Thiết kế anten sử dụng cho UHF RFID TAG thụ động

Nhờ sự phát triển mạnh mẽ của vi mạch điện tử từ thập niên 1970, RFID trở thành một công nghệ phổ biến trong cuộc sống hàng ngày và trong nhiều ứng dụng tiên tiến như quản lý hàng tồn k

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH

Tp HCM, ngày tháng năm

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ và tên học viên:PHẠM HOÀNG VIỆT Phái: Nam Ngày, tháng, năm sinh: 23-02-1986 Nơi sinh: Đắc Lắc Chuyên ngành: Kỹ Thuật Điện Tử MSHV: 09140943 1- TÊN ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ ANTEN SỬ DỤNG CHO UHF RFID TAG THỤ ĐỘNG 2- NHIỆM VỤ LUẬN VĂN:

3- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 25-01-2009

4- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ : 27-12-2010

5- HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS PHAN HỒNG PHƯƠNG

Nội dung và đề cương Luận văn thạc sĩ đã được Hội Đồng Chuyên Ngành thông qua

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN CHỦ NHIỆM BỘ MÔN KHOA QL CHUYÊN NGÀNH

(Họ tên và chữ ký)

LỜI CẢM ƠN LỜI CẢM ƠN

Em xin chân thành cảm ơn cô TS Phan Hồng Phương

và các thầy cô trong Bộ môn Viễn thông đã tận tình hướng dẫn và giúp đỡ em trong suốt thời gian làm Luận văn tốt nghiệp

Em xin chân thành cảm ơn cô TS Phan Hồng Phương

và các thầy cô trong Bộ môn Viễn thông đã tận tình hướng dẫn và giúp đỡ em trong suốt thời gian làm Luận văn tốt nghiệp

Đặc biệt em xin cám ơn cô Phương, cô đã rèn luyện cho em tính tự lập nghiên cứu, niềm đam mê khoa học Tất

cả những điều này sẽ là hành trang quý báu cho chúng em trên bước đường dài đầy chông gai phía trước

Đặc biệt em xin cám ơn cô Phương, cô đã rèn luyện cho em tính tự lập nghiên cứu, niềm đam mê khoa học Tất

cả những điều này sẽ là hành trang quý báu cho chúng em trên bước đường dài đầy chông gai phía trước

Chân thành cám ơn bạn Đào Trần Minh Quân đã đồng hành và giúp đỡ trong quá trình tìm hiểu và hoàn thành Luận văn này

Chân thành cám ơn bạn Đào Trần Minh Quân đã đồng hành và giúp đỡ trong quá trình tìm hiểu và hoàn thành Luận văn này

Tp Hồ Chí Minh, tháng 12 năm 2010

Phạm Hoàng Việt

Ý tưởng xác định ID của đối tượng thông qua vô tuyến (RFID) và kiểm soát

từ xa các thiết bị đã được hình thành vào cuối những năm 1948 bởi H.Stockman Nhờ sự phát triển mạnh mẽ của vi mạch điện tử từ thập niên

1970, RFID trở thành một công nghệ phổ biến trong cuộc sống hàng ngày và trong nhiều ứng dụng tiên tiến như quản lý hàng tồn kho, hệ thống hỗ trợ cho người khuyết tật, an ninh Một số dải tần số đã được chuẩn hóa cho công nghệ này: LF 125-134 kHz, HF 13.56 MHz, UHF, 860-915 MHz và microwave 2.4 GHz và 5.8 GHz Các hệ thống UHF và microwave cho phép khoảng đọc xa hơn so với các hệ thống LF và HF

Một hệ thống RFID cơ bản bao gồm reader, tag bao gồm chip và anten Cùng với độ nhạy của chip, anten đóng một vai trò quan trọng trong hệ thống RFID, chẳng hạn như kích thước tổng thể, tầm đọc và khả năng tương thích với các

đối tượng được gắn thẻ

Luận văn trình bày một cách cụ thể về hệ thống RFID và anten cũng như phương pháp thiết kế anten cho thẻ RFID thụ động.

