Tìm hiểu công nghệ RFID
Giới Thiệu về hệ thống nhận dạng tự động
Cùng với sự phát triển công nghiệp hóa hiện đại hóa ngày nay, công nghệ nhận dạng tự động (Auto-ID) đang trở nên phổ biến trong nhiều ngành dịch vụ, công nghiệp thương mại, vận chuyển và phân phối hàng hóa, Các hệ thống nhận dạng tự động cung cấp cho chúng ta thông tin của đôi tượng nhận dạng như: con người, động vật, hàng hóa hay sản phẩm đang được vận chuyển,…
Một số hệ thống nhận dạng tự động: Hệ thống mã vạch, nhận dạng ký tự quang học, quy trình sinh trắc học, thẻ thông minh và hệ thống RFID.
Hình 1: Tổng quan về các thủ tục Auto – ID quan trọng nhất
1.1.1 Hệ thống mã vạch ( Barcode)
Mã số mã vạch đầu tiên xuất hiện và đưa vào sử dụng trên thế giới từ những năm thập kỷ 70 của thế kỷ 20 Mã vạch là mã nhị phân bao gồm các thanh và khoảng trống được sắp xếp theo cấu hình song song.Chúng được sắp xếp theo một mẫu định sẵn và đại diện cho các phần tử dữ liệu tham chiếu đến một ký hiệu liên kết Chuỗi mã vạch, được tạo thành từ các thanh và khoảng trống rộng và hẹp, có thể được giải thích bằng số và cả chữ và số.Nó được đọc bằng cách quét laser quang học, tức là bằng sự phản xạ khác nhau của chùm tia laser từ các thanh đen và khoảng trống trắng.
Công nghệ mã vạch (Barcode) được ứng dụng trong việc phân loại hàng hóa, quản lý kho, phân biệt hàng thật, hàng giả, thanh toán giao dịch Công nghệ này đã mang lại sự thay đổi đáng kể, nhưng nó chỉ mang tính nhất thời và còn nhiều thiếu sót khi không đáp ứng được nhu cầu sử dụng khi đối tượng cần nhận dạng ngày càng tăng lên Tuy với ưu điểm là giá thành thấp nhưng khuyết điểm lớn nhất lại là khả năng lưu trữ thấp và không có khả năng lập trình lại.
1.1.2 Nhận dạng ký tự quang học
Nhận dạng ký tự quang học (OCR) lần đầu tiên được sử dụng vào những năm 1960 Các phông chữ đặc biệt đã được phát triển cho ứng dụng này, các ký tự được cách điệu hóa để chúng có thể được đọc theo cách bình thường của con người và tự động bằng máy móc Ưu điểm quan trọng nhất của hệ thống OCR là mật độ thông tin cao và khả năng đọc dữ liệu trực quan trong trường hợp khẩn cấp (hoặc đơn giản là để kiểm tra) (Virnich và Posten, 1992) Ngày nay, OCR được sử dụng trong các lĩnh vực sản xuất, dịch vụ và hành chính, cũng như trong các ngân hàng để đăng ký séc (dữ liệu cá nhân, chẳng hạn như tên và số tài khoản, được in ở dòng dưới cùng của loại séc OCR) Tuy nhiên, hệ thống
Hình 2: Ví dụ về một mã vạch
OCR đã không thể áp dụng rộng rãi vì giá cao và đầu đọc phức tạp mà chúng yêu cầu so với các thủ tục ID khác.
Hình 3: Tài liệu cứng sử dụng OCR để chuyển thành file pdf mềm dễ dàng chỉnh sửa
1.1.3 Quy trình sinh trắc học
Sinh trắc học được định nghĩa là khoa học về các quy trình đếm và đo lường (cơ thể) liên quan đến các sinh vật sống Trong bối cảnh của hệ thống nhận dạng, sinh trắc học là thuật ngữ chung cho tất cả các thủ tục xác định con người bằng cách so sánh các đặc điểm vật lý riêng lẻ và không thể nhầm lẫn Trên thực tế, đây là các thủ tục lấy dấu vân tay và lấy dấu tay, nhận dạng giọng nói và ít phổ biến hơn là nhận dạng võng mạc (hoặc mống mắt).
Hình 4: Lấy dấu vân tay để làm căn cước công dân.
