QUAN CÔNG NGHỆ RFID
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 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 BộQuốc 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.
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), 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
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.
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 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.
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:
Phương pháp ghép nối vật lý
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
Phạm vi đọc của một hệ thống RFID được xác định là khoảng cách giữa thẻ và reader Từ đây ta thấy một hệ thống RFID có thể được phân chia thành ba kiểu dưới đây:
Trực tiếp : Đó là các hệ thống có phạm vi đọc thấp hơn 1 cm Một vài hệ thống LF và HF RFID thuộc về nhóm này.
Tầm gần : Đó là các hệ thống có phạm vi đọc từ 1 cm tới 100 cm Đa phần các hệ thống RFID hoạt động tại các dải tần LF và HF thuộc về nhóm này.
Tầm xa : Đó là các hệ thống có phạm vi đọc lớn hơn 100 cm Các hệ thốngRFID đang hoạt động trong dải tần UHF và phạm vi tần số vi ba thuộc về
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.
Các thành phần hệ thống RFID
Một hệ thống RFID là một tập hợp các thành phần nhằm thực hiện một giải pháp RFID.
Nói chung một hệ thống RFID bao gồm các thành phần dưới đây:
Thẻ : Đây là một thành phần bắt buộc của bất cứ hệ thống RFID nào
Thiết bị đọc thẻ: Đây cũng là một thành phần bắt buộc
Anten của thiết bị đọc thẻ : Đây là cũng là một thành phần bắt buộc phải có.Ngày nay một số reader đã được tích hợp anten lên trên nó,vì vậy kích thước của nó đã giảm đi rất nhiều.
Khối điều khiển : Đây là một thành phần quan trọng Tuy nhiên hầu hết các reader thế hệ mới đều đã tích hợp thành phần này lên trên chúng.
Các cảm biến, bộ truyền động ,bộ báo hiệu : Đây là các thành phần tùy chọn, được sử dụng ở đầu vào và đầu ra hệ thống RFID.
Máy chủ và hệ thống phần mềm :Về mặt lý thuyết ,một hệ thống RFID có thể hoạt động một cách độc lập mà không cần tới thành phần này.Tuy nhiên trong thực tế, nếu không có thành phần này thì hệ thống RFID gần như vô giá trị.
Cơ sở hạ tầng truyền thông: Thành phần quan trọng này là một tập hợp bao gồm cả mạng có dây và không dây và cơ sở hạ tầng kết nối nối tiếp, để có thể kết nối các thành phần đã liệt kê phía trên với nhau
Dưới đây là biểu đồ một hệ thống RFID :
Hình 1.3 Biểu đồ hệ thống RFID
Còn dưới đây là mô hình một mẫu của biểu đồ trên với các thành phần cụ thể trong thực tế:
Hình 1.4 Một ví dụ về hệ thống RFID trong thực tế
Bây giờ ta sẽ đi chi tiết vào từng thành phần của hệ thống RFID.
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 bán tích cực (hoặc bán thụ động)
Kiểu thẻ RFID này không có nguồn nuôi tích hợp cùng trên bảng mạch thẻ (ví dụ,pin),thay vì vậy nó sử dụng năng lượng được phát ra từ reader để làm nguồn năng lượng cho bản thân nó hoạt động và thực hiện truyền dữ liệu mà nó lưu trữ tới reader Thẻ thụ động khá đơn giản về cấu tạo và không có các bộ phận rời rạc.Và có lẽ chính vì vậy các thẻ thụ động tồn tại khá lâu trong điều kiện môi trường khắc nghiệt. Đối với loại thẻ này,để thực hiện truyền thông tin giữa thẻ và reader thì reader luôn luôn phải liên lạc trước tiên,tiếp sau đó mới tới lượt thẻ Vì vậy sự hiện diện của reader là bắt buộc để thẻ có thể truyền được dữ liệu của nó.
Thẻ thụ động thông thường nhỏ hơn so với thẻ tích cực và thẻ bán tích cực Nó có một phạm vi đọc khá đa dạng từ 1 inch (=2.54cm) tới khoảng 30 feet (xấp xỉ 9 mét) Có lẽ bởi vậy mà thẻ thụ động bao giờ cũng rẻ hơn thẻ tích cực hay thẻ bán tích cực.
Một thẻ thụ động bao gồm các thành phần chính dưới đây:
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:
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:
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,
Anten của thẻ được sử dụng để đưa tín hiệu thu được từ reader thành năng lượng cho thẻ ,phục vụ cho việc gửi hoặc nhận dữ liệu tới reader.Anten này được gắn tiếp xúc vật lý với vi chip của thẻ Trong thực tế có rất nhiều cách thiết kế anten,tuy nhiên chúng ta cần phải chú ý rằng chiều dài của anten tỷ lệ trực tiếp với chiều dài bước sóng hoạt động của thẻ.Ngoài ra còn có một khái niệm nữa cũng rất quan trọng ,đó là “lưỡng cực” (dipole) Một anten lưỡng cực có thể là một dây điện thẳng (ví dụ,với chất liệu là đồng) bị đứt quãng tại điểm giữa Chiều dài tổng cộng của một anten lưỡng cực bằng một bước sóng của tần số được sử dụng để tối ưu hóa năng lượng chuyển từ tín hiệu của anten reader tới thẻ Với một anten lưỡng cực kép (dual dipole) thì nó bao gồm hai lưỡng cực, nên có thể giảm đi rất nhiều tính nhạy cảm thẳng hướng của thẻ Chính vì vậy mà, reader có thể đọc thẻ tại nhiều hướng khác nhau.Còn một lưỡng cực gấp (folded dipole) là bao gồm hai hoặc nhiều dây điện thẳng kết nối song song và mỗi cái có chiều dài bằng nửa chiều dài bước sóng (của tần số được sử dụng) Khi hai dây được nối lại, thì kết quả tạo ra
“một lưỡng cực gấp-2 dây”.Tương tự như vậy ba dây kết nối song song sẽ tạo ra
“một lưỡng cực gấp-3 dây” Hình dưới chỉ ra hình dạng minh họa một vài kiểu anten này.
Hình 1.10 Các kiểu anten lưỡng cực
Chiều dài anten của thẻ thường lớn hơn rất nhiều so với microchip của thẻ, và do đó nó quyết định đến kích thước vật lý sau cùng của thẻ Ngoài ra có một vài thông số ta cần chú ý khi thiết kế thẻ:
Khoảng cách đọc thẻ được tính từ reader
Hướng nhận biết thẻ so với reader
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
Các thẻ RFID tích cực có sẵn một nguồn năng lượng ở trên bảng mạch thẻ (ví dụ như ,có pin kèm theo;hoặc là dạng nguồn năng lượng khác) và các bộ phận điện tử để thực hiện các chức năng đặc biệt Một thẻ tích cực sử dụng nguồn năng lượng ở trên bảng mạch thẻ của chính nó để truyền dữ liệu của nó tới reader Nó không phải cần đến năng lượng phát ra từ reader để truyền dữ liệu Các bộ phận điện tử ở trên bảng mạch thẻ có thể bao gồm bộ vi xử lý, cảm biến, và các cổng vào/ra Ví dụ, các thành phần điện tử này thực hiện đo một khoảng nhiệt độ nào đó và sinh ra dữ liệu về giá trị nhiệt độ trung bình.Sau đó chúng sẽ sử dụng dữ liệu này để quyết định các tham số khác chẳng hạn như ngày kết thúc của mặt hàng được gắn thẻ Rồi tiếp đó thẻ có thể truyền thông tin này tới reader Chúng ta có thể hình dung thẻ tích cực giống như một chiếc máy tính không dây cộng thêm với vài thuộc tính khác (ví dụ, có thể bao gồm thêm một cảm biến hoặc một tập hợp các cảm biến).
Trong giao tiếp truyền thông tin giữa thẻ và reader, thì thẻ luôn luôn phải thực hiện liên lạc trước tiên, tiếp sau đó mới tới phiên reader Bởi vậy sự hiện diện của reader không cần thiết cho sự truyền đi của dữ liệu, một thẻ tích cực có thể phát đi dữ liệu lưu trữ trong nó tới các khu vực xung quanh ngay cả khi không có reader.
Có lẽ vì vậy mà kiểu thẻ này cũng được gọi là một bộ phát tín hiệu Khoảng cách đọc thẻ của một thẻ tích cực có thể là 100 feet (xấp xỉ 30.5 mét) hoặc lớn hơn.
Một thẻ tích cực bao gồm các thành phần:
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:
Hình 1.11 Các thành phần bên trong một thẻ tích cực
Còn tiếp theo là hình ảnh thực tế của thẻ tích cực của các hãng sản xuất lớn:
Hình 1.12 Các thẻ tích cực dải UHF tần số thấp (303.8 MHz) của hãng
Do các thành phần vi chip và anten của thẻ tích cực cũng giống với thẻ thụ động nên ta sẽ không nói tới ở đây.Bây giờ ta chỉ nói qua về hai thành phần còn lại là khối nguồn và các thành phần điện tử.
