NGHIÊN cứu, THIẾT kế và xây DỰNG hệ THỐNG THU PHÍ GIAO THÔNG điện tử ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ RFID THỤ ĐỘNG

Chọn các mức điểm phù hợp cho sinh viên trình bày theo các tiêu chí dưới đây: Rất kém 1; Kém 2; Đạt 3; Giỏi 4; Xuất sắc 5 Có sự kết hợp giữa lý thuyết và thực hành 20 1 Nêu rõ tính cấp

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

VIỆN ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG

ĐỒ ÁN

TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

Đề tài:

NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ VÀ XÂY DỰNG

HỆ THỐNG THU PHÍ GIAO THÔNG ĐIỆN TỬ ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ RFID THỤ ĐỘNG

Lớp ĐT4 – K55 Giảng viên hướng dẫn: TS NGÔ VŨ ĐỨC

Hà Nội, 5-2015

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

VIỆN ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG

ĐỒ ÁN

TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

Đề tài:

NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ VÀ XÂY DỰNG

HỆ THỐNG THU PHÍ GIAO THÔNG ĐIỆN TỬ ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ RFID THỤ ĐỘNG

Giảng viên hướng dẫn: TS NGÔ VŨ ĐỨC Cán bộ phản biện: TS PHẠM NGUYỄN THANH LOAN

Hà Nội, 5-2015

Đánh giá quyển đồ án tốt nghiệp (Dùng cho giảng viên hướng dẫn)

Giảng viên đánh giá:

Họ và tên Sinh viên: MSSV:………

Tên đồ án:

………

Chọn các mức điểm phù hợp cho sinh viên trình bày theo các tiêu chí dưới đây:

Rất kém (1); Kém (2); Đạt (3); Giỏi (4); Xuất sắc (5)

Có sự kết hợp giữa lý thuyết và thực hành (20)

1

Nêu rõ tính cấp thiết và quan trọng của đề tài, các vấn đề và các giả

thuyết (bao gồm mục đích và tính phù hợp) cũng như phạm vi ứng

dụng của đồ án

1 2 3 4 5

2 Cập nhật kết quả nghiên cứu gần đây nhất (trong nước/quốc tế) 1 2 3 4 5

3 Nêu rõ và chi tiết phương pháp nghiên cứu/giải quyết vấn đề 1 2 3 4 5

4 Có kết quả mô phỏng/thưc nghiệm và trình bày rõ ràng kết quả đạt

Có khả năng phân tích và đánh giá kết quả (15)

5 Kế hoạch làm việc rõ ràng bao gồm mục tiêu và phương pháp thựchiện dựa trên kết quả nghiên cứu lý thuyết một cách có hệ thống 1 2 3 4 5

6 Kết quả được trình bày một cách logic và dễ hiểu, tất cả kết quả đềuđược phân tích và đánh giá thỏa đáng. 1 2 3 4 5 7

Trong phần kết luận, tác giả chỉ rõ sự khác biệt (nếu có) giữa kết

quả đạt được và mục tiêu ban đầu đề ra đồng thời cung cấp lập luận

để đề xuất hướng giải quyết có thể thực hiện trong tương lai 1 2 3 4 5

Kỹ năng viết (10)

8

Đồ án trình bày đúng mẫu quy định với cấu trúc các chương logic

và đẹp mắt (bảng biểu, hình ảnh rõ ràng, có tiêu đề, được đánh số

thứ tự và được giải thích hay đề cập đến trong đồ án, có căn lề, dấu

cách sau dấu chấm, dấu phẩy v.v), có mở đầu chương và kết luận

chương, có liệt kê tài liệu tham khảo và có trích dẫn đúng quy định

1 2 3 4 5

9 Kỹ năng viết xuất sắc (cấu trúc câu chuẩn, văn phong khoa học, lậpluận logic và có cơ sở, từ vựng sử dụng phù hợp v.v.) 1 2 3 4 5

Thành tựu nghiên cứu khoa học (5) (chọn 1 trong 3 trường hợp)

10a

Có bài báo khoa học được đăng hoặc chấp nhận đăng/đạt giải

SVNC khoa học giải 3 cấp Viện trở lên/các giải thưởng khoa học

(quốc tế/trong nước) từ giải 3 trở lên/ Có đăng ký bằng phát minh

sáng chế

5

10b

Được báo cáo tại hội đồng cấp Viện trong hội nghị sinh viên

nghiên cứu khoa học nhưng không đạt giải từ giải 3 trở lên/Đạt

giải khuyến khích trong các kỳ thi quốc gia và quốc tế khác về

chuyên ngành như TI contest

2

Điểm tổng quy đổi về thang 10

3 Nhận xét thêm của Thầy/Cô (giảng viên hướng dẫn nhận xét về thái độ và tinh thần

làm việc của sinh viên)

Ngày: / /201 Người nhận xét

(Ký và ghi rõ họ tên)

Đánh giá quy n đ án t t nghi p ển đồ án tốt nghiệp ồ án tốt nghiệp ốt nghiệp ệp (Dùng cho cán b ph n bi n) ộ phản biện) ản biện) ệp

Giảng viên đánh giá:

Họ và tên Sinh viên: MSSV:………

Tên đồ án:

………

Chọn các mức điểm phù hợp cho sinh viên trình bày theo các tiêu chí dưới đây:

Rất kém (1); Kém (2); Đạt (3); Giỏi (4); Xuất sắc (5)

Có sự kết hợp giữa lý thuyết và thực hành (20)

1

Nêu rõ tính cấp thiết và quan trọng của đề tài, các vấn đề và các giả

thuyết (bao gồm mục đích và tính phù hợp) cũng như phạm vi ứng

dụng của đồ án

1 2 3 4 5

2 Cập nhật kết quả nghiên cứu gần đây nhất (trong nước/quốc tế) 1 2 3 4 5

3 Nêu rõ và chi tiết phương pháp nghiên cứu/giải quyết vấn đề 1 2 3 4 5

4 Có kết quả mô phỏng/thưc nghiệm và trình bày rõ ràng kết quả đạtđược 1 2 3 4 5

Có khả năng phân tích và đánh giá kết quả (15)

5 Kế hoạch làm việc rõ ràng bao gồm mục tiêu và phương pháp thực

hiện dựa trên kết quả nghiên cứu lý thuyết một cách có hệ thống 1 2 3 4 5

6 Kết quả được trình bày một cách logic và dễ hiểu, tất cả kết quả đều

7

Trong phần kết luận, tác giả chỉ rõ sự khác biệt (nếu có) giữa kết

quả đạt được và mục tiêu ban đầu đề ra đồng thời cung cấp lập luận

để đề xuất hướng giải quyết có thể thực hiện trong tương lai

1 2 3 4 5

Kỹ năng viết (10)

8

Đồ án trình bày đúng mẫu quy định với cấu trúc các chương logic

và đẹp mắt (bảng biểu, hình ảnh rõ ràng, có tiêu đề, được đánh số

thứ tự và được giải thích hay đề cập đến trong đồ án, có căn lề, dấu

cách sau dấu chấm, dấu phẩy v.v), có mở đầu chương và kết luận

chương, có liệt kê tài liệu tham khảo và có trích dẫn đúng quy định

1 2 3 4 5

9 Kỹ năng viết xuất sắc (cấu trúc câu chuẩn, văn phong khoa học, lậpluận logic và có cơ sở, từ vựng sử dụng phù hợp v.v.) 1 2 3 4 5

Thành tựu nghiên cứu khoa học (5) (chọn 1 trong 3 trường hợp)

10a

Có bài báo khoa học được đăng hoặc chấp nhận đăng/đạt giải

SVNC khoa học giải 3 cấp Viện trở lên/các giải thưởng khoa học

(quốc tế/trong nước) từ giải 3 trở lên/ Có đăng ký bằng phát minh

sáng chế

5

10b

Được báo cáo tại hội đồng cấp Viện trong hội nghị sinh viên

nghiên cứu khoa học nhưng không đạt giải từ giải 3 trở lên/Đạt

giải khuyến khích trong các kỳ thi quốc gia và quốc tế khác về

chuyên ngành như TI contest

2

Điểm tổng quy đổi về thang 10

3 Nhận xét thêm của Thầy/Cô

Ngày: / /201 Người nhận xét

(Ký và ghi rõ họ tên)

