Nghiên cứu thiết kế hệ thống nhận dạng thẻ vô tuyến thông minh (RFID) ứng dụng trong quản lý nhân sự

Với mục đích bước đầu nghiên cứu và triển khai ứng dụng công nghệ RFID vào thực tế, luận văn cao học “Nghiên cứu thiết kế hệ thống nhận dạng thẻ vô tuyến RFID ứng dụng trong quản lý nhâ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

-o0o -

LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC

CHUYÊN NGÀNH: ĐO LƯỜNG VÀ CÁC HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ HỆ THỐNG NHẬN DẠNG

THẺ VÔ TUYẾN THÔNG MINH (RFID)

ỨNG DỤNG TRONG QUẢN LÝ NHÂN SỰ

NGUYỄN LINH LAN

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC PGS-TS Phạm Thị Ngọc Yến

LỜI CẢM ƠN

Sau một thời gian thực tập và nghiên cứu tại Trung tâm MICA – Trường

Đại học Bách Khoa Hà Nội, tôi đã hoàn thành luận văn “Nghiên cứu thiết kế hệ

thống nhận dạng thẻ vô tuyến RFID ứng dụng trong quản lý nhân sự” theo

đúng yêu cầu khi được giao luận văn cao học

Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới Trung tâm MICA nơi tạo điều kiện

cho tôi thực tập nghiên cứu và làm luận văn Qua đây tôi cũng xin chân thành cảm

ơn TS Eric Castelli, TS Nguyễn Thị Lan Hương, TS Nguyễn Quốc Cường, ThS Nguyễn Việt Tùng cùng nhiều cán bộ nghiên cứu khác đã giúp đỡ tôi hoàn thành

tốt luận văn này Đặc biệt tôi xin gửi tới PGS-TS Phạm Thị Ngọc Yến lòng biết

ơn sâu sắc, người đã trực tiếp hướng dẫn và tạo điều kiện giúp đỡ tôi hoàn thành luận văn này

Xin bảy tỏ lòng biết ơn tới Ban chủ nhiệm cùng các thày cô Bộ môn Kỹ thuật Đo và Tin học công nghiệp đã tạo điều kiện, động viên và giúp đỡ tôi

trong suốt quá trình học tập chương trình đào tạo thạc sỹ vừa qua

Tôi cũng xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới gia đình và bạn bè cùng khóa học luôn ủng hộ, khích lệ tôi để tôi có thể yên tâm học tập, nghiên cứu và trưởng thành như ngày hôm nay

Một lần nữa tôi xin chân thành cảm ơn!

Hà Nội, ngày 20 tháng 8 năm 2008

CÁC THUẬT NGỮ SỬ DỤNG TRONG LUẬN VĂN

1 RFID Radio Frequency Identification

9 ID Identification

11 EEPROM Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory

12 ISO International Organization for Standardization

16 SEQ Sequential

17 TTL Transistor – Transistor Logic

18 ASIC Application Specific Integrated Circuit

MỤC LỤC

LỜI MỞ ĐẦU 8

-CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG RFID 11

-1.1 Khái niệm về hệ thống RFID 11

-1.1.1 Thẻ RFID (RFID Tag) 14

-1.1.1.1 Các thành phần của thẻ RFID 14

-1.1.1.2 Phân loại thẻ RFID 17

-1.1.2 Đầu đọc (Reader) 21

-1.1.2.1 Nhiệm vụ và chức năng 21

-1.1.2.2 Các thành phần của đầu đọc 23

-1.1.3 Cơ chế trao đổi năng lượng và dữ liệu 27

-1.1.3.1 Cơ chế trao đổi năng lượng 27

-1.1.3.2 Truyền dữ liệu từ thẻ sang đầu đọc 30

-1.1.3.3 Cơ chế truyền dữ liệu từ đầu đọc sang thẻ 30

-1.1.4 Các dải tần số hoạt động 33

-1.1.5 Ưu nhược điểm của hệ thống RFID 36

-1.1.5.1 Ưu điểm 36

-1.1.5.2 Nhược điểm 36

-1.2 Tình hình phát triển của công nghệ RFID hiện nay 37

-1.2.1 Tình hình phát triển 37

-1.2.1.1 Tiềm năng sử dụng 37

-1.2.1.2 Thế hệ thứ 2 (Gen 2 ) 38

-1.2.1.3 Các chuẩn xây dựng cho công nghệ RFID 38

-1.2.2 Các ứng dụng RFID hiện nay 39

-1.3 Mục tiêu và nhiệm vụ của luận văn 41

-1.3.1 Mục tiêu 41

-1.3.2 Nhiệm vụ thiết kế 42

-CHƯƠNG 2: LỰA CHỌN TÍNH TOÁN THIẾT KẾ 43

-2.1 Lựa chọn linh kiện 43

-2.1.1 Thẻ (Tag) RFID 43

-2.1.1.2 Các tag loại EM4102 sử dụng 46

-2.1.2 IC RFID 48

-2.1.2.1 Mô tả chung 48

-2.1.2.2 Các khối chức năng 51

-2.1.3 VĐK PIC 16F876A 56

-2.1.3.1 Đặc điểm chính của PIC 16F876A 56

-2.1.3.2 Cấu trúc và dung lượng bộ nhớ 59

-2.2 Thiết kế chi tiết phần cứng 60

-2.2.1 Sơ đồ khối của hệ thống 60

-2.2.2 Các khối chức năng 61

-2.2.2.1 Khối nguồn 61

-2.2.2.2 Khối HF 61

-2.2.2.3 Khối điều khiển 62

-2.2.2.4 Khối hiển thị 63

-2.2.2.5 Khối truyền thông nối tiếp RS232 64

-2.2.3 Sơ đồ nguyên lý toàn mạch 64

-CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ ANTEN CHO ĐẦU ĐỌC RFID 66

-3.1 Nghiên cứu nguồn năng lượng trường điện từ nuôi thẻ RFID 66

-3.1.1 Từ trường do anten tạo ra 66

-3.1.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến năng lượng nuôi thẻ RFID 70

-3.1.2.1 Điện áp cảm ứng trên thẻ 70

-3.1.2.2 Vị trí của hai anten 70

-3.1.2.3 Công suất phát của anten đầu đọc 72

-3.1.3 Khảo sát cường độ từ trường của anten 73

-3.2 Thiết kế anten cho đầu đọc ở tần số 125 kHz 77

-3.3 Điều chỉnh thiết kế anten cho phù hợp 80

-3.3.1 Điều chỉnh tín hiệu trên anten 80

-3.3.2 Quan hệ giữa bán kính anten và khoảng cách đọc 81

-CHƯƠNG 4: PHẦN MỀM ỨNG DỤNG 82

-4.1 Chương trình phần mềm cho vi điều khiển PIC16F876A 82

-4.1.1 Lưu đồ thuật toán 82

-4.1.2 Chương trình nạp Tinybootloader cho VĐK PIC 83

-4.2 Phần mềm hiển thị mã ID 85

-4.3 Phần mềm RFID quản lý nhân sự 87

-CHƯƠNG 5: THỬ NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ HỆ THỐNG 91

-5.1 Thử nghiệm hệ thống đầu đọc RFID 91

-5.2 Thử nghiệm thiết kế anten 93

-5.3 Đánh giá hệ thống 94

-5.4 Hướng phát triển 96

TÀI LIỆU THAM KHẢO 98

-DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 11 Các kỹ thuật nhận dạng tự động 12

