Nghiên cứu thẻ nhận dạng vô tuyến RFID

Phương pháp truyền dữ liệu không tiếp xúc giữa các thiết bị m a n g dữ liệu và bộ đọc tương thích là xu hướng tiến tới và thể hiện tính hiện đại, linh hoạt.. M ục tiêu xa hơn, nh ó m tác

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỤ NHIÊN

TÊN ĐỂ TÀI

NGHIÊN c ú t) THẺ NHẬN DẠNG VÔ TUYÊN RFID

(Research and Development R adio F req u en cy ID entification - R F ID)

MỤC LỤC

MỤC L Ụ C 4

BẢ N G C H Ú G IẢ I T Ừ Q U A N T R Ọ N G V À V IẾ T T Ắ T 5

LÒI MỞ Đ Ầ U 6

NỘỈ D U N G C H Í N H 7

1 Giới thiệu về hệ thống nhận dạng tự đ ộ n g 7

2 N guyên tắc hoạt động và đặc trưng củ a hệ thống R F I D 10

2.1 1 -bit tr a n s p o n d e r 11

2.2 Thè có gắn m icrochip như m ột thiết bị m ang dữ liệu 14

3 Ưng dụng thực tế của các hệ thống R F I D 16

4 A ntenna trong hệ thống R F I D 18

Tính toán lý thuyết cho antcnna vòng xoắn chữ n h ậ t 19

5 Thiết k ế cầu cân bằng M axw ell-W ien đo độ tự cảm L của cuộn d â y 23

6 Thiết k ế antenne, đo độ tự cảm sử dụng m ạ ch cầu đã thiết kế, so sánh với tính toán lý thuyết trên phđn m ề m M a tla b 25

6.1 Đ ộ tự cảm của an tenna tãng theo số vòng N 25

6.2 Đ ộ tự cảm phụ thuộc độ rộng vv, k h oáng cách giữa các thanh ổ' .26

K Ế T L U Ậ N 27

TÀI LIỆU T H A M K H Ả O 28

PHU L Ụ C 29

TÓ M T Ắ T C Á C C Ô N G T R ÌN H N C K H C Ủ A C Á N H Â N 30

S C IE N T IF IC P R O J E C T 31

PHIẾU Đ Ả N G K Ý K Ế T Q U Ả N G H IÊ N c ú u K H - C N 32

BÁNG CHÚ GIẢI TỪ QUAN TRỌNG VẢ VIKT TẮT

H M D (Radio Ị 'requeues' ID ciilification)

HAS (Electronic A rticle Surveillance)

Rectangular Planar Spiral Inductor

I lệ thống nhận d ạ n g vỏ tuyên

M ã vạchThè thòng minh

Bộ thu nhận và phát lại tín hiệu (thè)Thẻ bị động

LỜI MỞ ĐẦU

Trong nhưng năm gần đây, các hệ thống nhận d ạ n g tự độ n g (Autom atic

identification - A u ín -ID ) ngày càng trở nên phổ biến trong các dịch vụ công nghiệp,

m ua sắm hàng hóa, trong các khu công n ghiệp chê xuất, các d â y c h u y ể n phân phối vật

tư, vật liệu Các hệ thống này cung cấp các thõng tin về người, đ ộ n g vật hàng hóa các sản phẩm trong q uá trình vận chuyển

Hệ thống m ã vạch (B a r c o d e ) có mặt tại k hắp mọi nơi đã cho thấy một cuộc cách

mạng trong hệ thống nhận d ạng tự động Giá thành để g ắn m ã vạch lên hàng hóa có thể rất rẻ, nhưng theo nhu cầu lượng hàng hóa ngày càng đồ sộ và đa dạng như hiện nay,

m ã vạch vấp phải m ộ t số khó khăn trong việc định dạng được nhữ ng mặt hàng số lượng khổng lổ Và m ột điếm nữa m ã vạch không thể lập trình đế thay đổi ch úng loại

Mộl giải p háp kỹ thuật tối ưu là việc lưu trữ dữ liệu trong các con chip silicon Một trong những thiết bị điện tử lưu trữ dữ liệu được sử dụng m ạ n h nhất hiện nay là thẻ

thông minh (S m a r t card) m à hoạt động dựa trên k hả n ă n g tiếp xúc khi đọc thẻ với thiết

bị đọc Một trong các ví dụ điển hình là thẻ điện thoại, thẻ ngân hàng, tín dụng Dù sao, việc tiếp xúc m a n g tính cơ học trong thẻ thông m inh là kh ô n g phải giải pháp thực

tê tốt Phương pháp truyền dữ liệu không tiếp xúc giữa các thiết bị m a n g dữ liệu và bộ đọc tương thích là xu hướng tiến tới và thể hiện tính hiện đại, linh hoạt T heo mô hình đặt ra, năng lượng yêu cầu cung cấp cho các thiết bị lưu trữ này sẽ được cung cấp chính

từ bộ đọc m à k h ô n g cần tiếp xúc Với tính tất yếu như vậy, hệ thống ID không tiếp xúc

(contactless ID s y stem s) đã ra đời và phát triển vô c ùng m ạ n h mẽ, với tên gọi quen

thuộc ngày nay là thẻ n h ậ n dạng vô tuyến RFID.