Thẻ thông minh còn được biết đến với cái tên là “thẻ gắn chip”, “thẻ tích hợp vi mạch”, là một hệ thống lưu trữ dữ liệu điện tử, có thể có thêm khả năng tính toán (thẻ vi xử lý), - để thuận tiện - được tích hợp vào một thẻ nhựa có kích thước bằng thẻ tín dụng Thẻ thông minh đầu tiên dưới dạng thẻ thông minh điện thoại trả trước được ra mắt vào năm 1984 Thẻ thông minh được đặt trong một đầu đọc, tạo kết nối điện với các bề mặt tiếp xúc của thẻ thông minh bằng cách sử dụng lò xo tiếp xúc Thẻ thông minh được cung cấp năng lượng và xung đồng hồ từ đầu đọc qua các bề mặt tiếp xúc Truyền dữ liệu giữa đầu đọc và thẻ diễn ra bằng giao diện nối tiếp hai chiều (cổng I / O) Có thể phân biệt hai loại thẻ thông minh cơ bản dựa trên chức năng bên trong của chúng: thẻ nhớ và thẻ vi xử lý.
Một trong những lợi thế chính của thẻ thông minh là dữ liệu được lưu trữ trên thẻ có thể được bảo vệ khỏi sự truy cập và thao tác không mong muốn (đọc) Thẻ thông minh làm cho tất cả các dịch vụ liên quan đến thông tin hoặc giao dịch tài chính trở nên đơn giản hơn, an toàn hơn và rẻ hơn
Một nhược điểm của thẻ thông minh dựa trên tiếp điểm là các điểm tiếp xúc dễ bị mòn, ăn mòn và bụi bẩn Đầu đọc được sử dụng thường xuyên rất tốn kém để bảo trì do có xu hướng hỏng hóc
Hình 5: Hình ảnh về thẻ thông minh dưới dạng một thẻ ngân hàng
Công nghệ RFID ra đời từ những năm 1970 và hiện tại đang được ứng dụng phổ biến trong cuộc sống hàng ngày Ví dụ: chìa khóa xe hơi, thẻ lệ phí quốc lộ, thẻ khách sạn…
Hệ thống RFID có mối quan hệ chặt chẽ với các thẻ thông minh được mô tả ở trên Giống như hệ thống thẻ thông minh, dữ liệu được lưu trữ trên một thiết bị mang dữ liệu điện tử - bộ phát đáp Tuy nhiên, không giống như thẻ thông minh, việc cấp điện cho thiết bị mang dữ liệu và trao đổi dữ liệu giữa thiết bị mang dữ liệu và đầu đọc được thực hiện mà không cần sử dụng tiếp điểm điện, thay vào đó sử dụng từ trường hoặc điện từ Quy trình kỹ thuật cơ bản được rút ra từ các lĩnh vực kỹ thuật vô tuyến và radar Do có nhiều ưu điểm vượt trội hơn các hệ thống thông minh khác, RFID đang bắt đầu chinh phục khối lượng mới thị trường.
Tìm hểu về công nghệ RFID
1.2.1 Công nghệ RFID là gì ?
RFID - Radio Frequency Identification là công nghệ nhận dạng đối tượng qua tần số vô tuyến Kỹ thuật này cho phép nhận biết các đối tượng thông qua hệ thống thu phát sóng radio, giúp truyền và nhận dữ liệu từ một điểm đến một điểm khác Từ đó, hệ thống có thể giám sát, quản lý hoặc lưu vết từng đối tượng.
1.2.2 Thành phần và nguyên lý hoạt động của hệ thống RFID
Một hệ thống RFID luôn được tạo thành từ hai thành phần:
- Bộ phát đáp, được đặt trên đối tượng được xác định
- Bộ đọc, tùy thuộc vào thiết kế và công nghệ được sử dụng, có thể là thiết bị đọc hoặc ghi / đọc (trong cuốn sách này - theo cách sử dụng thông tục thông thường - thiết bị thu thập dữ liệu luôn được gọi là đầu đọc, bất kể nó chỉ có thể đọc dữ liệu hay cũng có khả năng ghi)
Hình 6: Đầu đọc và bộ phát đáp là thành phần chính của mọi hệ thống RFID.
