Báo Cáo - Thiết Kế Hệ Thống Vlsi - Đề Tài - Tìm Hiểu Về Công Nghệ Thẻ Gắn Chip Và Công Nghệ Nfc Và Đặc Tính Hiệu Năng, Khả Năng Bảo Mật Của Công Nghệ Này

Trong đó thiết bị đọc được gắn antenna thu phát sóng điện từ, còn thiết bị phát mã RFID được gắn với vật cần nhận dạng, mỗi thiết bị Điểm nổi bật của RFID là công nghệ không sử dụng tia

BỘ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG

BÁO CÁO BÀI TẬP LỚN Môn: Thiết kế hệ thống VLSI

Đề tài: Tìm hiểu về công nghệ thẻ gắn chip và công nghệ NFC (near field communication) và đặc tính hiệu năng,

khả năng bảo mật của công nghệ này

Mục Lục

Lời nói đầu 3

I Tìm hiểu về công nghệ thẻ gắn chip RFID 4

1 RFID là gì? 4

1.1 Mô hình ghép nối của RFID 4

1.2 Hệ thống RFID 5

1.3 Các thành phần của hệ thống RFID: 5

2 Nguyên lí hoạt động của RFID: 6

2.1 Dải tần hoạt động của hệ thống RFID: 6

2.2 Cấu trúc dữ liệu của RFID: 7

3 Ứng dụng sử dụng chuẩn giao tiếp RFID: 7

4 Ưu, nhược điểm của RFID trong sản xuất: 9

4.1 Ưu điểm: 9

4.2 Nhược điểm: 10

II Tìm hiểu về công nghệ NFC: 11

1 Tổng quan về chuẩn giao tiếp NFC: 11

2 Mô hình ghép nối của NFC: 12

3 Nguyên lí hoạt động của NFC: 13

4 Ứng dụng của công nghệ NFC: 14

4.1 Các thiết bị được trang bị công nghệ NFC hiện nay: 15

5 Ưu, nhược điểm của công nghệ NFC: 15

5.1 Ưu điểm: 15

5.2 Nhược điểm: 16

I Tìm hiểu về công nghệ thẻ gắn chip RFID

1 RFID là gì?

RFID (Radio Frequency Identification), hay nhận dạng qua tần số vô tuyến,

là một công nghệ dùng kết nối sóng vô tuyến để tự động xác định và theo dõi các thẻ nhận dạng gắn vào vật thể

Khi đó cả hai thiết bị hoạt động thu phát sóng trong cùng tần số và tần số

đó thường được sử dụng trong RFID là 125Khz hoặc 900Mhz

Một thiết bị RFID được cấu tạo bởi 2 thành phần chính là thiết bị đọc và thiết bị phát mã có gắn chip Trong đó thiết bị đọc được gắn antenna thu phát sóng điện từ, còn thiết bị phát mã RFID được gắn với vật cần nhận dạng, mỗi thiết bị

Điểm nổi bật của RFID là công nghệ không sử dụng tia sáng như mã vạch, không tiếp xúc trực tiếp Một vài loại thẻ có thể được đọc xuyên qua các môi trường, vật liệu như: bê tông, tuyết, sương mù, băng đá, sơn, và các điều kiện môi trường thách thức khác mà mã vạch và các công nghệ khác không thể phát huy hiệu quả

1.1 Mô hình ghép nối của RFID

Có hai loại mô hình ghép nối (antenna coupling model) chính được sử dụng trong RFID, đó là mô hình ghép nối dựa trên dòng điện và mô hình ghép nối dựa trên trường điện từ

• Mô hình ghép nối dựa trên dòng điện (conduction-coupling model): Mô hình này giải thích cơ chế hoạt động của RFID thông qua dòng điện trên một số phần của anten, đặc biệt là dòng điện trên dây nối giữa bộ đọc và anten Khi bộ đọc phát ra tín hiệu RF qua dây nối, nó tạo ra dòng điện trên dây, tạo ra một trường

từ cảm ứng trong anten và giao tiếp với thẻ RFID

• Mô hình ghép nối dựa trên trường điện từ (radiation-coupling model): Mô

hiệu RF được phát ra từ bộ đọc Khi tín hiệu RF từ bộ đọc đi qua không gian, nó tạo ra một trường điện từ, giao tiếp với anten của thẻ RFID và làm cho thẻ RFID phản hồi lại thông tin đến bộ đọc

