Đề tài Thiết kế hệ thống quản lý bệnh nhân dùng công nghệ RFID

LỜI NÓI ĐẦU Ngày nay nghành công nghệ thông tin đã có những bước phát triển vượt bậc.Chỉ từ việc phát minh ra con transistor đầu tiên năm 1947,cho đến nay các sản phẩm công nghệ thông tin đã len lỏi đến tất cả các nghành nghề trong xã hội từ nghành ngân hàng,tài chính đến các nghành bán lẻ...Không những vậy chúng cũng đã len lỏi vào mọi gia đình từ các sản phẩm gia dụng như máy giặt,tủ lạnh...đến các thiết bị giải trí truyền thông như ipod,...Trong tương lai, bên cạnh việc phát triển công nghệ vi điện tử để chế tạo ra các thế hệ bộ vi xử lý với tốc độ xử lý ngày càng nhanh,thì các hệ thống ứng dụng vẫn sẽ phát triển rất mạnh. Chính vì lẽ đó,tôi đã chọn đề tài về, Thiết kế hệ thống quản lý bệnh nhân dùng công nghệ RFID. Công nghệ này đã xuất hiện khá lâu nhưng cho đến nay các ứng dụng của nó vẫn chưa được triển khai rộng rãi. Với việc chọn đề tài này ,tôi hi vọng mình sẽ góp phần công sức bé nhỏ của mình vào công việc triển khai nó.Tuy nhiên ,ở mức độ một đồ án tốt nghiệp và cũng do thời gian có hạn, nên ở đây tôi chỉ thiết kế và thi công hệ thống ở mức kiểm thử. Còn để có thể triển khai áp dụng nó vào thực tế thì sẽ phải đầu tư thêm nhiều thời gian và tiền bạc. Song với việc thiết kế thành công hệ thống này, tôi đã thu được thêm khá nhiều kinh nghiệm làm bước đệm cho tôi trở thành kỹ sư sau khi ra trường. Qua đây tôi xin chân thành cảm ơn thầy hướng dẫn Trần Hải Lưu cùng các thầy cô khác đã giúp đỡ tận tình để tôi hoàn thành đề tài này. Hà Nội ngày 26/5/2010 Trần Phan Bình MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU..........................................................................................................3 CHƯƠNG 1.TỔNG QUAN CÔNG NGHỆ RFID...................................................13 1.1 Lịch sử công nghệ RFID.................................................................................13 1.2 Các khái niệm cơ bản......................................................................................14 1.3 Các đặc điểm của một hệ thống RFID............................................................17 1.3.1 Tần số hoạt động....................................................................................17 1.3.2 Phạm vi đọc............................................................................................17 1.3.3 Phương pháp ghép nối vật lý..................................................................18 1.4 Các thành phần hệ thống RFID.......................................................................18 1.4.1 Thành phần thẻ.......................................................................................20 1.4.1.1 Thẻ thụ động.................................................................................20 1.4.1.1.1 Thành phần vi chip.........................................................21 1.4.1.1.2 Thành phần anten...........................................................22 1.4.1.2 Thẻ tích cực..................................................................................24 1.4.1.2.1 Khối nguồn.....................................................................25 1.4.1.2.2 Các thành phần điện tử...................................................26 1.4.1.3 Thẻ bán tích cực ..........................................................................26 1.4.1.4 Thẻ chỉ đọc...................................................................................27 1.4.1.5 Thẻ ghi một lần-đọc nhiều lần......................................................28 1.4.1.6 Thẻ đọc-ghi..................................................................................28 1.4.2 Thiết bị đọc thẻ......................................................................................28 1.4.2.1 Khối truyền tín hiệu....................................................................29 1.4.2.2 Khối nhận tín hiệu.......................................................................29 1.4.2.3 Khối vi xử lý...............................................................................29 1.4.2.4 Khối bộ nhớ................................................................................29 1.4.2.5 Các kênh vào/ra cho cảm biến,bộ truyền động,bộ báo hiệu.....29 1.4.2.6 Khối điều khiển..........................................................................30 1.4.2.7 Khối giao tiếp truyền thông........................................................30 1.4.2.8 Khối nguồn.................................................................................30 1.4.2.9 Phân loại thiết bị đọc thẻ............................................................30 1.4.2.9.1 Thiết bị đọc thẻ nối tiếp...........................................................31 1.4.2.9.2 Thiết bị đọc thẻ mạng..............................................................31 1.4.2.9.3 Thiết bị đọc thẻ cố định...........................................................32 1.4.2.9.4 Thiết bị đọc thẻ cầm tay..........................................................34 1.4.3 Giao tiếp giữa thiết bị đọc thẻ và thẻ.....................................................34 1.4.3.1 Kiểu điều chế backscatter...........................................................35 1.4.3.2 Kiểu transmitter..........................................................................36 1.4.3.3 Kiểu transponder.........................................................................36 1.4.4 Anten của thiết bị đọc thẻ......................................................................37 1.4.4.1 Vùng phủ sóng của anten............................................................38 1.4.4.2 Sự phân cực của anten................................................................39 1.4.4.3 Năng lượng của anten.................................................................41 2 1.4.5 Máy chủ và hệ thống phần mềm.............................................................41 1.4.6 Cơ sở hạ tầng truyền thông...................................................................44 1.4.7 Các thành phần phụ khác......................................................................44 1.5 Các tiêu chuẩn công nghệ RFID.....................................................................45 1.5.1 Tiêu chuẩn ANSI...................................................................................46 1.5.2 Tiêu chuẩn EPCglobal...........................................................................46 1.5.3 Tiêu chuẩn ISO......................................................................................47 1.6 Quyền riêng tư và tính bảo mật trong công nghệ RFID.................................48 1.6.1 Quyền riêng tư.......................................................................................48 1.6.1.1 Các biện pháp bảo vệ quyền riêng tư dựa trên luật pháp...........48 1.6.1.2 Các biện pháp bảo vệ quyền riêng tư dựa trên việc cải tiến công nghệ.............................................................................49 1.6.2 Tính bảo mật..........................................................................................49 1.6.2.1 Vùng một : Các thẻ RF................................................................50 1.6.2.2 Vùng hai : Thiết bị đọc thẻ RFID................................................51 1.6.2.3 Vùng ba : Kênh dịch vụ RFID.....................................................51 1.6.2.4 Vùng bốn : Các hệ thống thông tin doanh nghiệp.......................51 1.7 So sánh giữa công nghệ RFID và công nghệ mã vạch..................................52 1.8 Kết luận.........................................................................................................56 CHƯƠNG 2.THIẾT KẾ HỆ THỐNG QUẢN LÝ BỆNH NHÂN..........................57 2.1 Giao tiếp giữa thẻ thụ động EM4100 và chip EM4095.................................57 2.1.1 Hoạt động của chip EM4095.................................................................57 2.1.2 Hoạt động của thẻ thụ động EM4100....................................................62 2.1.2.1 Sơ đồ các khối của chip EM4100................................................63 2.1.2.2 Tổ chức bộ nhớ của chip EM4100...............................................64 2.1.2.3 Mã hóa dữ liệu trên thẻ................................................................64 2.1.2.3.1 Mã hóa Manchester..........................................................65 2.1.2.3.2 Mã hóa hai pha.................................................................65 2.1.2.3.3 Mã hóa PSK.....................................................................65 2.1.3 Sơ đồ khối mạch RF và tính toán các thông số......................................66 2.1.4 Thiết kế anten cho reader.......................................................................68 2.1.5 Phương pháp điều chế sóng mang OOK...............................................74 2.2 Giao tiếp chuẩn USB giữa reader và máy vi tính..........................................77 2.2.1 Chuẩn giao tiếp USB............................................................................77 2.2.1.1 Quy trình làm việc trong giao tiếp USB.....................................78 2.2.1.2 Các đặc trưng của giao tiếp USB................................................78 2.2.1.3 Chuẩn giao tiếp USB 2.0............................................................79 2.2.1.4 Chuẩn giao tiếp USB 3.0............................................................79 2.2.2 Lớp định nghĩa HID..............................................................................80 2.2.2.1 Tổng quan về quản lý chung của lớp HID..................................81 2.2.2.2 Mô hình hoạt động......................................................................82 2.2.3 Vi điều khiển PIC18F2550 và sơ đồ khối mạch điều khiển.................83 2.3 Thiết kế phần mềm quản lý............................................................................86 2.3.1 Xây dựng giao diện...............................................................................86 2.3.2 Xây dựng cơ sở dữ liệu.........................................................................91 2.3.3 Giao tiếp với cơ sở dữ liệu....................................................................93 3 2.3.4 Quản lý kết nối USB giữa reader và máy tính......................................95 2.4 Kết luận..........................................................................................................96 TÀI LIỆU THAM KHẢO.........................................................................................98 BẢNG ĐỐI CHIẾU THUẬT NGỮ VIỆT – ANH...................................................99 PHỤ LỤC A............................................................................................................102 PHỤ LỤC B............................................................................................................110 PHỤ LỤC C............................................................................................................112 4 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN CÔNG NGHỆ RFID Khoảng chục năm trở lại đây chúng ta đã bắt đầu bắt gặp nhiều ứng dụng công nghệ RFID trong thực tiễn cuộc sống hàng ngày. Đơn giản nhất có thể thấy, mỗi khi chúng ta vào chuỗi siêu thị của Walmart để mua hàng,khi ra ta chỉ cần đưa từng sản phẩm lại gần một thiết bị đọc và sau đó thực hiện trả tiền.