LỜI NÓI ĐẦU

Hiện nay trên thế giới đã có rất nhiều nước triển khai hệ thống giao thôngthông minh ITS (Intelligent Transportation Systems) Đây là một giải pháp hiệnđại, phát huy tính hiệu quả và được triển khai trên nhiều quốc gia phát triển Trong

đó, hệ thống thu phí điện tử ETC (Electronic Toll Collection) là bộ phận quan trọngcấu thành trong hệ thống ITS Hệ thống thu phí điện tử đã cho thấy được những lợiích vượt trội của nó mang lại so với cách thu phí thủ công trước đây Tuy nhiên, ởViệt Nam vẫn chưa có một hệ thống thu phí tự động nào thực sự hoàn chỉnh và hiệnđại Do đó, hệ thống thu phí điện tử là đề tài đã được nghiên cứu trong nhiều dự ánvới nhiều phương pháp khác nhau, mỗi phương pháp lại có những ưu điểm và hạnchế của nó Trong số đó, các phương pháp sự dụng công nghệ RFID là phổ biến Và

để khai thác những thuận lợi, tránh và khắc phục những nhược điểm của cácphương pháp đã nghiên cứu trước đó, sở Khoa học và Công nghệ Hà Nội đã đề xuấtphương án xây dựng hệ thống thu phí điện tử sử dụng công nghệ RFID thụ độngtheo tiêu chuẩn ISO 18000 – 6C, băng tần UHF 865 – 868 MHz Chúng em dựatrên định hướng đó, sẽ xây dựng một hệ thống thu phí điện tử dùng công nghệ RFIDthụ động, với mục tiêu là xây dựng được một hệ thống thu phí hoàn chỉnh và khả thicho triển khai trong thực tế

Em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới TS Ngô Vũ Đức- bộ môn Điện tử Kĩthuật máy tính, TS Lê Minh Tuấn- Sở Khoa học và Công nghệ Hà Nội cùng cácbạn sinh viên nhóm SystemVLSI đã giúp đỡ và hướng dẫn tận tình để em có thểhoàn thành được đề tài tốt nghiệp này!

TÓM TẮT LUẬN VĂN

Tình hình giao thông Việt Nam đến hiện tại là một vấn đề đang rất đượcquan tâm bởi vẫn còn khá nhiều điểm hạn chế chưa được xử lý và nâng cấp như tìnhtrạng ùn tắc thường xuyên xảy ra, chất lượng giao thông chưa cao, thiếu tính hiệnđại trong hệ thống Để giải quyết những vẫn đề đó, đã và đang có rất nhiều giảipháp được nghiên cứu, triển khai nhằm cài thiện tình trạng giao thông Trong đó,việc xây dựng hệ thống thu phí điện tử là một trong những giải pháp cần thiết vàcấp bách Đề tài “Nghiên cứu, thiết kế và xây dựng hệ thống thu phí giao thông điện

tử ứng dụng công nghệ RFID thụ động” đặt ra với mục tiêu chung là xây dựng hệthống thu phí điện tử hoàn thiện, bao gồm:

 Chế tạo thiết bị nhúng đọc thẻ RFID thụ động Sử dụng thiết bị nàyđọc dữ liệu từ thẻ RFID được gắn lên thiết bị tham gia giao thông.Sau đó truyền dữ liệu đọc được đến máy tính tại trạm thu phí theogiao thức TCP-IP Máy tính tại trạm thu phí sẽ xử lý, kiểm tra thôngtin tài khoản của chủ phương tiện và tự động trừ phí

 Xây dựng cơ sở dữ liệu thực tế cho hệ thống, đảm bảo tính đầy đủ, antoàn bảo mật và truy xuất nhanh

 Xây dựng được các thuật toán lọc thẻ và đọc thẻ chính xác, xử lýđược các trường hợp gian lận, làm giả thẻ

 Xây dựng được hệ thống phần mềm dùng trong hệ thống, các trangweb hỗ trợ cho việc quản lý và truy xuất thông tin từ cơ sở dữ liệu.Qua quá trình nghiên cứu, thiết kế và phát triển, nhóm nghiên cứu đã xâydựng hoàn chỉnh hệ thống thu phí giao thông gồm các phần như trên, sử dụng côngnghệ RFID thụ động theo tiêu chuẩn ISO 18000 – 6C, băng tần UHF 865 – 868MHz Trong đề tài này, công việc chính em đã thực hiện bao gồm: tối ưu bản thiết

kế của đầu đọc RFID được kế thừa để tạo nên một sản phầm đầu đọc thẻ RFID hoànchỉnh; xây dựng xong thuật toán đọc thẻ và lọc thẻ mới để tăng cường tính nhanhchóng, chính xác và bảo mật cho hệ thống; xây dựng phần mềm khởi tạo ngườidùng mới cho hệ thống và tương tác trực tiếp với cơ sở dữ liệu thực tế

Vietnam traffic situation at present is a problem that is is of particularconcern because there are still many limitations that have not been processed andupgraded as congestion often occurs, traffic is not high quality, lack modernity inthe system To solve the problems that were and are many solutions being studied,implemented to improve traffic conditions In particular, the construction ofelectronic toll system is one of the solutions necessary and urgent The project

"Study, design and construction of transport systems electronic toll collectionapplications passive RFID technology," poses with the common goal of buildingelectronic toll system improvement, including:

 Create embedded devices read passive RFID tags Use this device toread data from RFID tags are attached to equipment in traffic Thentransfer data is readed to a computer at toll booths under the TCP-IP.Computers at toll stations will processing, check the owner's accountinformation and automatic vehicle debited

 Construction of the actual database system, ensuring complete, secureand fast access security

 Construction of the filtering algorithms correct card and card reader,handle cases of fraud, forgery card

 Develop a software system used in the system, the support site formanaging and retrieving information from databases

Through the research, design and development, the team has developed acomplete system of traffic charges including parts as above, using passive RFIDtechnology according to ISO 18000 - 6C, the UHF band 865-868 MHz In thisproject, the main task they have performed include: optimizing the design of RFIDreader is inherited product to create a complete RFID card reader; built card readerand filtering algorithms new cards to enhance the rapid, accurate and secure system;

build software initialization new user to the system and interact directly with theactual database.

