Đề tài Xây dựng hệ thống RFID dải tần LF

Xây dựng hệ thống RFID dải tần LF LỜI NÓI ĐẦU Được sự quan tâm ủng hộ của cô giáo TS. Nguyễn Thúy Anh, ngay từ năm học thứ tư (2008) em đã được tham gia nghiên cứu và tìm hiểu về các hệ thống xử lý tín hiệu số cùng những ứng dụng thực tiễn đi kèm như hệ thống định vị GPS, hệ thống đèn giao thông thông minh... Trong hơn một năm qua, em đã được tiếp xúc với nhiều công nghệ mới và những kiến thức chuyên ngành bổ ích. Sau quá trình nghiên cứu, nhận thấy được sự tiến bộ cũng như tiềm năng của công nghệ nhận dạng RFID (Radio Frequency Identification), được sự khích lệ động viên của cô giáo Nguyễn Thúy Anh, em đã mạnh dạn chọn đề tài “Thiết kế hệ thống RFID trong dải tần LF“ làm đồ án tốt nghiệp của mình. Qua đây, em xin bày tỏ cảm ơn sâu sắc trước sự hướng dẫn tận tình của cô giáo TS.Nguyễn Thúy Anh và thầy giáo TS.Nguyễn Hữu Trung trong suốt thời gian thực hiện đồ án tốt nghiệp này. Đồng thời, em cũng xin gửi lời chân thành cảm ơn tới các anh khóa K47 trong nhóm phát triển công nghệ đã giúp đỡ em các kiến thức thực tiễn để hoàn thành tốt đồ án tốt nghiệp này. Có được những kinh nghiệm và kiến thức quý báu để thực hiện đồ án cũng như để chuẩn bị hành trang bước vào cuộc sống, em luôn ghi nhớ và cảm ơn về sự giảng dạy tận tình, sự ân cần quan tâm của các thầy cô giáo trong Khoa Điện Tử Viễn Thông - Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội trong suốt thời gian vừa qua. Em cũng xin gừi lời cảm ơn tới bạn bè, người thõn đã giúp đỡ động viên em trong quá trình hoàn thành đồ án tốt nghiệp của mình. Hà Nội, ngày… tháng… năm ... TÓM TẮT NỘI DUNG Công nghệ RFID là một công nghệ khá mới, đặc biệt là ở Việt Nam. Tuy nhiên, có thể khẳng định rằng: những ứng dụng mà nó mang lại giúp ích rất nhiều trong đời sống và cho sự phát triển của khoa học kỹ thuật. Hiện nay, kỹ thuật RFID được ứng dụng trên thế giới có thể được chia làm hai ứng dụng: một là ứng dụng đóng (close application) và ứng dụng mở (open application). Trong đó ứng dụng đóng thường được dùng trong công nghiệp hay trong các hệ thống bảo mật còn ứng dụng mở thường được dùng trong các hệ thống phục vụ nhu cầu xã hội như quản lý thư viện hay hàng húa… Đồ án có cấu trúc gồm bốn chương giúp cho người đọc có một cái nhìn tổng quan về công nghệ RFID trong dải tần 125 KHz. Kỹ thuật RFID là kỹ thuật sử dụng sóng radio để trao đổi thông tin giữa hai bộ phát và thu. Trong đó cấu trúc thẻ gồm ba lớp được thiết kế đặc biệt có cấu trúc như một bộ phỏt siờu mỏng để giao tiếp với đầu đọc (reader). Dải tần số RFID dùng khá rộng bao gồm các dải tần LF, HF và UHF. Tùy từng mục đích cụ thể mà các nhà nghiên cứu lựa chọn dải tần thích hợp cho ứng dụng của mình. Trong những ứng dụng quản lý con người hay tài sản, ứng dụng phổ biến là việc quản lý truy nhập trong các hệ thống vào ra hay bảo mật. Nhận biết được nhu cầu đó, đồ án tập trung vào nghiên cứu và xây dựng hệ thống truy nhập ứng dụng công nghệ RFID ở dải tần LF ( tần số 125 Khz ). Tại tấn số 125Khz, hệ thống sử dụng chip reader EM4095 (IC đọc tín hiệu) với phạm vi từ 5cm - 10cm. Phần cuối của đồ án tốt nghiệp nêu ra các kết quả thực nghiệm và đánh giá kết quả thu được. ABSTRACT In recent years automatic identification procedures (Auto-ID) have becom very popular in many service industries, purchasing and distribution logistics, industry, manufacturing companies and material flow systems. Automatic identification procedures exist to provide information about people, animals, goods and products in transit. A contactless transfer of data between the data-carrying device and its reader is far more flexible. In the ideal case, the power required to operate the electronic data-carrying device would also be transferred from the reader using contactless technology. Because of the procedures used for the transfer of power and data, contactless ID systems are called RFID systems (Radio Frequency Identification). RFID really is a new techonogy, specially in Vietnam. There are many applications with RFID used in the worl. Nowadays, RFID is divided to 2 applycations : the close application and the open application. The close application is used in Industry or the secret system and the open application is used in demand of society such as library. These are the major contents of the project: Chapter 1 : RFID techology and system This chapter help us to see a basic of RFID techonogy . Chapter 2 : Standards in RFID and applycations There are many standards about RFID in the word. So, this chapter held for us to understand the most popular standards. Chapter 3 : constructing RFID system in LF. Chapter 4 : Summing up DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT STT Thuật ngữ 1 RFID Radio Frequency Identification (Nhận dạng bằng sóng radio) 2 ATM Automatic Teller Machine (Máy thông báo tự động) 3 AC Alternating Current (Dòng xoay chiều) 4 DC Direct Current (Dòng môt chiều) 5 RO Read Only (Chế độ chỉ đọc) 6 RW Read Write (Chế độ ghi và đọc) 7 WORM Write Once Read Many (Chế độ ghi một lần đọc nhiều lần) 8 CRC Cyclic Redundancy Check (Thuật toán CRC) 9 ID Identification (Nhận dạng) 10 CMOS Complementary Metal-Oxide Semiconductor (Vi mạch tích hợp) 11 EEPROM Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory (Bộ nhớ vật lý ghép ngoài chỉ đọc) 12 ISO International Organization for Standardization (Tiêu chuẩn của tổ chức quốc tế) 13 EPC Electrical Product Code (Mã điện tử của sản phẩm) 14 HDX Half Duplex (Phương thức truyền bán song công) 15 FDX Full Duplex (Phương thức truyền song công) 16 SEQ Sequential (Truyền tuần tự) 17 LF Low frequency (Tần số thấp) 18 HF High frequency (Tần số cao) 19 AM Amplitude Modulation (Điều biên) 20 OOK On-off Keying 21 ASK Amplitude Shift Keying (Điều chế biên độ) 22 FSK Frequency Shift Keying (Điều chế tần số) 23 PSK Phase Shift Keying (Điều chế pha) 24 FCC Federal Communications Commision (Ủy ban viễn thông liên bang) 25 DOC Department of Communication (Bộ viễn thông) 26 VICC Vicinity card (Họ thẻ, tập hợp các thẻ có cùng tính chất) 27 DST Digital Signature Transponder (Bộ phát đáp dấu hiệu số) 28 RSSI Received singal sthength indicator (Tín hiệu chỉ thị độ lớn tín hiệu thu) 29 SOF Start of frame (Bắt đầu một khung) 30 EOF End of frame (Kết thúc một khung) MỞ ĐẦU Trong vài năm gần đây thủ tục nhận dạng tự động (Auto-ID) đã trở nên rất phổ biến trong nhiều dịch vụ công nghiệp, trong công việc liên quan tới thu thập và phân loại sản phẩm, trong công nghiệp, trong các công xưởng sản xuất và hệ thống phân phối sản phẩm. Thủ tục nhận dạng tự động đó giỳp chúng ta thoát khỏi việc phải cung cấp thông tin và vất vả kiểm tra về con người, động vật, và các sản phẩm trong quá trình lưu chuyển. Các biểu tượng mã vạch có ở khắp nơi làm nổ ra cuộc cách mạng trong việc xác định các hệ thống trong khoảng thời gian lớn, khiến cho không đáp ứng đủ nhu cầu khi số lượng gia tăng quá lớn của các mã vạch. Mã vạch có thể thực sự rất rẻ, nhưng điểm sai lầm là số lượng lưu trữ thấp và thực tế là chúng không thể lập trình lại hay sửa lại được. Giải pháp tối ưu nhất là lưu trữ dữ liệu trong chip silicon. Thông thường các thiết bị mang dữ liệu dưới dạng tín hiệu điện được sử dụng trong cuộc sống là các thẻ thông minh tích hợp cỏc vựng tiếp xúc (thẻ điện thoại đa năng, thẻ tài khoản ngân hàng, …). Tuy nhiên, tiếp xúc cơ đơn thuần sử dụng trong thẻ thông minh thường không thực tế, nhu cầu trao đổi dữ liệu giữa thiết bị nhận và phát không cần tiếp xúc còn lớn hơn. Trong chuỗi ý kiến đưa ra, yêu cầu đòi hỏi phải xây dưng một thiết bị mang dữ liệu tín hiệu điện có thể trao đổi với một bộ đọc sử dụng công nghệ không cần phải tiếp xúc. Bởi vậy thủ tục sử dụng trong việc trao đổi dữ liệu, không cần tiếp xúc, hệ thống nhận dạng bằng sóng radio ra đời, được gọi là hệ thống RFID (Radio Frequency Identification). Đồ án tốt nghiệp với kết cấu logic sẽ giúp cho chúng ta tìm hiểu về công nghệ RFID trong dải tần LF. Chương 1 : Kỹ thuật và hệ thống RFID Chương này giúp cho chúng ta có một cái nhìn tổng quan về kỹ thuật RFID từ nguyên lý hoạt động đến các cấu trúc thẻ tag ( thẻ thông minh ứng dụng trong kỹ thuật RFID). Chương 2: Các chuẩn RFID và ứng dụng Trên thế giới có rất nhiều các nhà nghiên cứu và các công ty phát triển công nghệ nhận dạng sử dụng RFID. Chương II cho chúng ta thấy được cái nhìn về các chuẩn giao thức và các tiêu chuẩn đặt ra khi xây dựng công nghệ RFID. Chương 3: Xây dựng hệ thống RFID dải tần LF. Trình bày một hệ thống RFID ở dải tần LF (125 KHz). Các giải pháp và mô hình hoàn chỉnh đươc đưa ra với những đánh giá và nhận xét gắn với thực tiễn sau thời gian nghiên cứu công nghệ RFID. Chương 4: Kết luận CHƯƠNG 1 KỸ THUẬT VÀ HỆ THỐNG RFID Khi đề cập đến khái niệm RFID trong lĩnh vực kỹ thuật, đối với nhiều chuyên gia lâu năm thì có thể nghĩ ngay đến khái niệm xác định hay nhận dạng có liên quan đến sóng radio. Tuy nhiên, RFID là một công nghệ khá mới đối với những ai ít chú ý đến lĩnh vực kỹ thuật, mặc dù nú đó được ứng dụng vào nhiều lĩnh vực khỏc nhau.Vỡ vậy, trong chương 1 này, các vấn đề được đưa ra tập trung vào giải thích khái niệm RFID và các thành phần của một hệ thống RFID thông thường. Các khái niệm sẽ giúp cho chúng ta hiểu được tổng thể công nghệ và nguyên lý hoạt động của một hệ thổng RFID. 1.1 Hệ thống nhận dạng tự động (Auto Identification-Auto ID): Mã vạch RFID Thẻ thông minh Quang học Giọng nói Hệ thống nhận dạng tự động Sinh học Vân tay Hình 1.1 : Mụ hỡnh cỏc hệ thống nhận dạng tự động 1.1.1 Hệ thống nhận dạng mã vạch (Barcode): Hệ thống nhận dạng tự động bằng mã vạch đã đạt được nhiều thành công và được ứng dụng, phát triển mạnh mẽ nhất. Mã vạch là hệ thống mã nhị phân được tạo nên bởi các vạch và khoảng trống xắp xếp song song với nhau. Chúng được xắp xếp theo một quy ước định trước, các phần của mã vạch đại diện cho dữ liệu cần mã hóa. Mã vạch có thể được đọc bởi đầu đọc laser thông qua sự phản xạ khác nhau của dòng laser đối với các vạch đen và khoảng trống màu trắng. 