一种基于多RFID天线的奶牛占位识别方法

摘要

一种基于多RFID天线的奶牛占位识别方法，包括转盘式挤奶设备，其特征在于包括控制系统、一组RFID天线、光电传感器、一组光电开关、牛只占位传感器和牛只标签；其中，牛只标签位于每头牛的身体上；将各个RFID的信息与各个传感器的信息进行有效的融合，使得牛只的编号可以和该牛挤奶的牛栏编号对应起来，需要人工抄录牛只编号的问题和单天线低功率查全率不高的问题，最终的查全率与正确率很高，能达到99％左右。

说明书

技术领域

本发明涉及奶牛自动化养殖领域，具体涉及一种基于多RFID天线的奶牛占位识别 方法。

背景技术

转盘式挤奶设备一种高效率的挤奶设备，在运行过程中保持低速旋转状态，转一圈 耗时为8-10分钟，一个转盘一般会有40到80个栏位，每个栏位对应可以进入一头牛， 每个栏位都有一个不变的编号，也都有一套挤奶设备，这套挤奶设备为每一头牛挤奶的 同时可以统计出该头牛这次挤出的奶量，这个奶量是利用LED数码管显示的。如图1所 示，最上方的箭头代表转盘的旋转方向，下方的两个箭头代表牛只的移动方向。以一头 牛的挤奶过程为例，待挤奶的牛依次从进栏口进入挤奶转盘，工作人员将消毒后的挤奶 设备套在牛的乳头上，这套挤奶设备会在这头牛对应的栏位随着转盘的转动到出栏口之 前完成挤奶工作，等栏位转到出栏口时，牛就会自己退出转盘，从而完成自动挤奶工作。

RFID技术是一种非接触式的自动识别技术，其基本原理是利用射频信号和空间耦合 (电感或电磁耦合)传输特性，实现对被识别物体的自动识别，RFID系统一般由4个 部分组成，分别为电子标签，阅读器，馈线和天线。

其中标签和阅读器工作时所使用的频率称为RFID工作频率，目前RFID使用的频率 跨越低频，高频，超高频，微波等多个频段。

而天线作为整个RFID系统中的一个重要组成部分，其极化方式也是十分重要的， 天线的极化具体的定义为：在最大增益方向上，作发射时其辐射电磁波的极化，或作接 收时能使天线终端得到最大可用功率的方向入射电磁波的极化。这里电磁波的极化指在 空间某位置上，沿电磁波的传播方向看去，其电场矢量在空间的取向随时间变化所描绘 出的轨迹。如果这个轨迹是一条直线，则称为线极化；如果是一个圆，则称为圆极化； 如果是一个椭圆，则称为椭圆极化。其中线极化与圆极化是椭圆极化的两种特殊情况。

目前，对于牛位识别方法主要有两种：一种是转盘会提供人为输入牛号的功能，另 一种是利用单天线，低功率的扫描方式，当天线扫描到牛只的标签时，说明牛只进入相 应的栏位，这两种方式中第一种工作效率太低，需要人员不停地手动输入，而且如果是 长时间的录入过程，人员的疲劳也会导致输入耳号的错误，第二种虽然在效率上有所提 高，但由于是单天线低功率就导致了不能将所有的牛只都扫描到，即普遍的查全率比较 低。因此我们就迫切需要一种新的识别方式用于提高现行的识别方法。RFID技术为我们 解决上述问题提供了一种新的思路。

如何解决现有技术中牛只扫描工作效率低、查全率低且错误率高的问题，成为了现 有技术发展的重要方向。

发明内容

发明目的：为了解决现有技术中牛只扫描工作效率低、查全率低且错误率高的问题， 本发明提供一种基于多RFID天线的奶牛占位识别方法，通过RFID识别和传感器的运用， 解决了现有技术的不足。

