XÂY DỰNG ĂNG TEN LOGO DÙNG TRONG NHẬN DẠNG BẰNG SÓNG VÔ TUYẾN

MỞ ĐẦU Tự động nhận dạng Auto-ID đã và đang được ứng dụng phổ biến trong nhiều hệ thống như: hệ thống công nghiệp, phân phối bán hàng, các hệ thống, công ty sản xuất,.... Dạng chung của

TRƯỜNG ĐẠI HỌC HÀNG HẢI VIỆT NAM KHOA CÔNG NGHỆ THÔNG TIN

THUYẾT MINH

ĐỀ TÀI NCKH CẤP TRƯỜNG

ĐỀ TÀI XÂY DỰNG ĂNG TEN LOGO DÙNG TRONG NHẬN DẠNG

BẰNG SÓNG VÔ TUYẾN

Chủ nhiệm đề tài: TS NGUYỄN TRỌNG ĐỨC

Thành viên tham gia: ThS CAO ĐỨC HẠNH

ThS NGÔ QUỐC VINH

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 3

1.1 Nhận dạng tự động 3

1.1.1 Các hệ thống mã vạch 3

1.1.2 Nhận dạng chữ viết 4

1.1.3 Các hệ thống sinh trắc học 4

1.1.4 Smart cards 6

1.1.5 Hệ thống RFID 8

1.2 Hệ thống RFID 8

1.2.1 Kiến trúc hệ thống 8

1.2.2 Hoạt động 10

CHƯƠNG 2 THIẾT KẾ ĂNG TEN 12

2.1 Ăng ten vi dải 12

2.1.1 Cấu trúc ăng ten vi dải 12

2.1.2 Phân loại và đặc tính của ăng ten vi dải 13

2.2 Ăng ten logo dùng trong nhận dạng bằng sóng vô tuyến 14

CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM 19

3.1 Chế tạo ăng ten 19

3.2 Kết quả đo thực nghiệm 19

KẾT LUẬN 21

TÀI LIỆU THAM KHẢO 22

DANH SÁCH BẢNG BIỂU

Bảng 1 Các dải tần phổ biến được sử dụng trong

DANH SÁCH HÌNH ẢNH

1.3 Kiến trúc chung của một thẻ memory card 7

1.4 Kiến trúc chung của một thẻ microprocessor

card

8

1.7 Kiến trúc chung của một transponder 9

1.8 Logo của Trường Đại học Hàng hải Việt

Nam

11

2.6 Tấm bức xạ sử dụng slot và PIN diode 17

3.1 Hình ảnh của ăng ten được chế tạo 19

3.2 Tần số và hệ số tổn hao của ăng ten 19

DANH SÁCH THUẬT NGỮ, CHỮ VIẾT TẮT

EEPROM Electrically Erasable Programmable Read Only Memory 5

MỞ ĐẦU

Tự động nhận dạng (Auto-ID) đã và đang được ứng dụng phổ biến trong nhiều hệ thống như: hệ thống công nghiệp, phân phối bán hàng, các hệ thống, công ty sản xuất, nhằm cung cấp thông tin về con người, động vật, hàng hóa trong quá trình di chuyển Khởi đầu cho cuộc cách mạng về nhận dạng phải kể đến đó là các hệ thống mã vạch, tuy nhiên các hệ thống này hiện tại đã bộc lộ nhiều hạn chế như bộ nhớ lưu trữ thấp và không thể lập trình lại được

Dạng chung của thiết bị điện tử lưu trữ dữ liệu ngày nay đó là các thẻ thông minh dựa trên một trường thông tin liên lạc (thẻ thông minh telephone, thẻ ngân hàng) và sử dụng phương pháp tiếp xúc cơ khí để đọc dữ liệu Tuy nhiên, lưu trữ và đọc thông tin này trên thẻ thông minh là không thực tế Phương pháp truyền dữ liệu không tiếp xúc giữa thiết bị mang dữ liệu và thiết bị đọc là giải pháp tiện dụng và mềm dẻo hơn rất nhiều Trong trường hợp lý tưởng, năng lượng cần thiết cho thiết bị lưu trữ dữ liệu hoạt động cũng được truyền từ thiết bị đọc sử dụng công nghệ không dây Do những đặc tính đó, các hệ thống nhận dạng ID không tiếp xúc còn được gọi là RFID (Radio Frequency Identification)