1.1.2 Hệ thống nhận dạng sinh học: Hệ thống nhận dạng sinh học thường dùng để nhận dạng các sinh vật sống trong đó nhận dạng con người là chủ yếu. Trong hệ thống nhận dạng tự động, nhận dạng sinh học có độ chính xác khá cao qua việc so sánh các đặc điểm riêng của mỗi người. Trong thực tế, có rất nhiều các hệ thống nhận dạng sinh học như: nhận dạng vân tay, nhận dạng giọng nói và nhận dạng võng mạc. 1.1.3 Hệ thống nhận dạng thẻ thông minh (smart card): Thẻ thông minh là thiết bị lưu trữ dữ liệu điện tử, có loại cú thờm một chip để xử lý thông tin. Chúng thường được thiết kế trong một thẻ nhựa có kích thước như thẻ điện thoại. Để hoạt động, thẻ thông minh phải được đưa vào đầu đọc thẻ, thẻ được kết nối với đầu đọc thông qua các tiếp xúc điện. Thẻ được cung cấp năng lượng và xung đồng bộ bởi đầu đọc thông qua tiếp xúc điện đó. Dữ liệu truyền giữa đầu đọc và thẻ được truyền theo dạng nối tiếp hai chiều. Qua đặc điểm của các hệ thống nhận dạng tự động trên, chúng ta có thể thấy rằng hầu hết các hệ thống nhận dạng tự động trên đều yêu cầu kết nối vật lý tiếp xúc với khoảng cách gần. Điều này gây rất nhiều bất tiện cho người sử dụng trong sử dụng hoặc quản lý. Với hệ thống RIFD, việc kết nối không dây giữa thiết bị mang thông tin và thiết bị đọc sẽ đem lại nhiều ứng dụng và tiện lợi hơn. Trong thực tế, chúng ta còn có thể truyền năng lượng từ đầu đọc cho thiết bị di động thông qua việc sử dụng công nghệ không dây này. 1.2 Kỹ thuật RFID RFID (Radio Frequency Identification) là phương pháp nhận dạng tự động dựa trên khả năng lưu trữ và nhận dữ liệu từ xa bằng các thiết bị thẻ thông minh. Thẻ RFID có kích thước nhỏ và có thể gắn vào sản phẩm, gắn trên người, động vật. Thẻ RFID chứa các chip silicon và các anten cho phép nhận lệnh và đáp ứng lại bằng tần số vô tuyến RF từ một RFID phỏt đỏp. Hình 1.2 : Minh họa công nghệ RFID. 1.3 Nguyên lý kỹ thuật RFID Tín hiệu được ghi vào một con chíp nhỏ nằm trong tấm thẻ rất mỏng. Dữ liệu được đọc ghi thông qua một thiết bị đọc ghi thẻ mà không phụ thuộc vào hướng hay phải sắp thẳng hàng, chỉ cần tấm thẻ đó nằm trong vùng phủ sóng của thiết bị là được. Hình 1.3 : Cấu trúc thẻ tag RFID. Hình trên là cấu tạo của một tấm thẻ RFID mã hiệu V720-D52P01 của hãng OMRON, ta có thể thấy là nó bao gồm một ăng ten là các đường mạch bằng đồng rất mảnh và một con chíp rất nhỏ. Tất cả dữ liệu đều nằm trong con chíp này. Quá trình trao đổi thông tin diễn ra như sau: Khi một thẻ RFID tiến đến gần thiết bị đọc ghi thẻ, năng lượng của sóng điện từ đủ để cung cấp cho chớp trờn thẻ và kể từ đó quá trình truyền thông bắt tay giữa thẻ và thiết bị đọc ghi bắt đầu. Trong quá trình này, thiết bị có thể đọc ghi thông tin trên thẻ, và sau khi đã hoàn tất việc trao đổi dữ liệu, chiếc thẻ đó sẽ được chỉ thị là không tiếp nhận thêm thông tin gì nữa cho tới khi được lọt vào vùng phủ sóng lần tiếp theo. Hình dưới đây sẽ mô tả kỹ hơn về quá trình này. Hình 1.4 Quá trình quản lý thẻ qua ănten. Khi có nhiều thẻ nằm trong vùng phủ súng thỡ bộ V720 của OMRON cũng cho phép người dùng thiết lập các lựa chọn về chế độ truyền thông mà ở đó thiết bị đọc ghi có thể giao tiếp ngẫu nhiên với các thẻ RFID, hoặc có thể giao tiếp với một thẻ RFID được chỉ định rõ. 1.4 Cơ chế trao đổi năng lượng và dữ liệu Cơ chế trao đổi năng lượng: Có nhiều cơ chế trao đổi năng lượng tùy thuộc vào nguyên tắc ghộp nối giữa đầu đọc và thẻ và dải tần số hoạt động. Có thể chia ra làm 4 cơ chế như sau: Ghép nối cảm ứng (Inductive Coupling): thường dùng ở dải tần số thấp LF (<135Khz) và tần số cao HF (13.56 MHz). Ghép nối tán xạ điện từ (Electromagnetic Backscatter Coupling): thường dùng ở dải siêu cao tần UHF (868ữ915MHz) và sóng vi ba microwave (2.5 GHz). Ghép nối gần (Close Coupling): phạm vi đọc rất nhỏ (< 1 cm) thường dùng ở dải tần 1ữ10MHz. Ghép nối điện (Electrical Coupling). Ở đây chúng ta chỉ tập trung nghiên cứu hệ thống ghép nối cảm ứng do dải tần hoạt động ở tần số thấp 125 KHz. Hệ thống này thường áp dụng với thẻ thụ động luôn cần cấp năng lượng từ đầu đọc. Ghép nối cảm ứng tức là cơ chế hoạt động dựa trên nguyên lý cộng hưởng điện từ do mạch LC trên 2 thành phần thẻ và đầu đọc tạo ra. Như đã trình bày ở phần thẻ RFID (1.1.1), thẻ thụ động là một thiết bị điện tử chứa dữ liệu gồm một vi mạch đơn và một cuộn dây lớn có chức năng như một anten. Phía đầu đọc cũng có một cuộn dây là anten, khi cấp nguồn cho đầu đọc thì sẽ có dòng điện đi qua cuộn dây này tạo nên một trường điện từ dao động (Magnetic alternating field H) bao quanh cuộn dây (vì trong trường hợp này thẻ luôn hoạt động thụ động cần đến năng lượng cấp từ đầu đọc nên cuộn dây anten của đầu đọc phải tạo ra được trường điện từ ở tần số cao và mạnh sao cho có thể xuyên qua cuộn dây và phủ kín không gian xung quanh cuộn dây điều này phụ thuộc vào thiết kế của anten phía đầu đọc – Hình 1.10). Do bước sóng của dải tần hoạt động lớn gấp nhiều lần so với khoảng cách giữa anten của đầu đọc và anten của thẻ nên trường điện từ có thể được hiểu đơn giản như một từ trường dao động liên quan đến khoảng cách giữa thẻ và đầu đọc. Hình 1.5 Từ trường dao động (magnetic alternating field) do cuộn dây anten trên thẻ sinh ra. Khi thẻ đi vào vùng từ trường của đầu đọc thì năng lượng từ từ trường dao động có thể cảm ứng sang mạch cộng hưởng qua các cuộn dây theo định luật Faraday. Nếu tần số dao động fG của từ trường dao động tương ứng với tần số cộng hưởng fR của mạch cộng hưởng LC thỡ trờn cuộn cảm phía thẻ sẽ xuất hiện một dòng điện cảm ứng. Dòng điện cảm ứng này gây ra một điện áp Ui giữa hai đầu cuộn dây trên thẻ. Điện áp sau đó được chỉnh lưu và cung cấp năng lượng nuụi cỏc vi mạch và các khối chức năng khác bên trong thẻ. Các mạch cộng hưởng song song Phía đầu đọc có một tụ điện Cr nối song song với cuộn dây anten, điện dung của tụ điện được lựa chọn sao cho nó cùng với điện cảm của cuộn dây tạo thành một mạch cộng hưởng song song với tần số cộng hưởng tương ứng với tần số truyền của đầu đọc. Phía thẻ có tụ điện C1 hợp với cuộn dây anten tạo thành một mạch cộng hưởng được điều chỉnh theo tần số truyền của đầu đọc. Điện áp Ui trên cuộn dây anten phía thẻ đạt được cực đại phụ thuộc vào mức tăng cộng hưởng trên mạch cộng hưởng song song. Tag Từ trường H Hình 1.6 Năng lượng sinh ra từ từ trường dao động phía đầu đọc cung cấp năng lượng cho thẻ qua ghép nối cảm ứng. Hiệu suất truyền năng lượng giữa hai cuộn dây anten phía đầu đọc và phía thẻ tỉ lệ với tần số hoạt động f, số vòng dây cuốn n, góc đặt giữa hai cuộn dây và khoảng cách giữa chúng. Khi tần số f tăng thì điện cảm của cuộn dây trên thẻ và số vòng dây quấn giảm (<135 KHz: 100 ữ 1000 vòng, 13.56 KHz: 3 ữ10 vũng). Vỡ điện áp cảm ứng trên cuộn dây phía thẻ cũng tỉ lệ với tần số f nên giảm số vòng dây cũng ít ảnh hưởng đến hiệu suất truyền năng lượng ở các tần số cao hơn. 1.4.1 Truyền dữ liệu từ thẻ sang đầu đọc Như đã miêu tả ở trên, hệ thống ghép nối cảm ứng hoạt động dựa trên nguyên tắc kiểu máy biến áp với cuộn sơ cấp phía đầu đọc và cuộn thứ cấp phía thẻ, khi khoảng cách giữa hai cuộn dây này không vượt quá 0,16λ (384m) thì thẻ sẽ nằm trong trường gần (near field) của anten phát của đầu đọc. Kết quả trả lời của thẻ trên anten đầu đọc được thể hiện thông qua trở tháng biến đổi ZT của cuộn dây anten đầu đọc. Đóng và ngắt điện trở tải trên cuộn dây anten của thẻ sẽ làm thay đổi trở kháng ZT và làm thay đổi điện áp trên cuộn dây anten đầu đọc. Điều này dẫn đến việc điều chế biên độ điện áp UL trên cuộn dây anten đầu đọc bởi một thẻ từ xa. Nếu thời điểm đóng ngắt điện trở tải được điều khiển bởi dữ liệu thì dữ liệu có thể chuyển từ thẻ sang đầu đọc. Dạng truyền dữ liệu như thế này gọi là điều biến tải. Để phục hồi dữ liệu trên đầu đọc, điện áp trên anten đầu đọc được chỉnh lưu. Điều này thể hiện việc giải điều chế một tín hiệu đã được điều biên. 1.4.2 Cơ chế truyền dữ liệu từ đầu đọc sang thẻ Tất cả các phương pháp điều biến số đều có thể sử dụng trong việc truyền dữ liệu từ thẻ sang đầu đọc bằng cơ chế truyền song công (Full Duplex – FDX) và bán song công (Half Duplex – HDX) hoặc truyền tuần sự (Sequential – SEQ), không phụ thuộc vào tần số hoạt động hay nguyên tắc ghép nối. 1.4.3 Các phương pháp điều chế thường dùng Điều chế dịch biên (Amplitude Shift Keying) ASK là một dạng của điều chế tín hiệu số mà ở đó tín hiệu số được biểu diễn bằng sự thay đổi biên độ của sóng mang. Biên độ của tín hiệu mang thay đổi theo chuỗi bit 1 và 0 mà vẫn giữ nguyên tần số và pha. Mức của biên độ biểu diễn cho bít logic 0 hay 1. Chúng ta có thể hiểu rằng tín hiệu mang như là một khúa đúng cắt. Ở dạng tín hiệu điều chế, bit logic 0 được biểu diễn bởi sự vắng mặt của sóng mang, bit logic 1 được biểu diễn bởi sự có mặt của sóng mang và từ đó thông tin được truyền đi. Cũng giống như AM, ASK cũng nhạy với nhiễu, bị biến dạng trong khi truyền đi. Sự điều chế và giải điều chế tương đối ít tốn kém. Công nghệ ASK thường được dùng để truyền tín hiệu số trên cáp quang. Hình dưới đây mô tả bit 1 được truyền đi bằng sóng mang có biên độ E1 và bit 0 được truyền đi bằng sóng mang có biên độ là E2. Hình 1.7 Tín hiệu điều biên ASK. Do cách giải điều chế đơn giản nên hầu hết các hệ thống đều dùng phương pháp điều chế ASK. Điều chế tần số (Frequency Shift Keying) Hình 1.8 Tín hiệu điều tần FSK. FSK là nguyên lý điều chế tần số mà ở đó thông tin số được truyền đi qua sự thay đổi rời rạc của tần số. FSK đơn giản nhất là FSK nhị phân gọi là BFSK, sử dụng hai tần số riêng biệt để truyền đi hai bit 0 và 1. Điều chế pha tín hiệu (Phase Shift Keying): Tín hiệu có dạng sóng dao động có tần số f (sóng mang), thay đổi pha để biểu diễn các giá trị của tín hiệu: mỗi bit đặc trưng bởi góc pha khác nhau của tín hiệu. VD: pha = 90o cho bit 0, pha = -90o cho bit 1. Hình 1.9 Tín hiệu điều pha PSK. 1.5 Hệ thổng RFID 1.5.1 Cấu trúc hệ thống Một hệ thống RFID có thể gồm một số phần tử: thẻ, bộ đọc thẻ, máy chủ, middleware và phần mềm ứng dụng. Mục đích của một hệ thống RFID là cho phép dữ liệu được truyền bởi một thiết bị di động, thẻ đến được một bộ đọc RFID và bộ đọc xử lý thông tin theo yêu cầu của ứng dụng cụ thể. Dữ liệu truyền từ thẻ có thể chứa thông tin nhận dạng hoặc thông tin định vị hoặc những chi tiết về sản phẩm được đánh thẻ như giá, màu, ngày mua, ... RFID lần đầu xuất hiện trong các ứng dụng truy nhập và theo dõi những năm 1980 và nhanh chóng thu hút sự chú ý bởi khả năng theo dõi các đối tượng đang chuyển động. Khi công nghệ được cải tiến, càng có nhiều ứng dụng sử dụng thẻ RFID. Trong một hệ thống RFID cụ thể, các đối tượng riêng lẻ được trang bị một thẻ nhỏ có giá thành thấp. Thẻ này chứa một bộ phỏt đỏp (transponder) với một chip nhớ có mã sản phẩm điện tử duy nhất. Bộ tích hợp, anten được đóng gói với bộ phỏt đỏp và bộ giải mã, phát ra tín hiệu kích hoạt thẻ RFID nhờ đó nó có thể đọc và ghi dữ liệu. Khi một thẻ RFID đi vào vùng điện từ trường, nó sẽ phát hiện tín hiệu kích hoạt của thẻ đọc. Bộ đọc giải mã dữ liệu được mó hoỏ từ mạch tích hợp (chip silicon) của thẻ và dữ liệu dược đưa vào một máy chủ. Phần mềm ứng dụng trên máy chủ sẽ xử lý dữ liệu và thường sử dụng ngôn ngữ đánh dấu vật lý. Hình 1.10 Sơ đồ hệ thống RFID đơn giản. Lấy ví dụ về các quyển sách trong thư viện. Các cổng an ninh có thể phát hiện ra khi nào có hoặc không có một quyển sách được kiểm tra trước khi ra khỏi thư viện. Khi người sử dụng mang trở lại, bít bảo mật được reset và bản ghi trong hệ thống thư viện sẽ tự động cập nhật. Trong một số giải pháp RFID, một biên lai nhận lại sẽ được tạo ra. Ở điểm này, các vật liệu có thể được lưu trữ trong các hộp nhờ thiết bị trả lại. Que dò trong kho sẽ xác định chi tiết vị trí lưu sách trong kho. Công cụ này được dùng để cất sách theo đúng thứ tự. 1.5.2 Thẻ RFID Kiến trúc thẻ: Hình 1.11 Các lớp thẻ RFID. Hình 1.12 Lớp mạch và anten. Kiến trúc thẻ RFID gồm 3 phần chính : - 1 bộ nhớ: lưu giữ ID khách hàng. - 1 bộ vi xử lý: + Read-Write. + Mã hóa, giải mã thông tin. + Có tớnh năng bảo mật chống ghi chép. - 1 anten vòng quanh thẻ: + Thu tín hiệu từ trường điện từ mà đầu đọc phát. + Gửi lại thông tin ID khách hàng cho Reader. - Dựa trên cấu trúc thẻ, chia làm 2 loại thẻ: + Active Tag: thẻ tự cấp nguồn thông qua pin gắn trên thẻ. + Passive Tag: thẻ tự động được nạp năng lượng khi đưa vào trong trường của Reader. Tần số sử dụng: - LF: 30 – 300KHz Thường sử dụng ở tần số 125, 134.2 KHz - HF: 3 – 30 MHz Thường sử dụng ở tần số 13.56MHz - UHF : 433.920mhz, 869mhz, 915mhz - Microwave : 2.45ghz, 5.8ghz, 24.125ghz 