(TIỂU LUẬN) THUYẾT MINH đề tài NCKH cấp TRƯỜNG đề tài xây DỰNG ĂNG TEN LOGO DÙNG TRONG NHẬN DẠNG BẰNG SÓNG vô TUYẾN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC HÀNG HẢI VIỆT NAM KHOA CÔNG NGHỆ THÔNG TIN THUYẾT MINH ĐỀ TÀI NCKH CẤP TRƯỜNG ĐỀ TÀI XÂY DỰNG ĂNG TEN LOGO DÙNG TRONG NHẬN DẠNG BẰNG SĨNG VƠ TUYẾN Chủ nhiệm đề tài: TS NGUYỄN TRỌNG ĐỨC Thành viên tham gia: ThS CAO ĐỨC HẠNH ThS NGƠ QUỐC VINH Hải Phịng, tháng 5/2016 MỤC LỤC MỞ ĐẦU .1 CHƯƠNG TỔNG QUAN 1.1 Nhận dạng tự động 1.1.1 Các hệ thống mã vạch 1.1.2 Nhận dạng chữ viết .4 1.1.3 Các hệ thống sinh trắc học 1.1.4 Smart cards 1.1.5 Hệ thống RFID 1.2 Hệ thống RFID 1.2.1 Kiến trúc hệ thống 1.2.2 Hoạt động 10 CHƯƠNG THIẾT KẾ ĂNG TEN 12 2.1 Ăng ten vi dải 12 2.1.1 Cấu trúc ăng ten vi dải 12 2.1.2 Phân loại đặc tính ăng ten vi dải 13 2.2 Ăng ten logo dùng nhận dạng sóng vơ tuyến .14 CHƯƠNG KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM .19 3.1 Chế tạo ăng ten 19 3.2 Kết đo thực nghiệm 19 KẾT LUẬN .21 TÀI LIỆU THAM KHẢO 22 i DANH SÁCH BẢNG BIỂU Số bảng Bảng i i DANH SÁCH HÌNH ẢNH Số hình 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 2.7 3.1 3.2 ii i DANH SÁCH THUẬT NGỮ, CHỮ VIẾT TẮT Chữ viết tắt RFID EAN UPC OCR ROM RAM EEPROM EC LF HF UHF SHF MSA iv MỞ ĐẦU Tự động nhận dạng (Auto-ID) ứng dụng phổ biến nhiều hệ thống như: hệ thống công nghiệp, phân phối bán hàng, hệ thống, công ty sản xuất, nhằm cung cấp thơng tin người, động vật, hàng hóa trình di chuyển Khởi đầu cho cách mạng nhận dạng phải kể đến hệ thống mã vạch, nhiên hệ thống bộc lộ nhiều hạn chế nhớ lưu trữ thấp khơng thể lập trình lại Dạng chung thiết bị điện tử lưu trữ liệu ngày thẻ thơng minh dựa trường thông tin liên lạc (thẻ thông minh telephone, thẻ ngân hàng) sử dụng phương pháp tiếp xúc khí để đọc liệu Tuy nhiên, lưu trữ đọc thông tin thẻ thông minh không thực tế Phương pháp truyền liệu không tiếp xúc thiết bị mang liệu thiết bị đọc giải pháp tiện dụng mềm dẻo nhiều Trong trường hợp lý tưởng, lượng cần thiết cho thiết bị lưu trữ liệu hoạt động truyền từ thiết bị đọc sử dụng cơng nghệ khơng dây Do đặc tính đó, hệ thống nhận dạng ID khơng tiếp xúc cịn gọi RFID (Radio Frequency Identification) Số lượng tổ chức, công ty liên quan đến phát triển mua bán hệ thống RFID thị trường tiềm năng, cần nghiên cứu cách nghiêm túc Trong tổng số lượng giá trị hệ thống RFID giao dịch năm 2000 900 triệu USD năm 2005 lên tới 2.650 tỉ USD Thị trường hệ thống RFID phụ thuộc vào phát triển ngành công nghiệp công nghệ không dây, bao gồm hệ thống mobile phondes cordless telephones Thêm vào đó, năm gần công nghệ nhận dạng không tiếp xúc phát triển thành lĩnh vực độc lập, không cịn ngành nhỏ phụ thuộc Nó kết hợp nhiều yếu tố