Nhận định tính q uan trọng tất yếu của môi trường Việt n am cần phát triển các hệ thống RFID, để tài m ạ n h dạn đi vào nghiên cứu n g u y ên tắc hoạt độ n g và thực hiện một phần của hệ thống để chắc chán tính khả thi của đề tài M ục tiêu xa hơn, nh ó m tác giả mong m uốn được hỗ trợ m ộ t kinh phí nhất đ ịnh để có thể thực hiện được m ục tiêu là phát thẻ ID cho các cá n bộ trong trường và các hệ m áy đọc thẻ tại các cửa ra vào cẩn thiết của nhà trường

Xin trân trọng c ả m ơn sự tạo điều kiện về điểu kiện làm việc và hỗ trợ kinh phí của Ban G iám hiệu, P hòng K h o a học Công nghệ, P hòng Tài vụ, Ban chủ nhiệm k h o a Vật

lý Bộ môn V ật lý V ô tuyến đã giúp nh ó m tác giả thực hiện thành c ông đề tài

NỘI DƯNG CHÍNH

1 (Ỉ1Ở I T H I Ệ U VỂ H Ệ T I I Ổ N G N H Ậ N DẠNC; T ự Đ Ộ N G u I

Một sô hệ thống nhận d ạng tự độn g được chí ra trẽn hình I

H ình 1 M ột sô hệ thấiiu nliận (lạng tự dộng

H ệ thông inà vạch (Barcode)

Mã vạch là m ột m ã nhị phân bao gồ m m ột tổ hợp của các vạch đen (bars) và các khoảng trống trắng {gaps) sắp xếp theo những cấu trúc song song định trước đặc trưng

cho các yếu tố dữ liệu Đ ộ rộng và hẹp c ủ a các m iền đen, trắng sẽ quy định các dữ liệu khác nhaư M ã vạch được đọc bởi các m áy quét laser quang, với sự phản xa khác nhau của các tia laser tù các vạch đen trắng khác nhau

Một ví dụ là hình ảnh m ã vạch của c uốn sách RF ID h a n d b o o k , tài liệu tham kháo chính của để tài (lùiìh 2)

I S B N 0 - 4 7 1 - 9 3 ? ; ’; 1 - 0

9 780471 9 8 8 519'

H ìn h 2 M ã vạch của c uốn sách R F ID h a n d b o o k

H ệ thõng n hặn d ạ n g ky tự q u a n g {Optical Character Recognition - O C R)

Được phát m inh và đưa vào sử dụng vào những năm 60 Các ký tư đạc biệt được thiết k ế để sử dụ n g cho m ụ c đích này, để có thể được đọc bời con người hay m á y móc

Ưu điếm chính của hệ thố n g O C R là mật độ tích hợp thông tin cao và khả nãng có thể đọc trực tiếp k h õ n g thõng q u a m áy trong trưòno hợp khẩn cấp

N gày nay, O C R được sử dụng trong sản xuất, dịch vụ, các c ồng việc hành chính

và cả trong việc đ ãng ký séc của ngân hàng (các thõng tin cá nhân nlur 1.1 lòn và số tàikhoảng được in trên dòng góc dưới của séc loại OCR.

Dù vậy, hệ thòng O C R vần không thê trớ thành hệ thố n g nhận dạng (lọc lon vì íỉiáthành cao và các bộ đọc phức tạp hơn so với các phương pháp khác

Hệ thống nhận d ạ n g sin h học (jBiometric procedures)

Hệ thống này được dùng với người bằng việc so sánh nh ữ n g yếu lõ nhận (lụng đặc

trưng của mỗi người Trên thực tế, đó là dấu vân tay ựiììgcrpi tilling), hàn tay

{handprinting), g iọng nói (voice id entification ), và m ột loại k é m phổ biên I;'| võ no mạc

mắt người {retina).

Thẻ thông m in h (Sm art cards) [ / , 2]

Thẻ thông m inh là hệ thống lưu trữ dữ liệu điện tử có thể k èm theo kliii nãne tính

toán ụlie' 17 x ử lý), th ư ờ n 2 được cấy vào trong các thè nhựa theo kích Ihưóv của thỏ tín

dụng Thé thông m inh đầu tiên được phát m inh vào nãm 1984 là loại the điện thoại trả trước

Các thé thong m inh được đưa vào bộ đọc (reader), sẽ tạo ra kết nối galvanic giữa

bộ đọc và phần tiếp xúc c ủ a thẻ Thẻ sẽ được cấp nguồn và x u n g đồng hổ Ihõng qua bề mật tiếp xúc D ữ liệu được di chuyển giữa bộ đọc và thé th ỏ n c q ua giao tiếp nối tiếp

hai chiều (b idirectional serial interface) Có hai loại thé đặc trưng được phàn hiệt theo các chức năng nội tại đ iể n hình là thẻ nhớ (m e m o ry card ) đơn thuần trẽn đó có các bộ EPRO M , R O M để ỉưu trữ thông tin và thẻ vi x ử lý (m ic r o p r o c e s s o r card) với tích hợp

thêm của phần vi x ử lý và R A M kết nối vào E P R O M và R O M như trong the nhớ

Hình 3 T h ẻ thống m in h với p h ầ n vi x ử lý được nối trực tiếp vào 4 điểm tiếp xú c P hần

ngitồn cung cấp nằm trên pliần 4 đ iế m n ế p xúc

M ột trong các đặc đ iể m thuận lợi của thẻ thông m in h là k hả năng tự báo vé dữ liêu trong thẻ khỏi các truy xuất không được phép Thẻ t h ố n s m in h được ứng dụnơ trong hầu hêt các địch vụ có liên quan đến thỏng tin và các hoạt độ n g giao dịch tài chính với đặc tính đơn giản hơn, an toàn hơn và rẻ hơn Với sự c u ố n hút như vây, số lượnơ thẻ thông m inh gia tăng k h ô n g ngừng 2 0 0 triệu thé thônc m in h được sản xuất trên phạm

vi toàn th ế giới vào n ă m 1992 N ăm 1995 con số lên tới 6 0 0 triệu thổ, trono dó có 500

triệu là the nhớ và 100 triệu thó vi xử lý Thị trường thó thõng minh phái trièn với toe

