BO GIAO DUC VA DAO TAO DAI HOC HUE
TRUONG DAI HOC KHOA HOC
NGUYEN THI TUYET NHUNG
TIM HIEU MOT SO GIAO THUC CHONG XUNG DOT TRONG RFID
DUA TREN CAY NHI PHAN
LUAN VAN THAC SI KHOA HOC MAY TINH
Thira Thién Hué, 2020
Trang 2
MO DAU
> Ly do chon dé tai
Ngày nay, với sự phát triển nhanh chóng của khoa học kỹ thuật, nhiều công
nghệ mới ra đời với mục đích làm cho mọi việc trở nên đơn giản, tiện lợi nhằm đáp
ứng nhu cầu ngày càng cao của con người trong mọi lĩnh vực Trong lĩnh vực nhận dạng tự động cũng vậy, có nhiều công nghệ mới được phát triển ngày cảng hướng đến khả năng không đây giúp người sử dụng thoải mái hơn, chăng hạn như: công
nghệ nhận dạng mã vạch (BarCođe), nhận dạng the thong minh (Smart Card), nhan
dạng đặc trung quang hoc (Optical Character Recognition - OCR) va nhan dang bằng tín hiệu tần số vô tuyến (Radio Frequeney Iditification - RFID)
Trong số đó, công nghệ RFID đã và đang được phát triển mạnh ở nhiều nước trên thế giới với những ứng dụng rất đa dạng trong các lĩnh vực: an ninh, y tế, giáo dục, sản xuất kinh đoanh (quản lý và tồn trữ hàng hóa, các dây chuyển sản xuất
công nghiệp, trong chăn nuôi, nuôi trồng thủy sản, các cửa hàng, siêu thị, trạm thu
phí, bãi đậu xe) Công nghệ này nhận dạng đối tượng bằng sóng vô tuyến, nó cho phép nhận dạng các đối tượng thông qua hệ thống thu phát sóng radio, từ đó có thể giám sát, quản lý hoặc lưu vết từng đối tượng
Công nghệ RFID sử dụng sóng vô tuyến để nhận dạng thẻ (7zøg) mà không cần tiếp xúc; thẻ là các thẻ nhỏ thường được ghép vào các đối tượng cần được nhận
dạng [7] Hoạt động của một hệ thống RFID bao gồm một đầu đọc để gửi và nhận
thông tin từ nhiều thẻ trong vùng truy vấn (vùng phủ sóng của ăng-ten đầu đọc) Đầu tiên, đầu đọc sẽ phát một tín hiệu đến các thẻ trong vùng phát sóng, khi các thẻ
nhận được tín hiệu từ đầu đọc, nó sẽ phản hồi thông tin lại cho các đầu đọc, lúc này các thẻ sẽ được nhận dạng Khi có nhiều hơn một thẻ truyền dữ liệu đồng thời đến một đầu đọc, các tín hiệu sẽ triệt tiêu lẫn nhau, lúc này đầu đọc chỉ nhận được dữ liệu không thể đọc được từ các thẻ, khi đó xung dot thé (collision) sé xay ra
Trang 3LOI CAM DOAN
Tôi xin cam đoan
Luận văn này là công trình nghiên cứu khoa học của cá nhân tôi Các số liệu, trích dẫn, kết quả thực nghiệm và cài đặt được trình bày trong luận văn là trung thực
Và có nguôn gôc rõ ràng
Học viên
Trang 4LOI CAM ON
Được sự phân công của Khoa Công nghệ Thông tin, Trường Đại học Khoa
học - Đại học Huế, sau gần sáu tháng nghiên cứu tơi đã hồn thành Luận văn “Tìm
hiểu một số giao thức chống xung đột trong RFID dựa trên cây nhị phân”
Để hoàn thành luận văn này, ngoài sự nỗ lực của bản thân còn có sự hướng dẫn tận tình của Thầy Võ Viết Minh Nhật, Ban Đảo tạo - Đại học Huế Mặc dù,
công việc của Thầy khá dày đặc nhưng Thầy luôn dành thời gian để hướng dẫn, định hướng và giúp cho tơi hồn thành nhiệm vụ này Từ tận đáy long minh t6i xin gửi lời cảm ơn chân thành và sâu sắc nhất đến Thây
Đồng thời tôi cũng xin gửi lời cảm ơn đến Ban Giám hiệu, Phòng Đảo tạo Sau
đại học, Khoa Công nghệ Thông tin - Trường Đại học Khoa học - Đại học Huế, quý
thầy/cô đã tham gia giảng dạy cùng tất cả bạn bè, đồng nghiệp đã giúp đỡ, dìu dắt tôi trong suốt thời gian qua
Do điều kiện về năng lực bản thân còn hạn chế, luận văn chắc chắn không
tránh khỏi những thiếu sót Tôi rất mong nhận được sự đóng góp ý kiến của quý
thầy/cô trong hội đồng khoa học và bạn bè dé luận văn của tơi được hồn thiện hơn
Một lần nữa tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành và sâu sắc nhất đến quý thầy/cô, bạn bè, đồng nghiệp và người thân đã động viên, giúp đỡ tơi hồn thành luận văn này
Học viên
Nguyễn Thị Tuyết Nhung
Trang 5MUC LUC
Trang
LOT CAM ĐOAN Q.25 21 2221211212122112121121122111222 ra i LỜI CẢM ƠN 2552221 2221122212221221221121121121 21212 raa ii
MỤC LỤC 5522222 222122221221112211221222222222222222 re iii
DANH MUC CAC BANG ooo ooo coos ceosees sesso sev tev ter testertevetessavtevetareseresaneseees Vv DANH MỤC CÁC HUNH ooo coccs os csscsessesesssessese vis eseevtetestevseesteteseneeseevesentesevesees vi DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT 22 222222225122512211221121112211221221 2 xe viii MỞ ĐẦU 2222 2222221222121122112112211211211212212222222222 are 1 CHƯƠNG 1 TÔNG QUAN VẺ HỆ THÓNG RFTID 222 S22222122212221 222 3 1.1 HỆ THÓNG RFID 222 222221222122121121121121121121122222 are 4 1.1.1 Các thành phần của hệ thống RFID 22-222 22222512251221121112212211 xe 4 1.1.2 Nguyên tắc hoạt động của hệ thống RFID 2222222222212221222 e6 11 1.1.3 Đặc điểm của hệ thống RFID 222 2221221222122212212222222 xe 13 1.1.4 Chuẩn EPC 22222 2212221211211221122112222212222222222 22a area 13 1.1.5 Một số ứng dụng của hệ thống RFID 52222222212221222122222.2 e6 14 1.2.MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY 522222 22222211221222122122222 e6 17
1.2.1 Cầu trúc của mạng cảm biến 22-522 22222112211221211221122122222 e6 18
1.2.2 Đặc điểm của mạng cảm biển, à s0 0à 2 1212121112121 22 are 22
1.2.3 Một số ứng dụng của mạng cảm biến 2222222221222122122122.22 e0 92
1.3 SỰ KHÁC NHAU GIỮA RFID VÀ WS§N 222222222 2e 24 1.4 HỆ THĨNG TÍCH HỢP RFID VỚI WSN 2-52 2222212222222222 xe 25
1.4.1 Tích hợp thẻ RFID với cảm biến 522222 221222122212212211222.2.2 e0 26 1.4.2 Tích hợp các thẻ RFID với các nút WSN che 27
1.4.3 Tich hop cac đầu doc RFID v6i cac nt WSN ooccccccccccceccscesesvesestesesteseseesess 27
1.4.4 Tích hợp các thành phần RFID với các nút W§N 252222 28
1.5 TIỀU KÉT CHƯƠNG l ©2222222252221222112211211121112112112122 e6 29
CHUONG 2 MOT SO GIAO THỨC CHONG XUNG DOT TRONG HE THÓNG RFID DỰA TRÊN CÂY NHỊ PHÂN - 2222222222222 ccee 31
2.1 GIỚI THIỆU VỀ XƯNG ĐỘT TRONG HỆ THỐNG RFID 31
Trang 62.1.1 Xung đột đầu đọc - ©2252 221222122121122112211221221122222 are 32
2.1.2 Xung đột thẻ 55-222 222112111222112211221122221222222 1 rrrre 33
2.2 MOT SO GIAO THUC CHONG XUNG ĐỘT TRONG HE THONG RFID DUA TREN CÂY NHỊ PHÂN . 22 22222222512111211121122121222 2e 33 2.2.1 Giao thức BT s2- 22222 1222122212211122112222212222222 are 34 2.2.2 Giao thức QT - 5s 222222122221222122211221112211122222 de 38 2.2.3 Giao thức STTT 222 2 1222212121221112211121112121222 re 42 2.3 SO SÁNH CÁC GIAO THỨC 5222222 2212221222112211221121121212 2 e6 47 2.4 TIỀU KÉT CHƯƠNG 2 22 22222222112211211121112111211121121121212 e6 48 CHUONG 3 CAI DAT MO PHONG VA PHAN TICH KET QUA 49 3.1.MÔI TRƯỜNG MÔ PHỎNG 222 22 22222112111211121112112112122 xe 49 3.2 KỊCH BẢN MÔ PHỎNG 222 22222121112111111211121111212222 xe 49