Tất cả các thẻ tích cực đều có mang một nguồn năng lượng trên nó (ví dụ, có một pin nhỏ kèm theo) để cung cấp năng lượng tới các thành phần điện tử và để nó thực hiện truyền dữ liệu đi Nếu như sử dụng một pin làm nguồn năng lượng , thì một thẻ tích cực có thể sử dụng được ít nhất khoảng từ 2 tới 7 năm phụ thuộc vào độ bền của pin Một trong những nhân tố quyết định độ bền của pin là tốc độ truyền dữ liệu của thẻ Ví dụ, giả thiết rằng một thẻ tích cực được chế tạo mặc định là cứ thực hiện truyền một lần sau vài giây Nếu như bạn tăng nó lên,tức là thiết lập cứ truyền một lần sau một vài phút thậm chí là một vài giờ,thì bạn đã làm cho tuổi thọ sử dụng pin lâu hơn Ngoài ra, các cảm biến nằm trên bảng mạch thẻ và các bộ xử lý tiêu thụ năng lượng ít cũng có thể góp phần làm cho tuổi thọ của pin ngắn đi.
1.4.1.2.2 Các thành phần điện tử
Các thành phần điện tử nằm trên bảng mạch thẻ cho phép thẻ hoạt động như một bộ phát tín hiệu (transmiter), và tùy theo lựa chọn cụ thể mà nó có thể thực hiện được các chức năng đặc biệt chẳng hạn như việc tính toán, hoặc hoạt động như một cảm biến, Thành phần này cũng có thể cung cấp thông tin cho việc kết nối với các cảm biến ở bên ngoài Cho nên, tùy theo kiểu cảm biến gắn vào, mà thẻ có thể thực hiện được rất nhiều các chức năng cảm biến Nói chung, phạm vi các chức năng của thành phần này là không giới hạn Ta cần chú ý rằng khi số các chức năng tăng nên thì kích thước vật lý của phần này tăng nên ,và vì vậy kích thước thẻ cũng tăng lên. Tuy nhiên điều này hoàn toàn có thể chấp nhận được với các thẻ tích cực Vì vậy mà, các thẻ tích cực có thể triển khai tới một phạm vi rộng các ứng dụng hiện nay.
1.4.1.3 Thẻ bán tích cực (hoặc thẻ bán thụ động)
Các tiêu chuẩn công nghệ RFID
Nhiều tiêu chuẩn công nghệ RFID đã đượcđề xuất từ nhiều tổ chức khác nhau trên thế giới Để mô tả đầy đủ về các tiêu chuẩn đó , có lẽ phải cần đến cả một cuốn sách về nó Nên ở đây ta chỉ đề cập sơ qua về một số tiêu chuẩn đang sử dụng ngày nay và được đa số các công ty sản xuất các thiết bị RFID tuân thủ theo Dưới đây là tên các tiêu chuẩn chính cùng tên các các tổ chức định nghĩa nó đi kèm theo:
ANSI (American National Standards Institute)
AIAG (Automotive Industry Action Group)
EAN.UCC (European Article Numbering Association International, Uniform Code Council)
ISO (International Organization for Standardization)
ETSI (European Telecommunications Standards Institute)
ASTM (American Society for Testing and Materials)
CEN (Comité Européen Normalisation (European Comite for
Bây giờ ta sẽ tìm hiểu sơ qua về hai tiêu chuẩn ANSI và EPCglobal để có cái nhìn tổng quan về chúng
ANSI là một tổ chức tư nhân phi lợi nhuận , thường chủ động đề ra các tiêu chuẩn và các hệ thống đánh giá chuẩn của Hoa Kỳ Nhiệm vụ của viện là nâng cao khả năng cạnh tranh toàn cầu của Hoa Kỳ trong kinh doanh cũng như chất lượng cuộc sống người dân Hoa Kỳ bằng cách thúc đẩy và tạo sự đồng thuận tình nguyện về các tiêu chuẩn, các hệ thống đánh giá, và bảo vệ tính toàn vẹn của chúng.
Một vài tiêu chuẩn chính của ANSI về công nghệ RFID mà nó đã được sử dụng trong các ứng dụng thực tế được đề cập dưới đây:
ANS INCITS 371 Thông tin về vị trí của các hệ thống thời gian thực Cái này bao gồm ba phần như dưới đây:
Phần 1 Các giao thức giao tiếp trên không tại dải tần 2.4 GHz
Phần 2 Các giao thức giao tiếp trên không tại dải tần 433 MHz.
Phần 3 Giao tiếp với các chương trình ứng dụng.
ANS MH10.8.4 Tiêu chuẩn ANSI cho các ứng dụng RFID với các container bằng nhựa có thể sử dụng lại được
EPCglobal, Inc, là một liên doanh giữa các tổ chức quốc tế UCC và EAN Mục đích của EPCglobal là để thiết lập các tiêu chuẩn trên toàn thế giới về thiết kế và triển khai thực hiện thông qua EPC (Electronic Product Code) và EPCglobal
Network Các đặc điểm kỹ thuật EPCglobal nhắm đến mục tiêu là hoạt động của các chuỗi cung ứng và được xem là các đặc điểm kỹ thuật hứa hẹn nhất cho công nghệ RFID trên toàn cầu ,ngoài ra nó cũng có thể áp dụng được cho mảng rất rộng các ứng dụng khác nữa.
Dưới đây ta sẽ tìm hiểu qua về EPCglobal Network, cái được xem là thành phần nền tảng của EPCglobal.
EPCglobal Network là một tập hợp các công nghệ, có thể cung cấp tự động, nhận dạng thời gian thực và chia sẻ dữ liệu thông minh của một danh mục mặt hàng cả ở bên trong và bên ngoài một doanh nghiệp Tất cả các cái này rất phù hợp với các hoạt động của một chuỗi cung ứng trong một doanh nghiệp, tuy nhiên nó cũng có thể triển khai được với các kiểu ứng dụng khác nữa.
Năm thành phần công nghệ chính tạo nên các tiêu chuẩn EPCglobal Network,bao gồm:
Data-collection hardware bao gồm các loại thẻ và reader EPC Cái này cũng được biết tới như là hệ thống ID.
Discovery Services (DS), Ví dụ, ONS (Object Naming Service) là thuộc thành phần này.
EPC (Electronic Product Code) là một tấm nhận dạng đã được cấp phép, mà có thể nhận diện được bất kỳ danh mục mặt hàng nào trong một chuỗi cung ứng Nó rất đơn giản và nhỏ gọn và có thể tạo ra số lượng rất lớn các định danh duy nhất. Đồng thời, nó cho phép đưa vào các mã kế thừa và các tiêu chuẩn cho phù hợp với từng hoàn cảnh cụ thể chẳng hạn như:
Global Trade Identity Number (GTIN) Cái này cung cấp một số EAN-UCC duy nhất trên toàn cầu phục vụ cho việc nhận dạng các sản phẩm và các dịch
vụ.Unique Identification (UID) Cái này được sử dụng để đánh số theo dõi tài sản của Bộ Quốc Phòng Mỹ.
Global Location Number (GLN) Cái này được sử dụng để biểu thị các vị trí, các đối tác thương mại, và các thực thể pháp lý.
Serial Shipping Container Code (SSCC) Cái này được sử dụng để nhận dạng đơn vị vận chuyển chẳng hạn như một khay để hàng,một thùng các tông,
Ngày nay một công ty đang sử dụng mã vạch trong các hoạt động của họ có thể có một cách dễ dàng để chuyển sang sử dụng công nghệ RFID bằng cách dùng EPC Một mã EPC có thể được sử dụng để xác định các thuộc tính khác nhau của một danh mục mặt hàng, chẳng hạn như:
Phiên bản EPC được sử dụng.
Thông tin nhận dạng nhà sản xuất.
Chuỗi số duy nhất của danh mục mặt hàng.
ISO là một mạng lưới các viện tiêu chuẩn quốc gia của 146 quốc gia, trên cơ sở mỗi nước là một thành viên, với trung tâm đặt tại Geneva, Thụy Sĩ ISO là một tổ chức phi chính phủ.
ISO có các ủy ban kỹ thuật (Technical Committee-TC) và các hội đồng kỹ thuật chung (Joint Technical Councils -JTC) được tham gia xây dựng các tiêu chuẩn có liên quan đến RFID bao gồm:
Dưới đây là một số tiêu chuẩn ISO có liên quan đến công nghệ RFID mà nó đã được sử dụng trong các ứng dụng thực tế:
ISO 6346 Nhận dạng và đánh dấu mã cước vận chuyển container.
ISO 11784 Tần số vô tuyến xác định cấu trúc mã số nhận dạng động vật sử dụng RFID Tuy nhiên, nó không chỉ ra bất cứ đặc tính nào của giao thức truyền giữa một thẻ RFID và một reader.
