tóm tắt luận văn thạc sĩ kỹ thuật ứng dụng công nghệ RFID vào hệ thống quản lý nhân sự

Ở nước ta hiện nay, việc phát triển các sản phẩm điện tử tích hợp và hệ thống tự động hóa đã và đang là xu hướng phát triển được ứng dụng rộngrãi trong mọi hoạt động của đời sống.. Với c

LỜI NÓI ĐẦU

Trong những thập niên gần đây, công cuộc công nghiệp hoá hiện đạihoá ngày càng phát triển mạnh mẽ Khoa học kỹ thuật đã có những bướcphát triển mạnh đặc biệt là trong lĩnh vực kỹ thuật điện tử, điều khiển và tựđộng hóa

Ở nước ta hiện nay, việc phát triển các sản phẩm điện tử tích hợp và

hệ thống tự động hóa đã và đang là xu hướng phát triển được ứng dụng rộngrãi trong mọi hoạt động của đời sống Sự phát triển nhanh chóng của nó đãmang lại những thay đổi to lớn trong đời sống hàng ngày Việc các máy mócthiết bị trở lên linh hoạt hơn, thông minh hơn và làm việc với năng suất cao

là nhờ có sự hoạt động thông minh của các bộ vi xử lý ( microprocessor ), viđiều khiển ( microcontroller), và các bộ xử lý tín hiệu số ( Digital SingerProcessor )

Với các bộ vi xử lý, vi điều khiển và các bộ xử lý tín hiệu số hiện nayđược tích hợp trong các sản phẩm, nó có thể điều khiển được các hệ thống,giám sát các quá trình sản xuất trong hầu hết những lĩnh vực của đời sốngcon người từ ngành ngân hàng, tài chính, công nghiệp, nông nghiệp đến cácngành bán buôn bán lẻ hàng hóa trên thị trường và đặc biệt nó còn giám sát

và quản lý con người trong quá trình làm việc, lao động trong các nhà máy,

cơ quan, xí nghiệp Nhiều lĩnh vực con người rất khó kiểm soát và quản lýđòi hỏi phải sử dụng nhiều nhân công, chi phí cao Với công nghệ sử dụngtần số vô tuyến điện chúng ta có thể giám sát và quản lý một cách dễ dàng,giảm thiểu chi phí và không tốn nhiều công sức

Hiện nay quản lý nguồn nhân lực tại các công ty là một trong nhữngvẫn đề then chốt để các cấp lãnh đạo có cái nhìn tổng thể nhất về doanhnghiệp và con người Nhưng việc quản lý này thông thường chỉ triển khaimột cách thô sơ, không đồng bộ, nhất quán và chủ yếu thực hiện bằng tay

Sử dụng máy tính để quản lý nhân sự đã được thực hiện ở nhiều công ty,đơn vị, tổ chức, và thể hiện thế mạnh của nó Tuy nhiên, mỗi công ty lại cócách xây dựng đặc thù riêng trong việc quản lý nguồn nhân lực khác nhau

Nắm bắt xu hướng của công nghệ trong nước và trên thế giới, em đã chọn đề

tài: “ Ứng dụng công nghệ RFID vào hệ thống quản lý nhân sự (Radio

Frequency Indentification)” nhằm mục đích nghiên cứu, định hướng phát

triển một ứng dụng mới đi vào thực tiễn

Công nghệ RFID đã xuất hiện khá lâu nhưng cho đến nay các ứngdụng của nó vẫn chưa được triển khai rộng rãi Với việc chọn đề tài này, em

hi vọng sẽ góp một phần nào đó vào công cuộc phát triển, nhân rộng ứngdụng của nó, để mọi người biết đến công nghệ hữu ích như thế nào Tuynhiên thời gian đầu tư còn hạn chế nên không thể tránh khỏi những sai sót vàhạn chế rất mong được sự góp ý của các thày giáo, cô giáo trong Khoa điện

tử và các bạn đồng nghiệp góp ý để luận văn của em được hoàn thiện hơn.Qua đây em cũng xin chân thành cám ơn thầy giáo hướng dẫn TS BùiTrung Thành cùng các thầy cô trong Khoa điện tử Trường Đại học Kỹ thuậtCông nghiệp Thái Nguyên và các bạn đã giúp đỡ tận tình để em hoàn thànhLuận văn này