3.2.1 Tổng số truy vấn đề đọc hết các thẻ - 52222 2222212222212222 xe 49 3.2.2 Tổng số bit được truyền 22222 2212221222122112211221122122222 2e 51 3.2.3 Thời gian truy vấn trung bình trên m6t thé cece 52
3.3 TIỂU KÉT CHƯƠNG 3 -2- S22 2222251221121112111211121112111211121211 2 xe 52 PHAN KET LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 222 22222212221222.22 xe 53
TÀI LIỆU THAM KHẢO - 522222 22212121121112211221122122222 re 54
Trang 7DANH MUC CAC BANG
Trang Bang 1.1 Bảng so sánh sự khác nhau của các loại thẻ cccccccscssserrrerreee 9 Bảng 1.2 Bảng mô tả vị trí bit của chuẩn EPC GID-96 2- 25 22222212221222.e6 14 Bang 1.3 Sự khác nhau giữa WSN và REID - St St nnnerhHrrererrerree 24 Bảng 2:1 Sơ sánh các slao tHỨC srsơisossensirositititidsidgtRdtit3ERGRltv8SBAt0tegiesytaaoszmuai 47
Trang 8DANH MỤC CÁC HÌNH Trang Hinh 1.1 Các thành phần của hệ thống RFID 2- 2222 2252225122312211211122222 22C 5 Hình 1.2 Các thành phần của thẻ chủ động 22 22 222225222512231211222112122 22C 7 Hình 1.3 Các thành phần của thẻ thụ động 222 22 222225222112231211122112122 xe § Hình 14 Các thành phần của thẻ bán thụ ng â2222222222221221121112122222xe2 Đ
Hinh 1.5 Mt số dạng thẻ thông dụng của các ứng đụng RFID -¿ 9
Hình I6 Một số loại đầu đọc RFID 22:222:222222212211222112211221221cee 10
Hình 17 Sơ dé thé hiện các đơn vị chính của đầu đọc -2: s2E2c2E22x2EExe2 10
Hình 1.8 Nguyên tắc hoạt động của hệ thống RFID 22222222222222222-2e 12
Hình 1.9 Ví dụ hoạt động của hệ thống quản lý kho đông lạnh - 12 Hình 1.10 Mô hình của mạng cảm biến không đây 222222222212221221222.e6 18 Hình 1.11 Cấu trúc của mạng cảm biến -2- 522222 2211221221221222222222 e6 19
Hình 1.12 Các thành phần của nút cảm biến 22©222222221222122212212222 e0 21
Hình 1.13 Bốn loại tích hợp REID với WSN 52:225 2222221221222 25
Hình 1.14 Kiến trúc tích hợp thẻ RFID với cảm biến 2222222222222 26
Hình 1.15 Kiến trúc tích hợp các thẻ RFID với các nút W8N -2 27
Hình 1.16 Kiến trúc tích hợp các đầu đọc RFID với các nút WSN 28 Hình 1.17 Kiến trúc hệ thống của một cài đặt hỗ trợ tích hợp các thành phần RFID
wi wae mit "WS Neer ereecen ecm erence carne uence ener ye era ne eter 29 Hinh 2.1 Đầu đọc với đầu đọc - s2: 2 3 E151151511112111121111511112111 21x xe 32 Hình 2.2 _ Đầu đọc với thẻ 222222222 2221222511221121112111211121121121121 e6 32 Hình 2.3 Xung đột thẻ .- S 2:1 1n HH Ty Hà Hà HH He 33 Hình2.4 Ví dụ quá trình nhận dạng sử dụng giao thức BỈ c-cscss+ 5: 35 Hình2.5 Sơ đồ khối giao thức BT ©22-22222211221221121122121222222 e6 36 Hình2.6 Ví dụ quá trình nhận dạng sử dụng giao thức QT +s+: 39 Hình2.7 Sơ đồ khối giao thức QT ©22222222211221222122121221222222 e6 40 Hinh 2.8 Vi du vé giao thức STT -22222222221222122122.21.2.2 xe 44 Hinh 2.9 Sơ đồ khối giao thức STT -22222211221122112211221221222.2222 xe 46
Hình 3.1 Tổng số truy vấn được gửi để đọc hết các thẻ khi thay đổi kích thước ID 50
Trang 9Hinh 3.2 Hinh 3.3 Hinh 3.4
Tổng số truy vấn được gửi để đọc hết các thẻ khi thay đổi lượng thẻ trong vùng truy VẤn - 2-22: 22122111211121112111211211212122222ee 50 Tổng số bit được truyền khi mã ID thay đổi 22-5522222s25cc2 51 Thời gian truy vấn trung bình trên một thé khi ma ID thay déi 32
Trang 10DANH MUC CAC CHU VIET TAT Viết tắt Thuật ngữ tiếng Anh Nghĩa tiếng Việt RFID | Radio Frequency Iditification | Nhận đạng bằng tín hiệu tần số vô tuyến
WSN | Wireless Sensor Network Mạng cảm biến không dây BT Binary Tree Giao thức cây nhị phân QT Query Tree Giao thức cây truy vấn
Giao thức phân xử thẻ theo xu hướng
STT Smart Trend Traversal
thông minh
Trang 11
MO DAU
> Ly do chon dé tai
Ngày nay, với sự phát triển nhanh chóng của khoa học kỹ thuật, nhiều công
nghệ mới ra đời với mục đích làm cho mọi việc trở nên đơn giản, tiện lợi nhằm đáp
ứng nhu cầu ngày càng cao của con người trong mọi lĩnh vực Trong lĩnh vực nhận dạng tự động cũng vậy, có nhiều công nghệ mới được phát triển ngày cảng hướng đến khả năng không đây giúp người sử dụng thoải mái hơn, chăng hạn như: công
nghệ nhận dạng mã vạch (BarCođe), nhận dạng the thong minh (Smart Card), nhan
dạng đặc trung quang hoc (Optical Character Recognition - OCR) va nhan dang bằng tín hiệu tần số vô tuyến (Radio Frequeney Iditification - RFID)
Trong số đó, công nghệ RFID đã và đang được phát triển mạnh ở nhiều nước trên thế giới với những ứng dụng rất đa dạng trong các lĩnh vực: an ninh, y tế, giáo dục, sản xuất kinh đoanh (quản lý và tồn trữ hàng hóa, các dây chuyển sản xuất
công nghiệp, trong chăn nuôi, nuôi trồng thủy sản, các cửa hàng, siêu thị, trạm thu
phí, bãi đậu xe) Công nghệ này nhận dạng đối tượng bằng sóng vô tuyến, nó cho phép nhận dạng các đối tượng thông qua hệ thống thu phát sóng radio, từ đó có thể giám sát, quản lý hoặc lưu vết từng đối tượng
Công nghệ RFID sử dụng sóng vô tuyến để nhận dạng thẻ (7zøg) mà không cần tiếp xúc; thẻ là các thẻ nhỏ thường được ghép vào các đối tượng cần được nhận
dạng [7] Hoạt động của một hệ thống RFID bao gồm một đầu đọc để gửi và nhận
thông tin từ nhiều thẻ trong vùng truy vấn (vùng phủ sóng của ăng-ten đầu đọc) Đầu tiên, đầu đọc sẽ phát một tín hiệu đến các thẻ trong vùng phát sóng, khi các thẻ
nhận được tín hiệu từ đầu đọc, nó sẽ phản hồi thông tin lại cho các đầu đọc, lúc này các thẻ sẽ được nhận dạng Khi có nhiều hơn một thẻ truyền dữ liệu đồng thời đến một đầu đọc, các tín hiệu sẽ triệt tiêu lẫn nhau, lúc này đầu đọc chỉ nhận được dữ liệu không thể đọc được từ các thẻ, khi đó xung dot thé (collision) sé xay ra
Trang 12việc giải quyết làm giảm xung đột là một vấn để hết sức quan trọng trong hệ thống RFID và đó chính là lý do tôi chọn đề tài “7n hiểu một số giao thức chống xung đột trong RFID dua trén cay nhi phan”
> Mục tiêu nghiên cứu
Tìm hiểu một số giao thức chống xung đột dựa trên cây nhị phân trong hệ thống RFID, từ đó thực hiện cài đặt và đánh giá các giao thức này
> Cấu trúc của luận văn
Cấu trúc của luận văn bao gồm phần mở đầu, nội dung, kết luận, hướng phát
triển, tài liệu tham khảo
Mở đầu: Ly do chọn để tài, mục tiêu và cấu trúc của luận văn
Chương 1: Giới thiệu tổng quan về hệ thống RFID, hệ thống tích hợp RFID với mạng cảm biến không dây và hoạt động của hệ thống RFID
Chương 2: Một số giao thức chống xung đột trong hệ thống RFID dựa trên cây nhị phân