độ khổng ngìnii!, có m ột VỐII tô phụ thuộc vào sự phái triên của lĩnh vực vi diện lú

Một điểm bất thuận lợi của thé thông m inh tiếp xúc {conĩact-bused sm art card) là

tính dẻ bị hư hại của bề m ặt tiếp xúc theo va chạm , mài m òn và bán bụi bám dính Các

bộ đọc sử dụng thường x u y ên m uốn duy trì sẽ rất tốn kém vì sự trục Irậc có ihê xảy ra Ngoài la các bộ đọc thường nam tại các khu vực c ông cộng (ví dụ như box điện thoai)

sẽ khổng được báo vệ khỏi những phá hoại

RFID (Radio F requency ID entification)

Hệ thống R F ID rất g ần với thẻ thông m inh, thực ra có thê xem là sư phát triển sail cùng của thẻ thông m in h trong thời đại ngày nay Đ iểm giống c ơ bán là dữ liệu cũng được lưu trữ trên các thiết bị lưu trữ dữ liệu điện lử Đ iểm khác biệt là nguồn điện cung cấp cho các ô nh ớ này và các h thức truy xuất dữ liệu giữa thé và bộ đọc của hai loại là khác nhau, của thẻ thông Iĩiinh là theo liên kết gavalnic còn R FID thì thông qua trường điện từ N hưng n hìn chung, R F ID được gọi là thẻ thông minh không tiếp xúc

(contacless s m a rt card)

VỚI những ưu việt nổi bật hơn hẳn so với các hệ thống nhân dạng tự động khác RFID đã hoàn toàn ch in h phục những nhu cầu nhận dạng tự động trên thị trường thế giới ngày nay

H ình 4 M ộ t ví dụ V í ' th ẻ M a s te r C a r d có tích hợp chip M Ì lý

H ình 5 7 h ẻ R F ID và bộ d ọc th ẻ thông m inh kh ông tiếp x ú c tronĩỊ tliực té

2 N ÍỈU Y Ê N T Ắ C H O Ạ T Đ Ộ N G VÀ Đ Ặ C T R U N G C Ú A H Ệ T H Ố N G R FID

R F ID là m ột phương pháp đáng tin cậy để phát hiện và giá m sát điện tử một dạng mới của phương pháp truyền thông tin vô tuyến Có thể hiểu R F ID như một loại mã vạch điện tử trong đó dữ liệu được m ã hoá dưới dạng bit được truyền đi và nhận biêt ihông qua sóng vô luyến Hiện nay R F ID được ứng dụng trong giám sát công việc,quản lý nhân công, đảm bảo an ninh xe cộ và trong các hệ thống thu phí cấu đường.Mội số siêu thị lớn đã sử dụng các thé R F ID m ỏ n g d á n lẽn các hàng hoá thay cho m ã vạch, giúp cho việc thanh toán được nhanh ch óng và dễ dàng M ặt khác nếu có hàng hoá nào chưa thanh toán tiền đi qua cửa m á y đọc R F ID sẽ phát hiện ra và báo cho nhân viên an ninh

R F ID không đòi hỏi tầm nhìn giữa thẻ và m á y đọc Hệ thống khắc phục được những hạn c h ế c ủ a các phương pháp nhận d ạng tự động khác, ví dụ như m ã vạch Hệ thống R F ID có thể hoạt động hiệu quả trong các mõi trường khắc nghiệt, những nơi bụi bẩn, ẩm ướt quá mức hay có phạm vi quan sát bị hạn chế M ột trong các ưu điểm nổi bật của R F ID là k hả nãng đọc trong các môi trường này với tốc độ đáng chú ý thời gian phản ứng dưới 100ms

Nguồn nuôi

Một trong những đặc điếm quan trọng của hệ thống R F ID là việc nguồn cung cấp

{power supply) của thiết bị thu/nhận tín hiệu (chính là thẻ), với tổn gọi ch uyên dụng

mang đầy đủ ý n ghĩa là transponder VỚI khái niệm này, thẻ R F ID được chia làm hai loại chính: thẻ thụ động {passive transponder) và thé tích cực (active transponder).

Trong thẻ thụ động kh ô n g có nguồn nuôi, và vì vậy mọi n ăng lượng cần thiết cho hoạt động của thẻ sẽ phải thu nhận từ năng lượng của trường điện từ phát ra bời bộ đọc Ngược lại thẻ tích cực có tích hợp pin để nuôi cho hoạt độ n g của các bộ vi xử lý BỞI

vì việc chuyển tải năng lượng và truyền thống tin giữa m á y đọc và thẻ được thực hiện thông qua cuộn dây a n ten n a nên việc thiết k ế anten n a trong kỹ thuật R F ID là tối quantrọng Đ ó cũng là nội du n g chính của đề tài

T ầ n sô h o ạ i đ ộ n g

Một trong n h ũ n g đặc tính quan trọng nhất của hệ thống R F ID nữa là tần số hoạt

động (operating sy s te m ) và phạm vi phát hiện T ần số hoạt độ n g này chính là tần số

phát của bộ đọc T ần số phát của thẻ không được chú V đến T rong hầu hết các trường hợp, hai tần số n à y như nhau nhưng năng lượng phát củ a thẻ nhỏ hơn nhiều so với của

bộ đọc

Ba dải tần số chính: L F {low fr e q u e n c y 30-300 kH z), H F {high fr e q u e n c y ) / R F