Quyền riêng tư và tính bảo mật trong công nghệ RFID
Bây giờ, chúng ta bắt đầu tìm hiểu về vấn đề riêng tư và tính bảo mật trong việc sử dụng các hệ thống RFID và mối quan tâm của người tiêu dùng về công nghệ này. Chúng ta sẽ cùng đi lướt qua các khía cạnh chính của hai vấn đề đó trong hệ thống RFID, lần lượt từ tầng vật lý tới tầng ứng dụng
Việc kiểm tra trong thực tế các mối đe dọa đến sự riêng tư và an toàn của người dùng từ việc sử dụng các công nghệ RFID là rất quan trọng Mỗi công nghệ đều mang trong nó một khả năng nào đó, nhưng không được đảm bảo 100%, cũng như không được lạm dụng nó Ví dụ với việc cấp phép gắn thẻ RFID lên các loại thuốc. Thì với các loại thuốc điều trị cho các bệnh nhân trầm cảm hay các bệnh nhân AID có thể sẽ khiến mọi người rất lo ngại rằng một ai đó có thể tìm ra họ đã sử dụng chúng đơn giản chỉ bằng cách đọc thẻ RFID từ một khoảng cách nào đó Tuy nhiên, sử dụng cách này có thể giúp loại bỏ tình trạng giả mạo thuốc hết hạn hoặc bán thuốc ra ngoài, hoặc có thể sử dụng tại thời điểm bán để thông báo cho cả dược sĩ và người tiêu dùng về việc đã xảy ra tiêu cực trong giao dịch Vì vậy cho ta thấy một điều rằng, các mối quan tâm về tính riêng tư nên được cân bằng với các lợi ích của người tiêu dùng
1.6.1.1 Các biện pháp bảo vệ quyền riêng tư dựa trên luật pháp
Nhiều chính phủ hiện đang tranh luận về luật pháp bảo vệ người tiêu dùng về việc sử dụng dữ liệu RFID trong cả hai lĩnh vực công cộng và cá nhân.Tuy nhiên cho dù các bộ luật đặc biệt sẽ được đưa vào để thúc đẩy sự tính riêng tư và bảo mật của RFID đi nữa thì các vấn đề ở đây vẫn chưa được rõ ràng Mà quan trọng nhất là các chính phủ phải cân bằng được nhu cầu về tính riêng tư của người tiêu dùng cũng như của một người dân với nhu cầu của công ty trong việc thu thập dữ liệu tiếp thị và những lợi ích xã hội nói chung nhờ hiệu quả của việc đưa vào dây chuyền cung ứng sử dụng công nghệ RFID Một vài dự án luật có liên quan đến bảo vệ tính riêng tư của dữ liệu, đã được giới thiệu trong suốt phiên điều trần thứ 108 của quốc hội Hoa Kỳ Đại diện tiểu bảng Wisconsin Gerald D Kleczka đã đề xuất một dự luật yêu cầu phải có các nhãn cảnh báo trên các sản phẩm gia dụng có chứa thiết bị RFID Đó là dự luật, H.R.4673, đã được giới thiệu dưới tiêu đề là "Opt Out of ID Chips Act".
Trong tháng tám năm 2004, Thượng viện tiểu bang California đã thông qua một biện pháp để thiết lập giới hạn sử dụng công nghệ RFID của các thư viện, nhà bán lẻ và các tổ chức tư nhân khác Được biết đến với cái tên là SB1834, dự thảo luật ngăn cấm các doanh nghiệp và các thư viện ở California sử dụng các thẻ RFID gắn lên sản phẩm tiêu dùng hoặc sử dụng một đầu đọc RFID nhận dạng một cá nhân,trừ trường hợp trong một số hoàn cảnh nào đó
1.6.1.2 Các biện pháp bảo vệ quyền riêng tư thông qua việc cải tiến công nghệ Các cơ chế và công cụ hạn chế các khả năng giám sát không an toàn hoặc trái phép của các hệ thống RFID có thể nâng cao hiệu quả của các bộ luật và các nguyên tắc về quyền riêng tư Một số công nghệ được đề xuất như các tiêu chuẩn “kill tag” của EPCglobal và “blocker tag” của RSA Security.
Cách tiếp cận với khái niệm “kill tag” là cách đơn giản nhất để tiến tới thúc đẩy sự riêng tư của người tiêu dùng Trong cách tiếp cận này, người tiêu dùng có thể liên hệ trực tiếp với một nhà bán lẻ nào đó để ra lệnh hủy thẻ RFID được nhúng vào bên trong sản phẩm sau khi đã mua nó Với phương pháp này có thể bảo vệ các tài sản của họ không bị quét bởi các tần số vô tuyến trái phép.
Hạn chế chính của phương pháp “kill tag” đó là , nó giới hạn các đặc tính hữu dụng của công nghệ RFID tại các điểm bán hàng Nếu như sản phẩm cần phải được trả lại cho cửa hàng sau đó vì một lý do nào đó , thì việc nhận dạng thẻ RFID trên sản phẩm đó vẫn rất cần thiết, và như vậy ta phải thực hiện lại công đoạn tạo thẻ. Ngoài ra với việc thực hiện phương pháp “kill tag” người tiêu dùng sẽ mất nhiều thời gian hơn cho việc mua sắm cũng như sẽ phải xếp hàng dài để chờ đợi hủy thẻ RFID.
Còn cách tiếp cận “blocker tag”, được đề xuất bởi tổ chức RSA Security, sử dụng một thẻ đặc dụng gọi là thẻ chặn được thiết kế để gây nhiễu thụ động các reader, khiến chúng không đọc được từ các thẻ RFID bình thường khác Các thẻ chặn làm việc theo cách làm nhiễu các thuật toán chống xung đột của một reader trong một phạm vi đọc của các thẻ ID Hình dưới đây sẽ minh họa nguyên tắc hoạt động của nó trong thực tế.
Hình 1.34 Nguyên tắc hoạt động của các thẻ blocker
Như với bất cứ hệ thống nào, để xác định chiến lược bảo mật với các hệ thống RFID, chúng ta bắt đầu bằng việc khảo sát tất cả truy nhập như thể chúng đang đến từ các tác nhân đe dọa tiềm tàng Hình dưới đây chỉ ra sơ đồ một hệ thống RFID điển hình có thể chia thành các khu vực bảo mật như thế nào.
Hình 1.35 Các khu vực bảo mật của hệ thống RFID 1.6.2.1 Vùng một : Các thẻ RF
Vùng một bao gồm bản thân các thẻ RF.
Có hai khu vực chính dễ bị tổn thương ,đó là::
Dữ liệu lưu trữ trên thẻ mà không được mã hóa.Và để thêm vào các điều kiện bảo mật lên thẻ thì cần thiết phải tăng thêm không gian và các khối mạch trên các chip RF Điều này có nghĩa là giá thành của thẻ sẽ tăng lên ,thời gian xử lý cũng tăng lên.
Không có một cơ chế giám sát vật lý, nên bất cứ ai trên cơ sở có quyền truy cập đến các thẻ thì cũng có thể loại bỏ một thẻ hoặc chuyển đổi các thẻ cho nhau.
Nhân tố đe dọa: Các nhân tố đe dọa có thể là bao gồm bất cứ cái gì mà có thể truy nhập vật lý tới thẻ và có thể làm thay đổi nội dung của nó.
Và để giải quyết các vấn đề đó , ta có một vài biện pháp đối phó dưới đây:
Thực hiện giám sát các hàng hóa được gắn thẻ RFID.
Yêu cầu kiểm soát nghiêm ngặt các truy nhập tới thông tin có thể lấy được từ một mã EPC.
Tách biệt mã EPC từ bất cứ thông tin nào mà nhạy cảm với các doanh nghiệp và người tiêu dùng.
Chỉ sử dụng các thẻ có khả năng ghi lại được ở tại những nơi thích hợp có kiểm soát truy nhập hợp lý.
1.6.2.2 Vùng hai : Các thiết bị đọc thẻ RFID
Các reader RFID thường được kết nối tới một mạng nội bộ bằng cách sử dụng các kết nối có dây hoặc là các kết nối không dây.
Các lỗ hổng bảo mật có thể xuất hiện như:
Dữ liệu được truyền từ thẻ tới reader chưa được mã hóa.
Các reader không có cơ chế xác nhận các thẻ. Đó chính là các nguyên nhân dẫn đến sự giả mạo , hoặc các cuộc tấn công DoS, hay tấn công giao thức.
Các nhân tố đe dọa: Các nhân tố đe dọa bao gồm bất cứ cái gì được kết nối đến cùng mạng (giống như bất cứ nút mạng nào được kết nối đến một mạng, một reader sẽ được mở tới tất cả các nhân tố đó trên mạng), và bất cứ ai với một thiết bị không dây cùng một chút kiến thức về các giao thức của reader mà có ý đồ xấu.
1.6.2.3 Vùng ba : Tuyến dịch vụ RFID
Tuyến dịch vụ RFID là một nhóm các thành phần middleware bao gồm dịch vụ ONS (Object Naming Service), quản lý sự kiện EPC, máy chủ EPCIS, và máy chủ tích hợp RFID.
So sánh giữa công nghệ RFID và công nghệ mã vạch
Một mã vạch là một loạt các sọc đen , trắng nối tiếp nhau với các chiều rộng giữa chúng khác nhau, sao cho tạo thành một định dạng mà máy móc có thể hiểu được Mã vạch là một công nghệ quang điện tử, trong đó ánh sáng laser sẽ phản xạ trở lại các biểu tượng mã vạch và sau đó các biểu tượng này sẽ được đọc bởi một máy quét.