1.2 Hệ thống RFID

Hình 1.1 Hệ thống RFID

1.3 Các thành phần của hệ thống RFID:

Thẻ RFID (RFID Tag, còn được gọi là transponder): là một thẻ gắn chíp + Anten Thẻ RFID có thể thay thế cho các mã vạch trên các sản phẩm có bán tại các siêu thị bán lẻ Thay vì phải đưa thiết bị vào sát mã vạch để quét, RFID cho phép thông tin có thể được truyền qua những khoảng cách nhỏ mà không cần một tiếp xúc vật lý nào cả

Thẻ RFID được đưa vào sử dụng trong rất nhiều lĩnh vực như: Quản lý nhân sự, quản lý hàng hóa vào/ra siêu thị, nhà kho, theo dõi động vật, quản lý

xe cộ qua trạm thu phí, làm thẻ hộ chiếu …

• Thiết bị đọc thẻ RFID (hay còn gọi là đầu đọc-reader): để đọc thông tin

từ các thẻ, có thể đặt cố định hoặc lưu động

• Antenna: là thiết bị liên kết giữa thẻ và thiết bị đọc Thiết bị đọc phát xạ tín hiệu sóng để kích họat và truyền nhận với thẻ

• Server: phần mềm vi tính, nhu nhận, xử lý dữ liệu, phục vụ giám sát, thống

kê, điều khiển,

2 Nguyên lí hoạt động của RFID:

Thiết bị RFID reader phát ra sóng điện từ ở một tần số nhất định, khi thiết

bị RFID tag trong vùng hoạt động sẽ cảm nhận được sóng điện từ này và thu nhận năng lượng từ đó phát lại cho thiết bị RFID Reader biết mã số của mình Từ

đó thiết bị RFID reader nhận biết được tag nào đang trong vùng hoạt động

Hình 2.1 Nguyên lí hoạt động RFID

2.1 Dải tần hoạt động của hệ thống RFID:

Khi phải lựa chọn một hệ thống RFID, yêu cầu đầu tiên là chọn dải tần hoạt động của hệ thống

• Tần số thấp - Low frequency 125 KHz: Dải đọc ngắn tốc độ đọc thấp

• Dải tần cao - High frequency 13.56 MHz: Khoảng cách đọc ngắn tốc độ đọc trung bình Phần lớn thẻ Passive sử dụng dải này

• Dải tần cao hơn - High frequency: Dải đọc từ ngắn đến trung bình, tốc độ đọc trung bình đến cao Phần lớn thẻ Active sử dụng tần số này

• Dải siêu cao tần - UHF frequency 868-928 MHz: Dải đọc rộng Tốc độ đọc cao Phần lớn dùng thẻ Active và một số thẻ Passive cao tần sử dụng dải này

• Dải vi sóng - Microwave 2.45-5.8 GHz: Dải đọc rộng tốc độ đọc lớn

2.2 Cấu trúc dữ liệu của RFID:

RFID sử dụng nhiều cấu trúc dữ liệu khác nhau để lưu trữ và truyền tải thông tin Dưới đây là một số cấu trúc dữ liệu chính được sử dụng trong RFID:

• EPC (Electronic Product Code): EPC là một mã định danh duy nhất cho mỗi sản phẩm được gắn thẻ RFID Mã này bao gồm các trường thông tin như số serial, mã quốc gia, mã nhà sản xuất, số lô hàng, v.v EPC cho phép theo dõi và quản lý hàng hóa trên toàn bộ chuỗi cung ứng

• TID (Tag Identifier): TID là mã định danh duy nhất cho từng thẻ RFID, giúp phân biệt mỗi thẻ RFID với nhau

• UID (Unique Identifier): UID cũng là mã định danh duy nhất cho từng thẻ RFID, tuy nhiên nó được tạo ra theo một chuẩn khác so với TID

• Data Payload: Data Payload là các dữ liệu khác được lưu trữ và truyền tải trên thẻ RFID, bao gồm các thông tin như thông tin sản phẩm, ngày sản xuất, ngày hết hạn, vị trí sản xuất, v.v

• Reader Command and Control Messages: Đây là các lệnh được gửi từ bộ đọc RFID đến thẻ RFID để yêu cầu thực hiện một số hoạt động nhất định, ví dụ như yêu cầu truyền lại dữ liệu, hoặc thực hiện một hành động cụ thể như kích hoạt một cơ chế bảo mật

Cấu trúc dữ liệu này được định nghĩa bởi các tiêu chuẩn và giao thức RFID như EPCglobal và ISO/IEC 18000 Quá trình truyền tải và xử lý dữ liệu trong RFID còn phụ thuộc vào loại thẻ RFID, bộ đọc RFID và ứng dụng cụ thể của nó