1.1 Công nghệ RFID 1

1.2 Lịch sử RFID 1

1.2.1 Thời kì đầu của RFID 1

1.2.2 Phát hiện các vật thể riêng biệt 2

1.2.3 RFID phát triển trên phạm vi toàn cầu 4

1.3 Phân loại hệ thống RFID 6

1.3.1 Phân loại theo tần số 7

1.3.2 Phân loại theo cách cấp năng lượng cho thẻ 8

1.3.3 Phân loại theo các tiêu chuẩn 8

1.4 Vai trò và đặc điểm của anten RFID 10

1.4.1 Anten IFA (Inverted-F Antennas) 12

1.4.2 Anten patch 12

1.4.3 Anten dipole 12

1.4.4 Anten khe 13

1.5 RFID và các hệ thống nhận dạng khác 13

1.6 Các ứng dụng của RFID 16

1.6.1 Ứng dụng trong giao thông công cộng 16

1.6.2 Ứng dụng trong hàng không 19

1.6.3 Ứng dụng trong trượt tuyết 20

1.6.4 RFID kiểm soát lối vào 21

1.6.5 Ứng dụng trong vận chuyển hàng hóa 22

1.6.6 Ứng dụng trong nhận dạng vật nuôi 23

Chương 2: THIẾT KẾ ANTEN CHO THẺ RFID BĂNG TẦN UHF 25

2.1 Các thông số cơ bản của anten 25

2.1.1 Trở kháng vào 25

2.1.2 Hệ số phản xạ 26

2.1.3 Băng thông và hệ số phẩm chất 27

2.1.4 Các miền bức xạ và đồ thị bức xạ 28

2.1.5 Hệ số định hướng, độ lợi và hiệu suất anten 29

2.1.6 Sự phân cực 30

2.1.7 Phương trình truyền sóng Friis 31

2.1.8 Phương trình tầm radar 31

2.2 Thiết kế anten cho thẻ RFID 33

2.2.1 Phương pháp thiết kế 33

2.2.2 Các bước thiết kế 34

2.2.2.3 Phối hợp trở kháng giữa anten và chip 39

Chương 3: CHẾ TẠO VÀ ĐO ĐẠC 47

3.1 Chế tạo 47

3.2 Đo đạc 48

Chương 4: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 49

TÀI LIỆU THAM KHẢO 50

LÝ LỊCH TRÍCH NGANG 51

Hình 1.2 Các mốc quan trọng trong giai đoạn đầu của RFID 2

Hình 1.3 Những cột mốc quan trọng từ năm 1960 đến 1990 4

Hình 1.4 Những mốc quan trọng từ 1999 đến nay 5

Hình 1.5 Sơ đồ hệ thống RFID cơ bản 6

Hình 1.6 Các dải tần sử dụng cho RFID 6

Hình 1.7 Các cấu trúc thẻ RFID hoạt động ở các dải tần khác nhau 7

Hình 1.8 Sơ đồ khối của các loại thẻ RFID 8

Hình 1.9 Các dạng thẻ UHF thụ động được thương mại trên thế giới 11

Hình 1.10 Cấu trúc IFA 11

Hình 1.11 Cấu trúc anten patch 11

Hình 1.12 Cấu trúc anten dipole 12

Hình 1.13 Cấu trúc anten khe 13

Hình 1.14 Các hệ thống nhận dạng tự động 13

Hình 1.15 Mã vạch 14

Hình 1.16 Nhận dạng dấu vân tay 14

Hình 1.17 Thẻ thông minh dùng trong bảo hiểm y tế ở Pháp 15

Hình 1.18 RFID ứng dụng trong hệ thống xe buýt ở Hàn quốc 17

Hình 1.19 Thẻ RFID dùng chi trả phí vận chuyển trong các lịch trình xe buýt ở Seoul 17

Hình 1.20 Đầu đọc được gắn tại lối vào xe buýt 18

Hình 1.21 Thẻ RFID Fahrsmart II 18

Hình 1.22 Hành khách đang dùng thẻ RFID đăng ký chuyến bay 19

Hình 1.23 Đầu đọc RFID được gắn ở lối vào khu trượt tuyết 20

Hình 1.24 RFID điều khiển ra vào, thẻ được tích hợp trong đồng hồ đeo tay 21

Hình 1.26 Dấu hiệu nhận dạng kiện hàng 22

Hình 1.27 Các thẻ RFID dùng trong nhận dạng vật nuôi 23

Hình 1.28 Các vị trí thường gắn thẻ RFID vào vật nuôi 23

Hình 2.1 Anten kết nối với nguồn tín hiệu (a) và sơ đồ tương đương (b) 25

Hình 2.2 Các miền bức xạ của anten 28

Hình 2.3 Đồ thị bức xạ omni-direction của dipole 29

Hình 2.4 Vectơ trường quay (a) và phân cực elip tại mặt phẳng z = 0 (b) 30

Hình 2.5 Sơ đồ truyền sóng từ anten phát đến anten thu 32

Hình 2.6 Bộ truyền, bộ thu và mục tiêu trong radar 32

Hình 2.7 Sơ đồ phương pháp thiết kế 34

Hình 2.8 Anten dipole nửa bước sóng thẳng 35

Hình 2.9a Phần thực trở kháng anten theo tần số 35

Hình 2.9b Phần ảo trở kháng anten theo tần số 36

Hình 2.10 Đồ thị S11 36

Hình 2.11 Độ lợi dipole 37

Hình 2.12 Thu gọn kích thước dipole 37

Hình 2.13 Anten dipole sau khi đã thu gọn kích thước 38

Hình 2.14 Đồ thị trở kháng vào của dipole theo tần số 38

Hình 2.15 Bộ phối hợp hình T dùng cho dipole và sơ đồ tương đương 39

Hình 2.16 Bộ phối hợp vòng ghép cảm kháng và sơ đồ tương đương 40

Hình 2.17 Phối hợp trở kháng với cuộn cảm song song/nối tiếp và sơ đồ tương đương 41

Hình 2.18 Ví dụ về phối hợp trở kháng a) Mô hình tương đương anten và IC b) Tải tương ứng trên đồ thị Smith 41

Hình 2.19 a) Cuộn cảm nối tiếp được đặt trước tải b) Điện cảm của cuộn dây dịch chuyển tải trên đường tròn điện trở về phía trục thực 42

Hình 2.21 Anten sau khi phối hợp trở kháng 43

Hình 2.22 a) Anten mô phỏng bằng CST, b) Phương pháp mô hình hóa chip: lumped capacitor được dùng biểu diễn thành phần ảo của trở kháng chip 44

Hình 2.23 Trở kháng vào của port và điện dung của lumped capacitor trong CST 44

Hình 2.24 Đồ thị Zin nhìn từ port 45

Hình 2.25 Đồ thị S11 45

Hình 2.26 Đồ thị bức xạ tại 867.5 MHz 46

Hình 2.27 Độ lợi[dB] biểu diễn 3D 46

Hình 3.1 Mẫu anten chế tạo 47

Hình 3.2 Kết nối thiết bị đo đạc 47

Hình 3.3 Kết quả đo đạc so với mô phỏng 48

Bảng 1.2 Các ứng dụng tiêu biểu dùng công nghệ RFID LF và HF 5

Bảng 1.3 Các tiêu chuẩn cho thẻ RFID 9

Bảng 1.4 Thời gian soát vé ứng với các phương thức 16

Bảng 2.1 Thông số anten 43

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ RFID

1.1 Công nghệ RFID

Công nghệ RFID (Radio Frequency Identification) cho phép một thiết bị đọc thông tin

chứa trong chip không tiếp xúc trực tiếp ở khoảng cách xa, không cần thực hiện bất kỳ

giao tiếp vật lý nào hoặc giữa hai vật không nhìn thấy

Kỹ thuật RFID sử dụng truyền thông không dây trong dải tần sóng vô tuyến để truyền dữ

liệu từ các thẻ (tag) đến các reader (bộ đọc) Tag có thể được đính kèm hoặc gắn vào đối

tượng được nhận dạng chẳng hạn sản phẩm, hộp… Reader quét dữ liệu của tag và gửi

thông tin đến cơ sở dữ liệu có lưu trữ dữ liệu của tag Chẳng hạn, các tag có thể được đặt

trên kính chắn gió xe hơi để hệ thống thu 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 làm việc như sau:

reader truyền một tín hiệu vô tuyến qua antenna của nó đến chip Reader nhận thông tin trở

lại từ chip và gửi nó đến máy tính xử lý thông tin lấy được từ chip Các chip không cần

nguồn điện, chúng hoạt động bằng cách sử dụng năng lượng nhận từ tín hiệu được gửi bởi

reader

1.2 Lịch sử RFID

1.2.1 Thời kì đầu của RFID

Vào năm 1937 phòng thử nghiệm nghiên cứu Naval U.S phát triển hệ thống xác định

Friend-or-Foe (IFF) cho phép những đối tượng thuộc về quân ta (friend) ví dụ máy bay