thành phần từ lĩnh vực khác nhau: công nghệ HF EMC, công nghệ chất bán dẫn, mã hóa bảo vệ liệu, truyền thông, công nghệ chế tạo sản xuất nhiều lĩnh vực liên quan khác Trang Như đề cập nhiều báo cáo, thành phần chủ yếu hệ thống RFID bao gồm: thẻ RFID, đầu đọc (sensor) ăng ten Trong phạm vi đề tài, thiết kế chế tạo ăng ten Logo (trên phù hiệu, đồng phục,…) nhằm tích hợp vào hệ thống nhận dạng RFID Giai đoạn I: Nhóm tác giả tập trung nghiên cứu xây dựng ăng ten Logo (VMU) hoạt động dải tần từ 2.4GHz đến 5.8GHz (Wi-fi), tối ưu hóa tham số ăng ten nghiên cứu đặc tính ăng ten thiết kế chế tạo được, sở đưa khuyến nghị tích hợp ăng ten phù hiệu, đồng phục Nhà trường Giai đoạn II: Xây dựng hệ thống tích hợp đầu cuối cho phép nhận dạng đối tượng qua sóng vơ tuyến (RFID) Nội dung thuyết minh bao gồm chương Chương I - giới thiệu chung đề tài, cơng nghệ RFID ứng dụng; chương II trình bày tổng quan ăng ten, đặc tính ăng ten sử dụng hệ thống RFID, sở ăng ten logo VMU đề xuất Trên sở thiết kế mô chương 2, kết thực nghiệm, phân tích đánh giá ăng ten VMU thực chương III; cuối kết luận hướng phát triển đề tài Nhóm tác giả Trang CHƯƠNG TỔNG QUAN 1.1 Nhận dạng tự động 1.1.1 Các hệ thống mã vạch Một hệ thống mã vạch (barcode) gồm mã nhị phân mã hóa tập hợp vạch song song Các vạch xếp theo mẫu định trước biểu diễn liệu liên quan đến vật mang mã Như vậy, mã vạch xem chuỗi bao gồm vạch có độ rộng khoảng cách khác nhau, phân tích thành giá trị số chữ Các vạch đọc đầu quét laser, khác vạch thể tín hiệu phản xạ khác tin laser từ vạch màu đen khoảng cách màu trắng Mặc dù thiết kế vật lý giống nhau, có nhiều đặc điểm tương đối khác biệt khoảng mười dạng mã vạch sử dụng Hệ thống mã vạch phổ biến EAN (European Article Number), thiết kế để phù hợp với ngành công nghiệp buôn bán tạp phẩm năm 1976 Hệ thống mã EAN chất phát triển mở rộng UPC (Universal Product Code) USA, giới thiệu vào năm 1973 Mỹ Ngày nay, UPC lại trở thành tập EAN, tương thích với hệ thống EAN Mã EAN bao gồm 13 chữ số thể mã quốc gia, mã công ty, số hiệu sản phẩm mã số kiểm tra (Hình 1.1) Country identifier FRG Hình 1.1 Cấu trúc mã EAN Bên cạnh mã EAN, hệ thống mã vạch sau sử dụng tương đối phổ biến lĩnh vực công nghiệp đời sống hàng ngày (Hình 1.2):  Mã Codabar: ứng dụng y tế lĩnh vực yêu cầu an toàn cao Trang  Mã chèn 2/5: công nghiệp tự động, lưu trữ hàng hóa, vận chuyển, kho bãi công nghiệp nặng  Mã 39: ngành công nghiệp chế biến, dịch vụ, trường đại học thư viện Hình 1.2 Mã vạch 1.1.2 Nhận dạng chữ viết Hệ thống nhận dạng chữ viết (OCR) giới thiệu sử dựng năm 1960 Các font chữ đặc biệt phát triển cho ứng dụng để chúng đọc người hay tự động máy móc Ưu điểm lớn hệ thống OCR xử lý thông tin với mật độ dày