Các biểu tượng mã sản phẩm phổ biến ở khắp nơi (UPC) là hình thức của mã vạch mà đã thân thiện với nhiều người Nghiên cứu về mã vạch đã bắt đầu trước đó từ rất lâu trước khi nổi nên các tiêu chuẩn UPC.Tuy nhiên, mãi tới năm 1952, hai nhà nghiên cứu tại IBM đã được trao bằng sáng chế đầu tiên cho công nghệ nhận dạng tự động Mãi tới những năm sáu mươi , mới xuất hiện hệ thống thương mại hóa đầu tiên ,nhưng chủ yếu sử dụng ở các ga đường sắt để vận chuyển hàng hóa và sản phẩm Sau đó ,trong những năm đầu tiên của thập kỷ bẩy mươi, một tập đoàn tạp hóa của Hoa Kỳ đã triệu tập một ủy ban đặc biệt để đánh giá công nghệ mã vạch, với mục đích là triển khai nó trong các chuỗi siêu thị trên khắp cả nước như là một phương tiện để giảm chi phí lao động, cải thiện tốc độ tính tiền và theo dõi hàng tồn kho Vào năm 1973 ,các tiêu chuẩn UPC ra đời từ các nỗ lực trên và trở thành định hướng chính trong việc triển khai công nghệ mã vạch.
Tăng trưởng của các cửa hàng tạp hóa đã giảm trong suốt những năm bảy mươi. Đây không phải do lỗi của các cửa hàng tạp hóa, mà phần lớn là do các công ty cung cấp đã sản xuất ra các sản xuất ra các sản phẩm với tốc độ rất chậm do còn phải bao gồm thêm các biểu tượng mã vạch trên bao bì đóng gói Và trong năm
1978, thì cách đánh mã đã được cải thiện mạnh mẽ và các hệ thống quét mã vạch cũng bắt đầu xuất hiện phổ biến Sau đó, vào năm 1981, DoD khởi tạo chương trình LOGMARS , trong đó yêu cầu tất cả các sản phẩm bán cho quân đội phải được đánh dấu 39 biểu tượng mã mà sau này đã trở thành một tiêu chuẩn mã khác song hành cùng tiêu chuẩn UPC Dưới đây là hình ảnh một số mã vạch trong thực tế.
Hình 1.36 Một mã vạch theo tiêu chuẩn UPC
Hình 1.37 Mã vạch theo tiêu chuẩn Code39
Thiết bị đọc mã vạch cũng được gọi là máy quét sẽ sử dụng một chum ánh sáng để quét ngang qua mã vạch Nói chung hướng quét không liên quan nhiều đến kết quả cuối cùng Tuy nhiên, trong suốt quá trình quét, chum sang không được di chuyển ra ngoài khu vực mã vạch Do đó, nói chung, khi tăng chiều dài mã vạch thì cũng có nghĩa là tăng chiều cao của máy quét để phù hợp với độ lệch lớn hơn của chùm sáng ở bên ngoài khu vực mã vạch trong suốt quá trình quét Trong suốt quá trình đọc, thiết bị đọc phải định lượng cường độ của chum sang phản xạ trở lại bởi các khu vực đen và trắng cho mã vạch đó Là do bởi một thanh tối sẽ hấp thụ ánh sáng, còn một khoảng trắng sẽ phản xạ ánh sang trở lại Một thiết bị điện tử được gọi là photodiode hoặc photocell sẽ chuyển đổi mô hình sang này thành một dòng điện (hoặc là tín hiệu tương tự) Các mạch điện sau đó sẽ giải mã các tín hiệu điện này thành các tín hiệu số Dữ liệu này là những gì mà ban đầu được mã hóa bởi mã vạch Các dữ liệu số thu được được biểu diễn dưới dạng các ký tự ASCII Hình dưới đây mô tả các quy trình đọc mã vạch.
Hình 1.38 Các bước đọc một mã vạch
Trong mã vạch, chùm ánh sang laser được sử dụng như là các sóng mang dữ liệu Ngược lại, các thẻ RFID nói chung thường sử dụng các sóng vô tuyến để mang thông tin Do đó mã vạch được đề cập tới như một công nghệ quang điện tử còn RFID thì được gọi là công nghệ RF Dưới đây là các so sánh chi tiết giữa một thẻ RFID và một mã vạch.
Kích thước bộ nhớ, hay là khu vực lưu trữ dữ liệu : Các mã vạch chỉ có thể chứa một lượng hữa hạn dữ liệu Các thẻ nhỏ nhất, về lưu trữ dữ liệu, là các biểu tượng E của chuẩn UPC, mà chỉ lưu giữ được tám ký tự; chỉ là một vài byte Tại nơi đối diện với vị trí cuối của quang phổ, ma trận dữ liệu theo tiêu chuẩn mã vạch cho phép lưu trữ lên tới 2000 ký tự ASCII, trên một thẻ hai chiều, như chỉ ra ở hình dưới đây.Chú ý là thuật ngữ thẻ sử dụng ở đây khác với trong công nghệ RFID.
Hình 1.39 Ma trận dữ liệu biểu tượng mã vạch
Các thẻ RFID có khả năng lưu giữ thông tin nhiều hơn rất nhiều Mặc dù các thẻ RFID có thể được chế tạo với các bộ nhớ nhỏ hơn để lưu giữ chỉ một vài byte, nhưng với vị trí hiện tại của công nghệ có thể đạt giới hạn lên tới 128 Kilo byte, lớn hơn rất nhiều so với các biểu tượng mã vạch.
Khả năng đoc/ ghi : Mã vạch không thể sửa đổi được một khi chúng đã được in ra, do đó mã vạch được biết tới là một công nghệ RO Ngược lại, các thẻ RFID
RW , lại có cả khả năng đọc và ghi tới bộ nhớ, và số lần định dạng thẻ trong suốt quãng đời tồn tại của nó có thể lên tới hàng nghìn lần, đây cũng là một phần đã khiến cho công nghệ RFID trở nên mạnh mẽ như vậy.
Không cần đường ngắm : Một ưu thế khác của công nghệ RFID so với các mã vạch là các hệ thống RFID không cần đến một đường ngắm giữa một thẻ và thiết bị đọc để có thể làm việc đúng Bởi vì các sóng vô tuyến có khả năng lan truyền qua nhiều chất liệu rắn khác nhau, tức là hiệu quả đọc với các thẻ RFID nằm sâu ở bên trong một khay hàng không kém là bao so với các thẻ nằm trực tiếp trên đường ngắm Nhưng với mã vạch thì khác, các mã vạch phải nằm trên đường ngắm của máy quét thì nó mới hoạt động đúng được Điều này có nghĩa là các mã vạch phải được đặt ở bên ngoài bao bì cũng như các đối tượng được gắn thẻ không được đặt ở sâu bên trong khay hàng trong quá trình đọc Trong các ứng dụng quản lý chuỗi cung ứng, trong hầu hết các thời điểm đều có một số lượng lớn hàng hóa di chuyển, nên rất khó để có được một đường ngắm của máy quét với một hàng hóa cụ thể. Đây chính là ưu điểm lớn của công nghệ RFID so với công nghệ mã vạch.
Phạm vi đọc : Phạm vi đọc của mã vạch có thể có được một khoảng khá dài.
Thông thường các phạm vi đọc đó có giá trị vào khoảng cỡ vài chục cm Tuy nhiên các phạm vi đọc của các thẻ RFID lại có một khoảng thay đổi khá rộng, phụ thuộc vào tần số hoạt động của hệ thống, kích thước anten và thẻ đang sử dụng là thẻ tích cực hay thẻ thụ động Thông thường, các phạm vi đọc của các thẻ RFID có thể chạy từ vài cm tới vài mét.
Tính bảo mật truy nhập : Dữ liệu mã vạch có tính bảo mật rất thấp Bởi vì các mã vạch cần thiết phải có một đường ngắm nên phải được đặt rỡ ràng ở bên ngoài bao bì, do đó bất cứ ai với một máy quét mã vạch chuẩn hoặc chỉ với một chiếc camera cũng có thể xem trộm hoặc ghi lại dữ liệu trên đó Nhưng với các hệ thống các phần trước, các hệ thống RFID có khả năng ngăn chặn các bên thứ ba, để hạn chế truy nhập trái phép tới hệ thống, và để bảo vệ dữ liệu nhạy cảm. Độ bền, tính nhạy cảm với môi trường : Công nghệ RFID có khả năng chịu đựng tốt hơn với bụi bẩn và môi trường khắc nghiệt so với công nghệ mã vạch Các mã vạch có thể sẽ không đọc được nếu như chúng bị bao phủ bởi bụi bẩn, hoặc là bị rách nát Ngoài ra trong một môi trường với ánh áng cường độ cao cũng có thể gây trở ngại cho máy quét mã vạch mà tồi tệ hơn là không thể đọc được các mã vạch. Riêng với công nghệ RFID thì các vấn đề này không ảnh hưởng gì nhiều tới nó.
Khả năng đọc ổn định : Trong các ứng dụng chuỗi cung ứng, đọc chính xác ngay lần đầu sản phẩm đi qua nó là rất quan trọng để duy trì hiệu quả hoạt động cao Với các mã vạch thì thường phải được qua hệ thống tới hai lần hoặc thực hiện đọc bằng tay Rõ ràng như vậy rất bất tiện và ảnh hưởng nhiều tới hoạt động chung của toàn hệ thống Với các hệ thống RFID, thông qua các thuật toán chống xung đột và các tính năng RW , có thể loại bỏ được việc sản phẩm phải quét nhiều lần mới thu được thành công dữ liệu.
Giá thành : Rào cản lớn nhất ngăn cản sự tăng trưởng của công nghệ RFID chính là chi phí cho các thẻ Trong khi mã vạch thường có giá dưới 0.01 đô la thì chi phí hiện tại cho một thẻ thụ động với phạm vi đọc vài cm là cao hơn rất nhiều.