MỤC LỤC

LỜI NÓI ĐẦU 6

TÓM TẮT LUẬN VĂN 7

DANH SÁCH HÌNH VẼ SỬ DỤNG TRONG LUẬN VĂN 11

DANH SÁCH BẢNG BIỂU TRONG LUẬN VĂN 13

DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT 14

MỞ ĐẦU 15

CHƯƠNG 1 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 18

1.1 Công nghệ RFID 18

1.1.1 Giới thiệu 18

1.1.2 Thành phần của hệ thống RFID 19

1.1.3 Các công nghệ RFID 27

1.1.4 Các tiêu chuẩn RFID 28

1.1.5 Ứng dụng của công nghệ RFID 30

1.2 Hệ thống nhúng Linux 31

1.2.1 Giới thiệu 31

1.2.2 Kiến trúc tổng quát của một hệ thống Linux nhúng 32

1.2.3 Xu hướng phát triển hệ thống nhúng Linux 35

1.3 Giao tiếp Ethernet 36

1.3.1 Tổng quan về Ethernet 36

1.3.2 Giao thức TCP/IP 37

1.3.3 Lập trình Socket 44

1.4 Giao tiếp USB ttyACM0 Linux 46

1.4.1 Giới thiệu về chuẩn USB 46

1.4.2 Quá trình hoạt động 47

1.4.3 USB cdc-acm trên Linux 49

1.5 Kết luận 50

CHƯƠNG 2 TÌM HIỂU HỆ THỐNG 51

2.1 Tổng quan về hệ thống 51

2.1.1 Giới thiệu 51

2.1.2 Các bộ phận cấu thành 51

2.1.3 Công nghệ sử dụng 53

2.2 Xây dựng mô hình hệ thống 54

2.2.1 Mô hình hoạt động của hệ thống 54

2.2.2 Các công việc cần thực hiện 55

2.3 Kết luận 55

CHƯƠNG 3 CÔNG VIỆC THỰC HIỆN 56

3.1 Thiết kế và chế tạo đầu đọc thẻ RFID 56

3.1.1 Mô tả chức năng đầu đọc thẻ 56

3.1.2 Các module sử dụng 57

3.1.3 Sơ đồ khối và sơ đồ nguyên lý đầu đọc RFID 65

3.1.4 Kết quả 67

3.2 Xây dựng thuật toán đọc thẻ và lọc thẻ 69

3.2.1 Yêu cầu đặt ra 69

3.2.2 Xây dựng thuật toán 69

3.3 Xây dựng phần mềm khởi tạo người dùng mới 73

3.3.1 Yêu cầu đặt ra 73

3.3.2 Giao diện phần mềm 74

3.4 Kết luận 76

KẾT LUẬN CHUNG 77

TÀI LIỆU THAM KHẢO 79

DANH SÁCH HÌNH VẼ SỬ DỤNG TRONG LUẬN VĂN

Hình 1.1 Sơ đồ khối một hệ thống RFID [2] 20

Hình 1.2 Các thành phần của một thẻ RFID thụ động [2] 21

Hình 1.3 Cấu trúc thẻ tích cực [2] 22

Hình 1.4 Thẻ bán tích cực [2] 23

Hình 1.5 Các thành phần của một đầu đọc[2] 24

Hình 1.6 Mô hình ăng ten thực tế bị méo, nhô [2] 26

Hình 1.7 Ăng ten UHF A100/A110 của hãng Scirocco 26

Hình 1.8 Sơ đồ khối hệ thống nhúng Linux [5] 33

Hình 1.9 So sánh giữa mô hình OSI và TCP/IP 38

Hình 1.10 Quá trình đóng gói dữ liệu 40

Hình 1.11 Cấu trúc IP Header 41

Hình 1.12 Cấu trúc TCP Header 42

Hình 1.13 Quá trình truyền nhận dữ liệu bằng socket trong giao thức TCP[7] 44

Hình 1.14 Kết nối cáp USB [7] 46

Hình 1.15 Hệ thống USB trên Linux [7] 49

Hình 2.1 Minh họa hệ thống thu phí điện tử ETC 52

Hình 2.2 Mô hình hoạt động của hệ thống thu phí điện tử ứng dụng công nghệ RFID 54

Hình 3.1 Module M6e Micro của hãng ThingMagic [9] 58

Hình 3.2 Kit nhúng BeagleBone Black 59

Hình 3.3 Sơ đồ khối board BeagleBone Black [11] 60

Hình 3.4 Sơ đồ khối chip AM3359AZCZ100 [12] 61

Hình 3.5 Sơ đồ khối kết nối giữa IC LAN8710A với vi xử lý và cổng RJ45 [13] 63

Hình 3.6 Module nguồn ESP- 25-12 cho đầu đọc 64

Hình 3.7 Sơ đồ khối đầu đọc RFID 65

Hình 3.8 Nguyên lý hoạt động của đầu đọc RFID 67

Hình 3.9 Đầu đọc RFID được thiết kế 68

Hình 3.10 Đầu đọc RFID và ăng ten 68

Hình 3.11 Cấu trúc dữ liệu trên thẻ RFID cơ bản [10] 70

Hình 3.12 Thuật toán đọc thẻ và lọc thẻ cho đầu đọc 72

Hình 3.13 Sơ đồ chức năng phần mềm khởi tạo người dùng 74

Hình 3.14 Giao diện đăng nhập của phần mềm khởi tạo 74

Hình 3.15 Giao diện chính của phần mềm khởi tạo 75

Hình 3.16 Giao diện kiểm tra của phần mềm khởi tạo 75

DANH SÁCH BẢNG BIỂU TRONG LUẬN VĂN

Bảng 1.1 Các băng tần RFID, tiêu chuẩn và ứng dụng chính[1] 27

Bảng 1.2 Các loại lớp EPC [1] 29

Bảng 1.3 Cấu trúc mã EPC 01 115A1D7 28A1E6 421CBA30A [1] 29

Bảng 3.1 Các thông số kỹ thuật chính của đầu đọc [1] 57

Bảng 3.2 Sơ đồ các chân module M6e Micro [10] 59

DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT

RFID Radio Frequency Identification Công nghệ nhận dạng bằng sóng

vô tuyến

ITS Intelligent Transportation

ETTM Electronic Toll Collection &

Transportation Management Quản lý giao thông và thu phí điệntử.ETC Electronic Toll Collection Hệ thống thu phí điện tử

OBU On Board Unit Thiết bị điện tử được sử dụng

trong thu phí tự động cùng với hệthống tương thích được lắp đặt tạitrạm thu phí

USB Univeral Serial Bus Chuẩn kết nối tuần tự đa dụng

Identification Bộ phận nhận dạng (định danh)phương tiện tự động

Classification Bộ phận phân loại phương tiện tựđộng

MỞ ĐẦU

Ở Việt Nam, hệ thống thu phí đang từng bước được hiện đại Nhưng vẫn tồntại các trạm thu phí giao thông đường bộ với số lượng nhân viên trực còn khánhiều, xe qua trạm còn phải qua nhiều giai đoạn xử lý như mua vé, soát vé làm mấtnhiều thời gian, giảm tốc độ lưu thông, gây ùn tắc Chính vì điều này sẽ mang lạihiệu quả kinh tế chưa cao, mất mỹ quan đô thị Vấn đề này đã được quan tâm và

đã có những nghiên cứu, thiết kế và chế tạo, triển khai trạm thu phí tự động ở một

số nơi ở nước ta Tuy nhiên có nhiều phương pháp và cách triển khai khác nhau.Trong đó có nhiều dự án phát triển cho hệ thống thu phí tự động ứng dụng côngnghệ RFID Nhưng còn có nhiều hạn chế như khoảng cách đọc thẻ gần, không lọcđược thẻ, chưa có giải pháp bảo mật, thẻ cấp người dùng với giá thành cao, hệthống lắp đặt còn phức tạp Cụ thể như sau:

 Đối với các điểm thu phí đang hoạt động, hiện đang tồn tại một số điểmhạn chế sau:

 Công nghệ hoàn toàn phụ thuộc vào nước ngoài do chưa làm chủđược các khâu nghiên cứu, sản xuất phần mềm ứng dụng và đầu đọcthẻ

 Việc lựa chọn thẻ RFID bán tích cực và thiết bị OBU (On Board Unit)trên công nghệ DSRC tích cực (hệ thống thu phí triển khai tạiTP.Hồ Chí Minh) chưa phù hợp với tình hình tài chính của người sửdụng, gây khó khăn cho công tác triển khai trên phạm vi rộng

 Đối với các đề tài, luận án nghiên cứu thực hiện trong nước, hiện đang tồntại các vấn đề lớn sau:

 Lựa chọn công nghệ RFID chưa hợp lý dẫn tới khoảng cách giao tiếpgiữa thẻ và đầu đọc ngắn hoặc phải có thêm thiết bị để tăng khoảngcách giao tiếp gây phức tạp cho người sử dụng

 Hệ thống phần mềm quản trị cơ sở dữ liệu, phần mềm điều khiển

hệ thống đơn giản, quy mô nhỏ, không có khả năng mở rộng hệthống do không làm việc trên nền web

 Số lượng thẻ hoạt động đồng thời bị giới hạn

 Chưa có giải pháp bảo mật an toàn thông tin thẻ của người sửdụng cũng như chống sao chép thẻ

Để khắc phục nhược điểm trên nhóm nghiên cứu đã thiết kết, xây dựng vàphát triển hệ thống thu phí giao thông tự động ứng dụng công nghệ RFID thụ độngtheo tiêu chuẩn ISO 18000 – 6C, băng tần UHF (Ultra-high frequency) 865 – 868MHz Công nghệ này được lựa chọn dựa trên các tiêu chí kỹ thuật và kinh tế xã hộinhư: Có khả năng ứng dụng được với nhiều loại hình thu phí, phù hợp với băng tần

số đã được Cục tần số vô tuyến cấp phát, tuân thủ tiêu chuẩn quốc tế để có thể sửdụng thiết bị và thẻ từ nhiều nhà cung cấp khác nhau, lắp đặt dễ dàng, tiện lợi và antoàn cho người sử dụng, có chi phí đầu tư thấp giúp tiết kiệm nguồn ngoại tệ nhậpkhẩu, phù hợp với điều kiện kinh tế của đại bộ phận người sử dụng Việc sửdụng những ưu điểm trên của công nghệ RFID thụ động sẽ góp phần rất lớn trongviệc giải quyết những hạn chế tồn tại trong các phương pháp cũ Hệ thống được xâydựng đã giải quyết được nhiều vấn đề và có rất nhiều ưu việt rõ ràng như thu phínhanh, độ tin cậy cao, có giải pháp bảo mật cao, dễ mở rộng, chi phí hoạt động rẻhơn, giảm chi phí cho người dùng, giảm được ùn tắc giao thông, phát huy được tínhhiện đại, hiệu quả của hệ thống thu phí nói riêng và hệ thống giao thông thông minhnói chung