đặc có khả đọc liệu trường hợp khẩn cấp (hoặc phục vụ cho công tác kiểm tra) Ngày nay, OCR sử dụng lĩnh vực quản trị, dịch vụ sản xuất, ngân hàng với thủ tục đăng ký cheques (dữ liệu cá nhân, ví dụ tên số tài khoản in tờ cheque với định dạng OCR) Tuy nhiên, hệ thống OCR không sử dụng phổ biến giá thành, chi phí cao đầu đọc, scan có độ phức tạp cao so với hệ thống khác 1.1.3 Các hệ thống sinh trắc học Sinh trắc học định nghĩa khoa học đo lường nhận dạng đặc trưng liên quan đến thực thể sống Trong trường hợp hệ thống nhận dạng, sinh trắc học thuật ngữ chung tất phương pháp nhận diện người cách so sánh đặc tính vật lý cá nhân đặc trưng cho người Trang Hình 1.4 Kiến trúc chung thẻ microprocessor card 1.1.5 Giới thiệu RFID Hệ thống nhận dạng dùng sóng vơ tuyến RFID (Radio Frequency IDentification) có nhiều điểm tương tự thẻ thông minh smard card - liệu lưu trữ thiết bị thu phát tín hiệu Tuy nhiên, khơng giống smard card, lượng nạp cho thiết bị mang liệu chuyển đổi liệu thiết bị mang thông tin thiết bị đọc thực không sử dụng chế tiếp xúc từ (dùng trường có từ tính) Cơng nghệ nhận dạng RFID phát triển dựa lĩnh vực truyền dẫn radio công nghệ radar Do nhiều lợi ích, ưu điểm hệ thống RFID mang lại so với hệ thống nhận dạng khác, RFID trở thành lực chiếm lĩnh thị trường Một ví dụ việc sử dụng thẻ thông minh không tiếp xúc vé tốn chi phí cầu đường phương tiện tham gia giao thông 1.2 Hệ thống RFID 1.2.1 Kiến trúc hệ thống Hệ thống RFID bao gồm hai thành phần (Hình 1.7):  Thiết bị thu phát tín hiệu (transponder): gắn vào đối tượng cần nhận dạng  Thiết bị đọc (reader): phụ thuộc vào thiết kế công nghệ sử dụng, thiết bị đọc đọc/ghi Trang Hình 1.5 Hệ thống RFID Hình 1.6 minh họa hệ thống RFID thực tế Thiết bị đọc bao gồm modul truyền nhận sóng radio, đơn vị điều khiển thành phần kết nối đến thành phần transponder Ngoài ra, nhiều đọc hỗ trợ chuẩn giao tiếp khác RS232, RS485, để giúp hệ thống truyền liệu nhận đến hệ thống khác PC, hệ thống điều khiển robot, Hình 1.6 Bộ đọc RFID thẻ smard card Thiết bị transponder, thành phần mang liệu thực hệ thống RFID, thông thường bao gồm thành phần kết nối đến thiết bị đọc (ăng ten) microchip (Hình 1.7) Hình 1.7 Kiến trúc chung transponder Trang 1.2.2 Hoạt động Khi transponder thiết bị thông thường, không vùng hoạt động thiết bị đọc reader chế độ thụ động hồn tồn Transponder kích hoạt vào vùng phủ sóng reader Năng lượng để transponder hoạt động truyền nhờ đơn vị liên kết coupling sử dụng công nghệ không tiếp xúc Đơn vị liên kết dùng để chuyển xung thời gian liệu Tần số hoạt động transponder: tần số mà ăng ten transponder dùng để thu phát tín hiệu Các dải tần phổ biến sử dụng hệ thống RFID: LF, HF, UHF SHF (Bảng 1) Tên LF (Low Frequency) HF (High Frequency) UHF (Ultra High Frequency) SHF (Super High Frequency) Bảng Các dải tần phổ biến sử dụng hệ thống RFID Khoảng cách đọc transponder phụ thuộc vào nhiều yếu tố: tần số làm việc, công suất đầu đọc, can nhiễu, Trang 10 Trong khuôn khổ đề tài, thiết bị transponder thụ động (chỉ kích hoạt người dùng mặc đồng phục đeo thẻ Nhà trường) nên ăng ten thiết kế ăng ten thụ động, hoạt động dải tần UHF, SHF Ăng ten có hình dạng Logo Trường Đại học Hàng hải Việt Nam hình 1.8 Hình 1.8 Logo Trường Đại học Hàng hải Việt Nam Trang 11 CHƯƠNG THIẾT KẾ ĂNG TEN 1.3 Ăng ten vi dải Khái niệm ăng ten vi dải (Microstrip antenna, viết tắt MSA) lần đề xuất Deschamps năm 1953, nhiên phải tới khoảng 20 năm sau người ta chế tạo anten vi dải thực tế Những anten vi dải thực tế phát triển Howell Munson Từ sau nghiên cứu phát triển mở rộng anten vi dải hướng tới khai thác nhiều lợi chúng kích thước nhỏ, giá thành thấp, tương thích với mạch tích hợp v.v, làm đa dạng hóa ứng dụng chúng 1.3.1 Cấu trúc ăng ten vi dải Ăng ten vi dải trường hợp đơn giản bao gồm miếng xạ nhỏ nằm mặt lớp đế điện môi, có mặt phẳng nối đất chất dẫn điện lý tưởng nằm mặt lại lớp đế điện mơi Miếng xạ có chiều rộng W chiều dài L Giống nguyên tắc xạ ăng ten nửa sóng, độ dài L có giá trị cỡ gần λe/2 (λe độ dài bước sóng hiệu dụng xét mơi trường điện mơi) Hình 2.1 mơ tả ăng ten vi dải có xạ hình chữ nhật tiếp điện đường vi dải Hình 2.1 Ăng ten vi dải hình chữ nhật Trang 12 Đối với ăng ten vi dải hình chữ nhât, kích thước xạ ăng ten xác định theo công thức bản: = 0√ Với +1 0=3*10 2.1 m/s, =4.7 Với W/h>1 εref = εr+1 + εr −1 [1 + 12 h −1/2 W ] Độ dài ∆L ảnh hưởng hiệu ứng đường viền: ∆L 2.2 ℎ Chiều dài xạ L: 2.3 = 2.4 Có nhiều loại chất sử dụng cho thiết kế ăng ten vi dải số điện môi chúng thường dải 2.2≤ ξ ≤12 Với việc sử dụng chất dày, số điện mơi thấp cho ăng ten có đặc tính tốt với hiệu suất xạ tốt, băng thông rộng, nhiên làm tăng kích thước ăng ten Với việc sử dụng chất có số điện mơi cao làm giảm kích thước ăng ten, nhiên ăng ten có suy hao lớn, hiệu suất xạ băng thông nhỏ 1.3.2 Phân loại đặc tính ăng ten vi dải Các ăng ten vi dải phân loại theo hình dạng vị trí đặt xạ vi dải, quy dạng chính: - Ăng ten vi dải dạng (Microstrip Patch Antenna): xạ ăng ten có nhiều hình dạng khác - Ăng ten lưỡng cực vi dải (Printed Dipole Antenna), xạ đặt đối xứng phía (mặt) điện mơi Trang 13 - Ăng ten khe vi dải (Print Slot Antenna): khe hẹp tích hợp bề mặt xạ hay mặt phẳng đất nhằm thay đổi phân bố dịng điện - Ăng ten vi dải sóng chạy (Microstrip Traveling-Wave Antenna) xạ dải có dạng sóng, xốy trơn ốc… Các ăng ten vi dải có nhiều ưu điểm so với ăng ten vi sóng truyền thống như: kích thước