Một đầu đọc thường chứa một mô-đun tần số vô tuyến (máy phát và máy thu), một bộ phận điều khiển và một phần tử ghép nối với bộ phát đáp Ngoài ra, nhiều đầu đọc được trang bị một giao diện bổ sung (RS 232, RS 485, v.v.) để cho phép chúng chuyển tiếp dữ liệu nhận được đến một hệ thống khác (PC, hệ thống điều khiển rô bốt, v.v.).
Bộ phát đáp, đại diện cho thiết bị mang dữ liệu thực tế của hệ thống RFID, thường bao gồm một phần tử ghép nối và một vi mạch điện tử (Hình 1.6).
Hình 7: Đầu đọc RFID và thẻ thông minh không tiếp xúc trong sử dụng thực tế.
Hình 8: Cách bố trí cơ bản của thiết bị mang dữ liệu RFID, bộ phát đáp Bên trái, bộ phát đáp ghép cảm ứng với cuộn dây anten; bên phải, bộ phát đáp vi sóng với anten lưỡng cực.
Công nghệ RFID hoạt động theo nguyên lý khá đơn giản: Đầu đọc RFID được đặt cố định ở một vị trí và phát ra sóng vô tuyến điện ở một tần số nhất định để phát hiện thiết bị phát xung quanh đó.
Khi RFID phát đáp vào vùng sóng vô tuyến điện mà đầu đọc RFID phát ra, nó sẽ nhận sóng điện tử, thu nhận và phát lại cho đầu đọc về mã số của mình Nhờ vậy mà đầu đọc RFID biết được thiết bị RFID phát nào đang nằm trong vùng hoạt động.
1.2.3 Đặc điểm của hệ thống RFID
- Hệ thống RFID sử dụng công nghệ không dây thu phát sóng radio, không sử dụng tia sáng như mã vạch (Bar Code hay QR Code) Do đó, thông tin có thể được truyền tải mà không cần tiếp xúc vật lý nào cả.
- RFID có thể đọc những thông tin xuyên qua các môi trường, vật liệu như: bê tông, tuyết, sương mù, băng đá, sơn và các điều kiện môi trường thách thức khác mà mã vạch và các công nghệ khác không thể phát huy hiệu quả.
- Dung lượng dữ liệu của một hệ thống RFID khoảng từ vài byte đến vài kilobyte Một tính năng rất quan trọng của hệ thống RFID là cung cấp nguồn cho hệ thống nhận phát tín hiệu Hệ thống này không có nguồn điện riêng nên nguồn điện cung cấp cho hệ thống được lấy từ trường (điện/từ) của đầu đọc Ngoài ra, tần số hoạt động và phạm vi kết quả hệ thống là đặc điểm quan trọng nhất của hệ thống RFID - Hệ thống RFID hoạt động theo mỗi hệ thống khác nhau nên tần số truyền được phân thành ba dải cơ bản:
+ LF: tần số thấp từ 30 - 300KHz.
+ HF: tần số cao / tần số vô tuyến từ 3-30MHZ.
+ UHF: tần số siêu cao từ 300MHz- 3GHZ / vi sóng >3GHz.
1.2.4 Một số ứng dụng của công nghệ RFID
RFID có từ những năm 1940; Tuy nhiên, nó đã được sử dụng thường xuyên hơn trong những năm 1970 Trong một thời gian dài, chi phí cao của các thẻ và độc giả cấm sử dụng thương mại rộng rãi Khi chi phí phần cứng đã giảm, việc áp dụng RFID cũng tăng lên.
Một số ứng dụng phổ biến cho các ứng dụng RFID bao gồm:
theo dõi thú cưng và gia súc
quản lý hàng tồn kho
theo dõi tài sản và theo dõi thiết bị
kiểm soát hàng tồn kho
logistics hàng hóa và chuỗi cung ứng
dịch vụ khách hàng và kiểm soát tổn thất
cải thiện khả năng hiển thị và phân phối trong chuỗi cung ứng
kiểm soát truy cập trong các tình huống bảo mật
thanh toán bằng thẻ tín dụng tap-and-go
Hình 9: Ứng dụng công nghệ RFID để nhận diện phương tiện giao thông.