3 Ứng dụng sử dụng chuẩn giao tiếp RFID:

Công nghệ RFID (Radio Frequency Identification) có nhiều ứng dụng khác nhau, bao gồm:

• Quản lý hàng hóa: RFID được sử dụng để quản lý hàng hóa trong chuỗi cung ứng, giúp theo dõi vị trí và số lượng hàng hóa, từ khi xuất xưởng đến khi đến tay người dùng cuối cùng

• Kiểm soát truy cập: RFID được sử dụng trong các hệ thống kiểm soát truy cập, từ cửa ra vào tòa nhà cho đến các phương tiện giao thông công cộng

• Thanh toán không tiếp xúc: RFID được sử dụng trong các hệ thống thanh toán không tiếp xúc, cho phép người dùng thanh toán bằng cách quẹt thẻ RFID mà không cần tiếp xúc trực tiếp với thiết bị thanh toán

• Giám sát y tế: RFID được sử dụng trong các hệ thống giám sát y tế, cho phép theo dõi thông tin liên quan đến bệnh nhân và thuốc, giúp tăng tính hiệu quả

và giảm thiểu sai sót trong quá trình chăm sóc sức khỏe

• Quản lý tài sản: RFID được sử dụng để quản lý tài sản, giúp theo dõi vị trí và trạng thái của các tài sản trong doanh nghiệp

• Quản lý thời gian và chấm công: RFID được sử dụng để quản lý thời gian

và chấm công, giúp đơn giản hóa quá trình chấm công và giảm thiểu sai sót trong quá trình tính lương

• Định vị: RFID được sử dụng để định vị vật thể, từ xe cộ đến vật dụng cá nhân, giúp tăng tính an toàn và giảm thiểu thời gian tìm kiếm

Hình 3.1 Một số hình ảnh thẻ gắn chip RFID

Các ứng dụng của RFID đang được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khác nhau và được dự đoán sẽ tiếp tục phát triển trong tương lai

4 Ưu, nhược điểm của RFID trong sản xuất:

4.1 Ưu điểm:

• Khả năng sử dụng mạnh mẽ: Thẻ RFID được gắn lên đến đối tượng cần theo dõi Thẻ này có thể đính lên bất cứ sản phẩm nào, từ vỏ hộp, đế giày Một thẻ tag RFID cho phép bạn có thể sửa đổi thông tin của thẻ đó hàng nghìn lần Nghĩa

là một thẻ tag RFID có thể sử dụng nhiều lần Một thẻ đã được ghi dữ liệu thì rất

có có thể thay đổi

• Vượt trội công nghệ cũ: Ưu thế của công nghệ RFID so với các mã vạch

là các hệ thống RFID không cần đến một tia quét của máy quét mới có thể đọc được mã vạch Các tia quét giữa một thẻ và thiết bị đọc để có thể làm việc vì các sóng vô tuyến có khả năng lan truyền qua nhiều chất liệu rắn khác nhau Trong các ứng dụng quản lý tại hầu hết các thời điểm đều có một số lượng lớn hàng hóa

di chuyển Nên rất khó để bạn có thể đưa từng mã vạch qua máy quét mã vạch được Đây chính là ưu điểm lớn của công nghệ RFID so với công nghệ mã vạch thông thường Phạm vi đọc của mã vạch có thể có được một khoảng khá dài Thông thường các phạm vi đọc đó có giá trị vàokhoảng cỡ vài chục cm Tuy nhiên các phạm vi đọc của các thẻ RFID lại có một khoảng thay đổi khá rộng Chúng bị phụ thuộc vào tần số hoạt động của hệ thống Thông thường, các phạm vi đọc của các thẻ RFID có thể chạy từ vài cm tới vài mét Hệ thống RFID sử dụng dải tần UHF

sẽ có khoảng cách đọc lớn hơn.thậm chí có những hệ thống khoảng cách đọc có thể lên tới 300 feet ( 100 m ) phụ thuộc vào từng ứng dụng cụ thể

• Tính bảo mật nâng cao: Dữ liệu mã vạch có tính bảo mật rất thấp Bởi vì các mã vạch cần thiết phải có một tia quét đi qua nên phải được đặt rõ ràng ở bên ngoài bao bì Do vậy bất cứ ai với một máy quét mã vạch chuẩn hoặc chỉ với một chiếc camera cũng có thể xem trộm hoặc ghi lại dữ liệu trên đó Nhưng với các hệ thống RFID thì lại được cung cấp một mức bảo mật cao hơn rất nhiều Việc đọc được các thẻ RFID là không hề dễ dàng bạn cần phải có những thiết bị chuyên

dụng mới có thể kết nối được chúng Cũng như các thiết bị phụ trợ để có thể thu thập được dữ liệu đó Không đơn giản là có thể đọc được các ký tự bằng mắt thường một cách dễ dàng