Đó chính là một hệ thống RFID điển hình mà đã được Walmart triển khai cho chuỗi siêu thị của họ trên khắp thế giới.Từ đây chúng ta có thể thấy một điều rằng, công nghệ RFID đã giúp chúng ta tiện lợi hơn rất nhiều trong cuộc sống hằng ngày. Bây giờ chúng ta hãy cùng đi tìm hiểu một hệ thống RFID nói chung để hiểu rõ hơn hoạt động của nó. 1.1Lịch sử công nghệ RFID RFID không phải là một khái niệm mới ,mà lịch sử của nó đã bắt đầu từ thế chiến thứ II. Thời đó các nước như Mỹ, Anh, Đức và Nhật Bản đã sử dụng radar để xác định máy bay đi vào lãnh thổ của họ bởi vậy việc nhận dạng máy bay đối phương đã trở thành một nhiệm vụ tối quan trọng. Nhận thức được vấn đề này, người Đức đã tìm ra được rằng nếu như các phi công lộn vòng máy bay của họ trong khi quay trở lại căn cứ thì nó sẽ thay đổi tín hiệu phản xạ trở lại và cái này có thể coi như là hệ thống RFID thụ động đầu tiên. Bên cạnh đó ,Watson-Watt đã phát triển được việc nhận dạng tích cực đối tượng bạn/kẻ thù đầu tiên hay còn được gọi là hệ thống IFF cho nước Anh trong cùng thời gian đó. Năm 1973 Mario W. Cardullo đã được nhận bằng sáng chế cho việc chế tạo thành công thẻ tích cực RFID với bộ nhớ có thể ghi được. Và cũng trong năm đặc biệt đó ở California, một doanh nhân có tên là Charles Walton đã được nhận giải thưởng nhờ việc sáng chế ra các transponder thụ động để mở cửa mà không cần sử dụng tới chìa khóa. Thời kỳ này chứng kiến các công ty phát triển các hệ thống tần số thấp với các transponder nhỏ và nó vẫn còn được sử dụng trong ngành chăn nuôi gia súc cho tới ngày nay. Các hệ thống 125 kHz đã được thương mại hóa trong khoảng thời gian đó và từ đó các công ty bắt đầu tiến tới các tần số cao hơn để có thể sử dụng được tại một vài vùng trên thế giới. Các công ty lớn bắt đầu nhận thấy tầm quan trọng của RFID là vào những năm chín mươi của thế kỷ trước,cụ thể là IBM đã phát triển và sáng chế ra các hệ thống UHF RFID. Tuy nhiên nửa đầu những năm chín mươi có thể được coi là quá trình học tập công nghệ bởi các sản phẩm sản xuất ra có giá thành rất cao và không có các tiêu chuẩn cụ thể nào. Năm 1999 có thể coi là năm vàng của công nghệ này khi mà các tổ chức như : tổ chức quốc tế EAN, Gillette, Uniform Code Council và P&G đã tạo ra một quỹ cho việc thành lập trung tâm Auto-ID tại học viện công nghệ MIT. Hai giáo sư của MIT là Sanjay Sharma và David Brock, là những người đầu tiên nghĩ ra việc đưa các mã số lên trên các thẻ RFID để cho biết giá trị của chúng và điều này có thể làm thay đổi cách thức ứng dụng công nghệ này trong một chuỗi cung ứng. Trong khoảng giữa những năm từ 1999 tới 2003 trung tâm Auto-ID đã nhận được sự trợ giúp từ hơn một ngàn công ty , các nhà cung cấp RFID chính và Bộ 5 Quốc Phòng Hoa Kỳ. Các phòng nghiên cứu được mở ra ở nhiều nước và sau đó không lâu công nghệ đã được cấp phép cho Uniform Code Council vào năm 2003 để thực hiện thương mại hóa . Đi đầu trong việc ứng dụng công nghệ này trong thực tế có thể kể đến các tên tuổi lớn như Wal-Mart,Metro. Ngày nay công nghệ này đã được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như ứng dụng vào việc chấm công tại các công ty, hay ứng dụng vào việc ghi nhớ nguồn gốc thủy sản đông lạnh xuất khẩu,...Và theo nhận định của nhiều chuyên gia thì trong tương lai gần công nghệ này vẫn luôn là một lựa chọn tối ưu. 1.2Các khái niệm cơ bản Sóng là một dao động vận chuyển năng lượng từ một điểm này tới điểm khác. Sóng điện từ là sóng được tạo ra bởi các electron chuyển động và dao động điện từ trường. Các sóng này có thể đi xuyên qua một số kiểu chất liệu khác nhau. Điểm có vị trí cao nhất trên một sóng được gọi là một đỉnh sóng, và điểm thấp nhất được gọi là một lõm sóng. Khoảng cách giữa hai đỉnh sóng liên tiếp hoặc hai lõm sóng liên tiếp thì được gọi là một bước sóng. Một bước sóng hoàn chỉnh của một dao động sóng được gọi là chu kỳ. Và thời gian cần thiết để một sóng hoàn thành một chu kỳ,được gọi là chu kỳ dao động . Số các chu kỳ trong một giây được gọi là tần số của sóng. Tần số có đơn vị là hertz (ký hiệu Hz). Và nếu như tần số của một sóng là 1 Hz,thì có nghĩa là sóng đang dao động với tốc độ một chu kỳ trên giây. Các đơn vị khác thường được dùng là KHz (= 1,000 Hz), MHz (= 1,000,000 Hz), hoặc GHz (= 1,000,000,000 Hz). Hình dưới đây chỉ ra một vài bộ phận của một sóng. Hình 1.1 Các thành phần của sóng Các sóng vô tuyến hay các sóng có tần số vô tuyến (RF) là các sóng điện từ với chiều dài bước sóng ở giữa khoảng 0.1 cm và 1,000 km hoặc là có tần số nằm trong khoảng giữa 30 Hz và 300 GHz.Ngoài ra còn có nhiều kiểu sóng điện từ khác như : tia hồng ngoại, tia tử ngoại, tia gamma, tia x, và các tia vũ trụ. Điều chế là quá trình thay đổi các đặc tính của một sóng vô tuyến để mã hóa một vài tín hiệu thông tin mang theo . 6 Công nghệ RFID chủ yếu dùng ba loại tần số là : tần số thấp LF, tần số cao HF, tần số siêu cao UHF .Còn loại tần số rất cao VHF thì chưa thấy có hệ thống RFID sử dụng, do vậy tôi không đề cập đến ở đây. Tần số thấp LF: là các tần số nằm trong khoảng giữa 30 KHz đến 300 KHz ,hệ thống RFID thông thường chỉ sử dụng các tần số trong phạm vi từ 125 KHz tới 134 KHz.Còn với một hệ thống LF RFID điển hình thì thường hoạt động tại tần số là 125 KHz hoặc là 134.2 KHz. Hệ thống RFID hoạt động tại tần số thấp thường sử dụng các thẻ thụ động, nên tốc độ truyền dữ liệu từ thẻ tới thiết bị đọc thẻ là rất thấp. Song tuy nhiên, các thẻ tích cực LF cũng có thể được sử dụng bởi các nhà cung cấp. Ngày nay phạm vi tần số LF được chấp nhận sử dụng ở khắp mọi nơi trên thế giới. Tần số cao HF:là các tần số nằm trong phạm vi từ 3 MHz tới 30 MHz, trong đó 13.56 MHz là tần số điển hình thường được sử dụng cho các hệ thống RFID. Hệ thống HF RFID thường sử dụng các thẻ thụ động,nên có tốc độ truyền dữ liệu khá thấp từ thẻ tới thiết bị đọc thẻ. Ngày nay các hệ thống HF được sử dụng rộng rãi, đặc biệt là trong các bệnh viện (vì ở đó nó không gây nhiễu cho các thiết bị y tế đang hoạt động khác). Và có lẽ do vậy mà phạm vi tần số HF đã được chấp nhận sử dụng hầu như khắp thế giới. Tần số siêu cao UHF: là các tần số nằm trong khoảng từ 300 MHz tới 1 GHz .Hệ thống UHF RFID thụ động thường hoạt động tại tần số 915 MHz tại Hoa Kỳ và tại 868 MHz ở các nước Châu Âu. Còn hệ thống UHF RFID tích cực hoạt động tại tần số 315 MHz và 433 MHz.Và vì vậy hệ thống UHF có thể sử dụng được cả hai loại thẻ tích cực và thụ động và có thể đạt được một tốc độ truyền dữ liệu khá nhanh giữa thẻ và thiết bị đọc thẻ. Các hệ thống UHF RFID hiện tại đã bắt đầu được triển khai rộng rãi trong các tổ chức chính phủ các nước như bộ quốc phòng Mỹ và các tổ chức quốc tế, ... Tuy nhiên phạm vi tần số UHF vẫn không được chấp nhận sử dụng trên toàn thế giới. Dưới đây hình ảnh minh họa phạm vi các tần số mà ta đã nói ở trên Hình 1.2 Phổ tần số vô tuyến Bây giờ ta sẽ nói thêm về các nguyên nhân gây nhiễu cho sóng điện từ.Nói chung, sóng điện từ thường bị nhiễu từ nhiều nguồn khác nhau, song chủ yếu là các nguồn dưới đây: 7 • Các điều kiện thời tiết như mưa ,tuyết, ... Tuy nhiên, như đã nói trước đó,nguồn nhiễu này ít ảnh hưởng với các phạm vi tần số LF và HF. • Sự có mặt của một vài nguồn sóng vô tuyến khác chẳng hạn như cell phone, mobile radio,... • Các dòng tĩnh điện (ESD). ESD là một luồng dòng điện bất ngờ đi qua một chất liệu trong tình huống chất liệu đó có sự cách điện ở dưới mức chuẩn. Nếu như có một sự khác nhau lớn về điện áp tồn tại giữa hai điểm trên chất liệu, thì các nguyên tử ở giữa hai điểm này có thể trở thành các điện tích và tạo thành dòng điện. Ngoài ra chúng ta cũng cần biết thêm các khái niệm khác dưới đây có liên quan đến hệ thống RFID. Sự xung đột thẻ : Một reader chỉ có thể liên lạc được với một thẻ tại một thời điểm. Khi có nhiều hơn một thẻ cố gắng liên lạc với reader, thì lúc đó xuất hiện hiện tượng có tên gọi là “sự xung đột thẻ”. Trong trường hợp này, để đáp lại truy vấn từ reader, nhiều thẻ sẽ phản hồi các tín hiệu của chúng tới reader tại cùng một thời điểm. Reader cần thiết phải liên lạc sau đó với các thẻ bằng cách sử dụng một giao thức có ứng dụng một thuật toán đặc biệt. Thuật toán mà được sử dụng để hòa giải các xung đột thẻ thì được gọi với cái tên là “các thuật toán chống xung đột”. Hiện tại, hai kiểu thuật toán chống xung đột dưới đây là được sử dụng rộng rãi nhất: • ALOHA cho các kiểu tần số HF • Tree Walking cho các kiểu tần số UHF Bằng cách sử dụng một trong các thuật toán chống xung đột ở trên, một reader có thể nhận dạng được vài thẻ trong vùng đọc của nó với một chu kỳ thời gian rất ngắn. Chính vì vậy, mà nó khiến cho ta có cảm giác reader đó liên lạc với các thẻ gần như là đồng thời. Sự xung đột reader :Khi vùng đọc (hoặc là cửa sổ đọc) của hai hoặc nhiều reader chồng lên nhau, thì tín hiệu từ một reader có thể giao thoa với tín hiệu từ các reader khác, gây ra nhiễu tín hiệu. Hiện tượng này được gọi “sự xung đột reader”. Tình trạng này có thể phát sinh nếu như các anten hai reader này được cài đặt theo cách thức nào đó mà dẫn đến sự can thiệp phá hoại lẫn nhau (ví dụ như, vùng phủ sóng của anten). Dẫn đến một hệ quả là, năng lượng RF từ một trong các anten của một reader sẽ bị loại ra ngoài vì năng lượng RF từ một trong các anten của reader khác. Để tránh vấn đề này, ta phải điều chỉnh lại vị trí các anten của các reader để sao cho anten của một reader không đối diện trực tiếp với anten của reader khác. Nếu như không thể tránh khỏi việc có hai anten đối diện nhau, thì giải pháp nên làm là phân chia khoảng cách hiệu quả cho chúng để vùng đọc của chúng không chồng lên nhau. Ngoài ra, hai anten của cùng một reader cũng có thể tạo ra sự chồng lấp lên nhau nhưng nó không tạo sự xung đột reader, bởi vì năng lượng đi tới các anten là các chuyển dịch vật 8 lý được thực hiện bởi reader theo cách mà chỉ có một anten hoạt động tại một thời điểm. Điều đó dẫn đến, sẽ không có cơ hội để hai hay nhiều anten của reader này phát ra các tín hiệu cùng lúc. Chúng ta cũng có thể sử dụng kỹ thuật khác, có tên gọi là TDMA ,để tránh sự xung đột reader. Trong kỹ thuật này, các reader sẽ được hướng dẫn để đọc tại các thời điểm khác nhau chứ không phải tất cả cùng đọc một lúc. Và như vậy, chỉ có anten của một reader là được hoạt động tại một thời điểm. Nhưng có một vấn đề phát sinh với phương pháp này là, một thẻ có thể được đọc nhiều hơn một lần bởi các reader khác nhau trong vùng đọc chồng chéo lên nhau. Do đó, cần phải áp dụng một vài cơ chế lọc thông minh bởi khối điều khiển để lọc ra các thẻ đã được đọc. Khả năng đọc thẻ: của một hệ thống RFID trong một môi trường hoạt động phổ biến có thể được định nghĩa là khả năng của hệ thống để đọc thành công dữ liệu từ một thẻ cụ thể. Khả năng đọc thẻ phụ thuộc vào một số các yếu tố. Để cung cấp khả năng đọc thẻ tốt thì hệ thống RFID cần phải đọc thành công một thẻ ít nhất một lần. Để đảm bảo điều này, thì hệ thống nên được thiết kế sao cho số lần đọc một thẻ vừa đủ để ngay cả khi thẻ đọc lỗi vài lần thì vẫn có cơ hội tốt để một trong số lần đọc đó thành công. Tức là xác suất thành công sẽ cao hơn. 1.3Các đặc điểm của một hệ thống RFID Các hệ thống RFID có thể được phân biệt với nhau theo ba cách khác nhau dựa trên các thuộc tính đặc trưng dưới đây: • Tần số hoạt động • Phạm vi đọc • Phương pháp ghép nối vật lý 1.3.1 Tần số hoạt động Tần số hoạt động là thuộc tính quan trọng nhất của một hệ thống RFID. Đó là tần số mà tại đó , reader sẽ truyền đi các tín hiệu của nó. Nó gắn kết chặt chẽ với một thuộc tính điển hình, đó là đọc từ một khoảng cách xa. Trong hầu hết các trường hợp,tần số của một hệ thống RFID được quyết định bởi khoảng cách cần thiết để việc thực hiện đọc thành công . 