技术方案：一种基于多RFID天线的奶牛占位识别方法，包括转盘式挤奶设备，其 特征在于包括控制系统、一组RFID天线、光电传感器、一组光电开关、牛只占位传感 器和牛只标签；其中，牛只标签位于每头牛的身体上；

控制系统包括：一体机、IO板卡和路由器；

所述RFID天线包括：栏位天线、进栏口天线、转盘天线和RFID读写器；

光电传感器包括牛只占位传感器和栏位细分化光电传感器；

具体的牛位检测包括如下步骤：

(1)RFID栏位识别：用于获得当前转盘栏位号；转盘式挤奶设备转动中，栏位天 线用于获取相应的栏位号；

检测到的当前的栏号为M时，则奶牛实际正对进栏口的栏位为M+2；

(2)RFID进栏口牛只识别：用于判断牛只是否经过转盘的进牛口处；牛只经过栏 位的进栏口，进栏口天线读取到该头牛的牛只标签的信息时，开始存储当前牛只的信息， 并记录下该牛只在进栏口天线读取过程中的消失时间点；

(3)RFID转盘牛只识别：用于判断牛只是否进入转盘；牛只经过进栏口后继续前 进，当转盘天线检测到该牛的牛只标签信息时，确认该牛只是否经过步骤2)中进栏口 天线的读取，如经过进栏口天线的读取，则转盘天线开始存储该牛只标签的信息，并记 录下该牛只经过进栏口天线的起始时间点；

(4)牛只占位检测：通过牛只占位传感器辅助转盘牛只识别天线判断牛只是否进 入转盘；

(5)光电开关检测：判断转盘的正反转，用于牛只信息及牛只检测传感器的精确 检测。

作为优选，所述光电传感器为镜面反射光电传感器。镜面反射光电传感器为反射式 光电传感器，在光电传感器正前方一定距离存在可以反光的物体就可以激发光电传感器 发出信号，可操作性高。

作为优选，所述FRID天线为圆极化天线。圆极化天线能够顾抗多径反射，效果较 普通极化天线好。

作为优选，所述牛只占位传感器为背景抑制型光电传感器。背景抑制型光电传感器 适用于要求传感器能够检测到非常接近反射背景的目标的应用，对背景的抑制效果很 好。

有益效果：本发明提供的多RFID天线的奶牛占位识别方法，将各个RFID的信息与 各个传感器的信息进行有效的融合，使得牛只的编号可以和该牛挤奶的牛栏编号对应起 来，需要人工抄录牛只编号的问题和单天线低功率查全率不高的问题，最终的查全率与 正确率很高，能达到99％左右。

通过多RFID天线的识别，能够多次检测牛只信号；在进栏口、转盘等位置多次检 测，减少了误差的产生；只要牛只从进栏口经过走入转盘就可完成具体的占位识别，整 个过程无需人工操作，解决原有的单天线查全率低下的问题，提高了系统的识别率即稳 定性；使用对方向敏感性较低的圆极化天线，避免了位于牛只头部的牛只标签跟随牛头 部运动呈现的方向无序性对天线采集信息的影响。

附图说明

图1为转盘挤奶设备示意图

图2为系统框架图

图3为栏位细分化光电传感器原理示意图

具体实施方式

下面结合附图对本发明做更进一步的解释。图中，栏位天线1、摄像头2、进栏口 天线3、转盘天线4、牛只占位传感器5、多圈牛只检测传感器6、栏位细分化光电传感 器、栏位柱8、反光镜片9。

在图1中栏位天线1利用RFID技术扫描牛栏的电子标签，得到牛栏号的序列，每 只牛在牛耳朵处挂有电子标签，可以用同种类型的天线读取牛只的编号，摄像机2利用 图像处理技术读取LED数码管显示的奶量。整个奶量采集系统要做的就是将奶牛的编号 与奶量对应起来，而从图中可以看出牛栏号序列与摄像头的奶量时对应的，因为栏位天 线和摄像头的位置是固定不变的，牛栏天线的第一个牛栏号就对应摄像头读到第一个奶 量数据，依次类推。只要能把牛的编号与栏位号的关系找到就可以将牛的编号与奶量对 应起来了，这就涉及到本发明的一种基于多RFID天线的奶牛占位识别方法。