Hình 12 Hệ thống RFID 13

Hình 13 Đầu đọc và thẻ không tiếp xúc RFID trong ứng dụng thực tế 14

Hình 14 Các thành phần của Tag RFID 15

Hình 15 Sơ đồ khối vi mạch của Tag RFID thụ động 16

Hình 16 Thủ tục masterslave giữa Application software, reader và tag 22

Hình 17 Các thành phần của đầu đọc 24

Hình 18 Sơ đồ khối của khối HF cho hệ thống RFID ghép nối cảm ứng 25

Hình 19 Sơ đồ khối của khối điều khiển 27

-Hình 1-10 Từ trường dao động (magnetic alternating field) do cuộn dây anten trên thẻ sinh ra 28

-Hình 1-11 Năng lượng sinh ra từ từ trường dao động phía đầu đọc cung cấp năng lượng cho thẻ qua ghép nối cảm ứng 29

Hình 112 Tín hiệu điều biên ASK 31

Hình 113 Tín hiệu điều tần FSK 31

Hình 114 Tín hiệu điều pha PSK 32

Hình 115 Các cơ chế truyền dữ liệu FDX, HDX, SEQ 33

Hình 21 Sơ đồ chip EM4102 44

Hình 22 Sơ đồ khối của IC EM4102 44

Hình 23 Phân chia 64 bits trong bộ nhớ của EM4102 46

Hình 24 Mã hóa dữ liệu dạng mã Manchester 46

Hình 25 Sơ đồ bố trí các chân của EM4095 49

Hình 26 Cấu hình EM4095 dùng trong chế độ Read Only 50

Hình 27 Cấu hình EM4095 dùng trong chế độ Read Write 50

Hình 28 Sơ đồ khối của EM4095 51

Hình 29 Chế độ hoạt động Read Only 54

Hình 210 Chế độ hoạt động Read Write 55

Hình 211 Sơ đồ chân của PIC 16F876A 57

Hình 212 Cấu trúc và dung lượng bộ nhớ của PIC 16F876A 59

Hình 213 Sơ đồ khối của đầu đọc RFID 60

Hình 214 Sơ đồ nguyên lý khối nguồn 61

Hình 215 Sơ đồ nguyên lý khối IC RFID EM4095 62

Hình 216 Sơ đồ nguyên lý khối điều khiển dùng PIC 16F876A 63

Hình 217 Sơ đồ nguyên lý khối hiển thị LCD 64

Hình 218 Sơ đồ nguyên lý khối truyền thông nối tiếp RS232 64

Hình 219 Sơ đồ nguyên lý toàn mạch 65

Hình 31 Từ trường H sinh ra bởi dòng điện I 66

Hình 32 Từ trường H sinh ra bởi cuộn dây 67

Hình 33 Mạch điện mô tả hiện tượng cảm ứng từ 68

Hình 34 Mạch điện tương đương của thẻ RFID 69

-Hình 3-5 Vị trí của anten đầu đọc và anten thẻ tạo nên góc ϑ 71

-Hình 3-6 Vùng từ trường của anten đầu đọc với các vị trí khác nhau của anten thẻ 71

Hình 37 Mạch tương đương đơn giản hóa của anten phía đầu đọc 72

Hình 38 Sơ đồ thay thế của anten phía đầu đọc 73

-Hình 3-9 Khảo sát sự phụ thuộc của cường độ từ trường H vào các yếu tố R và x 75

Hình 310 Sự phụ thuộc của cường độ từ trường vào bán kính vòng dây 76

Hình 311 Sự phụ thuộc của cường độ từ trường vào khoảng cách từ 77

Hình 312 Mạch anten của đầu đọc 78

Hình 313 Công thức tính giá trị điện cảm của cuộn cảm anten đầu đọc 79

Hình 314 Đo tín hiệu bằng Osciloscope 80

Hình 41 Giao diện chương trình nạp chip Tinybootloader 84

Hình 42 Phần mềm hiển thị mã ID 86

Hình 43 Giao diện Tab Giam sat vao/ra 88

Hình 44 Giao diện Tab Quan ly ho so 89

Hình 45 Thiết lập cổng COM dể truyền dữ liệu cho phần mềm 89

Hình 51 Mạch cứng của đầu đọc RFID 91

Hình 52 Đầu đọc RFID hoàn chỉnh 92

Hình 53 Khoảng cách đọc với thẻ PVC 92

Hình 54 Phần mềm RFID quản lý nhân sự 93

-LỜI MỞ ĐẦU

Càng ngày các công nghệ mới càng hướng đến sự đơn giản, tiện lợi và một đặc trưng quan trọng nữa là khả năng không dây (wireless) Thiết bị không dây trong một thế giới di động làm cho con người được giải phóng, tự do và thoải mái hơn Một thiết bị chủ yếu trong hướng phát triển này là “Hệ thống nhận dạng bằng

tần số vô tuyến” – RFID (Radio Frequency Identification), đây là thiết bị di

động thụ động (Passive Mobile Device), được coi là một cuộc cách mạng trong

các hệ thống nhúng và trong môi trường tương tác hiện nay Trên thế giới, nhắc đến từ RFID mọi người không hề xa lạ bởi những ứng dụng đa dạng của nó trở nên rất phổ biến trong đời sống sinh hoạt cũng như trong công nghiệp, y tế, dịch

vụ, quân sự ở khắp các nước Đây là một phương pháp tin cậy để phát hiện và giám sát điện tử, một dạng mới của phương pháp truyền thông tin vô tuyến Cũng

có thể hiểu RFID như một loại mã vạch điện tử, trong đó dữ liệu được mã hóa dưới dạng bit, được truyền đi và nhận biết thông qua sóng vô tuyến Công nghệ RFID thật ra không mới, mà nó đã được nghiên cứu phát triển suốt hơn 50 năm qua, nhưng chỉ trong vòng 1 thập kỷ gần đây công nghệ này mới thực sự bước vào thực tiễn Thống kê trên thế giới cho thấy hiện công nghệ RFID đem lại doanh thu trên 1 tỉ USD/năm, con số này sẽ còn tăng gấp 3 lần trong 3 năm tới và sẽ ở mức 2 chữ số trong 10 năm tới

Với sự phát triển chóng mặt của công nghệ RFID như vậy, Việt Nam cũng không nằm ngoài xu thế phát triển khoa học kỹ thuật chung của thế giới Mặc dù ở Việt Nam khái niệm RFID còn mới mẻ nhưng đã có một số trung tâm khoa học nghiên cứu về công nghệ này như Viện Khoa học Công nghệ thông tin thuộc Viện

dùng RFID hay Trung tâm công nghệ cao thuộc Viện Điện tử-Tin học-Tự động hóa đã thiết kế và xây dựng hệ thống quản lý tự động bằng thẻ RFID để ứng dụng trong hệ thống thu phí cầu đường Tuy nhiên gần như chưa có sự triển khai ứng dụng thực tế RFID trên quy mô lớn hay thương mại hóa các sản phẩm RFID ở nước ta

Với mục đích bước đầu nghiên cứu và triển khai ứng dụng công nghệ RFID

vào thực tế, luận văn cao học “Nghiên cứu thiết kế hệ thống nhận dạng thẻ vô

tuyến RFID ứng dụng trong quản lý nhân sự” chọn hướng nghiên cứu RFID ở

dải tần số thấp và xây dựng một hệ thống nhận dạng RFID hoàn chỉnh dùng trong công việc quản lý nhân sự tại các văn phòng cơ quan, một cách tiếp cận công nghệ

dễ dàng nhưng vẫn mang lại hiệu quả cao Đây là hệ thống RFID có khả năng theo dõi, giám sát truy nhập với nhân viên trong văn phòng và có thể lưu lại các

dữ liệu truy nhập đó phục vụ cho các mục đích về sau như chấm công

RFID lần đầu xuất hiện trong các ứng dụng truy nhập và theo dõi những năm

1980 và nhanh chóng thu hút sự chú ý bởi khả năng theo dõi các đối tượng đang chuyển động Khi công nghệ được cải tiến, càng có nhiều ứng dụng sử dụng thẻ RFID. Khi đã tìm hiểu, nghiên cứu và nắm vững công nghệ RFID thì từ ứng dụng đơn giản này chúng ta hoàn toàn có thể phát triển lên các sản phẩm cao cấp hơn với phạm vi ứng dụng rộng rãi hơn và đưa ra thị trường