Allied có thể phân biệt với máy bay địch Kỹ thuật này trở nên phổ biến trong hệ thống

điều khiển lưu thông hàng không bắt đầu vào cuối thập niên 50 Những ứng dụng của sóng

RF vào trong việc xác định vật thể trong suốt thập niên 50 giới hạn chủ yếu trong quân

đội, phòng lab nghiên cứu, trong các doanh nghiệp lớn bởi vì những thiết bị này có giá rất

cao và kích thước lớn Những thiết bị to lớn và cồng kềnh này là tiền thân của những hệ

thống gọi là RFID ngày nay Hình 1.1 mô tả hình ảnh của một thiết bị IFF kế bên thiết bị

RFID ngày nay

Những công nghệ mới giúp những sản phẩm này gọn hơn và giá rẻ hơn như: công nghệ

tích hợp trong IC, chip nhớ lập trình được, vi xử lý, những phần mềm ứng dụng hiện đại

ngày nay và những ngôn ngữ lập trình làm cho công nghệ RFID đang có xu hướng chuyển

sang lĩnh vực thương mại rộng lớn

Cuối thập kỉ 60 đầu thập kỉ 70 nhiều công ty như Sensormatic and Checkpoint Systems

giới thiệu những sản phẩm mới ít phức tạp hơn và ứng dụng rộng rãi hơn Những công

ty này bắt đầu phát triển thiết bị giám sát điện tử (electronic article surveillance EAS) để

Hình 1.1 Thiết bị IFF (bên trái), thiết bị RFID (tích cực) hiện đại ngày nay

Hình 1.2 Các mốc quan trọng trong giai đoạn đầu của RFID

bảo vệ và kiểm kê sản phẩm như quần áo trong cửa hàng, sách trong thư viện Hệ thống

RFID thương mại ban đần này chỉ là hệ thống RFID tag một bit (1-bit tag) giá rẻ để xây

dựng, thực hiện và bảo hành Tag không đòi hỏi nguồn pin (loại thụ động) dễ dàng đặt vào

sản phẩm và thiết kế để khởi động chuông cảnh báo khi tag đến gần bộ đọc, thường đặt tại

lối ra vào, phát hiện sự có mặt của tag

1.2.2 Phát hiện các vật thể riêng biệt

Suốt thập kỷ 70, ngành công nghiệp sản xuất, vận chuyển bắt đầu nghiên cứu và phát triển

những dự án để tìm cách dùng IC dựa trên hệ thống RFID Có nhiều ứng dụng trong

công nghiệp tự động, xác định thú vật, theo dõi lưu thông Trong giai đoạn này tag có IC

tiếp tục phát triển và có các đặc tính: bộ nhớ ghi được, tốc độ đọc nhanh hơn và khoảng

cách đọc xa hơn

Đầu thập niên 80 công nghệ phức tạp RFID được áp dụng trong nhiều ứng dụng: đặt tại

đường ray ở Mỹ, đánh dấu thú vật trên nông trại ở châu Âu Hệ thống RFID còn dùng

trong nghiên cứu động vật hoang dã đánh dấu các loài thú quý và nguy hiểm

Bảng 1.1 So sánh các phương pháp truy cập Phương pháp truy cập Ưu điểm Nhược điểm

Chìa khóa kim loại  Không cần nguồn

 Không có chìa khóa nên không lo bị mất hay bị đánh cắp

 Đắt hơn khóa kim loại

 Dễ bị tấn công

dễ dàng như khóa kim loại

 Có khả năng bảo mật cao hơn thẻ dùng dải

từ trường

 Đắt hơn thẻ từ trường

RFID

 Như thẻ thông minh

 Không cần phải tiếp xúc

 Có thẻ gắn lên sản phẩm và dưới da

 Đắt hơn thẻ thông minh

Vào thập niên 90, hệ thống thu phí điện tử trở nên phổ biến ở Thái Bình Dương: Ý, Tây

Ban Nha, Bồ Đào Nha… và ở Mỹ: Dallas, New York và New Jersey Những hệ thống này

cung cấp những dạng truy cập điều khiển phức tạp hơn bởi vì nó còn bao gồm cả máy trả

tiền

Đầu năm 1990, nhiều hệ thống thu phí ở Bắc Mỹ tham gia một lực lượng mang tên

E-ZPass Interagency Group (IAG) cùng nhau phát triển những vùng có hệ thống thu phí điện

tử tương thích với nhau Đây là cột mốc quan trọng để tạo ra những ứng dụng tiêu

Hình 1.3 Những cột mốc quan trọng từ năm 1960 đến 1990

chuẩn Hầu hết những tiêu chuẩn tập trung các đặc tính kỹ thuật như tần số hoạt động và

giao thức giao tiếp phần cứng

E-Zpass còn là một tag đơn tương ứng với một tài khoản trên một phương tiện Tag của xe

sẽ truy cập vào đường cao tốc của hệ thống thu phí mà không phải dừng lại E-Z Pass

giúp lưu thông dễ dàng hơn và giảm lực lượng lao động để kiểm soát vé và thu tiền