nhỏ nhẹ, thích hợp cho thiết bị đầu cuối cầm tay; giá thành rẻ dễ dàng sản xuất hàng loạt sử dụng công nghệ mạch in; dễ dàng tích hợp với mạch tích hợp vi dải khác điện mơi; tính linh động cao: thay đổi hình dạng xạ, kích thước, chất liệu điện mơi…cho phép thay đổi đặc tính đặc trưng ăng ten tần số cộng hưởng, phân cực, đồ thị phương hướng, băng thông…; khả tạo phân cực tuyến tính phân cực trịn cách dễ dàng nhờ thay đổi cách tiếp điện, hình dạng ăng ten đường tiếp điện mạng phối hơp trở kháng chế tạo đồng thời với cấu trúc ăng ten Tuy nhiên anten vi dải có mặt hạn chế: băng hẹp; hiệu suất xạ thấp; công suất nhỏ; xạ nửa khơng gian mặt phẳng đất; khó đạt phân cực xạ mối nối tiếp điện 1.4 Ăng ten logo dùng nhận dạng sóng vơ tuyến Sự xuất hệ thống dệt thông minh xem tảng cho hệ thống mạng không dây thể WBAN (Wireless Body Area Network) Trong WBAN thiết bị kích hoạt, tương tác trao đổi thơng tin nhờ tính dẫn điện thể người Như tất hệ thống không dây khác, ăng ten đóng vai trị quan trọng hệ thống Các ăng ten tích hợp vào hệ thống thông qua đồng phục người, chúng thường thiết kế loại ăng ten vi dải có hình Logo Trang 14 Để thiết kế thiết bị đầu cuối cho hệ thống, ăng ten thiết kế ăng ten vi dải hoạt động dải tần từ 2.4GHz-5GHz (WiFi, WiMAX, Bluetooth, ), bao gồm: - Tấm phát xạ: thiết kế theo logo trường Đại học Hàng hải Việt Nam, sử dụng dẫn điện PEC (Perfect Electrical Conductor), kích thước khởi tạo 40x40x0.03mm3 - Lớp điện môi: sử dụng chất điện môi FR4 với ε=4.7, chiều dày h=0.8mm - Tấm xạ: sử dụng dẫn điện PEC, kích thước khởi tạo 40x40x0.03mm3 - 02 ngắn mạch có đường kính 0.5mm Hình 2.2 ảnh 3D ăng ten mô phần mềm CST Microwave Studio version 2014 Hình dạng ăng ten (logo) Hệ số tổn hao ngược S11 ăng ten hình 2.3 2.4 Hình 2.2 Giao diện thiết kế Trang 15 Hình 2.3 Ăng ten logo VMU: a) Top view, b) Back view Hình 2.4 Hệ số tổn hao ngược S11 Ăng ten cho tần số thứ hội tụ 2.4GHZ, băng thơng 342MHz Hình 2.5 đồ thị xạ (3D) ăng ten đạt Độ lợi ăng ten tần số 2.4GHz đạt Trang 16 Hình 2.5 Đồ thị xạ (3D) ăng ten Để ăng ten tái cấu hình tần số, nhóm tác giả sử dụng khe nhỏ (slot) bề mặt xạ, đặt 01 PIN diode vị trí tâm slot Sự đóng/ngắt PIN nhằm thay đổi phân bố dòng điện bề mặt (Hình 2.6) Khi ăng ten hội tụ 02 tần số: 2.4GHz 3.0GHz (Hình 2.7) Hình 2.6 Tấm xạ sử dụng slot PIN diode Trang 17 Hình 2.7 Hệ số tổn hao ngược S11 ăng ten sử dụng slot Trang 18 CHƯƠNG KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM 1.5 Chế tạo ăng ten Ăng ten in chất điện mơi FR4 có ε=4.7, chiều dày h=0.8mm Kích thước xạ ăng ten 40x40mm; khoảng cách xạ mặt phẳng nối đất 0.8mm; ngắn mạch có đường kính 0.5mm Hình 3.1 hình ảnh ăng ten chế tạo Hình 3.1 Hình ảnh ăng ten chế tạo 1.6 