Yêu cầu chung
Hệ thống RFID được vận hành ở các tần số khác nhau rộng rãi, từ sóng dài
135 kHz đến 5,8 GHz trong dải vi ba Hệ thống RFID có phạm vi trên 1 m được gọi là hệ thống tầm xa Tất cả các hệ thống tầm xa hoạt động bằng cách sử dụng sóng điện từ trong dải UHF và vi sóng Phần lớn các hệ thống như vậy còn được gọi là hệ thống tán xạ ngược do nguyên tắc hoạt động vật lý của chúng Ngoài ra, cũng có những hệ thống tầm xa sử dụng bộ phát đáp sóng âm bề mặt trong dải vi ba Tất cả các hệ thống này đều hoạt động ở tần số UHF là 868 MHz(Châu Âu) và 915 MHz (Mỹ) và ở tần số vi ba là 2,5 GHz và 5,8 GHz.
Kết luận
Trong chương này, nhóm đã nghiên cứu các đặc điểm của công nghệ RFID, ta thấy đây là một công nghệ được sử dụng khá phổ biến trong các giải pháp thông minh dành cho các bãi giữ xe, các trạm thu phí giao thông Việc nghiên cứu, nâng cao tính năng độ hiệu quả của công nghệ này là rất quan trọng Do đó, nhóm thực hiện đồ án nghiên cứu, thiết kế, mô phỏng anten vi dải sử dụng trong công nghệ RFID nhằm tối ưu hóa các chức năng của công nghệ, tăng tốc độ truyền dữ liệu cũng như tính ổn định của hệ thống.
Tổng quan về anten
Định nghĩa
Anten là cấu trúc chuyển tiếp giữa không gian tự do và thiết bị dẫn sóng Hay nói cách khác anten là thiết bị dùng để bức xạ sóng điện từ (anten phát) hoặc thu nhận sóng (anten thu) từ không gian bên ngoài Giữa máy phát và anten phát cũng như giữa máy thu và anten thu không nối trực tiếp với nhau mà được ghép với nhau qua đường truyền năng lượng điện từ, gọi là fide.
Hình 10: Anten như một thiết bị truyền sóng.
Trong hệ thóng này, máy phát sẽ tạo ra dao động điện cao tần Dao động điện này sẽ được truyền đi theo fide tới anten phát dưới dạng sóng điện từ rang buộc Anten phát biến đổi sóng điện từ rang buộc này thành sóng điện từ tự do truyền ra ngoài không gian Trong các máy thu, anten có nhiệm vụ tiếp nhận sóng điện từ tự do trong không gian bên ngoài Anten thu chỉ tiếp nhận được một phần năng lượng điện từ do anten phát truyền đi, phần năng lượng còn lại sẽ bức xạ vào không gian Anten thu biến sóng điện từ tự do thành sóng điện từ rang buộc rồi truyền qua các fide đến máy thu Hầu hết trong các thiết bị di động chỉ có một anten đảm nhận hai chức năng nhận và thu Yêu cầu đặt ra cho thiết bị anten và fide là phải thực hiện việc biển đổi và truyền dẫn năng lượng với hiệu suất cao nhất mà không gây ra méo dạng tín hiệu
Hình 11: Hình ảnh của một anten
Các tham số đặc trưng của anten
Hệ số định hướng cực đại (thường viết tắt là hệ số định hướng) đặc trưng cho khả năng của anten tập trung năng lượng bức xạ theo một hướng cho trước Nói cách khác, hệ số định hướng của anten được xác định bằng tỉ số giữa cường độ bức xạ của anten theo hước cho trước U và cường độ bức xạ của một nguồn đẳng hướng U0 Được biểu diễn theo công thức sau:
Trong đó: D là hệ số định hướng
U là cường độ bức xạ
Prad làtổng công suất bức xạ(W)
U0 là cường độ bức xạ của nguồn đẳng hướng b) Độ lợi (dB) Độ lợi ( Gain ) dùng để mô tả hiệu suất anten, nó có quan hệ với hệ số định hướng và được dùng để tính hiệu suất của anten cũng như khả năng tính hướng của nó Trong khi hệ số định hướng chỉ thể hiện được cái đặc tính hướng tính của anten thì độ lợi được xác định bằng cách so sánh mật độ công suất bức xạ của anten thực ở hướng khảo sát và mật độ công suất bức xạ của anten chuẩn (thường là anten đẳng hướng) ở cùng hướng và khoảng cách như nhau. Độ lợi thu và độ lợi phát của anten là khả năng đưa ra năng lượng điện trường theo một hướng xác định hoặc thu năng lượng từ một hướng xác định Đối với các hệ thống trực xạ yêu cầu anten phát chỉ phát năng lượng về một hướng duy nhất, là hướng của anten cần thu. Độ lợi của anten là tỷ lệ giữa cường độ bức xạ tại một hướng cho trước với cường bộ bức xạ được phát ra từ một anten lý tưởng (vô hướng), với cùng một công suất đưa vào Độ lợi anten chủ yếu phụ thuộc vào tần số làm việc và đường kính của nó.