Nội dung của luận văn tập trung vào các vấn đề sau:

- Nghiên cứu công nghệ nhận dạng sóng vô tuyến RFID

- Nghiên cứu cơ chế trao đổi năng lượng giữa nhãn và đầu đọc RFID

- Thiết kế chế tạo thử nghiệm hệ thống đầu đọc nhãn RFID ở tần số thấp

- Xây dựng cơ sở dữ liệu

- Chương 2: Lựa chọn tính toán thiết hế

- Chương 3: Thiết kế anten cho đầu đọc RFID

- Chương 4: Phần mềm ứng dụng

- Chương 5: Thử nghiệm và đánh giá hệ thống

Trong quá trình thực hiện đề tài này tôi đã học hỏi và thu nhận được rất nhiều kiến thức mới mẻ, điều này làm tôi cảm thấy hăng hái hơn trong việc học tập và nghiên cứu sau này Do hiểu biết của bản thân còn hạn chế khi lần đầu nghiên cứu công nghệ mới nên chắc chắn luận văn còn nhiều thiếu sót, tôi rất mong nhận được sự chỉ bảo góp ý của các thày cô giáo, các anh chị đồng nghiệp

và các bạn học cùng khóa học Cao học Đo lường & các hệ thống điều khiển

2006-2008

Tôi xin chân thành cảm ơn!

Học viên thực hiện

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG RFID

1.1 Khái niệm về hệ thống RFID

Nhận dạng nhãn vô tuyến (Radio Frequency Identification – RFID) là một dạng của kỹ thuật nhận dạng tự động (Automatic Identification) Trước khi tìm

hiểu về nhận dạng nhãn vô tuyến, chúng ta cần biết qua về nhận dạng tự động

Nhận dạng tự động (Automatic Identification) gọi tắt là “ID tự động” là một thuật

ngữ chỉ các công nghệ chủ dùng để giúp các máy nhận dạng các đối tượng Nhận dạng tự động thường được thực hiện bằng cách tự động bắt dữ liệu Đó là cách mà các công ty muốn nhận dạng các món đồ, bắt thông tin về chúng và bằng cách nào

đó thu nhận dữ liệu đưa vào máy tính mà không cần nhập dữ liệu bằng tay Mục tiêu của “ID tự động” là tăng tính hiệu quả, giảm lỗi dữ liệu đầu vào và giảm sức lao động trong việc nhận dạng Các công nghệ chủ được xếp dưới dạng “ID tự

động” như: mã vạch (Bar codes), nhận dạng tiếng nói, một số công nghệ sinh trắc học (biometric), nhận dạng đặc trưng quang học (Optical character Recognition –

OCR) và nhận dạng nhãn vô tuyến (RFID)

Hình 1-1 Các kỹ thuật nhận dạng tự động

RFID là thuật ngữ chung chỉ các công nghệ dùng sóng vô tuyến để nhận dạng tự động con người và đồ vật từ xa Hệ thống RFID bao gồm nhãn/thẻ RFID

(RFID Tag) được tạo nên bằng vi chip (IC) có gắn anten và đầu đọc (Reader) có

gắn anten Trên vi chip lưu giữ các thông tin để nhận dạng con người hoặc đồ vật dưới dạng số theo thứ tự Đầu đọc phát ra sóng điện từ và anten của thẻ thu các sóng điện từ số, trong trường hợp các thẻ là thẻ thụ động thì nó hấp thụ năng lượng từ trường điện từ do đầu đọc tạo nên và sử dụng năng lượng đó để nuôi các mạch vi chip Vi chip sau đó điều chế sóng để thẻ phát lại về phía đầu đọc và đầu đọc biến đổi các sóng đó thành tín hiệu và từ đó nhận dạng đồ vật có gắn thẻ ở khoảng cách từ 5cm đến 10m tùy vào loại thẻ thẻ

Để tạo thành một hệ thống RFID hoàn chỉnh thì đầu đọc RFID cần nối với

máy chủ (host computer) Sau khi thu thập được dữ liệu từ thẻ, đầu đọc sẽ truyền

dữ liệu lên máy chủ nơi chứa phần mềm trung gian (middleware) để xử lý dữ liệu

và nối hệ thống RFID với hệ thống kỹ thuật thông tin lớn hơn để quản lý dữ liệu

Hình 1-2 Hệ thống RFID

Thẻ RFID không cần tiếp xúc với đầu đọc để được nhận dạng mà có thể bị đọc từ khoảng cách xa tùy thuộc vào dải tần số hoạt động của thẻ và đầu đọc

Không giống với thẻ thông minh (smart card) mà ta thường thấy sử dụng trong

dạng thẻ điện thoại hay thẻ ATM, nguồn năng lượng cấp cho thẻ RFID hoạt động

và trao đổi dữ liệu giữa thẻ RFID và đầu đọc không thông qua kết nối điện trực tiếp mà nhờ sự cảm ứng trường điện từ trong quá trình truyền sóng vô tuyến Hệ thống nhận dạng RFID vì vậy còn được hiểu là hệ thống nhận dạng không tiếp

xúc (contactless RFID system)

Hình 1-3 Đầu đọc và thẻ không tiếp xúc RFID trong ứng dụng thực tế

1.1.1 Thẻ RFID (RFID Tag)

1.1.1.1 Các thành phần của thẻ RFID

Thẻ RFID (thường gọi là Tag hay Transponder) là những thẻ điện tử nhỏ có

thể dùng độc lập hoặc được dán lên đồ vật Mỗi thẻ có một mã nhận dạng duy nhất và có thể gắn kèm theo bộ nhớ để lưu trữ thêm dữ liệu, cảm biến môi trường

hoặc các cơ cấu bảo vệ Thẻ RFID là loại thẻ không tiếp xúc (contactless card)

gồm có 2 thành phần:

- Vi mạch (Tag IC): Lưu giữ một số thứ tự duy nhất hoặc thông tin khác

dựa trên loại thẻ: Read-Only (RO), Read-Write (RW) hoặc Write Once Read Many (WORM)

- Anten: được gắn với vi mạch truyền thông từ chip đến đầu đọc, Anten càng lớn cho biết phạm vi đọc càng lớn

Hai thành phần này được gắn lên trên lớp nền (Substrate) và sau đó sẽ được

đóng gói dưới nhiều hình dạng khác nhau tùy thuộc vào kích thước và ứng dụng

Hình 1-4 Các thành phần của Tag RFID

Sơ đồ khối của 2 thành phần vi mạch (Tag IC) và anten trong thẻ RFID như

sau:

