Способ радиочастотной идентификации крупного и мелкого рогатого скота и устройство для его реализации
METHOD FOR RADIO-FREQUENCY IDENTIFICATION OF LARGE AND SMALL CATTLE AND DEVICE FOR IMPLEMENTATION THEREOF

Предлагаемые способ и устройство относятся к животноводству, особенно к скотоводству, охоте, лесному и подсобному хозяйствам, и могут быть использованы для идентификации и соблюдения ветеринарно-санитарных правил содержания животных.
Известны способы и устройства радиочастотной идентификации различных объектов (авт. свид. СССР №№1.054.887, 1.228.722, 1.627.832, 1.769.216, 1.773.191; патенты РФ №№2.054.694, 2.057.334, 2.105.993, 2.176.092, 2.183.033, 2.267.158, 2.326.404, 2.344.437, 2.388.157, 2.410.716, 2.426.148, 2.497.147, 2.535.742, 2.638.504; патенты США №№4.000.475, 4.042.970, 4.333.090, 4.743.898, 5.534.852, 6.483.427, 6.639.509; патенты Великобритании №№2.165.421, 2.261.751; патенты Франции №№2.197.408, 2.630.236, 2.687.240; патенты Германии №№4.231.800, 4.336.898; патенты ЕР №№0.242.906, 0.469.769. Бурлаков В. Радиочастотная идентификация. Электронные компоненты. 2005, №5, с. 55-60 и другие).
Из известных способов и устройств наиболее близким к предлагаемым является «Способ удаленной диагностики и лечения крупного и мелкого рогатого скота» (патент РФ №2.535.742, А01К 11/00, 2013), который и выбран в качестве прототипа.
Устройство, реализующее известный способ, отличается сложностью технической реализации и низкой надежностью радиочастотной идентификации крупного и мелкого рогатого скота.
Технической задачей изобретения является повышение надежности радиочастотной идентификации крупного и мелкого рогатого скота путем использования радиочастотных меток на поверхностных акустических волнах и сложных сигналов с фазовой манипуляцией.
Поставленная задача решается тем, что способ радиочастотной идентификации крупного и мелкого рогатого скота, характеризующийся, в соответствии с ближайшим аналогом, использованием капсулы, в которую помещают датчик температуры, отличается от ближайшего аналога тем, что капсулу размещают под кожей животного, в капсулу помещают пьезокристалл с нанесенными на его поверхность алюминиевым встречно-штыревым преобразователем поверхностных акустических волн, внутренняя структура которого соответствует идентификационному коду животного, чувствительным элементом, который используют в качестве датчика температуры, и набором отражателей, а оператора снабжают считывателем, в котором формируют гармоническое колебание высокой частоты, усиливают его по мощности, направленно облучают животное в месте размещения капсулы, в которой улавливают гармоническое колебание высокой частоты, преобразуют его в акустическую волну, обеспечивает ее распространение по поверхности пьезокристалла и обратное отражение, преобразуют отраженную акустическую волну в сложный сигнал с фазовой манипуляцией, излучают его в эфир, улавливают приемопередающей антенной считывателя, усиливают по мощности, умножают и делят по фазе на два, выделяют гармоническое напряжение, используют его в качестве опорного напряжения для синхронного детектирования сложного сигнала с фазовой манипуляцией и для сравнения по фазе с гармоническим колебанием задающего генератора, выделяют низкочастотное напряжение, пропорциональное идентификационному коду животного, и разность фаз, пропорциональную температуре животного, и регистрируют их.
Поставленная задача решается тем, что устройство для радиочастотной идентификации крупного и мелкого рогатого скота, содержащее, в соответствии с ближайшим аналогом, капсулу и датчик температуры, отличается от ближайшего аналога тем, что оно снабжено считывателем, пьезокристаллом, микрополосковой антенной, встречно-штыревым преобразователем и набором отражателей, причем считыватель выполнен в виде последовательно включенных задающего генератора, усилителя мощности, дуплексера, вход-выход которого связан с направленной приемопередающей антенной, усилителя высокой частоты, удвоителя фазы, делителя фазы на два, узкополосного фильтра, фазового детектора, второй вход которого соединен с выходом усилителя высокой частоты, и блока регистрации, второй выход задающего генератора и выход узкополосного фильтра через фазометр подключены к второму входу блока регистрации, капсула размещена под кожей животного, в капсуле размещен пьезокристалл, на поверхности которого последовательно нанесены микрополосковая антенна, алюминиевый встречно-штыревой преобразователь, датчик температуры и набор отражателей, при этом алюминиевый встречно-штыревой преобразователь выполнен в виде двух гребенчатых систем электродов, нанесенных на поверхность пьезокристалла, электроды каждой из гребенок соединены между собой шинами, которые связаны с микрополосковой приемопередающей антенной.