Kết đo thực nghiệm Tần số hệ số tổn hao ăng ten đo được hình 3.2 Hình 3.2 Tần số hệ số tổn hao ăng ten Trang 19 Tần số ăng ten đo (Mese) có sai khác đôi chút so với kết mô phỏng, sai số giải thích độ xác chế tạo, ảnh hưởng xạ thiết bị tích hợp hệ thống Tuy nhiên ăng ten hội tụ tần số 2.4GHz với băng thông 400MHz Trang 20 KẾT LUẬN Các kết đạt Thiết kế chế tạo thành công ăng ten logo hội tụ tần số 2.4GHZ, băng thông 342MHz Các tham số ăng ten tối ưu giải thuật di truyền nhúng phần mềm mô Công việc thời gian tới hướng phát triển   Hạn chế sai số ăng ten ảnh hưởng thiết bị tích hợp hệ thống Tích hợp ăng ten với microchip thẻ từ, cho phép thẻ hoạt động hệ thống nhận dạng dùng sóng vơ tuyến RFID Nhà trường Đánh giá, kiến nghị Để toán giải triệt để, thương mại hóa ứng dụng rộng rãi thực tiễn cần có khoảng thời gian dài để nghiên cứu, đánh giá thử nghiệm không độ ổn định tương thích phần cứng, mà cịn sai số tọa độ, tính đồng bộ, chi phí sản xuất giá thành sản phẩm Trang 21 TÀI LIỆU THAM KHẢO LiYang, Amin Rida, and Manos M.Tentzeris, Design and Development [1] of Radio Frequency Identification (RFID) and RFID-Enabled SensorsonFlexibleLowCostSubstrates, Morgan & Claypool, 2009 [2] Klaus Finkenzeller, RFID Handbook: Fundamentals and Applications in Contactless Smart Cards and Identification, John Wiley & Sons, 2003 [3] Md Shaad Mahmud, Shuvashis Dey, Design, Performance and Implementation of UWB Wearable Logo Textile Antenna, 15th International Symposium on Antenna Technology and Applied Electromagnetics (ANTEM), 2012 [4] Genovesi, S., et al, Frequency-reconfigurable antenna for software defined radio driven by PIC microcontroller, Antennas and Propagation in Wireless Communications (APWC), 2011 IEEE-APS Topical Conference on [5] Trong Duc, N., et al, Novel reconfigurable - shape PIFA antenna using PIN diode, Advanced Technologies for Communications (ATC), 2011 International Conference on [6] Jong-Hyuk, L., et al., A Reconfigurable PIFA Using a Switchable PIN- Diode and a Fine-Tuning Varactor for USPCS/WCDMA/m-WiMAX/WLAN, Antennas and Propagation, IEEE Transactions on 58(7): p 2404-2411 Trang 22 ... THIẾT KẾ ĂNG TEN 12 2.1 Ăng ten vi dải 12 2.1.1 Cấu trúc ăng ten vi dải 12 2.1.2 Phân loại đặc tính ăng ten vi dải 13 2.2 Ăng ten logo dùng nhận dạng sóng vơ tuyến. .. dạng Logo Trường Đại học Hàng hải Việt Nam hình 1.8 Hình 1.8 Logo Trường Đại học Hàng hải Việt Nam Trang 11 CHƯƠNG THIẾT KẾ ĂNG TEN 1.3 Ăng ten vi dải Khái niệm ăng ten vi dải (Microstrip antenna,... theo hình dạng vị trí đặt xạ vi dải, quy dạng chính: - Ăng ten vi dải dạng (Microstrip Patch Antenna): xạ ăng ten có nhiều hình dạng khác - Ăng ten lưỡng cực vi dải (Printed Dipole Antenna), xạ