Способ радиочастотной идентификации животных Российский патент 2020 года по МПК E05B39/00 G06K19/00 

Предлагаемый способ относится к области сельского хозяйства, в частности к животноводству, и может быть использован для получения оперативной информации о животных с целью формирования контрольно-отчетной документации.

Известны способы и системы радиочастотной идентификации объектов (патенты РФ №№2.091.553, 2.223.376, 2.236.527, 2.273.712, 2.283.412, 2.299.962, 2.317.387, 2.384.683, 2.434.108, 2.581.913; патенты США №№4.000.475, 4.042.970, 4.743.898, 5.534.852; патенты Великобритании №№1.453.298, 2.261.254; патенты Франции №№2.197.406, 2.687.240. Бурлаков В. Радиочастотная идентификация. Электронные компоненты. 2005, №5, с. 55-60 и другие).

Из известных способов и систем наиболее близким к предлагаемому является «Способ идентификации субъекта на обслуживаемом объекте» (патент РФ №2.434.108, Е05В 39/00, 2010), который и выбран в качестве прототипа.

Известный способ включает сближение или соприкосновение устройства санкционированного доступа, размещенного на животном, и интеллектуального ключа, считывающего информацию с указанного устройства. Устройством санкционированного доступа к животному служит идентификатор с индивидуальным кодом, включающий встроенную микросхему и работающий в режиме «запрос-ответ». Интеллектуальный ключ выполнен на базе GSM-модема и содержит считыватель с микроконтроллером, выполненным с возможностью считывания индивидуального кода идентификатора.

Недостатком известного способа является невозможность одновременного доступа одного субъекта (оператора) к нескольким животным, находящимся в зоне радиозондирования, например, в составе общего стада. В противном случае при одновременном доступе к нескольким животным ответные сигналы от них придут одновременно и кодовые последовательности наложатся друг на друга, делая невозможным независимое считывание индивидуального кода каждого животного.

Технической задачей изобретения является повышение достоверности считывания индивидуальных кодов одновременно с нескольких животных, находящихся в зоне радиозондирования, в составе общего стада, путем последовательного во времени их радиозапроса.

Поставленная задача решается тем, что способ радиочастотной идентификации животных, основанный, в соответствии с ближайшим аналогом, на сближении или соприкосновении устройства санкционированного доступа, размещенного на животном, и интеллектуального ключа, считывающего информацию с указанного устройства, при этом устройством санкционированного доступа на животном служит идентификатор с индивидуальным кодом, работающий в режиме «запрос-ответ», а интеллектуальный ключ выполнен на базе GSM-модема и содержит считыватель и микроконтроллер, выполненный с возможностью считывания индивидуального кода идентификатора, идентификатор с индивидуальным кодом выполняют в виде пьезокристалла с нанесенными на его поверхность тонкопленочным алюминиевым встречно-штыревым преобразователем, содержащим две гребенчатые системы электродов, соединенных между собой шинами, набором отражателей и микрополосковой приемопередающей антенной, формируют высокочастотное зондирующее колебание на несущей частоте ω_с, облучают им идентификатор, улавливают высокочастотное зондирующее колебание микрополосковой приемопередающей антенной идентификатора, преобразуют его в акустическую волну, обеспечивают ее распространение по поверхности пьезокристалла и обратное отражение, преобразуют отраженную акустическую волну в электромагнитный сигнал с фазовой манипуляцией, внутренняя структура которого определяется структурой встречно-штыревого преобразователя и соответствует индивидуальному коду, излучают его в эфир на частоте ω_с, улавливают приемопередающей антенной считывателя, осуществляют синхронное детектирование электромагнитного сигнала с фазовой манипуляцией с использованием высокочастотного зондирующего колебания на частоте ω_с в качестве опорного напряжения, выделяют низкочастотное напряжение, пропорциональное индивидуальному коду, и направляют его в микроконтроллер, отличается от ближайшего аналога тем, что в считывателе интеллектуального ключа формируют n запросных радиоимпульсов, где n больше или равно количеству животных, находящихся одновременно в зоне радиооблучения, в каждый заданный интервал времени Δt, достаточный для считывания индивидуального кода с каждого идентификатора, излучают зондирующее колебание на несущей частоте ω_с и один из запросных радиоимпульсов на частоте ω_зi, где i=1, 2, …, n, каждый идентификатор снабжают блоком доступности к встречно-штыревому преобразователю, настроенному на частоту ω_зi одного из запросных радиоимпульсов, и последовательно во времени осуществляют считывание всех идентификаторов животных, находящихся в зоне радиооблучения.

Структурная схема интеллектуального ключа 1 изображена на фиг. 1. Структурные схемы идентификаторов представлены на фиг. 2.

Интеллектуальный ключ 1 содержит считыватель 2 и микроконтроллер 3. Считыватель 2 содержит последовательно подключенные к выходу микроконтроллера 3 синхронизатор 4, задающий генератор 5, логический элемент И 7, второй вход которого через синтезатор 6 несущих частот соединен со вторым выходом синхронизатора 4, дуплексер 8, второй вход которого соединен с третьим выходом синхронизатора 4, а вход-выход связан с приемопередающей антенной 9, полосовой фильтр 10 и фазовый детектор 11, второй вход которого соединен с выходом задающего генератора 5, а выход подключен к входу микроконтроллера 3.