Kết luận
Như vậy ở chương này ta đã đi tìm hiểu qua về các kiểu thẻ RFID, các loại reader cũng như hoạt động của một hệ thống RFID trong thực tế Tuy chỉ tìm hiểu ở mức độ sơ sài ,song đây sẽ là những kiến thức cơ sở cần thiết để chúng ta có thể đi vào thiết kế một thống quản lý bệnh nhân ở chương sau Ngoài ra , chúng ta cũng đã có thêm những kiến thức hiểu biết về quyền riêng tư và tính bảo mật của công nghệRFID Nó rất có ích với mỗi người tiêu dùng chúng ta trong việc sử dụng các hệ thống RFID công cộng như ở các siêu thị chẳng hạn Cũng như rất có ích với với các nhà phát triển , giúp họ biết cách đối phó với các lỗ hổng bảo mật.
KẾ HỆ THỐNG QUẢN LÝ BỆNH NHÂN
Giao tiếp giữa thẻ thụ động EM4100 và chip EM4095
Đối tượng được sử dụng cần phải nhận dạng ở đây là thẻ thụ động EM4100 của hãng EM microcontroller Còn thành phần sử dụng để nhận dạng trên reader của ta sẽ là chip EM4095 của cùng hãng trên.Nhiệm vụ của chúng ta sẽ là điều khiển giao tiếp giữa chip EM4100 trên thẻ thụ động đó và chip EM4095 để thu về kết quả cuối cùng là mã số ghi trên chip EM4100 của thẻ
2.1.1 Hoạt động của chip EM4095
Chip EM4095 (trước đây có tên gọi là P4095) là một bộ thu phát công nghệ mạch tích hợp CMOS với mục đích sử dụng trong một trạm RFID cơ sở để thực hiện các chức năng sau:
Điều khiển anten với tần số của sóng mang
Thực hiện điều chế AM để có thể ghi lên transponder
Thực hiện giải điều chế AM của tín hiệu điều chế anten được tạo ra bởi các bộ phát đáp (transponder).
Ngoài ra chúng ta cũng cần biết thêm về các đặc trưng chính của chip RFID:
Có tích hợp hệ thống PLL để tự điều chỉnh được tần số sóng mang tới tần số dao động anten.
Không cần tới thạch anh dao động bên ngoài chỉ yêu cầu phạm vi tần số sóng mang từ 100 to 150 kHz.
Điều khiển trực tiếp anten sử dụng các bridge driver
Truyền dữ liệu bằng OOK (điều chế biên độ 100%) sử dụng các cầu điều khiển
Truyền dữ liệu bằng cách điều chế biên độ với hệ số điều chỉnh điều chế có thể thay đổi được từ bên ngoài bằng cách dùng single ended driver
Hỗ trợ nhiều giao thức transponder thích hợp (Ví dụ: EM400X, EM4050, EM4150, EM4070, EM4170,EM4069….)
Có chế độ “ngủ” tại mức 1μA
Thích hợp với phạm vi nguồn năng lượng USB nên dễ dàng hơn trong thiết kế Reader sử dụng luôn nguồn năng lượng từ đường USB của máy tính.
Chịu được phạm vi nhiệt độ từ 40 tới 85°C
Có kiểu đóng gói nhỏ gọn
Dưới đây là sơ đồ kí hiệu các chân đóng gói và mô tả các chức năng tương ứng của chúng:
Bảng 2.1 Chức năng của các chân trên chip EM4095
Pin Tên Mô tả chức năng Kiểu
1 Vss Điện áp đất GND
2 RDY/CLK Cờ trạng thái sẵn sàng và đầu ra xung, điều khiển điều chế AM O
3 ANT1 Điều khiển anten(nối với anten) O
4 Dvdd Cực dương nguồn năng lượng dùng để điều khiển anten PWR
5 Dvss Cực âm nguồn năng lượng dùng để điều khiển anten GND
6 ANT2 Điều khiển anten(nối với anten) O
7 VDD Cực dương nguồn năng lượng nuôi chip PWR
8 DEMOD_IN Cảm biến điện áp của anten ANA
13 DEMOD_OUT Tín hiệu số mà được biểu diễn dưới dạng tín hiệu điều chế AM trên anten O
14 SHD Một điện áp mức cao sẽ đưa mạch vào trạng thái ngủ IPU
Ghi chú: GND: nối đất
ANA: tín hiệu tương tự
Chip EM4095 thường được sử dụng kèm theo với một khối mạch anten và một vi điều khiển như PIC,8051, Ngoài ra cũng có thể yêu cầu phải có thêm các thành phần bên ngoài ,như thành phần lọc RF, cảm ứng dòng điện,
Hoạt động của chip được điều khiển bởi các mức logic của các đầu vào SHD và MOD Khi SHD là mức cao ‘1’ thì chip đi vào trạng thái “ngủ” ,lúc này dòng tiêu thụ ở mức thấp nhất Khi SHD là mức thấp ‘0’ thì mạch được kích hoạt để phát xạ trường RF, và nó bắt đầu giải điều chế bất cứ tín hiệu AM nào mà nó gặp trên anten. Sau khi qua khối giải điều chế AM ,tín hiệu số này được đưa đến chân DEMOD_OUT để tới vi điều khiển nhằm phục vụ cho việc giải mã và xử lý
Còn dưới đây là sơ đồ các khối bên trong của chip EM4095:
Hình 2.1 Sơ dồ các khối bên trong chip EM4095
Dễ nhận thấy với chip EM4095 thì các thành phần chính sẽ là các khối tương tự, mà nhiệm vụ của chúng là thự hiện hai chức năng chính của một trạm RFID cơ sở , đó là: truyền đi và thu nhận Công việc truyền đi được thực hiện bằng việc điều khiển anten và điều chế biên độ của trường RF Ở đó, anten điều khiển chuyển một dòng vào bên trong trường điện từ được sinh ra bên ngoài anten Còn công việc thu nhận được thực hiện bằng giải điều chế AM của tín hiệu thu được trên anten phát đi từ thẻ.
Các trình điều khiển : Các trình điều khiển của anten cung cấp năng lượng thích hợp cho anten của trạm cơ sở reader Chúng cung cấp dòng điện tại tần số cộng hưởng hiện tại mà thông thường là 125 kHz Dòng điện được cung cấp bởi các trình điều khiển phụ thuộc vào hệ số chất lượng Q của mạch cộng hưởng ở bên ngoài.Chúng ta cần chú ý nên thiết kế mạch anten theo một cách nào đó sao cho giá trị lớn nhất của dòng điện tại đỉnh không bao giờ được phép vượt quá 250 mA
PLL (Phase locked loop) : PLL bao gồm bộ lọc vòng lặp, VCO, và các khối so sánh pha Bằng cách sử dụng một bộ chia điện dung ở bên ngoài, chân DEMOD_IN của chip sẽ lấy được thông tin về tín hiệu điện áp cao trên anten trong thực tế Pha của các tín hiệu này được so sánh với tín hiệu điều khiển bởi các trình điều khiển của anten Do đó PLL có thể chặn các tần số sóng mang để không cho nó làm ảnh hưởng đến tần số cộng hưởng của anten Phụ thuộc vào kiểu anten mà tấn số cộng hưởng của hệ thống có thể là bất cứ giá trị nào trong phạm vi từ 100 kHz tới 150 kHz Bất cứ khi nào tần số cộng hưởng ở trong phạm vi này thì nó sẽ được duy trì bởi PLL.
Khối tiếp nhận: Sự giải điều chế tín hiệu đầu vào cho khối tiếp nhận được thực hiện bởi cảm biến điện áp ở trên anten Ngoài ra chân DEMOD_IN cũng được sử dụng như là một đầu vào của khối tiếp nhận Chú ý rằng mức độ tín hiệu trên đầu vào DEMOD_IN phải thấp hơn VDD-0.5V và cao hơn VSS+0.5V Mức độ tín hiệu đầu vào đó có thể được điều chỉnh bằng cách sử dụng một khối chia điện kháng ở phía bên ngoài Ngoài ra , điện dung phân chia phải được điều hòa theo một tụ điện cộng hưởng nhỏ hơn Phương án thực hiện giải điều chế tín hiệu AM mà ta sử dụng ở đây là dựa trên kỹ thuật "Giải điều chế đồng bộ AM".
Khối tiếp nhận bao gồm bộ lấy mẫu và lưu trữ mẫu, bộ loại bỏ thành phần một chiều, bộ lọc dải và bộ so sánh Điện áp một chiều của tín hiệu trên chân DEMOD_IN được thiết lập bởi AGND bằng một điện trở ở bên trong Sau đó tín hiệu AM được lấy mẫu, việc lấy mẫu được đồng bộ hóa bởi một xung phát ra từ VCO Bất cứ thành phần một chiều nào cũng sẽ được loại bỏ khỏi tín hiệu bằng cách sử dụng tụ điện CDEC Hơn nữa để lọc bỏ tín hiệu sóng mang còn dư thừa, thì các tần số nhiễu cao và thấp phải được tạo ra bởi bộ lọc thông cao thứ hai và tụ điện CDC2 Tín hiệu nhận được từ bộ khuyếch đại và bộ lọc sẽ được đưa tới bộ so sánh bất đồng bộ Đầu ra bộ soa sánh là được đệm trên chân đầu ra của chip là DEMOD_OUT.