Số lượng các tổ chức, công ty liên quan đến phát triển và mua bán các hệ thống RFID chỉ ra rằng đây là một thị trường tiềm năng, cần được nghiên cứu một cách nghiêm túc Trong khi tổng số lượng giá trị các hệ thống RFID giao dịch trong năm 2000 là 900 triệu USD thì trong năm 2005 đã lên tới 2.650 tỉ USD Thị trường các hệ thống RFID do vậy phụ thuộc vào sự phát triển của ngành công nghiệp công nghệ không dây, bao gồm các hệ thống mobile phondes

và cordless telephones Thêm vào đó, trong những năm gần đây công nghệ nhận dạng không tiếp xúc đã phát triển thành một lĩnh vực độc lập, không còn là một ngành nhỏ phụ thuộc nữa Nó kết hợp nhiều yếu tố thành phần từ các lĩnh vực rất khác nhau: công nghệ HF và EMC, công nghệ chất bán dẫn, mã hóa và bảo

vệ dữ liệu, truyền thông, công nghệ chế tạo sản xuất và nhiều lĩnh vực liên quan khác

Như đã đề cập trong nhiều báo cáo, thành phần chủ yếu của hệ thống RFID bao gồm: thẻ RFID, đầu đọc (sensor) và ăng ten Trong phạm vi của đề tài, chúng tôi thiết kế và chế tạo một ăng ten Logo (trên phù hiệu, đồng phục,…) nhằm tích hợp vào các hệ thống nhận dạng RFID

Giai đoạn I: Nhóm tác giả tập trung nghiên cứu xây dựng một ăng ten Logo (VMU) hoạt động trong dải tần từ 2.4GHz đến 5.8GHz (Wi-fi), tối ưu hóa các tham số của ăng ten và nghiên cứu các đặc tính của ăng ten thiết kế cũng như chế tạo được, trên cơ sở đó đưa ra những khuyến nghị khi tích hợp ăng ten này trên phù hiệu, đồng phục của Nhà trường Giai đoạn II: Xây dựng hệ thống tích hợp đầu cuối cho phép nhận dạng đối tượng qua sóng vô tuyến (RFID)

Nội dung thuyết minh bao gồm 3 chương Chương I - giới thiệu chung về

đề tài, về công nghệ RFID và ứng dụng; chương II trình bày tổng quan về ăng ten, đặc tính của ăng ten sử dụng trong các hệ thống RFID, trên cơ sở đó ăng ten logo VMU được đề xuất Trên cơ sở thiết kế và mô phỏng ở chương 2, kết quả thực nghiệm, những phân tích đánh giá về ăng ten VMU sẽ được thực hiện trong chương III; cuối cùng là những kết luận và hướng phát triển tiếp theo của đề tài

Nhóm tác giả

kế vật lý giống nhau, nhưng có nhiều đặc điểm tương đối khác biệt nhau trong khoảng mười dạng mã vạch hiện đang được sử dụng

Hệ thống mã vạch phổ biến nhất là EAN (European Article Number), được thiết kế để phù hợp với ngành công nghiệp buôn bán tạp phẩm trong năm

1976 Hệ thống mã EAN bản chất là sự phát triển mở rộng của UPC (Universal Product Code) của USA, được giới thiệu vào năm 1973 tại Mỹ Ngày nay, UPC lại trở thành một tập con của EAN, và do đó tương thích với hệ thống EAN này

Mã EAN bao gồm 13 chữ số thể hiện mã quốc gia, mã công ty, số hiệu sản phẩm và mã số kiểm tra (Hình 1.1)

Country identifier Company identifier

Manufacturer’s item number CD

4 0 1 2 3 4 5 0 8 1 5 0 9 FRG Company Name

 Mã Codabar: các ứng dụng y tế và trong các lĩnh vực yêu cầu an toàn cao

 Mã chèn 2/5: công nghiệp tự động, lưu trữ hàng hóa, vận chuyển, kho bãi và công nghiệp nặng