1.3.2 Phạm vi đọc Phạm vi đọc của một hệ thống RFID được xác định là khoảng cách giữa thẻ và reader. Từ đây ta thấy một hệ thống RFID có thể được phân chia thành ba kiểu dưới đây: • Trực tiếp : Đó là các hệ thống có phạm vi đọc thấp hơn 1 cm. Một vài hệ thống LF và HF RFID thuộc về nhóm này. • Tầm gần : Đó là các hệ thống có phạm vi đọc từ 1 cm tới 100 cm. Đa phần các hệ thống RFID hoạt động tại các dải tần LF và HF thuộc về nhóm này. 9 • Tầm xa : Đó là các hệ thống có phạm vi đọc lớn hơn 100 cm. Các hệ thống RFID đang hoạt động trong dải tần UHF và phạm vi tần số vi ba thuộc về nhóm này. 1.3.3 Phương pháp ghép nối Việc ghép nối vật lý mà ta đề cập tới ở đây là nói tới phương pháp sử dụng để ghép nối giữa thẻ và anten (tức là, đó là một cơ chế mà theo đó năng lượng được dịch chuyển từ thẻ tới anten). Dựa trên tiêu chí này, có ba kiểu hệ thống RFID khác nhau dưới đây: • Từ trường : Đó là các kiểu hệ thống RFID được biết tới như là các hệ thống được ghép nối theo kiểu điện kháng. Một vài hệ thống RFID LF và HF là thuộc về nhóm này. • Điện trường : Đó là các kiểu hệ thống RFID được biết tới như là các hệ thống được ghép nối theo kiểu điện dung. Nhóm này cũng chủ yếu bao gồm các hệ thống RFID LF và HF. • Điện từ trường : Phần lớn các hệ thống RFID thuộc lớp này cũng được gọi là các hệ thống backscatter. Các hệ thống RFID hoạt động trong phạm vi dải tần số UHF và vi ba thuộc về nhóm này. 1.4 Các thành phần hệ thống RFID Một hệ thống RFID là một tập hợp các thành phần nhằm thực hiện một giải pháp RFID. Nói chung một hệ thống RFID bao gồm các thành phần dưới đây: • Thẻ : Đây là một thành phần bắt buộc của bất cứ hệ thống RFID nào • Thiết bị đọc thẻ: Đây cũng là một thành phần bắt buộc • Anten của thiết bị đọc thẻ : Đây là cũng là một thành phần bắt buộc phải có.Ngày nay một số reader đã được tích hợp anten lên trên nó,vì vậy kích thước của nó đã giảm đi rất nhiều. • Khối điều khiển : Đây là một thành phần quan trọng. Tuy nhiên hầu hết các reader thế hệ mới đều đã tích hợp thành phần này lên trên chúng. • Các cảm biến, bộ truyền động ,bộ báo hiệu : Đây là các thành phần tùy chọn, được sử dụng ở đầu vào và đầu ra hệ thống RFID. • Máy chủ và hệ thống phần mềm :Về mặt lý thuyết ,một hệ thống RFID có thể hoạt động một cách độc lập mà không cần tới thành phần này.Tuy nhiên trong thực tế, nếu không có thành phần này thì hệ thống RFID gần như vô giá trị. • Cơ sở hạ tầng truyền thông: Thành phần quan trọng này là một tập hợp bao gồm cả mạng có dây và không dây và cơ sở hạ tầng kết nối nối tiếp, để có thể kết nối các thành phần đã liệt kê phía trên với nhau. Dưới đây là biểu đồ một hệ thống RFID : 10 Hình 1.3 Biểu đồ hệ thống RFID Còn dưới đây là mô hình một mẫu của biểu đồ trên với các thành phần cụ thể trong thực tế: Hình 1.4 Một ví dụ về hệ thống RFID trong thực tế Bây giờ ta sẽ đi chi tiết vào từng thành phần của hệ thống RFID. 11 1.4.1 Thành phần thẻ Một thẻ RFID là một thiết bị có thể lưu trữ và truyền được được dữ liệu tới reader không phải theo cách tiếp xúc trực tiếp mà bằng cách sử dụng các sóng vô tuyến. Các thẻ RFID có thể được phân loại theo hai cách khác nhau. Dưới đây là cách phân loại thứ nhất, dựa trên cơ sở thẻ đó có chứa nguồn năng lượng ngay trên bảng mạch thẻ hay không hoặc dựa trên cơ sở các chức năng đặc biệt mà nó cung cấp: • Thẻ thụ động • Thẻ tích cực • Thẻ bán tích cực (hoặc bán thụ động) 1.4.1.1 Thẻ thụ động Kiểu thẻ RFID này không có nguồn nuôi tích hợp cùng trên bảng mạch thẻ (ví dụ,pin),thay vì vậy nó sử dụng năng lượng được phát ra từ reader để làm nguồn năng lượng cho bản thân nó hoạt động và thực hiện truyền dữ liệu mà nó lưu trữ tới reader. Thẻ thụ động khá đơn giản về cấu tạo và không có các bộ phận rời rạc.Và có lẽ chính vì vậy các thẻ thụ động tồn tại khá lâu trong điều kiện môi trường khắc nghiệt. Đối với loại thẻ này,để thực hiện truyền thông tin giữa thẻ và reader thì reader luôn luôn phải liên lạc trước tiên,tiếp sau đó mới tới lượt thẻ. Vì vậy sự hiện diện của reader là bắt buộc để thẻ có thể truyền được dữ liệu của nó. Thẻ thụ động thông thường nhỏ hơn so với thẻ tích cực và thẻ bán tích cực. Nó có một phạm vi đọc khá đa dạng từ 1 inch (=2.54cm) tới khoảng 30 feet (xấp xỉ 9 mét). Có lẽ bởi vậy mà thẻ thụ động bao giờ cũng rẻ hơn thẻ tích cực hay thẻ bán tích cực. Một thẻ thụ động bao gồm các thành phần chính dưới đây: • Thành phần vi chip • Thành phần anten Dưới đây là hình ảnh minh họa các thành phần thẻ thụ động trong thực tế: Hình 1.5 Các thành phần của thẻ thụ động Còn tiếp theo đây là một số hình ảnh thực tế về các thẻ thụ động của một vài hãng sản xuất lớn khác nhau: 12 Hình1.6 Các thẻ LF của hãng Texas Instruments Hình1.7 Các thẻ 2.45 GHz của hãng Alien Technology Hình1.8 Các thẻ 915 MHz của hãng Intermec Corporation 1.4.1.1.1 Thành phần vi chip Một vi chip của thẻ thụ động bao gồm các khối như chỉ ra ở hình vẽ dưới đây: 13 Hình 1.9 Sơ đồ các khối của vi chip Khối Power control/rectifier thực hiện chuyển đổi nguồn điện xoay chiều thu được từ tín hiệu phát ra ở anten của reader thành nguồn điện một chiều.Chính nguồn điện một chiều này sẽ cung cấp năng lượng tới các thành phần khác của vi chip. Xung từ khối Clock Extractor thực hiện tách xung tín hiệu từ tín hiệu thu được do anten của reader phát ra. Sau đó khối Modulator sẽ điều chế tín hiệu nhận được.Thông tin mà thẻ trả lại để truyền tới reader được nhúng vào bên trong tín hiệu đã được điều chế.Bộ nhớ của vi chip được sử dụng để lưu trữ dữ liệu. Bộ nhớ này thường được chia thành các phần (bao gồm các khối hoặc là các trường). Ở đây ta cần chú ý đến thuật ngữ addressability ,nghĩa là khả năng đánh địa chỉ (đọc hoặc ghi) các vị trí bộ nhớ riêng lẻ của một vi chip. Một khối bộ nhớ của thẻ có thể lưu trữ được nhiều kiểu dữ liệu khác nhau,chẳng hạn như một phần của đối tượng dữ liệu được sử dụng để nhận dạng thẻ, các bit kiểm tra tổng (ví dụ, cyclic redundancy check [CRC]) để kiểm tra độ chính xác của dữ liệu đã được truyền,... 1.4.1.1.2 Thành phần anten Anten của thẻ được sử dụng để đưa tín hiệu thu được từ reader thành năng lượng cho thẻ ,phục vụ cho việc gửi hoặc nhận dữ liệu tới reader.Anten này được gắn tiếp xúc vật lý với vi chip của thẻ. Trong thực tế có rất nhiều cách thiết kế anten,tuy nhiên chúng ta cần phải chú ý rằng chiều dài của anten tỷ lệ trực tiếp với chiều dài bước sóng hoạt động của thẻ.Ngoài ra còn có một khái niệm nữa cũng rất quan trọng ,đó là “lưỡng cực” (dipole). Một anten lưỡng cực có thể là một dây điện thẳng (ví dụ,với chất liệu là đồng) bị đứt quãng tại điểm giữa. Chiều dài tổng cộng của một anten lưỡng cực bằng một bước sóng của tần số được sử dụng để tối ưu hóa năng lượng chuyển từ tín hiệu của anten reader tới thẻ. Với một anten lưỡng cực kép (dual dipole) thì nó bao gồm hai lưỡng cực, nên có thể giảm đi rất nhiều tính nhạy cảm thẳng hướng của thẻ .Chính vì vậy mà, reader có thể đọc thẻ tại nhiều hướng khác nhau.Còn một lưỡng cực gấp (folded dipole) là bao gồm hai hoặc nhiều dây điện thẳng kết nối song song và mỗi cái có chiều dài bằng nửa chiều dài 14 bước sóng (của tần số được sử dụng). Khi hai dây được nối lại, thì kết quả tạo ra “một lưỡng cực gấp-2 dây”.Tương tự như vậy ba dây kết nối song song sẽ tạo ra “một lưỡng cực gấp-3 dây”. Hình dưới chỉ ra hình dạng minh họa một vài kiểu anten này. Hình 1.10 Các kiểu anten lưỡng cực Chiều dài anten của thẻ thường lớn hơn rất nhiều so với microchip của thẻ, và do đó nó quyết định đến kích thước vật lý sau cùng của thẻ. Ngoài ra có một vài thông số ta cần chú ý khi thiết kế thẻ: • Khoảng cách đọc thẻ được tính từ reader • Hướng nhận biết thẻ so với reader 15 • Hướng bất kỳ của thẻ so với reader • Các kiểu riêng biệt của sản phẩm • Tốc độ di chuyển của đối tượng được gắn thẻ • Các điều kiện hoạt động đặc thù • Sự phân cực của anten reader 1.4.1.2 Thẻ tích cực Các thẻ RFID tích cực có sẵn một nguồn năng lượng ở trên bảng mạch thẻ (ví dụ như ,có pin kèm theo;hoặc là dạng nguồn năng lượng khác) và các bộ phận điện tử để thực hiện các chức năng đặc biệt. Một thẻ tích cực sử dụng nguồn năng lượng ở trên bảng mạch thẻ của chính nó để truyền dữ liệu của nó tới reader. Nó không phải cần đến năng lượng phát ra từ reader để truyền dữ liệu. Các bộ phận điện tử ở trên bảng mạch thẻ có thể bao gồm bộ vi xử lý, cảm biến, và các cổng vào/ra. Ví dụ, các thành phần điện tử này thực hiện đo một khoảng nhiệt độ nào đó và sinh ra dữ liệu về giá trị nhiệt độ trung bình.Sau đó chúng sẽ sử dụng dữ liệu này để quyết định các tham số khác chẳng hạn như ngày kết thúc của mặt hàng được gắn thẻ . Rồi tiếp đó thẻ có thể truyền thông tin này tới reader. Chúng ta có thể hình dung thẻ tích cực giống như một chiếc máy tính không dây cộng thêm với vài thuộc tính khác (ví dụ, có thể bao gồm thêm một cảm biến hoặc một tập hợp các cảm biến). Trong giao tiếp truyền thông tin giữa thẻ và reader, thì thẻ luôn luôn phải thực hiện liên lạc trước tiên, tiếp sau đó mới tới phiên reader. Bởi vậy sự hiện diện của reader không cần thiết cho sự truyền đi của dữ liệu, một thẻ tích cực có thể phát đi dữ liệu lưu trữ trong nó tới các khu vực xung quanh ngay cả khi không có reader. Có lẽ vì vậy mà kiểu thẻ này cũng được gọi là một bộ phát tín hiệu. Khoảng cách đọc thẻ của một thẻ tích cực có thể là 100 feet (xấp xỉ 30.5 mét) hoặc lớn hơn. Một thẻ tích cực bao gồm các thành phần: • Vi chip • Anten • Nguồn năng lượng nuôi thẻ • Các thành phần điện tử Dưới đây là các hình ảnh minh họa các thành phần bên trong một thẻ tích cực: 16 Hình 1.11 Các thành phần bên trong một thẻ tích cực Còn tiếp theo là hình ảnh thực tế của thẻ tích cực của các hãng sản xuất lớn: Hình 1.12 Các thẻ tích cực dải UHF tần số thấp (303.8 MHz) của hãng RFCode, Inc Do các thành phần vi chip và anten của thẻ tích cực cũng giống với thẻ thụ động nên ta sẽ không nói tới ở đây.Bây giờ ta chỉ nói qua về hai thành phần còn lại là khối nguồn và các thành phần điện tử. 1.4.1.2.1 Khối nguồn Tất cả các thẻ tích cực đều có mang một nguồn năng lượng trên nó (ví dụ, có một pin nhỏ kèm theo) để cung cấp năng lượng tới các thành phần điện tử và để nó thực hiện truyền dữ liệu đi. Nếu như sử dụng một pin làm nguồn năng lượng , thì 17 một thẻ tích cực có thể sử dụng được ít nhất khoảng từ 2 tới 7 năm phụ thuộc vào độ bền của pin. Một trong những nhân tố quyết định độ bền của pin là tốc độ truyền dữ liệu của thẻ. Ví dụ, giả thiết rằng một thẻ tích cực được chế tạo mặc định là cứ thực hiện truyền một lần sau vài giây. Nếu như bạn tăng nó lên,tức là thiết lập cứ truyền một lần sau một vài phút thậm chí là một vài giờ,thì bạn đã làm cho tuổi thọ sử dụng pin lâu hơn. Ngoài ra, các cảm biến nằm trên bảng mạch thẻ và các bộ xử lý tiêu thụ năng lượng ít cũng có thể góp phần làm cho tuổi thọ của pin ngắn đi. 1.4.1.2.2 Các thành phần điện tử Các thành phần điện tử nằm trên bảng mạch thẻ cho phép thẻ hoạt động như một bộ phát tín hiệu (transmiter), và tùy theo lựa chọn cụ thể mà nó có thể thực hiện được các chức năng đặc biệt chẳng hạn như việc tính toán, hoặc hoạt động như một cảm biến,...Thành phần này cũng có thể cung cấp thông tin cho việc kết nối với các cảm biến ở bên ngoài. Cho nên, tùy theo kiểu cảm biến gắn vào, mà thẻ có thể thực hiện được rất nhiều các chức năng cảm biến. Nói chung, phạm vi các chức năng của thành phần này là không giới hạn. Ta cần chú ý rằng khi số các chức năng tăng nên thì kích thước vật lý của phần này tăng nên ,và vì vậy kích thước thẻ cũng tăng lên. Tuy nhiên điều này hoàn toàn có thể chấp nhận được với các thẻ tích cực . Vì vậy mà, các thẻ tích cực có thể triển khai tới một phạm vi rộng các ứng dụng hiện nay. 1.4.1.3 Thẻ bán tích cực (hoặc thẻ bán thụ động) Các thẻ bán tích cực cũng có một nguồn năng lượng nằm trên nó và có kèm thêm các thành phần điện tử để thực hiện các chức năng đặc biệt. Nguồn năng lượng nằm trên bảng mạch thẻ cung cấp năng lượng cho các hoạt động của thẻ. Tuy nhiên,để truyền dữ liệu đi, thẻ bán tích cực phải sử dụng năng lượng phát ra từ reader.Đây là một đặc điểm giống với thẻ thụ động. Vì vây kiểu thẻ này cũng được gọi dưới cái tên khác là “thẻ được trợ giúp bởi pin”. Trong việc giao tiếp truyền thông tin giữa thẻ và reader, thì reader luôn luôn phải thực hiện liên lạc trước tiên, tiếp sau đó mới tới phiên thẻ. Cũng có các đặc điểm tương tự như trên là các thẻ bán thụ động. Vậy tại sao lại dùng thẻ bán thụ động mà không dùng thẻ thụ động ? Là bởi vì thẻ bán tích cực không sử dụng các tín hiệu của reader để kích thích bản thân nó như các thẻ thụ động, và nó có thể đọc được từ một khoảng cách xa hơn so với thẻ thụ động. Và cũng bởi lý do các thẻ bán thụ động có thể tự kích thích chính bản thân nó . Do vậy, ngay cả khi đối tượng được gắn thẻ đang di chuyển với một tốc độ lớn,thì dữ liệu trên thẻ vẫn có thể đọc được khi ta sử dụng thẻ bán thụ động (hoặc bán tích cực). Dưới đây là hình ảnh thực tế của thẻ bán tích cực từ các hãng sản xuất lớn trên thế giới: 18 Hình 1.13 Các thẻ bán tích cực 2.45 GHz của hãng Alien Technology Hình 1.14 Các thẻ bán tích cực 915 MHz/2.45 GHz của hãng TransCore Ngoài cách phân loại trên còn có cách phân loại dựa trên cơ sở về việc hỗ trợ khả năng ghi lại dữ liệu như dưới đây : • Chỉ đọc (RO) • Ghi một lần ,đọc nhiều lần (RW) • Đọc, ghi (WORM) Ta cần chú ý rằng cả hai loại thẻ thụ động và tích cực đều có thể là RO, WORM, và RW.Dưới đây ta sẽ đi qua chi tiết hơn một chút về cách phân loại này. 1.4.1.4 Thẻ chỉ đọc Một thẻ RO chỉ có thể lập trình một lần trong suốt thời gian nó tồn tại. Dữ liệu có thể được “burn” vào bên trong thẻ tại nhà máy trong suốt giai đoạn chế tạo. Để hoàn thành cái này,các cầu chì riêng lẻ trên vi chip của thẻ được “burn” vĩnh cửu bằng cách dùng một chùm laser có đầu nhọn. Sau khi xong công đoạn đó ,thì dữ liệu sẽ không thể ghi lần nữa lên thẻ trong suốt thời gian tồn tại của nó. Có lẽ do vậy mà