BO GIAO DUC VA DAO TAO
DAI HOC HUE
TRUONG DAI HOC KHOA HOC
NGUYEN VAN CONG
TIM HIEU MOT SO KY THUAT PHAN CUM
TRONG HE THONG RFID
CHUYEN NGANH: KHOA HOC MAY TINH MA SO: 60 48 01 01
LUAN VAN THAC SI KHOA HOC DINH HUONG NGHIEN CUU
NGUOI HUONG DAN KHOA HOC PGS.TS VO VIET MINH NHAT
Thừa Thiên Huế, 2018
Trang 2
LOI CAM DOAN Tôi xin cam đoan
Trang 4MUC LUC LOT CAM DOAN osvisssesssiniienciniennianianninnniamnimnimnimenimenianen: i 0899 n9 ii h/0/900925 ,ÔỎ ii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮTT 2se©cse5cseecse Vv MO DAU ÔỎ 1
CHUONG 1 TONG QUAN VE HE THONG RFID
1.1 TƠng quan vẺ cơng nghỆ RFID 2- 22 2222251225122112111211121111121121 xe 1.1.1 Lịch sử phát triển công nghệ RFID -2- 222 222225221112112211221212 xe 3 1.1.2 Ứng dụng cơng nghệ RFID ©2222 22222512251221122112111211211221 21 xe 7 1.1.3 Những ưu điểm của công nghệ RFID so với các công nghệ khác 8
1,1.4.Tiém nang claccéngngh@: REID sex scssesss62136102095000202L1A98203108338n 903 10
1.2 HỆ thÕng mẠng RFÏTD - 5222 252522222121212212111212111212111212121211 2E xe 11 D85 cố 11
1.2.2 Thành phần của một hệ thống mạng RFID 2222222212212212222-2e 11
1.2.3 Phương thức hoạt động của hệ thống mạng RFID
1.3 MAng cẢm biÊn không dây
1.3.1 Giới thiệu về mạng cảm biết không dây - 2222 221222122122122.ee 13 1.3.2 Cấu trúc của mạng cảm biến không đây ©2222222212221222122122 e6 15 1.3.3 Đặc điểm của mạng cảm biến không đây 2222 222222122212222 e6 17 1.3.4 Ứng dụng của mạng cảm biến không dây - 2222222222222 18 1.4 RFID tích hỢp vỚi mẠng cẢm biÊn không dây 2- 2222222222222 21 1.4.1 Sự khác nhau giữa RFID với mạng cảm biến không dây 22 1.4.2 Lợi ích của việc tích hợp RFID với mạng cảm biến không dây 23
1.4.3 Tương lai và thách thức ác 2: 121121111111 E8 hy Hà Hà He 23
1.5 TiỂu kÊt chương Ì -2-©22-222222112211221122112212212122112122222 se 24 CHƯƠNG 2 MOT SO KY THUAT PHAN CUM THE TRONG HE THONG
REID wsccsscesecnemanmnen aera eT 25
2.1 GIỚI thiỆu HH he 25
2.2 MOt sO kỸ thuẬt phân cỤm thẺ trong hỆ thỐng RFID -2.25¿52s¿ OT
2.2.1 Giai thudt EDFSA oo cece cece ee eeceeetessitieisnensnenseeeseseseseeeeees 27
Trang 52.2.2 Giải thuật PS HH HH Hà HH HH HH He 30
2.3 TiỂu kẾt chương 2 222222 22112212221222112112112112112211221122122222 re 31 CHƯƠNG 3 CÀI ĐẶT MÔ PHỎNG VÀ PHÂN TÍCH KẾT QUẢ 32
3.1 So sánh sỐ LẦn phân cỰm thẺ vỚi phương pháp EDFSA 32 3.2 So sánh sỐ LẦn phân cỰm thẺ vỚi phương pháp PS 22- 222222222 33
3.3 TiỂu kÉt chương 3 22-22212211221221122122121121122112222222ee 34 KET LUAN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIÊN ĐÈ TÀI . -c©-cec-ee2 35 {up mẽ ÔỎ 35 Hướng phát triển của đề tài - 5-55 5SSx+E xxx 35
Ngoài những kết quả đã đạt được, luận văn còn một số vấn đề cần nghiên cứu thêm như: Tiến hành xem xét vấn đề phân cum đến hiệu năng của mạng tích hop RFID WSN về mặt thông lượng sử dụng -©55©csccssscsrssrse 35 IV.980100900279 0654.7601017 36
Trang 6DANH MUC CAC KY HIEU, CHU VIET TAT
BS Base Station
CH Cluster Head
CLIF Cluster-Based In-network Phase Filtering Scheme
EDFSA Enhanced Dynamic Framed Slotted Aloha Algorithm
PS Progressive Scanning
ND Neighbor Discovery Message
RF Radio Frequency
RFID Radio Frequency Identification
Trang 7> Ly do chon dé tai
Ngày nay những ứng dụng của khoa học kỹ thuật tiên tiến vào đời sống đã và đang làm cho thế giới ngày một văn minh, hiện đại hơn Sự phát triển của các công
nghệ điện tử mới đã tạo ra hàng loạt các thiết bị với các đặc điểm nổi bật như độ
chính xác cao, tốc độ nhanh, khả năng ứng dụng cao góp phần nâng cao năng suất lao động của con người, giúp cho chất lượng cuộc sống ngày một tốt hơn