Структурная схема считывателя представлена на фиг. 1. Структурная схема капсулы изображена на фиг. 2. Временные диаграммы, поясняющие принцип работы устройства, показаны на фиг. 3.
Считыватель 1 содержит последовательно включенные задающий генератор 2, усилитель 3 мощности, дуплексер 4, вход-выход которого связан с направленной приемопередающей антенной 5, усилитель 6 высокой частоты, удвоитель 7 фазы, делитель 8 фазы на два, узкополосный фильтр 9, фазовый детектор 10, второй вход которого соединен с выходом усилителя 6 высокой частоты, и блок регистрации 12, второй вход которого через фазометр 11 соединен с вторым выходом задающего генератора 2 и с выходом узкополосного фильтра 9.
В капсулу помещен пьезокристалл 13, на поверхность которого последовательно нанесены приемопередающая микрополосковая антенна 14, алюминиевый встречно-штыревой преобразователь (ВШП), чувствительный элемент (датчик температуры) 18 и набор отражателей 19. ВШП выполнен в виде двух гребенчатых систем электродов 15, нанесенных на поверхность пьезокристалла 13. Электроды каждой из гребенок соединены между собой шинами 16 и 17, которые связаны с микрополосковой приемопередающей антенной 14.
Изготовление ВШП осуществляется стандартными методами фотолитографии и травлением тонкой металлической пленки, осажденной на пьезоэлектрическом кристалле. Возможности современной фотолитографии позволяют создавать ВШП, работающие на частотах до 3 ГГц.
Капсулу с радиочастотной меткой размещают под кожей животного стандартным методом, известным в ветеринарной практике.
Устройство, реализующее предлагаемый способ радиочастотной идентификации крупного и мелкого рогатого скота, работает следующим образом.
При включении оператором считывателя 1 задающим генератором 2 формируется гармоническое высокочастотное колебание (фиг. 3, а)
c
с
с
с
где U, ω, ϕ, Т - амплитуда, несущая частота, начальная фаза и длительность гармонического колебания;
которое после усиления в усилителе 3 мощности через дуплексер 4 поступает в направленную (например, рупорную) приемопередающую антенну 5 и излучается ею в эфир, облучая тем самым животное в месте размещения капсулы. При этом указанное колебание улавливается микрополосковой приемопередающей антенной 14 и поступает на встречно-штыревой преобразователь (ВШП) на поверхностных акустических волнах (ПАВ).
В основе работы устройств на ПАВ лежат три физических процесса:
1) преобразование входного электромагнитного сигнала в акустическую волну;
2) распространение акустической волны по поверхности пьезокристалла (звукопровода);
3) отражение и обратное преобразование акустической волны в электромагнитный кодовый сигнал.
Для прямого и обратного преобразования ПАВ используется ВШП, работа которого основана на том, что переменные в пространстве и времени электрические поля, создаваемые в пьезоэлектрическом кристалле системой электродов 15, вызывают из-за пьезоэффекта упругие деформации, которые распространяются в кристалле в виде ПАВ. Центральная частота ВШП определяется шагом размещения электродов 15 и их количеством.