Trong phạm vi đồ án này, công việc chính em đã thực hiện bao gồm: tối ưubản thiết kế của đầu đọc RFID được kế thừa để tạo nên một sản phầm đầu đọc thẻRFID hoàn chỉnh; xây dựng xong thuật toán đọc thẻ và lọc thẻ mới để tăng cườngtính nhanh chóng, chính xác và bảo mật cho hệ thống; xây dựng phần mềm khởi tạongười dùng mới cho hệ thống và tương tác trực tiếp với cơ sở dữ liệu thực tế Phầncòn lại của đề tài, bao gồm tạo cơ sở dữ liệu cho hệ thống, xây dựng giao diện cáctrang web và xây dựng phần mềm thu phí tại PC sẽ do một nhóm khác thực hiện

Trong báo cáo này, em xin trình bày về phần công việc mà em đã thực hiệntrong đề tài, và những kết quả cụ thể đã đạt được Nội dung báo cáo đồ án đượctrình bày theo bố cục như sau:

Chương 1: “Cơ sở lý thuyết” Chương này sẽ trình bày về nền tảng lý thuyếtđược nghiên cứu để ứng dụng vào việc giải quyết bài toán đặt ra của đề tài Cụ thểlà: Lý thuyết công nghệ RFID, Lý thuyết về hệ thống nhúng Linux và Các giao thức

sử dụng

Chương 2: “Xây dựng hệ thống” sẽ là chương giới thiệu về hệ thống cần xâydựng, các bộ phận cấu thành, công nghệ sử dụng và mô hình hoạt động của hệthống Trong chương này cũng sẽ chỉ ra các công việc cần phải thực hiện để xâydựng được hệ thống hoàn chỉnh

Chương 3: “Nội dung thực hiện” sẽ trình bày về các công việc mà em đãthực hiện trong đề tài này cùng với kết quả đạt được được cho mỗi công việc

Chương 4: Kết luận chung cho các chương trong đồ án Chương này nhấnmạnh những vấn đề đã giải quyết đồng thời trình bày các vấn đề vẫn chưa được giảiquyết và đưa ra kiến nghị, đề xuất, hướng phát triển của đề tài trong thời gian tiếptheo

CHƯƠNG 1 CƠ SỞ LÝ THUYẾT

1.1 Công nghệ RFID

1.1.1 Giới thiệu

Công nghệ nhận dạng bằng tần số vô tuyến, hay công nghệ RFID, là một tậphợp các công nghệ cho phép đọc dữ liệu từ nguồn lưu trữ (thẻ RFID) trong khoảngcách ngắn mà không cần tiếp xúc Nhờ đó, công nghệ RFID cho phép nhận dạng tựđộng nhanh và chính xác

Lịch sử RFID đánh dấu từ những năm 1930 nhưng công nghệ RFID cónguồn gốc từ năm 1897 khi Guglielmo Marconi phát hiện ra sóng radio RFID ápdụng nguyên tắc vật lý cơ bản như truyền phát radio, sóng radio một năng lượngđiện từ truyền và nhận dạng dữ liệu khác nhau Sau thời giai dài phát triển, cho đếnnay, RFID được coi là một công nghệ nhận dạng có thể thay thế cho công nghệnhận dạng sử dụng mã vạch và hiện đang được triển khai ở nhiều nước trên thế giới

So với một hệ thống mã vạch, hệ thống RFID có một số ưu điểm như: giao tiếpnhiều – nhiều (tức là, một thẻ RFID có thể được đọc bởi nhiều đầu đọc và một đầuđọc có thể đọc được nhiều thẻ cùng lúc), truyền dẫn dữ liệu bằng sóng vô tuyếnthay vì truyền dẫn quang như hệ thống mã vạch nên không cần đường truyền trựctiếp (line of sign), và bản chất tính toán của hệ thống (dễ tin học hóa) Nhờ những

ưu điểm này, công nghệ RFID mới được ứng dụng rất rộng rãi trong các lĩnh vựcđời sống và kinh tế bao gồm quản lý tài sản, quản lý kho hàng, bến bãi, giám sáthàng hóa đang trong quá trình vận chuyển, thu phí bến bãi, thu phí giaothông đường bộ,

Một hệ thống RFID bao gồm các bộ phát đáp chứa dữ liệu, được gọi là

“thẻ” hay “tag” và các thiết bị đầu đọc để truy nhập dữ liệu trên các thẻ gọi là “thiết

bị đọc thẻ”, “thiết bị đọc/ghi thẻ” hoặc “đầu đọc thẻ”, “đầu đọc/ghi thẻ” Kỹ thuậtRFID sử dụng truyền thông không dây trong dải tần sóng vô tuyến để truyền dữ liệu

từ các thẻ (tag) đến các đầu đọc (reader) Thẻ có thể được đính kèm hoặc gắn vào

đối tượng được nhận dạng chẳng hạn sản phẩm, hộp hoặc giá kê (pallet) Đầu đọctiến hành đọc dữ liệu của thẻ và gửi thông tin đến cơ sở dữ liệu có lưu trữ dữ liệucủa thẻ Chẳng hạn, các thẻ có thể được đặt trên kính chắn gió xe hơi để hệ thốngthu phí đường có thể nhanh chóng nhận dạng và thu tiền trên các tuyến đường.

Dạng đơn giản nhất được sử dụng hiện nay là hệ thống RFID thụ động làmviệc như sau: đầu đọc truyền một tín hiệu tần số vô tuyến điện từ qua ăng ten của nóđến một con chip Đầu đọc nhận thông tin trở lại từ chip và gửi nó đến máy tínhđiều khiển đầu đọc và xử lý thông tin lấy được từ chip Các chip không tiếp xúckhông tích điện, chúng hoạt động bằng cách sử dụng năng lượng nhận từ tín hiệuđược gửi bởi đầu đọc

1.1.2 Thành phần của hệ thống RFID

Một hệ thống RFID là tập hợp các thành phần mà nó thực thi giải phápRFID Một hệ thống RFID bao gồm các thành phần:

 Thẻ (Tag): là một thành phần bắt buộc đối với mọi hệ thống RFID

 Đầu đọc (Reader): là thành phần bắt buộc

 Ăng ten đầu đọc (Reader anten): là thành phần bắt buộc Một vài đầuđọc hiện hành ngày nay cũng đã có sẵn ăng ten

 Mạch điều khiển (Controller): là thành phần bắt buộc Tuy nhiên, hầuhết các reader mới đều có thành phần này gắn liền với chúng

 Cảm biến (sensor), cơ cấu chấp hành (actuator) và bảng tín hiệu điệnbáo (annunciator): những thành phần này hỗ trợ nhập và xuất của hệthống

 Máy chủ và hệ thống phần mềm: Về mặt lý thuyết, một hệ thốngRFID có thể hoạt động độc lập không có thành phần này Thực tế,một hệ thống RFID gần như không có ý nghĩa nếu không có thànhphần này

 Cơ sở hạ tầng truyền thông: là thành phần bắt buộc, nó là một tập gồm

cả hai mạng có dây và không dây và các bộ phận kết nối tuần tự để

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

Các hình dưới đây mô tả tổng quát về một hệ thống RFID

Hình 1.1 Sơ đồ khối một hệ thống RFID [2]

có vi chip và nguồn năng lượng riêng

Thẻ RFID có thẻ được phân loại dựa theo tần số hoạt động hoặc theo đặcđiểm nguồn nuôi của thẻ Dựa trên đặc điểm nguồn điện cung cấp cho thẻ, sẽ có 3loại thẻ RFID bao gồm: thẻ thụ động (Passive), thẻ tích cực (Active) và thẻ bán tíchcực (Semi-active, cũng như bán thụ động semi-passive)

 Thẻ thụ động:

Là loại thẻ không có nguồn bên trong, sử dụng nguồn nhận được từ đầu đọc

để hoạt động và truyền dữ liệu được lưu trữ trong nó cho đầu đọc Thẻ thụ động cócấu trúc đơn giản và không có các thành phần động Thẻ như thế có một thời giansống dài và thường có sức chịu đựng với điều kiện môi trường khắc nghiệt

Đối với loại thẻ này, khi thẻ và đầu đọc truyền thông với nhau thì đầu đọcluôn truyền trước rồi mới đến thẻ Cho nên bắt buộc phải có đầu đọc để thẻ có thểtruyền dữ liệu của nó Thẻ thụ động nhỏ hơn thẻ tích cực hoặc thẻ bán tích cực.