1.5.2.1. Thẻ thụ động: Hình 1.13 Cấu trúc thẻ thụ động. Các thẻ RFID thụ động không có nguồn cung cấp bên trong. Dòng điện cảm biến bên trong anten từ tín hiệu tần số vô tuyến đến chỉ đủ cung cấp công suất cho mạch tích hợp CMOS trong thẻ để phát đi đáp ứng. Hầu hết các thẻ thụ động nhận tín hiệu nhờ tín hiệu sóng mang tán xạ ngược lại từ bộ đọc thẻ. Điều này có nghĩa là anten phải được thiết kế để vừa nhận công suất từ tín hiệu đến và truyền đi tín hiệu tán xạ. Đáp ứng của một thẻ thụ động RFID không chỉ là một số nhận dạng ID (GUID), con chíp của thẻ có thể chứa bộ nhớ EEPROM để lưu trữ dữ liệu. Do không có bộ nguồn cung cấp gắn liền trên mạch nên thẻ có kích thước khá nhỏ: đó là các sản phẩm thương mại sẵn có có thể được gắn dưới lớp da. Kích thước của những thiết bị như vậy chỉ khoảng 0.15 mm x 0.15 mm, và còn mỏng hơn độ dày của một trang giấy (7.5 àm). Thêm vào đó anten cũng tạo cho thẻ có kích thước thay đổi từ kích thước con tem bưu điện đến kích thước của một thẻ ATM. Các thẻ thụ động có khoảng cách đọc thực tế khoảng 2 mm lên đến một vài mét tùy thuộc vào tần số vô tuyến lựa chọn và kích thước, thiết kế của anten. Nhờ sự đơn giản trong thiết kế mà các anten này cũng rất thích hợp để sản xuất. Các thẻ thụ động RFID không yêu cầu nguồn và có thể nhỏ hơn nữa với thời gian tồn tại không giới hạn. Các thẻ không phải là silicon được làm từ các chất bán dẫn polime đang được phát triển bởi một số công ty toàn cầu. Năm 2005, PolyIC (Đức) và Philips (Hà Lan) đã hợp tác thử nghiệm in các thẻ polime hoạt động ở băng tần 13.56MHz. Nếu thương mại hoá thành công, các thẻ polime sẽ trở nên dễ in, giống như một tờ tạp chí và có chi phí ít hơn các thẻ silicon. 1.5.2.2 Bán thụ động Các thẻ RFID bán thụ động rất giống với các thẻ thụ động ngoại trừ chi tiết pin nhỏ hơn. Loại pin này cho phép IC của thẻ được cấp nguồn năng lượng không đổi, và loại bỏ nhu cầu thiết kế anten để lấy nguồn từ tín hiệu đưa đến. Vì thế các anten được tối ưu với tín hiệu bị tán xạ. Do đó các thẻ RFID bán thụ động sẽ đáp ứng nhanh hơn mặc dù kém ổn định và không hiệu quả bằng các thẻ tích cực. 1.5.2.3 Thẻ tích cực Hình 1.14 Nguyên lý thẻ tích cực. Không như các thẻ thụ động, các thẻ RFID tích cực có nguồn cấp bên trong để cung cấp cho các IC tạo thành tín hiệu đầu ra. Các thẻ tích cực thường ổn định hơn (ít lỗi hơn) các thẻ thụ động do khả năng kết nối "phiên" với đầu đọc. Nhờ có nguồn cung cấp onboard nờn cỏc thẻ tích cực có thể phát công suất cao hơn các thẻ thụ động, cho phép chúng hoạt động hiệu quả hơn trong các môi trường có "tần số vô tuyến thay đổi" (người, gia xúc) như nước, kim loại nặng (xe tải, container) hoặc ở các khoảng cách xa hơn. Nhiều thẻ tích cực có khoảng cách hoạt động vài trăm mét và thời gian pin lên tới 10 năm. Một số thẻ tích cực còn bao gồm các bộ cảm biến (sensor) như cảm biến nhiệt độ dùng để giám sát độ chín hoặc giám sát nhiệt độ của các sản phẩm dễ bị hỏng. Các cảm biến khác cũng được gắn với thẻ RFID tích cực như: độ ẩm, va đập/biến động, ánh sáng, phóng xạ, nhiệt độ và không khí như etylen. Các thẻ tích cực cũng thường có dải hoạt động dài hơn (xấp xỉ khoảng 300 feet) và bộ nhớ lớn hơn các thẻ thụ động và do đó có thể lưu trữ thờm cỏc thông tin từ bộ phỏt đỏp. Hiện tại, thẻ tích cực nhỏ nhất có kích thước tương đương một đồng xu và được bán với giá một vài đụla. 1.5.3 Các reader : Hình 1.15 Trao đổi thông tin giữa reader và tag (bộ đọc và thẻ ). RFID reader gồm một anten liên lạc với thẻ RFID và một đơn vị đo điện tử học đã được nối mạng với host computer. Đơn vị đo tiếp sóng giữa host computer và tất cả các thẻ trong phạm vi đọc của anten, cho phép một đầu đọc liên lạc với hàng trăm thẻ đồng thời. Nó cũng thực thi các chức năng bảo mật như mã hóa, giải mã và xác thực người dùng. Đầu đọc RFID có thể phát hiện thẻ ngay cả khi không nhìn thấy chúng. Hầu hết các mạng RFID gồm nhiều thẻ và nhiều đầu đọc được nối mạng với nhau bởi một máy tính trung tâm, hầu như thường là một trạm làm việc gọn để bàn. Host xử lý dữ liệu mà các đầu đọc thu thập từ các thẻ và dịch nó giữa mạng RFID và các hệ thống kỹ thuật thông tin lớn hơn, mà nơi đó quản lý dây chuyền hoặc cơ sở dữ liệu quản lý có thể thực thi. “Middleware” phần mềm nối hệ thống RFID với một hệ thống IT (Information Technology) quản lý luồng dữ liệu. Những bộ đọc, giống như những thẻ, khác nhau trong nhiều cách, và không có một bộ đọc nào hoàn hảo. Những bộ đọc có nhiều hình dạng và kích thước, hỗ trợ những giao thức khác nhau, và thường phải phù hợp với những yêu cầu điều chỉnh, mà có nghĩa một bộ đọc đặc biệt có thể chấp nhận được cho một ứng dụng. Một số loại bộ đọc tiêu biểu: 1.5.3.1 Bộ đọc tuần tự Bộ đọc tuần tự sử dụng liên kết serial để truyền với một ứng dụng. Bộ đọc kết nối đến cổng serial của máy tính dùng kết nối tuần tự RS-232 hoặc RS-485. Cả hai loại kết nối này đều có giới hạn trên về chiều dài cáp sử dụng kết nối bộ đọc với máy tính. RS-485 cho phộp cáp dài hơn RS-232. Ưu điểm của bộ đọc tuần tự là có độ tin cậy hơn bộ đọc mạng. Vì vậy sử dụng bộ đọc loại này được khuyến khích nhằm làm tối thiểu sự phụ thuộc vào một kênh truyền. Nhược điểm của bộ đọc tuần tự là phụ thuộc vào chiều dài tối đa của cáp sử dụng để kết nối một bộ đọc với một máy tính. Thêm nữa là thường thỡ trờn một máy chủ thì số cổng serial bị hạn chế, có thể phải cần nhiều máy chủ (nhiều hơn số máy chủ đối với các bộ đọc mạng) để kết nối tất cả các bộ đọc tuần tự. Một vấn đề nữa là việc bảo dưỡng nếu phần mềm hệ thống cần được cập nhật chẳng hạn, nhân viên bảo dưỡng phải xử lý mỗi bộ đọc. Tốc độ truyền dữ liệu serial thường thấp hơn tốc độ truyền dữ liệu mạng. Những nhân tố này dẫn đến chi phí bảo dưỡng cao hơn và thời gian chết đáng kể. 1.5.3.2 Bộ đọc mạng Bộ đọc mạng kết nối với máy tính sử dụng cả mạng có dây và không dây. Thực tế, bộ đọc hoạt động như thiết bị mạng. Tuy nhiên, chức năng giám sát và quản lý chỉ sẵn có đối với một vài loại bộ đọc mạng. Vì vậy, đa số bộ đọc loại này không thể được giám sát như các thiết bị mạng chuẩn. Ưu điểm của bộ đọc mạng là không phụ thuộc vào chiều dài tối đa của cáp kết nối bộ đọc với máy tính. Sử dụng ít máy chủ hơn so với bộ đọc tuần tự. Thêm nữa là phần mềm hệ thống của bộ đọc có thể được cập nhật từ xa qua mạng. Do đó có thể giảm nhẹ khâu bảo dưỡng và chi phí sở hữu hệ thống RFID loại này sẽ thấp hơn. Nhược điểm của bộ đọc mạng là việc truyền không đáng tin cậy bằng bộ đọc tuần tự. Khi việc truyền bị rớt, chương trình phụ trợ không thể được xử lý. Vì vậy hệ thống RFID có thể ngừng lại hoàn toàn. Nói chung, bộ đọc có bộ nhớ trong lưu trữ các lần đọc thẻ. Chức năng này có thể làm cho việc chết mạng trong thời gian ngắn đỡ hơn một ít. 1.5.3.3 Bộ đọc cố định Loại này được lắp trên tường, trên cổng hoặc vài nơi thích hợp nằm trong phạm vi đọc. Chẳng hạn, có một số bộ đọc cố định được gắn trên những thang máy, hoặc bên trong xe chở hàng hoặc trờn cỏc kệ sách. Trái ngược với thẻ, bộ đọc không chịu được môi trường khắc nghiệt. Vì vậy, nếu đặt bộ đọc ngoài cửa hoặc ở những đối tượng chuyển động, phải gắn đúng cách. Bộ đọc cố định thường cần anten bên ngoài để đọc thẻ. Bộ đọc có thể cung cấp đến 4 cổng anten bên ngoài. Chi phí cho bộ đọc cố định thường ít hơn bộ đọc cầm tay. Bộ đọc cố định là loại phổ biến nhất hiện nay. Loại bộ đọc agile có thể hoạt động ở nhiều tần số khác nhau hoặc có thể sử dụng các giao thức truyền giữa thẻ với bộ đọc khác nhau. Các bộ đọc agile ngày nay thường cố định. Loại bộ đọc cố định được gọi là máy in RFID có thể in một mã vạch và tạo (nghĩa là ghi) một thẻ RFID trên smart label trong quá trình hợp nhất. Smart label bao gồm một nhãn mã vạch có một thẻ RFID được gắn vào nú. Cỏc loại thông tin khác như địa chỉ người gửi, người nhận, thông tin sản phẩm và chữ cũng có thể được in lên trên nhãn. Máy in RFID đọc thẻ smart label đã được ghi để xác nhận quá trình ghi là hợp lệ. Nếu việc xác nhận này thất bại thì máy in loại bỏ smart label đã được in. Thiết bị này tránh tình trạng tạo một thẻ RFID mà nơi đó mã vạch đang được sử dụng. Ngày nay, một công ty đang sử dụng mã vạch có thể sử dụng máy in RFID như bước đầu chấp nhận kỹ thuật RFID. Thông tin mã vạch cung cấp một nhận dạng human-readable về đối tượng được gắn thẻ. Các hệ thống hiện tại cũng có thể tiếp tục sử dụng dữ liệu mã vạch như thế với một số thay đổi hoặc không thay đổi. Phạm vi của nhãn có thể cung cấp ID thẻ được gắn vào nó ở hình thức human-readable. Thẻ RFID có thể cung cấp khả năng object-level Auto-ID và những lợi ích khác. Bộ đọc cố định có thể hoạt động ở hai chế độ sau: • Chế độ tự trị Trong chế độ này, bộ đọc đọc thẻ trong phạm vi đọc của nó. Mỗi lần thẻ được đọc, nó lưu vào một danh sách thường gọi là danh sách thẻ. Một item trên danh sách thẻ được liên kết với persist time (thời gian kiên trì). Nếu thẻ đã được liên kết không được đọc trong khoảng thời gian vượt quá persist time thỡ nú bị loại khỏi danh sách thẻ. Ứng dụng chạy trên máy chủ có thể tự ghi nhận danh sách thẻ định kỳ. Danh sách thẻ bao gồm các thông tin như sau: • Nhận dạng thẻ duy nhất: Thời gian đọc. Số lần thẻ được đọc từ khi nó được phát hiện (nghĩa là kể từ lần đầu bộ đọc đọc nó). • ID của anten đã đọc thẻ riêng biệt. •Tờn bộ đọc. •Chế độ tương tác. Trong chế độ này, bộ đọc nhận và thực thi lệnh từ một ứng dụng chạy trên máy chủ hoặc từ người dùng sử dụng mỏy khỏch để truyền thông với bộ đọc. Sau khi bộ đọc thực thi xong lệnh hiện hành, nó chờ lệnh tiếp theo. Bộ đọc có thể thực thi một hàng lệnh từ việc gửi danh sách thẻ hiện hành đến người yêu cầu lệnh để đổi các tham số cấu hình của bộ đọc. 1.5.3.4 Bộ đọc cầm tay Bộ đọc cầm tay là dạng bộ đọc di động, thường có anten bên trong. Mặc dù những bộ đọc này đắt nhất (và ít có) nhưng những cải tiến hiện nay trong kỹ thuật bộ đọc cho phép các bộ đọc cầm tay phức tạp có giá thấp hơn 1.5.4 Anten Hình 1.16 Anten thu phát giao tiếp với thẻ RFID. Một số bộ đọc có một hay hai anten. Hạn chế chớnh trờn số anten của một bộ đọc có thể điều khiển là sự mất mát tín hiệu trên cáp nối máy phát và thiết bị thu trong bộ đọc tới những anten. Một số bộ đọc sử dụng một anten để truyền và một để nhận. Trong loại cấu hình này, hướng của sự chuyển động của thẻ xuyên qua bộ đọc đặc biệt quan trọng. Nếu anten phát "ahead" anten thu, anten thu sẽ tốn thời gian hơn để nhận được những tín hiệu từ thẻ. Nếu những anten được đảo ngược, thẻ sẽ tiêu phí ít thời gian hơn nhiều và vừa tầm của anten thu. Mũi tên chỉ báo hướng của sự chuyển động. Thẻ trên mỗi cái hộp được cung cấp năng lượng khi nó đi qua anten TX và bắt đầu lan truyền một sự đáp lại. Vỡ nú thỡ xuống băng tải xa hơn, anten RX có một thời kỳ dài để thu được sự đáp lại nếu hai anten được đảo ngược, có nghĩa rằng có một thay đổi tốt hơn khi đọc thẻ. 1.5.5 Server Server là nơi xử lý đồng thời lưu trữ thông tin để giao tiếp với các thẻ. Phạm vi cũng như độ lớn của server phụ thuộc và ứng dụng của kỹ thuật RFID. Đối với những ứng dụng có phạm vi nhỏ và dành cho những cơ quan hay doanh nghiệp vừa, server chỉ cần có dung lượng thấp, thường là các máy tính ngay tại công ty. Đối với những ứng dụng lớn hơn, thông tin và dữ liệu cần xử lý rất nhiều, yêu cầu một server lưu trữ với dung lượng phù hợp, server lúc này là các hệ thống máy tính lớn có khả năng