Cùng vào thời điểm này, khóa (card RFID) sử dụng phổ biến thay thế cho các thiết bị máy

móc điều khiển truy nhập truyền thống như khóa kim loại và khóa số Những sản phẩm

này còn được gọi là thẻ thông minh không tiếp xúc cung cấp thông tin về người dùng,

trong khi giá thành thấp để sản xuất và lập trình Bảng 1.1 so sánh các phương pháp truy

cập thông thường và điều khiển truy cập RFID

Điều khiển truy nhập RFID tiếp tục có những bước tiến mới Các nhà sản xuất xe hơi đã

dùng tag RFID trong gần một thập kỉ qua cho hệ thống đánh lửa xe hơi và nó đã làm giảm

khả năng trộm cắp xe

1.2.3 RFID phát triển trên phạm vi toàn cầu

Cuối thế kỉ 20, số lượng các ứng dụng RFID hiện đại bắt đầu mở rộng theo hàm mũ trên

phạm vi toàn cầu Dưới đây là một vài bước tiến quan trọng góp phần đẩy mạnh sự phát

triển này

Texas Instrument đi tiên phong ở Mỹ

Vào năm 1991, Texas Instrument đã đi tiên phong trong hệ thống RFID ở Mỹ, công ty đã

tạo ra một hệ thống xác nhận và đăng ký Texas Instrument (TIRIS) Hệ thống TI-RFID

(Texas Instruments Radio Frequency Identification System) đã trở thành nền tảng cho

phát triển và thực hiện những lớp mới của ứng dụng RFID

Châu Âu đã bắt đầu công nghệ RFID từ rất sớm

Ngay cả trước khi Texas Instrument giới thiệu sản phẩm RFID, vào năm 1970 EM

Microelectronic-Marin một công ty của The Swatch Group Ltd đã thiết kế mạch tích

hợp năng lượng thấp cho những đồng hồ của Thụy Sỹ Năm 1982, Mikron Integrated

Microelectronics phát minh ra công nghệ ASIC và năm 1987 phát triển công nghệ đặc

biệt liên quan đến việc xác định thẻ thông minh Ngày nay EM Microelectronic và Philips

Semiconductors là hai nhà sản xuất lớn ở châu Âu về lĩnh vực RFID

Phát triển thẻ thụ động trong thập niên 90

Cách đây một vài năm các ứng dụng chủ yếu của thẻ RFID thụ động, như minh họa trong

bảng 1.2 mới được ứng dụng ở tần số thấp (LF) và tần số cao (HF) Cả LF và HF đều giới

hạn khoảng cách và tốc độ truyền dữ liệu Việc giới hạn tốc độ ngăn cản việc đọc tag

của ứng dụng khi hàng trăm thậm chí hàng ngàn tag cùng có mặt trong trường của bộ

đọc tại một thời điểm Cuối thập niên 90 tag thụ động cho tần số siêu cao (UHF) làm

cho khoảng cách xa hơn, tốc độ cao hơn, giá cả rẻ hơn, tag thụ động đã vượt qua những

giới hạn của nó Với những thuộc tính thêm vào hệ thống RFID dựa trên tần số UHF

được lựa chọn cho những ứng dụng dây chuyền cung cấp như quản lý nhà kho, kiểm kê

sản phẩm

Cuối những năm 1990 đầu năm 2000 các nhà phân phối như Wal-Mart, Target, Metro

Group và các cơ quan chính phủ như U.S Department of Defense (DoD) bắt đầu phát triển

và yêu cầu việc sử dụng RFID bởi nhà cung cấp Vào thời điểm này EPCglobal được thành

lập, EPCglobal đã hỗ trợ hệ thống mã sản phẩm điện tử (Electronic Product Code Network

EPC) hệ thống này đã trở thành tiêu chuẩn cho xác nhận sản phẩm tự động

Bảng 1.2 Các ứng dụng tiêu biểu dùng công nghệ RFID LF và HF

Điều khiển truy nhập Xác định động vật Xác định hàng hóa trên máy bay Thanh toán tiền Chống trộm cho xe hơi Giám sát điện tử Đánh dấu tài liệu Định thời cho thể thao

Hình 1.4 Những mốc quan trọng từ 1999 đến nay

1.3 Phân loại hệ thống RFID

Một hệ thống RFID bao gồm một đầu đọc (reader), một bộ phát đáp hay còn gọi là thẻ

RFID (RFID tag), và hệ thống anten Thẻ RFID được gắn vào vật thể cần nhận dạng, chứa

thông tin của vật thể đó và giao tiếp với đầu đọc bằng sóng vô tuyến, thu phát qua hệ thống

anten Người dùng có thể trực tiếp xử lý thông tin trên đầu đọc, hoặc thông tin này được

đầu đọc chuyển về bộ xử lý trung tâm, tự động xử lý Anten của đầu đọc có thể được tích

hợp trên nó hoặc có thể là một bộ phận tách biệt dùng cáp để kết nối Trong khi anten của

thẻ RFID phải được tích hợp ngay trên thẻ Hầu hết thẻ RFID đều có một chip IC (silicon

chip), thường dùng để chứa đựng thông tin nhận dạng thẻ đồng thời xử lý các thông tin đến

từ đầu đọc

Người ta phân loại các hệ thống RFID chủ yếu dựa trên tần số sóng radio mà chúng hoạt

động, bởi cách cung cấp năng lượng cho thẻ RFID hoặc bởi giao thức sử dụng để liên lạc

giữa thẻ và đầu đọc Sự lựa chọn tần số, công suất nguồn và giao thức truyền tin lại phụ

thuộc cơ bản vào dải tần cho phép, chi phí và các đặc trưng của các ứng dụng cụ thể

Hình 1.5 Sơ đồ hệ thống RFID cơ bản

Hình 1.6 Các dải tần sử dụng cho RFID

1.3.1 Phân loại theo tần số

Các hệ thống RFID sử dụng tần số khoảng từ 100 kHz cho đến trên 5 GHz

RFID thường sử dụng các băng 125/134 kHz, 13.56 MHz, 860-960 MHz và 2.4-2.45 GHz

Hệ thống 125/134 kHz hoạt động trong dải tần thấp thường được gọi là các thẻ và đầu đọc

LF (Low Frequency) Tương tự, hệ thống 13.56 MHz được gọi là hệ thống RFID HF (High

Frequency) Các thẻ và đầu đọc ở 900 MHz gọi là các thiết bị UHF Trong khi loại 2.4

GHz thì thường được biết đến như RFID viba

Ở Việt Nam, các băng tần dùng cho RFID bao gồm: 13.533-15.567 MHz, 433.05-434.79

MHz, 866-868 MHz và 920-925 MHz

Gọi λ là bước sóng, với c = 3.108

m/s là vận tốc ánh sáng trong chân không, khi đó tần số

và bước sóng có mối quan hệ qua đẳng thức:

Vì vậy mà người ta cũng thường phân loại các hệ thống RFID theo bước sóng:

Hình 1.7 Các cấu trúc thẻ RFID hoạt động ở các dải tần khác nhau

• Hệ thống ghép cảm kháng (inductively coupled): Khi bước sóng rất lớn so với kích

thước Ví dụ như các thẻ và đầu đọc hoạt động ở tần số 13.56 MHz

• Hệ thống ghép bức xạ (radiative coupled): Kích thước anten có thể so sánh được với

bước sóng

1.3.2 Phân loại theo cách cấp năng lƣợng cho thẻ

Loại thẻ RFID thụ động (passive tag) là loại không có sẳn nguồn nuôi tích hợp trên nó

Năng lượng cung cấp được lấy từ một phần sóng tới phát từ đầu đọc Nó không thể chủ

động phát sóng giao tiếp với đầu đọc

Ngược lại, loại thẻ RFID chủ động (active tag) được cung cấp năng lượng bởi một nguồn

nuôi bên trong

Một giải pháp tiết kiệm năng lượng và hài hòa giữa hai loại thẻ trên, người ta thiết kế một

loại thứ ba: thẻ RFID bán thụ động (semipassive tag) Loại thứ ba này có một nguồn năng

lượng bên trong, nhưng nhỏ, đủ để nuôi chip IC, không dùng để phát sóng về đầu đọc

Hình 1.8 Sơ đồ khối của các loại thẻ RFID

1.3.3 Phân loại theo các tiêu chuẩn

Bảng 1.3 Các tiêu chuẩn cho thẻ RFID

Tần số Loại thẻ 125/134

DF/iPX

MIFARE ISO14443 Tag-IT ISO15693 ISO18000-

3

ISO18000- 6A,B,C EPC class 0 EPC class 1 Intellitag Title 21 AAR

S918 Ucode

ISO18000-4 Intellitag µ- chip

Bán thụ

động AAR S918 Title 21

EZPass Intelleflex

Maxim

ISO18000-4 Alien BAP

Tiêu chuẩn ISO11784 và 11785 được dùng trong nhận dạng vật nuôi Một đầu đọc cấp

nguồn, gần thẻ với 50ms truyền không điều chế tại tần số 134 kHz, truyền bán song công

Sau đó đầu đọc sẽ “lắng nghe” tần số điều chế đáp lại tại 125/134 kHz

Chuẩn ISO14443 hỗ trợ thẻ thông minh tại tần số 13.56 MHz Tiêu chuẩn này có hai loại

không tương thích là A và B Một loại sử dụng điều chế PPM (Pulse Position Modulation)

độ sâu 100%, và một loại sử dụng điều chế on-off độ sâu 10% khi gửi lệnh đến thẻ Loại A

sử dụng cây nhị phân (binary tree walk) để giải quyết xung đột giữa các thẻ, trong khi loại

B sử dụng các khung Aloha

Chuẩn ISO15693 cũng hỗ trợ thẻ thông minh tại 13 MHz, nhưng vẫn còn sử dụng các cấu

trúc khung cho luồng xuống và luồng lên theo một loại khác, cũng như việc giải quyết các

xung đột

Chuẩn California Title 21 được thiết kế dành cho các bộ thu phí giao thông ô tô

EPCglobal Class0 thiết kế cho các chuỗi cung ứng Cả hai chuẩn này có thể hoạt động ở

Hoa Kỳ ISM băng tần 902-928 MHz và cùng sử dụng điều tần để gửi dữ liệu từ thẻ đến

đầu đọc Nhưng các thẻ Title 12 có offset tần số: 0.6 và 1.2 MHz, trong khi EPCglobal

Class0 là 2.2 và 3.3 MHz

Nhìn chung, một thẻ chỉ hiểu được một giao thức, bởi vì cần tối thiểu chi phí cũng như độ

phức tạp Khi các ứng dụng đòi hỏi khả năng tương tác đa giao thức, gánh nặng thường rơi

vào đầu đọc

1.4 Vai trò và đặc điểm của anten RFID

Anten đóng vai trò vô cùng quan trọng trong hệ thống RFID, là thiết bị đầu cuối trên kênh

truyền vô tuyến Ý tưởng RFID, ý tưởng nhận dạng bằng sóng vô tuyến gắn liền với việc

cần phải thiết kế hệ thống anten phù hợp với ứng dụng

Về cơ bản hệ thống anten bao gồm anten của đầu đọc và anten của thẻ Anten của đầu đọc

đa dạng, có thể là một dải anten với yêu cầu đồ thị bức xạ tập trung về một hướng, độ lợi

cao, thường được thiết kế phân cực tròn để đảm bảo không có sự mất phân cực khi phát tín

hiệu đến thẻ Việc lựa chọn và thiết kế anten cho đầu đọc có phần linh hoạt hơn Ngược lại,

anten thẻ RFID mang các đặc điểm đặc trưng riêng, khác biệt so với các loại anten cấp

nguồn 50 Ω truyền thống Các ứng dụng đòi hỏi thẻ RFID phải ngày càng đơn giản, kích

thước nhỏ và được sản xuất hàng loạt với chi phí giảm tối đa Vì vậy anten thẻ RFID có

các đặc điểm cơ bản sau:

 Về kích thước: Trong các ứng dụng, thẻ RFID có bề dày nhỏ cũng như các kích

thước dài, rộng bị hạn chế (có thể có dạng của một thẻ căn cước, một nhãn dán

hàng hóa hoặc thậm chí có loại thẻ UHF với kích thước như một đồng xu) Chính

vì vậy anten được thiết kế tích hợp trên thẻ thuộc dạng anten planar và cũng phải

chịu sự ràng buộc kích thước theo Tuy nhiên anten thường có kích thước so sánh

với nửa bước sóng, và việc thu gọn kích thước anten có nhiều giải pháp nhưng nhìn

chung đều làm giảm hiệu suất bức xạ

 Về phối hợp trở kháng: Không giống với các loại anten truyền thống, khi thiết kế

phải phối hợp với điện trở đặc tính của đường truyền, nhằm tránh sự phản xạ sóng

ngược về Anten của thẻ được kết nối trực tiếp với chip, không qua đường truyền

Trở kháng của anten phải được phối hợp với trở kháng phức của chip sao cho công

suất tín hiệu được thu/phát cực đại

 Về đồ thị bức xạ: Các nhãn RFID được dán lên lớp ngoài thùng hàng hóa, cũng như

các thẻ RFID được cất trong ví, trong túi áo của hành khách Vì vậy, vị trí của thẻ