一种基于多RFID天线的奶牛占位识别方法，包括如图1所示的转盘式挤奶设备， 以一体机作为控制核心，包括控制系统、一组RFID天线、光电传感器、一组光电开关、 牛只占位传感器和牛只标签。牛只标签一般位于牛耳上，即耳牌。

控制系统包括：一体机、IO板卡和路由器；

所述RFID天线包括：栏位天线、进栏口天线、转盘天线和RFID读写器；

光电传感器包括牛只占位传感器、多圈牛只检测传感器和栏位细分化光电传感器它 们都是反射式光电传感器，在光电传感器正前方一定距离存在可以反光的物体就可以激 发光电传感器发出信号，本实例中的奶牛与反光镜片都属于这类物体；

具体包括以下步骤：

(1)RFID栏位识别：用于获得当前转盘栏位号；转盘式挤奶设备转动中，栏位天 线用于获取相应的栏位号；

检测到的当前的栏号为M时，则奶牛实际正对进栏口的栏位为M+2；

(2)RFID进栏口牛只识别：用于判断牛只是否经过转盘的进牛口处；牛只经过栏 位的进栏口，进栏口天线读取到该头牛的牛只标签的信息时，开始存储当前牛只的信息， 并记录下该牛只在进栏口天线读取过程中的消失时间点；

(3)RFID转盘牛只识别：用于判断牛只是否进入转盘；牛只经过进栏口后继续前 进，当转盘天线检测到该牛的牛只标签信息时，确认该牛只是否经过步骤2)中进栏口 天线的读取，如经过进栏口天线的读取，则转盘天线开始存储该牛只标签的信息，并记 录下该牛只经过进栏口天线的起始时间点；

(4)牛只占位检测：通过牛只占位传感器辅助转盘牛只识别天线判断牛只是否进 入转盘；

(5)光电开关检测：判断转盘的正反转，用于牛只信息及牛只检测传感器的精确 检测。

本实例中，所选的RFID天线为频率在860M～960MHz之间的超高频圆极化天线，其 具有读写速度快，单次读写多个标签以及读写距离远的特性，并且由于牛只标签(耳牌) 随着牛只头部运动呈现的方向无序性，此处我们选用对方向敏感性较低的圆极化天线， 而且考虑到实际现场的安装情况，我们选用网线进行一体机与读写器之间的通信。

本实例中，光电传感器部分包含由六个镜面反射光电传感器构成的栏位细分化光电 传感器、牛只占位识别传感器与多圈牛只检测传感器。如图2所示，牛只占位传感器5 就是一个光电传感器，有牛时反射的光线比无牛时强，这样可以判断这个牛栏此时有没 有牛。镜面反射光电传感器是固定位置只有一组，而反光镜面是每个栏位都安装反光镜 面固定在每个栏位的栏位柱上，栏位随着转盘转动会依次激发六个面反射光电传感器发 出信号。

其中构成栏位细分化光电传感器的六个镜面反射传感器检测距离为1米，由于每个 栏位宽度为80CM，所以选择使用越13.5CM的安装间隔将每个栏位均匀六等分，主要用 于转盘反转，停转等情况的辅助识别。因为有时候牛在进栏时不是非常顺利，有时会卡 住，这时工作人员会将转盘停转或反转，这会影响识别结果，所以要设置栏位细分化光 电传感器用于用于判别转盘反转，停转等情况。判别过程如下：在图3栏位细分化光电 传感器原理示意图中每一个栏位都有两个跟相邻栏位公用的栏位柱8，在每个栏位柱上 固定一个反光镜面9，反光镜面9的高度与光电传感器7高度相对应，这样栏位柱8与 反光镜面9是随着转盘转动的，而栏位细分化光电传感器7是固定不动的，当反光镜面 9转到处于光电传感器7的正前方时就可以激发对应的光电传感器，这样就可以利用六 个光电传感器的激发顺序判断转盘的运动情况。举个例子，如图3所示，假设六个光电 传感器的编号从左至右为1到6，转盘正转的旋转方向向左，转盘正转时右边的反光镜 面就会依次扫过编号为6、5、4、3、2、1的光电传感器。出现传感器编号减序时为正 转，同理传感器编号增序时为反转，自然的，出现传感器编号不变时为停转。该传感器 除了判断正反停转外，还有一个重要的作用就是实时的了解转到哪一个栏，即，出现一 次6、5、4、3、2、1的光电传感器的触发顺序就知道整个转盘已经转过一个栏位。