loại thẻ này còn có tên gọi khác là “factory programmed” (có nghĩa là , được lập trình bởi nhà sản xuất). Nhà sản xuất thẻ thực hiện đưa dữ liệu lên trên thẻ,còn người dùng thẻ thông thường sẽ không có bất cứ điều khiển nào trên nó. 19 Kiểu thẻ này khá thích hợp cho các ứng dụng nhỏ, nhưng không thực tế khi chế tạo số lượng lớn hoặc khi dữ liệu trên thẻ cần được tùy chỉnh dựa trên cơ sở ứng dụng triển khai. 1.4.1.5 Thẻ ghi một lần – đọc nhiều lần Một thẻ WORM có thể được lập trình hay ghi lại một lần, thông thường việc này sẽ không phải được thực hiện bởi nhà sản xuất mà bởi người dùng thẻ tại thời điểm họ thực hiện công đoạn tạo thẻ. Trong thực tế ,các thẻ loại này thường chỉ được ghi đè với một số lần cố định (khoảng 100 lần) ! Nếu như dữ liệu ghi đè lên thẻ vượt quá số lần quy định đó, thì thẻ có thể bị hư hỏng vĩnh viễn. Đây là kiểu thẻ có giá cả phải chăng để có thể thực hiện với số lượng lớn và có tính bảo mật dữ liệu cao,có lẽ vậy mà nó là kiểu thẻ được sử dụng thịnh hành nhất trong các nghiệp vụ kinh doanh ngày nay. 1.4.1.6 Thẻ ghi – đọc Một thẻ RW có thể được lập trình lại hay là ghi lại nhiều lần. Thông thường, con số này nằm trong khoảng giữa 10,000 và 100,000 lần và có thể hơn nữa! Khả năng ghi đè này đưa ra một đặc trưng to lớn ,đó là dữ liệu có thể được ghi hoặc bởi reader hoặc bởi chính bản thân thẻ (trong trường hợp là các thẻ tích cực). Thẻ RW thường có chứa một bộ nhớ Flash hoặc FRAM để lưu trữ dữ liệu của nó. Bảo mật dữ liệu là một thử thách khá lớn cho loại thẻ này. Ngoài ra, chi phí thực hiện chế tạo chúng cũng khá đắt đỏ. Có lẽ vì vậy nên các thẻ RW không được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng ngày nay. 1.4.2 Thiết bị đọc thẻ (Reader) Một RFID reader là một thiết bị cho phép đọc hoặc ghi tới các thẻ RFID thích hợp. Hành động ghi dữ liệu lên thẻ bởi một reader được gọi là công đoạn tạo thẻ. Công đoạn tạo thẻ cùng với việc gắn thẻ đó lên một đối tượng nào đó được gọi là quy trình đưa thẻ đi vào hoạt động. Quãng thời gian một reader có thể phát xạ năng lượng RF để đọc các thẻ được gọi là chu trình hoạt động của reader. Reader là hệ thống thần kinh trung tâm của toàn bộ phần cứng hệ thống RFID .Một reader có các thành phần chính dưới đây: • Bộ truyền tín hiệu • Bộ nhận tín hiệu • Bộ vi xử lý • Bộ nhớ • Các kênh vào/ra cho các cảm biến, bộ truyền động, và bộ báo hiệu ở bên ngoài. • Khối điều khiển • Khối giao tiếp truyền thông • Khối nguồn Dưới đây là hình minh họa cụ thể các thành phần đó trong một reader: 20 Hình 1.15 Các thành phần bên trong reader 1.4.2.1 Khối truyền tín hiệu Bộ truyền tín hiệu của reader được sử dụng để truyền năng lượng điện xoay chiều và chu kỳ xung thông qua anten của chính nó tới các thẻ nằm trong phạm vi đọc của nó. Đây là một phần của bộ thu phát tín hiệu, là thành phần mà chịu trách nhiệm gửi tín hiệu của reader tới môi trường xung quanh và nhận thông tin trả lại từ thẻ thông qua anten của reader. Các cổng anten của reader sẽ được kết nối tới thành phần thu phát của chính nó. Hiện nay, một vài reader có thể hỗ trợ nên tới bốn cổng anten. Điều đó có nghĩa là reader có thể nhận dạng được nhiều thẻ tại cùng một thời điểm. 1.4.2.2 Khối nhận tín hiệu Thành phần này cũng là một phần của khối thu phát. Nó nhận các tín hiệu tương tự từ thẻ thông qua anten của reader. Sau đó nó gửi các tín hiệu này tới bộ vi xử lý của reader, ở đó nó sẽ thực hiện chuyển đổi sang định dạng số. 1.4.2.3 Khối vi xử lý Thành phần này chịu trách nhiệm thực hiện các giao thức của reader để liên lạc với từng loại thẻ phù hợp. Nó sẽ thực hiện giải mã và kiểm tra lỗi của các tín hiệu tương tự từ bộ nhận tín hiệu. Ngoài ra, nó còn bao gồm thêm logic tùy chỉnh để lọc mức thấp và xử lý dữ liệu đọc được từ thẻ. 1.4.2.4 Khối bộ nhớ Bộ nhớ được sử dụng để lưu trữ dữ liệu chẳng hạn như các thông số cấu hình của reader và danh sách các thẻ có thể đọc được. Nếu như kết nối giữa reader và thành phần điều khiển hoặc hệ thống phần mềm bị ngắt,thì tất cả dữ liệu đọc được từ thẻ sẽ bị mất. 1.4.2.5 Các kênh vào/ra cho cảm biến, bộ truyền động, và bộ báo hiệu ở bên ngoài 21 Các reader không phải luôn hoạt động để đọc thẻ tại tất cả các thời điểm. Xét cho cùng, thì các thẻ chỉ phải xuất hiện tại các thời điểm chính trong vùng đọc của nó, và cũng để cho reader được rảnh rỗi để tiết kiệm năng lượng. Chính vì mục đích đó mà ta phải sử dụng thành phần này. Nó cung cấp một kết cấu cơ học để bật hay tắt reader phụ thuộc vào các sự kiện ở bên ngoài. Thông thường ta hay gặp các loại cảm biến, chẳng hạn như một cảm biến chuyển động hay một cảm biến ánh sáng, để phát hiện sự hiện diện của các đối tượng được gắn thẻ trong vùng đọc của reader. Sau đó cảm biến có thể thiết lập reader để đọc thẻ này. Tương tự, thành phần này cũng cho phép reader cung cấp một vài đầu ra nội bộ phụ thuộc vào một vài điều kiện nào đó qua một bộ báo hiệu (ví dụ như, phát ra một âm thanh cảnh báo). 1.4.2.6 Khối điều khiển Khối điều khiển là một thực thể mà cho phép một thực thể ở bên ngoài, hoặc là con người hoặc là một chương trình máy tính, thực hiện liên lạc với reader và điều khiển các chức năng của nó cũng như điều khiển bộ báo hiệu và bộ truyền động được kết hợp với reader đó. Thông thường,các nhà sản xuất sẽ tích hợp thành phần này vào bên trong bản thân reader (ví dụ như firmware). Tuy nhiên, nó cũng có thể được đóng gói lại như một thành phần phần cứng hoặc phần mềm riêng biệt mà người sử dụng sẽ phải mua nó đi kèm cùng với reader. 1.4.2.7 Khối giao tiếp truyền thông Thành phần giao tiếp truyền thông cung cấp cách thức truyền thông tin tới reader ,cho phép nó tương tác với các thực thể ở bên ngoài, thông qua một thành phần điều khiển , để chuyển dữ liệu lưu trữ trong nó và để nhận lệnh và gửi trở lại các phản hồi tương ứng. Thực thể này có các đặc tính quan trọng khiến nó cần phải được chế tạo ra như một thành phần độc lập. Một reader cũng có thể có kiểu truyền thông nối tiếp giống như giao tiếp mạng máy tính ta thường thấy. Đó là kiểu giao tiếp có khả năng phổ biến thịnh hành nhất trong các kiểu giao tiếp có thể của reader , tuy nhiên các phiên bản reader sắp tới đây lại đang phát triển các giao diện mạng như là các chuẩn đặc trưng tiến tiến của tương lai. 1.4.2.8 Khối nguồn Thành phần này thực hiện việc cung cấp năng lượng để nuôi các thành phần khác trên reader. 1.4.2.9 Phân loại thiết bị đọc thẻ Cũng giống như các thẻ, các reader cũng có thể được phân loại bằng cách sử dụng hai tiêu chí khác nhau. Tiêu chí đầu tiên là dựa trên cách cung cấp giao tiếp liên lạc cho reader. Dựa trên cái này, các reader có thể được phân loại như dưới đây: • Reader nối tiếp • Reader mạng Tiếp sau đây ta sẽ mô tả qua về các kiểu reader này. 22 1.4.2.9.1 Thiết bị đọc thẻ nối tiếp Các reader nối tiếp sử dụng một liên kết truyền thông nối tiếp để liên lạc với một ứng dụng. Reader được liên kết vật lý tới một cổng nối tiếp trên máy tính sử dụng một kết nối nối tiếp RS-232 hoặc RS-485. Chú ý rằng cả hai kiểu kết nối này đều có một giới hạn về chiều dài cáp có thể được sử dụng để nối từ reader tới máy tính. Với kiểu RS-485 cho phép chiều dài cáp sử dụng dài hơn so với kiểu RS-232. Ưu điểm của các reader nối tiếp là có các liên kết truyền thông đáng tin cậy hơn so với các reader mạng, bởi vì nó không ra các hiện tượng mất gói tin như trong reader mạng . Do đó, việc sử dụng các reader loại này được khuyến khích để giảm thiểu sự phụ thuộc vào một kênh truyền thông. Tuy nhiên, nhược điểm của các reader nối tiếp là phụ thuộc vào chiều dài lớn nhất của cáp được sử dụng để nối từ reader tới máy tính. Ngoài ra, bởi vì số lượng cổng nối tiếp thường được giới hạn trên một máy chủ, nên phải cần tới một lượng lớn máy chủ để có thể kết nối được với tất cả các reader nối tiếp.Và để cập nhật firmware cho reader thì người bảo dưỡng phải thực hiện tiến hành vói từng reader. Vì vậy đội ngũ bảo dưỡng cũng phải cần tới với số lượng nhiều. Ngoài ra, tốc độ truyền dữ liệu nối tiếp thường thấp hơn nhiều so với tốc độ truyền dữ liệu mạng. Tất cả các yếu tố này có thể dẫn đến một kết quả là , chi phí bảo dưỡng sẽ cao hơn và thời gian ngừng hoạt động là đáng kể. 1.4.2.9.2 Thiết bị đọc thẻ mạng Các reader mạng có thể được kết nối tới một máy tính bằng cách sử dụng cả mạng có dây và mạng không dây. Trong thực tế, loại reader này có thể được cài đặt vận hành giống như một thiết bị mạng thông thường mà không cần yêu cầu kiến thức chuyên môn về phần cứng. Tuy nhiên cần phải chú ý rằng, tính năng giám sát SNMP hiện đang có sử dụng trên một vài kiểu reader mạng. Do đó, phần lớn các reader này không thể được giám sát như với các thiết bị mạng chuẩn được. Ưu điểm của các reader mạng là nó không phụ thuộc vào chiều dài lớn nhất của dây cáp được nối từ reader tới máy tính. Và nó cũng cần số lượng máy chủ ít hơn so với các reader nối tiếp. Ngoài ra, firmware của reader có thể được cập nhật từ xa thông qua mạng mà không cần tới bất cứ tiếp xúc vật lý nào với reader. Cái này khiến cho hệ thống dễ dàng bảo dưỡng hơn và cho thấy nỗ lực hạ thấp chi phí của một hệ thống RFID. Nhược điểm của các reader mạng là các liên kết truyền thông kém tin cậy hơn so với các reader nối tiếp. Ví dụ, có thể do lý do nào đó liên kết mạng bị trục trặc trong khoảng thời gian ngắn, khiến cho mất gói dữ liệu trong quá trình chuyển dữ liệu từ reader về máy chủ. Và có thể dẫn đến sai kết quả về dữ liệu trên thẻ . Để giải quyết vấn đề này, nói chung các reader đã có thêm bộ nhớ trong để lưu trữ dữ liệu đọc được từ thẻ. Tính năng này dù không tối ưu nhưng đã phần nào giảm bớt được hậu quả gây ra do mất liên kết mạng. 23 Tiêu chí phân loại thứ hai được tạo ra dựa trên cơ sở tính di động của nó, như chỉ ra dưới đây: • Reader cố định • Reader cầm tay Dưới đây ta sẽ mô tả về các kiểu reader này. 1.4.2.9.3 Thiết bị đọc thẻ cố định Các reader loại này được gắn vào tường, cổng, hoặc một vài cấu trúc phù hợp trong vùng đọc. Các cấu trúc mà trên đó reader được gắn vào có thể không cần phải là tĩnh! Ví dụ , một vài reader loại này có thể được gắn lên các xe nâng hàng. Tương tự, ta cũng có thể gắn các reader này ở bên trong các xe tải giao nhận hàng. Trái ngược với các thẻ, các reader không chịu được với các điều kiện môi trường khắc nghiệt. Do đó, nếu như chúng ta cài đặt một reader ở ngoài trời hoặc trên các đối tượng đang chuyển động, thì chúng ta phải chú ý tới các điều kiện xung quanh nó. Các reader cố định nói chung thường phải cần tới anten ở bên ngoài để có thể đọc được thẻ. Một reader có thể cung cấp lên tới bốn cổng anten ở bên ngoài. Giá cả của các reader cố định thường thấp hơn nhiều so với các reader cầm tay.Chính vì vậy các reader loại này là kiểu reader được sử dụng thông dụng nhất hiện nay. Một kiểu reader có tên gọi là reader agile có thể hoạt động trong các tần số khác nhau hoặc có thể sử dụng các giao thức liên lạc từ thẻ tới reader khác nhau. Ngày nay các reader agile là loại reader cố định thường được sử dụng nhất. Hình 1.16 Reader mạng dải UHF tần số thấp (303.8 MHz) hỗ trợ giao tiếp mạng có dây và không dây của hãng RFCode, Inc 24 Một kiểu reader cố định có tên gọi là máy in RFID, có thể in ra một mã vạch và đồng thời tạo ra một thẻ RFID trên một nhãn thông minh. Một nhãn thông minh bao gồm một nhãn mã vạch và có một thẻ RFID được nhúng trong nó. Các kiểu thông tin khác nhau, chẳng hạn như người gửi và địa chỉ người nhận, thông tin sản phẩm, cũng có thể được in trên nhãn đó. Sau đó, máy in RFID sẽ đọc các thẻ nhãn thông minh mà nó vừa mới ghi lên để xác thực thông tin. Nếu như thông tin này có lỗi, thì tức là máy in đã từ chối nhãn thông minh và nó chỉ thực hiện việc duy nhất là in ra. Một nghiệp vụ nào đó mà hiện đang sử dụng mã vạch cho các thao tác của nó thì ta có thể sử dụng RFID printer như là bước đầu tiên tiếp cận làm quen với công nghệ RFID. Dưới đây là một vài hình ảnh trong thực tế về các nhãn thông minh và máy in RFID: Hình 1.17 Nhãn RFID thông minh của hãng Zebra Technologies Hình 1.18 Máy in RFID của hãng Zebra Technologies 25 1.4.2.9.4 Thiết bị đọc thẻ cầm tay Một reader cầm tay là một reader di động mà người sử dụng có thể thao tác nó như một vật cầm tay. Một reader cầm tay nói chung được xây dựng đã bao gồm cả anten ở bên trong nó. Mặc dù các reader này có giá cả rất đắt (và ít được thương mại hóa), tuy nhiên , gần đây với