• Tính ổn định và tương thích môi trường cao: Các thẻ tag RFID có khả năng chịu đựng tốt hơn với bụi bẩn và môi trường khắc nghiệt so với công nghệ

mã vạch Các mã vạch có thể sẽ không đọc được nếu như chúng bị bao phủ bởi bụi bẩn, hoặc là bị rách nát Hay chúng có thể dễ dàng hỏng khi đang hoạt động trong một môi trường với ánh sáng cường độ cao cũng có thể gây trở ngại cho máy quét mã vạch

Với các mã vạch thực hiện đọc bằng tay đôi khi hiện trạng không thể đọc được mã vạch vẫn diễn ra Rõ ràng như vậy rất bất tiện và ảnh hưởng nhiều tới hoạt động chung của toàn hệ thống Với các hệ thống RFID, các thuật toán và các tính năng RW, có thể loại bỏ được việc sản phẩm phải quét nhiều lần mới thu được

dữ liệu

4.2 Nhược điểm:

• Giá thành sản phẩm cao: Giá của một chiếc thẻ RFID vào khoảng 1,5 - 20 USD Giá của đầu đọc thẻ vào khoảng 1000 - 2000 USD

• RFID phức tạp hơn mã vạch: Trình đọc RFID phải được cấu hình cẩn thận

để đảm bảo bạn có thể quét thành công 100 phần trăm các thẻ Do đó, nhiều thử nghiệm phải được thực hiện với RFID hơn là với mã vạch để đảm bảo giải pháp hoạt động đúng

II Tìm hiểu về công nghệ NFC:

1 Tổng quan về chuẩn giao tiếp NFC:

Chuẩn giao tiếp NFC (Near Field Communication) là một công nghệ không dây cho phép truyền tải dữ liệu giữa hai thiết bị điện tử gần nhau, thường là trong khoảng cách tối đa 4cm, bằng cách sử dụng sóng vô tuyến dưới tần số 13.56 MHz Chuẩn NFC được phát triển từ công nghệ RFID (Radio Frequency Identification)

và được đưa vào sử dụng trong nhiều lĩnh vực, bao gồm thanh toán di động, truyền tải dữ liệu, chia sẻ thông tin, v.v

• NFC cho phép hai thiết bị NFC giao tiếp với nhau theo hai chế độ: chế độ chủ động và chế độ bị động Trong chế độ chủ động, một thiết bị NFC gửi tín hiệu đến một thiết bị NFC khác để truyền tải dữ liệu Trong chế độ bị động, một thiết

bị NFC đợi để nhận tín hiệu từ một thiết bị NFC khác và tiếp nhận dữ liệu được truyền tải

• Chuẩn NFC được tích hợp trên một số thiết bị điện tử hiện đại, bao gồm điện thoại thông minh, máy tính bảng và thẻ thông minh Chuẩn NFC đã trở thành một phần quan trọng của cuộc cách mạng thanh toán di động và đang được sử dụng rộng rãi trên toàn thế giới

• Chuẩn giao tiếp NFC (Near Field Communication) được phát triển bởi một liên minh gồm nhiều công ty lớn, bao gồm Philips, Sony và Nokia NFC được đưa ra thị trường lần đầu tiên vào năm 2002, tuy nhiên, công nghệ này không được

sử dụng rộng rãi cho đến khi các công ty công nghệ lớn như Apple, Samsung và Google tích hợp NFC vào các sản phẩm của họ, giúp cho thanh toán di động và các ứng dụng NFC khác phổ biến hơn

• Hiện nay, NFC đã trở thành một phần quan trọng của nhiều ứng dụng di động, bao gồm thanh toán di động, chia sẻ dữ liệu, truyền tải tệp tin và điều khiển các thiết bị điện tử Các ứng dụng của NFC tiếp tục được mở rộng và cải tiến,

mang lại nhiều tiện ích cho người dùng và sự phát triển của ngành công nghiệp công nghệ