Chương 3: Xây dựng kịch bản mô phỏng giao thức chống xung đột RFID đựa trên cây nhị phân, cài đặt các kịch bản mô phỏng, phân tích các kết quả mô phỏng, so sánh hiệu năng của các giao thức trên
Trang 13CHUONG 1 TONG QUAN VE HE THONG RFID
Công nghệ RFID được phát triển đựa trên nền tảng công nghệ truyền dẫn sóng vô tuyến Do đó, việc Guglielmo Marconi đã truyền thành công tín hiệu radio đi xa 14km bằng sóng vô tuyến điện vào năm 1897, đánh dấu mốc lịch sử đầu tiên Đến những năm 1930, hệ thống thiết bị phân biệt Địch - Ta (Ƒziend or Foe) bằng sóng vô tuyến trong lĩnh vực quân sự ra đời là tiền dé dau tiên của công nghệ RFID Tuy nhiên đến những năm 1970, công nghệ RFID mới bắt đầu phát triển mạnh và được ứng dụng rộng rãi hơn Ngày nay, công nghệ nhận dạng đối tượng bằng sóng vô tuyến RFID là một phần không thể tách rời trong cuộc sống chúng ta và được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau như quản lý lưu thông hàng hóa, quản lý kho hàng, quản lý thu phí đường bộ tự động, quản lý nhà máy, quản lý thư viện, quản lý chấm công, quản lý bãi giữ xe, quản lý nhà ăn, quản lý sinh viên, quản lý bệnh viện, khóa cửa dùng công nghệ RFID, chống trộm xe honda
Bên cạnh công nghệ RFID, mạng cảm biến không day (Wireless Sensor Network — IZSN) hiện cũng đang phát triển mạnh mẽ và được ứng dụng rộng rãi Một mạng cảm biến không đây bao gồm một tập hợp các thiết bị cảm biến sử dụng các liên kết không dây (vô tuyến, hồng ngoại hoặc quang học) đề phối hợp thực hiện nhiệm vụ thu thập thông tin dữ liệu phân tán với quy mô lớn trong bất kỳ điều kiện và ở bất kỳ vùng địa lý nào (trên mặt đất, trong không trung, trong xe,
bên trong tòa nhà hoặc thậm chí trên cơ thể con người) Mạng cảm biến được sử
dụng trong giám sát môi trường, quan sát y sinh, giám sát, bảo mật và các ứng dụng khác
Công nghệ RFID là công nghệ Auto-ID dang được quan tâm nhiều trên thé giới, trong khi mạng cảm biến không dây đang là một trong những chủ để trọng
tâm trong khoa học máy tính và kỹ thuật điện tử Nên định danh RFID và WSN đã
Trang 14công nghệ RFID và WSN lại với nhau nhằm mở rộng và nâng cao các khả năng của hệ thống
Chương này sẽ giới thiệu tổng quan về hai công nghệ RFID và WSN, sự khác nhau của chúng và sau đó sẽ trình bày về các kiểu tích hợp giữa RFID và WSN nhằm mở rộng và nâng cao các khả năng của hệ thống
1.1 HE THONG RFID
Không giống như công nghệ mã vạch, công nghệ RFID cho phép nhận dạng đổi tượng bằng sóng vô tuyến, sử dụng sóng điện tử đề tự động xác định và theo dõi các đối tượng được gắn thẻ thông qua một thiết bị đọc đề đọc thông tin lưu trữ trên thẻ ở khoảng cách xa mà không cần tiếp xúc trực tiếp, không thực hiện bất kỳ giao tiếp vật lý nào hoặc giữa hai vật không nhìn thấy [3]
Các thẻ RFID hỗ trợ một bộ mã số ID (/đemi#y) lớn hơn nhiều so với mã
vạch nên độ bảo mật của RFID cao hơn rất nhiều Hệ thống RFID co thé phan biét được nhiều thẻ khác nhau nim trong cùng khu vực mà không cần sự hỗ trợ của
con người
Một hệ thống RFID có thể bao gồm nhiều đầu doc RFID, tat ca dau doc nay được nối với một máy chủ duy nhất Tương tự, một đầu đọc có thể giao tiếp VỚI nhiều hơn một thẻ cùng một lúc, thé RFID co thể được gắn vào hầu như mọi thứ, từ pallet, trẻ sơ sinh, đến chiếc hộp trên kệ ở cửa hàng
1.1.1 Các thành phần của hệ thống RFID
Trang 15
aed" Hình 1.1 Các thành phần của hệ thống RFID
Hệ thống RFID sử dụng kỹ thuật truyền thông không dây trong dãy tần số vô tuyến để truyền đữ liệu từ các thẻ (ag) đến đầu doc (reader) Thé có thê được đính
kèm hoặc gắn vào đối tượng được nhận dạng chăng hạn sản phẩm, hộp hoặc pallet
Thẻ được đầu đọc nhận đạng và lấy thông tin, sau đó thông tin có thể chuyền tiếp đến một phần mềm ứng dụng trên máy tính
1.1.1.1 Thé RFID
Thẻ RFID là một thiết bị có thể lưu trữ, truyền dữ liệu đến đầu đọc trong môi
trường không tiếp xúc bằng sóng vô tuyến và có chứa cả thông tin về bảo mật Thẻ
RFID là một cấu trúc điện tử có một cuộn dây hoặc ăng-ten (anfenna), một số thẻ
có gắn vi chíp (mierochip) và nguồn năng lượng riêng
- Ăng-ten được nối với vi mạch truyền thông tin từ vi chip đến đầu đọc Khoảng cách đọc phụ thuộc vào ăng-ten, ăng-ten càng lớn thì khoảng cách đọc lại cảng xa
- Vi chip dùng để lưu trữ thông tin, bộ nhớ của vi chip có thê chứa tới 96 bit
đến 512 bit gấp 64 lần so với mã vạch Vi chíp chứa một mã ký tự duy nhất đề định danh một đối tượng tương ứng duy nhất gắn với nó Do vậy khi một vật được gắn chip RFID thì khả năng nhận dạng nhằm vật đó với một thẻ chip RFID khác là rất thấp Dựa trên chức năng của vi chip, khả năng ghi/đọc đữ liệu của các thẻ RFID có
thể được phân loại như sau:
+ Thẻ chỉ đọc (Read Onjy), tương tự mã vạch Dữ liệu được ghi vào bộ nhớ
Trang 16+ Thé ghi — doc (Write - Read): thuong duoc gọi là thẻ thông minh Thông tin ghi trong thẻ có thể xóa và ghi lại nhiều lần Có bộ nhớ lớn, ghi và xóa được nhiều
thông tin, nên bản thân thẻ là một loại cơ sở dữ liệu thu nhỏ có tính di động (thông
tin nằm ngay trong thẻ mà không cần tra tại máy chủ tập trung dữ liệu) nên loại thẻ đọc ghi được này rất được ưa chuộng trong các hệ thống ứng dụng RFID
+ Thẻ ghi một lần, đọc nhiéu lan (Write once Read many, WORM) thé khéng được ghi trước thông tin bởi nhà sản xuất Người chủ thẻ sẽ ghi thông tin nhận dạng vào thẻ Thẻ chỉ được ghi thông tin một lần và sau đó chỉ cho phép đọc thơng tin
+ Ngồi ra, còn có thẻ chứa cả bộ nhớ RO và RW Ví dụ, thẻ RFID được gắn
vào pallet có thể được đánh dấu bằng số sê-ri của pallet trong phần RO, sẽ ghi thông tin cố định của pallet Phần RW được sử dụng để ghi thông tin hàng hóa chứa trên
pallet tại thời điểm bất kỳ Khi hàng trên pallet bi thay đổi, phần RW có thể được viết lại để ghi sự thay đổi
- Nguồn năng lượng (gi) được tích hợp vào thẻ RFID đề cung cấp năng lượng
hoạt động cho thẻ Dựa trên nguồn năng lượng, các thẻ RFID có thể được phân làm ba loại chính là thẻ chủ động (active), thé thu dong (passive) va the bán thụ động
(semi-passive hay sime-active)
+ Thẻ chủ động có tích trữ nguồn năng lượng bên trong thẻ và được sử dụng dé cung cấp nguồn cho việc phát tín hiệu và truyền dữ liệu cho đầu đọc mà không cần nguồn năng lượng từ đầu đọc, đối với loại thẻ này trong quá trình truyền giữa thẻ và đầu đọc, thẻ luôn truyền trước, do sử dụng nguồn năng lượng riêng nên
khoảng cách đọc và bộ nhớ của thẻ chủ động lớn hơn nhiều so với thẻ thụ động