Thái Nguyên, ngày tháng năm 2012

Học viên thực hiện

Trần Văn Thực

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG RFID

1.1 Sơ lược về các hệ thống nhận dạng tự động

1.1.1 Hệ thống mã vạch (Barcode system)

1.1.2 Nhận dạng ký tự quang học (Optical character recognition – OCR) 1.1.3 Phương thức sinh trắc học (Biometric procedures)

1.1.4 Thẻ thông minh (Smart Cards)

1.1.5 Hệ thống RFID (RFID System)

1.2 Giới thiệu chung về nhận dạng vô tuyến RFID

1.2.1 Lịch sử phát triển của hệ thống RFID

1.2.2 Khái niệm RFID

1.2.3 Các đặc điểm của một hệ thống RFID

1.3 Các ứng dụng của RFID hiện nay

1.3.1 RFID trong việc sử phạt

1.3.2 RFID trong an ninh quốc gia

1.3.3 Trong hệ thống viễn thông

1.3.4 Ứng dụng quản lý thư viện

1.3.5 Ứng dụng trong quản lý bán hàng

1.3.6 Nhận dạng động vật

1.3.7 Cấy ghép vào con người

1.3.8 Tính phí trong giao thông

1.4 Ưu nhược điểm của hệ thống RFID

- Trình bày được lịch sử phát triển của hệ thống RFID, khái niệmRFID, Ưu nhược điểm của hệ thống và so sánh được với các hệ thống nhậndạng khác trong thực tế.

- Các ứng dụng RFID hiện hành

CHƯƠNG II: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.1 Các thành phần của một hệ thống RFID.

Các thành phần chính trong hệ thống RFID là thẻ, reader và cơ sở dữliệu

Một hệ thống RFID hoàn thiện bao gồm các thành phần:

- Thẻ RFID (RFID Tag, Transponder - Bộ phát đáp) đực lập trìnhđiện tử với thông tin duy nhất

- Các reader (đầu đọc) hoặc sensor (cảm biến) để truy vấn các thẻ

- Anten thu, phát sóng vô tuyến

- Host computer - server, nơi mà máy chủ và hệ thống phần mềm giaodiện với hệ thống được tải Nó cũng có thể phân phối phần mềm trong cácreader và cảm biến Cơ sở hạ tầng truyền thông: Là thành phần bắt buộc, nó

là một tập gồm cả hai mạng có dây và không dây, các bộ phận kết nối tuần

tự để kết nối các thành phần đã liệt kê ở trên với nhau để chúng truyền vớinhau một cách hiệu quả

Hình 2.1 Hệ thống RFID hoàn thiện

2.1.1 Thẻ RFID

Thẻ RFID (Bộ phát đáp - transpoder), thiết bị lưu trữ dữ liệu thực tếcủa một hệ thống RFID, thường bao gồm một phần tử kết nối (Couplingelement) và một vi chíp điện tử

Hình 2.2 Layout của thiết bị mang dữ liệu, transponder Hình bên trái transponder ghép cảm ứng với antenna cuộn dây, hình bên phải

transponder viba với antenna dipole

- Bán tích cực (Semi-active, còn gọi bán thụ động - semi-passive)

2.1.2 Mã hóa dữ liệu trên thẻ.

Reader RFID được gọi là vật tra hỏi (interrogator): Là một thiết bịđọc và ghi dữ liệu các thẻ RFID tương thích Hoạt động ghi dữ liệu lên thẻ

bằng Reader được gọi là tạo thẻ Quá trình tạo thẻ và kết hợp thẻ với một đốitượng được gọi là đưa thẻ vào hoạt động (commissioning the tag).

Reader là hệ thần kinh trung ương của toàn hệ thống, phần cứngRFID thiết lập việc truyền với thành phần này và điều khiển nó, là thao tácquan trọng nhất của bất kỳ thực thể nào muốn liên kết với thực thể phần

Một reader có cấu trúc layout như Hình 2.8 dưới đây:

Hình 2.9 Cấu trúc layout cơ bản của một reader

Các thành phần chính của Reader bao gồm:

- Mạch điều khiển (có thể nó được đặt ở bên ngoài)

2.2.8 Giao diện truyền thông

2.3 Phân loại Reader

2.3.1 Reader nối tiếp

2.3.2 Reader mạng

2.4 Cơ chế truyền cơ bản giữa thẻ và Reader

2.4.1 Kiểu điều chế Backscatter

CHƯƠNG III: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG SẢN PHẨM

3.1 Yêu cầu thiết kế

Mục tiêu của Luận văn là thiết kế một hệ thống quản lý nhân sự dựa trêncông nghệ RFID đơn giản có khả năng