Nó có nhiều phạm vi đọc, ít hơn 1 inch đến khoảng 30 feet (xấp xỉ 9 mét ) Haithành phần chính của thẻ thụ động là vi mạch (microchip) và ăng ten:

Hình 1.2 Các thành phần của một thẻ RFID thụ động [2]

Vi mạch của thẻ gồm các thành phần cơ bản sau [2]:

 Bộ chỉnh lưu (power control/rectifier): chuyển nguồn AC từ tín hiệuăng ten của đầu đọc thành nguồn DC Nó cung cấp nguồn đếncác thành phần khác của vi mạch

 Máy tách xung (Clock extractor): rút tín hiệu xung từ tín hiệu ăngten của đầu đọc

 Bộ điều chế (Modulator): điều chỉnh tín hiệu nhận được từ đầu đọc.Đáp ứng của thẻ được gắn trong tín hiệu đã điều chế, sau đó nó đượctruyền trở lại đầu đọc

 Đơn vị luận lý (Logic unit): chịu trách nhiệm cung cấp giao thứctruyền giữa thẻ và đầu đọc

 Bộ nhớ vi mạch (memory): được dùng lưu trữ dữ liệu

Ăng ten của thẻ được dùng để lấy năng lượng từ tín hiệu của đầu đọc đểlàm tăng sinh lực cho thẻ hoạt động, gửi hoặc nhận dữ liệu từ đầu đọc Ăng ten

được gắn vào vi mạch và là trung tâm đối với hoạt động của thẻ Có thể có nhiềudạng ăng ten, chiều dài ăng ten tương ứng với bước sóng hoạt động của thẻ

 Thẻ tích cực (Active).

Thẻ tích cực ngoài vi mạch và ăng ten như thẻ thụ động ra thì còn có mộtnguồn năng lượng bên trong và điện tử học để thực thi những nhiệm vụ chuyêndụng Nguồn năng lượng bên trong để cung cấp nguồn và truyền dữ liệu Điện

tử học cho phép thẻ hoạt động như một máy phát và cho phép nó thực thi nhữngnhiệm vụ chuyên dụng như tính toán, hiển thị giá trị các tham số động nào đó,hoặc hoạt động như một cảm biến, v.v…

Đối với loại thẻ này, trong quá trình truyền giữa thẻ và đầu đọc, thẻ luôntruyền trước, rồi mới đến đầu đọc Vì sự hiện diện của đầu đọc không cần thiết choviệc truyền dữ liệu nên thẻ tích cực có thể phát dữ liệu của nó cho những vùnglân cận nó thậm chí trong cả trường hợp đầu đọc không có ở nơi đó Loại thẻ tíchcực này cũng được gọi là máy phát (transmitter) Loại thẻ tích cực khác ở trạngthái ngủ hoặc nguồn yếu khi không có đầu đọc Đầu đọc đánh thức thẻ này khỏitrạng thái ngủ bằng cách phát một lệnh thích hợp Khoảng cách đọc của thẻ tíchcực là 100 feet (xấp xỉ 30.5 m) hoặc hơn nữa khi máy phát tích cực của loại thẻ nàyđược dùng đến

Hình 1.3 Cấu trúc thẻ tích cực [2].

 Thẻ bán tích cực (Semi-active, cũng như bán thụ động semi-passive).[2]

Thẻ bán tích cực có một nguồn năng lượng bên trong (chẳng hạn là bộ pin)

và điện tử học bên trong để thực thi những nhiệm vụ chuyên dụng Nguồn bêntrong cung cấp sinh lực cho thẻ hoạt động Tuy nhiên trong quá trình truyền dữliệu, thẻ bán tích cực sử dụng nguồn từ đầu đọc Thẻ bán tích cực được gọi là thẻ

có hỗ trợ pin (battery-assisted tag) Đối với loại thẻ này, trong quá trình truyềngiữa thẻ và đầu đọc thì đầu đọc luôn truyền trước rồi đến thẻ Tại sao sử dụngthẻ bán tích cực mà không sử dụng thẻ thụ động? Bởi vì thẻ bán tích cực không

sử dụng tín hiệu của đầu đọc như thẻ thụ động, nó tự kích động, nó có thể đọc ởkhoảng cách xa hơn thẻ thụ động Bởi vì không cần thời gian tiếp năng lượngcho thẻ bán tích cực, thẻ có thể nằm trong phạm vi đọc của đầu đọc ít hơnthời gian đọc quy định (không giống như thẻ thụ động)

Hình 1.4 Thẻ bán tích cực [2]

1.1.2.2 Đầu đọc (Reader):

Đầu đọc RFID được gọi là vật tra hỏi (interrogator), là một thiết bị có chứcnăng đọc và ghi dữ liệu lên thẻ RFID tương thích Đầu đọc là hệ thần kinh trungương của toàn hệ thống phần cứng RFID Thiết lập việc truyền với thành phần này

và điều khiển nó, là thao tác quan trọng nhất của bất kỳ thực thể nào muốn liên kếtvới thực thể phần cứng này

Hình 1.5 Các thành phần của một đầu đọc[2]

 Máy phát (Transmitter): Máy phát của đầu đọc truyền nguồn AC vàchu kỳ xung đồng hồ qua ăng ten của nó đến thẻ trong phạm vi đọccho phép, chịu trách nhiệm gửi tín hiệu của đầu đọc đến môi trườngxung quanh và nhận lại đáp ứng của thẻ qua ăng ten của đầu đọc

 Máy thu (Receiver): Thành phần này cũng là một phần của máy thuphát Nó nhận tín hiệu tương tự từ thẻ qua ăng ten của đầu đọc Sau

đó nó gửi những tín hiệu này cho vi mạch của đầu đọc

 Vi mạch (Microprocessor): Thành phần này chịu trách nhiệm cungcấp giao thức cho đầu đọc để nó truyền thông với thẻ tương thíchvới nó, thực hiện việc giải mã và kiểm tra lỗi tín hiệu tương tự nhận

từ máy thu Thêm nữa là vi mạch có thể chứa luận lý để thực hiệnviệc lọc và xử lý dữ liệu đọc được từ thẻ

 Bộ nhớ: Bộ nhớ dùng lưu trữ dữ liệu như các tham số cấu hình đầuđọc và một bản kê khai các lần đọc thẻ

 Kênh vào/ra đối với các cảm biến, cơ cấu chấp hành, bảng tín hiệuđiện báo bên ngoài (mặc dù đây là những thành phần khôngbắt buộc, chúng hầu như luôn được cung cấp với một đầu đọc

thương mại): Thành phần này cung cấp một cơ chế bật và tắt đầu đọctùy thuộc vào các sự kiện bên ngoài

 Mạch điều khiển (có thể nó được đặt ở bên ngoài): là một thực thểcho phép thành phần bên ngoài là con người hoặc chương trình máytính giao tiếp, điều khiển các chức năng của đầu đọc, điều khiển bảngtín hiệu điện báo và cơ cấu chấp hành kết hợp với đầu đọc này

 Mạch truyền thông: cung cấp các lệnh truyền đến đầu đọc, nó chophép tương tác với các thành phần bên ngoài qua mạch điều khiển, đểtruyền dữ liệu của nó, nhận lệnh và gửi lại đáp ứng Thành phần giaodiện này cũng có thể xem là một phần của mạch điều khiển hoặc làphương tiện truyền giữa mạch điều khiển và các thực thể bên ngoài

 Nguồn năng lượng: cung cấp năng lượng cho các thành phần của đầuđọc hoạt động

1.1.2.3 Ăng ten của đầu đọc [2]:

Đầu đọc truyền thông với thẻ thông qua ăng ten của đầu đọc, đó là mộtthiết bị riêng mà nó được gắn vào đầu đọc tại một trong những cổng ăng ten của

nó bằng cáp Chiều dài cáp thường giới hạn trong khoảng 6-25 feet Tuy nhiên, giớihạn này có thể khác nhau Ăng ten phát tán tín hiệu RF của máy phát đầu đọcxung quanh và nhận đáp ứng của thẻ Vì vậy vị trí của ăng ten chủ yếu là làm saocho việc đọc chính xác

 Dấu vết của ăng ten (Antenna Footprint):

Dấu vết ăng ten xác định phạm vi đọc của một đầu đọc Nói chung, dấu vếtăng ten cũng được gọi là mô hình ăng ten, có 3 miền kích thước có hình dáng giốnghình elip hoặc hình cầu nhô ra trước ăng ten Trong miền này, năng lượng của ăngten tồn tại, vì vậy đầu đọc có thể đọc thẻ đặt trong miền này dễ dàng Trên thực

tế thì do đặc tính của ăng ten, dấu vết của ăng ten không có hình dáng ổnđịnh như một hình elip mà luôn méo mó, có chỗ nhô ra Mỗi chỗ nhô ra bị baoquanh bởi miền chết miền chết này được gọi là null

Hình 1.6 Mô hình ăng ten thực tế bị méo, nhô [2]

Thẻ được đặt tại một trong những miền nhô ra đó sẽ được đọc còn nếu thẻ

di chuyển sao cho nó nằm trong miền chết bao quanh thì không thể đọc thẻ đượcnữa Vì vậy việc đọc thẻ gần miền nhô ra không đáng tin cậy Tốt nhất là đặt bêntrong miền có hình elip dù có nghĩa là bỏ qua một vài feet phạm vi đọc, nhưng antoàn vẫn hơn

Hình 1.7 Ăng ten UHF A100/A110 của hãng Scirocco

1.1.3 Các công nghệ RFID

Các hệ thống RFID có điểm chung là thu thập dữ liệu từ các thẻ không cầntiếp xúc Tuy nhiên, các loại thẻ RFID khác nhau sẽ có các ứng dụng khác nhau.Dựa trên việc phân loại thẻ RFID, sẽ có hai nhóm công nghệ RFID chính là:

 Công nghệ RFID dựa trên các thẻ có nguồn điện riêng, chính là “thẻ RFIDtích cực”

 Công nghệ RFID dựa trên thẻ sử dụng nguồn điện được cung cấp bởi cácđầu đọc thẻ, chính là thẻ RFID thụ động Công nghệ này được ứng dụngrộng rãi hơn nhiều so với công nghệ thẻ RFID tích cực

Việc lựa chọn công nghệ RFID cho một ứng dụng cụ thể phụ thuộc vào việcđánh giá cẩn trọng các yếu tố như: các khả năng khác nhau, chi phí và hiệu quả củacác công nghệ RFID khác nhau liên quan đến các nhu cầu của ứng dụng

Bảng 1.1 Các băng tần RFID, tiêu chuẩn và ứng dụng chính[1].

Băng tần Khoản g cách Tốc độ dữ liệu Ứng dụng chính chuẩn Tiêu

ISO18000/2

Thấp tớitrungbình

Thẻ thông minh, quản lý cácmặt hàng nhỏ, hộ chiếu,chuỗi cung cấp, chốngtrộm, thư viện, vận chuyển

ISO18000/3

UHF: 433

MHz(Tích cực)

1– 100mét

Trungbình

An ninh và theo dõicontainer, theo dõi tài sản

ISO18000/7UHF: 860 –

960 MHz

(Thụ động)

2 – 7mét

Từ trungbình đến cao

Nhận dạng phương tiệnvận tải, An ninh/truy nhập,quản lý các mặt hàng lớn,chuỗi cung cấp

EPC C1G2/ISO18000-6CKhi xét theo tần sốhoạt động, thẻ RFID được phân chia thành các loại sau[1]:

 Thẻ RFID tần số thấp (LF)

 Thẻ RFID tần số cao (HF)

 Thẻ RFID tần số siêu cao (UHF)

 Thẻ RFID tần số vi ba (2.45 GHz)

Các hệ thống RFID LF, HF và UHF sử dụng các thẻ RFID thụ động với giáthành tương đối thấp, từ dưới 20 nghìn đồng tới khoảng 200 nghìn đồng Các thẻRFID sử dụng trong các hệ thống này có các mức độ tin cậy khác nhau, tốc độ khácnhau và dung lượng bộ nhớ khác nhau Ví dụ, thẻ UHF cho phép đọc dữ liệu từkhoảng cách xa hơn so với các thẻ LF và HF, tuy nhiên nó bị tác động nhiều hơnnếu giữa thẻ và đầu đọc có vật che chắn Các tần số thẻ khác nhau được sử dụngtrong các ứng dụng khác nhau và tuân thủ các tiêu chuẩn khác nhau như minh họa

ở Bảng 1.1

1.1.4 Các tiêu chuẩn RFID

Tiêu chuẩn hóa công nghệ RFID bao gồm 3 lớp: lớp kết nối dữ liệu, lớp vật

lý, và lớp ứng dụng Lớp kết nối dữ liệu giải quyết các vấn đề chống xung đột, khởitạo, nội dung dữ liệu, và giao thức định địa chỉ thẻ Lớp vật lý giải quy ết vấn đềtruyền thông giữa thẻ và đầu đọc thẻ Lớp ứng dụng tổ chức cách thức các tiêuchuẩn được sử dụng trên nhãn vận chuyển [3] Tuân thủ tiêu chuẩn là một giao thứckhác trong lớp ứng dụng Đây là giao thức kiểm thử các thẻ và đầu đọc thẻ RFID cótuân thủ các tiêu chuẩn hay không [4]

Hiện tại, có 4 tổ chức chính tham gia xây dựng các tiêu chuẩn cho công nghệRFID là: Tổ chức tiêu chuẩn quốc tế (ISO), EPCglobal Inc, Viện tiêu chuẩn viễnthông châu Âu (ETSI), và Ủy ban truyền thông liên bang (FCC) [3] Trong thực tế,ISO đã xác nhận tiêu chuẩn EPCglobal Class-1 Gen-2 (EPC C1G2) là tiêu chuẩn

mở rộng ISO 18000-6C Sự kiện này mở ra con đường đi tới một giao thức toàncầu cho công nghệ RFID băng tần UHF

Các tiêu chuẩn EPC:

Mã EPC là một số bao gồm một tiêu đềvà 3 tập dữ liệu Tiêu đề xác định sốphiên bản của mã EPC, cho phép lưu các độ dài dữ liệu hoặc các kiểu dữ liệu lênEPC Phần thứ 2 của mã là một số xác định nhà quản lý EPC, thường là nhà sảnxuất sản phẩm Phần thứ 3 của mã, thường được gọi là lớp đối tượng, đề cập đến

chủng loại chính xác của sản phẩm Phần thứ 4 của mã là một số seri duy nhất chosản phẩm Nhờ đó, chúng ta có thể nhanh chóng tìm ra những sản phẩm gần hếtthời hạn sử dụng.