Tag IC

Anten Substrate

Hình 1-5 Sơ đồ khối vi mạch của Tag RFID thụ động

- Vi mạch:

o Bộ chỉnh lưu (power control/rectifier): chuyển nguồn AC từ tín

hiệu anten của reader thành nguồn DC Nó cung cấp nguồn đến các thành phần khác của vi mạch

o Máy tách xung (Clock extractor): rút tín hiệu xung từ tín hiệu

anten của đầu đọc

o Bộ mã hóa (Encoder): mã hóa tín hiệu từ bộ nhớ và từ đầu đọc để

chuyển sang điều chế

o Bộ điều chế (Modulator): tín hiệu nhận sau khi đã mã hóa được

điều chế và trở thành đáp ứng của thẻ, sau đó nó được truyền trở lại reader

o Đơn vị logic (Logic unit): chịu trách nhiệm cung cấp giao thức

truyền giữa thẻ và đầu đọc

o Bộ nhớ vi mạch (Memory): được dùng lưu trữ dữ liệu Bộ nhớ này

thường được phân đoạn (gồm vài block hoặc field) Một block

AC/DC Rectifier

Power Control

CLOCK EXTRACTOR

ENCODER MODULATOR

LOGIC UNIT

MEMORY

Tag

anten

nhớ của thẻ có thể giữ nhiều loại dữ liệu khác nhau, ví dụ như một phần của dữ liệu nhận dạng đối tượng được gắn thẻ, các bit checksum (chẳng hạn kiểm tra lỗi CRC) kiểm tra độ chính xác của dữ liệu được truyền v.v…

Sự tiến bộ của kỹ thuật cho phép kích thước của vi mạch nhỏ đến mức nhỏ hơn hạt cát (0,3mm2) Tuy nhiên, kích cỡ của thẻ không được xác định bởi kích thước vi mạch của nó mà bởi chiều dài anten của nó

• Khoảng cách đọc của thẻ với đầu đọc

• Hướng cố định của thẻ đối với đầu đọc

• Hướng tùy ý của thẻ đối với đầu đọc

• Loại sản phẩm riêng biệt

• Vận tốc của đối tượng được gắn thẻ

• Độ phân cực anten của đầu đọc

Hiện tại, anten của thẻ được xây dựng bằng một mảnh kim loại mỏng (chẳng hạn đồng, bạc hoặc nhôm) Tuy nhiên, trong tương lai có thể sẽ in trực tiếp anten lên nhãn thẻ, hộp và sản phẩm đóng gói bằng cách sử dụng một loại mực dẫn có chứa đồng, cacbon và niken

1.1.1.2 Phân loại thẻ RFID

a) Phân loại theo nguồn cung cấp cho thẻ

Theo cách phân loại này thẻ RFID có 3 loại thẻ khác nhau: thẻ thụ động

(passive tag), thẻ bán thụ động (semi-passive tag) và thẻ tích cực (active tag)

• Thẻ thụ động (passive tag)

Thẻ thụ động là loại thẻ không có nguồn cung cấp bên trong Nó hoạt động nhờ năng lượng sóng vô tuyến cảm ứng thu được qua anten mà không cần nguồn nuôi Dòng điện xoay chiều cảm ứng này được chỉnh lưu để cung cấp nguồn điện cho thẻ Thẻ bắt đầu hoạt động khi dòng một chiều sau chỉnh lưu đạt được một giá trị xác định Đối với loại thẻ này, trong quá trình truyền giữa thẻ và đầu đọc, thì đầu đọc luôn truyền trước rồi đến thẻ Cho nên bắt buộc phải có đầu đọc để thẻ có thể truyền dữ liệu của nó Bằng việc cung cấp một tín hiệu sóng vô tuyến mang năng lượng, đầu đọc có thể giao tiếp từ xa với một thiết bị không có nguồn nuôi Dòng điện này chỉ đủ cung cấp công suất cho mạch tích hợp CMOS trong thẻ phát

đi tín hiệu đáp ứng Hầu hết các thẻ thụ động nhận tín hiệu nhờ tín hiệu sóng mang tán xạ ngược lại từ đầu đọc Điều này nghĩa là anten phải được thiết kế để vừa nhận công suất từ tín hiệu đến và truyền đi tín hiệu tán xạ Đáp ứng của một thẻ thụ động RFID không chỉ là một số dạng nhận dạng ID (mã ID duy nhất –

Unique Identification-UID) mà nhiều dạng dữ liệu khác do con chip của thẻ có thể

chứa bộ nhớ EEPROM để lưu trữ dữ liệu Do không có bộ nguồn cung cấp gắn liền trên mạch nên thẻ có kích thước khá nhỏ, ví dụ như các sản phẩm gắn dưới lớp da kích thước chỉ khoảng 0,15mm x 0,15mm và còn mỏng hơn độ dày của một trang giấy (7,5µm) Thêm vào đó anten cũng tạo cho thẻ có kích thước thay đổi từ kích thước con tem bưu điện đến kích thước của một thẻ ATM Các thẻ thụ động có khoảng cách đọc thực tế từ 2mm (ISO 14443) lên đến vài mét (EPC và ISO 18000-6) tùy thuộc vào tần số vô tuyến lựa chọn và kích thước/thiết kế của anten Các thẻ thụ động RFID không yêu cầu nguồn và có thể nhỏ hơn nữa với thời gian tồn tại không giới hạn do nó chịu được các hóa chất ăn mòn như axít và nhiệt độ cao (xấp xỉ 2040oC) Thẻ thụ động có chi phí sản xuất rẻ hơn (khoảng 0,5USD/chiếc) và không có pin nên phần lớn thẻ RFID tồn tại ở dạng thụ động

• Thẻ bán thụ động (semi-passive tag)

Thẻ bán thụ động rất giống với thẻ thụ động trừ chi tiết nó có thêm nguồn năng lượng bên trong (chẳng hạn như pin) nên nó còn được gọi là thẻ hỗ trợ pin

(battery-assited tag) Loại pin này cho phép IC của thẻ được cung cấp nguồn năng

lượng không đổi và loại bỏ nhu cầu thiết kế anten để lấy nguồn từ tín hiệu đầu đọc đưa đến Vì thế các anten được tối ưu với tín hiệu bị tán xạ Do đó các thẻ RFID bán thụ động sẽ đáp ứng nhanh hơn mặc dù kém ổn định và không hiệu quả bằng các thẻ tích cực

Ưu điểm của thẻ bán thụ động so với thẻ thụ động là thẻ bán thụ động không sử dụng tín hiệu của đầu đọc như thẻ thụ đông mà nó tự kích hoạt, nó có thể đọc ở khoảng cách xa hơn thẻ thụ động Vì không cần thời gian tiếp năng lượng cho thẻ bán thụ động, thẻ có thể nằm trong phạm vi đọc của đầu đọc ít hơn thời gian đọc quy định (không giống như thẻ thụ động), nên nếu đối tượng gắn thẻ bán thụ động đang di chuyển ở tốc độ cao, dữ liệu thẻ vẫn có thể đọc được Thẻ bán thụ động cũng cho phép đọc tốt hơn ngay cả khi gắn thẻ bằng những vật liệu

chắn và hấp thụ sóng vô tuyến (RF-opaque và RF-absorbent) Sự có mặt của

những vật liệu này có thể ngăn không cho thẻ thụ động hoạt động đúng dẫn đến việc truyền dữ liệu không thành công

Phạm vi đọc của thẻ bán thụ động có thể lên đến 10m với điều kiện lý

tưởng bằng cách sử dụng mô hình tán xạ đã được điều chế (modulated back

scatter) trong sóng UHF và sóng vi ba

• Thẻ tích cực (active tag)