Thành phần bên trong gồm bộ vi mạch, cảm biến và các công vào/ra được cấp nguồn từ nguồn năng lượng Ưu điểm của loại thẻ này là phạm vi hoạt động rộng lớn lên tới vài chục mét, bộ nhớ lớn hơn cho phép chúng nhận và truyền nhiều dữ
liệu cùng lúc, tuổi thọ thẻ kéo dài từ 3-5 năm Hiện nay trên thị trường có hai loại
Trang 17theo một chu kỳ thời gian được người sử dụng thiết đặt và đầu đọc sẽ xác định vị trí của thẻ đó Connections for External Sensors ÿ RF Module On-board Power Supply (Baltery) Microchip 7 | \ On-board Electronics Active Tag Hình 1.2 Các thành phần của thẻ chủ động
+ Thẻ thụ động không có nguồn năng lượng bên trong Khi tín hiệu sóng radio đi vào ăng-ten cung cấp năng lượng cho IC trong thẻ thì một đòng điện được sinh
ra, mạch sẽ hoạt động làm thẻ truyền tín hiệu trả lại Điều này đồng nghĩa với việc,
khi thẻ thu động di qua đầu đọc của các thiết bị, sẽ cung cấp năng lượng cho chip dé thu nhận thông tin mà nó lưu giữ Với loại thẻ này khi thẻ và đầu đọc truyền thông
với nhau thì đầu đọc luôn truyền trước rồi mới đến thẻ Thẻ RFID thu động sẽ chờ
kích hoạt bởi sóng tương tác từ đầu đọc RFID khi thẻ trong trong vùng phủ sóng Thẻ thụ động có cấu trúc đơn giản gồm duy nhất một vi chip và một ăng-ten, do đó
nó có tuổi thọ cao, chịu được điều kiện môi trường khắc nhiệt nhưng không có khả
năng đọc khi ở quá xa Ăng-ten của thẻ có được nguồn năng lượng từ sóng này Khi chip được nạp năng lượng nó sẽ tiến hành truyền phát tín hiệu Do không có nguồn năng lượng riêng nên khoảng cách đọc và bộ nhớ của thẻ sẽ thấp hơn so với thẻ chủ
động nhưng bù lại có những đặc điểm nổi trội hơn như kích thước nhỏ gọn hơn
Một số thẻ được sản xuất có thể mỏng chỉ bằng một vài tờ giấy và giá thành rẻ hơn
nhiều so với thẻ chủ động Thẻ thông minh (smart card) 1a mét loai thé RFID thu
Trang 18Microchip Tag ee Hình 1.3 Các thành phần của thẻ thụ động
+ Thẻ bán chủ động hoạt động tương tự như thẻ thụ động, nhưng khác ở chỗ là
có thêm nguồn năng lượng bên trong, nhưng nguồn năng lượng này chỉ được sử dụng để hỗ trợ cho việc lưu trữ đữ liệu Trong quá trình truyền dữ liệu giữa thẻ và
đầu đọc thì thẻ bán thụ động vẫn sử dụng nguồn năng lượng từ đầu đọc Đối với
loại thẻ này, trong quá trình truyền đữ liệu thì đầu đọc luôn truyền trước rồi đến thẻ,
tuy nhiên nó không sử dụng tín hiệu của đầu đọc như thẻ thụ động, nó tự kích hoạt, do đó thẻ bán thụ động có thể đọc ở khoảng cách xa hơn thẻ thụ động Ưu điểm của
Trang 19Hình đáng của thẻ RFID: tùy theo đối tượng gắn thẻ mà hình dạng thẻ RFID sẽ
khác nhau Đa số thẻ được được bọc trong các vật liệu bảo vệ để chịu được nhiệt độ cao, độ âm, hóa chât
Hình 1.5 Một số đạng thẻ thông dụng của các ứng dụng RFID
Dựa vào sự khác nhau giữa các loại thẻ, người sử dụng lựa chọn loại thẻ phù hợp với mục đích sử dụng của mình, Bảng 1.1 cho thấy sự khác nhau cơ bản của các loại thẻ nói trên
Bảng 1.1 Bảng so sánh sự khác nhau của các loại thẻ = ak Thé Thẻ Thẻ bán Dac diém chủ động| thụ động thụ động Năng lượng riêng để truyền đữ liệu Có Không Không Năng lượng riêng cho chip Có Không Có Pham vi doc Xa Ngắn Trung bình Chi phi the Cao Thap Trung binh
1.1.1.2 Dau doc RFID
Dau doc RFID, con duoc gọi là bộ hỏi, là bộ phận không thể thiếu trong hệ
Trang 20Đầu đọc RFID là cầu nối giữa thẻ và máy chủ, có thể ghi đữ liệu vào thẻ và
đọc dữ liệu từ thẻ gửi đến máy chủ để xử lý Một đầu đọc RFID có thể được gắn vào một vị trí cố định trong một cửa hàng hoặc nhà máy hoặc được tích hợp vào
một thiết bị đi động như máy quét cầm tay, máy quét di động Ngoài ra, đầu đọc
RFID ciing co thé duoc nhúng vào trong các thiết bị điện tử, linh kiện và thậm chí là
cả trong dung môi Dau doc RFID bao gồm một mô-đun sóng vô tuyến điện, một đơn vị điều khiển và một ăng-ten được sử đụng để giao tiếp với thẻ RFID thông qua tín hiệu sóng vô tuyến
Hình 1.6 Một số loại đầu đọc RFID
Hai khối chức năng chính của đầu đọc là: giao dién HF (High Frequency) va
đơn vị điều khiển (control unit) voi b6 phát và bộ thu Các nhiệm vụ của giao diện HE:
- HF chuyển tiếp năng lượng để kích hoạt thẻ và cung cấp năng lượng cần thiết
cho thẻ
- Truyền tín hiệu đã được điều biến để chuyển dữ liệu đến thẻ
Trang 21Trong Hinh 1.7, ta thay có hai cách truyền dữ liệu độc lập, một để gửi dữ liệu
đến thẻ và một là nhận dữ liệu từ thẻ Dữ liệu được truyền đến thẻ bởi máy phát
Ngược lại, dữ liệu nhận được từ thẻ bởi máy thu [4] Các nhiệm vụ của đơn vị điều khiển:
- Giao tiếp với phần mềm ứng dụng và thực thi các lệnh của nó - Kiểm soát giao tiếp giữa đầu đọc và thẻ
- Mã hóa và giải mã tín hiệu 1113 Máy chủ
Máy chủ là thiết bị để lưu trữ và quản lý dữ liệu của đầu đọc RFID, nó còn gửi truy vấn yêu cầu các đầu đọc thu thập thông tin cho các ứng đụng khác Thành phần này được dùng đề chạy các phần mềm trung gian và phần mềm ứng dụng
- Phần mềm trung gian được sử dụng để nhận và xử lý các dữ liệu thô nhận
được từ các đầu đọc để chuyên đến các phần mềm quản trị Đây là một thành phần không thể thiếu trong hệ thống RFID
- Phần mềm ứng dụng là các phần mềm được sử dụng đề xử lý và tự động hóa các công việc
1.1.2 Nguyên tắc hoạt động của hệ thống REID
Công nghệ RFID hoạt động theo nguyên lý khá đơn giản Đầu đọc RFID được
đặt cố định ở một vị trí Chúng sẽ phát ra sóng vô tuyến điện ở một tần số nhất định
dé phát hiện thiết bị phát xung quanh đó Thẻ RFID có kích thước rất nhỏ, dùng để găn lên vật thể cần quản lý như hàng hóa, người, Thẻ RFID nhận các lệnh từ đầu đọc RFID thông qua ăng-ten và trả lời lại bằng tần số vô tuyến RE Tín hiệu được ghi vào thẻ và được đọc không phụ thuộc vào hướng của thẻ mà chỉ cần thẻ đó nằm trong vùng phủ sóng của thiết bị là được
Khi một thẻ RFID tiến đến gần một thiết bị đọc ghi thẻ, năng lượng sóng điện
từ đủ để cung cấp cho thẻ và từ đó quá trình trao đổi dữ liệu giữa thẻ và thiết bị đọc ghi thẻ bắt đầu Trong quá trình này, thiết bị có thể đọc ghi thông tin trên thẻ, sau
Trang 22khi kết thúc quá trình trao đổi đữ liệu, chiếc thẻ đó được chỉ thị không tiếp nhận
thêm thông tin gì nữa cho đến khi được lọt vào vùng phủ sóng tiếp theo Dữ liệu Thời gian Bộ phát đáp của thẻ RFID Năng lượng Hạ tầng giao tiệp trung gian IIIIIIIIIIIRIIIII Thẻ ghi nhiệt độ Xe đông lạnh TA 3 tl j Server trung tâm Người dùng
Theo dé tink trạng qua Internet
Hình 1.9 Ví dụ hoạt động của hệ thống quản lý kho đông lạnh
Hình 1.9 là một ví dụ minh họa về hoạt động của hệ thống REID, xe đông lạnh và kho lạnh được gắn các thẻ ghi nhiệt độ, khi thẻ ghi nhiệt độ của kho lạnh và xe đông lạnh truyền dữ liệu về đầu đọc, đầu đọc sẽ nhận dữ liệu này rồi chuyển về
