Thiết kế hệ thống kiểm soát đầu sách trong thư viện dùng công nghệ rfid
- 95 trang
- file .pdf
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
-------------------------
PHẠM THÀNH ĐỒNG
THIẾT KẾ HỆ THỐNG KIỂM SOÁT ĐẦU SÁCH TRONG THƯ VIỆN
DÙNG CÔNG NGHỆ RFID
LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT TRUYỀN THÔNG
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HOC
TS: PHẠM VĂN BÌNH
Hà Nội - Năm 2014
LỜI NÓI ĐẦU
Hiện nay có rất nhiều thư viện đại học và thư viện thành phố trên thế giới
đang sử dụng vi mạch bán dẫn đặc biệt và được biết đến như các thẻ RFID. RFID
được gắn trên các cuốn sách, chính cách sắp xếp của công nghệ này giúp cho công
việc của các thư viện đạt hiệu quả tốt hơn. Hệ thống RFID sẵn sàng ở mọi nơi hay
ngay khi được lắp đặt ở hơn 300 thư viện ở Mỹ và gán hàng nghìn thẻ cho các cuốn
sách. Bên cạnh đó, RFID được ứng dụng trong quá trình tự động hoá việc mượn trả,
kiểm kê, chống trộm tài liệu, mượn trả và phân loại tự động tài liệu
Công nghệ RFID đang trở thành một công nghệ được nhiều thư viện trên thế giới sử
dụng nhằm nâng cao hoạt động thư viện. Đây là một công nghệ mới tiên tiến hơn so
với công nghệ mã vạch đang được sử dụng hiện nay. Mặc dù, giá thành của nó hiện
nay còn cao nhưng trong vài năm tới giá của sản phẩm này sẽ giảm dần và sẽ là lựa
chọn hàng đầu của các thư viện vì những ưu điểm vượt trội của nó so với công nghệ
mã vạch. Chính vì lẽ đó,tôi đã chọn đề tài về, Thiết kế hệ thống kiểm soát đầu sách
trong thư viện 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 luận văn 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.
Hà Nội ngày 20/9/2014
Phạm Thành Đồng
1
DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT
STT Thuật ngữ
1 RFID Radio Frequency Identification (Nhận dạng bằng sóng radio)
2 OOK On-off Keying
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 EEPROM Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory
(Bộ nhớ vật lý ghép ngoài chỉ đọc)
11 ISO International Organization for Standardization
(Tiêu chuẩn của tổ chức quốc tế)
12 EPC Electrical Product Code (Mã điện tử của sản phẩm)
13 LF Low frequency (Tần số thấp)
14 HF High frequency (Tần số cao)
15 AM Amplitude Modulation (Điều biên)
16 RF Radio Frequency(Sóng vô tuyến)
2
MỤC LỤC
LỜI NÓI ĐẦU ....................................................................................................................... 1
DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT ................................................................................... 2
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN CÔNG NGHỆ RFID ............................................................... 3
1.1. Lịch sử công nghệ RFID ................................................................................................. 3
1.2. Các khái niệm cơ bản ...................................................................................................... 4
1.3. Các đặc điểm của một hệ thống RFID ............................................................................ 8
1.3.1. Tần số hoạt động .......................................................................................................... 8
1.3.2. Phạm vi đọc .................................................................................................................. 8
1.3.3. Phương pháp ghép nối .................................................................................................. 9
1.4. Các thành phần hệ thống RFID ....................................................................................... 9
1.4.1.Thành phần thẻ ............................................................................................................ 11
1.4.1.1. Thẻ thụ động ........................................................................................................... 11
1.4.1.1.1. Thành phần vi chip ............................................................................................... 13
1.4.1.1.2. Thành phần anten ................................................................................................. 14
1.4.1.2. Thẻ tích cực ............................................................................................................. 16
1.4.1.2.1. Khối nguồn ........................................................................................................... 19
1.4.1.2.2. Các thành phần điện tử ......................................................................................... 19
1.4.1.3. Thẻ bán tích cực (hoặc thẻ bán thụ động) ............................................................... 19
1.4.1.4. Thẻ chỉ đọc .............................................................................................................. 21
1.4.1.5. Thẻ ghi một lần – đọc nhiều lần .............................................................................. 21
1.4.1.6. Thẻ ghi – đọc ........................................................................................................... 21
1.4.2. Thiết bị đọc thẻ (Reader)............................................................................................ 22
1.4.2.1. Khối truyền tín hiệu................................................................................................. 23
1.4.2.2. Khối nhận tín hiệu ................................................................................................... 23
1.4.2.3. Khối vi xử lý ........................................................................................................... 23
1.4.2.4. Khối bộ nhớ ............................................................................................................. 23