những tiến bộ trong công nghệ chế tạo reader thì giá cả của các thiết bị loại này đang có xu hướng giảm dần. Dưới đây là hình thiết bị reader cầm tay trong thực tế. Hình 1.19 Reader cầm tay 1.4.3 Giao tiếp giữa thiết bị đọc thẻ và thẻ Tùy thuộc vào kiểu thẻ sử dụng,giao tiếp truyền thông tin giữa một reader và một thẻ có thể là một trong các cách dưới đây: • Kiểu điều chế backscatter • Kiểu transmitter • Kiểu transponder Trước khi đi vào từng kiểu giao tiếp truyền thông đó , ta sẽ tìm hiểu qua về hai khái niệm là “trường gần” và “trường xa” . Khu vực nằm giữa một anten của reader và một bước sóng đầy đủ của sóng RF được phát ra từ anten được gọi là trường gần. Còn khu vực nằm ở phía ngoài bước sóng đầy đủ đó thì được gọi là trường xa. Các hệ thống RFID thụ động hoạt động tại các tần số LF và HF thì sử dụng liên lạc trường gần,còn tại các tần số UHF thì sử dụng liên lạc trường xa. Cường độ của tín hiệu trong liên lạc trường gần bị giảm đi một lượng bằng lũy thừa bậc ba của khoảng cách tới anten của reader. Còn trong trường xa, nó giảm đi một lượng bằng bình phương của khoảng cách tới anten của reader.Từ đó dẫn đến một hệ quả là,liên lạc trường xa sẽ phù hợp hơn với phạm vi đọc lớn hơn so với liên lạc trường gần.Dưới đây là các hình ảnh minh họa trường gần và trường xa: 26 Hình 1.20 Trường gần và trường xa Tiếp theo ta sẽ đi so sánh sự giống nhau cũng như khác nhau giữa hai thao tác “đọc thẻ” và “ghi thẻ” với các thẻ có khả năng ghi được nên nó, ví dụ thẻ EM4150 của hãng EM microelectronic. Thao tác “ghi thẻ” sẽ mất nhiều thời gian hơn thao tác “đọc thẻ” dưới cùng một điều kiện bởi vì một thao tác ghi bao gồm nhiều bước, cụ thể là bao gồm, bước kiểm tra khởi tạo, bước xóa đi bất cứ dữ liệu gì đang tồn tại trên thẻ,bước ghi dữ liệu mới lên thẻ , và bước kiểm tra cuối cùng. Ngoài ra, dữ liệu được ghi lên thẻ thành các khối theo nhiều bước.Và kết quả là,với thao tác ghi lên một thẻ độc lập có thể mất tới hàng trăm mili giây để hoàn thành và thời gian đó sẽ tăng lên khi kích thước dữ liệu tăng lên. Trái ngược lại với điều đó, thì nhiều thẻ có thể được đọc trong cùng khoảng thời gian bởi cùng một reader. Bởi vậy, thao tác ghi thẻ là một quá trình nhạy cảm và cần phải xác định thẻ đích, cụ thể là thẻ mà ta sẽ thực hiện thao tác ghi lên. Nên,trong suốt thao tác ghi thẻ,bất cứ thẻ nào khác không phải là thẻ đích thì ta không nên để trong phạm vi ghi của reader. 1.4.3.1Kiểu điều chế backscatter Phương pháp truyền thông tin theo kiểu điều chế backscatter được triển khai với cả các thẻ thụ động cũng như là với các thẻ bán tích cực. Trong kiểu truyền thông tin này, reader gửi đi một tín hiệu sóng liên tục (CW) RF có bao gồm thêm tín hiệu năng lượng điện xoay chiều và tín hiệu xung tới thẻ tại tần số của sóng mang (là tần số mà tại đó reader hoạt động). Thông qua đầu nối vật lý , anten của thẻ sẽ cung cấp năng lượng tới vi chip trên thẻ. Thông thường để phục vụ cho mục đích đọc thẻ,thành phần vi chip phải được đưa lên tới mức điện áp 1.2 vôn .Còn để thực hiện ghi, vi chip thường phải đưa lên khoảng 2.2 vôn từ tín hiệu của reader. Sau đó vi chip thực hiện điều chế hoặc phân chia tín hiệu đầu vào thành một dãy các mẫu on và off biểu thị dữ liệu của nó và thực hiện truyền dữ liệu đó trở lại. Khi reader nhận được tín hiệu đã được điều chế này, nó thực hiện giải mã mẫu và nhận được dữ liệu trên thẻ. Do đó, trong phương pháp truyền thông tin theo kiểu điều chế backscatter, reader luôn luôn phải thực hiện "bắt chuyện" trước ,tiếp sau đó mới tới phiên thẻ. 27 Thẻ sử dụng kiểu truyền thông này sẽ không thể liên lạc được tại các thời điểm vắng mặt reader bởi vì nó phụ thuộc vào lượng năng lượng có trên reader để truyền dữ liệu của bản thân nó. Hình dưới minh họa kiểu truyền thông backscatter. Hình 1.21 Điều chế backscatter 1.4.3.2 Kiểu transmitter Kiểu truyền thông tin này chỉ được triển khai với các thẻ tích cực. Trong kiểu truyền thông này, thẻ phát đi các thông điệp của nó tới môi trường xung quanh theo các khoảng cách chuẩn, bất chấp có sự hiện diện hay vắng mặt reader. Do đó,trong kiểu truyền thông tin này, thẻ luôn luôn phải thực hiện "bắt chuyện" trước reader. Hình dưới minh họa phương pháp truyền thông tin theo kiểu transmitter. Hình 1.22 Kiểu transmitter 1.4.3.3 Kiểu transponder Kiểu truyền thông tin này được triển khai với kiểu thẻ đặc biệt có tên gọi là transponder. Trong kiểu truyền thông tin này, thẻ thường ở trạng thái "ngủ" khi không có truy vấn từ bất cứ reader nào. Trong trạng thái này, thẻ phải gửi đi theo chu kỳ một thông điệp để kiểm tra xem có reader nào đang lắng nghe nó không. Khi một reader nhận được chẳng hạn một thông điệp truy vấn, nó có thể "đánh thức " thẻ để nó kết thúc trạng thái ”ngủ”. Khi thẻ nhận được lệnh này từ reader, nó thoát khỏi trạng thái hiện tại và bắt đầu hoạt động trở lại như một thẻ transmitter ở trên. Dữ liệu trên thẻ chỉ được gửi đi khi có một reader cụ thể truy vấn nó. Hình dưới chỉ ra kiểu truyền thông tin transponder. 28 Hình 1.23 Kiểu transponder 1.4.4 Anten của thiết bị đọc thẻ Thiết bị đọc thẻ (reader) liên lạc với thẻ thông qua anten của nó, đó là một thiết bị riêng biệt được gắn kết vật lý với nó, tại một trong các cổng anten. Như đã nói ở phần trước,một reader độc lập có thể hỗ trợ lên tới bốn cổng anten.Khối phát tín hiệu trên reader sẽ điều khiển anten phát đi tín hiệu RF ra bên ngoài xung quanh nó và nhận về thông tin phản hồi từ thẻ.Do đó anten có một vị trí quan trọng tương đương với reader trong hệ thống RFID. Thông thường trong thực tế anten thường được chế tạo theo cách quấn dây theo dạng hình vuông, hoặc cũng có thể chế tạo theo kiểu các đường mạch PCB. Dưới đây là một số hình ảnh trong thực tế về anten của reader của các hãng chế tạo nổi tiếng. 29 Hình 1.24. Anten UHF phân cực tròn của reader được sản xuất bởi Alien Technology Hình 1.25 Anten UHF phân cực tuyến tính của reader được sản xuất bởi Alien Technology Bây giờ chúng ta sẽ tìm hiểu qua một vài khái niệm rất quan trọng của anten, đó là vùng phủ sóng của anten,sự phân cực của anten và năng lượng của anten. Chú ý rằng , ở đây nói đề cập đến các vấn đề chung về anten ,tức là nó có thể liên quan đến cả anten của thẻ và anten của reader. 1.4.4.1Vùng phủ sóng của anten Vùng phủ sóng của anten reader chính là vùng đọc (cũng được gọi với cái tên khác là ,cửa sổ đọc) của reader đó. Nói chung, vùng phủ sóng của một anten là một miền ba chiều có hình dạng phần nào đó giống với một hình elip tròn xoay. Trong miền này, năng lượng của anten là hiệu dụng nhất; do đó, một reader có thể đọc được một thẻ đặt ở phía trong miền này mà ít gặp khó khăn nhất. Hình dưới minh họa một ví dụ mẫu về vùng phủ sóng của anten. Hình 1.26 Mô hình anten mẫu 30 Hình 1.27 Một ví dụ về mô hình anten có chứa các biến dạng lồi 1.4.4.2 Sự phân cực của anten Không giống như các sóng nước, các sóng điện từ không bị ảnh hưởng bởi lực hấp dẫn , và điện trường tại các điểm có thể trong bất cứ hướng nào trên mặt phẳng vuông góc với hướng truyền. Nên thông thường các anten định hướng phân cực thẳng theo chiều dọc hoặc theo chiều ngang (như minh họa ở hình dưới đây). Hình 1.28 Phân cực tuyến tính Hướng phân cực ủa nó cũng có khả năng phụ thuộc vào thời gian. Ví dụ, trường điện từ có thể xoay xung quanh một trục mà nó lan truyền là một hàm phụ thuộc vào thời gian, nếu như không có sự thay đổi về biên độ của nó, thì sẽ tạo ra một bức xạ phân cực tròn (Như hình dưới đây). 31 Hình 1.29 Phân cực tròn Bức xạ phân cực tròn có thể được coi như là tổng hợp của các sóng phân cực dọc và phân cực ngang có sự sai khác 90 độ về pha. Bằng cách điều chỉnh tỷ lệ của các thành phần ngang và dọc, và mối quan hệ về pha giữa chúng, chúng ta có thể tạo ra các sóng phân cực elip được định hướng tùy ý. Tầm quan trọng của phân cực trong RFID: nhiều anten của các thẻ RFID bao gồm chủ yếu là các đường dây kim loại đi theo cùng một hướng. Nếu như điện trường được định hướng dọc theo dây, thì nó có thể hoạt động để đẩy các electron quay trở lại và tiến về phía trước từ một đầu của dây dẫn tới một dây khác, để tạo ra một điện áp nuôi chip trên thẻ hoạt động. Nếu như điện trường được định hướng vuông góc với trục của dây, thì nó chỉ đơn thuần dich chuyển các electron quay lại và tiến lên trước dọc theo đường kính của dây, thì sẽ không tạo ra điện áp để nuôi chip của thẻ. 32 Hình 1.30 Sóng phân cực tuyến tính tương tác với anten tuyến tính Khi một sóng phân cực tròn đi tới một anten tuyến tính, thì chỉ có các thành phần dọc theo trục của anten là có hiệu ứng nào đó xảy ra. Do đó, một sóng phân cực tròn sẽ tương tác với một anten tuyến tính tại bất cứ góc nghiêng nào trong mặt phẳng vuông góc với trục lan truyền, nhưng trong mọi trường hợp thì chỉ có một nửa năng lượng truyền đi là được nhận. Hình 1.31 Sóng phân cực tròn tương tác với anten tuyến tính Nên cách tiếp cận tốt nhất để chế tạo các thẻ phân cực độc lập là kết hợp hai anten lưỡng cực lên trên một thẻ được định hướng trực giao với một cái khác; các thẻ đó được biết đến như là các thiết kế lưỡng cực đôi (cái này đã nói qua ở phần anten của thẻ). Với các anten của reader chúng ta cần chú ý rằng, khả năng đọc thẻ , khoảng cách đọc thẻ là phụ thuộc rất nhiều vào sự phân cực của anten reader và góc tạo với thẻ.Với các loại reader hoạt động tại các tần số UHF thì các anten của nó được chế tạo dựa trên cả hai kiểu phân cực : phân cực thẳng và phân cực tròn. 1.4.4.3 Năng lượng của anten Đơn vị đo lường năng lượng phát xạ của anten có tên gọi là ERP đối với các nước châu âu và là EIRP đối với Hoa Kỳ. ERP và EIRP không giống nhau nhưng được liên hệ với nhau bởi hệ thức EIRP = 1.64 ERP. Giá trị lớn nhất có thể của năng lượng anten được điều chỉnh giới hạn bởi các quốc gia và quốc tế (ví dụ, là FCC với Hoa Kỳ). 1.4.5Máy chủ và hệ thống phần mềm Máy chủ và hệ thống phần mềm là một cách nói gọn nhằm chỉ các thành phần phần cứng và phần mềm tồn tại riêng biệt với phần cứng RFID (đó là, reader, thẻ, 33 và anten). Nó bao gồm nhiều thành phần, nhưng ở mức độ đồ án này ta chỉ quan tâm đến thành phần middleware . Để có thể thu được lợi ích đầy đủ từ RFID, thì những người thực hiện các giải pháp RFID phải tìm cách để kết hợp dữ liệu RFID vào bên trong các quy trình ra quyết định của họ. Hệ thống các doanh nghiệp công nghệ thông tin là trung tâm của các quy trình đó. Do đó, trừ khi các hệ thống RFID được kết hợp vào bên trong các hệ thống thông tin doanh nghiệp và các tổ chức đầu tư vào RFID thì mới có thể cải thiện được tình hình kinh doanh và hiệu quả tổ chức. Và đó chính là nơi, middleware hướng đến. Middleware là một phần mềm chịu trách nhiệm kết nối phần cứng RFID mới với một hệ thống thông tin doanh nghiệp hiện có. Middleware chính là các công cụ phần mềm giúp người sử dụng làm việc trên các phần cứng RFID.Vì vậy nếu thiếu Middleware thì phần cứng RFID sẽ không bị ảnh hưởng gì cả nhưng nó sẽ trở nên vô giá trị. Middleware còn được sử dụng để định tuyến dữ liệu giữa các mạng RFID và các hệ thống thông tin ở bên trong một tổ chức. Nó thực hiện sáp nhập các hệ thống RFID mới với các hệ thống thông tin hiện có. Nó cũng chịu trách nhiệm về chất lượng và khả năng sử dụng thông tin được tạo ra từ các hệ thống RFID. Một vài middleware còn có chức năng giống như một cảnh sát giao thông , quản lý các luồng dữ liệu giữa nhiều reader và các ứng dụng, chẳng hạn như quản lý dây chuyền cung ứng và kế hoạch về các tài nguyên của ứng dụng, trong một tổ chức. Thuật ngữ middleware đã được áp dụng rất rộng rãi, không chỉ trong RFID mà trong cả nghành công nghệ thông tin, chính vì vậy mà nó đã bắt đầu mất đi nghĩa thực của nó. Không giống với các cách dùng middleware khác, RFID middleware thông thường được thiết kế để hoạt động tại vùng biên của một mạng thông tin hơn là gần vùng trung tâm. Ví dụ, thành phần middleware của một mạng RFID thường được cài đặt sử dụng tại các nhà máy hoặc các kho hàng, không phải tại trung tâm của tổ chức hệ thống thông tin . Điều này đòi hỏi phải sử dụng tới mạng lưới phân phối và sự phân cấp cơ sở hạ tầng thông tin. RFID middleware thực hiện nhiệm vụ dịch chuyển dữ liệu tới và từ các điểm giao dịch. Ví dụ, trong một quy trình đọc thẻ, middleware sẽ dịch chuyển dữ liệu được chứa bên trong một thẻ từ reader tới hệ thống thông tin doanh nghiệp thích hợp. Ngược lại, trong một quy