Bảng 1.2 và Bảng 1.3 tương ứng trình bày các loại Lớp EPC và một ví dụ vềcấu trúc của mã sản phẩm điện tử (EPC) được định nghĩa bởi chuẩn EPC

Lớp 3 Đọc/Ghi với nguồn pin để

nâng cao khoảng cách Bán tích cựcLớp 4 Đọc/ghi với máy phát tích cực Tích cực

Bảng 1.3 Cấu trúc mã EPC 01 115A1D7 28A1E6 421CBA30A [1]

01 Phiên bản mã EPC (tiêu đề 8 bit)115A1D7 Định danh nhà sản xuất

28 bit (~268 triệu nhà sản xuất)28A1E6 Định danh dòng sản phẩm24 bit (~ 16 triệu dòng sản phẩm từ một nhà sản xuất)

421CBA30A Sốseri của mỗi sản phẩm 36 bit (~ 68 triệu sản phẩm cho mỗi dòng sản phẩm)

Các tiêu chuẩn ISO:

Tổchức ISO đã làm việc về các ứng dụng RFID trong một số lĩnh vực nhưcác thẻ khoảng cách gần, giao diện vô tuyến RFID, nhận dạng động vật, chuỗi cungcấp hàng hóa [4]

Các tiêu chuẩn ISO điển hình bao gồm:

 ISO 14443: cho thẻkhoảng cách gần

 ISO 15693: cho thẻ lân cận hoặc thẻ thông minh

 ISO 18000 – 2: Tham số cho truyền thông giao diện vô tuyến dưới

135 KHz

• Tiêu chuẩn ISO cho tần số thấp LF

 ISO 18000 – 3: Tham số cho truyền thông giao diện vô tuyến tại13.56 MHz

• Tiêu chuẩn ISO cho tần số cao HF

• Hướng tới cùng thị trường như các tiêu chuẩn EPC

 ISO 18000 – 7: Tham số cho truyền thông giao diện vô tuyến tại433.92 MHz

1.1.5 Ứng dụng của công nghệ RFID

Hiện nay, công nghệ RFID đã được ứng dụng thương mại trong rất nhiềulĩnh vực như trong chăm sóc sức khỏe, chuỗi cung cấp hàng hóa, công nghiệp ô tô,giao dịch thanh toán, thu phí giao thông, hộ chiếu điện tử, kiểm soát truy nhập, Một số lĩnh vực ứng dụng thành công của công nghệ RFID được trình bày tóm tắtdưới đây [1]

 Công nghiệp ô tô: Một trong số ứng dụng RFID thông dụng nhấttrong công nghiệp ô tô là khóa chống trộm xe ô tô Ngoài ra, côngnghệ RFID còn được ứng dụng để quản lý hàng tồn kho trong nềncông nghiệp ô tô để duy trì tình trạng hàng tồn kho

 Giao dịch thanh toán: Ở Mỹ, có thể tìm thấy nhiều hệ thống thanhtoán dựa trên công nghệ RFID trên thị trường, ví dụ như hệ thốngSpeedpass cung cấp bởi ExxonMobil và ExpressPay cung cấp bởiAmerican Express Bên cạnh đó, các hệ thống thanh toán dựa trêncông nghệ RFID cũng được ứng dụng trong các lĩnh vực vận tải nhưSmarTrip sử dụng trong hệ thống tàu điện ngầm Washington D.C

 Chuỗi cung cấp hàng hóa: Các ứng dụng trên nền RFID trong chuỗicung cấp hàng hóa chủ yếu phục vụ cho theo dõi hàng hóa và quản

lý hàng tồn kho

 Kiểm soát truy nhập: Một ứng dụng rất phổ biến của công nghệ RFID

là kiểm soát truy nhập Các phù hiệu không tiếp xúc được sử dụngphổ biến trong hầu hết các văn phòng và cơ sở Các phù hiệu dạngnày thường hoạt động ở băng tần LF hoặc HF, và thường có cáckhoảng cách đọc rất ngắn

Ngoài ra, RFID còn được ứng dụng rất nhiều trong các lĩnh vực khác như hộchiếu điện tử, bảo mật an ninh…

1.2 Hệ thống nhúng Linux

1.2.1 Giới thiệu

Linux là một từ thay thế cho nhân Linux, một hệ thống Linux hay một bảnphân phối Linux (Linux distribution) Khái niệm về Linux cũng có thể hiểu đơngiản là một hệ điều hành Chính xác thì Linux dùng để chỉ hạt nhân được LinusTovalds phát triển và duy trì Mã nền tảng này chỉ bao gồm hạt nhân và không cómột ứng dụng kèm theo khác Hạt nhân chỉ cung cấp cho phần lõi của hệ thống khảnăng quản lý phần cứng dễ dàng Nó không phải là phần mềm đầu tiên được hệthống thực thi, vì thực chất là bootloader sẽ được thực thi trước Tuy nhiên, một khihạt nhân được thực thi, nó sẽ không bao giờ thoát hay trao quyền điều khiển cả hệthống cho đến khi hệ thống tắt Nó có tác dụng điều khiển tất cả phần cứng và cungcấp những khả năng quản lý ở cấp độ logic cao, ví dụ như các tiến trình, sockets,tập tin và các ứng dụng khác chạy trên hệ thống

Hệ điều hành nhúng Linux: Thuật ngữ “hệ thống Linux nhúng”chỉ những hệthống nhúng dựa trên nhân Linux và bao hàm cả ý nghĩa sử dụng những thư việnđặc biệt và các công cụ người dùng cùng với hạt nhân Một gói cung cấp hệ điềuhành Linux nhúng cũng có thể bao gồm cả nhóm các gói công cụ phát triển(development framework), hoặc nhóm các phần mềm được thay đổi để có thể sửdụng trên hệ thống nhúng hoặc cả hai Nhóm các gói công cụ phát triển bao gồm

các phần mềm phục vụ cho việc dễ dàng phát triển trên hệ thống nhúng Như cáctrình duyệt mã nguồn (source browser), các bộ biên dịch chéo, sửa lỗi, phần mềmquản lý dự án, tạo boot image…Gói công cụ phát triển này sẽ được cài đặt trên máyhost Ngược lại, đối với nhóm các phần mềm ứng dụng trên hệ thống nhúng sẽ đượcthực thi trên target là các hệ thống nhúng, như các thư viện đặc biệt, các tập tin thựcthi và các tập tin cấu hình, với giải pháp tổng quát thì nó cũng sẽ bao gồm cả công

cụ tạo ra cấu trúc thư mục gốc cho hệ thống (root file system)

1.2.2 Kiến trúc tổng quát của một hệ thống Linux nhúng

Hệ thống có bốn thành phần chính được thể hiện ở hình 2.19, mỗi thànhphần phục vụ cho mục đích khác nhau [5]: Data acquition (DAQ), Control, SystemManagement (SYSM) và User interface (UI) Kết nối bên trong giữa các thành phần

sử dụng các giao tiếp và các giao thức rất phổ biến TCP/IP trên Ethenet Khối DAQ

và Control được cài đặt trên một đường truyền riêng, các UI cũng như vậy Để cóthể giao tiếp với bên ngoài, khối SYSM có một kết nối với hệ thống mạng bênngoài Để điều khiển một tiến trình, hệ thống luôn cần biết trạng thái của các tiếntrình trong các thành phần khác nhau Lấy dữ liệu để làm gì, khi có dữ liệu, hệthống có thể biết được làm thế nào để quản lý tiến trình Mọi lệnh điều khiển đềuxuất phát từ khối Control Chi tiết về những tiến trình đang được điều khiển cầnphải tương tác hoặc hiển thị với người dùng, cũng phải có sự giao tiếp để vận hànhnhững tiến trình này theo ý muốn, điều này được thực hiện từ các khối UI Để kếthợp tất cả những khối rời rạc này, tập trung chỗ chứa các dữ liệu và quản lý cácinterface, khối SYSM được đặt ở trung tâm đồng thời cho phép kết nối ra mạng bênngoài

Hình 1.8 Sơ đồ khối hệ thống nhúng Linux [5]

Khối Data Acquisition (Khối thu nhận dữ liệu):

Khối DAQ lưu trữ các dữ liệu nhận được trên các bộ đệm, tiến hành phântích trên các dữ liệu này hoặc có thể chuyển đến khối SYSM Trong mọi trườnghợp, những dữ liệu quan trọng sẽ được chuyển tiếp đến khối SYSM để lưu trữ vàhiển thị trên các UI Nếu các dữ liệu được phân tích trong khối DAQ, khối này sẽthông báo cho khối SYSM nếu như phát hiện những tình huống bất thườnghay nguy hiểm, ngược lại khối DAQ sẽ nhận lệnh từ khối SYSM Những lệnh này

có thể là việc thay đổi tần số lấy mẫu, các thông số phân tích hoặc công việc củaDAQ sẽ làm gì khi phân tích dữ liệu xong Đối với khối SYSM khi được DAQthông báo, DAQ sẽ chuyển tiếp thông báo trạng thái hoặc lỗi đến khối SYSM

Khối DAQ thường khởi động từ flash trên khối và sử dụng RAM Vì vậy nó

dễ dàng thay đổi nếu như hệ thống bị lỗi Khối DAQ không có giao tiếp với bênngoài mà chỉ liên lạc với khối SYSM, DAQ cũng không phải hệ thống đa ngườidùng và không có giao tiếp với người dùng Khối DAQ chỉ cần thực thi một công

cụ đo lường nào đó Địa chị IP của khối DAQ được thiết kế cố định, vì vậykhối SYSM sẽ dễ dàng kiểm tra DAQ còn hoạt động hay không