Tín hiệu RDY/CLK :Tín hiệu này được cung cấp bởi bộ vi xử lý ở bên ngoài với tín hiệu xung sẽ được đồng bộ hóa với tín hiệu trên ANT1và với thông tin về trạng thái bên trong của EM4095 Tín hiệu xung đồng bộ với ANT1 cho biết rằng PLL đã được khóa và thời điểm hoạt động của khối tiếp nhận đã được thiết lập Khi SHD là mức cao thì chân RDY/CLK bắt buộc phải ở mức điện áp thấp Sau sự chuyển đổi từ mức cao về mức thấp trên SHD thì khối PLL sẽ được khởi động, và do đó khối tiếp nhận lại được khóa lại Sau khoảng thời gian TSET thì khối PLL lại được khóa và thời điểm hoạt động của khối tiếp nhận lại được thiết lập Tại thời điểm này , cùng một tín hiệu sẽ được truyền tới ANT1và cũng được đặt tới chânRDY/CLK để cho biết rằng bộ vi xử lý có thể bắt đầu giám sát tín hiệu ở trênDEMOD_OUT và đưa ra tín hiệu xung tham chiếu tại cùng thời điểm đó Xung trên chân RDY/CLK là liên tục, nó cũng xuất hiện trong suốt thời gian các điều khiểnANT tắt do chân MOD được đặt ở mức cao Trong suốt khoảng thời gian TSET sự chuyển dịch từ mức cao xuống mức thấp của chân SHD cũng khiến cho chânRDY/CLK bị “kéo xuống” bởi các điện trở kéo100 kΩ Đây là một trong những chức năng được thêm vào của chân RDY/CLK trong trường hợp điều chế AM với chỉ số thấp hơn 100% Trong trường hợp đó nó được sử dụng như là một trình điều khiển phụ trợ dùng để giữ cho biên độ trên cuộn dây thấp hơn trong suốt quá trình điều chế
Hình 2.2 Cấu hình EM4095 chế độ chỉ đọc
Hình 2.3 Cấu hình EM4095 chế độ đoc/ ghi (với hệ số chất lượng Q thấp)
Hình 2.4 Cấu hình EM4095 chế độ đọc/ ghi (với hệ số chất lượng Q của anten cao)
Hình 2.5 Cấu hình EM4095 chế độ đọc/ ghi (điều chế AM)
2.1.2 Hoạt động của thẻ thụ động EM4100
Thẻ EM4100 (trước đây có tên gọi là H4100) là một mạch tích hợp công nghệ CMOS được dùng trong các mạch điện tử RF Transponder chỉ có chức năng đọc. Mạch còn bao gồm thêm một cuộn dây ngoài được đặt ở trong một trường điện từ, và lấy các xung tín hiệu gốc cũng từ cùng trường đó qua một trong các cuộn dây nguồn Bằng cách bật hoặc tắt dòng điều chế, chip sẽ gửi trở lại 64 bit thông tin được chứa ở bên trong một mảng bộ nhớ đã được lập trình trước.Công việc lập trình cho chip được thực hiện bằng tia laser để làm tan chảy các liên kết polysilicon để lưu trữ một mã duy nhất trên mỗi chip.Với thẻ EM4100 tốc độ dữ liệu có thể là 16,32 hoặc lên tới 64 chu kì tần số sóng mang trên một bit dữ liệu Ngoài ra, thẻ loại này còn có ưu điểm là dữ liệu có thể được mã bằng nhiều kiểu khác nhau như các kiểu mã hóa Manchester, hai pha (Biphase) hoặc là PSK.
Dưới đây là các hình vẽ miêu tả sơ đồ chân đầu ra của chip EM4100 trên thẻ ,và cách cấu hình hoạt động thông thường của nó:
Hình 2.6 Các chân đầu ra của chip EM4100
Hình 2.7 Cấu hình hoạt động thông thường của chip EM4100
2.1.2.1 Sơ đồ các khối của chip EM4100
Dưới đây là sơ đồ các khối bên trong của chip EM4100:
Hình 2.8 Sơ đồ các khối bên trong chip EM4100
Chip EM4100 bao gồm các khối : Full Wave Rectifier, Clock Extractor, Data Modulator, Sequencer, Data Encoder, Memory Array Đầu tiên nguồn năng lượng xoay chiều được tạo ra từ từ trường trên cuộn dây đính kèm với chip EM4100 ở bên ngoài Sau đó điện áp xoay chiều này sẽ đưa qua khối Full Wave Rectifier để chỉnh lưu bằng một cầu nối Graetz để cung cấp một nguồn điện áp một chiều ở bên trong nuôi chip Khi bit cuối cùng được gửi đi, thì chip sẽ tiếp tục quay trở lại với bit đầu tiên cho đến khi không còn năng lượng nuôi nó nữa Chip hoạt động dựa theo xung chủ được tạo ra do khối Clock Extractor sử dụng một trong hai cuộn dây ở bên ngoài (ở hình trên là cuộn COIL1) Đầu ra từ khối Clock Extractor sau đó sẽ đi đến điều khiển khối Sequencer.Đây là khối cung cấp tất cả các tín hiệu cần thiết để địa chỉ hóa mảng bộ nhớ và mã hóa tuần tự dữ liệu đầu ra.
2.1.2.2 Tổ chức bộ nhớ của chip EM4100
Bộ nhớ chip EM4100 chứa tới 64 bit được chia thành năm nhóm thông tin Chín bit đầu tiên được sử dụng làm tiêu đề (header), 10 bit dòng chẵn lẻ (parity) (từ P0 tới P9), 4 bit cột chẵn lẻ (từ PC0 tới PC3),40 bit dữ liệu (từ D00 tới D93) , và một bit ở vị trí cuối cùng để thiết lập mức logic 0.
Hình 2.9 Tổ chức bộ nhớ chip EM4100
Phần tiêu đề bao gồm 9 bit đầu tiên, đó là các mặt nạ (mask) đã được nhà sản xuất thiết lập sẵn tới mức logic "1" Do cơ cấu tổ chức dữ liệu và parity,nên thứ tự này không thể được tạo lại lần nữa trong chuỗi dữ liệu Tiếp theo sau phần tiêu đề là
Giao tiếp chuẩn USB giữa reader và máy vi tính
Có nhiều cách để thực hiện giao tiếp truyền dữ liệu giữa reader và máy tính.Có thể kể ra ở đây như, các giao tiếp cổ điển qua cổng COM (chuẩn RS232) hay cổng máy in LPT, hoặc cao hơn là giao tiếp thông qua sóng vô tuyến Tuy nhiên với các giao tiếp qua cổng COM và cổng máy in thì tuy khá đơn giản nhưng lại rất bất tiện , bởi vì hầu hết các laptop được sản xuất trên thế giới ngày nay đều không hỗ trợ cổng giao tiếp này Còn giao tiếp thông qua sóng vô tuyến thì sẽ cần phải đầu tư khá nhiều về mặt tiền của và thời gian Chính vì vậy, ở đây tôi đã chọn giao tiếp qua cổng USB Đây là chuẩn giao tiếp rất phổ biến hiện nay và được hầu như tất cả các hãng sản xuất laptop trên thế giới hỗ trợ Dưới đây ta sẽ đi tìm hiểu qua về chuẩn giao tiếp này
USB ( Universal Serial Bus) là một chuẩn kết nối tuần tự trong máy tính USB sử dụng để kết nối các thiết bị ngoại vi với máy tính, chúng thường được thiết kế dưới dạng các đầu cắm cho các thiết bị tuân theo chuẩn cắm-là-chạy (plug-and- play),với tính năng gắn nóng thiết bị (cắm và ngắt các thiết bị không cần phải khởi động lại hệ thống).
2.2.1.1 Quy trình làm việc trong giao tiếp USB
Khi một máy tính được cấp nguồn, nó truy vấn tất cả thiết bị được kết nối vào đường truyền và gán mỗi thiết bị một địa chỉ Quy trình này được gọi là liệt kê – những thiết bị được liệt kê khi kết nối vào đường truyền Máy tính cũng tìm ra từ mỗi thiết bị cách truyền dữ liệu nào mà nó cần để hoạt động:
Ngắt - Một thiết bị như chuột hoặc bàn phím, gửi một lượng nhỏ dữ liệu, sẽ chọn chế độ ngắt.
Hàng loạt - Một thiết bị như một chiếc máy in, nhận dữ liệu trong một gói lớn, sử dụng chế độ truyền hàng loạt Một khối dữ liệu được gửi đến máy in (một khối 64 byte) và được kiểm tra để chắc chắn nó chính xác.
Đẳng thời - Một thiết bị truyền dữ liệu theo chuỗi (lấy ví dụ như loa) sử dụng chế độ đẳng thời Những dòng dữ liệu giữa thiết bị và máy trong thời gian thực, và không có sự sửa lỗi ở đây.