G= 4 π Cường độ bức xạ của anten thực tại hướng khảo sát
Cường độ bức xạ của anten anten vô hướng = 4 π U (θ , ϕ )
P ¿ Độ lợi của anten là một thông số biểu thị cho đặc tính bức xạ của anten so với hệ số định hướng Vì nó không chỉ biểu thị đơn thuần đặc tính của anten mà còn biểu thị sự tổn hao công suất trên anten Bên cạnh đó, tổng công suất bức xạ ( P rad ) lại liên hệ với tổng công suất đầu vào của anten bởi công thức:
Trong đó: e cd là hiệu suất bức xạ của anten được định nghĩa ở phần trên
Công thức tính độ lợi được viết lại như sau: c) Hệ số phản xạ
Hệ số phản xạ (S11), đánh giá tín hiệu phản xạ tại điểm cấp nguồn của anten, được xác định bởi trở kháng vào Z và trở kháng đặc trưng Z0, công thức:
Z ¿ + Z 0 d) Mật độ công suất bức xạ, giản đồ bức xạ:
Trong thực tế, ta có thể biểu diễn giản đồ 3D bởi hai giản đồ 2D Thông thường chỉ quan tâm tới giản đồ là hàm của biến θ với vài giá trị đặc biệt của φ , và giản đồ là hàm của φ với một vài giá trị đặc biệt của θ là đủ để đưa ra hầu hết các thông tin cần thiết.
Trong đó: W: Vector Poynting tức thời (W/m2)
E: Cường độ điện trường tức thời (V/m) H: Cường độ từ trường tức thời ( A/m)
Các tín hiệu vô tuyến bức xạ bởi anten hình thành một trường điện từ với một giản đồ xác định, và phụ thuộc vào loại anten được sử dụng Giản đồ bức xạ này thể hiện các đặc tính định hướng của anten.
Giản đồ bức xạ của anten là một hàm toán học hay sự thể hiện các đặc tính bức xạ của anten, và là hàm của các tọa độ không gian Trong hầu hết các trường hợp, giản đồ bức xạ được xét ở trường xa Đặc tính bức xạ là sự phân bố năng lượng bức xạ trong không gian 2 chiều hay 3 chiều, sự phân bố đó là hàm của vị trí quan sát dọc theo một đường hay một bề mặt có bán kính không đổi
Hình 12: Giản đồ bức xạ của anten e) Hiệu suất anten
Hiệu suất của anten là tỉ số công suất bức xạ từ anten so với công suất đầu vào của nó Nếu anten có hiệu suất cao thì nó sẽ bức xạ gần như toàn bộ năng lượng đầu vào tới môi trường truyền dẫn, còn ngược lại, anten với hiệu suất kém sẽ bị tổn hao, hấp thụ bên trong nó và chỉ bức xạ một phần nhỏ năng lượng nhận được từ đầu vào của anten Công thức: ε = P rad
Trong đó: ԑ là hiệu suất anten
Prad là tổng công suất bức xạ (W)
Pin là công suất đầu vào (W) f) Băng thông
Băng thông là khoảng tần số mà anten cung cấp hiệu năng có thể chấp nhận được
Với các anten dải rộng, băng thông thường được biểu diễn bằng tỉ số của tần số cực đại (f max ) và tần số cực tiểu (f min ):
Với anten dải hẹp, băng thông được thể hiện bằng tỉ lệ phần trăm của sự sai khác tần số (tần số trên – tần số dưới) so với tần số trung tâm của băng thông:
Hình 13: Băng thông trong anten
Bản vẽ từ bằng sáng chế năm 1896 của Marconi cho thấy ăng-ten đơn cực đầu tiên của ông, bao gồm các tấm kim loại lơ lửng (u, w) gắn với máy phát (trái) và máy thu (phải) , với mặt còn lại được nối đất (E) Sau đó, ông nhận thấy rằng các tấm này là không cần thiết và một dây treo là đủ.