Каждый идентификатор выполнен в виде пьезокристалла 18.i с нанесенными на его поверхность тонкопленочным алюминиевым встречно-штыревым преобразователем (ВШП), содержащим две гребенчатые системы электродов 19.i, соединенных между собой шинами 20.i и 21.i, и набором отражателей 22.i и микрополосковой антенной 12.i, а также блока 13.i доступности к ВШП, состоящему из последовательно подключенных к микрополосковой приемопередающей антенне 12.i узкополосного фильтра 14.i, амплитудного детектора 15.i и двух ключей 16.i и 17.i, включенных между микрополосковой приемопередающей антенной 12.i и шинами 20.i и 21.i ВШП соответственно (i=1, 2, …, n).

Предлагаемый способ реализуют следующим образом.

На животных закрепляют идентификаторы с индивидуальным кодом на каждом животном (i=1, 2, …, n, n - количество животных, находящихся в зоне радиооблучения). Каждый идентификатор представляет собой пьезокристалл 18.i с нанесенным на его поверхность тонкопленочным алюминиевым встречно-штыревым преобразователем (ВШП) поверхностных акустических волн (ПАВ), который состоит из двух гребенчатых систем электродов 19.i, соединенных между собой шинами 20.i и 21.i, набора 22.i отражателей, а также блок 13.i доступности к ВШП, который состоит из последовательно подключенных к микрополосковой приемопередающей антенне 12.i узкополосного фильтра 14.i, амплитудного детектора 15.i и двух ключей 16.i и 17.i, включенных между микрополосковой приемопередающей антенной 12.i и шинами 20.i и 21.i ВШП соответственно.

Принцип работы встречно-штыревого преобразователя ПАВ основан на том, что переменные в пространстве и времени электрические поля, создаваемые в пьезоэлектрическом кристалле системой электродов 19.i, вызывают упругие деформации, которые распространяются в кристалле в виде ПАВ.

Оператор-лицо, контролирующее животных, имеет в руках интеллектуальный ключ 1 и в необходимый момент времени включает его. При этом микроконтроллером 3 и синхронизатором 4 включаются задающий генератор 5 и синтезатор 6 несущих частот. Задающим генератором 5 формируется высокочастотное колебание (считывающий радиоимпульс)

Синтезатором 6 несущих частот формируются запросные радиоимпульсы:

где Т_з - длительность запросных радиоимпульсов,

n - количество животных, находящихся в зоне радиооблучения.

Считывающий радиоимпульс u_c(t) и первый запросный радиоимпульс u_з1(t) через логический элемент И 7 и дуплексер 8 поступают в приемопередающую антенну 9 и излучаются ею в эфир. После передачи указанных радиоимпульсов через время Δt дуплексер 8 по команде с третьего выхода синхронизатора 4 переводится в режим приема.

Первый запросный радиоимпульс u_з1(t) выделяется первым узкополосным фильтром 14.1, настроенным на частоту ω_з1, и детектируется первым амплитудным детектором 15.1. Продетектированное напряжение поступает на управляющие входы ключей 16.1 и 17.1, открывая их. В исходом состоянии ключи 16.1 и 17.1 всегда закрыты. При этом считывающий радиоимпульс u_c(t) с выхода микрополосковой приемопередающей антенны 12.1 через открытые ключи 16.1 и 17.1 поступает на ВШП. Последний преобразует принимаемый считывающий радиоимпульс u_c(t) в акустическую волну, которая распространяется по поверхности пьезокристалла 18.1, отражается от набора 22.1 отражателей и опять преобразуется ВШП в электромагнитный сигнал с фазовой манипуляцией (ФМн)

где ϕ_к1(t)={0, π} - манипулируемая составляющая фазы, отображающая закон фазовой манипуляции в соответствии с топологией встречно-штыревого преобразователя M₁(t), который определяет индивидуальный код животного.

В качестве примера на фиг. 1 показан фрагмент индивидуального кода животного M₁(t)={10110100101}. Сформированный ФМн сигнал u₁(t) излучается микрополосковой приемопередающей антенной 12.1 в эфир, улавливается приемопередающей антенной 9 интеллектуального ключа 1 и через дуплексер 8 поступает на вход полосового фильтра 10, выделяется им и поступает на первый (информационный) вход фазового детектора 11, на второй (опорный) вход которого подается высокочастотное зондирующее колебание u_c(t) с выхода задающего генератора 5.

В результате синхронного детектирования на выходе фазового детектора 11 образуется низкочастотное напряжение

где

пропорциональное индивидуальному коду M₁(t) животного.

Это напряжение поступает в микроконтроллер 3.