1.4.2.5. Các kênh vào/ra cho cảm biến, bộ truyền động, và bộ báo hiệu ở bên ngoài ......... 23
1.4.2.6. Khối điều khiển ....................................................................................................... 24
1.4.2.7. Khối giao tiếp truyền thông ..................................................................................... 24
1.4.2.8. Khối nguồn .............................................................................................................. 24
1.4.2.9. Phân loại thiết bị đọc thẻ ......................................................................................... 24
1.4.2.9.1. Thiết bị đọc thẻ nối tiếp........................................................................................ 25
1.4.2.9.2. Thiết bị đọc thẻ mạng ........................................................................................... 25
1.4.2.9.3. Thiết bị đọc thẻ cố định ........................................................................................ 26
1.4.2.9.4. Thiết bị đọc thẻ cầm tay ....................................................................................... 29
1.4.3. Giao tiếp giữa thiết bị đọc thẻ và thẻ .......................................................................... 29
1.4.3.1. Kiểu điều chế backscatter ........................................................................................ 30
1.4.3.2. Kiểu transmitter ....................................................................................................... 31
1.4.3.3. Kiểu transponder ..................................................................................................... 32
1.4.4. Anten của thiết bị đọc thẻ........................................................................................... 32
1.4.4.1. Vùng phủ sóng của anten ........................................................................................ 34
1.4.4.2. Sự phân cực của anten ............................................................................................. 34
1.4.4.3. Năng lượng của anten.............................................................................................. 37
1.4.5. Máy chủ và hệ thống phần mềm ................................................................................ 37
1.4.6. Cơ sở hạ tầng truyền thông ........................................................................................ 40
1.4.7. Các thành phần phụ khác ........................................................................................... 40
1.5. Các tiêu chuẩn công nghệ RFID ................................................................................... 42
1.5.1. Tiêu chuẩn ANSI ....................................................................................................... 42
1
1.5.2. Tiêu chuẩn EPCglobal................................................................................................ 43
1.5.3. Tiêu chuẩn ISO .......................................................................................................... 44
1.6. Quyền riêng tư và tính bảo mật trong công nghệ RFID ................................................ 45
1.6.1. Quyền riêng tư ............................................................................................................ 45
1.6.1.1. Các biện pháp bảo vệ quyền riêng tư dựa trên luật pháp ........................................ 45
1.6.1.2. Các biện pháp bảo vệ quyền riêng tư thông qua việc cải tiến công nghệ ................ 46
1.6.2. Tính bảo mật .............................................................................................................. 47
1.6.2.1. Vùng một : Các thẻ RF............................................................................................ 48
1.6.2.2. Vùng hai : Các thiết bị đọc thẻ RFID ...................................................................... 49
1.6.2.3. Vùng ba : Tuyến dịch vụ RFID ............................................................................... 49
1.6.2.4. Vùng bốn : Các hệ thống thông tin doanh nghiệp. .................................................. 49
1.7. Kết luận ......................................................................................................................... 50
CHƯƠNG 2: HỆ THỐNG QUẢN LÝ SÁCH TRONG THƯ VIỆN TRÊN THẾ
GIỚI. ................................................................................................................................... 51
2.1. Ứng dụng của RFID trên thế giới và ở Việt Nam ......................................................... 51
2.1.1. Ứng dụng của RFID trên thế giới. ............................................................................. 51
2.1.2. Ứng dụng của RFID ở Việt Nam ............................................................................... 52
2.2. Quy trình hoạt động RFID trong lĩnh vực thư viện trên thế giới . ............................... 53
2.2.1. Nhập thông tin vào thẻ ............................................................................................... 53
2.2.2. Mượn/trả tự động ....................................................................................................... 54
2.2.3. Kiểm kê tự động ........................................................................................................ 56
2.2.4. Chống trộm: ............................................................................................................... 56
2.2.5. Phân loại tài liệu tự động ........................................................................................... 57
2.3 Nhận xét : ....................................................................................................................... 58