Trang 23server trung tâm đề xử lý, người dùng chỉ cần theo dõi tình trạng của kho lạnh và xe đông lạnh thông qua Intenet
1.1.3 Đặc điểm của hệ thống RFID
Hệ thống RFID sử dụng hệ thống không dây thu phát sóng radio, không sử dụng tia sáng như mã vạch Thông tin có thể được truyền qua những khoảng cách nhỏ mà không cần một tiếp xúc vật lý nào Có thể đọc được 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
Hệ thống REID có thể được phân loại theo các băng tần số hoạt động như:
tần số thấp (LF), tần số cao (HF) và tần số siêu cao (UHF) Tuy nhiên, thông thường người ta phân hệ thống RFID thành 2 loại chính là RFID chủ động và
RFID thu dong
Nếu một hệ thống RFID hoat dong bang tần số thấp, nó sẽ có phạm vi đọc ngắn và tốc độ đọc dữ liệu bị hạn chế hơn, nhưng khả năng nhận dạng đối tượng
ở phạm vi gần hay đối tượng gắn trên bề mặt chất liệu là kim loại, chất lỏng thì
lại tốt hơn
Nếu một hệ thống hoạt động ở tần số cao hơn, nó thường có khả năng truyền
dữ liệu nhanh hơn và nhận dạng được dãy số dài hơn, nhưng bước sóng lại nhạy
cảm hơn, đễ bị nhiễu do ảnh hưởng bởi vật liệu kim loại hay chất lỏng xuất hiện
trong phạm vi đọc
1.1.4 Chuẩn EPC
EPC (Electronic Product Code) la mét tiéu chudn toan céu cho cong nghé
nhận dạng tự động, được phat triển bởi tổ chức Auto-ID EPC là một mã nhận dạng chung, cung cấp một định danh duy nhất cho một đối tượng vật lý cụ thể Định dạng
co ban cia EPC gồm có 4 trường: Header, General Manager Number, Object Class
va Serial Number (Bảng 1.2) mô tả vị trí các bít trong EPC 96 bịt, một loại EPC
phô biến nhất trong hệ thống RFID thương mại ngày nay
Trang 24Bảng 1.2 Bảng mô tả vị trí bit của chuẩn EPC GID-96 (giá trị cao nhất trong hệ nhị phân) GID-96 (giá trị cao nhất trong hệ thập phân) (giá trị cao nhất trong hệ thập phân) General Header Manager Object Class Serial Number Number § 28 24 36 00110101 268.435.455 16,777,215 68,719,476,735 (giá trị cao nhất trong hệ thập phân) Chỉ định bởi EPCglobal Chỉ định bởi nhà quản lý EPC
- Header: dé dam bao tinh duy nhat trong không gian miền EPC
- General Manager Number: để xác định một thực thể tổ chức (một công ty,
một nhà quản lý, một tổ chức nào đó, ) có trách nhiệm duy trì các trường Object
Class va Serial Number
- Object Class: duoc stt dung béi tô chức quản lý EPC để xác định một lớp hoặc một loại đối tượng nào đó và tất nhiên rằng nó phải là duy nhất trong mỗi mién General Manager Number
- Serial Number: 1a duy nhat trong Iép déi trong (Object Class) Noi cach
khác, các tổ chức quản lý có trách nhiệm chỉ định các số Serial Number duy nhất,
không lặp lại cho tất cả các đối tượng trong mỗi lớp đối tượng
1.1.5 Một số ứng dụng của hệ thống RFID
Trong quản lý lưu thông hàng hóa, đây là ứng dụng tuyệt vời nhất của công nghệ RFID trên cơ sở kết hợp với Internet + GPRS + Cloud cho phép chung ta theo
đõi món hàng được vận chuyền đã đi đến đâu trong suốt lộ trình vận chuyển Đặc
biệt với những hàng hóa quan trọng, vận chuyên xuyên biển, đường dài giúp việc theo dõi, kiểm tra, giám sát trở nên cực kỳ đơn giản
Trong quản lý kho hàng, áp dụng cho vấn đề kiểm tra kho hàng và hàng tổn
kho, đặc biệt rất hữu ích cho những kho hàng với loại hàng nặng, cổng kénh Khi
ứng dụng công nghệ RFID cho các kho hàng loại này, cuối mỗi ngày bạn chỉ cần
Trang 25bat thiét bi quét RFID lên, nó sẽ giúp ban thu thập dữ liệu tất cả các hàng hóa có dán nhãn RFID Việc còn lại thật đơn giản, bạn chỉ cần đồ dữ liệu vào máy tính và
phần mềm kiêm kho sẽ giúp bạn thực hiện tất cả Điều này giúp chúng ta giảm được
rất nhiều chỉ phí để quản lý kho hàng, kiểm kê kho hàng đặc biệt tránh được
nhiêu thất thoát
Trong quản lý thu phí đường bộ tự động, với tần số 900 Mhz và 2.45 Ghz cho phép đọc dữ liệu từ thẻ RFID ở khoảng cách xa (vài mét đến vài chục mét) và lướt rất nhanh qua đầu đọc đã mở ra khả năng ứng dụng hiệu quả vào việc thu phí giao thông đường bộ tự động, khi các xe không phải dừng lại mua vé như truyền
thống mà chỉ cần gắn thẻ RFID trên xe, khi chạy qua đầu đọc sẽ tự nhận dạng và trừ
phí tự động Việc này giúp xe cơ giới lưu thông thuận tiện và tránh kẹt xe tại các điểm thu phí, cũng như thất thoát từ việc thu phí theo truyền thống
Trong hệ thống bán lẻ, cửa hàng bán lẻ sử dụng RFID để đảm bảo an toàn cho hàng hóa và kiểm tra hàng hóa Các bộ phận vận chuyên sử dụng RFID để theo dõi kiện hàng trong nhà kho và trong suốt quá trình vận chuyền Thẻ RFID, có thé đính lên bất cứ sản phẩm nào, từ vỏ hộp đồ uống, đề giày, cho đến trục ôtô Các công ty chỉ việc sử đụng máy tính để quản lý các sản phẩm từ xa Công nghệ RFID có thé thay thế kỹ thuật mã vạch hiện nay, do RFID không chỉ có khả năng xác định nguồn gốc sản phẩm mà còn cho phép nhà cung cấp và đại lý bán lẻ biết chính xác hơn thông tin những mặt hàng trên quây và trong kho của họ
Trong lĩnh vực an nỉnh, công nghệ RFID có thể được ứng dụng lĩnh vực an ninh như: quản lý nhập cảnh, quản lý conftaner tại cảng biển, quản lý tội phạm, chống làm giả, quản lý quyền ra/vào cho mọi người Ví dụ: trong tòa nhà chung cư, người ở chung cư sẽ được cấp một thẻ RFID để có thể ra/vào chung cư, đầu
đọc RFID sẽ được gắn tai các công ra/vào để có thể nhận biết người thuộc chung
cư hay không, quyền vào/ra chung cư của mỗi người sẽ được lưu trữ và kết nối với
một con số Con số này được lưu trên thẻ RFID, khi hệ thống kiểm sốt ra/vào lấy
thơng tin từ đầu đọc thẻ, nó sẽ tìm kiếm trong cơ sở dữ liệu để kiểm tra xem người này có quyền vào hay không Nếu có, hệ thống sẽ gửi tín hiệu tới cửa, khiến nó có
Trang 26thể mở ra được Tương tự, ta có thê quản lý người làm việc vào/ra ở nhà máy, xí nghiệp, cơ quan Việc gắn thẻ RFID vào container hàng hóa tại cảng biển giúp
xác định đơn vị nhập hàng chứa trong container, từ đó có thể phát hiện sớm các
container co nguy cơ cao
Trong quản lý nhân sự và chấm công, khi vào/ra công ty để bắt đầu hay
kết thúc một ngày hoặc ca làm việc, nhân viên chỉ cần đưa thẻ của mình đến gần
máy đọc thẻ (không phải nhét vào), ngay lập tức máy phát ra một tiếng bíp, dữ liệu vào/ra của nhân viên đó đã được ghi nhận và lưu trữ trên máy chấm công Sau khi cập nhật đữ liệu sẽ có ngay báo cáo thống kê nhanh để ban giám đốc biết
số lượng nhân viên đang có mặt, số nhân viên nghỉ hoặc biết được trình độ tay nghề từng nhân viên, nhân viên nào hết hạn hợp đồng lao động, bảo hiểm xã hội,