(radio fr e q u e n c y 3 -3 0 M H z ), và U H F (ultra H F 300M H Z-3 G H z) / m icrow ave

(>3G H z) H oặc phán chia theo phạm vi: liên kết gần (0 - le m ) , kết nối từ xa (0 - Im ), kết nôi kho ản g các h xa ( > l m ) Ba tần số chính được sử dụ n g nằm trong ba vùng tần số thấp (125K H z) tẩn số trung bình (13,56M H z), tẩn số cao (2 ,4 5 G H z)

2.1 1-bit t r a n s p o n d e r

Bit ỉà dim vị Ihóng lin nhó nhất, đại diện cho hai trạng thái ] và 0 Đ iều đó có

nghĩa là chi có hai trạng thái có thê được biếu diễn bàng tra nsponder 1 bit: “có (ransponder Iro n s v ù n e kiểm tra” (tra nsponder ill interrogation zone) và “ không có transponder tro n s vùng kiếm tra” (no tran sp o n d er ill interrogation zone) Mặc dầu chi

biểu diễn được như vậy nhưng 1 -bit transponder được ứng d ụ n a vô cùng rộna rãi, đặc

hiệt trong các thiết bị chống trộm điện lứ (electronic anti-theft devices) Irons các cửa hàng, siêu thị Loại n ày được gọi là thiết bị giám sát điện tử hàng hóa (Electronic

Article Surveillance - EAS).

2.1.1 ỉ-b it transponder - Radio Frequency Tag

Một hệ thống EAS được tạo nên từ các bộ phận sau: antenna cứa bộ dọc hay là

thiết bị kiếm tra (a n te n n a reader), the an toàn (security laạ) và thiết bị làm mất tác dụng thé sau khi thanh toán trả tiền (deactivation device) Trong các hệ thống hiện đại,

việc làm mất tác dụng được thực hiện tại quầy thu ngân sau khi m ã giá cua hàng được

đăng ký N guyên tắc hoạt dộng được m ô tả trên hình 6.

H ìn h 6 N g u yên tắc h oạt dộng c ủ a E A S

Phần nhãn EA S (E A S la b e l) là m ột m ạ c h cộng hưởng LC xác định bời tần số riêng f R Bộ đọc phát ra m ột từ trường biến đổi trong dải tần số radio N ếu mạch LC

xuất hiện trong vùng k h ô n g gian của từ trường biến đổi nãng lượng từ trườne thay đổi

có thể sẽ cảm ứng trong m ạch cộng hưởng n h ờ có cu ộ n dây L N ếu tần số / c của từ

trường biến đổi trùng với f R thì dao động trong k h u n g L C sẽ là dao động cộng hưởng

Hiện tượng này được n h ậ n biết nhờ có m ột sự thay đổi nhỏ hiệu điện th ế của cuộn phát

của phía phát ( tr a n s m itte r 's generator coil) Sự thay đổi của hiệu điện th ế cảm ứng cũng được phát hiện tại c uộn dây của cảm biến của phần thu (.r e c e i v e r 's sen so r coil).

Sự thay đổi điện thố tại cuộn dây phát và c uộn dây cảm biến rất nhỏ khó phát hiện M ột phương p háp m ẹ o được dùng là sử dụng từ trường có tẩn sô' thay đổi, tần số

quét {swept fr e q u e n c y ) , từ giá trị nhỏ nhất đến lớn nhất Ví dự 8 2 M H z ± 10c;c Khi tán

s ố quét phần phát trùng với tần sô' riẽng k h u n g LC, tra n s p o n d e r bất đầu dao động m ạnh

và tạo ra sự thay đổi rõ rệt của hiệu điện thế trẽn cuộn d âv phát và thu

Bới vì thẻ kh ô n g được gỡ bỏ tại quầy thu ngân, chú n g phái được thav đổi đế không tạo ra háo d ộ n g khi đi qua hệ thống ch ống trộm Đ ê làm điều này thanh toán viên đật sản phẩm được báo vệ vào m ột thiết bị làm mất tác dụng thé, tại đây sẽ phát ra một từ trường đú lớn m à điện thế cảm ứng phát sinh trên L C sẽ phá hủy tụ điện c.

Những an te n n a d ạng khung lớn ự ra m e an te n n a ) được dùng đế phát ra từ trường

biến đổi A ng-ten kh u n g dưới dạng cột và tạo thành các cửa kiểm tra Các cửa có độ

rộng lên đ ến 2m (hình 7, hình 8)

s tic k o n ta g (B a c k of b a rc o d e )

P V C h a rd ta g

H ình 7 T r á i là a n tenna killing cho cửa kiểm t r a , cao từ 1 ,2m - 1,6m

P hải là th ẻ nhận dạng, kích thước 5 0 m m X 50 m m

Hìììh 8 M ộ! loại cửa k iểm tra th ẻ thực tê

Loại thẻ được trình bày là loại có n g u y ê n tắc vật lý đơn giản nhưng rất hiệu quả

trong sử dụng, sử dụ n g tần số radio nên được gọi là thẻ ra d io fr e q u e n c y