là tương đối so với đầu đọc không cố định Và để đầu đọc có thể đọc về thông tin

khi thẻ nằm trong vùng của nó, các anten thẻ RFID thường có đồ thị bức xạ dạng

omni-direction

 Về chi phí: Hiện nay, các ứng dụng đòi hỏi tổng chi phí cho một thẻ RFID, bao

gồm cả anten, chip, vật liệu đế, keo dán, phải nhỏ hơn 0.1 USD Trong khi một

anten vi dải chất lượng vừa phải dùng cho một đầu đọc có giá khoảng 150 USD

Mặc dù phải đáp ứng các đặc điểm trên, nhưng linh hoạt tùy vào ứng dụng mà có nhiều

loại anten được thiết kế cho thẻ RFID

Theo lý thuyết, các dạng anten sau đây thường dùng trong thiết kế thẻ RFID UHF thụ

động:

Hình 1.9 Các dạng thẻ UHF thụ động được thương mại trên thế giới

Hình 1.10 Cấu trúc IFA

Hình 1.11 Cấu trúc anten patch

1.4.1 Anten IFA (Inverted-F Antennas)

Loại anten này có một lợi thế là tạo ra một bức xạ gần như vô hướng (Quasi-isotropic

radiation) Nó được sử dụng cho các ứng dụng mà định hướng giữa thẻ và đầu đọc là

không cố định Tính chất gần như vô hướng của nó khiến cho bức xạ từ anten luôn bao

gồm hai thành phần phân cực Cấu trúc của một anten IFA như thế được mô tả trong hình

1.10

Ba kích thước chính được liệt kê bao gồm: chiều cao H của thành phần đứng phía trên mặt

phẳng đất, chiều dài Ls giữa điểm cấp nguồn và điểm cuối của đoạn ngắn mạch và chiều

dài Lf giữa điểm cấp nguồn và điểm cuối hở mạch Cấu trúc anten IFA đòi hỏi một mặt

phẳng đất khá phức tạp và khó thi công Kiểu anten này đặc biệt thích hợp cho các ứng

dụng định dạng vật thể bằng kim loại Ngoài ra, ta cũng có thể gặp một dạng phẳng của

anten IFA: anten PIFA (Planar IFA) Anten PIFA được thi công trên một mạch in và dễ

dàng tích hợp vào các thiết bị cầm tay như điện thoại di động Tuy nhiên, giá của loại anten

này khá cao nên khả năng ứng dụng cho hệ thống RFID UHF thụ động của nó không cao

Nhưng với trường hợp cá thể RFID chủ động, giá thành của loại anten này chấp nhận

được

1.4.2 Anten patch

Anten patch phổ biến hơn cả IFA và cấu trúc của nó cho như hình 1.11

Anten patch được tạo ra từ một phần tử bức xạ được in trên một mặt của một đế điện môi

và một mặt phẳng đất ở mặt còn lại Phần tử bức xạ có nhiều hình dạng khác nhau: hình

chữ nhật, tròn, elip Loại anten này có thể được phân tích bởi mô hình đường truyền sóng

hay mô hình hốc cộng hưởng và phân cực được cả tuyến tính cũng như tròn Bức xạ từ

anten patch là bức xạ có tính định hướng

1.4.3 Anten dipole

Loại anten này từ lâu đã được sử dụng trong hệ thống RFID UHF thụ động bởi cấu trúc hai

chiều của nó Nó cho phép thu được một bức xạ đẳng hướng với phân cực tuyến tính Cấu

trúc của loại anten này được giới thiệu trong hình bên dưới Nó bao gồm hai nhánh dẫn

điện với chiều dài L được cấp nguồn ngay tại điểm giữa của chúng

Hình 1.12 Cấu trúc anten dipole

Hình 1.13 Cấu trúc anten khe 1.4.4 Anten khe

Một loại anten khác cũng được sử dụng là anten khe Cấu trúc của loại anten này được mô

tả như trong hình 1.13 Anten khe có thể được xem như là đối ngẫu của anten dipole với

phân cực tuyến tính Tuy nhiên, không được sử dụng nhiều như anten dipole vì diện tích

lớp vật liệu phải sử dụng lớn

Trong đó dạng planar dipole thu gọn kích thước là dạng thường được thiết kế, đặc biệt là

cho các ứng dụng RFID ở băng tần UHF

1.5 RFID và các hệ thống nhận dạng khác

RFID dùng sóng radio để nhận dạng vật thể, không phải là phương thức nhận dạng duy

nhất, trước đó người ta vẫn sử dụng các phương thức khác

Mã vạch là hình thức truyền thống được dùng để nhận dạng hàng hóa, hiện thời vẫn đang

được sử dụng rộng rãi ở các siêu thị Việt Nam Mã vạch là sự thể hiện thông tin trong các

Hình 1.14 Các hệ thống nhận dạng tự động

dạng nhìn thấy, trên các bề mặt mà máy móc có thể đọc được Nguyên thủy thì mã vạch

lưu trữ dữ liệu theo bề rộng của các vạch được in song song cũng như của khoảng trống

giữa chúng Ngày nay, chúng còn được in theo các mẫu của các điểm, theo các vòng tròn

đồng tâm hay chúng ẩn trong các hình ảnh Mã vạch có thể được đọc bởi các thiết bị quét

quang học gọi là máy đọc mã vạch hay được quét bằng các phầm mềm chuyên biệt Mã

vạch lưu trữ ít thông tin, khi đọc đòi hỏi phải tiếp xúc với máy quét, nhưng đơn giản, đã

được sử dụng rộng rãi và là một thách thức lớn đối với công nghệ RFID

Nhận dạng bằng quang học hay còn gọi là nhận dạng OCR (Optical Character

Regconition) sử dụng một loại chữ đặc biệt sao cho có thể vừa đọc bằng mắt thường vừa