bảo hiểm y tế
Trong y tế, công nghệ RFID có thê sử dụng cho người cũng như đỗ vật Vi
vậy, một số bệnh viện đã sử dụng vòng đeo tay RFID cho trẻ mới sinh, bệnh nhân tâm thần hoặc người cao tuổi mất trí Ví dụ, đối với khoa phụ sản, gần đây có không ít bài báo đề cập đến việc trao nhằm con cho cha mẹ sau khi sinh, dẫn đến nhiều hậu quả đáng tiếc nên bệnh viện đã sử dụng vòng định danh RFID dé đeo cho cả mẹ và bé sau sau khi sinh trước sự chứng kiến của người mẹ và theo
dõi suốt thời gian nằm viện, vòng dây này sẽ rất khó cắt hoặc tháo ra Tương tự,
đối với bệnh nhân tâm thần hoặc người lãng trí, bệnh viện cũng sử dụng vòng dinh danh RFID để có thể kiểm soát vị trí của bệnh nhân dễ dàng hơn Bên cạnh đó, bệnh viện còn ứng dụng RFID để kiểm tra tình trạng thuốc dự trữ, sản phẩm nào sắp hết hạn, số lượng dược phẩm, hàng hóa cho bệnh viện còn bao nhiêu, số
lượng máu trong tình trạng khân cấp thì bệnh viện sẽ tích hợp thẻ RFID vào
mỗi sản phâm và tiến hành lắp đặt đầu đọc RFID tại cửa ra/vào, mỗi lần sản
phẩm được vận chuyển qua cửa sẽ được tính toán và giám sát chặt chẽ số lượng nhập và xuất vào hệ thống, từ đó thông báo cho người quản lý biết chính xác số
liệu Ngoài ra, RFID còn được ứng dụng trong việc quản lý hồ sơ bệnh án Ví dụ
như, đối với những bệnh nhân chuẩn bị phẫu thuật hay truyền máu Những ca
Trang 27cấp cứu quan trọng cần chính xác thông tin người bệnh Việc trang bị thẻ RFID trên tay bệnh nhân hết sức quan trọng, thông qua đó bệnh viện sẽ đảm bảo rằng đã cung cấp đúng thuốc chữa trị hay số lượng, loại máu cần truyền cho bệnh
nhân Cụ thể hơn bác sĩ sẽ dùng công cụ đọc/quét RFID để xác định đâu là bệnh nhân cần điểu trị và đồng thời hiển thị mọi thông tin về bệnh án
Trong bưu chính viễn thông, các công ty bưu chính viễn thông sử dụng RFID để giám sát các bưu phẩm được vận chuyên quốc tế giữa các trung tâm bưu chính với nhau Họ có thê giám sát thời gian vận chuyển các bưu phâm có gắn thẻ RFID, điều đó giúp quan ly và giải quyết các vấn đề một cách nhanh gọn, tiết kiệm
1.2 MẠNG CẢM BIEN KHONG DAY
Mạng cảm biến không dây có thê hiểu đơn giản là mạng liên kết các nút với nhau bằng kết nối sóng vô tuyến, trong đỏ các nút mạng thường là các thiết bị
đơn giản, nhỏ gọn, giá thành thấp và có số lượng lớn, được phân bố một cách không có hệ thống trên một diện tích rộng, sử dụng nguồn năng lượng hạn chế và có thể hoạt động trong môi trường khắc nghiệt (chất độc, ô nhiễm, nhiệt độ
cao ) Mỗi nút mạng bao gồm đây đủ các chức năng đề nhận biết, thu thập, xử lý và truyền dữ liệu
Mạng cảm biến không dây có thể liên kết trực tiếp với nút quản lý giám sát trực tiếp hay gián tiếp thông qua một điểm thu phát (sink) và môi trường mạng công cộng như Internet hay vệ tinh Lợi thế chủ yếu của chúng là khả năng triển khai hầu như trong bat kì loại hình địa lý nào, kế cả các môi trường nguy hiểm không thể sử dụng mạng cảm biến có dây truyền thống
Các thiết bị cảm biến không dây liên kết thành một mạng đã tạo ra nhiều khả
năng mới cho con người Các đầu đo với bộ vi xử lý và các thiết bị vô tuyến rất nhỏ
gọn tạo nên một thiết bị cảm biến không dây có kích thước rất nhỏ, tiết kiệm về
không gian Chúng có thể hoạt động trong môi trường dày đặc với khả năng xử lý tốc độ cao Ngày nay, các mạng cảm biến không dây được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như nghiên cứu vi sinh vật biên, giám sát việc chuyên chở các chất gây ô
Trang 28nhiém, kiém tra giám sát hệ sinh thái và môi trường sinh vật phức tap, điều khiển
giám sát trong công nghiệp và trong lĩnh vực quân sự, an ninh quốc phòng hay các ứng đụng trong đời sống hàng ngày - _ — —) ®) —— 3 ~ Internet % : ¿ ` -® @) Sổ — A Mạng cảm biến — ——— không day e Tram co so Ss hoặc mút sink tt dc [ = Các mitt cam biến WfbsschuiSEiGUifế:
Hình 1.10 Mô hình của mạng cảm biến không dây
1.2.1 Câu trúc của mạng cảm biến
Cấu trúc cơ bản của mạng cảm biến không dây được thê hiện ở Hình 1.11 Các nút cảm biến được triển khai trong một trường cảm biến (sensor ƒielad) Mỗi nút cảm biến được phát tán trong mạng có khả năng thu thập thông tin, định tuyến số liệu về bộ thu nhận (sink) để chuyển tới người dùng (zsez) và định tuyến các
bản tin mang theo yêu cầu từ nút sink đến các nút cảm biến Số liệu được định
tuyến về phía bộ thu nhận theo cấu trúc đa liên kết không có cơ sở hạ tầng nền tang (multthop inƒfrastructfureless archifecfure), tức là không có các trạm thu phát
gốc hay các trung tâm điều khiển Bộ thu nhận có thể liên lạc trực tiếp với trạm
điều hành (/ask manager node) của người dùng hoặc gián tiếp thông qua Internet hay vé tinh (satellite)
Trang 29
Hình 1.11 Cấu trúc của mạng cảm biến
Trong Hình 1.11, ta thấy trong mạng cảm biến có rất nhiều các nút cảm biến được phân bố trong môi trường cảm biến Các nút này có chức năng thu thập dữ liệu thực tế, sau đó chọn đường (thường là theo phương pháp đa bước nhảy) để chuyển những dữ liệu thu thập này về nút gốc Nút gốc liên lạc với nút quản lý
nhiệm vụ thông qua Internet hoặc vệ tinh Việc thiết kế mạng cảm biến như mô hình
trong Hình 1.11 phụ thuộc vào nhiều yếu tổ như:
- Khả năng chịu lỗi: mạng cảm biến vẫn hoạt động bình thường, duy trì những chức năng của nó ngay cả khi một số nút mạng không hoạt động Nguyên nhân các nút mạng cảm biến không hoạt động có thể do thiếu nguồn điện, hư hỏng vật lý hoặc ảnh hưởng của môi trường
- Kha năng mở rộng: Số lượng nút mạng trong một số ứng dụng có thê triển khai số lượng lên đến hàng nghìn nút với nhiều loại cảm biến khác nhau, nên cấu trúc của mạng cảm biến phải có khả năng mở rộng đối với từng ứng dụng khác nhau
- Giá thành sản xuất: do hệ thống mạng cảm biến gồm một lượng lớn các nút cảm biến nên chí phí của mỗi nút sẽ có ảnh hưởng đến tổng mức đầu tư hệ thống mang Do do, chi phi cho mỗi nút cảm biến phải giữ ở mức thấp
Trang 30- Tích hợp phần cứng: số lượng nút cảm biến trong mạng là nhiều nên mỗi nút cần có các ràng buộc phần cứng tích hợp như: kích thước nhỏ, tiêu thụ năng lượng ít, chỉ phí sản xuất thấp, thích ứng với môi trường, có khả năng tự cấu hình và hoạt động không cần giám sát
- Môi trường hoạt động: Nút cảm biến phải có khả năng thích ứng với nhiều loại môi trường và sự thay đổi của môi trường Các nút cảm biến thường là khá đày
đặc và phân bố trực tiếp trong môi trường (ô nhiễm bụi, hóa chất độc hại hay môi
trường dưới nước .)