• NFC giống bluetooth ở vài điểm như chúng đều là giao tiếp không dây với phạm vi ngắn, nó cũng giống RFID trong việc dùng sóng radio để nhận diện Tuy nhiên, NFC lại sở hữu những đặc tính rất riêng biệt khác hẳn với Bluetooth

và RFID

• NFC truyền tải dữ liệu ở khoảng cách rất nhỏ so với phạm vi của Bluetooth, chẳng hạn như chỉ từ 4-10 cm so với 10 m của Bluetooth, trong khi RFID thậm chí có thể đạt đến mức tính bằng km trong 1 số trường hợp Giới hạn 4-10 cm của NFC được đặt ra nhằm tránh tình trạng chồng chéo sóng trong khu vực đông đúc cũng như hạn chế các tương tác mà người dùng không mong muốn

• NFC kết nối với các thiết bị khác nhanh hơn rất nhiều kể cả bluetooth 3.0

và 4.0 Thay vì phải thiết lập tay để 2 máy bluetooth nhận diện với nhau, 2 máy NFC tự động hiểu và kết nối chỉ trong 1/10 giây

• NFC hoạt động ở tần số radio băng tần ISM 13.56 MHz và tốc độ chạy từ 106-424 Kbps trong khi băng tần của bluetooth là 2.4 GHz và tốc độ đạt 2.1 Mbps

ở bản 2.1 EDR

2 Mô hình ghép nối của NFC:

Mô hình ghép nối của NFC (Near Field Communication) bao gồm hai chế

độ giao tiếp: chế độ chủ động (Active Mode) và chế độ bị động (Passive Mode) Trong mỗi chế độ giao tiếp, các thiết bị NFC đều có vai trò riêng biệt

• Trong chế độ chủ động: một thiết bị NFC (thiết bị gửi) sẽ gửi một tín hiệu

RF (Radio Frequency) tới một thiết bị NFC khác (thiết bị nhận) để khởi động giao tiếp Thiết bị gửi sẽ tạo ra một trường RF, được gọi là trường RF khởi động (Initiator RF field), và thiết bị nhận sẽ được kích hoạt bởi trường RF này và trả lời bằng cách truyền tín hiệu RF trở lại thiết bị gửi Sau khi thiết bị gửi và thiết bị

nhận xác định được vị trí và hướng của nhau, chúng sẽ thiết lập kênh truyền dữ liệu và bắt đầu truyền tải dữ liệu

• Trong chế độ bị động: một thiết bị NFC (thiết bị nhận) sẽ đợi để nhận một tín hiệu RF từ một thiết bị NFC khác (thiết bị gửi) Khi thiết bị nhận được tín hiệu

RF từ thiết bị gửi, nó sẽ trả lời bằng cách truyền tín hiệu RF trở lại thiết bị gửi để khởi động giao tiếp Sau khi thiết bị nhận và thiết bị gửi xác định được vị trí và hướng của nhau, chúng sẽ thiết lập kênh truyền dữ liệu và bắt đầu truyền tải dữ liệu

Ø Cả chế độ chủ động và chế độ bị động đều được sử dụng trong các ứng dụng NFC, tùy thuộc vào tính chất của từng ứng dụng cụ thể

3 Nguyên lí hoạt động của NFC:

Để NFC hoạt động, chúng ta buộc phải có 2 thiết bị, 1 là thiết bị đọc (thường

là điện thoại) và thiết bị thứ 2 là đích (target – thường là điện thoại khác, thẻ NFC hoặc loa ngoài…) Thiết bị đọc sẽ chủ động tạo ra những trường sóng radio (bản chất là bức xạ điện từ) đủ để cung cấp năng lượng cho thiết bị đích ở chế độ bị động, do đó chỉ cần chạm 2 thiết bị lại với nhau là chúng sẽ có thể ngay lập tức kết nối mà không cần thêm nhiều bước khai báo như Bluetooth

Ngoài ra như đã đề cập, thẻ NFC không cần năng lượng để hoạt động mà khi cần nó sẽ lấy từ thiết bị đọc, do đó nó không nhất thiết phải nằm trong một thiết bị điện tử cố định mà có thể được chế tạo thành những tấm thẻ, miếng dán hay chìa khóa nhỏ gọn

Tiêu chuẩn NFC hiện có 3 chế độ hoạt động riêng biệt:

• NFC mô phỏng card: Thiết bị có NFC trở thành một chiếc thẻ thông minh, cho phép người dùng có thể trả phí hoặc mua vé

• NFC đọc/viết: Thiết bị có NFC sẽ đọc được thông tin lưu trữ trên các thẻ NFC có nhúng trong nhãn hiệu hoặc áp phích thông minh