trình ghi lên thẻ, middleware sẽ di chuyển dữ liệu từ hệ thống thông tin doanh nghiệp tới reader thích hợp và cuối cùng tới các thẻ thích hợp. Tóm lại ,RFID middleware có bốn chức năng chính là : • Tập hợp dữ liệu - Middleware sẽ chịu trách nhiệm khai thác, tập hợp và lọc dữ liệu từ nhiều RFID reader thông qua một mạng RFID. Nó phục vụ như một vùng đệm giữa dữ liệu được thu thập bởi các reader RFID và khối lượng dữ liệu cần thiết được yêu cầu bởi các hệ thống thông tin doanh nghiệp trong một quy trình tạo quyết định. Nếu như không sử dụng tới bộ đệm này thì các hệ thống thông tin doanh nghiệp sẽ bị quá tải bởi các luồng dữ liệu, và có thể dẫn đến mất các dữ liệu quan trọng có tính nhạy cảm. • Định tuyến dữ liệu - Middleware tạo điều kiện thuận lợi để kết hợp các mạng RFID với các hệ thống nghiệp vụ doanh nghiệp. Nó thực hiện việc đó bằng cách định hướng dữ liệu tới hệ thống nghiệp vụ doanh nghiệp thích hợp ở 34 bên trong một tổ chức. Ví dụ, một số dữ liệu được tập hợp bởi mạng reader phải được đưa đến để làm đầu vào cho hệ thống quản lý kho hàng để theo dõi hàng tồn kho, trong khi đó các dữ liệu khác phải được đưa đến các ứng dụng khác như ứng dụng đặt hàng hoặc ứng dụng ghi nợ. • Quản lý các quy trình - Middleware có thể được sử dụng để kích hoạt các sự kiện dựa trên cơ sở các quy tắc nghiệp vụ. Ví dụ, một đơn đặt hàng được tạo ra trên trang web của một công ty còn kho hàng thì được đặt ở xa , bao gồm các khay hàng được dán các thẻ RFID. Sau khi đơn hàng đã được thiết lập trên trang web, thì hệ thống thông tin doanh nghiệp sẽ chịu trách nhiệm khởi tạo thông tin vận chuyển và sau đó các thông tin này được chuyển đến middleware, Rồi middleware có nhiệm vụ xác định vị trí khay hàng cần thiết và ghi thông tin vận chuyển đó lên thẻ dán trên khay hàng đó. Các sự kiện và các quá trình khác mà middleware có thể chịu trách nhiệm quản lý như kiểm kê, giấy phép vận chuyển, phiếu vào ,phiếu ra.... . • Quản lý thiết bị - Middleware cũng có thể được sử dụng để giám sát và điều phối các reader. Với một tổ chức lớn thì phải có đến hàng trăm , hàng nghìn các thiết bị reader trên mạng của nó. Nên kết nối mạng và theo dõi tình trạng hoạt động cũng như trạng thái của các reader này là một công việc hết sức quan trọng và có thể thực hiện hiệu quả nhất điều đó là ở mức middleware .Ngoài ra thông qua middleware ta cũng có thể quản lý từ xa một mạng RFID. Nhiều sản phẩm middleware hiện tại là được phát triển dựa trên cơ sở tiêu chuẩn EPCglobal, hoặc biết đến với cái tên là Savant. Các đặc điểm kỹ thuật Savant phân loại các thành phần middleware dựa theo các chức năng mà chúng phục vụ như hình ở bên dưới. (các tiêu chuẩn EPCglobal được nói đến kỹ hơn ở phần các tiêu chuẩn). Hình 1.32 RFID Middleware là một phần của hệ thống RFID và hệ thống thông tin doanh nghiệp 35 1.4.6Cơ sở hạ tầng truyền thông Thành phần này cung cấp khả năng kết nối,khả năng bảo mật và các chức năng quản lý hệ thống cho các thành phần khác nhau của một hệ thống RFID, và do đó nó là phần không thể thiếu của hệ thống. Nó bao gồm dây và mạng không dây, và các kết nối nối tiếp giữa các reader, bộ điều khiển, và máy vi tính. Kiểu mạng không dây ở đây có thể là mạng PAN, mạng LAN hoặc mạng WAN . 1.4.7Các thành phần phụ khác Các thành phần phụ khác nói đến ở đây , bao gồm các cảm biến, thành phần báo hiệu ,bộ truyền động,... Một reader không thể để cho hoạt động tại tất cả các thời điểm; ngoài ra nó có thể được khởi động (hoặc là dừng lại) một cách tự dộng nếu cần . Có đuwocj như vậy là do có một cảm biến được gắn vào reader .Cảm biến này có thể được sử dụng để bật hoặc tắt reader dựa trên cơ sở một vài sự kiện ở bên ngoài được phát hiện bởi cảm biến này. Do đó cảm biến được dùng để tạo ra một vài kích hoạt đầu vào tốt hơn cho reader. Thành phần báo hiệu có thể là một tín hiệu điện tử hoặc là các chỉ thị. Có thể thấy các ví dụ về bộ báo hiệu như các cảnh báo âm thanh, các bó sáng,... Một bó sáng (light stack) bao gồm các chỉ thị có các màu khác nhau được xắp xếp theo thứ tự thẳng đứng và nó rất có ích trong việc hiển thị các trạng thái khác nhau của các thuộc tính khác nhau trong hệ thống . ví dụ, chỉ thị đỏ có nghĩa là không đọc được thẻ hoặc dữ liệu trên thẻ có lỗi ,chỉ thị xanh có nghĩa là không có thẻ đọc... Bộ truyền động là một thiết bị cơ khí được dùng để điều khiển và di chuyển các đối tượng. Các ví dụ của bộ truyền động như PLC (programmable logic controller), robot arm, kết cấu cơ học arm cho một cửa truy nhập,...Trong đó PLC là một trong những bộ truyền động linh hoạt nhất, và PLC được sử dụng rộng rãi trong các kế hoạch chế tạo. Do đó cả bộ truyền động và bộ báo hiệu đều có thể được sử dụng để cung cấp các đầu ra cục bộ khá tốt cho hệ thống RFID,chẳng hạn như các cảnh báo audio- visual trong trường hợp xuất hiện lỗi khi đọc,hoặc mở một cửa truy nhập khi đọc thành công, ...Dưới đây là một hình ảnh về bộ báo hiệu trong thực tế. 36 Hình 1.33 LED nhiều tầng của hãng Patlite Corporation 1.5 Các tiêu chuẩn công nghệ RFID Nhiều tiêu chuẩn công nghệ RFID đã đượcđề xuất từ nhiều tổ chức khác nhau trên thế giới. Để mô tả đầy đủ về các tiêu chuẩn đó , có lẽ phải cần đến cả một cuốn sách về nó. Nên ở đây ta chỉ đề cập sơ qua về một số tiêu chuẩn đang sử dụng ngày nay và được đa số các công ty sản xuất các thiết bị RFID tuân thủ theo. Dưới đây là tên các tiêu chuẩn chính cùng tên các các tổ chức định nghĩa nó đi kèm theo: • ANSI (American National Standards Institute) • AIAG (Automotive Industry Action Group) • EAN.UCC (European Article Numbering Association International, Uniform Code Council) • EPCglobal • ISO (International Organization for Standardization) • ETSI (European Telecommunications Standards Institute) • ERO (European Radiocommunications Office) • UPU (Universal Postal Union) • ASTM (American Society for Testing and Materials) • CEN (Comité Européen Normalisation (European Comite for Standardization ) Bây giờ ta sẽ tìm hiểu sơ qua về hai tiêu chuẩn ANSI và EPCglobal để có cái nhìn tổng quan về chúng. 37 1.5.1 Tiêu chuẩn ANSI ANSI là một tổ chức tư nhân phi lợi nhuận , thường chủ động đề ra các tiêu chuẩn và các hệ thống đánh giá chuẩn của Hoa Kỳ. Nhiệm vụ của viện là nâng cao khả năng cạnh tranh toàn cầu của Hoa Kỳ trong kinh doanh cũng như chất lượng cuộc sống người dân Hoa Kỳ bằng cách thúc đẩy và tạo sự đồng thuận tình nguyện về các tiêu chuẩn, các hệ thống đánh giá, và bảo vệ tính toàn vẹn của chúng. Một vài tiêu chuẩn chính của ANSI về công nghệ RFID mà nó đã được sử dụng trong các ứng dụng thực tế được đề cập dưới đây: • ANS INCITS 371. Thông tin về vị trí của các hệ thống thời gian thực. Cái này bao gồm ba phần như dưới đây: Phần 1. Các giao thức giao tiếp trên không tại dải tần 2.4 GHz. Phần 2. Các giao thức giao tiếp trên không tại dải tần 433 MHz. Phần 3. Giao tiếp với các chương trình ứng dụng. • ANS MH10.8.4. Tiêu chuẩn ANSI cho các ứng dụng RFID với các container bằng nhựa có thể sử dụng lại được. 1.5.2Tiêu chuẩn EPCglobal EPCglobal, Inc, là một liên doanh giữa các tổ chức quốc tế UCC và EAN. Mục đích của EPCglobal là để thiết lập các tiêu chuẩn trên toàn thế giới về thiết kế và triển khai thực hiện thông qua EPC (Electronic Product Code) và EPCglobal Network . Các đặc điểm kỹ thuật EPCglobal nhắm đến mục tiêu là hoạt động của các chuỗi cung ứng và được xem là các đặc điểm kỹ thuật hứa hẹn nhất cho công nghệ RFID trên toàn cầu ,ngoài ra nó cũng có thể áp dụng được cho mảng rất rộng các ứng dụng khác nữa. Dưới đây ta sẽ tìm hiểu qua về EPCglobal Network, cái được xem là thành phần nền tảng của EPCglobal. EPCglobal Network là một tập hợp các công nghệ, có thể cung cấp tự động, nhận dạng thời gian thực và chia sẻ dữ liệu thông minh của một danh mục mặt hàng cả ở bên trong và bên ngoài một doanh nghiệp. Tất cả các cái này rất phù hợp với các hoạt động của một chuỗi cung ứng trong một doanh nghiệp, tuy nhiên nó cũng có thể triển khai được với các kiểu ứng dụng khác nữa. Năm thành phần công nghệ chính tạo nên các tiêu chuẩn EPCglobal Network, bao gồm: • Electronic Product Code (EPC). • Data-collection hardware bao gồm các loại thẻ và reader EPC. Cái này cũng được biết tới như là hệ thống ID. • EPCglobal middleware. 38 • Discovery Services (DS), Ví dụ, ONS (Object Naming Service) là thuộc thành phần này. • EPC Information Services (EPCIS). EPC (Electronic Product Code) là một tấm nhận dạng đã được cấp phép, mà có thể nhận diện được bất kỳ danh mục mặt hàng nào trong một chuỗi cung ứng. Nó rất đơn giản và nhỏ gọn và có thể tạo ra số lượng rất lớn các định danh duy nhất. Đồng thời, nó cho phép đưa vào các mã kế thừa và các tiêu chuẩn cho phù hợp với từng hoàn cảnh cụ thể chẳng hạn như: • Global Trade Identity Number (GTIN). Cái này cung cấp một số EAN-UCC duy nhất trên toàn cầu phục vụ cho việc nhận dạng các sản phẩm và các dịch vụ. • Unique Identification (UID). Cái này được sử dụng để đánh số theo dõi tài sản của Bộ Quốc Phòng Mỹ. • Global Location Number (GLN). Cái này được sử dụng để biểu thị các vị trí, các đối tác thương mại, và các thực thể pháp lý. • Serial Shipping Container Code (SSCC). Cái này được sử dụng để nhận dạng đơn vị vận chuyển chẳng hạn như một khay để hàng,một thùng các tông,... Ngày nay một công ty đang sử dụng mã vạch trong các hoạt động của họ có thể có một cách dễ dàng để chuyển sang sử dụng công nghệ RFID bằng cách dùng EPC. Một mã EPC có thể được sử dụng để xác định các thuộc tính khác nhau của một danh mục mặt hàng, chẳng hạn như: • Phiên bản EPC được sử dụng. • Thông tin nhận dạng nhà sản xuất. • Kiểu sản phẩm. • Chuỗi số duy nhất của danh mục mặt hàng. 1.5.3Tiêu chuẩn ISO ISO là một mạng lưới các viện tiêu chuẩn quốc gia của 146 quốc gia, trên cơ sở mỗi nước là một thành viên, với trung tâm đặt tại Geneva, Thụy Sĩ. ISO là một tổ chức phi chính phủ. ISO có các ủy ban kỹ thuật (Technical Committee-TC) và các hội đồng kỹ thuật chung (Joint Technical Councils -JTC) được tham gia xây dựng các tiêu chuẩn có liên quan đến RFID bao gồm: • ISO JTC1 SC31 • ISO JTC1 SC17 • ISO TC 104 / SC 4 • ISO TC 23 / SC 19 • ISO TC 204 • ISO TC 122 39 Dưới đây là một số tiêu chuẩn ISO có liên quan đến công nghệ RFID mà nó đã được sử dụng trong các ứng dụng thực tế: • ISO 6346. Nhận dạng và đánh dấu mã cước vận chuyển container. • ISO 11784. Tần số vô tuyến xác định cấu trúc mã số nhận dạng động vật sử dụng RFID. Tuy nhiên, nó không chỉ ra bất cứ đặc tính nào của giao thức truyền giữa một thẻ RFID và một reader. 