- Các phương tiện truyền dẫn: các node trong mạng cảm biến được kết nối với nhau trong môi trường không dây (có thể là sóng vô tuyến, hồng ngoại hoặc những phương tiện quang học) Các phương tiện truyền dẫn này phải được thiết lập lựa chọn phù hợp đề hoạt động thống nhất chung cho các mạng
- Cấu hình mạng cảm biến: mạng cảm biến bao gồm một số lượng lớn các
node cảm biến, do đó phải thiết lập một cấu hình ổn định
- Tiêu thụ điện năng: thời gian sống của mạng phụ thuộc vào thời gian sống của nút cảm biến, thời gian sống của nút cảm biến lại phụ thuộc vào thời gian sống của pin Nên mỗi nút cảm biến được trang bị nguồn năng lượng phủ hợp Trong một số ứng dụng, việc bổ sung nguồn năng lượng là không thê thực hiện Hiện nay các nhà khoa học đang nỗ lực tìm ra các giải thuật và giao thức thiết kế cho nút mạng nhằm tiết kiệm nguồn năng lượng hạn chế này
Mỗi nút cảm biến được cấu tạo bởi bến thành phần cơ bản sau: bộ cảm biến
(sensing unit), bộ xt ly (processing unit), b6 thu phat (transceiver unit) va b6 nguén (power unit)
- Bộ xử lý gồm CPU, bộ nhớ ROM, RAM Được sử dụng đề xử lý, lưu trữ dữ
liệu tạm thời, mã hóa, sửa lỗi, truyền dữ liệu dạng tín hiệu số và ngược lại
- Bộ cảm biến gồm một số cảm biến, một bộ chuyển đổi tín hiệu tương tự sang tín hiệu số (ADC) Nhiém vu thu thập thông tin môi trường, chuyển thành tín hiệu
Trang 31số rồi gửi về bộ xử lý Các cảm biến môi trường cơ bản bao gồm: gia tốc, độ ẩm,
anh sáng, từ trường, nhiệt độ, áp suất và âm thanh
- Bộ thu phát chuyển đổi các bít thông tin dé truyền thông qua một tần số vô tuyến (RF) và phục hồi ở đầu kia
- Bộ nguồn thành phần quan trọng nhất quyết định tuổi thọ của WSN, gồm pin
hoặc có thể thêm bộ phát điện (tùy ứng dụng) Nhiệm vụ, điều phối năng lượng tiêu
thụ của các thành phần khác kéo dai
Tuy theo tng dung cụ thé, nút cảm biến còn có thể có các thành phần bổ sung
như hệ thống tìm vị trí, bộ sinh năng lượng và thiết bị di động Các thành phan trong một nút cảm biến được thể hiện trên Hình 1.12
Me ee Tg hiến vý le fe ee eet el
Hình 1.12 Các thành phần của nút cảm biến
Bộ cảm biến thường gồm hai đơn vị thanh phan 1a dau do cam bién (sensor) va
bộ chuyển đổi tương tự/số (1DC) Các tín hiệu tương tự được thu nhận từ đầu đo, sau đó được chuyển sang tín hiệu số bằng bộ chuyền đổi ADC, rồi mới được đưa tới
bộ xử lý Bộ xử lý, thường kết hợp với một bộ nhớ nhỏ, phân tích thông tin cảm
biến và quản lý các thủ tục cộng tác với các nút khác dé phối hợp thực hiện nhiệm
vụ Bộ thu phát đảm bảo thông tin giữa nút cảm biến và mạng bằng kết nối không dây, có thể là vô tuyến, hồng ngoại hoặc bằng tín hiệu quang Một thành phần quan trọng của nút cảm biến là bộ nguồn Bộ nguồn, có thể là pin hoặc ắc-quy, cung cấp năng lượng cho nút cảm biến và không thay thế được nên nguồn năng lượng của nút
Trang 32thường là giới hạn Bộ nguồn có thể được hỗ trợ bởi các thiết bị sinh điện, ví dụ như
các tắm pin mặt trời nhỏ
Hầu hết các công nghệ định tuyến trong mạng cảm biến và các nhiệm vụ cảm
biến yêu cầu phải có sự nhận biết về vị trí với độ chính xác cao Do đó, các nút
cảm biến thường phải có hệ thống tìm vị trí Các thiết bị di động đôi khi cũng cần
thiết dé di chuyén các nút cảm biến theo yêu cau dé dam bảo các nhiệm vụ được
phân công
1.2.2 Đặc điểm của mạng cảm biến
- Có khả năng tự tổ chức, yêu cầu rất ít hoặc thậm chí không có sự can thiệp
của con người
- Truyền thông không chắc chắn, dựa trên định tuyến đa chặng
- Các nút cảm biến được triển khai dày đặc và có khả năng kết nối với nhau
- Bị giới hạn về mặt năng lượng, bộ nhớ và khả năng tính toán
- Hoạt động được trong các môi trường khắc nghiệt 1.2.3 Một số ứng dụng của mạng cảm biến
Mạng cảm biến không dây bao gồm các nút cảm biến nhỏ Thích ứng được môi trường khắc nghiệt Các nút không những có thê liên lạc với các nút xung quanh nó, mà còn có thể xử lý dữ liệu thu được trước khi gửi đến các nút khác Mạng cảm biến không dây cung cấp rất nhiều các ứng dụng hữu ích ở nhiều lĩnh vực trong cuộc sống Sau đây là một số ứng dụng nổi trội:
Giám sát và điều khiển công nghiệp, mạng cảm biến không dây được ứng dụng trong lĩnh vực này chủ yếu phục vụ việc thu thập thông tin, giám sát trạng thái
hoạt động của hệ thống, như trạng thái thiết bị, nhiệt độ và áp suất của nguyên liệu
được lưu trữ, hệ thống điều khiển không dây ánh sáng quảng cáo
Tự động hoá gia đình và điện dân dụng, gia đình là không gian ứng dụng rất lớn cho các mạng cảm biến không đây SmartHome là thuật ngữ để chỉ một ngôi nhà thông minh với sự ứng dụng toàn diện của các thiết bị cảm biến không đây
Trang 33Mục đích lớn của các mạng cảm biến không đây trong gia đình được mong chờ là
mức tiêu thụ điện thấp Ứng dụng khác trong gia đình là việc hỗ trợ các dịch vụ gia đình trên ôtô: ổ khố khơng dây, các cảm biến cửa ra/vào và cửa số, các bộ điều
khiển bóng đèn không dây, chủ nhà có một thiết bị tương tự như một key-fob với
một nút bấm Khi bấm nút, thiết bị khoá tất cả các cửa ra/vào và cửa số trong nhà,
tắt hầu hết các bóng đèn trong nhà (trừ một vài bóng đèn ngủ), bật các bóng đèn an toàn ngoài nhà và thiết lập hệ thống HVAC đến chế độ ngủ Người sử dụng nhận một tiếng beep một lần hồi đáp thể hiện tất cả đã thực hiện thành cơng và ngơi nhà
an tồn Khi một cánh cửa hỏng không thể mở hoặc vẫn để tổn tại, một màn hình
hiển thị trên thiết bị chỉ thị nơi bị hỏng
Trong thu thập dữ liệu môi trường và ngành nông nghiệp, theo dõi sự di
chuyển của các loài chim, lồi thú nhỏ, cơn trùng: kiểm tra các điều kiện môi trường ảnh hưởng tới mùa màng và vật nuôi; tình trạng nước tưới; các công cụ vĩ mô cho việc giám sát mặt đất ở pham vi rộng và thám hiểm các hành tỉnh; phát hiện hóa
học, sinh học; tính tốn trong nơng nghiệp; kiểm tra môi trường không khí, đất
trồng, biển; phát hiện cháy rừng; nghiên cứu khí tượng va địa lý; phát hiện lũ lụt; vẽ
bản đỗ sinh học phức tạp của môi trường và nghiên cứu ô nhiễm môi trường Các ứng dụng của các mạng cảm biến không dây cũng được sử dụng trên các trang trại chăn nuôi Người chăn nuôi có thể sử đụng các mạng cảm biến trong quá trình quyết định vị trí của động vật trong trang trại và với các cảm biến được gắn theo mỗi động vật, xác định yêu cầu cho các phương pháp điều trị để phòng chống các động vật ký sinh Người chăn nuôi lợn hoặc gà có các đàn trong các chuồng ni mát, thống khí Mạng cảm biến không dây có thể được sử dụng cho việc giám sát
nhiệt độ khắp chuồng nuôi, đảm bảo an toàn cho đàn
Trong quản lý chuỗi cung ứng, hiệu quả xử lý được cải thiện bởi việc ứng dụng WSN trong chuỗi cung ứng Cảm biến có thể theo dõi nhiệt độ cần được duy trì của các sản phẩm Nút của mỗi sản phẩm có thể giao tiếp với các nút khác Hơn nữa, các nút thông minh có thể phát hiện các loại sản phâm có khả năng ảnh hưởng tiêu cực đến các sản phẩm khác
Trang 34Trong quân sự, vì các mạng cảm biến dựa trên cơ sở triển khai dày đặc với
các nút giá rẻ và chỉ dùng một lần, việc bị địch phá huỷ một số nút không ảnh
hưởng tới hoạt động chung như các cảm biến truyền thống nên chúng tiếp cận chiến trường tốt hơn Một số ứng đụng của mạng cảm biến là: kiểm tra lực lượng, trang
bị, đạn dược, giám sát chiến trường, trinh sát vùng và lực lượng địch, tìm mục tiêu, đánh giá thiệt hại trận đánh, trình sát và phát hiện các vũ khí hóa học - sinh học - hạt nhân
Trong các ứng dụng y tế và giám sát sức khoẻ, một số ứng dụng trong y tế của mạng cảm biến không dây là cung cấp khả năng giao tiếp cho người khuyết tật,
kiểm tra tình trạng của bệnh nhân; chẩn đoán; quản lý dược phẩm trong bệnh viện;
kiêm tra sự di chuyển và các cơ chế sinh học bên trong của côn trùng và các loài
sinh vật nhỏ khác; kiểm tra từ xa các số liệu về sinh lý con người; giám sát, kiểm tra các bác sĩ và bệnh nhân bên trong bệnh viện