2.3.1. Ưu điểm . ................................................................................................................... 58
2.3.2. Nhược điểm . ............................................................................................................. 59
CHƯƠNG 3: XÂY DỰNG HỆ THỐNG RFID QUẢN LÝ SÁCH TRONG PHÒNG
ĐỌC..................................................................................................................................... 60
3.1 Sơ đồ khối hệ thống quản lý trong thư viện................................................................... 60
3.1.1 Phòng mượn và trả sách tự động : ............................................................................. 61
3.1.2 Phòng đọc sách ......................................................................................................... 61
3.2 Thiết kế hệ thống quản lý sách trong phòng đọc tại Trường Trung cấp Nghề Miền Tây
nghệ An. ............................................................................................................................... 62
3.2.1 Sơ đồ khối hệ thống .................................................................................................... 63
3.2.1.1 Khối nguồn .............................................................................................................. 63
3.2.1.2 Khối hiển thị ............................................................................................................ 64
3.2.1.3 Khối xử lý trung tâm:.............................................................................................. 64
3.2.1.4 Khối giao tiếp máy tính: .......................................................................................... 66
3.2.1.5 Khối rơle .................................................................................................................. 66
3.2.2 Thẻ (Tag) RFID .......................................................................................................... 67
3.2.3 IC RFID ..................................................................................................................... 70
3.2.4 Thiết kế anten cho hệ thống ........................................................................................ 75
3.2.4.1 Nghiên cứu nguồn năng lượng trường điện từ nuôi thẻ RFID................................. 75
3.2.4.2 Từ trường do anten tạo ra ........................................................................................ 75
KẾT LUẬN......................................................................................................................... 86
TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................................... 88
PHỤ LỤC : MỘT SỐ MÃ NGUỒN................................................................................... 89
2
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.
1.1 Lịch 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
3
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
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.
1.2 Các 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),
4
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 .
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
5
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:
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.
6
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
7
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.
1.3 Các 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
8
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.
• 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
9
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 :
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:
10
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
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
,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
11
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
14
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
ớc 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.
15
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
• 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 .
16
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:
17
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
-------------------------
PHẠM THÀNH ĐỒNG
THIẾT KẾ HỆ THỐNG KIỂM SOÁT ĐẦU SÁCH TRONG THƯ VIỆN
DÙNG CÔNG NGHỆ RFID
LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT TRUYỀN THÔNG
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HOC
TS: PHẠM VĂN BÌNH
Hà Nội - Năm 2014
LỜI NÓI ĐẦU
Hiện nay có rất nhiều thư viện đại học và thư viện thành phố trên thế giới
đang sử dụng vi mạch bán dẫn đặc biệt và được biết đến như các thẻ RFID. RFID
được gắn trên các cuốn sách, chính cách sắp xếp của công nghệ này giúp cho công
việc của các thư viện đạt hiệu quả tốt hơn. Hệ thống RFID sẵn sàng ở mọi nơi hay
ngay khi được lắp đặt ở hơn 300 thư viện ở Mỹ và gán hàng nghìn thẻ cho các cuốn
sách. Bên cạnh đó, RFID được ứng dụng trong quá trình tự động hoá việc mượn trả,
kiểm kê, chống trộm tài liệu, mượn trả và phân loại tự động tài liệu
Công nghệ RFID đang trở thành một công nghệ được nhiều thư viện trên thế giới sử
dụng nhằm nâng cao hoạt động thư viện. Đây là một công nghệ mới tiên tiến hơn so
với công nghệ mã vạch đang được sử dụng hiện nay. Mặc dù, giá thành của nó hiện
nay còn cao nhưng trong vài năm tới giá của sản phẩm này sẽ giảm dần và sẽ là lựa
chọn hàng đầu của các thư viện vì những ưu điểm vượt trội của nó so với công nghệ
mã vạch. Chính vì lẽ đó,tôi đã chọn đề tài về, Thiết kế hệ thống kiểm soát đầu sách
trong thư viện 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 luận văn 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.