được đọc tự động bằng máy móc Ưu điểm nhất của hệ thống OCR là chứa đựng nhiều

thông tin và trong các trường hợp cấp thiết thì con người có thể đọc trực quan Ngày nay,

OCR được dùng trong sản xuất, các dịch vụ ngân hàng, trong hành chính Tuy nhiên,

OCR khó có thể được sử dụng phổ biến bởi chi phí rất cao và đầu đọc vô cùng phức tạp

Nhận dạng sinh trắc học chỉ áp dụng cho sinh vật sống, cụ thể là dùng nhận dạng con

người Dựa trên những đặc điểm sinh học có tính duy nhất của cơ thể người như dấu vân

tay, móng mắt, giọng nói Loại hình này thường được áp dụng trong an ninh, điều tra tội

phạm

Hình 1.15 Mã vạch

Hình 1.16 Nhận dạng dấu vân tay

Hình 1.17 Thẻ thông minh dùng trong bảo hiểm y tế ở Pháp

Thẻ thông minh, còn gọi là thẻ gắn chip hay thẻ mạch tích hợp, là loại thẻ có kích thước

của một thẻ căn cước, có thể bỏ được vào ví, được gắn một bộ xử lý có khả năng lưu trữ và

xử lý thông tin Thẻ có thể nhận dữ liệu, xử lý dữ liệu Có hai loại thường sử dụng:

• Thẻ nhớ chỉ chứa các thành phần bộ nhớ, có thể có một số chức năng bảo mật cụ thể

• Thẻ vi xử lý chứa bộ nhớ và các thành phần xử lý

Ưu điểm của thẻ thông minh là có khả năng lưu trữ và bảo mật dữ liệu, cũng như việc xử

lý dữ liệu Tuy nhiên khi muốn đọc thẻ cần phải giao tiếp I/O, kết nối với đầu đọc Chi phí,

bao gồm cả chi phí bảo dưỡng bảo trì, khá cao

So với các hệ thống tự động nhận dạng khác, RFID có các ưu điểm vượt trội sau:

• Không cần tiếp xúc vật lý khi truyền nhận dữ liệu giữa thẻ và đầu đọc Điều này sẽ tránh

các vết xước, mòn gặp phải khi sử dụng thẻ thông minh

• Có thể đọc và ghi dữ liệu vào thẻ nhiều lần Trung bình 10 000 đến 100 000 lần

• Đầu đọc có thể lấy thông tin về mà không cần “nhìn thấy” thẻ Từ lâu, việc phải tháo rời

các linh kiện, các gói hàng nhỏ trong thùng hàng khi nhận dạng bằng mã vạch đã gây tốn

kém đáng kể về thời gian và tiền bạc Tính năng này là ưu thế vượt trội so với mã vạch

• Tùy vào các ứng dụng cụ thể mà tầm đọc của thẻ RFID có thể thày đổi từ vài chục

centimet cho đến vài chục met, linh hoạt phù hợp

• Thẻ có thể lưu trữ thông tin đơn giản như một mã vạch ( như nguồn gốc nông sản, tên

công ty, loại sản phẩm ), nhưng cũng có thể lưu trữ một lượng lớn thông tin (như tài

khoản cá nhân, thông tin chi tiết về cá nhân đó ) như các thẻ thông minh

• Khi áp dụng các giải thuật chống xung đột, một đầu đọc RFID có thể đọc dữ liệu từ

nhiều thẻ nằm trong phạm vi quản lý của nó trong một khoản thời gian vô cùng ngắn

• RFID có khả năng làm việc trong các môi trường có điều kiện khắc nghiệt như nóng ẩm,

có hóa chất ăn mòn, dao động và sốc nhiệt, đặc biệt là loại thẻ RFID thụ động Điều đó

không có nghĩa là một thẻ RFID có thể làm việc trong bất cứ một môi trường nào Tùy vào

các ứng dụng cụ thể mà hệ thống RFID sẽ được thiết kế để hoạt động trong môi trường

đó

• Ngày nay, công nghệ RFID được phát triển cho nhiều ứng dụng khác, các phòng thí

nghiệm trên thế giới vẫn đang nghiên cứu để RFID thay thế dần các cảm biến đắt tiền, sử

dụng để đo các điều kiện môi trường như nhiệt độ, áp suất

Song song đó, RFID vẫn có các nhược điểm cần được nghiên cứu và khắc phục:

• Hiệu suất kém khi gặp các chất liệu cản hoặc hấp thụ sóng vô tuyến, đặc biệt sẽ chịu tác

động lớn khi gặp các bề mặt kim loại Độ chính xác của dữ liệu đọc về sẽ giảm Vấn đề

này có liên quan đến tính chất của sóng vô tuyến

• Khi hai đầu đọc được lắp đặt sao cho có vùng bao phủ chung thì tín hiệu sẽ bị chồng lấn

lên nhau Nếu thẻ RFID nằm trong vùng này thì việc đọc dữ liệu về sẽ không còn chính

xác nữa Vấn đề này được giải quyết bằng cách cho các đầu đọc đa truy cập theo thời gian

Khi đó một thẻ sẽ được đọc nhiều hơn một lần và hệ thống phải có cơ chết xử lý loại bỏ

Mặc dù còn nhiều hạn chế, nhưng tùy vào các ứng dụng cụ thể, trong môi trường làm việc

cụ thể mà hệ thống RFID được thiết kế để hoạt động phù hợp RFID vẫn đang tiếp tục

được nghiên cứu và phát triển

1.6 Các ứng dụng của RFID

1.6.1 Ứng dụng trong giao thông công cộng

Giao thông công cộng là một trong các ứng dụng tiềm năng lớn nhất của RFID Ở Châu