При поступлении первой кодовой последовательности M₁(t) на вход микроконтроллера 3, последний через синхронизатор 4 выдает команду на синтезатор 4 несущих частот, который формирует второй запросный радиоимпульс u_з2(t). В этом случае запросный радиоимпульс u_з2(t) выделяется узкополосным фильтром 14.2 второго блока 13.2 доступности к ВШП. Далее все происходит, как в предыдущем случае, и так до тех пор, пока не будут считаны идентификаторы всех животных, находящихся в зоне радиооблучения.

Каждый идентификатор может монтироваться в браслете, который размещают на шее или ноге животного. Отличительной особенностью идентификатора являются малые размеры и отсутствие источника электропитания.

Сложные ФМн сигналы обладают высокой помехоустойчивостью, энергетической и структурной скрытностью.

Энергетическая скрытность сложных ФМн 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 по 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 изменения 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 современный 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.

Таким образом, предлагаемый способ по сравнению с прототипом и другими техническими решениями аналогичного назначения обеспечивает повышение достоверности считывания индивидуальных кодов одновременно с нескольких животных, находящихся в зоне радиооблучения, например, в составе общего стада. Это достигается использованием запросных радиоимпульсов u_зi(t) и блоков 13.i доступности к встречно-штыревым преобразователям (ВШП) (i=1, 2, …, n, n - количество животных), которые позволяют последовательно во времени опрашивать всех животных, находящихся в зоне радиооблучения. В этом случае можно организовать прием отраженных от различных животных сигналов в различные моменты времени.

При этом кодовые последовательности от различных животных не накладываются друг на друга и достоверно будет считан индивидуальный код каждого животного, находящего в зоне радиооблучения, например, в составе общего стада.

Предлагаемый способ относится области сельского хозяйства, в частности к животноводству, и может быть использован для получения оперативной информации о животных с целью формирования контрольно-отчетной документации. Технической задачей изобретения является повышение достоверности считывания индивидуальных кодов одновременно с нескольких животных, находящихся в зоне радиозондирования, в составе общего стада, путем последовательного во времени их радиозапроса. Предлагаемый способ реализуют с помощью интеллектуального ключа 1 и идентификаторов. Интеллектуальный ключ 1 содержит считыватель 2 и микроконтроллер 3. Считыватель 2 содержит синхронизатор 4, задающий генератор 5, синтезатор 6 несущих частот, логический элемент И7, дуплексер 8, приемопередающую антенну 9, полосовой фильтр 10 и фазовый детектор 11. Каждый идентификатор содержит микрополосковую приемопередающую антенну 12.i, блок 13.i доступности к ВШП, узкополосный фильтр 14.i, амплитудный детектор 15.i, ключи 16.i и 17.i, пьезокристалл 18.i, электроды 19.i, шины 20.i и 21.i, набор 22.i отражателей (i=1, 2, n). 2 ил.

Способ радиочастотной идентификации животных, основанный на сближении или соприкосновении устройства санкционированного доступа, размещенного на животном, и интеллектуального ключа, считывающего информацию с указанного устройства, при этом устройством санкционированного доступа на животном служит идентификатор с индивидуальным кодом, работающий в режиме «запрос-ответ», а интеллектуальный ключ выполнен на базе GSM-модема и содержит считыватель и микроконтроллер, выполненный с возможностью считывания индивидуального кода идентификатора, идентификатор с индивидуальным кодом выполняют в виде пьезокристалла с нанесенными на его поверхность тонкопленочным алюминиевым встречно-штыревым преобразователем, содержащим две гребенчатые системы электродов, соединенные между собой шинами, набором отражателей и микрополосковой приемопередающей антенной, формируют высокочастотное зондирующее колебание на несущей частоте ω_с, облучают им идентификатор, улавливают высокочастотное зондирующее колебание микрополосковой приемопередающей антенной идентификатора, преобразуют его в акустическую волну, обеспечивают ее распространение по поверхности пьезокристалла и обратное отражение, преобразуют отраженную акустическую волну в электромагнитный сигнал с фазовой манипуляцией, внутренняя структура которого определяется структурой встречно-штыревого преобразователя и соответствует индивидуальному коду, излучают его в эфир на частоте ω_с, улавливают приемопередающей антенной считывателя, осуществляют синхронное детектирование электромагнитного сигнала с фазовой манипуляцией с использованием высокочастотного зондирующего колебания на частоте ω_с в качестве опорного напряжения, выделяют низкочастотное напряжение, пропорциональное индивидуальному коду, и направляют его в микроконтроллер, отличающийся тем, что в считывателе интеллектуального ключа формируют n запросных радиоимпульсов, где n больше или равно количеству животных, находящихся одновременно в зоне радиооблучения, в каждый заданный интервал времени Δt, достаточный для считывания индивидуального кода с каждого идентификатора, излучают зондирующее колебание на несущей частоте ω_с и один из запросных радиоимпульсов на частоте ω_зi, где i=1, 2, n, каждый идентификатор снабжают блоком доступности к встречно-штыревому преобразователю, настроенному на частоту ω_зi одного из запросных радиоимпульсов, и последовательно во времени осуществляют считывание всех идентификаторов животных, находящихся в зоне радиооблучения.