Không như các thẻ thụ động, các thẻ RFID tích cực có nguồn cấp bên trong

để cung cấp cho các IC tạo thành tín hiệu đầu ra Các thẻ tích cực thường ổn định hơn (ít lỗi hơn) các thẻ thụ động do khả năng kết nối "phiên" với đầu đọc Đối với loại thẻ này, trong quá trình truyền giữa thẻ và đầu đọc, thẻ luôn truyền trước, rồi mới đến đầu đọc Vì sự hiện diện của đầu đọc không cần thiết cho việc truyền dữ

chí trong cả trường hợp đầu đọc không có ở nơi đó Nhờ có nguồn cung cấp onboard nên các thẻ tích cực có thể phát công suất cao hơn các thẻ thụ động, cho phép chúng hoạt động hiệu quả hơn trong các môi trường có "tần số vô tuyến thay đổi" (người, gia xúc) như nước, kim loại nặng (xe tải, container trở hàng) hoặc ở các khoảng cách xa hơn Nhiều thẻ tích cực có khoảng cách hoạt động vài trăm mét và thời gian pin nên tới 10 năm Một số thẻ tích cực còn bao gồm các bộ cảm biến (sensor) như cảm biến nhiệt độ dùng để giám sát độ chín hoặc giám sát nhiệt

độ của các sản phẩn dễ bị hỏng Các cảm biến khác cũng được gắn với thẻ RFID tích cực như: độ ẩm, va đập/biến động, ánh sáng, phóng xạ, nhiệt độ và không khí như etylen Các thẻ tích cực cũng thường có dải hoạt động dài hơn (xấp xỉ khoảng 30,5 m) và bộ nhớ lớn hơn các thẻ thụ động và do đó có thể lưu trữ thêm các thông tin từ bộ phát đáp Hiện tại, thẻ tích cực nhỏ nhất có kích thước tương đương một đồng xu và được bán với giá khá đắt khoảng 20USD nên loại thẻ này chỉ được sử dụng trong trường hợp thật cần thiết

b) Phân loại theo khả năng hỗ trợ ghi dữ liệu của thẻ

Theo cách phân loại này thẻ RFID phân ra làm 3 loại: thẻ chỉ đọc (Read

Only-RO), thẻ ghi một lần-đọc nhiều lần (Write Once Read Many-WORM), thẻ

đọc-ghi (Read Write-RW)

• Read Only (RO)

Thẻ RO có thể được lập trình (tức là ghi dữ liệu lên thẻ RO) chỉ một lần

Dữ liệu có thể được lưu vào thẻ tại xí nghiệp trong lúc sản xuất Việc này được

thực hiện như sau: các cầu chì (fuse) riêng lẻ trên vi mạch của thẻ được lưu cố

định bằng cách sử dụng chùm tia laser Sau khi thực hiện xong, không thể ghi đè

dữ liệu lên thẻ được nữa Thẻ này được gọi là factory programmed Nhà sản xuất

loại thẻ này sẽ đưa dữ liệu lên thẻ và người sử dụng thẻ không thể điều chỉnh được Thẻ RO có dung lượng lưu trữ rất nhỏ (thường 64bits) Các thẻ thụ động đặc trưng là các thẻ RO Loại thẻ này chỉ tốt đối với những ứng dụng nhỏ mà không thực tế đối với quy mô sản xuất lớn hoặc khi dữ liệu của thẻ cần được làm

theo yêu cầu của khách hàng dựa trên ứng dụng Loại thẻ này được sử dụng trong các ứng dụng kinh doanh và hàng không nhỏ

Do ứng dụng đơn giản trên qui mô nhỏ nên hệ thống RFID được thiết kế trong luận văn này bước đầu thực hiện trên thẻ RO

• Write Once Read Many (WORM)

Thẻ WORM có thể được ghi dữ liệu một lần, mà thường thì không phải được ghi bởi nhà sản xuất mà bởi người sử dụng thẻ ngay lúc thẻ cần được ghi Tuy nhiên trong thực tế thì có thể ghi được vài lần (khoảng 100 lần) Nếu ghi quá

số lần cho phép, thẻ có thể bị phá hỏng vĩnh viễn Thẻ WORM được gọi là user

FRAM (Ferroelectric RAM) để lưu dữ liệu nên có dung lượng bộ nhớ lớn (thường trên 1 Kbit) Thẻ RW được gọi là field programmable hoặc reprogrammable Sự

an toàn dữ liệu là một thách thức đối với thẻ RW Hơn nữa, loại thẻ này thường đắt nhất Thẻ RW không được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng ngày nay, trong tương lai có thể công nghệ thẻ phát triển thì chi phí thẻ giảm xuống

1.1.2 Đầu đọc (Reader)

1.1.2.1 Nhiệm vụ và chức năng

Đầu đọc (Reader) là thiết bị kết nối không dây với thẻ RFID để nhận dạng

các đồ vật/đối tượng được gắn thẻ RFID Đầu đọc có nhiệm vụ kích hoạt thẻ RFID, truyền và nhận dữ liệu bằng sóng vô tuyến với thẻ, thực hiện giải điều chế

chủ, đồng thời cũng nhận lệnh từ máy chủ để thực hiện các yêu cầu truy vấn hay đọc/ghi thẻ Tất cả các đặc điểm của truyền thông không dây như tạo kết nối, thực hiện chống xung đột và các thủ tục xác thực quyền đều được thực thi bởi đầu đọc

Đầu đọc thực hiện được những nhiệm vụ này là do phần mềm ứng dụng

(Application software) nằm trên máy chủ (PC) chỉ huy các lệnh đến đầu đọc theo

thủ tục master-slave, điều đó có nghĩa là trong cấu trúc phân cấp của hệ thống thì

Application software đóng vai trò là master còn đầu đọc đóng vai trò là slave chỉ

hoạt động khi có lệnh từ Application software Để thực hiện một lệnh từ

Application software thì trước tiên đầu đọc phải thực hiện kết nối với thẻ Lúc này

đầu đọc đóng vai trò là master trong mối quan hệ với thẻ Sau đó thẻ sẽ trả lời các lệnh của đầu đọc

Hình 1-6 Thủ tục master-slave giữa Application software, reader và tag

Một lệnh đọc đơn giản từ Application software gửi đến đầu đọc có thể bắt

đầu từ một chuỗi các bước giao tiếp giữa đầu đọc và thẻ Trong bảng 1.1, một lệnh đọc đầu tiên được bắt đầu bởi việc kích hoạt thẻ theo sau đó là thủ tục xác thực và cuối cùng là truyền các dữ liệu yêu cầu

Application software ↔

Reader

Đọc địa chỉ bộ nhớ của tag

Hỏi tag có trong vùng phủ sóng ?

Tag hoạt động với serial number

Bắt đầu xác thực

Xác thực thành côngLệnh đọc (địa chỉ)

Dữ liệu nhận từ tag

Dữ liệu truyền đến aplication software

Bảng 1-1 Ví dụ về thực thi một lệnh đọc bởi aplication software, reader và tag

Hình 1-7 Các thành phần của đầu đọc

a) Khối HF (HF Interface)

• Chức năng:

- Sản sinh năng lượng để kích hoạt và nuôi thẻ (thụ động)

- Điều chế tín hiệu phát đi để gửi tới thẻ

- Nhận và giải điều chế tín hiệu HF nhận từ thẻ

• Cấu hình:

- Cấu hình khác nhau phụ thuộc vào:

o Sự ghép nối (từ trường hoặc điện trường): thường ở dải tần số thấp (Low Frequency < 135 KHz), tần số cao (High Frequency 13,56 MHz)

o Giao tiếp tuần tự (HDX, FDX hoặc SEQ): thường ở dải sóng cực ngắn (Microwave 2,45GHz)

- MoDem (2 đường truyền tín hiệu độc lập):

Các lệnh điều khiển từ PC

Hệ thống RFID thiết kế trong luận văn hoạt động ở dải tần số thấp

(125KHz) dựa trên nguyên lý ghép nối cảm ứng (inductively coupled system) có

sơ đồ khối của khối HF như sau:

Hình 1-8 Sơ đồ khối của khối HF cho hệ thống RFID ghép nối cảm ứng

Tín hiệu được truyền tới thẻ đi theo đường truyền dữ liệu (tranmission

data), ngược lại tín hiệu nhận từ thẻ được xử lý trên đường nhận tín hiệu (received data)

Đầu tiên, tần số hoạt động của hệ thống (125KHz) được phát ra theo đường

truyền dữ liệu bởi một khối thạch anh tạo dao động ổn định (quartz oscillator) Để

tránh việc làm tăng tỉ lệ nhiễu so với tín hiệu rất yếu nhận được từ thẻ thì bộ tạo dao động này tùy thuộc vào yêu cầu cao về sự ổn định pha và nhiễu các dải tần

xung quanh Tín hiệu do oscillator tạo ra được đưa vào khối điều chế (modulator) được điều khiển bởi tín hiệu dải tần cơ bản (baseband signal) của hệ thống mã

hóa tín hiệu Tín hiệu dải tần cơ bản là tín hiệu có khóa điện áp trực tiếp (ở mức TTL) trong đó dữ liệu nhị phân được biểu diễn bằng mã nối tiếp (Machester, Miller, NRZ) Các dạng điều chế (ASK, PSK, FSK) sẽ thực hiện trên tín hiệu do oscillator tạo ra Tín hiệu sau khi đã được điều chế được chuyển sang mức điện áp

yêu cầu bởi khối nguồn đầu ra (output module) và đưa vào khối anten (antenna

box)

Đường nhận dữ liệu bắt đầu từ khối anten với thành phần đầu tiên là bộ lọc

giải thông (bandpass filter) hoặc một bộ lọc notch Trong hệ thống truyền song

công/bán song công (FDX/HDX) bộ lọc này có nhiệm vụ chặn phần lớn các tín

hiệu mạnh từ đường truyền qua khối output module và chỉ lọc lấy các tín hiệu đáp ứng từ thẻ Trong các hệ thống tần số thấp LF với điều biến tải và không có tín hiệu mang phụ (subcarrier) sử dụng một bộ lọc notch (notch filter) để tăng chiều

sâu điều chế (hệ số công suất)

b) Khối điều khiển (Control Unit)

- Thực hiện xác thực giữa thẻ và đầu đọc

Để thực hiện các chức năng phức tạp này khối điều khiển thường dựa trên một vi điều khiển Phần mã hóa tín hiệu thường được thực hiện bởi một khối

ASIC (Application Specific Intergrated Circuit) để giúp xử lý các chu trình tính

toán chuyên sâu Khối ASIC thường được truy nhập thông qua đường bus của vi điều khiển

• Sơ đồ khối:

Hình 1-9 Sơ đồ khối của khối điều khiển

Dữ liệu trao đổi giữa phần mềm ứng dụng (application software) và khối

điều khiển của đầu đọc được thực hiện qua giao diện truyền thông nối tiếp RS-232 hoặc RS-485 Truyền thông giữa khối HF và khối điều khiển biểu diễn trạng thái của khối HF như một số nhị phân Trong hệ thống dùng điều chế ASK số logic

“1” ở đầu vào điều chế khối HF thể hiện trạng thái “HF signal on”, số logic ”0” tương ứng với trạng thái “HF signal off”

1.1.3 Cơ chế trao đổi năng lượng và dữ liệu

1.1.3.1 Cơ chế trao đổi năng lượng

Có nhiều cơ chế trao đổi năng lượng tùy thuộc vào nguyên tắc ghép nối giữa đầu đọc và thẻ và dải tần số hoạt động Có thể chia ra làm 4 cơ chế như sau:

- Ghép nối cảm ứng (Inductive Coupling): thường dùng ở dải tần số thấp

LF (<135Khz) và tần số cao HF (13.56 MHz)

- Ghép nối tán xạ điện từ (Electromagnetic Backscatter Coupling):

thường dùng ở dải siêu cao tần UHF (868÷915MHz) và sóng vi ba microwave (2.5 GHz)

- Ghép nối gần (Close Coupling): phạm vi đọc rất nhỏ (< 1 cm) thường

dùng ở dải tần 1÷10MHz

- Ghép nối điện (Electrical Coupling)

Ở đây chúng ta chỉ tập trung nghiên cứu hệ thống ghép nối cảm ứng do dải

tần hoạt động ở tần số thấp 125 KHz Hệ thống này thường áp dụng với thẻ thụ động luôn cần cấp năng lượng từ đầu đọc Ghép nối cảm ứng tức là cơ chế hoạt động dựa trên nguyên lý cộng hưởng điện từ do mạch LC trên 2 thành phần thẻ và đầu đọc tạo ra Như đã trình bày ở phần thẻ RFID (1.1.1), thẻ thụ động là một thiết bị điện tử chứa dữ liệu gồm một vi mạch đơn và một cuộn dây lớn có chức năng như một anten Phía đầu đọc cũng có một cuộn dây là anten, khi cấp nguồn cho đầu đọc thì sẽ có dòng điện đi qua cuộn dây này tạo nên một trường điện từ

dao động (Magnetic alternating field H) bao quanh cuộn dây (vì trong trường hợp

này thẻ luôn hoạt động thụ động cần đến năng lượng cấp từ đầu đọc nên cuộn dây anten của đầu đọc phải tạo ra được trường điện từ ở tần số cao và mạnh sao cho có thể xuyên qua cuộn dây và phủ kín không gian xung quanh cuộn dây điều này phụ thuộc vào thiết kế của anten phía đầu đọc – Hình 1.10) Do bước sóng của dải tần hoạt động lớn gấp nhiều lần so với khoảng cách giữa anten của đầu đọc và anten của thẻ nên trường điện từ có thể được hiểu đơn giản như một từ trường dao động liên quan đến khoảng cách giữa thẻ và đầu đọc

Hình 1-10 Từ trường dao động (magnetic alternating field) do cuộn dây anten trên thẻ

sinh ra

Khi thẻ đi vào vùng từ trường của đầu đọc thì năng lượng từ từ trường dao động có thể cảm ứng sang mạch cộng hưởng qua các cuộn dây theo định luật

Faraday Nếu tần số dao động f G của từ trường dao động tương ứng với tần số

cộng hưởng f R của mạch cộng hưởng LC thì trên cuộn cảm phía thẻ sẽ xuất hiện

một dòng điện cảm ứng Dòng điện cảm ứng này gây ra một điện áp Ui giữa hai đầu cuộn dây trên thẻ Điện áp sau đó được chỉnh lưu và cung cấp năng lượng nuôi các vi mạch và các khối chức năng khác bên trong thẻ

Phía đầu đọc có một tụ điện Cr nối song song với cuộn dây anten, điện dung của tụ điện được lựa chọn sao cho nó cùng với điện cảm của cuộn dây tạo thành một mạch cộng hưởng song song với tần số cộng hưởng tương ứng với tần số truyền của đầu đọc Phía thẻ có tụ điện C1 hợp với cuộn dây anten tạo thành một mạch cộng hưởng được điều chỉnh theo tần số truyền của đầu đọc Điện áp Ui trên cuộn dây anten phía thẻ đạt được cực đại phụ thuộc vào mức tăng cộng hưởng trên mạch cộng hưởng song song

Hình 1-11 Năng lượng sinh ra từ từ trường dao động phía đầu đọc cung cấp năng lượng

cho thẻ qua ghép nối cảm ứng

Hiệu suất truyền năng lượng giữa hai cuộn dây anten phía đầu đọc và phía

thẻ tỉ lệ với tần số hoạt động f, số vòng dây cuốn n, góc đặt giữa hai cuộn dây và