Âu và Mỹ, các công ty vận chuyển phải chịu một chi phí lớn trong việc bán vé bằng máy

bán tự động Nguyên nhân là vì chi phí cho việc bảo trì sửa chữa Đôi lúc, người soát vé là

các tài xế và như vậy làm tăng khoảng thời gian chờ đợi cho hành khách xuất hành Thêm

vào đó, các vé giấy thường bị vứt đi sau khi sử dụng mặc dù chi phí cho các loại vé giấy

chống gian lận ngày càng cao Ở các thành phố của Đức, thất thoát lên đến 25% cho các

trường hợp trốn vé

Bảng 1.4 Thời gian soát vé ứng với các phương thức

Chính vì vậy mà các công ty vận chuyển hành khách đòi hỏi phải có một hệ thống kiểm

soát vé khắc phục các thất thoát trên Hệ thống RFID đáp ứng được yêu cầu đó Thời gian

soát vé với các phương thức khác nhau được thống kê như bảng sau

Từ đó có thể thấy rằng việc dùng RFID sẽ làm tối thiểu thời gian chờ đợi của hành khách

khởi hành Các thẻ được thiết kế với thời gian sống lên đến 10 năm Các vấn đề về môi

trường như mưa, lạnh, bụi bẩn không tác động nhiều đến thẻ cũng như đầu đọc Chương 1:

RFID và các ứng dụng trong đời sống

Việc thay thế các vé giấy truyền thống bằng RFID, mang đến nhều lợi ích Mặc dù chi phí

để mua một hệ thống như vậy vẫn còn khá cao, nhưng các khảo sát cho thấy có thể thu lại

trong một thời gian ngắn

Năm 1996, hệ thống vận chuyển điện tử dựa trên việc sử dụng công nghệ RFID đã đưa vào

hoạt động tại thủ đô Seoul của Hàn quốc

Hình 1.18 RFID ứng dụng trong hệ thống xe buýt ở Hàn quốc

Hình 1.19 Thẻ RFID dùng chi trả phí vận chuyển trong các lịch trình xe buýt ở Seoul

Hình 1.20 Đầu đọc đƣợc gắn tại lối vào xe buýt

Một thẻ có thể được sử dụng cho tổng cộng 453 tuyến, và được nạp lại tại các ki-ốt yêu

cầu Công nghệ RFID sử dụng trong dự án này là hệ thống MIFARE® (ghép cảm kháng,

10cm, 13.56 MHz)

Một trong những dự án thẻ thông minh đầu tiên trong hệ thống vận chuyển công cộng tại

Đức là Fahrsmart thuộc hiệp hội vận chuyển KVG Lneburg-VWG Oldenburg, với sự hỗ

trợ của Bộ Giáo Dục và Nghiên Cứu vào năm 1990/91 Khoảng 20 000 thẻ thông minh tiếp

xúc được phát hành Tuy nhiên ngay từ đầu dự án này vấp phải một vấn đề lớn Thời gian

mà một hành khách đăng ký là 3 giây, và như vậy là không có hiệu quả Đầu năm 1996, dự

án này được tiêp tục với tên gọi là Fahrsmart II, lần này thẻ RFID được sử dụng Cũng

theo tiêu chuẩn MIFARE® của Philips/Mikron Thu được các thuận lợi hơn cả dự tính ban

đầu

Hình 1.21 Thẻ RFID Fahrsmart II

1.6.2 Ứng dụng trong hàng không

Dự án Lufthansa “bay không vé” ở Đức cũng là một trường hợp sử dụng công nghệ RFID

Với 600 chuyến bay đều đặn, được khảo sát suôn sẻ, vào tháng 3 năm 1996 chương trình

“Miles & More” được mở rộng cho tất cả các thẻ Lufthansa Tất cả gần 250 000 chuyến

bay đều đặn sử dụng thẻ RFID Thẻ sẽ được liên kết với máy tính trung tâm Lufthansa ở

Munich-Erding, thay thế việc sử dụng thẻ giấy

Hệ thống RFID được chọn lựa cho dự án này cũng là MIFARE® của Philips/Mikron Từ

góc độ của hành khách, hệ thống hoạt động như sau: chủ thẻ đăng ký một chuyến bay bằng

điện thoại thông qua một đại lý du lịch, trích dẫn số thẻ cá nhân của mình Việc đăng ký có

thể được thực hiện trước khi khởi hành một giờ

Một vé điện tử được tạo ra kết hợp dữ liệu cá nhân và dữ liệu của chuyến bay, tất cả đều

được lưu vào máy tính của Lufthansa Để đăng ký tại sân bay, chủ thẻ chỉ cần đưa nhanh

thẻ của mình qua thiết bị gọi là Chip-In

Hình 1.22 Hành khách đang dùng thẻ RFID đăng ký chuyến bay

Hành khách có thể đăng ký mà không cần lấy thẻ ra khỏi hành lý Hệ thống sẽ xác minh

đặt phòng và các dữ liệu của chuyến bay sẽ xuất hiện trên màn hình Khi đó, hành khách

có thể tùy chọn đặt phòng, đặt chỗ cũng như lựa chọn chuyến bay Thủ tục này cho phép

hành khách đăng ký với hành lý xách tay chưa đầy 10 giây, không còn phải xếp hàng như

truyền thống Khi đến tại cửa lên máy bay, chỉ cần trình diện thẻ một lần nữa là có thể khởi

hành

Giải pháp sử dụng thẻ thông minh công nghệ RFID mang lại lợi ích cho cả hành khách lẫn

các hãng hàng không Hành khách vui mừng vì không còn phải xếp hàng chờ đợi Việc

đăng ký diễn ra nhanh gọn, quá trình đơn giản thuận tiện, điều này sẽ thu hút ngày càng

nhiều khách hàng và tăng thêm lợi thế cạnh tranh cho các hãng hàng không

1.6.3 Ứng dụng trong trƣợt tuyết

Ở phương tây, RFID cũng được ứng dụng làm vé trượt tuyết Trong điều kiện môi trường

đầy tuyết, việc giữ một vé ra vào bằng giấy và việc cần phải có người đứng kiểm tra trực

quan trở nên không tiện lợi Công nghệ RFID cung cấp một sự thay thế lý tưởng

Thẻ RFID được sử dụng khi đặt cọc một số tiền từ 5 đên 10 euro, sau khi dùng xong có thể

hoàn trả để lấy lại tiền cọc Đầu đọc có thể thiết lập lại giá trị cho thẻ, vì vậy, một thẻ có

thể được sử dụng cho nhiều lượt người Tầm đọc được thiết kế đủ xa để người vào cổng

không cần phải cầm thẻ trên tay (có thể cất trong ví, trong túi áo) mà vẫn có thể truyền

sóng với thẻ

Hình 1.23 Đầu đọc RFID đƣợc gắn ở lối vào khu trƣợt tuyết