2.1.2 I-b it transponder - M icrowave Tag

Hệ thống E A S trong dải sóng cực n gắn phát ra các thành phần họa ba bậc cao (2/i -Ự A ’ ■■■) từ h ọa ba bậc nhất ỰA) nhờ các yếu tố điện trở phi tuyến Chẳng hạn một

loại được sử dụ n g là diode có điện trở phi tuyến

H ìn h 9 T he m icrow ave di qua vùni’ k iể m tra

Theo nguyên tác chi trên liình 9, khi tran sp o n d er nằm tron° phạm vi của bộ phát

(transmitter), dòng điện đi qua diode của tran sp o n d er sẽ phân tích thành các thành

phần họa ba bậc cao và phát các họa ba đó đ ến bộ nhận Trên hình vẽ, họa ba bạc 1 có tần số 2,45G H z họa ba bậc 2 phát đi tần số 4.90G H z H ọa ba nào bậc 2 hay bậc 3 được phát đi là tùy do loại diode quyết định N ếu biên độ hay tần số của họa ba bậc 1 được điều c h ế dạng A SK hay FSK thì các họa ba bậc trên cũng được điều c h ế theo

phương pháp tương tự H ìn h 9 cho thấy sử dụng phương pháp ASK với phần biên độ sóng mang {carrier w ave) 2,45G H z được biến đổi với tần s ố lK H z Phía bộ nhận sẽ có

nhiệm vụ nhận thành phần bậc 2 của sóng m a n g và thực hiện tách sóng đê phát hiện thành phần lK H z

T ransponder loại này được ép trong nhựa th à n h các thẻ cứng {hard taựs) và dùng

chủ yêu cho các sản p h ẩm dệt may Thẻ sẽ được tháo bỏ tại q uầy sau khi hàng đã được trả liền và sẽ được sử d ụ n s lại cho các hàng hóa khác

2.1.3 l-b it transponder - Frequency Divider Tag

H ình JO S ơ d ồ m ạ ch của E A S loại cilia tân: tr a n s p o n d e r và detector

Dải tần vùng bước sóng dài từ 100 - 135.5K.Hz Thẻ chứa mạch điện bán dẫn

m icrochip và m ạ ch có n g hưởng có cuộn dây ỉàm b ằn a những vòng tròn đồng k hép kín

M ạch c ộ n s hướng được tạo ra đê’ cộng hưởng tại tần số hoat động của hệ thống EAS Các thẻ này tích hợp tro n a vó nhựa cứng và được gỡ bỏ khi hàng hóa được thanh toán

T r a n s p o n d e r n h ậ n n ăn g lượng nguồn từ từ trường c ủ a thiết bị bảo vệ (security device) Tần số c uộn d â v cảm ứng nhận được được chia 2 n h ờ m icro ch ip và gửi trớ lại

thiết bị bảo vệ Thiết bị này có nhiệm vụ phát hiện và phân tích tín hiệu điều chê ASK tần sô bằng 1/2 tần số gốc đê thực hiện kiểm tra báo động.

2 2 T h ẻ c ó g ắ n m i c r o c h i p n h ư m ộ t th iế t bị m a n g d ũ liệ u

{da ta -ca rryin g d evice)

Tương phản với thẻ 1 -bit sử dụng các hiện tượng vật lý đơn giản để phát hiện sự

có mặt hay kh ô n g có m ặ t của thẻ R FID trong phạm vi kiểm tra, thẻ có tích hợp

m icrochip có k hả năng lưu trữ được dữ liệu dung lượng cỡ m ột vài kilobyte Đô đọc ra hay viết vào thiết bị lưu trữ này, cần phải thực hiện việc truyển dữ liệu giữa bộ đọc và

thẻ Q uá trình này có thể thực hiện theo hai phương pháp: bán song công {h a lf duplex) hay song công ựitll duplex)

Liên két cảm ứng (Inductive coupling)

Nguồn nuôi từ rea d er —> passive transponder

T r a n sp o n d er kiểu liên kết cảm ứng gồm có bộ phận lưu trữ dữ liệu điện tử

thường là một m icro ch ip đơn, và một cuộn dây kích thước lớn làm antenna

T ran sp o n d er loại này thường hoạt động theo kiểu passive Tức là mọi năng lượng cần

thiết cho hoạt động của m icrochip đểu được cung cấp bới thiết bị đọc (hình 1 1 )

H ình I I N g u ồ n nuôi cho tra nsponder thu bởi từ trường biến đ ổi p h á t ra từ bộ dọc

Đ ê thực hiện được n h iê m vị này, cuộn dây an tenna bộ đọc phát ra m ột trường điện

từ m ạnh, tần số cao, x u y ê n q u a được vùng tiết diện cắt ngan g của cuộn dây và tỏa ra một phạm vi nhất định xu n g quanh cuộn d ây phát BỞI vì bước sóng của dải tần sử

dụng (< 135 kH z: 24 0 0 m, 13.56 M H z: 2 2 ỉ m ) lớn hơn vài lần so với khoảng cách giữa

antenna thiết bị đọc và thẻ nên m ột phần của điện từ trường phát ra này sẽ lan truyền

xuyên qua cuộn dây n ằ m trong transponder.

H iệu điện th ế Uị là hiệu điện th ế cảm ứng xuất hiện trẽn cuộn dây transponder, sẽ được chinh liru và làm n g u ồ n nuôi cho m icrochip.