xử lý thông tin nhanh nhạy. Đặc biệt có những server yêu cầu khả năng di chuyển và thay đổi cao, thường ứng dụng trong theo dõi và kiểm tra động vật, và quản lý nhân sự trong các tập đoàn lớn. 1.6 Những ưu điểm của hệ thống RFID  RFID không phải là phương pháp duy nhất giúp nhận dạng đối tượng. Trước RFID người ta đã sử dụng rộng rãi một phương pháp khác, đó là mã vạch. Ngày nay chúng ta có thể thấy mã vạch trên hầu hết các sản phẩm thương mại, từ đồ điện tử, đồ điện gia dụng tới các thực phẩm đóng hộp. Người ta sử dụng mã vạch trong các nhà máy, siêu thị để quản lý nguồn gốc, thông tin, giá thành sản phẩm. Sở dĩ mã vạch được sử dụng rộng rãi như vậy là nhờ tính tiện lợi của nó. Toàn bộ thông tin về một sản phẩm đều có thể thu được thông qua nội dung chứa trên mã vạch. Việc đọc mã vạch được thực hiện dễ dàng và nhanh chóng nhờ có thiết bị đọc mã vạch. Vậy tại sao người ta phải nghĩ đến việc sử dụng RFID thay thế cho mã vạch? Điểm khác nhau chính giữa hai phương pháp loại tín hiệu mà chúng sử dụng: tín hiệu radio đối với RFID, và tín hiệu quang học đối với mã vạch. Để đọc mã vạch gắn trên một đối tượng, người thao tác phải cầm thiết bị đọc mã vạch trên tay, hướng đầu đọc vào mã vạch sao cho khoảng cách phải đủ gần và phải theo một hướng nhất định để thiết bị có thể nhận dạng được hình ảnh của mã vạch. Đối với RFID, chỉ cần các thẻ nằm trong tầm nhận biết của anten là anten có thể đọc được ngay nội dung của thẻ. Do vậy bên cạnh những tính năng tương tự với mã vạch, RFID cũn cú một số lợi thế sau: Các thẻ có thể được đọc gần như đồng thời với khối lượng lớn. Các đối tượng được gắn thẻ có thể nằm trong kho chứa hoặc thùng chứa hàng. Thẻ RFID bền hơn mã vạch. Chúng có được chế tạo từ các hợp chất đặc biệt để chống lại sự phá hủy của hóa chất và nhiệt độ. Thẻ RFID không những có thể đọc mà còn có thể ghi thông tin. Mã vạch chỉ chứa thông tin cố định, không thay đổi được. Thẻ RFID có thể chứa được một lượng thông tin lớn hơn nhiều so với mã vạch. Việc đọc mã vạch yêu cầu tác động của con người, thẻ RFID thỡ khụng. So với mã vạch, RFID có ưu thế vượt trội trong nhiều ứng dụng định vị, nhận dạng đối tượng và thu thập dữ liệu tự động. Tuy nhiên, bên cạnh những ưu thế mà RFID mang lại, chúng ta phải chịu một chi phí cao hơn so với sử dụng mã vạch. Do vậy khi ứng dụng RFID, cần cân nhắc giữa lợi ích thu được và chi phí đầu tư để có thể đem lại hiệu quả đầu tư tốt nhất. 1.7 Kết luận Chương 1 giúp cho chúng ta hiểu được về RFID, một trong những kỹ thuật nhận dạng sử dụng sóng radio. Từ đây chúng ta phần nào hiểu được thêm về mặt nguyên lý và các khối cần có của một hệ thống RFID cơ bản. Chương 2 sẽ giúp cho chúng ta có cái nhìn rõ hơn về những chuẩn và ứng dụng của công nghệ này và giới thiệu về một vài hệ thống đang hoạt động ứng dụng RFID . CHƯƠNG 2 CÁC CHUẨN RFID VÀ ỨNG DỤNG RFID là một công nghệ mới phổ biến trong mười năm trở lại đây, tuy nhiên do có khá nhiều công ty và các nhà nghiên cứu tìm hiểu về vấn đề này và phát triển nú, nờn hiện nay chưa có một tổ chức nào đưa ra một quy định cụ thể về các chuẩn trong công nghệ RFID.Trờn thế giới hiện nay có khá nhiều các chuẩn quy định cho mỗi ứng dụng RFID khác nhau vì vậy ở chương này chỉ đưa ra nhưng chuẩn thông dụng và phổ biến nhất mà chúng ta thường gặp trong các hệ thống ứng dụng hiện hành. 2.1 Các chuẩn RFID 2.1.1 Điều lệ và chuẩn hoá Không có tổ chức toàn cầu nào quản lý tần số sử dụng cho RFID. Về nguyên tắc, mọi quốc gia đều có thể thiết lập các qui định cho riêng mình. Các tổ chức chính quản lý cấp phát tần số cho RFID là: • Mỹ: FCC (Federal Communications Commision) - Ủy ban viễn thông liên bang• Canada: DOC (Department of Communication): Bộ viễn thông • Châu Âu: ERO, CEPT, ETSI, và các uỷ ban quốc gia (các uỷ ban quốc gia phải phê chuẩn một tần số xác định để sử dụng trước khi nó có thể sử dụng ở quốc gia này).• Nhật: MPHPT (Ministry of Public Management, Home Affair, Post and Telecommunication) - Bộ quản lý vấn đều chung trong nước và cộng động về bưu chính viễn thông) • Trung Quốc: Bộ công nghệ thông tin • Úc: Uỷ ban truyền thông đa phương tiện Úu • NewZealand: Bộ phát triển kinh tế Các thẻ RFID tần số thấp (LF: 125 - 134.2 kHz and 140 - 148.5 kHz) và tần số cao (HF: 13.56 MHz) có thể được sử dụng toàn cầu mà không cần cấp phộp. Cỏc tần số UHF (UHF: 868 MHz-928 MHz) không được sử dụng toàn cầu do nó không có chuẩn toàn cầu riêng. Ở Bắc Mỹ, UHF có thể được sử dụng không cần cấp phép băng tần từ 908 - 928 MHz nhưng bị hạn chế do công suất phát. Ở châu Âu, UHF được cho phép trong khoảng 865.6 - 867.6 MH. Nhưng chỉ sử dụng dải không cấp phép từ 869.40 - 869.65 MHz, nhưng bị hạn chế công suất phát. Chuẩn UHF cho Bắc Mỹ không được chấp nhận ở Pháp do nó ảnh hưởng tới dải tần số của quốc phòng. Đối với Trung Quốc và Nhật, không có qui định nào cho UHF. Mỗi ứng dụng cho UHF ở hai quốc gia này đều yêu cầu được cấp phát thông qua uỷ ban địa phương. Còn đối với Úc và Newzealand, băng tần 918 - 926 MHz không cần xin cấp phép, nhưng bị hạn chế về công suất phỏt. Cỏc tần số này được xem là băng ISM (Industrial Medical Scientific – Khoa học & Y học & Công nghiệp). Tín hiệu phản hồi của thẻ có thể làm nhiễu người dùng vô tuyến khác. Một số tiêu chuẩn xây dựng cho công nghệ RFID : ISO 11784 & 11785 : Các chuẩn này qui định nhận dạng tần số vô tuyến cho động vật đưa ra khái niệm kỹ thuật và cấu trúc mã. Các chuẩn ISO 11784, 11785 và 14223 được đề cập đến với việc xác định thú vật sử dung hệ thống RFID. - ISO 11784 - Code dành cho việc xác định động vật gồm 64 bit. - ISO 14223/1 - Nhận dạng tần số vô tuyến với động vật, bộ thu phát cao cấp, giao diện vô tuyến - ISO 11785 – Technical Concept (khái niệm công nghệ). Chuẩn này chỉ ra phương pháp giao tiếp giữa các bộ phát và đầu đọc đặc biệt thông qua hoạt động của sóng mang. Trung tâm tập trung vào phát triển các chuẩn này để thuận tiện cho việc dũ tỡm cỏc bộ phát trong phạm vi công xưởng rộng lớn sử dụng các hệ thống đọc thông thường. Bộ đọc cho việc xác định động vật tuân theo một chuẩn nhận dạng khác và có sự khác biệt giữa các bộ phát được sử dụng trong các hệ thống song công hoặc bán song công và bộ phát được sử dụng trong trong các hệ thống số đếm ( theo dãy ). - ISO 15693 : Chuẩn này cho phép các loại thẻ dữ liệu có cùng họ với nhau (vicinity card )với các hàm và tham số hoạt động tương tự nhau có thể sử dụng chung một hệ thống .Thẻ với phạm vi sử dụng là 1m ,thích hợp sử dụng trong các hệ thống truy nhập vào ra . Dữ liệu sử dụng trong các theo chuẩn này chủ yếu là các modul nhỏ kèm theo là các thiết bị đơn giản . Năng lượng trong các thẻ VICC (vicinity card) được cung cấp thông qua miền giao tiếp với bộ đọc tại tần số phát 13.56 MHz .Các thẻ vicinity được liên kết với vòng dây lớn của anten nhằm mục đích này , thông thường là 3-6 vòng (seeFigures2.11and2.12). Từ trường phát ra từ bộ đọc phải nằm trong giới hạn giá trị từ 115mA/m <= H <= 7.5A/m .Như vậy , bộ đọc có thể tự động dò những nguồn năng lượng từ Hmin của các thẻ mà Hmin <=115mA/m . Dữ liệu truyền từ bộ đọc tới thẻ sử dụng phương pháp điều chế ASK .Các thẻ thông minh phải tuân thủ theo các cấu trúc về cả điều biên và mã hóa .Tuy nhiên , không phải hầu hết các sự kết hợp đều giống nhau .Ví dụ , ASK 10% trong việc kết hợp với 1 trong 256 bit mã hóa thường được ưu tiên trong những mode khoảng cách dài .Dải năng lượng thấp hơn của việc điều biên được so sánh với dải năng lượng của tần số tín hiệu mang 13.56 Mhz sau đó phát ra và cấp cho thẻ nằm trong phạm vi của bộ đọc - EPCglobal : Đây là nền tảng chuẩn nó gần như được chuẩn hóa quốc tế theo qui tắc của ISO. Một vấn đề bảo mật chủ đạo xung quanh công nghệ RFID là sự theo dõi trái phép các thẻ RFID. Các thẻ có thể đọc trên toàn cầu đem lại một rủi ro cho cả sự riêng tư của cá nhân và cả sự bảo mật quân sự hay dân sự. Một lớp cấp 2 phòng thủ sử dụng mật mã để ngăn ngừa hệ vô tính gắn thẻ. Một số thẻ sử dụng một dạng nguyên lý mã lăn trong đó thông tin nhận dạng thẻ thay đổi sau mỗi lần quét và do vậy giảm được những đáp ứng không cần thiết. Các thiết bị phức tạp hơn tham gia vào các giao thức mệnh lệnh – đáp ứng ở đó thẻ sẽ tương tác với bộ đọc. Trong những giao thức này, thông tin thẻ bí mật sẽ không bao giờ được gửi trờn cỏc kờnh trao đổi giữa thẻ và bộ đọc thẻ. Hơn nữa, bộ đọc thẻ sẽ đưa ra một mệnh lệnh cho thẻ, cái sẽ cho ra một kết quả được tính toán nhờ sử dụng một mạch mật mã với một số giá trị mật khác. Những giao thức như vậy có thể dựa trên tính đối xứng hoặc mật mã khoá công khai. Thẻ có mật mã thường có giá thành và công suất tiêu thụ cao hơn so với thiết bị tương đương nhưng đơn giản hơn, và hệ quả là việc phát triển các loại thẻ này càng bị hạn chế hơn. Những hạn chế về giá cả và công suất đã dẫn đến một số nhà sản xuất triển khai các thẻ mật mã mà sử dụng các nguyên lý mó hoỏ yếu hơn và nó không cần thiết phải cản lại sự tấn công phức tạp. Lấy ví dụ, Exxon-Mobil Speedpass sử dụng một thẻ được mật mã được sản xuất bởi Texas Instruments gọi là DST (Digital Signature Transponder - bộ phỏt đỏp dấu hiệu số) kết hợp với một nguyên lý mó hoỏ độc quyền yếu để thực hiện một giao thức mệnh lệnh – đáp ứng. Các giao thức mật mã khác vẫn cố gắng đạt được sự bí mật trước các bộ đọc trái phép mặc dù các giao thức này mới ở mức độ nghiên cứu. Một khó khăn chính trong việc bảo mật các thẻ RFID chính là khả năng tính toán trong phạm vi thẻ còn thiếu. Các kỹ thuật mật mã chuẩn yêu cầu nhiều khả năng hơn những khả năng sẵn có trong hầu hết các thiết bị RFID giá thành thấp. Bảo mật RSA đó cú bằng sáng chế một loại thiết bị cho phép phá tín hiệu RFID cục bộ bằng cách ngắt giao thức hạn chế xung đột chuẩn, điều này cho phép người dùng bảo vệ thông tin nhận dạng của mình. Nhiều cơ chế đo đã được đề xuất như đối tượng được gắn thẻ RFID với một nhãn chuẩn công nghiệp. 