 Đọc, ghi và hiển thị dữ liệu từ tag RFID

 Giao tiếp và hiển thị dữ liệu trên máy tính

 Khoảng cách đọc là 5 cm – 10cm

 Giá thành vừa phải, thiết kế nhỏ gọn

 Lưu tag và nhận diện tag đã lưu, nếu đúng tag đã lưu thì tác độngrelay

3.2 Yêu cầu hệ thống

Thiết kế một hệ thống quản lý nhân viên sử dụng công nghệ RFID ởmức độ thử nghiệm Hệ thống sẽ bao gồm một Reader, thẻ RFID chuẩn,Reader sẽ giao tiếp với máy tính thông qua chuẩn gián tiếp RS 232

Để có thể triển khai hệ thống vào thực tế, thì mỗi nhân viên khi đi quacổng phải mang theo thẻ RFID Bên trong chíp chỉ chứa mã số của nhânviên Ở cổng trang bị một đầu đọc thẻ – Reader, một máy chủ có cài đặt sẵnphần mềm quản lý, Reader được nối với máy tính thông qua một dây cápRS232 để truyền kết quả về máy tính

Đầu tiên, mỗi nhân viên sẽ đưa thẻ lại gần Reader Thiết bị này sẽthực hiện đọc mã số của nhân viên trên thẻ, sau đó truyền mã số này về máytính thông qua dây cáp RS232 Phần mềm trên máy tính dựa vào mã số đó

để truy cập cơ sở dữ liệu về nhân viên và và hiển thị thời gian đi làm củanhân viên đó Sau mỗi lần, thông tin về thời gian đi làm của nhân viên quamỗi ngày được cập nhật và tổng kết báo cáo tháng (nếu có)

3.3 Sơ đồ khối hệ thống RFID

Hình 3.1 Sơ đồ khối hệ thống RFID

3.4 Nguyên lý hoạt động của mạch

ID, thẻ nhân viên, thẻ chìa khóa…rất tiện lợi cho việc ra vào, tiết kiệm thờigian và không phải quẹt thẻ.

3.5.5 Khối giao tiếp máy tính

3.6 Hoạt động của thẻ thụ động EM 4100

3.6.1 Sơ đồ khối bên trong của EM 4100

Hình 3.5 Sơ đồ khối bên trong của chip EM 4100

Chíp EM 4100 bao gồm các khối: Full Wave Rectifer, Extractor, DataModulator, Sequencer, Data Encoder, Memory Array Đầu tiên nguồn nănglượng xoay chiều được tạo ra bởi từ trường trên cuộn dây đính kèm với chíp

EM 4100 ở bên ngoài Sau đó điện áp xoay chiều này được đưa qua khốiFull Wave Rectifer để chỉnh lưu bằng một cầu nối Gratez để cung cấp nguồnđiện áp một chiều ở bên trong nuôi chip Khi bít cuối cùng được gửi đi, thìchip sẽ tiếp tục quay trở lại với bit đầu tiên cho đến khi nào không còn nănglượng nuôi nó nữa Chip hoạt động dựa theo xung chủ được tạp ra bởi khốiClook Extractor sử dụng một trong hai cuộn dây ở bên ngoài (ở hình trên làcuộn COIL1) Đầu ra từ khối Clock Extractor sau đó đi đến điều khiển khốiSequencer Đây là khối cung cấp tất cả các tín hiệu cần thiết để địa chi hóamảng bộ nhớ và mã hóa tuần tự dữ liệu đầu ra

3.6.2 Tổ chức bộ nhớ của chip EM 4100

3.7 Thiết kế khối Reader

Chip EM 4095 trước đây tên là P4095, là một bộ phát công nghệmạch tích hợp CMOS với mục đích sử dụng trong một trạm RFID cơ sở đểthực hiện các chức năng sau:

- Điều khiển anten với tần số sóng mang

- Thực hiện điều chế AM để có thể ghi lên Transponder

- Thực hiện giải điều chế AM của tín hiệu của tín hiệu điều chế từanten được tạo ra bởi các bộ thu phát (Transponder)

Ngoài ra chúng ta cũng cần biết thêm về các đặc trưng chính của chipRFID

- Có tích hợp hệ thống PLL để tự điều chỉnh được tần số sóng mangđến tần số dao động anten

- Không cần tới thạch anh dao động bên ngoài chỉ yêu cầu phạm vitần số sóng mang từ 100 to 150 KHz