Hà Nội ngày 20/9/2014
Phạm Thành Đồng
1
DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT
STT Thuật ngữ
1 RFID Radio Frequency Identification (Nhận dạng bằng sóng radio)
2 OOK On-off Keying
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 EEPROM Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory
(Bộ nhớ vật lý ghép ngoài chỉ đọc)
11 ISO International Organization for Standardization
(Tiêu chuẩn của tổ chức quốc tế)
12 EPC Electrical Product Code (Mã điện tử của sản phẩm)
13 LF Low frequency (Tần số thấp)
14 HF High frequency (Tần số cao)
15 AM Amplitude Modulation (Điều biên)
16 RF Radio Frequency(Sóng vô tuyến)
2
MỤC LỤC
LỜI NÓI ĐẦU ....................................................................................................................... 1
DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT ................................................................................... 2
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN CÔNG NGHỆ RFID ............................................................... 3
1.1. Lịch sử công nghệ RFID ................................................................................................. 3
1.2. Các khái niệm cơ bản ...................................................................................................... 4
1.3. Các đặc điểm của một hệ thống RFID ............................................................................ 8
1.3.1. Tần số hoạt động .......................................................................................................... 8
1.3.2. Phạm vi đọc .................................................................................................................. 8
1.3.3. Phương pháp ghép nối .................................................................................................. 9
1.4. Các thành phần hệ thống RFID ....................................................................................... 9
1.4.1.Thành phần thẻ ............................................................................................................ 11
1.4.1.1. Thẻ thụ động ........................................................................................................... 11
1.4.1.1.1. Thành phần vi chip ............................................................................................... 13
1.4.1.1.2. Thành phần anten ................................................................................................. 14
1.4.1.2. Thẻ tích cực ............................................................................................................. 16
1.4.1.2.1. Khối nguồn ........................................................................................................... 19
1.4.1.2.2. Các thành phần điện tử ......................................................................................... 19
1.4.1.3. Thẻ bán tích cực (hoặc thẻ bán thụ động) ............................................................... 19
1.4.1.4. Thẻ chỉ đọc .............................................................................................................. 21
1.4.1.5. Thẻ ghi một lần – đọc nhiều lần .............................................................................. 21
1.4.1.6. Thẻ ghi – đọc ........................................................................................................... 21
1.4.2. Thiết bị đọc thẻ (Reader)............................................................................................ 22
1.4.2.1. Khối truyền tín hiệu................................................................................................. 23
1.4.2.2. Khối nhận tín hiệu ................................................................................................... 23
1.4.2.3. Khối vi xử lý ........................................................................................................... 23
1.4.2.4. Khối bộ nhớ ............................................................................................................. 23
1.4.2.5. Các kênh vào/ra cho cảm biến, bộ truyền động, và bộ báo hiệu ở bên ngoài ......... 23
1.4.2.6. Khối điều khiển ....................................................................................................... 24
1.4.2.7. Khối giao tiếp truyền thông ..................................................................................... 24
1.4.2.8. Khối nguồn .............................................................................................................. 24
1.4.2.9. Phân loại thiết bị đọc thẻ ......................................................................................... 24
1.4.2.9.1. Thiết bị đọc thẻ nối tiếp........................................................................................ 25
1.4.2.9.2. Thiết bị đọc thẻ mạng ........................................................................................... 25
1.4.2.9.3. Thiết bị đọc thẻ cố định ........................................................................................ 26
1.4.2.9.4. Thiết bị đọc thẻ cầm tay ....................................................................................... 29
1.4.3. Giao tiếp giữa thiết bị đọc thẻ và thẻ .......................................................................... 29
1.4.3.1. Kiểu điều chế backscatter ........................................................................................ 30
1.4.3.2. Kiểu transmitter ....................................................................................................... 31
1.4.3.3. Kiểu transponder ..................................................................................................... 32
1.4.4. Anten của thiết bị đọc thẻ........................................................................................... 32
1.4.4.1. Vùng phủ sóng của anten ........................................................................................ 34
1.4.4.2. Sự phân cực của anten ............................................................................................. 34
1.4.4.3. Năng lượng của anten.............................................................................................. 37
1.4.5. Máy chủ và hệ thống phần mềm ................................................................................ 37
1.4.6. Cơ sở hạ tầng truyền thông ........................................................................................ 40
1.4.7. Các thành phần phụ khác ........................................................................................... 40
1.5. Các tiêu chuẩn công nghệ RFID ................................................................................... 42
1.5.1. Tiêu chuẩn ANSI ....................................................................................................... 42
1
1.5.2. Tiêu chuẩn EPCglobal................................................................................................ 43