2.2 Ứng dụng RFID vào thực tiễn Các ứng dụng của công nghệ RFID chủ yếu dựa trên cỏc vựng tần số khác nhau. Mỗi một vùng tần số sẽ được áp dụng cho một chức năng nhất định phù hợp với thức tế.Chương III sẽ cho chúng ta thấy những ứng dụng thường gặp của công nghệ RFID, đó là những ứng dụng trong các lĩnh vực khác nhau. Ta có bảng băng tần hệ thống sử dụng trong RFID như sau : Hình 2.1 Dải tần ứng dụng. Các tần số trong khoảng 30kHz – 400kHz được coi là dải tần thấp (LF). Hệ thống RFID LF hoạt động chủ yếu ở tần số 125kHz hoặc 134.2kHz. Các hệ thống này thường sử dụng thẻ thụ động, có tốc độ truyền dữ liệu từ thẻ tới reader thấp và thích hợp cho các ứng dụng trong đó môi trường hoạt động cú cỏc đối tượng cần nhận dạng chủ yếu là kim loại, chất lỏng…(một tính chất rất quan trọng của các hệ LF). Thẻ LF tích cực cũng có mặt trong một số các ứng dụng RFID khác. Băng cao tần (HF) có dải tần từ 3MHz tới 30MHz, và băng 13.56MHz là tần số tiêu biểu được sử dụng trong dải tần này cho ứng dụng RFID. Hệ thống RFID HF cũng sử dụng thẻ thụ động, cũng có tốc độ truyền dữ liệu từ thẻ tới reader thấp, và hoạt động khá tốt trong các môi trường có chứa kim loại, chất lỏng. Băng siêu cao tần (UHF) có dải tần từ 300MHz tới 1GHz. Một hệ thống RFID UHF thụ động tiêu biểu hoạt động tại tần số 915MHz ở Mỹ và 868MHz ở Châu Âu. Còn hệ thống RFID UHF tích cực thì hoạt động tại tần số 315MHz hoặc 433MHz. Hệ thống RFID UHF có thể sử dụng cả thẻ tích cực lẫn thụ động và có tốc độ truyền dữ liệu giữa thẻ và đầu đọc cao. Tuy nhiên, dải tần UHF cho ứng dụng RFID chưa được chấp nhận rộng rãi trên toàn thế giới. Băng tần vi ba (MWF) có dải tần trên 1GHz. Hệ thống RFID MWF hoạt động tại một trong các tần số 2.45GHz, 5.8GHz, trong đó 2.45GHz là tần số được sử dụng phổ biến nhất và được chấp nhận rộng rãi. Hệ thống RFID MWF cũng có thể sử dụng cả thẻ tích cực lẫn thụ động và có tốc độ truyền dữ liệu giữa thẻ và reader nhanh nhất trong tất cả các hệ thống trên. Do kích thước của anten tỷ lệ nghịch với tần số, nên anten của thẻ thụ động hoạt động trong dải tần MWF có kích thước nhỏ hơn rất nhiều so với các hệ thống RFID khác hoạt động ở dải tần khác thấp hơn. 2.2.1 Trong hệ thống bưu chính viễn thông Ngày nay, các hoạt động bưu chính đã triển khai RFID trên hệ thống khép kín khác nhau để đo kiểm, giám sát và nâng cao hoạt động Bưu chính. Ví dụ, RFID được sử dụng để giám sát dịch vụ bưu phẩm quốc tế giữa các trung tâm Bưu chính lớn. Cứ bưu phẩm nào có gắn nhãn được đưa vào khay chia chọn, thời gian chuyển phát có thể được tính toán. Điều này cho phép các vấn đề dịch vụ được xác định và được giải quyết tin cậy và tiết kiệm. Các hoạt động bưu chính khác là theo dõi container bưu phẩm để đánh giá việc sử dụng người theo dõi và để theo dõi các vị trí container. Các hệ thống theo dõi container bằng tay có xu hướng ít dần khi khối lượng tăng và có thời hạn chót để đáp ứng các thời điểm khởi hành. Bằng cách cho phép thông tin được lưu tự động, RFID đảm bảo và thậm chí hoạt động trong những điều kiện căng thẳng. Các giám đốc bưu chính có thể dựa trên thông tin để quyết định nõng cỏc chi phí vận tải và xác định lại các container khi cần. Cỏc túi bưu phẩm được theo dõi bằng RFID sẽ thông báo tình trạng phỏt đó được dành cho các dịch vụ bưu phẩm ưu tiên. Cỏc tỳi bưu phẩm được gắn thẻ sẽ tự động được đọc ở một số điểm cụ thể trên mạng để cung cấp khả năng định vị và theo dõi được tự động hóa. 2.2.1.1 Định vị và lưu vết các bưu gửi trong quá trình vận chuyển Hình thức ứng dụng này đang được sử dụng phổ biến ở Đức, Mĩ, Italia, Hà Lan, Nhật Bản,… Lợi ích của công nghệ RFID mang lại cho các dịch vụ bưu gửi là tăng hiệu quả và năng suất của quy trình nhận, gửi bưu gửi, cho phép cung cấp nhiều loại hình dịch vụ giá trị gia tăng có chất lượng cho khách hàng, nâng cao độ an toàn của sản phẩm. Cụ thể như sau:   - Tăng hiệu quả và năng suất của quy trình gửi và nhận bưu kiện: Hiện nay, bưu chính nhiều nước vẫn đang sử dụng hệ thống mã vạch trong quá trình gửi và nhận bưu kiện. Hệ thống mã vạch đòi hỏi nhiều lao động thủ công do các giao dịch viên phải sử dụng máy quét để quét từng bưu kiện. Các thao tác này thường mất khá nhiều thời gian trong khi đó số lượng bưu kiện được gửi nhận lại quá lớn. Vấn đề này sẽ được RFID đáp ứng. Tại mỗi bộ phận tiếp nhận bưu kiện, một bộ phận đọc RFID sẽ được cài đặt, bộ phận này sẽ tự động đọc tín hiệu truyền từ các thẻ được gắn trên bưu kiện và truyền các thông tin này vào hệ thống lưu trữ thông tin trung tâm. - Tạo ra các giá trị gia tăng cho khách hàng: Với việc áp dụng công nghệ RFID, khách hàng hoàn toàn có thể kiểm soát được tình trạng của bưu kiện mà họ gửi (bưu kiện đó đang ở tại vị trí nào, trạng thái bưu kiện ra sao….). 2.2.1.2 Kiểm soát và đánh giá chất lượng của các dịch vụ bưu chính Công nghệ RFID được Liên minh Bưu chính thế giới (UPU) sử dụng để đánh giá tốc độ vận chuyển bưu phẩm trong mỗi chặng giữa các nước. Để thực hiện điều đó, người ta gắn các thẻ RFID vào các bưu phẩm mẫu rồi gửi chúng đi như các bưu phẩm thông thường. Các điểm thu nhận tín hiệu sẽ được đặt tại cổng quốc tế và các trung tâm đầu mối bưu chính quốc tế của mỗi nước. Các điểm thu nhận tín hiệu này được kết nối với mạng dữ liệu trung tâm của IPC để thu thập và tính toán các thông tin về thời điểm gửi/nhận các bưu phẩm. Đối với VNPT, trong điều kiện Bưu chính và Viễn thông tách ra hoạt động độc lập, việc đánh giá chất lượng dịch vụ bưu chính là hết sức cần thiết để phát triển hệ thống dịch vụ bưu chính tin cậy, chất lượng cao. Việc ứng dụng công nghệ RFID sẽ cho phép đánh giá khách quan chất lượng của các dịch vụ bưu chính, từ đó có thể thực hiện những điều chỉnh cần thiết để khắc phục những công đoạn còn yếu, đồng thời cung cấp cho khách hàng những thông số tin cậy về các dịch vụ mà họ sử dụng. Hệ thống ứng dụng công nghệ RFID bao gồm các thành phần sau đây: - Thẻ RFID gắn ở bưu gửi, thẻ này thường có khối lượng < 12 mg, thông thường được thiết kế với vòng đời 5 năm đối với các tác động của các kỹ thuật chia chọn. - Anten nhận biết để truyền thông tin về bưu phẩm (được đặt tại mỗi địa điểm triển khai công nghệ này). - Bộ phận đọc để tổng hợp thông tin tại hệ thống tổng hợp thông tin cục bộ và truyền những thông tin này đến hệ thống quản lý thông tin trung tâm. - Hệ thống quản lý thông tin trung tâm, bao gồm máy chủ dữ liệu tập trung và các dịch vụ xử lý, thống kê dữ liệu, cho phép các hệ thống tổng hợp thông tin cục bộ kết nối tới. 2.2.1.3 Mô hình kỹ thuật ứng dụng RFID cho Bưu chính Các điểm trong quy trình khai thác bưu gửi có triển khai hệ thống RFID được gọi là “Monitoring Gate” (cổng giám sát), mỗi Monitoring Gate bao gồm các thành phần sau: - Anten: Thường có hình dạng một hình chữ nhật được gắn phía trên cửa vào của băng chuyền. Anten này có nhiệm vụ tạo ra một dải từ trường dạng sóng có tần số là 125 KHz. Dải từ trường này sẽ kích hoạt con chíp bên trong của thẻ RFID và làm cho con chíp này gửi tín hiệu UHF với tần số 433.92 MHz. Sau khi con chíp hoàn thành nhiệm vụ gửi tín hiệu, nó sẽ tự động tắt và chỉ được kích hoạt trở lại khi đi qua dải từ trường của một anten khác. Cách làm này có 2 ưu điểm: giúp có thể sử dụng thẻ trờn cỏc phương tiện vận chuyển hàng không, và tiết kiệm năng lượng pin của thẻ (có thể có thời gian sử dụng đến 5 năm). - Đầu đọc: một hộp nhỏ được gắn vào tường (hoặc một vị trí cố định nào đó) trong chu vi 10m tính từ anten. Đầu đọc này sẽ tổng hợp tín hiệu UHF từ con chíp của thẻ RFID, bổ sung thờm cỏc thông số như thời gian và địa điểm đồng thời truyền tất cả các thông tin này về hệ thống dữ liệu trung tâm (có thể truyền trực tiếp hoặc trung chuyển qua một hệ thống dữ liệu cục bộ). Mỗi cổng có thể có từ 4 hoặc 5 ăng ten với 1 đầu đọc. Khoảng cách lý tưởng giữa ăng ten và con chip là 2.5m. Các bưu gửi được gắn thẻ RFID khi đi qua Monitoring Gate sẽ được bộ đọc RFID đọc thông tin có trong thẻ và chuyển đến hệ thống thông tin trung tâm : Hình 2.2 Mô hình khai thác thông tin đối với thẻ RFID. 2.2.2 Trong hệ thống giao thông Hình 2.3 Cổng ra vào sử dụng công nghệ RFID. Ở Anh, các hệ thống trả trước cho các dịch vụ giao thông công cộng ra đời nhờ sử dụng công nghệ RFID. Thiết kế này được nhúng trong một thẻ tín dụng (giấy thông hành) và khi được quột nú sẽ cho biết thông hành có hợp lệ hay không và thời gian thông hành còn lại bao lâu. NCT là công ty ở thành phố Nottingham đầu tiên thực hiện dự án này và gọi nó là "beep card". 2.2.3 Trong kinh doanh Các thẻ RFID tần số UHF hiện được sử dụng rộng rãi trong thương mại để tỡm cỏc tủ, palột, và các container chuyển hàng và để tỡm cỏc toa hàng trong các kho hàng vận chuyển. Các thẻ RFID sóng cực ngắn được sử dụng trong việc giám sát ra vào của các xe tải trọng lớn. Hình 2.4 Ứng dụng hệ thống RFID trong dây truyền sản xuất. Hình 2.5 Ứng dụng hệ thống RFID trong quản lý kho hàng. 2.2.4 Trong hệ thống thư viện : Hình 2.6 Ứng dụng RFID trong quản lý thư viện. Các thẻ RFID được sử dụng trong các thư viện: thẻ đọc sách vuông, thẻ CD/DVD tròn và thẻ chữ nhật VHS. Các thẻ RFID tần số cao được sử dụng trong thư viện sách hoặc để tỡm sỏch trong kho, để tỡm palột, điều khiển ra vào toà nhà, tìm hành lý ở sân bay, và sử dụng để tỡm cỏc mặt hàng thuốc, trang trí. Các thẻ tần số cao được sử dụng rộng rãi trong các huy hiệu nhận dạng và thay thế cho các thẻ từ. Những huy hiệu này chỉ cần giữ trong phạm vi một khoảng cách xác định với đầu đọc để nhận dạng. Thẻ tín dụng American Express Blue hiện sử dụng một thẻ RFID tần số cao. RFID cho phép khả năng tự thanh toán , chống trộm cắp và định vị ,tìm kiếm những sách sai vị trí trong thư viện . Công nghệ RFID đã làm thay đổi 1 cách đáng kể đối với các thủ tục và hiệu quả của 1 thư viện : Sẽ không còn việc xếp hàng dài bởi người đọc có khả năng tự thanh toán sách . Với khả năng phát hiện các cuốn sách nằm trong túi, cặp hay quần áo , công nghệ RFID làm giảm tỉ lệ trộm cắp trong thư viện . Sẽ có nhiều quyển sách được cho mượn hơn bởi vì RFID giúp tìm kiếm nhung quyển sách bị thất lạc hay để sai vi trí . Công tác kiểm kê được thực hiện nhanh hơn với độ chính xác cao hơn rất nhiều . Người đọc sẽ cảm thấy tiện lợi hơn nhiều bởi họ có thể trả sách vào bất cứ thời gian nào trong ngày mà không cần phải quay lai quầy thanh toán hay trả lại đúng vị trí sách. Công nghệ RFID đơn giản, thiết thực, rẻ. Mỗi 1 nhãn RFID có 1 mã số duy nhất được lập trình để ghi 1 số thông tin cơ bản nhưng đặc đỉờm và nơi lưư trữ . Đối với thẻ Tag read-write , các thư viện không cần thay đổi thẻ tag mỗi khi thay đổi vị trí sách hoặc đặt sách trước . Với hệ thống RFID , bằng ứng dụng định vị và xác nhận , sẽ không còn trường hợp mất tài liệu . 2.2.5 Hệ thống theo dõi và quản lý động vật Theo dõi động vật với RFID đã đưa công việc quản lý dữ liệu tiến lên một cấp độ mới. Những cố gắng nâng cao việc quản lý là động lực thúc đẩy kết hợp công việc theo dõi động vật với công nghệ RFID.Việc nhận thức được số lượng và địa chỉ của trang trại mọi lúc cho phép những người chủ trang trại và nhà sản xuất vật nuôi có thể đánh giá một cách khách quan hơn giá trị vật nuôi. Công nghệ RFID giúp cho những người chủ trang trại quản lý trang trại một cách có hiệu quả hơn ,cung cấp thức ăn và nước uống tại những vị trí tốt nhất khi cần thiết ,và thậm chí có thể tiến hành các công việc cơ bản như theo dõi sức khỏe và tần suất của những con vật đến trạm .Sự suy giảm tần suất có thể do dấu hiệu của bệnh. Khi vật nuôi được cung cấp thức ăn tốt và dễ dàng xác định vị trí ,giá trị của mỗi vật nuôi sẽ được tối đa nhờ vào việc xem xét chọn đúng thời điểm của thị trường và những dữ liệu kèm theo trên mỗi con vật. Công nghệ RFID thường được triển khai tại các trạm thức ăn tự động và ở những lò mổ gia nhờ vậy mà sản phẩm động vật có thể được phân phối tụt xuỗng những cửa hàng bán lẻ .Việc xuất hàng và nhập hàng có thể được xem xét một cách chặt chẽ hơn để chắc chắn với nhà chức trách về việc con vật không mang bất kỳ một căn bệnh nào. Công nghệ RFID cũng ứng dụng trong việc bảo tồn các sinh vật hoang dã quy hiếm và là công cụ giỳp cỏc nhà khoa học theo dõi tập tính di cư ,quá trình gia tăng và suy giảm, và đánh giá những nơi chúng sinh sống .Thậm chí những nuôi con vật được thuần hóa có thể trở nên dễ dàng hơn khi mang chúng về từ cuộc sống hoang dã . Theo dõi động vật là một trong những ứng dụng đầu tiên mà các nhà sản xuất tiến hành khi khiển khai công nghệ RFID.Cỏc nhà nghiên cứu đó cú ít nhất 16 năm ở lĩnh vực này .