 Mã 39: ngành công nghiệp chế biến, dịch vụ, trường đại học và thư viện

Hình 1.2 Mã vạch

1.1.2 Nhận dạng chữ viết

Hệ thống nhận dạng chữ viết (OCR) được giới thiệu và sử dựng đầu tiên trong những năm 1960 Các font chữ đặc biệt đã được phát triển cho ứng dụng này để chúng có thể được đọc cả bởi con người hay tự động bằng máy móc Ưu điểm lớn nhất của các hệ thống OCR đó là xử lý được các thông tin với mật độ dày đặc và có khả năng đọc dữ liệu trong các trường hợp khẩn cấp (hoặc chỉ là phục vụ cho công tác kiểm tra)

Ngày nay, OCR được sử dụng trong các lĩnh vực quản trị, dịch vụ và sản xuất, và cả trong ngân hàng với các thủ tục đăng ký cheques (dữ liệu cá nhân, ví

dụ như tên và số tài khoản được in trên tờ cheque với định dạng OCR)

Tuy nhiên, các hệ thống OCR không được sử dụng phổ biến do giá thành, chi phí cao và các đầu đọc, scan có độ phức tạp quá cao so với các hệ thống khác

1.1.3 Các hệ thống sinh trắc học

Sinh trắc học được định nghĩa là khoa học đo lường và nhận dạng đặc trưng liên quan đến các thực thể sống Trong trường hợp của các hệ thống nhận dạng, sinh trắc học là thuật ngữ chung chỉ tất cả các phương pháp nhận diện người bằng cách so sánh các đặc tính vật lý cá nhân và đặc trưng cho từng người

Trong thực tế, có các phương pháp nhận dạng vân tay, giọng nói và ít phổ biến hơn là nhận dạng võng mạc

Nhận dạng tiếng nói

Gần đây, một số hệ thống đặc biệt đã được đưa vảo sử dụng có thể nhận dạng người dùng bằng phương pháp phân tích giọng nói Trong những hệ thống này, người dùng sẽ nói vào một micro-phone liên kết với máy tính Các thiết bị chuyển đổi tín hiện âm thanh thành các dữ liệu số, sau đó được phân tích và nhận dạng bởi chương trình phần mềm

Mục đích của việc phân tích, kiểm tra âm thanh thu được là để xác thực định danh người dùng dựa trên giọng nói của người đó Điều này được thực hiện bằng cách so sánh các đặc tính âm thanh của người nói với các mẫu tham chiếu

đã lưu trong chương trình Nếu chúng tương tự nhau thì một hành động phản ứng lại sẽ được khởi động

Nhận dạng vân tay

Khoa học về tội phạm đã sử dụng phương pháp nhận dạng vân tay để nhận dạng người phạm tội từ đầu thế kỷ 20 Quá trình này dựa vào sự so sánh những dấu hiệu của da thịt trên các đầu ngón tay, là những dấu vết không chỉ có thể lấy được ở trên chính các đầu ngón tay này mà còn trên những đồ vật mà người nào đó chạm vào

Khi sử dụng phương pháp vân tay để nhận dạng người, thông thường là trong các thủ tục đăng nhập, đóng mở cửa thì các ngón tay được đặt trên một thiết bị đọc đặc biệt Hệ thống sẽ tính toán các bản ghi dữ liệu từ mô hình nó đọc được và so sánh với cơ sở dữ liệu đang có Một hệ thống nhận dạng vân tay hiện đại cần chưa đến 1/2 giây để nhận dạng và kiểm tra một mẫu vân tay Để tránh các lỗi xảy ra, các hệ thống vân tay còn được thiết kế để có thể xác định rằng ngón tay đặt trên đầu đọc là của một người đang còn sống

Một trong những ưu điểm chính của thẻ smard card là trong thực tế, dữ liệu chứa bên trong thẻ có thể được bảo vệ khỏi những truy nhập và thao tác không mong muốn Các thẻ smard cards giúp cho các dịch vụ liên quan đến thông tin hoặc các giao dịch tài chính đơn giản, an toàn và giảm chi phí đáng kể