2.2: Phân loại các loại anten
Mỗi ứng dụng kĩ thuật sẽ có mỗi yêu câu đối với các loại anten nên có rất nhiều loại anten được phân theo nhiều chức năng khác nhau:
Công dụng của anten: Anten dùng để phát hay thu tín hiệu nên sẽ có anten phát, anten thu hoặc anten có thể thu và phát
Dải tần làm việc của anten: Anten sóng cực ngắn, anten sóng ngắn, anten sóng trung, anten sóng dài.
Cấu trúc của anten:: Đồ thị phương hướng: Anten vô hướng, anten có hướng và anten định hướng cao.
Phương pháp cấp điện cho anten: Anten chấn tử đơn, anten chấn tử đối xứng và anten nhiều chấn tử.
Đồ thị bức xạ: monopole (đơn cực); dipole (lưỡng cực); Circular,
Square Loop (tròn hoặc vuông); Helix (anten xoắn)
Kích thước anten: anten vi dải
Monopole antenna – Anten đơn cực
Anten đơn cực được phát minh vào năm 1895 và đươc cấp bằng sáng chế vào năm 1896 bởi nhà tiên phong về vô tuyến điện Guglielmo Marconi trong các thí nghiệm đầu tiên lịch sử của ông về liên lạc vô tuyến Ông bắt đầu bằng việc sử dụng anten lưỡng cực do Heinrich Hertz phát minh bao gồm hai dây ngang giống nhau kết thúc bằng các tấm kim loại Bằng thực nghiệm, ông phát hiện ra rằng nếu thay vì lưỡng cực, một mặt của máy phát và máy thu được kết nối với một sợi dây lơ lửng trên không, và mặt còn lại được kết nối với Trái đất, có thể truyền đi những khoảng cách xa hơn Vì lý do này, anten đơn cực còn được gọi là anten Marconi, mặc dù Alexander Popov đã độc lập phát minh ra nó vào cùng một thời điểm
Hình 14: Anten đơn cực đầu tiên của Marconi Ăng ten đơn cực là một loại ăng ten vô tuyến bao gồm một dây dẫn hình que thẳng, thường được gắn vuông góc trên một số loại bề mặt dẫn điện , được gọi là mặt đất Tín hiệu điều khiển từ máy phát được áp dụng hoặc đối với ăng-ten thu, tín hiệu đầu ra đến máy thu được thực hiện giữa đầu dưới của đơn cực và mặt đất Một bên của đường nạp ăng-ten được gắn vào đầu dưới của đơn cực, và mặt còn lại được gắn với mặt phẳng mặt đất.
Các loại anten đơn cực phổ biến là: anten xoắn ốc (Helical antenna), anten roi (Whip antenna), anten chữ T (T-antenna)…
Hình 15: Dãy bốn ăng ten xoắn chế độ trục được sử dụng làm ăng ten thu nhận theo dõi vệ tinh
Anten đơn cực có dạng bức xạ đa hướng, tức là nó bức xạ với công suất bằng nhau theo mọi phương vị vuông góc với anten Công suất bức xạ giảm xuống 0 tại thiên đỉnh trên trục anten Nó phát ra sóng vô tuyến phân cực thẳng đứng Vì lưỡng cực sóng nửa thẳng đứng phải có tâm của chúng nhô lên ít nhất một phần tư sóng so với mặt đất, trong khi đơn cực phải được gắn trực tiếp trên mặt đất, các dạng bức xạ của đơn cực bị ảnh hưởng nhiều hơn bơi lực cản trong trái đất và dạng bức xạ theo độ cao vốn có khác nhau
Hình 18: Đồ thị bức xạ của Monopole Antenna
Hình 16: Ăng ten Roi trên ô tôHình 17 Ăng ten Roi trên máy thu đài FM
Microstrip Antenna -Anten vi dải
2.2.2.1 Giới thiệu về anten vi dải:
Anten vi dải đơn giản cấu tạo gồm: một Radiating Patch( mặt bức xạ) rất mỏng với bề dày t