Điều này đã trở thành động lực thúc đẩy cho những chuẩn RFID sau này và những công việc liên quan đến việc theo dõi động vật. Một cơ sở sớm ra đời ,là khả năng chỉ đọc và chỉ phuc thuộc vào số lượng hạn chế cho mỗi nhãn lưu trữ trong cơ sở dữ liệu có chứa thông tin về con vật. Khi nhà sản xuất muốn làm nhiều thứ hơn với công nghệ RFID ,một tiêu chuẩn mới hơn được xây dựng cho phép người dung truy nhập thông tin nhãn thí dụ như dữ liệu về tiêm phòng …mà không cần tới các cơ sở dữ liệu tham khảo khác. Sử dụng công nghệ này ở vị trí cổng nhất đinh cho phép vật nuôi được xác định tự động thõm chớ cả khi chúng đứng thành nhóm lớn ..Các tiêu chuẩn tương thích nhau vì thế các nhà sản xuất có thể sử dụng được cả 2 loại nhãn ( chuẩn cũ và mới ). + Thẻ ID động vật là tiến bộ của ngành công nghiệp và theo dõi sức khỏe . Việc mở rộng phạm vi của công nghệ RFID để nhận dạng và theo dõi vật nuôi giúp cho người chủ trang trại theo dõi được tốc dộ tăng trưởng ,số liệu thống kê sức khỏe và đưa ra mô hình thức ăn thích hợp cho mỗi con vật nuôi trong đàn . Thông tin này có thể được sử dụng để xác định thời gian vật nuôi được gửi đến chợ hoặc ra đời . Trong nền kinh tế toàn cầu ,những sự lo lắng về sứckhỏe của động vật và khả năng ngăn cấm về thương mại khiến cho việc nhận dạng động vật sử dụng công nghệ RFID càng trở nên cần thiết hơn.Nú có khả năng cho phép cơ quan sức khỏe tìm ra nguồn gốc thực phẩm và là công cụ quý giá trong việc kiểm soát lan truyền bệnh dịch.Những nhà sản xuất cũng có thể chắc chắn với những nhà xuất khẩu rằng không con vật nào bị bệnh truyền nhiễm ,được cung cấp đầy đủ thức ăn và tiêm phòng đầy đủ. Sự nhận dạng động vật mang đến những sự thách thức đối với những nhà cung cấp công nghệ .Hầu hết những ứng dụng truy tìm dấu vết tài sản giúp cho tài sản của con người luôn trong tầm kiểm soát tại gia đình hay phạm vi quản lý .Vật nuôi và động vật hoang dã được gắn nhãn cho việc nghiên cứu cuộc sống và chúng dược tự do di chuyển qua nhiều môi trường .Thành công trong việc triển khai nhận dạng động vật đòi hỏi những công ty công nghệ có kinh nghiệm lâu năm trong lĩnh vực này. 2.3 Kết luận Qua chương này, chúng ta có thể nhận thẩy được tầm quan trong của công nghệ RFID trong mọi lĩnh vực. Nhờ có RFID, việc quản lý có thể trở nên dễ dàng và nhanh chóng hơn. Ứng dụng RFID có thể chia làm hai dạng chính, một là ứng dụng trong công nghiệp với các hệ thống dây truyền sản xuất và nhà kho, hai là ứng dụng cú tớnh xã hội với các hệ thống quản lý truy nhập và hàng hóa tại các siêu thị. Tuy nhiên, mỗi một ứng dụng đều đi kèm với những mục đích và yêu cầu bảo mật riêng do đó nhà sản xuất cần phải phân tích thiết kế và chế tạo hệ thống dựa trên những yêu cầu thực tế đưa ra. CHƯƠNG 3 XÂY DỰNG HỆ THỐNG RFID TRONG DẢI TẦN LF Trong các chương trước chúng ta đã được hiểu thêm về công nghệ RFID và nguyên lý hoạt động của hệ thống. Dựa trên nền tảng kiến thức tiếp thu được qua quá trình tìm hiểu công nghệ và kiến thức điện tử, xử lý tín hiệu số qua nhiều năm học tập, em đã mạnh dạn áp dụng vào thực tế, xây dựng hệ thống RFID trong dải tần LF. 3.1 Hệ thống RFID dải tần LF 3.1.1 Tổng quan về hệ thống Dải tần LF chạy từ tần số 30 – 300KHz, đối với dải tần này, kỹ thuật RFID thường sử dụng tần số 125Khz. Hệ thống có chức năng chính là nhận diện và đọc nội dung trờn cỏc thẻ tag RFID có sử dụng chip EM4102 làm hạt nhân giao tiếp. Nội dung thông tin của thẻ sẽ được đưa ra hiển thị trên màn hình LCD. Ngoài ra hệ thống cũng có khả năng thực hiện giao tiếp với loại thẻ tag Read/Write sử dụng chip EM4095. Hệ thống sử dụng chip PIC16F876A làm điều khiển trung tâm, thực hiện chức năng điều khiển, giao tiếp với chip EM4095-chip giao tiếp thẻ RFID, thực hiện điều khiển hiển thị lên LCD và gửi dữ liệu lên máy tính thông qua cổng giao tiếp RS232. Toàn bộ hệ thống được tích hợp trên một bo mạch nhỏ gọn và dễ dàng cho việc thay thế, nâng cấp. Hình 3.1 Tổng quan hệ thống. 3.1.2 Sơ đồ khối hệ thống Hình 3.2 Sơ đồ khối hệ thống. 3.1.2.1 Khối nguồn Nhiệm vụ chính là cung cấp nguồn cho toàn bộ hệ thống, tạo ra một nguồn 5V ổn định cung cấp cho vi điều khiển trung tâm, IC đọc RFID, LCD hiển thị… sử dụng IC ổn áp LM7805, có thể cung cấp dòng tối đa lên đến 1A. Sơ đồ nguyên lý của khối nguồn: Hình 3.3 Khối nguồn 3.1.2.2 Khối hiển thị Sử dụng màn hiển thị tinh thể lỏng (LCD) có khả năng hiển thị ký tự ASCII. Chức năng chính của khối này là hiển thị thông tin hệ thống, hiển thị mã số của thẻ (Tag) RFID sau khi mã hóa và hiển thị thông tin theo yêu cầu người lập trình. Sơ đồ nguyên lý khối hiển thị LCD: Hình 3.4 Khối hiển thị. 3.1.2.3 Khối xử lý trung tâm: Khối sử dụng vi điều khiển PIC16F876A của hãng MicroChip. Nhiệm vụ khối là điều khiển chính cho toàn hệ thống. - Điều khiển giao tiếp với IC đọc thẻ RFID EM4095, điều khiển thực hiện các chức năng đọc/ghi nội dung thẻ Tag. - Điều khiển nội dung hiển thị trên LCD - Điều khiển luồng dữ liệu giao tiếp với máy tính thông qua kết nối RS232. - Các điều khiển khác. Sơ đồ khối xử lý trung tâm: Hình 3.5 Khối xử lý trung tâm. Đặc điểm chính của PIC 16F876A Họ PIC16F87X có 4 loại : PIC16F876/PIC16F873 (28 chân) và PIC16F877/ PIC16F874 (40 chân) . Loại 28 chân không có cổng PSP. Chỉ có 35 lệnh. Tất cả các lệnh đơn thực hiện trong 1 chu kỳ lệnh ngoại trừ các lệnh rẽ nhỏnh thỡ thực hiện trong 2 chu kỳ. Tốc độ hoạt động : 20MHz và mỗi chu kỳ lệnh thực hiện trong 200ns. Có bộ nhớ chương trình FLASH (FLASH Program Memory) 8K x 14 words. Có bộ nhớ dữ liệu RAM (Data Memory) 360 x 8 bytes. Có bộ nhớ dữ liệu EEPROM (EEPROM data memory) 256 x 8 bytes. Có 14 ngắt trong và ngắt ngoài. Có 8 ngăn Stack. 3 chế độ địa chỉ : Trực tiếp, gián tiếp và tương đối. Có sẵn PRO (Power-up Timer), PWRT (Power-up Timer), OST (Oscillator Start-up Timer) và WDT (Watchdog Timer). Có chế độ SLEEP tiết kiệm năng lượng. Cú các chọn lựa cho bộ phát sóng. Cú các cổng ghép nối nối tiếp và song song. Có dải điện áp làm việc 2.0V đến 5.5V. Bộ Timer0 8bits Timer/Counter với 8bits Prescaler. Bộ Timer1 16bits Timer/Counter với Prescaler. Bộ Timer2 8bits Timer/Counter với 8bits thanh ghi đoạn, Prescaler và Postscaler. Các chế độ Capture (16bits, 12.5ns) , Compare (16bits, 200ns) và PWM (10bits) [CCP]. Bộ biến đổi AD nhiều khênh 10 bits. Cổng truyền tin nối tiếp đồng bộ với 2 chế độ SPI và I2C. Có USART/SCI với 9bits địa chỉ. Có cổng PSP (Parallel Slave Port) 8bits với cỏc chõn điều khiển ngoài RD, WR và CS nhưng chỉ có ở các CHIP 40/44 chân. BOR (Brown-out Reset). 3.1.2.4 Khối giao tiếp máy tính: Thực hiện nhiệm vụ chuyển đổi mức tín hiệu, truyền dữ liệu lên máy tính thông qua cổng giao tiếp RS232. Sử dụng IC MAX23 Sơ đồ nguyên lý: Hình 3.6 Khối giao tiếp máy tính. 3.1.2.5 Khối rơle Khối điều khiển các hoạt động cơ của hệ thống bao gồm hệ thống chip nhạc, cửa và hệ thống led báo hiệu. Sơ đồ khối : Hình 3.7 Khối rơle. 3.1.4 Thẻ (Tag) RFID Do yêu cầu của hệ thống RFID là dùng trong quản lý nhân sự ở tần số thấp 125 KHz nên ta chọn loại thẻ thụ động Read-Only với giá thành thấp (khoảng 0,5USD/chiếc) chứa IC EM4102 của hãng Emmicroelectronic-Marin SA của Thụy Sĩ. Mô tả chung EM4102 là chip CMOS dùng trong các thẻ RFID thụ động dạng Read-Only tức là thẻ này không có nguồn pin bên trong mà nó hoạt động dựa vào năng lượng do anten gắn trên thẻ thu về khi đặt trong trường điện từ của anten phía đầu đọc phát ra. Đặc điểm: - Bộ nhớ 64 bit laser programmable - Có một số lựa chọn về tốc độ truyền dữ liệu (16/32/64 chu kỳ của tần số sóng mang trên 1 bit dữ liệu) và dạng mã hóa dữ liệu (Manchester, Biphase hoặc PSK) - Có tụ cộng hưởng trên chip (79pF) - Có bộ giới hạn điện áp trên chip - Có bộ chỉnh lưu trên chip - Tần số hoạt động: 100 ữ 150 kHz - Kích cỡ chip rất nhỏ tiện để gắn lờn cỏc loại thẻ - Tốn rất ít năng lượng - Nguồn cấp (Vdd): - 0.3 ữ 7(V) - Dòng 1 chiều trên cuộn dây anten trong tag (Icoil): -10 ữ 10 (mA) - Nhiệt độ hoạt động (Top): - 40 ± 85 (oC) Sơ đồ: Hình 3.8 Sơ đồ chip EM4102. Các khối chức năng: Hình 3.9 Sơ đồ khối của IC EM4102. IC EM4102 được cung cấp năng lượng bởi trường điện từ cảm ứng trên cuộn dây anten. Điện áp xoay chiều cảm ứng được chỉnh lưu để tạo nguồn 1 chiều cung cấp cho các thiết bị bên trong tag hoạt động. Khi bit cuối cùng được truyền đi thì tag lại gửi tiếp tục bit đầu tiên cho đến khi hết năng lượng. - Khối chỉnh lưu (Full Wave Rectifier): điện áp xoay chiều cảm ứng trên anten được chỉnh lưu bởi mạch cầu Graetz. Mạch cầu sẽ giới hạn điện áp một chiều được chỉnh lưu để tránh sự cố khi điện áp quá cao. - Khối tạo xung clock (Clock Extractor): đầu COIL1 được dùng để tạo xung clock logic để đưa vào khối Sequencer. - Khối sắp xếp dãy (Sequencer): cung cấp tất cả các tín hiệu cần thiết để định địa chỉ trong mảng bộ nhớ và để mã hóa chuỗi dữ liệu đầu ra. Có thể sử dụng 3 phiên bản mã hóa logic: Manchester, Biphase (tốc độ truyền là 32/64 chu kỳ của tần số hoạt động) và PSK (tốc độ truyền là 16 chu kỳ của tần số hoạt động). - Khối điều chế dữ liệu (Data Modulator): được điều khiển bởi tín hiệu Modulation Control để cảm ứng dòng điện cao trên cuộn dây anten. Transitor ở đầu COIL2 điều khiển dòng điện cao này gây ảnh hưởng đến từ trường tùy theo dữ liệu được lưu trong mảng bộ nhớ. - Bộ nhớ (Memory Array): EM4102 bao gồm 64 bits chia làm 5 nhóm thông tin. 9 bits được sử dùng làm header luôn được lập trình ở mức 1, 10 bits (P0-P9) làm bit parity hàng, 4 bits (PC0-PC3) làm bit parity cột, 40 bits dữ liệu (D00-D93) và 1 stop bit luôn để ở mức logic 0. Vì cấu trúc dữ liệu và bit parity như vậy nên sự sắp xếp cỏc dóy như thế này không thể lập trình lại. Các bit từ D00 đến D03 và từ D10 đến D13 là đặc điểm nhận dạng của khách hàng (Customer Identification). 64 bits này được xuất ra liên tiếp để điều khiển bộ điều chế. Khi chuỗi 64 bits được xuất ra thì thứ tự lại lặp lại cho đến khi hết năng lượng. Hình 3.10 Phân chia 64 bits trong bộ nhớ của EM4102. Khối mã hóa dữ liệu (Data Encoder): lựa chọn phương thức mã hóa Manchester. Đây là phương thức luụn cú một sự chuyển đổi từ ON sang OFF hoặc từ OFF sang ON ở giữa chu kỳ bit tại thời điểm chuyển đổi từ bit logic 1 sang bit logic 0 hoặc từ bit logic 0 sang bit logic 1. Giá trị ở mức cao của chuỗi dữ liệu thể hiện trạng thái OFF, mức thấp của dữ liệu thể hiện trạng thái ON. Hình 3.11 Mã hóa dữ liệu dạng mã Manchester. 