Tụ c , nối song song với antenna của bộ đọc điện dung của nó được lưa chọn để

cùng với độ tự cảm của c uộn d ày phát tạo thành m ạch cộng hưởng song song có tấn số cộng hướng trùng tần số phát của bộ đọc Với cộng hướng song song này, tại điểm

cộng hưững sẽ có được một dòng điện rât lớn tiãp Q lấn d ò n g nguỏn dii dó phát ra

trường diẹn từ m ạ n h theo yêu cầu

Cuộn d ây anten n a của transponder và tụ Cj hình thành m ạ ch cộng hướng elicLi chinh có tần số trùng tần số phát bộ đọc H iệu điện th ế Ư tại c uộn dây transponder đạt

giá trị cực đại khi b ố trí được cộng hường

T heo m ột phương diện khác, hai cuộn dây của rea d er và transponder hoạt động

như hai cuộn dây của biến thế liên kết với độ liên kết yếu s iữ a hai cuộn, lỉiộu suấl truyền năng lượng giữa hai cuộn tí lệ thuận với tần sỏ làm việc / , số vòng cuộn dây //,

diện tích A của cuộn dây transponder, góc tạo bói hai cuộn và khoáng cách giữa hai cuộn Khi tần s ố / t ă n g , độ tự cảm cuộn dây tra n s p o n d e r và tương ứng là sổ vòng dây II giảm ( ỉ 3 5 kH z: ỉ 0 0 - Ị 0 0 0 vòiìi’, 13.56 M H z: 3-1 0 roll") H iệu điện th ế cảm ứng trên

transponder u , tí lệ thuận với tần số f nên việc giám số vòng dây sẽ k h ô n s ánh hương nhiều đến hiệu suất truyền nàng lượng trong vùng tần số cao

Dữ liêu từ tr a n sp o n d er —> render

Điều chc tải {Load Modulation)-.

N hư đã đề cập, hệ thống liên kết hỗ cảm dựa vào biến th ế loại liên kết vốn giữa

cuộn sơ cấp cúa bộ đọc và cuộn thứ cấp của transponder Khi k h o ản ? cách giữa các cuộn nhỏ hơn 0 ,1 6 /l thì thé được xem là nằm tro n s trường g ần của antenna phát Khi

có sự cám ứng từ trường trên thẻ, tín hiệu từ thẻ phát phán hồi trở lại thiết bị đọc được

dại diện bời trớ kháng biến thê Z T trên antenna cuộn dây phấn đọc Việc dóng/ngát trớ tải trên a n ten n a của thé sẽ lạo nên sự thay đổi trên Z j dẫn theo sự thay đổi hiệu diện thố UL trên cu ộ n dây a n ten n a thiết bị đọc N ếu khoáng thời gian đóng/ngắt trớ tái này được điểu khiển bởi d ữ liệu thì dữ liệu này có thê được c h u y ể n từ transponder sang

reader K iểu truyền d ữ liệu này được gọi là điều c h ế tái Đ ể hổi phục lại dữ liệu, U/ sẽ

được chính lưu và giải điều chế

Điều chẽ tái vói sóng mang phụ {Load Modulation with Subcarrier):

Với liên kết yếu giữa bộ đọc và thẻ, hiệu điện th ế thăng giáng trên antenna của bộ dọc thế hiện cho tín hiệu có ích luồn nhỏ hơn nhiều lần biên độ thực của hiệu điện thế cuộn dây Trên thực tế với hê thống 13,56M H z, hiệu điện th ế an tenna tại điểm cộng hưởng xấp xi 100V, trong khi tín hiệu có ích chỉ kho an g lO m V cho ti số tín hiệu/tạp là 80dB Bới vì việc phát hiện một sự thay đổi hiệu điện th ế rất nhỏ này yêu cầu mạch điện phức tạp ncn giải pháp diều c h ế biên độ của hiệu điện th ế an te n n a được sử dụng

V- “ MíìòọelíC fielrl H

T ra n s p o n d e r

Hình 12 C h u yển m ạ ch thực hiện báiiiị FE T bộ đọc tìiiết kê p h á t hiện sóng m ang ph ụ

H ình 12 chỉ ra sơ đổ nguyên lv của điều c h ế tải dùng sóng m ang phụ Nếu trớ tai

của thé được bật/ngắt với tần số cao f s, sẽ có thêm hai vạch phổ cách vạch phổ chính

ỈReiuUr m ộ l lk h o ả n g bằng ± /v và những cái đó rất dễ để phát hiện Trong thuật ngữ

chuyên ngành vô tuyến, tần số f s được gọi là sóng m ang phụ D ữ liệu truyền được điểu

c h ế bằng ASK, FSK, hoặc PSK thực hiện với sóng m ang phụ này

Khi thông tin nằm trong hai băng của hai tần số sóng m ạng phụ f j ± f s thì công

việc trở nên rất đơn giản khi dùng bộ lọc băng thông để lọc ra m ột trona hai thành

phần tần số này Khi đã tách được ra khỏi tín hiệu tần số trung tâm f j biên độ lớn, thì tỉ

số tín hiệu/tạp đã được cải thiện rất cao và chỉ cần dùng giải điều c h ế D E M C O để lọc

ra dữ liệu

N guyên tắc hoạt độ n g c ủ a hệ thống R F ID còn rất nhiều loại khác phong phú đa dạng, nhưng tiru trung vẫn tập trung vào hoạt động của dải tần số radio và tuân thủ theo hoạt động c ủ a hai loại thẻ: thẻ thụ động và thẻ tích cực

3 ỨNG D Ụ N G T H Ụ C T Ê C Ủ A C Á C HỆ T H Ố N G R F ID [1,3]

Phát triển ứng dung của R F ID xác định trên các lĩnh vực ve công nghiệp, thương mại và dịch vụ, những nơi dữ liệu sẽ được thư thập N hững n g uyên tắc chính được đưa vào để kiểm soát các k h â u như:

V ãn tải và hâu cần

K iểm soát thời gian và sự có mặt

Vận ch uyển hưu điện

Phân phối hành lý hàng không

Q u án ]ý thu phí cấu đường

Hệ thống giá m sát điện tứ hàng hóa EAS điến hình là giám sát quán áo.Bảo vệ các thiết bị giá trị khỏi bị m ất cắp, quán lý tài sán

Q u án lý việc ra vào của các xe ốtô, khu vực đỗ xe Các thiết bị báo vệ kho

h àng là m ột ví dụ điển hình

- Tự động thu phí cầu, đường T ừ năm 1980, hộ thống thu phí đường

{Electronic Road-Pricing - ERP) được đưa vào sử dụng ở I lổng Kõne.