Чувствительный элемент 18, выполненный, например, в виде тонкой мембраны, реагирует на температуру (датчик температуры), которая вызывает ее деформацию. Скорость ПАВ в области чувствительного элемента 18 изменяется и фаза отраженной от набора отражателей 19 волны также изменяется в соответствии с деформацией чувствительного элемента 18. Затем отраженная акустическая волна претерпевает обратное преобразование в электромагнитный сигнал с фазовой манипуляцией (ФМн) (фиг. 3, в)
к
к
э
э
э
где ϕ(t)={0, π} - манипулируемая составляющая фазы, отображающая закон фазовой манипуляции в соответствии с модулирующим кодом M(t) (фиг. 3, б), которым определяется внутренняя структура ВШП (фиг. 2), причем ϕ(t)=const при кτ<t<(к+1)τ и может изменяться скачком при t=кτ, то есть на границах между элементарными посылками (к=1, 2, …, N);
э
с
с
э
τ, N - длительность и количество элементарных посылок, из которых составлен сигнал длительностью Т (Т=Nτ);
Δϕ - разность фаз, вызванная изменением температуры животного относительно атмосферы (воздуха);
н
с
н
с
который поступает в микроволновую приемопередающую антенну 14, излучается ею в эфир, улавливается приемопередающей антенной 5 считывателя 1 и через дуплексер 4 поступает на вход полосового фильтра 6, частота настройки ω которого выбирается равной ω (ω=ω).
1
Сложный ФМн сигнал u(t) (фиг. 3, в) с выхода полосового фильтра 6 поступает на первый (информационный) вход фазового детектора 10 и на вход удвоителя 7 фазы. На выходе последнего образуется гармоническое напряжение (фиг. 3, г)
где
1
К - коэффициент передачи удвоителя 7 фазы.
к
2
Так как 2ϕ(t)={0, 2π}, то в указанном напряжении манипуляция фазы уже отсутствует. Гармоническое напряжение u(1) поступает на вход делителя 8 фазы на два, на выходе которого образуется следующее напряжение (фиг. 3, д)
которое выделяется узкополосным фильтром 9, используется в качестве опорного напряжения и подается на второй (опорный) вход фазового детектора 10. В результате синхронного детектирования на выходе фазового детектора 10 образуется низкочастотное напряжение (фиг. 3, е)
где
2
К - коэффициент передачи фазового детектора;
пропорциональное модулирующему коду M(t) (фиг. 3, б).
c
3
Это напряжение содержит идентификационный код животного и фиксируется блоком 12 регистрации. Гармонические напряжения u(t) и u(1) поступают на два входа фазометра 11. Последний обеспечивает измерение разности фаз Δϕ, соответствующий изменению температуры животного относительно атмосферы (воздуха), которая также фиксируется блоком 12 регистрации.
Таким образом, предлагаемые способ и устройство по сравнению с прототипами и другими техническими решениями обеспечивают повышение надежности радиочастотной идентификации крупного и мелкого рогатого скота. Это достигается за счет использования радиочастотных меток на поверхностных акустических волнах и сложных сигналов с фазовой манипуляцией.
К основным характеристикам устройства, реализующего предлагаемый способ, можно отнести следующие:
- средняя мощность передатчика считывателя (ридера) - не более 100 мВт;
- частотный диапазон 400-420 МГц (900-920 МГц);
- дальность действия - не менее 10 м;
32
- количество кодовых комбинаций - 2;
- тип излучаемого сигнала - гармоническое колебание;
- тип отраженного (ответного) сигнала - сложный сигнал с фазовой манипуляцией;
- габариты капсулы (радиочастотной метки) -8×15×5 мм;
- срок службы радиочастотной метки - не менее 20 лет;
- потребляемая радиочастотной меткой мощность - 0 Вт.
Сложные ФМн сигналы обладают высокой помехоустойчивостью, энергетической и структурной скрытностью.
Энергетическая скрытность данных сигналов обусловлена их высокой сжимаемостью во времени или по спектру при оптимальной обработке, что позволяет снизить мгновенную излучаемую мощность. Вследствие этого сложный ФМн сигнал в точке приема может оказаться замаскированным шумами и помехами. Причем энергия сложного ФМн сигнала отнюдь не мала, она просто равномерно распределена на частотно-временной области так, что в каждой точке этой области мощность сигнала меньше мощности шумов и помех.
Структурная скрытность сложных ФМн сигналов обусловлена большим разнообразием их форм и значительными диапазонами изменений значений параметров, что затрудняет оптимальную или хотя бы квазиоптимальную обработку сложных ФМн сигналов априорно неизвестной структуры с целью повышения чувствительности приемного устройства.
Сложные ФМн сигналы позволяют применять новый вид селекции - структурную селекцию. Это значит, что появляется новая возможность выделять эти сигналы среди других сигналов и помех, действующих в той же полосе частот и в те же промежутки времени.