Cong nghé RFID (Radio Frequency Identification) 1a céng nghé nhan dang đối tượng bằng sóng vô tuyến,hiện đã được áp dụng và phát triển ở rất nhiều lĩnh
vực như: an ninh, quân sự, y học, giải trí, thương mại, bưu chính viễn thông và đem lại nhiều lợi ích to lớn Nhiều tập đoàn lớn như các hệ thống siêu thị, thu phí
giao thông cũng áp dụng công nghệ này
Một hệ thống RFID gồm có 3 thành phần: các thẻ RFID, các đầu đọc RFID và
một thành phần trung gian Thẻ RFID hay bộ tiếp sóng (#ansponders) được tích
hợp mạch điện với một mã số (id) co thé gửi và nhận thông tin từ đầu doc RFID
thông qua một ăng-ten Đầu đọc RFID hay bộ thu (#ansceivers) gồm một mô-đun
sóng vô tuyến điện, một đơn vị điều khiển và một ăng-ten được sử dụng để giao tiếp
với thẻ RFID thông qua tín hiệu sóng vô tuyến Thành phẩntrung gian RFID là một máy chủ để lưu trữ và quản lý đữ liệu của đầu đọc RFID,nó còn gửi truy vấn yêu cầu các đầu đọc thu thập thông tin cho các ứng dụng khác
Để áp dụng công nghệ RFID vào các hệ thống có quy mô lớn yêu cầu các đầu
đọc RFID phải bao phủ một vùng rộng lớn; hệ thống RFID cần được tích hợp với
một mạng cảm biến không dây,trong đó các nút cảm biến không dây được tích hợp với một đầu đọc RFID để kết nối trực tiếp đến máy chủ và các nút cảm biến không dây này cũng có các đặc tính vật lý như tiêu thụ điện năng, phạm vi giao tiếp và
kích thước của đầu đọc RFID
Trang 8vấn dé xung đột đọc thé (collision), để giải quyết vấn đề này nhiều phương pháp đã được để xuất, trong đó chủ yếu dựa trên giao thức Aloha Trong Luận văn sẽ tìm hiểu một số các phương pháp phân cụm thẻ trong hệ thống RFID nhằm chống xung
đột Đó chính là lý do tôi chọn đề tài “Tìm hiểu một số kỹ thuật phân cụm trong hệ thong RFID”
> Mục đích nghiên cứu
—_ Tìm hiểu các kiến thức cơ bản về RFID, mạng cảm biến không dây và hệ thống RFID tích hợp với mạng cảm biến không dây
— Nghiên cứu một số kỹ thuật phân cụm thẻ trong hệ thống RFID — Cài đặt mô phỏng và phân tích kết quả của các kỹ thuật đã tìm hiều > Cấu trúc luận văn
Cấu trúc luận văn bao gồm phần mở đầu, ba chương nội dung, phần kết luận
và tài liệu tham khảo, trong đó:
Chương 1, Tổng quan về mạng RFID, giới thiệu tổng quan về công
nghệRFID, hệ thống RFID, mạng cảm biến không dây và hệ thống RFID tích hợp
mạng cảm biến không dây
Chương 2, Một số kỹ thuật phân cụm thẻ trong hệ thống RFID, trình bày chi tiết một số kỹ thuật phân cụm thẻ trong hệ thông RFID
Chương 3, Cài đặt mô phỏng và phân tích kết quả, cài đặt mô phỏng một một số kịch bản dựa trên các kỹ thuật phân cụm thẻ được trình bày trong Chương 2,phân tích đánh giá kết quả mô phỏng
Trang 9CHUONG 1 TONG QUAN VE HE THONG RFID
1.1 TONG QUAN VE CONG NGHE RFID 1.1.1 Lịch sử phát trién cong nghé RFID
Cong nghé RFID ra doi tt nim 1897 khi Guglielmo Marconi phat minh ra radio Tuy nhiên, nó được biết đến vào những năm 1930 và trải qua nhiều thời kỳ
1.11.L Thời kỳ đầu của công nghệ RFID
Vào những năm 1930, Lục quân (Army) và Hải quân (Navy) thuộc Quân đội Hoa Kỳ gặp phải những thử thách khi xác định những mục tiêu trên mặt đất, trên biển và trên bầu trời Đến năm 1937 phòng thử nghiệm nghiên cứu Naval U.S phát trién hé théng xdc dinh IFF (Identification Friend or Foe) cho phép nhitng déi tượng thuộc về quân ta có thê phân biệt với quân địch Từ đó, công nghệ này trở nên phổ biến trong hệ thống điều khiển không lưu vào cuối thập niên 50 Những ứng dụng của sóng RF trong việc xác định vật thể trong suốt thập niên 50 giới hạn chủ yếu trong quân đội, phòng nghiên cứu, trong các đoanh nghiệp lớn bởi vì những thiết bị này có giá rất cao và kích thước lớn Những thiết bị to lớn và công kểnh nêu trên là tiền thân của công nghệ RFID ngày nay / x \ = ee Dp | \ © Ee
