509与放大芯片LM358的引脚VI+连接，所述放大芯片LM358的引脚V2-与引脚V2+连接，所述放大芯片LM358的引脚V2+分别通过电阻R518、电阻R519、电容C513、电阻R520和电容C514接地，所述电容C516的一端接入电容C513和放大芯片LM358的引脚V2+之间、另一端接入电阻R520和放大芯片LM358的引脚V2+之间，所述二极管D501的一端接入电阻R520和电容C516之间、另一端依次通过电阻R516和电容C511接地，所述晶闸管Q501的集电极与电源VCC3.3连接，所述晶闸管Q501的集电极通过电容C505接地，所述晶闸管Q501的基极与晶闸管Q502的基极连接，所述晶闸管Q501的发射极与晶闸管Q502的集电极连接，所述晶闸管Q502的发射极接地，所述电阻R511的两端分别与晶闸管Q502的基极和发射极连接，所述电阻R508的一端接入晶闸管Q501的发射极和晶闸管Q502的集电极之间、另一端依次通过电阻R508、电感L501和电容C511接地，所述电阻R507的一端接入晶闸管Q501的基极和晶闸管Q502的基极之间、另一端与逻辑芯片CD4060B的引脚Q5连接。

更为具体地：如图6所示，所述整流电路包括射频芯片RF125-IC、电阻R1、R2、R3、R4、R5、R6、电容C1、C2、C3、C4、二极管D5、接线端子J1，所述射频芯片RF125-IC的引脚A1依次通过电阻R5、电容C3和电容C2接地，所述电阻R6与电容C2并联，所述射频芯片RF125-IC的引脚VCC与接线端子J1的端口2连接，所述射频芯片RF125-IC的引脚A2接入电阻R5与电容C3之间，所述射频芯片RF125-IC的引脚GND接地，所述射频芯片RF125-IC的引脚XH与接线端子J1的端口4连接，所述射频芯片RF125-IC的引脚TXD与接线端子J1的端口3连接，所述射频芯片RF125-IC的引脚LS与接线端子J1的端口5连接，所述射频芯片RF125-IC的引脚L通过电阻R2与接线端子J1的端口6连接，所述电阻R1的一端与接线端子J1的端口2连接、另一端与接线端子J1的端口6连接，所述接线端子J1的端口7通过电容C1接地，所述二极管D5的一端与接线端子J1的端口7连接、另一端接入电容C3和电容C2之间，所述电容C4的一端与电容C1的接地端连接、另一端与射频芯片RF125-IC的引脚A1连接，所述电阻R3的两端分别与射频芯片RF125-IC的引脚VCC和引脚A1连接，所述电阻R4的一端与射频芯片RF125-IC的引脚A1连接、另一端接地；所述微控芯片ATTINY13-10U的引脚PB1通过电阻R505与二极管D5的阴极连接。

实施例2

结合图7和实施例1说明本实施例，在本实施例中，本实施例所涉及的一种基于所述的LF-RFID阵列监测装置的监测方法，它包括以下步骤：

步骤一、将待监测的动物放在待监测区域内，将无源标签固定在待监测的动物体上；

步骤二、将多组阅读器放置在线圈内，将线圈按阵列固定在待监测区域上方，将多组阅读器通过串口分别与数据处理中心连接；

步骤三，所述多组阅读器实时监测无源标签的位置，并生成运动轨迹传输给数据处理中心。

该装置用于实验室动物监测，将待观测的动物(如小白鼠)放在笼子里，在笼子的顶部安装该LF-RFID阵列监测装置，当佩戴低频无源标签的动物在笼子里活动的时候，不同的阅读器持续感应标签的位置，所有的位置数据形成一条轨迹，从而达到对动物运动轨迹的监测，当被观测动物长时间停留在一个位置或频繁运动(躁动)时，观测人员可以远程了解到，除此之外，观测人员还可以通过这些数据预判待观测动物的生活习性。