考虑到天线扫描范围较广以及各栏位牛只之间间隔较近的因素，我们选用背景抑制 型光电传感器作为牛只占位识别传感器，其可以在2米的范围内人为设定识别距离，而 且对黑白的敏感程度较小，对牛背黑白相间的抵抗能力较强。

在转盘转动过程中实时的用栏位天线对栏位的电子标签进行识别，可以得到栏位的 序列，如图2所示，可以看出栏位天线对扫到的栏位的电子标签跟进栏口栏位的编号关 系相差2，即检测到的当前的栏号为M时，则奶牛实际正对进栏口的栏位为M+2。如图2 由于整个转盘是处于旋转状态，进栏口宽度肯定要大于栏位的宽度，奶牛有可能进入M+1 栏位，同时为了保证天线不漏过每一个牛只信息，所以要隔两个栏位。

每头牛在进入进栏口时，如图2中，进栏口天线3可以读取位于各个牛牛耳上的电 子标签，得到这头牛的编号。存储当前牛只的信息，并记录下该牛只在进栏口天线读取 过程中的消失时间点。由于为了保证牛只的查全率，本发明会有意加大天线的功率，使 得天线的扫描区域变大，会有可能扫到别的牛只信息，使得正确率会下降。本发明采用 增加一个转盘天线的方法保证正确率。在牛只过了进栏口后会进入牛栏中，当完全进入 牛栏中时转盘天线会检测到该牛的牛只标签的信息，记录下这个信息的起始时间点，将 进栏口天线信息消失时间点与转盘天线信息起始时间点进行结合判断牛只进入转盘的 编号序列。

但是由于转盘的转动，为了保证牛能顺利的进入转盘，往往进栏口的宽度会大于栏 位的宽度，如图2所示，假设栏位天线对应的栏号为M，它右边的栏位的栏号为M+1， 以此类推，正常情况奶牛会进入M+2号栏位，但是有时有的奶牛会反映慢，等到它进入 时会停顿一下，导致正常应该进入M+2号栏位时，转盘会将M+2号栏位转到现在的M+1 号的位置，此时这头牛无论是挤着进入空着的M+2号栏位或是等着进入M+3号栏位。这 只牛的牛只信息都满足上述所说的进栏口天线信号消失之后转盘天线信号出现的规律， 如果奶牛进入的是M+2号栏位结果时正确的，但是如果奶牛进入的M+3号栏位就会使牛 只信息不能和栏位信息对应，并且是整个错开一位，这种结果是不能满足要求的，因此 本发明加入了图2所示的牛只占位传感器5，有了牛只占位传感器的信号结合之前所说 的栏位细分化光电传感器的转盘转动情况就可以判断奶牛到底进的是M+2还是M+3栏 中。

最后，有的奶牛产奶量大，可能会出现转盘转一圈奶还没挤完的情况，这时工作人 员会在奶牛所处的栏位转到出栏口之前用铁链将这个栏位封住，不让该头牛在出栏口出 来，这样也会影响结果。增加图2所示的多圈牛只检测传感器6可以实时判断这个栏位 有没有出现多圈的情况，这样就能完成奶牛占位识别的工作。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员 来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也 应视为本发明的保护范围。