1.5.3. Tiêu chuẩn ISO .......................................................................................................... 44
1.6. Quyền riêng tư và tính bảo mật trong công nghệ RFID ................................................ 45
1.6.1. Quyền riêng tư ............................................................................................................ 45
1.6.1.1. Các biện pháp bảo vệ quyền riêng tư dựa trên luật pháp ........................................ 45
1.6.1.2. Các biện pháp bảo vệ quyền riêng tư thông qua việc cải tiến công nghệ ................ 46
1.6.2. Tính bảo mật .............................................................................................................. 47
1.6.2.1. Vùng một : Các thẻ RF............................................................................................ 48
1.6.2.2. Vùng hai : Các thiết bị đọc thẻ RFID ...................................................................... 49
1.6.2.3. Vùng ba : Tuyến dịch vụ RFID ............................................................................... 49
1.6.2.4. Vùng bốn : Các hệ thống thông tin doanh nghiệp. .................................................. 49
1.7. Kết luận ......................................................................................................................... 50
CHƯƠNG 2: HỆ THỐNG QUẢN LÝ SÁCH TRONG THƯ VIỆN TRÊN THẾ
GIỚI. ................................................................................................................................... 51
2.1. Ứng dụng của RFID trên thế giới và ở Việt Nam ......................................................... 51
2.1.1. Ứng dụng của RFID trên thế giới. ............................................................................. 51
2.1.2. Ứng dụng của RFID ở Việt Nam ............................................................................... 52
2.2. Quy trình hoạt động RFID trong lĩnh vực thư viện trên thế giới . ............................... 53
2.2.1. Nhập thông tin vào thẻ ............................................................................................... 53
2.2.2. Mượn/trả tự động ....................................................................................................... 54
2.2.3. Kiểm kê tự động ........................................................................................................ 56
2.2.4. Chống trộm: ............................................................................................................... 56
2.2.5. Phân loại tài liệu tự động ........................................................................................... 57
2.3 Nhận xét : ....................................................................................................................... 58
2.3.1. Ưu điểm . ................................................................................................................... 58
2.3.2. Nhược điểm . ............................................................................................................. 59
CHƯƠNG 3: XÂY DỰNG HỆ THỐNG RFID QUẢN LÝ SÁCH TRONG PHÒNG
ĐỌC..................................................................................................................................... 60
3.1 Sơ đồ khối hệ thống quản lý trong thư viện................................................................... 60
3.1.1 Phòng mượn và trả sách tự động : ............................................................................. 61
3.1.2 Phòng đọc sách ......................................................................................................... 61
3.2 Thiết kế hệ thống quản lý sách trong phòng đọc tại Trường Trung cấp Nghề Miền Tây
nghệ An. ............................................................................................................................... 62
3.2.1 Sơ đồ khối hệ thống .................................................................................................... 63
3.2.1.1 Khối nguồn .............................................................................................................. 63
3.2.1.2 Khối hiển thị ............................................................................................................ 64
3.2.1.3 Khối xử lý trung tâm:.............................................................................................. 64
3.2.1.4 Khối giao tiếp máy tính: .......................................................................................... 66
3.2.1.5 Khối rơle .................................................................................................................. 66
3.2.2 Thẻ (Tag) RFID .......................................................................................................... 67
3.2.3 IC RFID ..................................................................................................................... 70
3.2.4 Thiết kế anten cho hệ thống ........................................................................................ 75
3.2.4.1 Nghiên cứu nguồn năng lượng trường điện từ nuôi thẻ RFID................................. 75
3.2.4.2 Từ trường do anten tạo ra ........................................................................................ 75
KẾT LUẬN......................................................................................................................... 86
TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................................... 88
PHỤ LỤC : MỘT SỐ MÃ NGUỒN................................................................................... 89
2
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.
1.1 Lịch 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
3
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
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.
1.2 Các 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),
4
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 .
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
5
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:
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.
6
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
7
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.
1.3 Các 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
8
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.
• 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
9
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 :
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:
10
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
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
,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
11
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
14
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
ớc 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.
15
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
• 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 .
16
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:
17