- Điều khiển trực tiếp anten sử dụng các bridge driver

- Truyền dữ liệu bằng OOK (điều chế biên độ 100%) sử dụng các cầuđiều khiển

- Truyền dữ liệu bằng cách điều chế biên độ với hệ số điều chỉnh điềuchế có thể thay đổi được từ bên ngoài bằng cách dùng single ended driver

- Hỗ trợ nhiều giao thức Transponder thích hợp (ví dụ như: EX 400X,

EM 4050, EM4150, EM 4070, EM 4096)

- Có chế độ “ngủ” tại mức 1A

- Thích hợp với phạm vi nguồn năng lượng USB nên dễ dàng hơntrong việc thiết kế Reader sử dụng nguồn năng lượng từ đường USB củamáy tính

- Chịu được phạm vi nhiệt độ từ -400 tới 850

- Có kiểu đóng gói nhỏ gọn

Sơ đồ chân IC 4095

3.8.4 Timer trong PIC16F886

3.9 Bộ hiển thị LCD

3.10 Khối giao tiếp với máy tính

3.10.1 MAX232.

3.10.2 Quá trình truyền dữ liệu

Hệ thống hoạt động tại tần số 125KHz nên điện dung cộng hưởng

CRES được tính theo công thức:

CRES = ( 2 f ) 2 L A

1



(3.2)

Và ta tính được kết quả là: CRES = 2,24nF

Bằng cách cho anten được điều khiển theo hình cầu điều khiển và áp dụngcông thức:

IANT ( peak ) = R ANT DD R SER SS R AD

V V

Và VANT ( peak ) = ANT fC peak RES

I

 2

) (

(3.4)

Ta sẽ tính được các đại lượng dòng và điện áp tại anten của Readervới RSER = 0

IANT ( peak ) = 315mA

VANT ( peak ) = 179VĐầu ra tín hiệu tại DEMOD_IN được giới hạn bởi hệ số phân chia dC

(Tức là làm mát đi một phần tín hiệu ban đầu với hệ số dC), để nó có thể đápứng các chế độ đọc khác nhau của EM4095 Như các sơ đồ chỉ ra dưới đây,

ta thấy chíp EM 4095 thiên nhiều hơn vè chế độ đọc nên chíp này khá uyểnchuyển về mặt thiết kế Tức là dùng chíp này để thiết kế một Reader chonhiều loại thẻ khác nhau Chẳng hạn như thẻ chỉ đọc EM4100, thẻ đọc – ghi

EM 4150, thẻ EM 4069…Sơ đồ trên chỉ giành cho riêng các thẻ đọc EM4100

Hình 3.17 Tín hiệu anten tại DEMOD_IN đã được phân chia hệ số d C

Với mỗi chế độ đọc, để cho trạng thái tín hiệu tại chân DEMOD_INtốt nhất có thể thì giá trị của tụ điện phân chia nên được định lượng với sai

số thấp Ta có thể định lượng giá trị đó dựa trên bất đẳng thức sau:

DC <

max _ _

) (

IN DEMOD

pp ANT V

V

(3.5)Tại VDEMOD_IN_PP = 4Vpp thì hệ số phân chia dC = 35.Ngoài ra tỷ lệ phânchia có thể được thực hiện theo cách sử dụng điện chuẩn Ví dụ với tụ điện

CDV2 thì giá trị tốt nhất nên chọn nằm trong phạm vi 1nF tới 2nF Tương tựnhư vậy ta cũng chọn được giá trị các tụ điện khác liên quan tới hệ số phânchia dC là:

CRES = 2,2nF

V D

V S

* CDV1

3.11.1 Thiết kế anten cho Reader

Các thẻ thụ động sẽ sử dụng cảm ứng từ do điện áp cuộn anten sinh ra đểhoạt động Cảm ứng từ của điện áp xoay chiều này được chỉnh lưu để cungcấp một nguồn điện áp cho thẻ Khi điện áp một chiều đó đạt đến một mức

độ nhất định, thẻ bắt đầu hoạt động Vì vậy, bằng cách tạo ra một tín hiệunăng lượng RF, Reader có thể liên lạc được từ xa với thẻ mà không cần đếnnguồn năng lượng bên ngoài thẻ (ví dụ như pin)

Nên cuộn dây anten đóng vai trò rất quan trọng trong các ứng dụngRFID, nó cung cấp năng lượng cho các thẻ thụ động và tạo ra một kênh liên

lạc giữa thẻ với Reader Bây giờ chúng ta tìm hiểu sơ qua về cách chế tạoanten cùng các công thức vật lý liên quan để tìm ra các tham số chuẩn nhất.