Vì lý do này, 200 triệu thẻ smard card đã được phát hành riêng trang năm 1992 Trong năm 1995, con số này tăng lên là 600 triệu, trong đó có 500 triệu thẻ memory card và 100 triệu thẻ microprocessor card Thị trường thẻ smard card do

đó là một trong những lĩnh vực phát triển nhanh nhất trong ngành công nghiệp vi điện tử

Nhược điểm của các thẻ smart card sử dụng công nghệ tiếp xúc đó là có thể bị hỏng bề mặt tiếp xúc do quần áo, ăn mòn và bụi bẩn Các thiết bị đọc sử dụng thường xuyên phải được bảo dưỡng với giá thành cao nhằm tránh việc nhận dạng sai Ngoài ra, các đầu đọc với các thiết bị công cộng (như hộp điện thoại công cộng) có thể không được bảo vệ trước những hành động phá hoại

Thẻ Memory cards

Trong các thẻ memory card, thông thường một chip EEPROM được sử dụng với công nghệ truy nhập tuần tự (Hình 1.3) Người dùng có thể tích hợp các thuật toán bảo mật, như mã hóa luồng để nâng cao mức độ an toàn Chức năng của thẻ memory card thường được tối ưu hóa cho các ứng dụng cụ thể, đặc

đó là giá thành của thẻ memory card rất rẻ Vì lý do đó, các thẻ memory card được sử dụng rất nhiều trong các ứng dụng, hệ thống mà giá thành là yếu tố quan trọng hay cả trong các hệ thống sử dụng số lượng lớn các thẻ

Hình 1.3 Kiến trúc chung của một thẻ memory card

sẽ chưa được tải lên bộ nhớ EEPROM trong quá trình khi sản xuất, những phần này có thể được xử lý qua hệ điều hành

Các thẻ microprocessor card được sử dụng chính trong các hệ thống yêu cầu độ bảo mật cao Ví dụ các hệ thống cho dịch vụ điện thoại GSM và các hệ thống ví điện tử EC (electronic cash) Khả năng lập trình cho các thẻ microprocessor cũng giúp cho chúng dễ dàng được ứng dụng trong các dịch vụ

và hệ thống mới

Hình 1.4 Kiến trúc chung của một thẻ microprocessor card

1.1.5 Giới thiệu RFID

Hệ thống nhận dạng dùng sóng vô tuyến RFID (Radio Frequency IDentification) có nhiều điểm tương tự như các thẻ thông minh smard card - dữ liệu được lưu trữ trên các thiết bị thu phát tín hiệu Tuy nhiên, không giống như smard card, năng lượng nạp cho các thiết bị mang dữ liệu và chuyển đổi dữ liệu giữa thiết bị mang thông tin và thiết bị đọc được thực hiện không sử dụng cơ chế tiếp xúc từ (dùng các trường có từ tính) Công nghệ nhận dạng của RFID được phát triển dựa trên lĩnh vực truyền dẫn radio và công nghệ radar Do rất nhiều lợi ích, ưu điểm của các hệ thống RFID mang lại so với các hệ thống nhận dạng khác, RFID đang trở thành thế lực mới chiếm lĩnh thị trường Một ví dụ đó là việc sử dụng của các thẻ thông minh không tiếp xúc như là vé thanh toán chi phí cầu đường của các phương tiện khi tham gia giao thông

1.2 Hệ thống RFID

1.2.1 Kiến trúc hệ thống

Hệ thống RFID bao gồm hai thành phần chính (Hình 1.7):

 Thiết bị thu và phát tín hiệu (transponder): được gắn vào đối tượng cần nhận dạng

 Thiết bị đọc (reader): phụ thuộc vào từng thiết kế và công nghệ sử dụng, có thể là thiết bị chỉ đọc hoặc đọc/ghi