3.1.5 IC RFID Để phù hợp với lựa chọn Tag RFID ở trên và thỏa mãn yêu cầu của ứng dụng truy nhập, ta cũng chọn IC RFID phía bên đầu đọc cựng hóng Emmicroelectronic là EM4095. Đây là IC nằm trong khối HF trong cấu trúc xây dựng đầu đọc hoạt động ở tần số 125 kHz có giá thành tương đối rẻ (7 USD/chiếc) thường được ứng dụng trong nhiều đầu đọc ở tần số này. Mô tả chung EM4095 là một chip CMOS dùng trong khối HF của đầu đọc RFID cú cỏc chức năng: Điều khiển anten với tần số sóng mang Điều chế AM (biên độ) tín hiệu để ghi vào thẻ Giải điều chế AM các tín hiệu nhận về từ thẻ Kết nối với một vi điều khiển làm nhiệm vụ điều khiển truy xuất dữ liệu thông qua giao diện đơn giản Đặc điểm: Hệ thống tích hợp vũng khúa pha (Phase Locked Loop – PLL) để tự nhận tần số sóng mang thích hợp với tần số cộng hưởng của anten - Không cần khối quartz tạo xung bên ngoài - Dải tần số hoạt động: 100 ữ 150 kHz - Điều khiển anten trực tiếp sử dụng các cầu điều khiển - Truyền dữ liệu bằng phương thức OOK (Điều chế biên độ 100% ) - Phù hợp với nhiều dạng Tag RFID (EM400x, EM4102, EM 4050, EM4150, …). - Chế độ sleep tiêu tốn 1μA - Nguồn cung cấp có thể dùng giao diện USB Ứng dụng: giám sát xe cộ, các đầu đọc cầm tay, các đầu đọc giá thành rẻ. Cấu hình hoạt động: Sơ đồ bố trí cỏc chõn: Hình 3.12 Sơ đồ bố trí cỏc chõn của EM4095. EM4095 gồm 16 chân được dùng với một anten gắn ngoài và một vi điều khiển. Hoạt động của IC này được điều khiển bởi đầu vào logic SHD và MOD. Khi chân SHD ở mức cao thì EM4095 ở trạng thái sleep, công suất tiêu thụ được tối thiểu hóa. Trước khi hoạt động thỡ chõn SHD luôn ở mức cao để có quá trình khởi tạo đúng. Khi chân SHD ở mức thấp thì mạch điện có thể phát ra trường sóng vô tuyến, giải điều chế bất kỳ một tín hiệu điều chế biên độ (AM) nào mà nó phát hiện trên anten. Tín hiệu số từ khối giải điều chế AM được đưa vào chân DEMOD_OUT để chuyển sang vi điều khiển thực hiện giải mã và xử lý. Khi chân MOD ở mức cao, bắt buộc các khối điều khiển chính của anten phải ở 3 trạng thái đồng bộ với sóng mang vô tuyến. Khi chân MOD ở mức cao thì khối tạo dao động điện áp điều khiển (Voltage Controlled Oscillator – VCO) và giải điều chế AM được giữ ở trạng thái trước khi chân MOD ở mức cao. Điều này đảm bảo cho việc khôi phục nhanh sau khi chân MOD được giải phóng. Việc chuyển lên trạng thái hoạt động của khối VCO và khối giải điều chế AM bị trễ khoảng 41 chu kỳ clock sau khi chuyển mức ở chân MOD. Theo cách này khối VCO và giải điều chế AM hoạt động tại các thời điểm không bị xáo trộn bởi việc bắt đầu quá trình cộng hưởng của anten. Khối tương tự (Analog Block): có 2 chức năng là truyền và nhận tín hiệu. Quá trình truyền bao gồm việc điều khiển anten và khối điều chế AM trong trường sóng vô tuyến. Khối điều khiển anten phát ra một dòng điện vào anten bên ngoài để sinh ra từ trường. Quá trình nhận bao gồm khối giải điều chế AM các tín hiệu nhận được từ anten thông qua cảm ứng với Tag. Quá trình truyền: quá trình này được thực hiện bởi vũng khúa pha PLL và các khối điều khiển anten. Vũng khóa pha (Phase Locked Loop): được hình thành bởi vòng lọc, bộ tạo điện áp điều khiển VCO và các khối so sánh pha. Bằng cách sử dụng một bộ chia dung kháng ngoài, chân DEMOD_IN lấy thông tin về tín hiệu áp cao thực tế trên anten. Pha của tín hiệu này được so sánh với tín hiệu từ bộ điều khiển anten. Vì thế vũng khúa pha có thể giữ tần số sóng mang bằng với tần số cộng hưởng của anten. Phụ thuộc vào cách thiết kế anten mà tần số cộng hưởng của hệ thống là một giá trị nằm trong khoảng từ 100 đến 150 kHz. Trong mọi trường hợp khi tần số cộng hưởng nằm trong dải tần số này nó sẽ được duy trì bởi vũng khúa pha. Quá trình nhận: Tín hiệu giải điều chế vào khối nhận là điện áp lấy từ anten. Chân DEMOD_IN được coi như là đầu vào của quá trình nhận tín hiệu. Mức tín hiệu trờn chõn đầu vào DEMOD_IN phải thấp hơn VDD -0,5 V và cao hơn VSS + 0,5 V. Mức điện áp đầu vào được điều chỉnh bởi bộ chia dung kháng bên ngoài. Bộ chia dung kháng được bù bởi tụ cộng hưởng phù hợp nhỏ hơn. Phương thức giải điều chế biên độ dựa trên kỹ thuật giải điều chế đồng bộ biên độ. Trong quá trình nhận bao gồm các khối trích và giữ mẫu, xóa offset một chiều, lọc giải thông và bộ so sánh. Điện áp 1 chiều của tín hiệu trờn chõn DEMOD_IN được đặt ở mức AGND bởi điện trở trong. Tín hiệu điều chế biên độ được lấy mẫu, việc lấy mẫu được đồng bộ hóa bởi xung clock từ VCO. Mọi thành phần một chiều bị lọc ra khỏi tín hiệu này bởi tụ CDEC. Các bộ lọc thông cao bậc hai và tụ CDC2 để loại tín hiệu sóng mang còn lại, các nhiều tần số cao và thấp. Tín hiệu nhận được sau khi được khuếch đại và lọc được vào bộ so sánh không đồng bộ. Tín hiệu ra của bộ so sánh là tín hiệu trờn chõn đầu ra DEMOD_OUT. Tín hiệu RDY/CLK: tín hiệu này cung cấp cho vi xử lý bên ngoài với tín hiệu clock đồng bộ với tín hiệu trờn chõn ANT1 và với thông tin về trạng thái bên trong EM4095. Xung clock đồng bộ với tín hiệu trờn chõn ANT1 cho thấy vũng khúa pha đó đúng và điểm hoạt động của quá trình nhận được đặt. Khi chân SHD ở mức cao thì tín hiệu RDY/CLK bị buộc ở mức thấp. Sau sự chuyển đổi từ cao sang thấp trờn chõn SHD thỡ vũng khúa pha PLL bắt đầu và quá trình nhận được khởi động. Sau thời gian TSET vũng khóa pha đóng lại và điểm hoạt động của quá trình nhận được hình thành. Tại thời điểm này tín hiệu được chuyển tới chân ANT1 cũng được đưa vào chân RDY/CLK để chuyển sang vi xử lý nhờ đó vi xử lý bắt đầu quan sát tín hiệu trờn chõn DEMOD_OUT và đồng thời đưa ra xung clock tham chiếu. Xung clock trờn chõn RDY/CLK là liên tục, nó cũng xuất hiện trong thời gian các khối ANT nghỉ vỡ chõn MOD ở mức cao. Trong thời gian TSET chân SHD chuyển từ cao xuống thấp thỡ chõn RDY/CLK cũng bị kéo xuống bởi điện trở kéo 100 kΩ. Lí do là bởi chức năng phụ của chân RDY/CLK trong trường hợp điều chế AM với chỉ số nhỏ hơn 100%. Trong trường hợp đú nú thường dùng như khối điều khiển phụ trợ duy trì biên độ thấp trên cuộn cảm trong quá trình điều chế. Chế độ Read-Only: Hình 3.13 Cấu hình EM4095 dùng trong chế độ Read Only. Chế độ Read-Write: Hình 3.14 Cấu hình EM4095 dùng trong chế độ Read Write. Các thông số kỹ thuật: - Nhiệt độ hoạt động: -40o ữ 100oC - Nguồn cung cấp (VDD) : 4,1 (VSS = -0,3V) ữ 5,5 (V) (VSS = 6V) - Tần số cộng hưởng của anten (FRES): 125 kHz - Biên độ đỉnh của dòng xoay chiều tại các đầu ANT1 và ANT2 (IANT): 250mA - CFCAP = 10 nF - CDEC = 100 nF - CDC2 = 6,8 nF - CAGND = 100 ữ 220 nF - Thời gian set-up sau 1 chu kỳ sleep: 35 ms - Trong điều chế AM, thời gian trễ từ đầu vào đến đầu ra: 40 μs Sơ đồ khối: Hình 3.15 Sơ đồ khối của EM4095. Chế độ hoạt động Read Only: Hình 3.16 Chế độ hoạt động Read Only. Chân MOD không được sử dụng. Trong trường hợp này nó sẽ được nối với đất. Chế độ hoạt động Read Write: Hình 3.17 Chế độ hoạt động Read Write. Ở chế độ hoạt động Read Write đầu đọc kết nối với thẻ qua giao thức OOK 3.2 Thiết kế anten cho hệ thống 3.2.1 Nghiên cứu nguồn năng lượng trường điện từ nuôi thẻ RFID Hệ thống RFID hoạt động ở tần số 125 KHz cú nghuyờn lý hoạt động dựa trên nguyên tắc ghép nối cảm ứng giữa anten và đầu đọc và anten thẻ. Vì vậy để hiểu được cơ chế truyền năng lượng và dữ liệu giữa đầu đọc và thẻ qua ghép nối càm ứng các anten cần hiểu nguyên tắc vật của từ trường tao ra bởi anten. 3.2.1.1 Từ trường do anten tạo ra Cường độ từ trường H: Về cơ bản khi có một dòng điện chuyển động trong một dây dẫn thỡ nú sẽ sinh ra một từ trường H xung quanh dây dẫn theo chiều nhất định và tuân theo quy luật (3.1) Hình 0.18 Từ trường H sinh ra bởi dòng điện I Dọc theo một đường sức từ cách dây dẫn 1 khoảng cách r thì cường độ từ trường được tính theo công thức: (3.2) Nếu thay dây dẫn bằng một cuộn dây (hình tròn) nhiều vòng của đầu đọc thì từ trường sinh ra do dòng điện qua cuộn dây sẽ là một từ trường dao động trong không gian giữa hai thiết bị đầu đọc và thẻ của hệ thống RFID. Hình 0.19 Từ trường H sinh ra bởi cuộn dây Dọc theo trục x từ trường H càng giảm nếu càng ra xa tâm của cuộn dây. Cường độ từ trường H của cuộn cảm phía đầu đọc (bờn phỏt) trong hệ ghép nối cảm ứng RFID được tính theo công thức sau: (3.3) Trong đó: I- dòng điện đi qua cuộn dây anten N - số vòng dây R: bán kính vòng dây x: khoảng cách từ đường sức từ tới tâm cuộn dây Từ thông Φ và cảm ứng từ B: Tổng các đường sức từ đi qua một vòng dây sẽ tạo nên một từ thông Φ. Từ thông Φ được tính qua cảm ứng từ B trong một tiết diện S theo công thức: (3.4) Trong đó cảm ứng từ B được tính qua cường độ từ trường H: (3.5) Với μ là độ từ thẩm. Độ tự cảm L: Cuộn dây có N vòng dây sẽ tạo ra từ thông tổng ψ và độ tự cảm L của cuộn dây sẽ được tính theo tỉ số giữa từ thông tổng và dòng điện sinh ra nó: (3.6) Nếu bán kính của dây dẫn ro rất nhỏ so với bán kính của cuộn dây R (r/R < 0.0001) thì độ tự cảm L của cuộn dây sẽ được tính xấp xỉ theo công thức: (3.7) Với μo là độ từ thẩm của không khí; . Hiện tượng hỗ cảm: Khi cú thờm cuộn dây anten của thẻ RFID nằm trong phạm vi từ trường do cuộn dây anten của đầu đọc phát ra thì sẽ có hiện tượng hỗ cảm từ cuộn dây phỏt (bờn đầu đọc) sang cuộn dây thu (bên thẻ). Trên diện tích mỗi vòng dây của cuộn dây thu sẽ có một phần đường sức từ của cuộn dây phát kia đi qua. Từ thông do cuộn dây phát (cuộn dây 1 cú dũng I1) gửi qua cuộn dây thu (cuộn dây 2) là Φ12 = M12.I1 (3.8) Trong đó M12 hệ số hỗ cảm của mạch 1 và 2. Hình 0.20 Mạch điện mô tả hiện tượng cảm ứng từ Hệ số hỗ cảm giữa hai cuộn dây: (3.9) Từ thông hỗ cảm sẽ sinh ra dòng điện I2 trên cuộn dây phía thu. Cuộn dây phía thu có độ tự cảm L2, trở kháng cuộn dây R2, tổn hao dòng điện của phần vi xử lý phía sau anten của thẻ được đặc trưng bởi điện trở RL. Nhờ có hiện tượng hỗ cảm này trên hai đầu cuộn dây L2 sẽ có một điện áp cảm ứng u2: (3.10) Hiện tượng cộng hưởng: Điện áp cảm ứng u2 trên cuộn dây anten phía thẻ sẽ cung cấp năng lượng nuôi vi xử lý của thẻ thụ động. Để tăng cương hiệu suất hoạt động ở trên mạch của thẻ, tụ C2 sẽ được mắc song song với cuộn cảm L2 để tạo ra mạch cộng hưởng song song với tần số cộng hưởng tương ứng với tần số hoạt động của hệ thống RFID. Tần số cộng hưởng của mạch cộng hưởng song song L2 – C2 được tính theo công thức Thompson: (3.11) Trong thực tế thì tụ C2 được ghép song song bởi tụ C2’ (20 ữ 200 pF) và tụ Cp . Hình 0.21 Mạch điện tương đương của thẻ RFID 3.2.1.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến năng lượng nuôi thẻ RFID A. Điện áp cảm ứng trên thẻ Trong thẻ bị động, thành phần sóng mang chứa dữ liệu phải nhận được năng lượng từ điện áp u2. Để đạt được điều này, điện áp u2 được chỉnh lưu bởi mạch cầu và sau đó được san phẳng bởi các tụ. Điện áp cảm ứng u2 đạt đến giá trị cao rất nhanh do bước nhảy cộng hưởng trong mạch cộng hưởng. Nếu ta tăng hệ số hỗ cảm k (0 < k <1) thì điện áp u2 có thể đạt đến mức lớn hơn 100V mà sóng mang chỉ cần cấp điện áp từ 3 ữ 5V (sau khi đã chỉnh lưu). Vì vậy để điện áp u2 không bị ảnh hưởng bởi hệ số hỗ cảm k và giữ nó không đổi trong thực tế thì một điện trở shunt Rs được mắc song song với tải RL. B. vị trí của hai anten Một yếu tố nữa ảnh hưởng đến năng lượng nuôi thẻ RFID hay ảnh hưởng đến điện áp cảm ứng trên thẻ đó là vị trí của hai anten với nhau. Gọi x là trục vuông góc với mặt phẳng cuộn dây anten phía đầu đọc và góc là góc tạo bởi mặt phẳng cuộn dây anten của thẻ và mặt phẳng cuộn dây anten của đầu đọc. Hình chiếu của điện áp cảm ứng u2 lên trục x là: (3.12) Hình 0.22 Vị trí của anten đầu đọc và anten thẻ tạo nên góc Khi đó nếu = 90o hay cuộn dây anten của thẻ nằm vuông góc với cuộn dây anten của đầu đọc thì sẽ không có điện áp cảm ứng trên thẻ. Như vậy nếu các đường sức từ chạy song song với mặt phẳng cuộn dây anten của đầu đọc thì năng lượng cảm ứng lên thẻ là lớn nhất hay phạm vi đọc của hệ thống RFID là lớn nhất. Hình 0.23 Vùng từ trường của anten đầu đọc với các vị trí khác nhau của anten thẻ C. Công suất phát của anten đầu đọc Công suất của anten phỏt phớa đầu đọc cũng ảnh hưởng trực tiếp đến năng lượng cung cấp cho thẻ. Công suất của anten phát phụ thuộc chủ yếu vào hệ số chất lượng Q (Qualify Factor). Hệ số chất lượng Q là phép đo bước nhảy cộng hưởng điện áp và dòng điện trong mạch cộng hưởng tại tần số cộng hưởng. Trong mạch tương đương của anten phía đầu đọc thì hệ số chất lượng của anten được tính toán đơn giản qua công thức: (3.13) Hình 0.24 Mạch tương đương đơn giản hóa của anten phía đầu đọc Trong thực tế, để đạt được hệ số Q