Máy tính có thể gửi lệnh hay truy vấn tham số với điều khiển những gói tin Khi những thiết bị được liệt kê, máy tính sẽ giữ sự kiểm tra đối với tổng băng thông mà tất cả những thiết bị đẳng thời và ngắt yêu cầu Chúng có thể tiêu hao tới 90% của 480Mbps băng thông cho phép Sau khi 90 % được sử dụng, máy tính sẽ từ chối mọi truy cập của những thiết bị đẳng thời và ngắt khác Còn việc điều khiển gói tin và cho truyền tải hàng loạt là sử dụng ít nhất 10% băng thông còn lại.
USB chia băng thông cho phép thành những khung, và máy tính điều khiển những khung đó Khung chứa 1.500 byte, và một khung mới bắt đầu mỗi mili giây. Thông qua một khung, những thiết bị đẳng thời và ngắt lấy được một vị trí do đó chúng được đảm bảo băng thông mà chúng cần Truyền tải hàng loạt và điều khiển truyền tải sử dụng phần còn lại.
2.2.1.2 Các đặc trưng của giao tiếp USB
Giao tiếp USB có những đặc trưng như liệt kê ở dưới đây:
Mở rộng tới 127 thiết bị có thể kết nối cùng vào một máy tính trên một cổng USB duy nhất (bao gồm các hub USB)
Những sợi cáp USB riêng lẻ có thể dài tới 5 mét; với những hub, có thể kéo dài tới 30 mét (6 sợi cáp nối tiếp nhau thông qua các hub) tính từ đầu cắm trên máy tính.
Với USB 2.0 (tốc độ cao), đường truyền đạt tốc độ tối đa đến 480 Mbps.
Cáp USB gồm hai sợi nguồn (+5V và dây chung GND) cùng một cặp gồm hai sợi dây xoắn để mang dữ liệu.
Trên sợi nguồn, máy tính có thể cấp nguồn lên tới 500mA ở điện áp 5V một chiều (DC).
Những thiết bị tiêu thụ công suất thấp (ví dụ: chuột, bàn phím, loa máy tính công suất thấp ) được cung cấp điện năng cho hoạt động trực tiếp từ các cổng USB mà không cần có sự cung cấp nguồn riêng (thậm trí các thiết bị giải trí số như SmartPhone, PocketPC ngày nay sử dụng các cổng USB để xạc pin) Với các thiết bị cần sử dụng nguồn công suất lớn (như máy in, máy quét ) không sử dụng nguồn điện từ đường truyền USB như nguồn chính của chúng, lúc này đường truyền nguồn chỉ có tác dụng như một sự so sánh mức điện thế của tín hiệu Hub có thể có nguồn cấp điện riêng để cấp điện thêm cho các thiết bị sử dụng giao tiếp USB cắm vào nó bởi mỗi cổng USB chỉ cung cấp một công suất nhất định.
Những thiết bị USB có đặc tính cắm nóng, điều này có nghĩa các thiết bị có thể được kết nối (cắm vào) hoặc ngắt kết nối (rút ra) trong mọi thời điểm mà người sử dụng cần mà không cần phải khởi động lại hệ thống.
Nhiều thiết bị USB có thể được chuyển về trạng thái tạm ngừng hoạt động khi máy tính chuyển sang chế độ tiết kiệm điện.
Chuẩn giao tiếp USB 2.0 được đưa ra vào tháng tư năm 2000 và được xem như là bản nâng cấp của USB1.1 USB 2.0 (USB với loại tốc độ cao) mở rộng băng thông cho ứng dụng đa truyền thông và truyền với tốc độ nhanh hơn 40 lần so với USB 1.1 Để có sự chuyển tiếp các thiết bị mới và cũ, USB 2.0 có đầy đủ khả năng tương thích ngược với những thiết bị USB trước đó và cũng hoạt động tốt với những sợi cáp, đầu cắm dành cho cổng USB trước đó
Hình 2.24 Đầu nối chuẩn giao tiếp USB2.0
Hỗ trợ ba chế độ tốc độ (1,5 Mbps; 12 Mbps và 480 Mbps), USB 2.0 hỗ trợ những thiết bị chỉ cần băng thông thấp như bàn phím và chuột, cũng như thiết bị cần băng thông lớn như Webcam, máy quét, máy in, máy quay và những hệ thống lưu trữ lớn Sự phát triển của chuẩn USB 2.0 đã cho phép những nhà phát triển phần cứng phát triển các thiết bị giao tiếp nhanh hơn, thay thế các chuẩn giao tiếp song song và tuần tự cổ điển trong công nghệ máy tính USB 2.0 và các phiên bản kế tiếp của nó trong tương lai sẽ giúp các máy tính có thể đồng thời làm việc với nhiều thiết bị ngoại vi hơn.
2.2.1.4 Chuẩn giao tiếp USB 3.0 Ở đồ án này tôi không sử dụng chuẩn USB 3.0 mà sử dụng chuẩn USB 2.0 để thực hiện giao tiếp giữa reader và máy tính Tuy nhiên đây là một chuẩn mới ra đời vào năm 2009 với nhiều ưu điểm nổi trội so với chuẩn 2.0 Nên tôi xin phép được giới thiệu qua ở đây. Được mệnh danh là USB “siêu tốc độ”, USB 3.0 là chuẩn mới nhất trong giao tiếp giữa máy tính và các thiết bị ngoại vi (máy ảnh số, thiết bị nghe nhạc cầm tay, điện thoại, ổ cứng di động ) Nó là sự thay thế cho chuẩn USB 2.0 vốn được mệnh danh là “tốc độ cao”.
USB 2.0 có tốc độ truyền tải dữ liệu tối đa là 480 Mbps Chuẩn giao tiếp mới có tốc độ nhanh gấp 10 lần chuẩn cũ Tức là tốc độ của USB 3.0 đạt gần 5 Gbps Với chuẩn giao tiếp mới này, thời gian để truyền đi 25 GB sẽ giảm xuống chỉ còn khoảng 70 giây - một con số vô cùng ấn tượng Và ta sẽ còn cảm thấy bất ngờ hơn, khi cùng với tiến trình xử lý này, USB 2.0 mất khoảng 14 phút, trong khi đó chuẩn USB 1.1 phải mất đến 9 giờ.
Không giống với USB 2.0 dữ liệu chỉ có thể truyền một hướng tại một thời điểm xác định thì USB 3.0 lại có khả năng đọc ghi dữ liệu đồng thời Để làm được kiểu này, nhà sản xuất đã thêm 4 kết nối mới (2 để truyền và 2 để nhận dữ liệu) nâng tổng số kết nối lên 8 (so với 4 của USB 2.0).
Hình 2.25 Đầu nối chuẩn giao tiếp USB3.0
Thiết kế phần mềm quản lý
Như đã nói trong phần giới thiệu chung về một hệ thống RFID ,hệ thống RFID có thể hoạt động mà không cần tới thành phần này.Tuy nhiên, nếu như không sử dụng thành phần này thì hệ thống RFID sẽ trở nên vô giá trị.Vì vậy vẫn có thể nói rằng, thành phần này đóng góp phần quan trọng làm nên thành công của một hệ thống RFID được triển khai Ở đây ta xây dựng không phải là một hệ thống phần mềm mà chỉ là phần mềm quản lý đơn giản để thử nghiệm Nó có khả năng quản lý kết nối giữa máy tính và reader thông qua giao tiếp USB, và quản lý cở sở dữ liệu trên máy tính Dưới đây là chi tiết về phần mềm quản lý tôi đã xây dựng cho đồ án này.
Visual Csharp hiện là ngôn ngữ lập trình được sử dụng rộng rãi nhất để viết các ứng dụng chạy trên hệ điều hành windows Visual Csharp cho phép phát triển nhanh chóng các ứng dụng truyền thống được thiết kế theo mô hình đặc trưng của windows Với Csharp người thiết kế có thể rất nhanh chóng và dễ dàng tạo ra được một giao diện trực quan thân thiện với người sử dụng Ngoài ra các cú pháp trong Csharp cũng khá giống với ngôn ngữ hướng đối tượng C++ Nên khi sử dụng qua ngôn ngữ này người lập trình sẽ có cái nhìn tổng quan hơn về lập trình hướng đối tượng, một xu hướng trong nghành công nghệ thông tin.
Visual Csharp có khá nhiều ưu điểm khiến tôi phải lựa chọn sử dụng nó trong đồ án này Các ưu điểm của nó có thể kể đến như:
Visual Csharp là một ngôn ngữ lập trình có cấu trúc tương đối đơn giản
Ngôn ngữ này là lý tưởng để phát triển các giao diện đồ họa người dùng (GUI).
Các thư viện MSDN trực tuyến cung cấp một tương tác toàn diện và hệ thống trợ giúp trực tuyến.
Dễ dàng xây dựng các phần mềm quản lý giao tiếp giữa máy tính và thiết bị ngoại vi thông qua các chuẩn như RS232, USB 2.0 chỉ đơn giản bằng cách gọi các hàm WIN API đã có sẵn trong hệ điều hành windows.