1.6Quyền riêng tư và tính bảo mật trong công nghệ RFID Bây giờ, chúng ta bắt đầu tìm hiểu về vấn đề riêng tư và tính bảo mật trong việc sử dụng các hệ thống RFID và mối quan tâm của người tiêu dùng về công nghệ này. Chúng ta sẽ cùng đi lướt qua các khía cạnh chính của hai vấn đề đó trong hệ thống RFID, lần lượt từ tầng vật lý tới tầng ứng dụng. 1.6.1 Quyền riêng tư Việc kiểm tra trong thực tế các mối đe dọa đến sự riêng tư và an toàn của người dùng từ việc sử dụng các công nghệ RFID là rất quan trọng. Mỗi công nghệ đều mang trong nó một khả năng nào đó, nhưng không được đảm bảo 100%, cũng như không được lạm dụng nó. Ví dụ với việc cấp phép gắn thẻ RFID lên các loại thuốc. Thì với các loại thuốc điều trị cho các bệnh nhân trầm cảm hay các bệnh nhân AID có thể sẽ khiến mọi người rất lo ngại rằng một ai đó có thể tìm ra họ đã sử dụng chúng đơn giản chỉ bằng cách đọc thẻ RFID từ một khoảng cách nào đó. Tuy nhiên, sử dụng cách này có thể giúp loại bỏ tình trạng giả mạo thuốc hết hạn hoặc bán thuốc ra ngoài, hoặc có thể sử dụng tại thời điểm bán để thông báo cho cả dược sĩ và người tiêu dùng về việc đã xảy ra tiêu cực trong giao dịch. Vì vậy cho ta thấy một điều rằng, các mối quan tâm về tính riêng tư nên được cân bằng với các lợi ích của người tiêu dùng. 1.6.1.1 Các biện pháp bảo vệ quyền riêng tư dựa trên luật pháp Nhiều chính phủ hiện đang tranh luận về luật pháp bảo vệ người tiêu dùng về việc sử dụng dữ liệu RFID trong cả hai lĩnh vực công cộng và cá nhân.Tuy nhiên cho dù các bộ luật đặc biệt sẽ được đưa vào để thúc đẩy sự tính riêng tư và bảo mật của RFID đi nữa thì các vấn đề ở đây vẫn chưa được rõ ràng. Mà quan trọng nhất là các chính phủ phải cân bằng được nhu cầu về tính riêng tư của người tiêu dùng cũng như của một người dân với nhu cầu của công ty trong việc thu thập dữ liệu tiếp thị và những lợi ích xã hội nói chung nhờ hiệu quả của việc đưa vào dây chuyền cung ứng sử dụng công nghệ RFID. Một vài dự án luật có liên quan đến bảo vệ tính riêng tư của dữ liệu, đã được giới thiệu trong suốt phiên điều trần thứ 108 của quốc hội Hoa Kỳ. Đại diện tiểu bảng Wisconsin Gerald D. Kleczka đã đề xuất một dự luật yêu cầu phải có các nhãn cảnh báo trên các sản phẩm gia dụng có chứa thiết bị RFID. Đó là dự luật, H.R.4673, đã được giới thiệu dưới tiêu đề là "Opt Out of ID Chips Act". Trong tháng tám năm 2004, Thượng viện tiểu bang California đã thông qua một biện pháp để thiết lập giới hạn sử dụng công nghệ RFID của các thư viện, nhà bán lẻ và các tổ chức tư nhân khác. Được biết đến với cái tên là SB1834, dự thảo luật 40 ngăn cấm các doanh nghiệp và các thư viện ở California sử dụng các thẻ RFID gắn lên sản phẩm tiêu dùng hoặc sử dụng một đầu đọc RFID nhận dạng một cá nhân,trừ trường hợp trong một số hoàn cảnh nào đó. 1.6.1.2 Các biện pháp bảo vệ quyền riêng tư thông qua việc cải tiến công nghệ Các cơ chế và công cụ hạn chế các khả năng giám sát không an toàn hoặc trái phép của các hệ thống RFID có thể nâng cao hiệu quả của các bộ luật và các nguyên tắc về quyền riêng tư. Một số công nghệ được đề xuất như các tiêu chuẩn “kill tag” của EPCglobal và “blocker tag” của RSA Security. Cách tiếp cận với khái niệm “kill tag” là cách đơn giản nhất để tiến tới thúc đẩy sự riêng tư của người tiêu dùng. Trong cách tiếp cận này, người tiêu dùng có thể liên hệ trực tiếp với một nhà bán lẻ nào đó để ra lệnh hủy thẻ RFID được nhúng vào bên trong sản phẩm sau khi đã mua nó. Với phương pháp này có thể bảo vệ các tài sản của họ không bị quét bởi các tần số vô tuyến trái phép. Hạn chế chính của phương pháp “kill tag” đó là , nó giới hạn các đặc tính hữu dụng của công nghệ RFID tại các điểm bán hàng. Nếu như sản phẩm cần phải được trả lại cho cửa hàng sau đó vì một lý do nào đó , thì việc nhận dạng thẻ RFID trên sản phẩm đó vẫn rất cần thiết, và như vậy ta phải thực hiện lại công đoạn tạo thẻ. Ngoài ra với việc thực hiện phương pháp “kill tag” người tiêu dùng sẽ mất nhiều thời gian hơn cho việc mua sắm cũng như sẽ phải xếp hàng dài để chờ đợi hủy thẻ RFID. Còn cách tiếp cận “blocker tag”, được đề xuất bởi tổ chức RSA Security, sử dụng một thẻ đặc dụng gọi là thẻ chặn được thiết kế để gây nhiễu thụ động các reader, khiến chúng không đọc được từ các thẻ RFID bình thường khác. Các thẻ chặn làm việc theo cách làm nhiễu các thuật toán chống xung đột của một reader trong một phạm vi đọc của các thẻ ID. Hình dưới đây sẽ minh họa nguyên tắc hoạt động của nó trong thực tế. Hình 1.34 Nguyên tắc hoạt động của các thẻ blocker 1.6.2 Tính bảo mật Như với bất cứ hệ thống nào, để xác định chiến lược bảo mật với các hệ thống RFID, chúng ta bắt đầu bằng việc khảo sát tất cả truy nhập như thể chúng đang đến 41 từ các tác nhân đe dọa tiềm tàng. Hình dưới đây chỉ ra sơ đồ một hệ thống RFID điển hình có thể chia thành các khu vực bảo mật như thế nào. Hình 1.35 Các khu vực bảo mật của hệ thống RFID 1.6.2.1 Vùng một : Các thẻ RF Vùng một bao gồm bản thân các thẻ RF. Có hai khu vực chính dễ bị tổn thương ,đó là:: • Dữ liệu lưu trữ trên thẻ mà không được mã hóa.Và để thêm vào các điều kiện bảo mật lên thẻ thì cần thiết phải tăng thêm không gian và các khối mạch trên các chip RF. Điều này có nghĩa là giá thành của thẻ sẽ tăng lên ,thời gian xử lý cũng tăng lên. • Không có một cơ chế giám sát vật lý, nên bất cứ ai trên cơ sở có quyền truy cập đến các thẻ thì cũng có thể loại bỏ một thẻ hoặc chuyển đổi các thẻ cho nhau. Nhân tố đe dọa: Các nhân tố đe dọa có thể là bao gồm bất cứ cái gì mà có thể truy nhập vật lý tới thẻ và có thể làm thay đổi nội dung của nó. Và để giải quyết các vấn đề đó , ta có một vài biện pháp đối phó dưới đây: • Thực hiện giám sát các hàng hóa được gắn thẻ RFID. 42 • Yêu cầu kiểm soát nghiêm ngặt các truy nhập tới thông tin có thể lấy được từ một mã EPC. • Tách biệt mã EPC từ bất cứ thông tin nào mà nhạy cảm với các doanh nghiệp và người tiêu dùng. • Chỉ sử dụng các thẻ có khả năng ghi lại được ở tại những nơi thích hợp có kiểm soát truy nhập hợp lý. 1.6.2.2 Vùng hai : Các thiết bị đọc thẻ RFID Các reader RFID thường được kết nối tới một mạng nội bộ bằng cách sử dụng các kết nối có dây hoặc là các kết nối không dây. Các lỗ hổng bảo mật có thể xuất hiện như: • Dữ liệu được truyền từ thẻ tới reader chưa được mã hóa. • Các reader không có cơ chế xác nhận các thẻ. Đó chính là các nguyên nhân dẫn đến sự giả mạo , hoặc các cuộc tấn công DoS, hay tấn công giao thức. Các nhân tố đe dọa: Các nhân tố đe dọa bao gồm bất cứ cái gì được kết nối đến cùng mạng (giống như bất cứ nút mạng nào được kết nối đến một mạng, một reader sẽ được mở tới tất cả các nhân tố đó trên mạng), và bất cứ ai với một thiết bị không dây cùng một chút kiến thức về các giao thức của reader mà có ý đồ xấu. 1.6.2.3 Vùng ba : Tuyến dịch vụ RFID Tuyến dịch vụ RFID là một nhóm các thành phần middleware bao gồm dịch vụ ONS (Object Naming Service), quản lý sự kiện EPC, máy chủ EPCIS, và máy chủ tích hợp RFID. Các lỗ hổng bảo mật: Các thành phần của tuyến dịch vụ RFID liên lạc với các hệ thống thông tin nội bộ của các doanh nghiệp(trên các mạng LAN và WAN) và với đối tác và các hệ thống công nghiệp (trên mạng Internet). Các nhân tố đe dọa: Các nhân tố đe dọa bao gồm các điệp viên của các công ty, các đại lý gián điệp, và các kẻ xâm nhập bất hợp pháp. 1.6.2.4 Vùng bốn : Các hệ thống thông tin doanh nghiệp Các hệ thống thông tin doanh nghiệp bao gồm các hệ thống của công ty chẳng hạn như, hệ thống quản lý nhận dạng, hệ thống điều khiển truy nhập, các hệ thống gửi thông báo, và tất cả các hệ thống phụ trợ mà sẽ trở thành khách hàng của dữ liệu RFID. Các hệ thống phụ trợ ở đây là bao gồm các hệ thống ERP. 43 Các lỗ hổng bảo mật : Các giao dịch và khối lượng dữ liệu cần thiết của các hệ thống RFID có thể áp đảo các cơ sở hạ tầng mạng hiện có. Các công ty có thể phải đối mặt với các tình huống cần lưu trữ bất ngờ hoặc các thông tin nhạy cảm. Các tác nhân đe dọa : Các tác nhân đe dọa bao gồm các gián điệp của các công ty, và những kẻ xâm nhập trái phép. 1.7 So sánh giữa công nghệ RFID và công nghệ mã vạch Một mã vạch là một loạt các sọc đen , trắng nối tiếp nhau với các chiều rộng giữa chúng khác nhau, sao cho tạo thành một định dạng mà máy móc có thể hiểu được. Mã vạch là một công nghệ quang điện tử, trong đó ánh sáng laser sẽ phản xạ trở lại các biểu tượng mã vạch và sau đó các biểu tượng này sẽ được đọc bởi một máy quét. Các biểu tượng mã sản phẩm phổ biến ở khắp nơi (UPC) là hình thức của mã vạch mà đã thân thiện với nhiều người. Nghiên cứu về mã vạch đã bắt đầu trước đó từ rất lâu trước khi nổi nên các tiêu chuẩn UPC.Tuy nhiên, mãi tới năm 1952, hai nhà nghiên cứu tại IBM đã được trao bằng sáng chế đầu tiên cho công nghệ nhận dạng tự động .Mãi tới những năm sáu mươi , mới xuất hiện hệ thống thương mại hóa đầu tiên ,nhưng chủ yếu sử dụng ở các ga đường sắt để vận chuyển hàng hóa và sản phẩm. Sau đó ,trong những năm đầu tiên của thập kỷ bẩy mươi, một tập đoàn tạp hóa của Hoa Kỳ đã triệu tập một ủy ban đặc biệt để đánh giá công nghệ mã vạch, với mục đích là triển khai nó trong các chuỗi siêu thị trên khắp cả nước như là một phương tiện để giảm chi phí lao động, cải thiện tốc độ tính tiền và theo dõi hàng tồn kho. Vào năm 1973 ,các tiêu chuẩn UPC ra đời từ các nỗ lực trên và trở thành định hướng chính trong việc triển khai công nghệ mã vạch. Tăng trưởng của các cửa hàng tạp hóa đã giảm trong suốt những năm bảy mươi. Đây không phải do lỗi của các cửa hàng tạp hóa, mà phần lớn là do các công ty cung cấp đã sản xuất ra các sản xuất ra các sản phẩm với tốc độ rất chậm do còn phải bao gồm thêm các biểu tượng mã vạch trên bao bì đóng gói. Và trong năm 1978, thì cách đánh mã đã được cải thiện mạnh mẽ và các hệ thống quét mã vạch cũng bắt đầu xuất hiện phổ biến. Sau đó, vào năm 1981, DoD khởi tạo chương trình LOGMARS , trong đó yêu cầu tất cả các sản phẩm bán cho quân đội phải được đánh dấu 39 biểu tượng mã mà sau này đã trở thành một tiêu chuẩn mã khác song hành cùng tiêu chuẩn UPC. Dưới đây là hình ảnh một số mã vạch trong thực tế. Hình 1.36 Một mã vạch theo tiêu chuẩn UPC 44 Hình 1.37 Mã vạch theo tiêu chuẩn Code39 Thiết bị đọc mã vạch cũng được gọi là máy quét sẽ sử dụng một chum ánh sáng để quét ngang qua mã vạch. Nói chung hướng quét không liên quan nhiều đến kết quả cuối cùng. Tuy nhiên, trong suốt quá trình quét, chum sang không được di chuyển ra ngoài khu vực mã vạch. Do đó, nói chung, khi tăng chiều dài mã vạch thì cũng có nghĩa là tăng chiều cao của máy quét để phù hợp với độ lệch lớn hơn của chùm sáng ở bên ngoài khu vực mã vạch trong suốt quá trình quét. Trong suốt quá trình đọc, thiết bị đọc phải định lượng cường độ của chum sang phản xạ trở lại bởi các khu vực đen và trắng cho mã vạch đó. Là do bởi một thanh tối sẽ hấp thụ ánh sáng, còn một khoảng trắng sẽ phản xạ ánh sang trở lại. Một thiết bị điện tử được gọi là photodiode hoặc photocell sẽ chuyển đổi mô hình sang này thành một dòng điện (hoặc là tín hiệu tương tự). Các mạch điện sau đó sẽ giải mã các tín hiệu điện này thành các tín hiệu số. Dữ liệu này là những gì mà ban đầu được mã hóa bởi mã vạch. Các dữ liệu số thu được được biểu diễn dưới dạng các ký tự ASCII. Hình dưới đây mô tả các quy trình đọc mã vạch. 45 Hình 1.38 Các bước đọc một mã vạch Trong mã vạch, chùm ánh sang laser được sử dụng như là các sóng mang dữ liệu. Ngược lại, các thẻ RFID nói chung thường sử dụng các sóng vô tuyến để mang thông tin. Do đó mã vạch được đề cập tới như một công nghệ quang điện tử còn RFID thì được gọi là công nghệ RF. Dưới đây là các so sánh chi tiết giữa một thẻ RFID và một mã vạch. Kích thước bộ nhớ, hay là khu vực lưu trữ dữ liệu : Các mã vạch chỉ có thể chứa một lượng hữa hạn dữ liệu. Các thẻ nhỏ nhất, về lưu trữ dữ liệu, là các biểu tượng E của chuẩn UPC, mà chỉ lưu giữ được tám ký tự; chỉ là một vài byte. Tại nơi đối diện với vị trí cuối của quang phổ, ma trận dữ liệu theo tiêu chuẩn mã vạch cho phép lưu trữ lên tới 2000 ký tự ASCII, trên một thẻ hai chiều, như chỉ ra ở hình dưới đây.Chú ý là thuật ngữ thẻ sử dụng ở đây khác với trong công nghệ RFID. Hình 1.39 Ma trận dữ liệu biểu tượng mã vạch Các thẻ RFID có khả năng lưu giữ thông tin nhiều hơn rất nhiều. Mặc dù các thẻ RFID có thể được chế tạo với các bộ nhớ nhỏ hơn để lưu giữ chỉ một vài byte, 46 nhưng với vị trí hiện tại của công nghệ có thể đạt giới hạn lên tới 128 Kilo byte, lớn hơn rất nhiều so với các biểu tượng mã vạch. Khả năng đoc/ ghi : Mã vạch không thể sửa đổi được một khi chúng đã được in ra, do đó mã vạch được biết tới là một công nghệ RO. Ngược lại, các thẻ RFID RW , lại có cả khả năng đọc và ghi tới bộ nhớ, và số lần định dạng thẻ trong suốt quãng đời tồn tại của nó có thể lên tới hàng nghìn lần, đây cũng là một phần đã khiến cho công nghệ RFID trở nên mạnh mẽ như vậy. Không cần đường ngắm : Một ưu thế khác của công nghệ RFID so với các mã vạch là các hệ thống RFID không cần đến một đường ngắm giữa một thẻ và thiết bị đọc để có thể làm việc đúng. Bởi vì các sóng vô tuyến có khả năng lan truyền qua nhiều chất liệu rắn khác nhau, tức là hiệu quả đọc với các thẻ RFID nằm sâu ở bên trong một khay hàng không kém là bao so với các thẻ nằm trực tiếp trên đường ngắm. Nhưng với mã vạch thì khác, các mã vạch phải nằm trên đường ngắm của máy quét thì nó mới hoạt động đúng được. Điều này có nghĩa là các mã vạch phải được đặt ở bên ngoài bao bì cũng như các đối tượng được gắn thẻ không được đặt ở sâu bên trong khay hàng trong quá trình đọc. Trong các ứng dụng quản lý chuỗi cung ứng, trong hầu hết các thời điểm đều có một số lượng lớn hàng hóa di chuyển, nên rất khó để có được một đường ngắm của máy quét với một hàng hóa cụ thể. Đây chính là ưu điểm lớn của công nghệ RFID so với công nghệ mã vạch. Phạm vi đọc : Phạm vi đọc của mã vạch có thể có được một khoảng khá dài. Thông thường các phạm vi đọc đó có giá trị vào khoảng cỡ vài chục cm. Tuy nhiên các phạm vi đọc của các thẻ RFID lại có một khoảng thay đổi khá rộng, phụ thuộc vào tần số hoạt động của hệ thống, kích thước anten và thẻ đang sử dụng là thẻ tích cực hay thẻ thụ động. Thông thường, các phạm vi đọc của các thẻ RFID có thể chạy từ vài cm tới vài mét. Tính bảo mật truy nhập : Dữ liệu mã vạch có tính bảo mật rất thấp. Bởi vì các mã vạch cần thiết phải có một đường ngắm nên phải được đặt rỡ ràng ở bên ngoài bao bì, do đó bất cứ ai với một máy quét mã vạch chuẩn hoặc chỉ với một chiếc camera cũng có thể xem trộm hoặc ghi lại dữ liệu trên đó. Nhưng với các hệ thống RFID thì lại được cung cấp một mức bảo mật cao hơn rất nhiều. Như đã đề cập ở các phần trước, các hệ thống RFID có khả năng ngăn chặn các bên thứ ba, để hạn chế truy nhập trái phép tới hệ thống, và để bảo vệ dữ liệu nhạy cảm. Độ bền, tính nhạy cảm với môi trường : Công nghệ RFID có khả năng chịu đựng tốt hơn với bụi bẩn và môi trường khắc nghiệt so với công nghệ mã vạch. Các mã vạch có thể sẽ không đọc được nếu như chúng bị bao phủ bởi bụi bẩn, hoặc là bị rách nát. Ngoài ra trong một môi trường với ánh áng cường độ cao cũng có thể gây trở ngại cho máy quét mã vạch mà tồi tệ hơn là không thể đọc được các mã vạch. Riêng với công nghệ RFID thì các vấn đề này không ảnh hưởng gì nhiều tới nó. Khả năng đọc ổn định : Trong các ứng dụng chuỗi cung ứng, đọc chính xác ngay lần đầu sản phẩm đi qua nó là rất quan trọng để duy trì hiệu quả hoạt động cao. Với các mã vạch thì thường phải được qua hệ thống tới hai lần hoặc thực hiện đọc bằng tay. Rõ ràng như vậy rất bất tiện và ảnh hưởng nhiều tới hoạt động chung của toàn hệ thống. Với các hệ thống RFID, thông qua các thuật toán chống xung đột và các tính năng RW , có thể loại bỏ được việc sản phẩm phải quét nhiều lần mới thu được thành công dữ liệu. 47 Giá thành : Rào cản lớn nhất ngăn cản sự tăng trưởng của công nghệ RFID chính là chi phí cho các thẻ. Trong khi mã vạch thường có giá dưới 0.01 đô la thì chi phí hiện tại cho một thẻ thụ động với phạm vi đọc vài cm là cao hơn rất nhiều. 