Các mạch cộng hưởng song song

Tag

Từ trường H

khoảng cách giữa chúng Khi tần số f tăng thì điện cảm của cuộn dây trên thẻ và

số vòng dây quấn giảm (<135 KHz: 100 ÷ 1000 vòng, 13.56 KHz: 3 ÷10 vòng)

Vì điện áp cảm ứng trên cuộn dây phía thẻ cũng tỉ lệ với tần số f nên giảm số vòng

dây cũng ít ảnh hưởng đến hiệu suất truyền năng lượng ở các tần số cao hơn

1.1.3.2 Truyền dữ liệu từ thẻ sang đầu đọc

Như đã miêu tả ở trên, hệ thống ghép nối cảm ứng hoạt động dựa trên nguyên tắc kiểu máy biến áp với cuộn sơ cấp phía đầu đọc và cuộn thứ cấp phía thẻ, khi khoảng cách giữa hai cuộn dây này không vượt quá 0,16λ (384m) thì thẻ

sẽ nằm trong trường gần (near field) của anten phát của đầu đọc Kết quả trả lời

của thẻ trên anten đầu đọc được thể hiện thông qua trở tháng biến đổi ZT của cuộn dây anten đầu đọc Đóng và ngắt điện trở tải trên cuộn dây anten của thẻ sẽ làm thay đổi trở kháng ZT và làm thay đổi điện áp trên cuộn dây anten đầu đọc Điều này dẫn đến việc điều chế biên độ điện áp UL trên cuộn dây anten đầu đọc bởi một thẻ từ xa Nếu thời điểm đóng ngắt điện trở tải được điều khiển bởi dữ liệu thì dữ liệu có thể chuyển từ thẻ sang đầu đọc Dạng truyền dữ liệu như thế này gọi là điều biến tải Để phục hồi dữ liệu trên đầu đọc, điện áp trên anten đầu đọc được chỉnh lưu Điều này thể hiện việc giải điều chế một tín hiệu đã được điều biên

1.1.3.3 Cơ chế truyền dữ liệu từ đầu đọc sang thẻ

Tất cả các phương pháp điều biến số đều có thể sử dụng trong việc truyền

dữ liệu từ thẻ sang đầu đọc bằng cơ chế truyền song công (Full Duplex – FDX) và bán song công (Half Duplex – HDX) hoặc truyền tuần sự (Sequential – SEQ),

không phụ thuộc vào tần số hoạt động hay nguyên tắc ghép nối

• Các phương pháp điều chế thường dùng:

- Điều chế dịch biên (Amplitude Shift Keying)

ASK là một dạng của điều chế tín hiệu số mà ở đó tín hiệu số được biểu diễn bằng sự thay đổi biên độ của sóng mang Biên độ của tín hiệu mang thay đổi

theo chuỗi bit 1 và 0 mà vẫn giữ nguyên tần số và pha Mức của biên độ biểu diễn cho bít logic 0 hay 1 Chúng ta có thể hiểu rằng tín hiệu mang như là một khóa đóng cắt Ở dạng tín hiệu điều chế, bit logic 0 được biểu diễn bởi sự vắng mặt của sóng mang, bit logic 1 được biểu diễn bởi sự có mặt của sóng mang và từ đó thông tin được truyền đi Cũng giống như AM, ASK cũng nhạy với nhiễu, bị biến dạng trong khi truyền đi Sự điều chế và giải điều chế tương đối ít tốn kém Công nghệ ASK thường được dùng để truyền tín hiệu số trên cáp quang

Hình dưới đây mô tả bit 1 được truyền đi bằng sóng mang có biên độ E1 và bit 0 được truyền đi bằng sóng mang có biên độ là E2

Hình 1-12 Tín hiệu điều biên ASK

Do cách giải điều chế đơn giản nên hầu hết các hệ thống đều dùng phương pháp điều chế ASK

- Điều chế tần số (Frequency Shift Keying)

FSK là nguyên lý điều chế tần số mà ở đó thông tin số được truyền đi qua

sự thay đổi rời rạc của tần số FSK đơn giản nhất là FSK nhị phân gọi là BFSK, sử dụng hai tần số riêng biệt để truyền đi hai bit 0 và 1

- Điều chế pha tín hiệu (Phase Shift Keying): tín hiệu có dạng sóng dao

động có tần số f (sóng mang), thay đổi pha để biểu diễn các giá trị của tín hiệu: mỗi bit đặc trưng bởi góc pha khác nhau của tín hiệu VD: pha

= 90o cho bit 0, pha = -90o cho bit 1

Hình 1-14 Tín hiệu điều pha PSK

• Các cơ chế truyền thông:

- Truyền song công (FDX): tín hiệu truyền theo hai chiều đồng thời: thẻ

và bộ đọc nói cùng lúc

- Truyền bán song công (HDX): tín hiệu truyền theo hai hướng nhưng không đồng thời, ở chế độ phát thì phần thu bị vô hiệu hóa và ngược lại.Trong cả hai cơ chế truyền trên thì việc truyền năng lượng từ đầu đọc sang thẻ là liên tục, độc lập với việc truyền dữ liệu

- Truyền tuần tự (SEQ): quá trình truyền năng lượng từ đầu đọc sang thẻ chỉ diễn ra theo một chu kỳ thời gian nhất định (theo hoạt động của xung) Dữ liệu truyền từ thẻ sang đầu đọc xảy ra tại các quãng dừng trong lúc truyền năng lượng từ đầu đọc sang thẻ

Hình 1-15 Các cơ chế truyền dữ liệu FDX, HDX, SEQ

- Tốc độ truyền dữ liệu: < 1 Kbits/s, không thể đa truy nhập đồng thời

- Cường độ từ trường: 72 dBµA/m trong phạm vi 10m

- Chuẩn: ISO/IEC 18000-2

- Ưu điểm: hoạt động tốt trong môi trường nước và các đồ vật kim loại

- Nhược điểm: phạm vi đọc ngắn, tốc độ truyền dữ liệu chậm

- Phạm vi ứng dụng:

o Điều khiển truy nhập cá nhân (Personal ID Access Control)

o Theo dõi động vật (Animal Tracking)

o Giám sát xe cộ (Vehicle Immobilizer)

o Xác thực sản phẩm (Product Authentication)

• Tần số cao (High Frequency – HF):

- Băng tần : 13,56 MHz

- Phạm vi đọc : < 1 m

- Dùng thẻ RFID: thụ động (passive)

- Tốc độ truyền dữ liệu: 25 Kbits/s, có thể đa truy nhập đồng thời

- Cường độ từ trường: 42 dBµA/m trong phạm vi 10m

- Chuẩn: ISO 14443(A/B), ISO 15693, ISO/IEC 18000-3

- Ưu điểm: giá thành tag rẻ

- Nhược điểm: hoạt động trong môi trường nước kém hơn dải tần LF nhưng tốt hơn UHF

- Phạm vi ứng dụng:

o Thẻ thông minh (Smart Cards)

o Điều khiển truy nhập (Access Control)

o Kiểm soát sách trong thư viện (Library Books)

o Kiểm soát hành lý tại sân bay (Airline Baggage)

o Duy trì thu thập dữ liệu (Maintainance data logging)

• Siêu cao tần (Ultra High Frequency – UHF):

- Băng tần : 860 ÷ 930 MHz

- Phạm vi đọc : 3 ÷ 9 m

- Dùng thẻ RFID: thụ động (passive) và tích cực (active) dùng E-Field Backscatter

- Tốc độ truyền dữ liệu: 28 Kbits/s, có thể đa truy nhập đồng thời

- Công suất phát xạ: 25 mW ERP 10%

- Phạm vi ứng dụng:

o Kiểm soát hành lý tại sân bay (Airline Baggage)

o Thu phí giao thông điện tử trên đường cao tốc (Electronic toll

collection)