Hình 1.5 Hệ thống RFID Hình 1.6 minh họa một hệ thống RFID trong thực tế Thiết bị đọc bao gồm một modul truyền và nhận sóng radio, một đơn vị điều khiển và một thành phần kết nối đến thành phần transponder Ngoài ra, rất nhiều bộ đọc hỗ trợ các chuẩn giao tiếp khác nhau như RS232, RS485, để có thể giúp hệ thống truyền

dữ liệu nhận được đến các hệ thống khác như PC, hệ thống điều khiển robot,

Hình 1.6 Bộ đọc RFID và thẻ smard card Thiết bị transponder, hay là thành phần mang dữ liệu thực sự của hệ thống RFID, thông thường bao gồm thành phần kết nối đến thiết bị đọc (ăng ten) và một microchip (Hình 1.7)

Hình 1.7 Kiến trúc chung của một transponder

1.2.2 Hoạt động

Khi transponder là thiết bị thông thường, không ở trong vùng hoạt động của thiết bị đọc reader thì nó ở chế độ thụ động hoàn toàn Transponder chỉ được kích hoạt khi nó đi vào vùng phủ sóng của reader Năng lượng để transponder hoạt động được truyền nhờ đơn vị liên kết coupling sử dụng công nghệ không tiếp xúc Đơn vị liên kết này cũng được dùng để chuyển xung thời gian và dữ liệu

Tần số hoạt động của transponder: tần số mà các ăng ten trên transponder dùng để thu phát tín hiệu Các dải tần phổ biến được sử dụng trong các hệ thống RFID: LF, HF, UHF và SHF (Bảng 1)

Tên Khoảng tần số Khoảng cách đọc

LF (Low Frequency) 30-300 KHz 50 cm

HF (High Frequency) 3-30 MHz 300 cm

UHF (Ultra High Frequency) 300-3000 MHz 900 cm

SHF (Super High Frequency) 3-30 GHz 1000 cm

Bảng 1 Các dải tần phổ biến được sử dụng trong các hệ thống RFID Khoảng cách đọc được của các transponder phụ thuộc vào nhiều yếu tố: tần số làm việc, công suất đầu đọc, can nhiễu,

Trong khuôn khổ của đề tài, do thiết bị transponder là thụ động (chỉ được kích hoạt khi người dùng mặc đồng phục và đeo thẻ của Nhà trường) nên các ăng ten được thiết kế là các ăng ten thụ động, hoạt động trong dải tần UHF, SHF Ăng ten có hình dạng là Logo của Trường Đại học Hàng hải Việt Nam như hình 1.8

Hình 1.8 Logo của Trường Đại học Hàng hải Việt Nam

CHƯƠNG 2 THIẾT KẾ ĂNG TEN

1.3 Ăng ten vi dải

Khái niệm về ăng ten vi dải (Microstrip antenna, viết tắt MSA) lần đầu tiên được đề xuất bởi Deschamps năm 1953, tuy nhiên phải mất tới khoảng 20 năm sau người ta mới chế tạo được anten vi dải thực tế Những anten vi dải thực

tế đầu tiên được phát triển bởi Howell và Munson Từ sau đó các nghiên cứu và phát triển mở rộng của các anten vi dải hướng tới khai thác nhiều lợi thế của chúng như là kích thước nhỏ, giá thành thấp, tương thích với mạch tích hợp v.v,

đã làm đa dạng hóa các ứng dụng của chúng

1.3.1 Cấu trúc ăng ten vi dải

Ăng ten vi dải trong trường hợp đơn giản nhất bao gồm một miếng bức xạ nhỏ nằm trên một mặt của lớp đế điện môi, và có mặt phẳng nối đất là chất dẫn điện lý tưởng nằm trên mặt còn lại của lớp đế điện môi Miếng bức xạ có chiều rộng là W và chiều dài là L Giống như nguyên tắc bức xạ của ăng ten nửa sóng,

độ dài L có giá trị cỡ gần bằng λe/2 (λe độ dài bước sóng hiệu dụng xét trong môi trường tấm điện môi) Hình 2.1 mô tả một ăng ten vi dải có tấm bức xạ hình chữ nhật và tiếp điện bằng đường vi dải