Đ iểu khiển vào ra các cá nhân trong khu vực bảo m ật

Q uản lý thời gian và sự có mặt

Q uản lý việc chân nuôi súc vật

N h ậ n d ạng chúng loại sản phẩm và quá trình điểu khiến trong các hê thõng

d ây ch u y ển sán xuất

- Hệ thống ch ống trộm ỏtô

M ột ứng d ụ n g trong kiểm soát EAS đối với q uần áo:

H ình 14 S ứ chilli’ RF ID tciíỊ 11 'OIIÍÌ kiếm soái liàiiịi lióa

Báng 1 chi ra m ột số ứne dụng của R F ID và các thông số củ a hệ thống

Báng 1: Một số ứng dụng cùa RFID E > A H C ' Q j O C S í A H Ầ n ô i

" R U N G T A ’ ,' ỉ h < 1a g t , N T H U ' / I Ẽ N !

17

M i'in u r )

l l t í k s t

w r ili'/ r i'iid flis tlllic t

I’liM iT

ro nsum p lM in f> 151111 10 n A i : i ) k i i / Amin.1 1 II)

32 ) ' o i l hi X)11 A 12l) kH / c it 11 hK Mow iK Ct'ss 1 Ik \ ^ iĩr > 2 n i l fi |I A l2 S k H / I'u h lk ira ii'p i ' 1 1

25h 0.5 Lin - 1 ill A 4 M H / C h M k K llo u I 'li l'lk 111111 "1 '<*11 :?() Jem - 1 tnA 4 /I.V V iM H / ( úhh K llnvv

204 N 11' cm • 10 m A 4 » l M H / CdHiaLilcss chip L'iinK 102-4 10 t i l l 1 i i i A I3 5 6 M H / 1’ Ill'll ic 11,111'pi'rl

X MMcm - 1 |]|A [2 5 k H / Cinnjv ỉìo\\.

i : n KHK-III - 1 111A 125 kHz Ac'ccss clk'L k

4 A N T E N N A T R O N G H Ệ T H Ố N G R F ID [4,5]

Thẻ R FID bị đ ộ n g sử dụng hiệu điện th ế cảm ứng của cuộn dây antenna thẻ làm nguổn nuôi Hiệu điện th ế cảm ứng A C này được chính lưu để cung cấp nguồn thế cho thiết bị Khi hiệu điện th ế DC thu được đủ lớn, thiết bị mới bắt đầu làm việc Bằng việc cung cấp tín hiệu R F m a n g năng lượng, bộ đọc có khả năng kết nối vào các thiết bị thẻ bằng phương pháp vô tuyến VI vậy, có thể thấy việc giao tiếp và truyển năng lượng là một trong những m ấu chốt của hệ thống đọc và thẻ, nên việc nghiên cứu thiết kế cấu trúc của mạch điện an te n n a là một yếu tố đ ảm bảo thành cõng cho các ứng dụng RFID.Một tín hiệu R F có thể được bức xạ một cách hiệu quả nếu kích thước cùa antenna so sánh được với bước sóng của tần số hoạt động Bước sóng tại tần số 13,56MHz là 22,12m Do đó, thật khó thiết kết những antenna cho ứng dụng R FID có kích thước lớn n h ư vậy Để giải quyết, các m ạ c h antenna vòng được thiết kết cộng hưởng tại tần s ố sử dụng D òng điện chạy trong a n ten n a sẽ bức xạ ra một trường từ gần theo tỉ lệ r ' \

Với thẻ bị động 13,56M H z, độ tự cảm k h oảng vài |aH và vài trãm pF cho tụ cộng hưởng Hiệu điện th ế được truyền giữa bộ đọc và thẻ thống qua liên kết cảm ứng giữa hai cuộn như trong m ô hình biến thế liên kết yếu H iệu suất truyền năng lượng có thể tăng nhanh đáng kể theo độ p hẩm chất Q của m ạ ch c ộng hưởng

Việc chọn lựa kiểu dáng và các thông số kỹ thuật của kiểu loại đó của antenna là công việc chính của để tài để tìm ra các loại an tenna thực tế, m ột bộ phận tối quan trọng của thẻ c ũng như bộ đọc M ột số n g uyên tắc được chỉ ra trên h ì n h 1 5 :

I ỉìiiI i 14 Lie’ll ki’ì ý l id (IIIICIIIUI bõ dọc và tlie

Theo hình 16 c h o thấy kích thước thẻ tăng lên thì phạm vi đọc của thẻ cũng tăng

lên rất nhiều T ro n g các hình dạng thẻ được sử dụng, loại an tenna vòng xoán chữ nhật

và hình tròn là phổ biến {hình 17)

-• y

H ìn h 17 Ă ng -ten vòng lặp lùnli c h ữ n h ậ t trong llìực ré'