Bây giờ ta sẽ bắt tay đi vào xây dựng giao diện cho phần mềm quản lý của ta.Giao diện của nó chỉ đơn giản gồm bốn Form Trong đó Form đầu tiên chủ yếu thực hiện nhiệm vụ gọi các hàm WIN API để giao tiếp với reader qua chuẩn giao tiếpUSB 2.0 và nhận kết quả trả về là mã số thẻ (32 bit) ,rồi hiển thị mã số đó dưới dạng mã hexa Lúc đầu , khi thiết bị chưa kết nối tới máy tính qua cổng USB thì giao diện chương trình như dưới đây:
Hình 2.34 Giao diện ứng dụng khi chưa có thiết bị kết nối vào
Khi thiết bị đã được kết nối tới cổng USB thì giao diện của chương trình sẽ có thêm thông tin cấu hình USB trên vi điều khiển PIC18F2550 Sau đó người dùng thực hiện nhấn lên nút “Đọc thẻ” thì sẽ nhận được kết quả mã thẻ trả về trong một ô text:
Hình 2.35 Giao diện ứng dụng khi thiết bị đã kết nối vào cổng USB
Trên đây là các hình ảnh về Form đầu tiên chỉ thực hiện nhiệm vụ kết nối USB giữa thiết bị và máy tính Các Form sau đều là các Form thực hiện truy nhập tới cơ sở dữ liệu và thực hiện các tác vụ tới các cơ sở dữ liệu đó Dưới đây là hình ảnh về Form thực hiện tác vụ cập nhật mới cơ sở dữ liệu bệnh nhân trong ứng dụng:
Hình 2.36 Form thực hiện tác vụ cập nhật cơ sở dữ liệu
Còn tiếp theo đây là hình ảnh về Form thực hiện tác vụ lấy thông tin từ cơ sở dữ liệu và hiển thị nó:
Hình 2.37 Form thực hiện tác vụ lấy thông tin từ cơ sở dữ liệu
Bên cạnh sử dụng các Form trong C sharp , tôi cũng sử dụng cả ngôn ngữ lập trình web php để dễ dàng hơn trong việc giao tiếp với cơ sở dữ liệu mysql Các trang php sẽ được nhúng vào bên trong các Form tương ứng Dưới đây là hình ảnh trang giới thiệu về hệ thống RFID được nhúng vào Form đầu tiên:
Hình 2.38 Trang php giới thiệu hệ thống Để cập nhật thông tin về một bệnh nhân thì ta phải tạo ra các trang php với các form cho người dùng điền vào Các trang này sẽ được nhúng vào các Form thực hiện tác vụ cập nhật cơ sở dữ liệu bệnh nhân ở trên Dưới đây là giao diện các trang php để thực hiện các nhiệm vụ là cập nhật thông tin cá nhân và thông tin bệnh án:
Hình 2.39 Trang php thực hiện tác vụ cập nhật thông tin cá nhân
Hình 2.40 Trang php thực hiện tác vụ cập nhật thông tin bệnh án
Thông tin về người dùng bao gồm các thông tin về cá nhân người đó và thông tin về bệnh điều trị của người đó Các thông tin này sẽ được hiển thị thông qua các trang php Các trang php này sẽ được nhúng vào bên trong các Form thực hiện tác vụ lấy thông tin từ cơ sở dữ liệu mà ta đã trình bày ở trên.Dưới đây là các hình ảnh về giao diện của các trang php này:
Hình 2.41 Trang php thực hiện hiển thị thông tin cá nhân
Hình 2.42 Trang php thực hiện hiển thị thông tin bệnh án
2.3.2 Xây dựng cơ sở dữ liệu
Cơ sở dữ liệu mà ta sẽ lựa chọn sử dụng ở đây là MySQL MySQL là giải pháp nhanh nhất để sử dụng hệ thống quản lý dữ liệu quan hệ RDMS MySQL là một phần mềm mã nguồn mở mạnh mẽ được cấp phép của tổ chức GPU,nên người dùng không phải trả phí.Ngoài ra nó khá dễ dàng trong việc cài đặt và sử dụng nên rất phù hợp với các ứng dụng không đòi hỏi tính chuyên nghiệp cao MySQL bao gồm một MySQL server, và một số chương trình tiện ích giúp quản lý cơ sở dữ liệu
MySQL như workbench giúp người dùng tạo cơ sở dữ liệu với giao diện sử dụng rất thân thiện.
Ta sẽ thiết kế một cơ sở dữ liệu nhỏ có tên là “ rfid ” bao gồm hai bảng dữ liệu để lưu trữ thông tin cá nhân và thông tin bệnh án ,đó là các bảng có tên là
“PersonalDetail” và “MedicalDetail”.Với bảng thông tin cá nhân ta cần phải đề cập đến các mục :
Còn với bảng thông tin bệnh án ta phải đề cập đến các mục như :
Bệnh hiện đang điều trị (‘presentcomplaint’)
Tiền sử bệnh gia đình (‘fmhistory’)
Dữ liệu ảnh trong quá trình điều trị (‘pictureurl’)
Bây giờ ta sẽ đi vào cụ thể ,xây dựng ra cơ sở dữ liệu chỉ ra ở trên bằng các lệnh trong màn hình quản trị DOS:
Chúng ta sẽ bắt đầu MySQL bằng cách gõ vào dòng lệnh dưới đây:
Mysql – u root –p fake_password Để tạo ra cơ sở dữ liệu có tên ‘rfid’ ta dung lệnh:
Trước khi ta đi vào tạo một bảng dữ liệu, chúng ta phải lựa chọn cơ sở dữ liệu sử dụng bằng lệnh sau:
Bảng thông tin cá nhân và thông tin bệnh án sẽ được tạo ra thông qua các lệnh dưới đây :
D ATE O F B IRTH VARCHAR(20) NOT NULL,
FMH ISTORY TEXT NOT NULL,
Như vậy cơ sở dữ liệu ‘rfid’ đã sẵn sàng cho chúng ta sử dụng trong ứng dụng
2.3.3 Giao tiếp với cơ sở dữ liệu
Ta sẽ sử dụng ngôn ngữ PHP để tương tác với cơ sở dữ liệu MySQL và để tự động sinh ra các trang web động phù hợp.Trong ứng dụng này, PHP được sử dụng với các chức năng là:
Cập nhật cơ sở dữ liệu bệnh nhân do bác sĩ gửi lên.
Sinh ra các trang web động để hiển thị thông tin về một bệnh nhân. Ở đây ta sẽ chỉ ra một số thao tác cơ bản với cơ sở dữ liệu trong php.Đó là các thao tác lấy thông tin về từ cơ sở dữ liệu,và thao tác cập nhật mới lên cơ sở dữ liệu.Có một điều cần chú ý ở đây là, số ID dùng để truy nhập vào cơ sở dữ liệu chính là mã số thẻ mà ta có được ở các khâu trước trong giao diện C# Sau đó ta có thể thực hiện truyền biến chứa giá trị mã thẻ đó đến trang php hay trang html cần thiết bằng lệnh đơn giản sau:
UrlString=http://localhost/updatepersonal_process.php + ”?” +
Khi đó trong trang updatepersonal_process.php ta có thể lấy giá trị biến chứa giá trị mã thẻ như sau:
//Get the patient tag number from the URL
$id = $_GET['number']; Để hiển thị ta phải thực hiện hai việc.Một là, thực thi câu lệnh sql để lấy về các thông tin cần thiết của một bệnh nhân Hai là, xây dựng một trang web động để hiển thị kết quả như dưới đây:
$sql = "SELECT lastname FROM PersonalDetails where id = '$id'";
$result = mysql_query($sql) or die("Debug: Couldn't execute query");
$row = mysql_fetch_array($result); echo "
Lastname:
{$row['lastname']}
";$sql = "SELECT firstname FROM PersonalDetails where id = '$id'";
$result = mysql_query($sql) or die("Debug: Couldn't execute query");
$row = mysql_fetch_array($result); echo "
Firstname:
{$row['firstname']}
";$sql = "SELECT address FROM PersonalDetails where id = '$id'";
$result = mysql_query($sql) or die("Debug: Couldn't execute query");
$row = mysql_fetch_array($result); echo "
Address:
{$row['address']}
";Còn để thực hiện thao tác cập nhật cơ sở dữ liệu ,đầu tiên ta phải lấy về giá trị các biến từ các form nhập trong trang HTML gửi lên máy chủ.Ví dụ, ở đây ta sẽ lấy giá trị các biến từ trang html nhập thông tin cá nhân do bác sĩ nhập vào và gửi lên máy chủ như sau:
//The request function retrieves the variables posted from the previous
Sau đó là lệnh thực hiện cập nhật vào bảng dữ liệu ‘PersonalDetail’ của cơ sở dữ liệu ‘rfid’:
$sql = "UPDATE PersonalDetails SET firstname= '$firstname', lastname '$lastname', address = '$address',phone = '$phone' WHERE id = '$id'";
2.3.4 Quản lý kết nối USB giữa reader và máy tính
Kết luận
Như vậy ở chương này chúng ta đã đi thiết kế một hệ thống quản lý bệnh nhân bằng công nghệ RFID hoàn chỉnh một cách chi tiết từ việc thiết kế reader đến thiết kế phần mềm chạy trên máy tính Ở đây tôi xin phép được lưu ý rằng, trong quá trình thiết kế chúng ta cần đặc biệt chú ý tới anten cho reader Tuy cách chế tạo nó khá đơn giản, chỉ là quấn dây đông theo một hình tròn, hay hình vuông, Nhưng nếu tính toán sai dẫn đến sai số quá lớn , có thể khiến cho reader không thể đọc được thẻ Vì vậy khi chế tạo anten cần có các máy đó cần thiết để biết được một cách chính nhất có thể giá trị độ tự cảm của cuộn dây anten.