1.3 SỰ KHÁC NHAU GIỮA RFID VÀ WSN
Công nghệ RFID được sử dụng để phát hiện sự hiện diện và vị trí của các đối
tượng Ngược lại, đa phần các ứng dụng của mạng cảm biến không dây là giám sát các đối tượng và nhận biết các điều kiện môi trường Trong mạng cảm biến không
dây, việc gửi dữ liệu từ các nút và chuyển dữ liệu đến nút sink được thực hiện thông
qua các nút chuyên tiếp Nói cách khác, các mạng cảm biến không dây là các mạng đa ching (multi-hop), trong khi dé hé théng RFID la don chang (singlehop) Firmware cua cdc nut trong mang cảm biến không dây có thể được lập trình một cách dễ dàng, nhưng đối với hầu hết các đầu đọc RFID thì không thể được lập trình bởi người dùng Bảng 1.3 Sự khác nhau giữa WSN và RFID Các thuộc tính WSN Hệ thống RFID
Nhận biết các tham số môi
Trang 35Các thuộc tính WSN Hé théng RFID
Thanh phan Các nút cảm biên, các nút
chuyển tiếp, các nút sink Các thẻ và các đầu đọc Giao thức Zigbee, Wi-Fi Các chuẩn RFIDq Truyền thông Đa chặng Đơn chặng Khả năng di động Các nút cảm biến thường là cố định Các thẻ di chuyên cùng các đối tượng được gắn vào
Cung cấp năng Tích hợp pin dé cung cấp năng
Tùy theo loại thẻ, được tích
hợp pin đối với thẻ chủ
lượng lượng động, bán thụ động và không
đối với thẻ bị động
Thông thường là không thể
Khả năng lập ¬ as one ˆ tống a ; ons ` ` Có thê lập trình được lập trình bởi người trình \ dung : Nut cam bién: trung binh Dau doc: dat Gia Nat sink: dat Thẻ: rẻ Triển khai Ngẫu nhiên hoặc cố định Cố định, thường phải sắp xếp cân thận
1.4 HE THONG TICH HOP RFID VOI WSN
Sự kết hợp giữa RFID và mạng cảm biến không dây có thê được phân làm 4
Trang 361.4.1 Tich hop thé RFID voi cam biến
Loai tich hop nay cho phép thém vao cac hé théng RFID kha nang cam bién
(Hình 1.14) Các thẻ RFID được tích hợp các cảm biến (được gọi là thẻ cảm biến)
sử dụng cùng giao thức và cơ chế của công nghệ RFID đề đọc ID của thẻ, cũng như
để thu thập dữ liệu cảm nhận được Bởi vì, các cảm biến tích hợp bên trong các thẻ RFID chi được sử dụng với mục đích cảm biến, do đó các giao thức hiện tại của các
thẻ RFID cũng dựa trên truyền thông đơn chặng, hay nói cách khác là các thẻ không có khả năng giao tiếp với nhau
Loại tích hợp này có thể được phân thành ba loại: thẻ thụ động có cảm biến, thẻ bán thụ động có cảm biến và thẻ hoạt động với cảm biến Thẻ thụ động không
sử đụng pin để liên lạc và cảm biến nên về cơ bản chúng không cần bảo trì Tuy nhiên, các yêu cầu của cảm biến năng lượng rất thấp cũng dẫn đến chất lượng cảm
biến thấp hơn Thẻ bán thụ động sử dụng các mạch tạo năng lượng để tạo ra năng
lượng cho các thành phần RF trên chip và năng lượng pin để cung cấp năng lượng cho phần còn lại của chip Thẻ cảm biến hoạt động phụ thuộc hoàn toàn vào pin Thẻ thụ động với cảm biến tích hợp được sử dụng trong một số ứng dụng bao gồm
cảm biến và giám sát nhiệt độ, phát hiện ảnh và phát hiện chuyển động Thẻ bán thụ
động với các cảm biến tích hợp có thể được sử đụng trong cảm biến và giám sát
nhiệt độ, ghi vị trí, theo dõi tài sản phương tiện va kiểm soát truy cập Thẻ hoạt
động với cảm biến tích hợp được sử dụng trong một số ứng dụng bao gồm cảm biến nhiệt độ và giám sát, phát hiện rung động, huyết áp và theo đối nhịp tim [7]
Hình 1.14 Kiến trúc tích hợp thẻ RFID với cảm biến
Trang 371.4.2 Tích hợp các thẻ REID với các nút WSN
Khả năng giao tiếp của các thẻ cảm biến là rất hạn chế Một giải pháp được sử dụng là tích hợp thẻ RFID với các nút WSN (Hình 1.15) Trong trường hợp này, thẻ có thé giao tiếp với các thiết bị không dây và với các thẻ khác, nó có khả năng hoạt động tương tự như các nút trong các mạng ngang hàng Loại tích hợp này không những có thê tương thích với các tiêu chuẩn của RFID, mà chúng cũng có thể có giao thức riêng của chúng Mỗi thẻ có thể giao tiếp với các thẻ khác dựa trên giao thức mạng ngang hàng Thông tin của một nút (thẻ) có thể được gửi đến các nút khác Nó được thiết kế dé theo dõi các điều kiện của môi trường xung quanh hoặc có thể được sử dụng trong các xe chở hóa chất Trong một tình huống quan trọng,
báo động được bật, các hóa chất có thể phản ứng với nhau sẽ được tách ra xa nhau
Hình 1.15 Kiến trúc tích hợp các thẻ RFID với các nút WSN
1.4.3 Tích hợp các đầu đọc REID với các nút WSN
Loại tích hợp này là tổn tại của ba loại thiết bị: đầu đọc RFID tích hợp với nút cam bién, thé RFID đơn giản va sink hoặc trạm cơ sở Loại tích hợp này có thêm
nhiều chức năng hơn và cho phép nó được sử dụng trong các ứng dụng mới Bằng
cách tích hợp các đầu đọc RFID với các nút WSN (Hình 1.16), đầu đọc có thể cảm
nhận được tình trạng của các tham số môi trường
Trang 38Các nút cảm biến chịu trách nhiệm liên lạc với nhau thông qua giao tiếp không dây để chuyên tiếp đữ liệu đến trạm cơ sở Các nút cảm biến có thể giao tiếp với nhau và chuyên tiếp thông tin như các nút của mạng WSN
Các đầu đọc chịu trách nhiệm thu thập dữ liệu từ các thẻ RFID đơn giản trong phạm vi của chúng Các đầu đọc được tích hợp có thể cảm nhận được các điều kiện
môi trường, có thể giao tiếp không đây với nhau trong mạng, có thể đọc được dữ liệu nhận đạng từ các đối tượng được gắn thẻ và truyền thông tin này đến hệ thống máy chủ một cách hiệu quả hơn Sink hoặc tram cơ sở Đầu đọc tích hợp Thẻ Hình 1.16 Kiến trúc tích hợp các đầu đọc RFID với các nút WSN 1.4.4 Tích hợp các thành phần RFID với các nút WSN
Không giống các loại tích hợp trên, về mặt vật lý các thẻ, các đầu đọc RFID và
các cảm biến hoạt động tách biệt nhau (Hình 1.17) Một hệ thống RFID và một
WSN, ca hai ton tại trong cùng một ứng dụng và chúng làm việc độc lập nhau Tuy
nhiên, trong đó có sự hợp tác của RFID và WSN ở lớp phan mềm, dữ liệu từ các thẻ
RFID và các nút WSN đều được chuyển tiếp đến các trung tâm kiểm soát chung Trong trường hợp này, hoạt động của một hệ thống RFID hoặc WSN có thể yêu cầu
sự hỗ trợ từ phía còn lại
Trang 39Vi du, hé théng RFID cung cấp nhận dạng cho WSN để tìm các đối tượng cụ
thê và WSN cung cấp thêm thông tin, chẳng hạn như vị trí và điều kiện môi trường,
cho hệ thống RFID Lợi thế của việc tích hợp các thành phần RFID và các nút WSN
là không cần phải thiết kế các nút tích hợp mới, tất cả các hoạt động và sự phối hợp
gitta RFID va WSN có thể được thực hiện tại các lớp phan mém Tuy nhién, do thẻ/đầu đọc và nút cảm biến RFID được tách biệt về mặt vật lý và chúng hoạt động
trong cùng một hệ thống, nên có thể gây ra một số vấn để can thiệp giao tiếp Nó
dẫn đến chỉ phí lập lịch trình liên lạc dé tránh nhiễu [7]
Vì các trạm kiểm soát không gặp phải các hạn chế về điện nên có thể triển khai giao thức Internet truyền thống trong mô hình tích hợp này Do đó, các trạm kiểm soát có thể thực hiện không chỉ xử lý đữ liệu mà cả các giao thức định tuyến và giao thức vận chuyên như TCP Thẻ Nút thông minh 6 Wigineldien đầu đ Đâu đọc : THỂ 3 KH USB Thẻ à ‹ TCP Luông —H Lọc và | Sockets sự kiện chuyền đổi Cảm biến Cảm biến
Giao diện Host
cảm biên Seal Cam bién : z Cam bién Hình 1.17 Kiến trúc hệ thống của một cài đặt hỗ trợ tích hợp các thành phần RFID với các nút WSN 1.5 TIEU KET CHUONG 1
Chương này đã giới thiệu tổng quan về hai công nghệ RFID và WSN cũng như các thành phần và ứng dụng của chúng Có thể nói RFID va WSN là hai
công nghệ bổ sung cho nhau RFID được sử dụng để xác định, phát hiện hoặc
Trang 40theo dõi các đối tượng So với các loại cảm biến, vấn đề về chi phí là lợi thế vượt
trội của RFID Tuy nhiên, WSN có khả năng cung cấp thông tin chỉ tiết về tình
trạng của các đối tượng Vì vậy, việc tích hợp WSN với RFID có thể làm cho các
nút RFID có khả năng tính toán và quan trọng là nó cho phép một hệ thống RFID hoạt động như truyền thông đa chặng cùng với các thông tin chỉ tiết về các tỉnh trạng của các nút