Khối Control (Điều khiển):

Khối Control là một máy tính chuẩn công nghiệp kết nối với các phần cứngcần được điều khiển Máy tính này là một hệ thống nhúng kích cỡ trung bình vớikhả năng đáp ứng nghiêm ngặt về thời gian và không có tương tác người dùnggiống như khối DAQ Nó cũng được nối vào phần còn lại của cả hệ thống lớn quađường truyền Ethernet Nhiệm vụ chính của khối Control là phát ra tín hiệuđiều khiển phần cứng kết nối với nó, đồng thời theo dõi hoạt động của phần cứngnày để điều khiển hợp lý Các tín hiệu điều khiển xuất phát từ gốc là khốiSYSM, là trung tâm đưa ra quyết định, và SYMS sẽ quyết định dựa vào dữ liệu lấy

từ khối DAQ Khối Control sẽ đưa ra lệnh cuối cùng gửi đến cho phần cứng dựatrên quyết định của SYSM và tình trạng của phần cứng Khi tác vụ điều khiểnphần cứng đã hoàn thành, khối Control sẽ gửi một thông báo trạng thái ngược vềkhối SYSM

Khối Control cũng có thể boot từ flash và sử dụng RAM giống như DAQ,chỉ khác là nó phải sử dụng một nhân Linux có khả năng đáp ứng nghiêm ngặt vềthời gian vì phải điều khiển những phần cứng phức tạp Nó cũng có IP tĩnh và cóthể bao gồm gói BusyBox như DAQ

Khối System management (Quản lý hệ thống):

Khối SYSM quản lý sự ảnh hưởng qua lại giữa các thành phần khác trong

hệ thống Khối này gồm 3 giao tiếp với khối DAQ, Control và một kết nối ra mạnglưới bên ngoài SYSM là một hệ thống nhúng lớn có đòi hỏi đáp ứng thờigian nghiêm ngặt và không có tương tác với người dùng SYSM nhận dữ liệu từDAQ lưu trữ một phần dữ liệu này và chuyển tiếp các dữ liệu thích hợp đến khối

UI để tương tác với người dùng Khối SYSM có thể nhận dữ liệu đã phân tích ởDAQ hoặc bản thân nó cũng có thể thực hiện công việc phân tích SYSM sẽ đưa ranhững lệnh điều khiển khối Control dựa trên dữ liệu đã phân tích và từ đó khốiControl sẽ điều khiển phần cứng một cách chi tiết hơn SYSM thực thi nhữngchương trình nền thực hiện các tác vụ liên lạc giữa DAQ và khối Control SYSMcũng có IP tĩnh để các khối DAQ và Control có dễ dàng liên lạc với nó Đối với liênkết ra mạng bên ngoài, khối SYSM cung cấp giao tiếp qua HTTP và SSH

Khối User interface (Giao diện người dùng):

UI đơn giản chỉ để tương tác với người dùng để có thể đưa ra quyết địnhquản lý các tiến trình UI thường là các hệ thống nhúng nhỏ với đáp ứng thời gianthông thường Hiển nhiên các khối UI này cũng có khả năng kết nối mạng Cáckhối UI thông thường sẽ boot từ bộ nhớ flash hay thông qua mạng UI được cấuhình sẽ nhận IP từ các DHCP server Các UI tiện dụng thường phát triển trên dòngARM hay MIPS và chạy những kernel thông thường UI cũng không cần đến nhữngcông cụ người dùng, các tiện ích đồ họa phức tạp hay các thư viện

1.2.3 Xu hướng phát triển hệ thống nhúng Linux

Embedded Linux hiện đang phát triển mạnh và chiếm vị trí số 1 Hiện nay40% các nhà thiết kế các hệ nhúng cân nhắc đầu tiên sử dụng Embedded Linux chocác ứng dụng mới của mình và sau đó mới đến các hệ điều hành nhúng truyền thốngnhư Win CE Các đối thủ cạnh tranh của Embedded Linux hiện nay là các hệ điềuhành nhúng tự tạo và Windows CE Embedded Linux có sự phát triển vượt bậc là

do có sức hấp dẫn đối với các ứng dụng không đòi hỏi thời gian thực như; các hệserver nhúng, các ứng dụng giá thành thấp và đòi hỏi thời gian đưa sản phẩm ra thịtrường nhanh Mặt khác Linux là phần mềm mã nguồn mở nên bất kỳ ai cũng có thểhiểu và thay đổi theo ý mình Linux cũng là một hệ điều hành có cấu trúc module vàchiếm ít bộ nhớ trong khi Windows không có các ưu điểm này Bên cạnh các ưuđiểm trên thì Embedded Linux cũng có các nhược điểm sau:

 Embedded Linux không phải là hệ điều hành thời gian thực nên có thểkhông phù hợp với một số ứng dụng như điều khiển quá trình, cácứng dụng có các yêu cầu xử lý khẩn cấp

 Embedded Linux thiếu một chuẩn thống nhất và không phải là sảnphẩm của một nhà cung cấp duy nhất nên khả năng hỗ trợ kỹ thuậtchưa cao

Do thị trường của các sản phẩm nhúng tăng mạnh nên các nhà sản xuất ngàycàng sử dụng các hệ điều hành nhúng để bảo đảm sản phẩm có sức cạnh tranh vàEmbedded Linux đang là sản phẩm hệ điều hành nhúng có uy tín chiếm vị trí số 1

trên thế giới Phần mềm nhúng là phần mềm tạo nên phần hồn, phần trí tuệ của cácsản phẩm nhúng Phần mềm nhúng ngày càng có tỷ lệ giá trị cao trong giá trị củacác sản phẩm nhúng Hiện nay, phần lớn các phần mềm nhúng nằm trong các sảnphẩm truyền thông và các sản phẩm điện tử tiêu dùng (consumer electronics), tiếpđến là trong các sản phẩm ô tô, phương tiện vận chuyển, máy móc thiết bị y tế, cácthiết bị năng lượng, các thiết bị cảnh báo bảo vệ, các sản phẩm đo lường và điềukhiển Trên phương diện phần mềm (software) thì Embedded Linux là một hệ điềuhành chủ chốt trong việc phát triển các sản phẩm nhúng hiện nay Đối với bộ xử lýtrung tâm thì có khoảng 75% trong tổng các CPU nhúng 32 bit hiện nay dựa trênkiến trúc vi xử lý ARM.

1.3 Giao tiếp Ethernet

1.3.1 Tổng quan về Ethernet

Ethernet là một họ lớn và đa dạng gồm các công nghệ mạng dựa vào khung

dữ liệu dành cho mạng LAN [6] Tên ETHERNET được xuất phát từ khái niệm Êtetrong ngành vật lý học Ethernet định nghĩa một loạt các định nghĩa nối dây và pháttín hiệu cho tầng vật lý Hai phương tiện để truy nhập tại phần MAC (điều khiểntruy nhập môi trường truyền dẫn) của tầng liên kết dữ liệu và một định dạng chungcho việc định địa chỉ Vì vậy khi nhắc đến Ethernet ta sẽ liên hệ đến lớp 1 và lớp 2trong mô hình OSI Hai lớp này thuộc về phần cứng Ethernet , trong khi các lớpcòn lại thuộc về việc xử lý của phần mềm

Ethernet đã được chuẩn hóa thành IEEE 802.3 cấu trúc mạng hình sao, hìnhthức nối dây cáp xoắn (twisted pair) đã trở thành công nghệ mạng LAN được sửdụng rộng rãi nhất từ thập niên 1990 cho tới nay Trong những năm gần đây, mạngwi-fi, dạng LAN không dây đã được chuẩn hóa bởi IEEE 802.11, đã được sử dụngbên cạnh hoặc thay thế Ethernet trong nhiều cấu hình mạng

1.3.2 Giao thức TCP/IP

Trước khi tìm hiểu về giao thức TCP/IP, cần đề cập đến mô hình OSI(OpenSystemInterconnection) Đây là mô hình được tổ chức ISO đề xuất từ 1977 vàcông bố lần đầu vào 1984 Để các máy tính và các thiết bị mạng có thể truyền thông