Trước tiên ta cần phải xem xét các yếu tố ảnh hưởng đến cuộn dâyanten ta chế tạo, chẳng hạn như đặt thẻ so với cuộn dây như thế nào? Tạo ragóc bao nhiêu độ? Hay nên chọn dây có đường kính bao nhiêu để trở khángcủa nó là thấp nhất và hệ số chất lượng Q của anten là bao nhiêu?

Theo định luật Ampe, khi một dòng điện đi qua đầu dây dẫn thì nótạo ra một từ trường xung quanh dây dẫn đó Từ trường được tạo ra bởi mộtphần tử dòng điện, trên một vòng dây dẫn với chiều dài hữu hạn cho bởicông thức:

Z

Từ trường tạo ra bởi một vòng cuộn dây anten được cho bởi côngthức:

B1 = 2 2 3 / 2

2

) (

2

0

r a

2

a o



for r2 >>a2

(3.10)Trong đó:

Reader sẽ gây ra một điện áp bên trong cuộn dây anten của thẻ đặtgần đó Chính điện áp này là nguyên nhân gây dẫn đến sự xuất hiện dòngđiện trên cuộn dây đó Đó chính là định luật Faraday

V=-Nd dt (3.11)

N: Số vòng của cuộn dây anten

 : Thông lượng từ trường qua mỗi vòng dâyThông lượng từ trường  là tổng từ trường B đi qua toàn bộ bề mặtcuộn dây anten và được tìm ra theo công thức:

 = B*ds(3.12)

B: Từ trườngS: Diện tích bề mặt cuộn dâyBiểu thức tính toán cho điện áp Vo trong một vòng dây là:

F: Tần số của tín hiệu đếnN: Số vòng của cuộn dâyS: Diện tích vòng dây (m2)Q: Hệ số chất lượng của mạchBo: Cường độ của tín hiệu đến

 : Góc tới của tín hiệuTrong công thức ở trên, hệ số chất lượng Q là thước chọn lọc tần số có lợi:

Hình 3.20 Sự phụ thuộc về hướng của anten thẻ so với anten Reader

Điện áp cảm ứng xuất hiện đi ngang qua cuộn dây anten là một hàmcủa góc các hiệu đến Điện áp cảm ứng đạt giá trị lớn nhất khi cuộn dâyanten đặt tại vị trí song song với các tín hiệu, tại đó ta sẽ có góc  = 0 Như

Tag a

B-field

vậy có nghĩa là để khả năng đọc thẻ tốt nhất trong thực tế, ta nên để theophương song song với cuộn dây anten.

Ngoài ra, khi chế tạo anten, ta cũng cần phải chú ý đến đường kínhdây dựa vào số kí hiệu AWG (American Wire Gauge) Dây có đường kínhcàng nhỏ thì trở kháng DC của nó càng cao Trở kháng DC với diện tích mặtcắt ngang như nhau tại các vị trí được cho bởi công thức:

 : Độ dẫn điện của dây (MHO/m)

S: Diện tích mặt cắt ngang

a: Bán kính dây

Thông thường trở kháng DC phải được giữ ở giá trị thấp nhất có thể

để giúp cho hệ số chất lượng Q của anten càng cao càng tốt Bởi vậy, phảichọn dây có đường kính càng lớn càng tốt để chế tạo anten cho các ứngdụng

RFID trong thực tế

Khi tần số tăng lên, từ trường tại trung tâm của dây tăng và dẫn đếnmật độ của dòng điện trong khu vực củng tăng lên Nên diện tích di chuyểntheo đường từ trung tâm dây và tăng tại vị trí gần mép dây Kết quả là mật

độ dòng sẽ giảm tại trung tâm dây và tăng tại vị trí gần mép dây Đây là mộthiệu ứng lớp bề mặt của dây Độ sâu của dây tại nơi mà mật độ dòng điệngiảm tới 1/e hay là 37% giá trị dọc theo bề mặt, được biết đến với tên gọi là

độ sâu lớp bề mặt và phụ thuộc vào tần số hoạt động và độ từ thẩm, độ dẫnđiện của môi trường Dưới đây là công thức tính toán độ sâu lớp bề mặt:

 = f1 (3.15) Trong đó: f: Tần số