mong muốn thì người ta mắc thêm điện trở ngoài Rint song song với anten. Khi đó hệ số Q được tính theo công thức: (3.14) Trong đó: ω: là tần số góc của mạch cộng hưởng () L2: điện cảm của cuộn dây anten phía đầu đọc R2: điện trở nối tiếp của cuộn dây anten phía đầu đọc Công suất phát của anten khi có dòng điện I đi qua: (3.15) Vậy để có dòng điện qua anten đầu đọc lớn nhất cần tính toán hệ số chất lượng Q và lựa chọn các thiết kế anten cho phù hợp. 3.2.1.3 Khảo sát cường độ từ trường của anten cường độ từ trường của anten được tính theo công thức (3.3): Trước khi khảo sát ta cần tỡm cỏc thông số có thể tính toán được trước: Tính dòng điện I qua anten: Hình 0.25 Sơ đồ thay thế của anten phía đầu đọc Trong đó: L2 – cuộn dây anten C2 – tụ cộng hưởng – điện trở nối tiếp anten Ta có: (3.16) Với tần số hoạt động là f = 125 kHz , chọn tụ C2 là 2.24 nF → Chọn hệ số chất lượng Q = 40 thì điện trở của anten có thể tính theo công thức: Từ datasheet của IC EM4095 ta có dòng điện giới hạn là IANTmax = 300 mA, điện áp đỉnh trên anten là VANT(Vpp) = 191 V, để đảm bảo hiệu điện thế trên anten không vượt quá giới hạn đặt ra, chắc chắn cần dùng một điện trở nối tiếp RSER để tránh sự quỏ ỏp trờn IC. Chọn để tính toán. Với điện trở của khối điều khiển anten trong chip EM4095 là thì dòng điện qua anten được tính theo công thức: Trong thực tế ta có thể điều chỉnh dòng điện qua anten bằng việc điều chỉnh biến trở RSER. Tính N: Từ công thức (3.7), với điện cảm L = 725 μH thì số vòng dây của anten được tính thông qua bán kính R của vòng dây anten và bán kính r của dây đồng như sau: (3.17) → Thay (4.18) vào (4.3) ta có cường độ từ trường của anten: (3.18) Do bán kính của dây đồng rất nhỏ (thường từ 0.1 ữ 1 mm) so với bán kính của vòng dây anten và khoảng cách từ thẻ đến anten đầu đọc (thường từ 1 ữ 10 cm) nên có thể coi bán kính r của dây đồng là đại lượng không đổi. Chọn r = 0,1 mm, ta có: (3.19) Như vậy cường độ từ trường của anten phụ thuộc vào 2 yếu tố: R : bán kính của vòng dây anten x : khoảng cách từ thẻ đến anten đầu đọc Khảo sát cường độ từ trường H dựa trên 2 thông số R và x ta có đồ thị không gian 3-D sau : Hình 0.26 Khảo sát sự phụ thuộc của cường độ từ trường H vào các yếu tố R và x Từ đồ thị ta thấy trong phạm vi xung quanh không gian R từ 10 mm đến 30 mm và khoảng cách x từ 0 đến 30 mm ta luụn cú cường độ từ trường mạnh nhất. Ngoài phạm vi này cường độ từ trường rất nhỏ, càng ra xa trục R và trục x thì cường độ từ trường càng gần 0. Khảo sát cường độ từ trường H phụ thuộc vào bán kính anten R: Nếu ta chọn trước khoảng cách từ thẻ đến anten đầu đọc, sự phụ thuộc của cường độ từ trường vào bán kính vòng dây anten được biểu diễn qua đồ thị hình 3-10. So sánh cường độ từ trường ứng với 5 giá trị khoảng cách x = 10 mm, x = 20 mm, x = 30 mm, x = 40 mm, x = 50 mm ta thấy khoảng cách x càng nhỏ thì cường độ từ trường càng lớn (tức là thẻ càng gần anten của đầu đọc thì càng dễ nhận dạng). Trong đó, với bán kính anten R < 30 mm thì cường độ từ trường là lớn nhất ứng với từng khoảng cách đọc x. Hình 0.27 Sự phụ thuộc của cường độ từ trường vào bán kính vòng dây anten của đầu đọc Khảo sát cường độ từ trường H phụ thuộc vào khoảng cách x : Tương tự, nếu ta chọn trước bán kính của anten thì ta có thể khảo sát sự phụ thuộc của cường độ từ trường H vào khoảng cách từ thẻ đến anten. Nhận thấy phạm vi đọc thẻ phổ biến trong ứng dụng quản lý nhân sự là trong khoảng từ 2 - 5 cm nên ta sẽ dựa trên phạm vi này để đánh giá các đường đặc tính cường độ từ trường phụ thuộc vào khoảng cách x. Trên đồ thị hình 3-11, ta vẽ 5 đường cong ứng với 5 giá trị của bán kính anten là 10mm, 20mm, 25 mm, 35 mm và 50 mm. Hình 0.28 Sự phụ thuộc của cường độ từ trường vào khoảng cách từ thẻ đến anten đầu đọc Từ đồ thị trên ta thấy bán kính anten tăng dần từ 10 đến 25 mm thì cường độ từ trường tăng, tăng tiếp từ 25 mm đến 50 mm thì cường độ từ trường giảm. Vậy nếu lấy trung bình trong khoảng cách từ 2 đến 5 cm thì bán kính anten là 2,5 cm có cường độ từ trường xấp xỉ là lớn nhất. Kết luận: Để đạt được cường độ từ trường lớn nhất ta nên chọn bán kính anten của đầu đọc R < 30 mm. Hệ thống RFID sử dụng chip EM4095 hoạt động ở dải tần thấp 125KHz. Trong dải tần hoạt động này, anten cho hệ đọc RFID có thể là loại anten trên mạch in hay anten ngoài sử dụng vòng dây đồng cuốn nhiều vòng. Để tăng tính linh động trong thiết kế, ta sẽ lựa chọn kiểu thiết kế anten ngoài sử dụng vòng dây cuốn. Mạch dưới đây là sơ đồ tổng quát mạch cộng hưởng. Hình 3.29 Mạch dao động LC. Mạch trờn cú sử dụng một điện trở RL có nhiệm vụ chính là hạn dòng đi qua vòng dây anten và phối hợp trở kháng. Cuộn dây LR cũng chính là anten. Việc thiết kế anten khá đơn giản, ta chỉ việc cuốn tròn liên tiếp nhiều vòng dây đồng lại với nhau. Khi thiết kế cần đảm bảo các thông số sau: Loại dây sử dụng: dây đồng có đường kính dưới 0.2 mm Đường kính cuụn dõy anten: >= 2.7mm Giá trị điện cảm cuộn dây: 350 μH ~ 800 μH Điện trở nối tiếp với cuộn dây: 22Ω ~ 50Ω Điện áp lớn nhất đặt lên anten: VANT(Vpp) = 191 V Tính toán giá trị điện cảm cho cuộn dây: Với anten của hệ, để đơn giản cho việc thiết kế ngoài việc tuân theo các thông số thiết kế đã đưa ra ở trên, vì sử dụng anten cuốn dây bên ngoài nên số vòng dây quấn cũng phải phù hợp với giá trị L, R của anten. Sau đây là hướng dẫn thiết kế cho anten. Dây đồng: Loại dây cách điện có đường kính dưới φ0.2 mm Lõi cuốn dõy: Lừi trũn có đường kính 2.7 mm hoắc lõi hình chữ nhật với kích thước tương đương. Đường kính lõi có thể lớn hơn, cần có kiểm nghiệm thực tế về khả năng đọc thẻ của hệ thống. Chất liệu lõi cuộn dây: Lõi không khí Số vòng dây: Tùy vào yêu cầu về khoảng cách đọc thẻ mà cuốn số vòng dây phù hợp. Thông thường cuốn với số vòng dao động từ 100 ~ 400 vòng dây. Số vòng dây càng nhiều thì càng tăng khả năng đọc được thẻ RFID ở khoảng cách xa. 3.3 Kết luận Chương 3 trình bày về cách tính toán cũng như kỹ thuật xây dựng một hệ thống RFID cơ bản dựa trên nền tảng công nghệ của cỏc hóng sản xuất Emmicroelectronic-Marin SA của Thụy Sĩ. Em đã đưa ra được sản phẩm hoàn chỉnh của công nghệ ở dải tần số LF. Qua đây, em đã học tập được rất nhiều kinh nghiệm trong kỹ thuật sử lý số và tính toán chế tạo anten ở dải tần thấp. Đây cũng sẽ là bước đầu của quá trình nghiên cứu công nghệ RFID để đưa nó vào áp dụng thực tiễn tại Việt Nam sau này của em . CHƯƠNG 4 TỔNG KẾT Kết quả thu được - Thiết kế chế tạo thử nghiệm thành công hệ thống đầu đọc thẻ ứng. Lựa chọn giải pháp công nghệ thích hợp . Tính toán hiệu quả phạm vi của đầu đọc trên hệ thống. - Tần số hoạt động của đầu đọc RFID: 125 KHz - Giới hạn sử dụng thẻ RFID: thẻ thụ động, Read-Only, 64 bits - Phương thức điều chế: ASK - Phạm vi đọc thẻ: < 10 cm - Thiết kế anten cho đầu đọc, nghiên cứu trường điện từ cung cấp năng lượng cho anten đầu đọc. - Xác định các yếu tố ảnh hưởng đến trong toàn bộ hệ thống thông tin. - Lắp đặt thử nghiệm hệ thống. 4.2 Hướng phát triển Sau khi chế tạo thành công công nghệ RFID ở dải tần LF, em đã đưa ra hướng phát triển của hệ thống gồm có : - Nghiờn cứu và chinh phục công nghệ của hãng TI ( Mỹ ) với dải tần HF, phạm vi của bộ reader là 5m xa hơn rất nhiều so với công nghệ Emmicroelectronic-Marin SA của Thụy Sĩ. - Xây dựng và phát triển hệ thống trên nền IP : kết nối hệ thống cơ sở dữ liệu với internet từ đó có thể quản lý và quan sát từ xa. Đồng thời thông báo các thông số hay đưa ra các lệnh xử lý thích hợp khi cú cỏc điểm bất thường xảy ra. Đây sẽ là một máy chủ và tập hợp các hệ thống thông minh ở các vị trí khác nhau, máy chủ sẽ hiển thị và điều khiển hoạt động từ xa. 4.3 Kết luận chung Đồ án với 4 chương, trong đó có ba chương chính và một chương kết luận. Hai chương đầu là tổng quan về mặt công nghệ và kỹ thuật RFID, chương sau trình bày công nghệ xây dựng một hệ thống RFID ở dải tần LF. Có được kết quả nghiên cứu thành công như trên, ngoài sự nỗ lực của bản thõn em cũn cú sự giúp đỡ của cô giáo TS. Nguyễn Thúy Anh và thầy giáo TS. Nguyễn Hữu Trung. Một lần nữa em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến thầy và cụ đó tận tình hướng dẫn và giúp đỡ em trong suốt thời gian nghiên cứu. Em xin chân thành cảm ơn ! TÀI LIỆU THAM KHẢO Klaus Finkenzeller, RFID Handbook: Fundamentals and Applications in Contactless Smart Cards and Identification, Second Edition. New York: Wiley, 2003. Tan Phu Vuong, Identification et Tracabilitộ par Radio Frộquence, Maitre de confộrences de l’INPG. AppNote 403: Frequently Asked Questions about EM4095, EM Microelectronic, 2002. AppNote 404: EM4095 Application Note, EM Microelectronic, 2002. AppNote 411: RFID Made Easy, EM Microelectronic, 2002. Datasheet: EM4095 – Read/Write analog front end for 125 kHz RFID basestation, EM Microelectronic, 2008. Datasheet: EM4102 – Read Only Contactless Identification Device, EM Microelectronic, 2002. Datasheet: PIC 16F87XA, Microchip, 2007. Các trang web trên mạng: BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO CỘNG HÒA XÃ HÔI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI -------------------------------------------------- Độc lập - Tự do - Hạnh phúc --------------------------------- NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Họ và tên sinh viên: Đỗ Quang Minh Số hiệu sinh viên: 20041979 Khoá: K49 Khoa: Điện tử - Viễn thông. Ngành: Viễn Thông Đầu đề đồ án: Thiết kế hệ thống RFID trong dải tần LF Các số liệu và dữ liệu ban đầu:…………………………..……..…………………………………………. ……………………………………………………………………………………………………………………………….…..………………………..…………………………………………………………………………………………………… Nội dung các phần thuyết minh và tính toán: Phần thuyết minh bao gồm 3 phần Phần 1 : Kỹ thuật RFID………………………………………………………………….. Phần 2 : Các chuẩn RFID ứng dụng trong các dải tần ………………………………….. Phần 3 : Xây dựng hệ thống RFID ………….…………………………………………... Các bản vẽ, đồ thị ( ghi rõ các loại và kích thước bản vẽ ): ………………………………………………………………………………………………………………………..….…………………………………………………………………………………………………………………………..……….……………………………………………………………………………………………………………….………………… Họ tên giảng viên hướng dẫn: TS Nguyễn Thúy Anh …...…………………..…………………… Ngày giao nhiệm vụ đồ án: …………………………………………………………….. Ngày hoàn thành đồ án: ……...…………………………………………….……………..………………….. Ngày tháng năm Chủ nhiệm Bộ môn Giảng viên hướng dẫn Sinh viên đã hoàn thành và nộp đồ án tốt nghiệp ngày … tháng … năm … Cán bộ phản biện BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI --------------------------------------------------- BẢN NHẬN XÉT ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Họ và tên sinh viên: Đỗ Quang Minh Số hiệu sinh viên: 20041979 Ngành: Viễn thông . Khoá: K49 Giảng viên hướng dẫn: TS Nguyễn Thúy Anh ............................................................................................... Cán bộ phản biện: ........................................................................................................................................................... Nội dung thiết kế tốt nghiệp: ............................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................ Nhận xét của cán bộ phản biện: ........................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................ Ngày ... tháng .... năm ... Cán bộ phản biện ( Ký, ghi rõ họ và tên )