1.8 Kết luận Như vậy ở chương này ta đã đi tìm hiểu qua về các kiểu thẻ RFID, các loại reader cũng như hoạt động của một hệ thống RFID trong thực tế. Tuy chỉ tìm hiểu ở mức độ sơ sài ,song đây sẽ là những kiến thức cơ sở cần thiết để chúng ta có thể đi vào thiết kế một thống quản lý bệnh nhân ở chương sau. Ngoài ra , chúng ta cũng đã có thêm những kiến thức hiểu biết về quyền riêng tư và tính bảo mật của công nghệ RFID. Nó rất có ích với mỗi người tiêu dùng chúng ta trong việc sử dụng các hệ thống RFID công cộng như ở các siêu thị chẳng hạn .Cũng như rất có ích với với các nhà phát triển , giúp họ biết cách đối phó với các lỗ hổng bảo mật. 48 CHƯƠNG 2 THIẾT KẾ HỆ THỐNG QUẢN LÝ BỆNH NHÂN Ở chương này đây ta sẽ bắt đầu đi vào thiết kế một hệ thống quản lý bệnh nhân hoàn chỉnh ở mức độ thử nghiệm. Hệ thống sẽ bao gồm một reader ,một thẻ RFID chuẩn, một laptop có cài đặt trên đó một phần mềm quản lý viết bằng visual C sharp và reader sẽ giao tiếp với laptop thông qua chuẩn giao tiếp USB2.0. Để có thể triển khai được hệ thống trong thực tế, thì mỗi bệnh nhân khi nhập viện phải được đeo vào tay một chiếc vòng mà trên đó có gắn thẻ RFID.Thẻ RFID đơn giản chỉ gồm có một chip nhỏ và một anten kèm theo,nội dung bên trong chip đó chỉ chứa mã số của bệnh nhân. Còn người bác sĩ sẽ được trang bị một thiết bị đọc thẻ (hay còn gọi là reader) và một laptop hoặc PDA có cài đặt sẵn phần mềm quản lý được viết bằng visual C sharp. Reader sẽ được nối với laptop qua một cáp USB để truyền kết quả về laptop. Đầu tiên ,mỗi bệnh nhân sẽ để tay mình gần Reader.Thiết bị này sẽ thực hiện đọc mã số của bệnh nhân và truyền mã số này về laptop qua đường USB.Phần mềm trên laptop dựa vào mã số đó để truy cập cơ sở dữ liệu bệnh nhân và hiển thị thông tin cá nhân cũng như thông tin bệnh án của người bệnh đó.Sau mỗi lần thăm khám như vậy ,bác sĩ cũng sẽ cập nhập thông tin điều trị mới vào cơ sở dữ liệu. 2.1 Giao tiếp giữa thẻ thụ động EM4100 và chip EM4095 Đối tượng được sử dụng cần phải nhận dạng ở đây là thẻ thụ động EM4100 của hãng EM microcontroller. Còn thành phần sử dụng để nhận dạng trên reader của ta sẽ là chip EM4095 của cùng hãng trên.Nhiệm vụ của chúng ta sẽ là điều khiển giao tiếp giữa chip EM4100 trên thẻ thụ động đó và chip EM4095 để thu về kết quả cuối cùng là mã số ghi trên chip EM4100 của thẻ 2.1.1 Hoạt động của chip EM4095 Chip EM4095 (trước đây có tên gọi là P4095) là một bộ thu phát công nghệ mạch tích hợp CMOS với mục đích sử dụng trong một trạm RFID cơ sở để thực hiện các chức năng sau: • Điều khiển anten với tần số của sóng mang • Thực hiện điều chế AM để có thể ghi lên transponder • Thực hiện giải điều chế AM của tín hiệu điều chế anten được tạo ra bởi các bộ phát đáp (transponder). Ngoài ra chúng ta cũng cần biết thêm về các đặc trưng chính của chip RFID: • Có tích hợp hệ thống PLL để tự điều chỉnh được tần số sóng mang tới tần số dao động anten. • Không cần tới thạch anh dao động bên ngoài chỉ yêu cầu phạm vi tần số sóng mang từ 100 to 150 kHz. • Điều khiển trực tiếp anten sử dụng các bridge driver 49 • Truyền dữ liệu bằng OOK (điều chế biên độ 100%) sử dụng các cầu điều khiển • Truyền dữ liệu bằng cách điều chế biên độ với hệ số điều chỉnh điều chế có thể thay đổi được từ bên ngoài bằng cách dùng single ended driver • Hỗ trợ nhiều giao thức transponder thích hợp (Ví dụ: EM400X, EM4050, EM4150, EM4070, EM4170,EM4069….) • Có chế độ “ngủ” tại mức 1μA • Thích hợp với phạm vi nguồn năng lượng USB nên dễ dàng hơn trong thiết kế Reader sử dụng luôn nguồn năng lượng từ đường USB của máy tính. • Chịu được phạm vi nhiệt độ từ 40 tới 85°C • Có kiểu đóng gói nhỏ gọn Dưới đây là sơ đồ kí hiệu các chân đóng gói và mô tả các chức năng tương ứng của chúng: Bảng 2.1 Chức năng của các chân trên chip EM4095 Pin Tên Mô tả chức năng Kiểu 1 Vss Điện áp đất GND 2 RDY/CLK Cờ trạng thái sẵn sàng và đầu ra xung, điều khiển điều chế AM O 3 ANT1 Điều khiển anten(nối với anten) O 4 Dvdd Cực dương nguồn năng lượng dùng để điều khiển anten PWR 5 Dvss Cực âm nguồn năng lượng dùng để điều khiển anten GND 6 ANT2 Điều khiển anten(nối với anten) O 7 VDD Cực dương nguồn năng lượng nuôi chip PWR 8 DEMOD_IN Cảm biến điện áp của anten ANA 9 CDEC_OUT ANA 10 CDEC_IN ANA 11 AGND ANA 12 MOD IPD 13 DEMOD_OUT Tín hiệu số mà được biểu diễn dưới dạng tín hiệu điều chế AM trên anten O 14 SHD Một điện áp mức cao sẽ đưa mạch vào trạng thái ngủ IPU 15 FCAP ANA 16 DC2 ANA Ghi chú: GND: nối đất PWR: nguồn cung cấp ANA: tín hiệu tương tự O: đầu ra 50 Chip EM4095 thường được sử dụng kèm theo với một khối mạch anten và một vi điều khiển như PIC,8051,...Ngoài ra cũng có thể yêu cầu phải có thêm các thành phần bên ngoài ,như thành phần lọc RF, cảm ứng dòng điện,... Hoạt động của chip được điều khiển bởi các mức logic của các đầu vào SHD và MOD. Khi SHD là mức cao ‘1’ thì chip đi vào trạng thái “ngủ” ,lúc này dòng tiêu thụ ở mức thấp nhất. Khi SHD là mức thấp ‘0’ thì mạch được kích hoạt để phát xạ trường RF, và nó bắt đầu giải điều chế bất cứ tín hiệu AM nào mà nó gặp trên anten. Sau khi qua khối giải điều chế AM ,tín hiệu số này được đưa đến chân DEMOD_OUT để tới vi điều khiển nhằm phục vụ cho việc giải mã và xử lý. Còn dưới đây là sơ đồ các khối bên trong của chip EM4095: Hình 2.1 Sơ dồ các khối bên trong chip EM4095 Dễ nhận thấy với chip EM4095 thì các thành phần chính sẽ là các khối tương tự, mà nhiệm vụ của chúng là thự hiện hai chức năng chính của một trạm RFID cơ sở , đó là: truyền đi và thu nhận. Công việc truyền đi được thực hiện bằng việc điều khiển anten và điều chế biên độ của trường RF. Ở đó, anten điều khiển chuyển một dòng vào bên trong trường điện từ được sinh ra bên ngoài anten. Còn công việc thu nhận được thực hiện bằng giải điều chế AM của tín hiệu thu được trên anten phát đi từ thẻ. Các trình điều khiển : Các trình điều khiển của anten cung cấp năng lượng thích hợp cho anten của trạm cơ sở reader. Chúng cung cấp dòng điện tại tần số cộng hưởng hiện tại mà thông thường là 125 kHz. Dòng điện được cung cấp bởi các trình điều khiển phụ thuộc vào hệ số chất lượng Q của mạch cộng hưởng ở bên 51 ngoài.Chúng ta cần chú ý nên thiết kế mạch anten theo một cách nào đó sao cho giá trị lớn nhất của dòng điện tại đỉnh không bao giờ được phép vượt quá 250 mA. PLL (Phase locked loop) : PLL bao gồm bộ lọc vòng lặp, VCO, và các khối so sánh pha. Bằng cách sử dụng một bộ chia điện dung ở bên ngoài, chân DEMOD_IN của chip sẽ lấy được thông tin về tín hiệu điện áp cao trên anten trong thực tế. Pha của các tín hiệu này được so sánh với tín hiệu điều khiển bởi các trình điều khiển của anten. Do đó PLL có thể chặn các tần số sóng mang để không cho nó làm ảnh hưởng đến tần số cộng hưởng của anten. Phụ thuộc vào kiểu anten mà tấn số cộng hưởng của hệ thống có thể là bất cứ giá trị nào trong phạm vi từ 100 kHz tới 150 kHz. Bất cứ khi nào tần số cộng hưởng ở trong phạm vi này thì nó sẽ được duy trì bởi PLL. Khối tiếp nhận: Sự giải điều chế tín hiệu đầu vào cho khối tiếp nhận được thực hiện bởi cảm biến điện áp ở trên anten. Ngoài ra chân DEMOD_IN cũng được sử dụng như là một đầu vào của khối tiếp nhận. Chú ý rằng mức độ tín hiệu trên đầu vào DEMOD_IN phải thấp hơn VDD-0.5V và cao hơn VSS+0.5V. Mức độ tín hiệu đầu vào đó có thể được điều chỉnh bằng cách sử dụng một khối chia điện kháng ở phía bên ngoài. Ngoài ra , điện dung phân chia phải được điều hòa theo một tụ điện cộng hưởng nhỏ hơn. Phương án thực hiện giải điều chế tín hiệu AM mà ta sử dụng ở đây là dựa trên kỹ thuật "Giải điều chế đồng bộ AM". Khối tiếp nhận bao gồm bộ lấy mẫu và lưu trữ mẫu, bộ loại bỏ thành phần một chiều, bộ lọc dải và bộ so sánh. Điện áp một chiều của tín hiệu trên chân DEMOD_IN được thiết lập bởi AGND bằng một điện trở ở bên trong. Sau đó tín hiệu AM được lấy mẫu, việc lấy mẫu được đồng bộ hóa bởi một xung phát ra từ VCO. Bất cứ thành phần một chiều nào cũng sẽ được loại bỏ khỏi tín hiệu bằng cách sử dụng tụ điện CDEC. Hơn nữa để lọc bỏ tín hiệu sóng mang còn dư thừa, thì các tần số nhiễu cao và thấp phải được tạo ra bởi bộ lọc thông cao thứ hai và tụ điện CDC2. Tín hiệu nhận được từ bộ khuyếch đại và bộ lọc sẽ được đưa tới bộ so sánh bất đồng bộ. Đầu ra bộ soa sánh là được đệm trên chân đầu ra của chip là DEMOD_OUT. Tín hiệu RDY/CLK :Tín hiệu này được cung cấp bởi bộ vi xử lý ở bên ngoài với tín hiệu xung sẽ được đồng bộ hóa với tín hiệu trên ANT1và với thông tin về trạng thái bên trong của EM4095. Tín hiệu xung đồng bộ với ANT1 cho biết rằng PLL đã được khóa và thời điểm hoạt động của khối tiếp nhận đã được thiết lập. Khi SHD là mức cao thì chân RDY/CLK bắt buộc phải ở mức điện áp thấp. Sau sự chuyển đổi từ mức cao về mức thấp trên SHD thì khối PLL sẽ được khởi động, và do đó khối tiếp nhận lại được khóa lại. Sau khoảng thời gian TSET thì khối PLL lại được khóa và thời điểm hoạt động của khối tiếp nhận lại được thiết lập. Tại thời điểm này , cùng một tín hiệu sẽ được truyền tới ANT1và cũng được đặt tới chân RDY/CLK để cho biết rằng bộ vi xử lý có thể bắt đầu giám sát tín hiệu ở trên DEMOD_OUT và đưa ra tín hiệu xung tham chiếu tại cùng thời điểm đó. Xung trên chân RDY/CLK là liên tục, nó cũng xuất hiện trong suốt thời gian các điều khiển ANT tắt do chân MOD được đặt ở mức cao. Trong suốt khoảng thời gian TSET sự chuyển dịch từ mức cao xuống mức thấp của chân SHD cũng khiến cho chân 52 RDY/CLK bị “kéo xuống” bởi các điện trở kéo100 kΩ. Đây là một trong những chức năng được thêm vào của chân RDY/CLK trong trường hợp điều chế AM với chỉ số thấp hơn 100%. Trong trường hợp đó nó được sử dụng như là một trình điều khiển phụ trợ dùng để giữ cho biên độ trên cuộn dây thấp hơn trong suốt quá trình điều chế. Hình 2.2 Cấu hình EM4095 chế độ chỉ đọc Hình 2.3 Cấu hình EM4095 chế độ đoc/ ghi (với hệ số chất lượng Q thấp) 53 Hình 2.4 Cấu hình EM4095 chế độ đọc/ ghi (với hệ số chất lượng Q của anten cao) Hình 2.5 Cấu hình EM4095 chế độ đọc/ ghi (điều chế AM) 2.1.2 Hoạt động của thẻ thụ động EM4100 Thẻ EM4100 (trước đây có tên gọi là H4100) là một mạch tích hợp công nghệ CMOS được dùng trong các mạch điện tử RF Transponder chỉ có chức năng đọc. Mạch còn bao gồm thêm một cuộn dây ngoài được đặt ở trong một trường điện từ, và lấy các xung tín hiệu gốc cũng từ cùng trường đó qua một trong các cuộn dây nguồn. Bằng cách bật hoặc tắt dòng điều chế, chip sẽ gửi trở lại 64 bit thông tin được chứa ở bên trong một mảng bộ nhớ đã được lập trình trước.Công việc lập trình cho chip được thực hiện bằng tia laser để làm tan chảy các liên kết pol