Vì thế, c h ú n g ta sẽ đi vào tập trung tính toán và thiết k ế cho an tenna loại này Bên cạnh thực nghiệm , c h ú n e ta sẽ sử dụng phần m ề m M atlab để thực hiện những tính toán

so sánh với thực nghiệm

T ín h t o á n lý t h u y ế t c h o a n t e n n a v ò n g x o ắ n c h ữ n h ậ t

(R e c ta n g u la r P la n a r S p ira l I n d u c to r )

I Ị)

H ìn h 18 M ỏ hình tính toáiì cho ăng ten vồng xoẳìì c h ư nhật

1, 2, 3 , 16 là chỉ số của các thanh dẫn Đ ể tạo ra 4 vòng dây cuộn cảm , cần 16

thanh dẫn nh ư vậy

s là k h oảng trống giữa các thanh dẫn

ổ ( = s + \v) là k h oảng cách giữa hai thanh dẫn lân cận

/, là chiều dài thanh d ẫn 1, ỉ 2 là chiều dài thanh dẫn 2

Độ tự cảm tổng cộ n g c ủ a c uộn dày sẽ bằng tổng củ a các độ dẫn của các thanh dẫn

thảng thành phần (L0 = L ị + L 2 + L ị + .+LI6) c ộng th ê m phần hỗ cảm giữa bản thân

các thanh dẫn:

L j Đ ộ tự cảm tổng cộng

L ị , T ổ n g độ tự cảm của các thanh dẫn thảng

M + T ổ n g độ hỗ cảm dương của các thanh dẫn

M T ổ n g đô hỗ cảm âm của các thanh dẫn

Đ ộ hỗ cám M là độ lự cám giữa các thanh dẫn lân cán Đ ó hồ cám là ilươne nen dòng điện trên các thanh dần này cùng chiều, và âm khi chú n g là imược chiều Độ hồ cám này phụ thuộc vào chiều dài đoạn thanh dẫn VÌ1 kho án g cách cilia các thanh.

M = 2IF

I là chiều dài thanh dẫn

F là tham biến của độ hỗ cảin

H ìn h 19 T ín h toán độ h ỗ cám cho hai thanh ilcĩn ị và k

Độ hỗ cám giữa hai thành j, k (hình 19) được tính theo c ông thức:

Ọ uay lại c ông thức (1) với những tính toán của M + M như trẽn cho I.II ca hỗ cám các thanh dẫn H ỗ cảm dương và âm do ảnh hường không phai chí giữa thanh cạnh nhau m à c ả c á c thanh cách xa nhau.

Trong đó độ tự cảm của bản thân mộl đoạn dẫn được chi ra trên lùnli V):

H ìn h 20 T ính toán độ tự cảm của m ột lớp nưing llìdm •

Công thức (ó) là cô n g thức chung, sẽ áp dụng cho tất cá các đoạn L dể tìm được giá trị tổng cộ n g k h ô n g k èm hỗ cảm L().

Trên hình 18, ví dụ giữa đoạn / và 5 sẽ cùng chiều d ò n g , n ên M ị sẽ ú) mặt trong phần M + H o ặc giữ a đ oạn 1 và 15 sẽ ngược chiều dòng, n én M Ị ỊỊ sẽ có m;it tronơ phần

M, M ột chú ý nữ a là đ ộ h ỗ cảm sẽ cực đại với các đoạn d ẫ n song song, to n sẽ bằng

không đối với các đ oạn d ẫ n nối tiếp Vì vậy, hỗ cảm giữa các đoạn 1 với 2 / với ổ 1

với 10 sẽ bỏ q u a trong tính toán M +, M_ Cuối cùng, ta có:

M _ = 2(A/1<5 + Aí1_9 + M 1i13)

+2 (A/5 9 + A/5 13 + -V/9 13 )

+ 2 { M 3 7 + M 3 -I -I + iw3 15)

+2( M7 n T- M j 15 - A/-11 _ 15) +2(.t/2 6 - ;V/2 10 - M2 14)

+ 2 (Ả/g 10 + A /g 14 - M 10 14)+2(A/4 g - A'/4_ 12 + A/4 16 )+2 ( A/g 12 - A/8 16 - A'/-] 2.16 ^

H)

\ / 2( Ư1 3 - \ l : 7 - \ / 1 ^ 1 - \ / 1 15 )

+ 2( ư 5 3 ^ ư 5 7 ■ - ^ õ 11 w 5 15 *

+ 2< -'/9 3 “ -V/9 7 ~ l / 9 11 ~ 15*

+ 2 ( ,\/13 15 ,v/ 13 u \ / l3 7 U 13 3 )+ 2 (.V/ 2 4 'V/2 8 ;' /2 12 -^ 2 16 1

+ 2 ( -'/6 4 - A/g 8 - ư 6 12 - M q 16 ) + 2 ( l / 1ũ 4 , l / 10 g A / 10 12 , \ / 10 1 6 ) + 2 ( - ' ư 1 4 4 + , \ / 1 4 g - , U 1 4 1 2 - - U 1 4 1 6 )

chỉnh các giá trị điện trở và điện dung (hìììh 21).

Hình 21 M ạ c h cầu cân bằn % do độ tự cám c uộn cláx L3

Vì độ dịch pha c u a c uộn cảm và tụ điện là ngược nhau nèn dung kháng có thể cân bầng được với cảm k h án g chi khi chúng được m ắc trên hai n h ánh đối diện của cầu

T heo n g u y ê n tác c h u n g khi cầu đạt cân bằng:

Thực hiện ch o m ạ ch cụ thể trên hình 21:

An.t.e.nnaL3