1.1.5 Ưu nhược điểm của hệ thống RFID

1.1.5.1 Ưu điểm

So với các công nghệ cùng loại (nhận dạng tự động) như mã vạch thì RFID

có nhiều ưu điểm nổi trội như:

- RFID là công nghệ định vị, nhận dạng đối tượng và thu thập dữ liệu tự động từ xa

- Các thẻ RFID có thể đọc gần như đồng thời với khối lượng lớn trong không gian nhất định

- Các thẻ RFID bền, chúng được chế tạo từ các hợp chất đặc biệt để chống lại sự phá hủy của hóa chất và nhiệt độ

- Các thẻ RFID không những có thể đọc mà còn có thể ghi thông tin, có thể chứa lượng thông tin lớn hơn nhiều so với mã vạch

- Việc đọc mã vạch yêu cầu tác động của con người còn thẻ RFID thì không

- Tiết kiệm năng lượng

ta đã cải tiến bằng cách thiết kế các loại anten mới và tăng cường độ nhạy của thiết bị đọc

- Quá nhiều chuẩn: Cần phải có chuẩn chung để mở rộng khả năng khai thác thẻ Hiện có nhiều hãng cạnh tranh đưa ra các chuẩn khác nhau Ví

dụ, Nokia đã sử dụng chuẩn EPCGlobal và hệ thống siêu thị Wal-Mart

sử dụng ISO 14443

- Chưa có phương pháp bảo mật hiệu quả, tính riêng tư của các sản phẩm khi sử dụng RFID còn gây nhiều tranh cãi

- Chi phí cao hơn so với sử dụng mã vạch

Do vậy khi ứng dụng RFID, cần cân nhắc giữa lợi ích thu được và chi phí đầu tư để có thể đem lại hiệu quả đầu tư tốt nhất

1.2 Tình hình phát triển của công nghệ RFID hiện nay

1.2.1 Tình hình phát triển

1.2.1.1 Tiềm năng sử dụng

Các thẻ RFID thường được hình dung như là sự thay thế cho mã vạch UPC hoặc EAN và có một số ưu điểm so với công nghệ mã vạch trước đây Chúng không hoàn toàn thay thể được mã vạch một phần là do giá thành quá cao và phần còn lại là do có nhiều nguồn dữ liệu độc lập cho cùng một đối tượng để khai thác chúng Hơn nữa, EPC kiểu mới cùng với một số nguyên lý khác hiện rất phổ biến

mà lại có giá thành hợp lý Việc lưu trữ dữ liệu của các mục tin cần theo dõi sẽ yêu cầu rất nhiều terabyte trên tất cả các mức Giải pháp là lọc (không ai lưu trữ

dữ liệu mà không có mục đích xác định) Điều này giống như các sản phẩm sẽ

được theo dõi nhờ các palét (pallet) sử dụng các thẻ RFID và mã UPC hoặc EAN

với các mã vạch duy nhất ở mức đóng gói Sự duy nhất của thẻ RFID có nghĩa là một sản phẩm có thể được theo dõi một cách độc lập khi nó được chuyển từ vị trí này đến vị trí khác và cuối cùng là đến tay khách hàng Điều này giúp các công ty chống lại kẻ trộm và các hình thức mất mát sản phẩm khác Hơn nữa, việc theo dõi sản phẩm như thế cũng là một đặc điểm quan trọng mà RFID hỗ trợ không chỉ gồm thông tin nhận dạng duy nhất mà còn gồm cả số hiệu (serial number) của sản

lượng mà còn góp phần tìm theo dõi và tìm hiểu khách hàng sau bán hàng Thẻ RFID tích cực cũng có tiềm năng thực hiện chức năng như những cảm biến từ xa giá thành thấp dùng để loan báo thông tin từ một trạm gốc Các ứng dụng có thể gồm: cảm biến về tình trạng đường nhờ các đèn báo, bản tin thời tiết, giám sát mức ồn

1.2.1.2 Thế hệ thứ 2 (Gen 2 )

EPCglobal hiện đang làm việc về các chuẩn quốc tế sử dụng RFID và EPC trong việc nhận dạng bất kỳ đối tượng gì cho các công ty trên toàn cầu Cơ cấu ban giám đốc gồm đại diện của GS1, GS1 US, công ty Gillette, Procter&Gamble, Wal-Mart, Hewlett-Packard, Johnon&Johson, Chackpoint Systems và Auto-ID Labs và các thành viên khác

Chuẩn EPCglobal thế hệ 2 được đệ trình tháng 12/2004, và gần như tạo thành một xương sống các chuẩn thẻ RFID đi lên Chuẩn này được đề xuất sau một cuộc tranh cãi từ Intermec do nó có thể xâm phạm đến một số chuẩn tiền thân của RFID Cuối cùng người ta quyết đinh: chuẩn này bản thân nó không xâm phạm đến các chuẩn tiền thân, nhưng nó cần thiết phải tra tiền bản quyền cho Intermec nếu như thẻ loại này được đợc ở theo một cách cụ thể EPC Gen2 chính

là viết tắt của EPCglobal UHF thế hệ 2 Việc chuẩn hoá EPC dẫn đến được chấp nhận là ISO, cùng với các chuẩn bổ sung dựa trên chuẩn ISO 18000-6

1.2.1.3 Các chuẩn xây dựng cho công nghệ RFID

• ISO 11784 & 11785 - Các chuẩn này qui định nhận dạng tần số vô tuyến cho động vật đưa ra khái niệm kỹ thuật và cấu trúc mã

• ISO 14223/1 - Nhận dạng tần số vô tuyến với động vật, bộ thu phát cao cấp – giao diện vô tuyến

• ISO 10536

1.2.2 Các ứng dụng RFID hiện nay

phương thức vận tải đường ray Các thẻ có thể nhận dạng toàn bộ 12 ký tự theo chuẩn công nghiệp cho phép xác định loại xe/toa hàng, chủ sở hữu, số xe Các thẻ này được gắn vào gầm xe, toa hàng Các anten được cài đặt ở giữa hoặc bên cạnh đường ray vận chuyển, các đầu đọc và các thiết bị hiển thị được lắp theo chuẩn trong vòng khoảng 40 đến 100 feet dọc theo đường ray cùng các thiết bị viễn thông và thiết bị kiểm soát khác, do vậy có thể kiểm soát được các toa hàng trên ray Mục đích chính trong các ứng dụng vận chuyển theo ray là cải tiến kích thước và tốc độ vận chuyển nhanh chóng cho phép giảm kích thước xe hàng hoặc giảm thiểu chi phí cho việc đầu tư các thiết bị mới RFID còn được ứng dụng trong hệ thống thu phí cầu đường bộ hay cho phép các hãng hàng không kiểm soát hành lý của hành khách

- Trong công nghiệp: RFID rất thích hợp cho việc xác định sản phẩm có giá trị

đơn vị cao thông qua quá trình lắp ráp chặt chẽ Hệ thống RFID rất bền vững trong môi trường thời tiết khắc nghiệt nên thích hợp để định danh các vật chứa, lưu giữ sản phẩm lâu dài như container, cần cẩu, xe kéo v.v… Một mặt, các thẻ RFID cho phép xác định sản phẩm mà nó được gắn vào (ví dụ: part number, serial number, trong hệ thống đọc/ghi, hướng dẫn quy trình lắp ráp xử lý sản phẩm) Mặt khác, thông tin đầu vào được nhập bằng tay (hoặc bằng các đầu đọc mã vạch) cho phép hệ thống điều khiển/kiểm soát Sau đó những thông tin này có thể được truy xuất bởi các đầu đọc RFID