@œ + pe WAS kh} 2) AN 1958: Jack Kilby `7
1922: Bình \ ` ` / im)» invents the of Radar \ —“” ⁄ | integrated ©
1880s: Fundamental advance thoughts lí circuit at
wnderstanding of around 1950s: Early RFID technology Texas
Electromagnetic Energy RFID technology is used in Research Labs Instruments ©
L L J 1 1 J 1
† † † † † † †
1897: 1937: NRL developed Late 1950s: =
Guglielmo Marconi the IFF System IFFbecomes =|
Trang 101.1.1.2 Thời kỳ phát hiện các vật thê riêng biệt
Trong suốt thập kỷ 70, công nghiệp sản xuất, vận chuyển bắt đầu nghiên cứu và phát triển những dự án để tìm cách dùng IC (Intergated Circuit)dua trén cong
nghệ RFID Có nhiều ứng dụng trong công nghiệp tự động, xác định vật nuôi, theo
dõi lưu thông Trong thời kỳ này thẻ có IC tiếp tục phát triển và có các đặc tính: bộ
nhớ ghi được, tốc độ đọc nhanh hơn và khoảng cách đọc xa hơn
Vào đầu thập niên 80, công nghệ RFID được áp dụng trong nhiều ứng dụng: đặt tại các đường ray ở Mỹ, đánh dấu vật nuôi các nông trại ở Châu Âu Công nghệ RFID còn dùng trong nghiên cứu động vật hoang dã đánh dấu các loài nguy hiểm va có nguy cơ tuyệt chủng
Đến thập niên 90, công nghệ RFID trở nên phổ biến và được sử dụng nhiều trong thu phí điện tử ở các nước: Ý, Tây Ban Nha, Bồ Đào Nha, Mỹ Những hệ thống này cung cấp những dạng truy cập điều khiển phức tạp hơn bởi vì nó còn bao gồm cả máy trả tiền Đầu những năm 1990, nhiều hệ thống thu phí ở Bắc Mỹ tham gia vao nhom cé tén IAG (E-Zpass Interagency Group) cing nhau phat triển những vùng có hệ thống thu phí điện tử tương thích với nhau Đây là cột mốc quan trọng để tạo ra những ứng dụng tiêu chuẩn Hầu hết những tiêu chuẩn tập trung các đặc tính kỹ thuật như tần số hoạt động và giao thức giao tiếp phần cứng E-Zpasscòn là một thẻ đơn tương ứng với một tài khoản trên một phương tiện Thẻ của xe sẽ truy cập vào hệ thống thu phí của đường cao tốc mà không phải dừng lại E-Zpassgiúp việc lưu thông đễ dàng hơn và giảm lực lượng lao động kiểm soát vé và thu tiền
Trang 11Bang 1.1 So sánh các phương pháp điều khiển truy cập thông thường và điều khiển truy cập RFTD Phương pháp điều 3
Uu diém Nhueoc diém
khién truy cap
Chìa khóa kim loại ` ` - Dễ dàng copy - Không cân nguồn điện , - - Khóa có thê bẻ - Dê sử dụng ~ - Dé bi trom Khóa kết hợp - Co thé dé dang thay déi su két hop - Không có chia khóa nên không lo bị mắt hay bị đánh cắp - Đắt hơn khóa kim loại - Dễ bị tấn công Thẻ đóng dâu
- Không thê nhân lên dễ dàng như khóa kim loại - Sử dụng kỹ thuật cũ ít linh hoạt Thẻ dùng dải từ trường AM - Kho sao chép - Có săn bộ đọc card - Sử dụng lâu thẻ sẽ hư - Việc lắp đặt yêu cầu
người có tay nghé (IT) Thẻ thông minh - Cùng một thẻ có thê sử dụng cho nhiều ứng dụng - Có khả năng bảo mật cao hơn thẻ dùng dải từ trường - Đắt hơn thẻ từ trường
The RFID - Nhu thẻ thông minh
- Không cần phải tiếp xúc - Dat hon thẻ thông
minh
Trang 12conrio - Có thẻ găn lên sản "` phẩm va didi da
Điều khiển công nghệ RFID tiếp tục có những bước tiến mới Các nhà sản xuất xe hơi đã dùng thẻ RFID trong gần một thập kỉ qua cho hệ thống đánh lửa xe hơi và chống mất trộm xe APPROVED 1960s: Electronic b Article Surveillance (EAS) from
Sensormatic 1987: First commercial
and Checkpoint 1970s: Numerous application of Electronic
Systems RFID patents emerge Toll Collection in Norway
t— E——1
Sun 1970s: Giants 1970s and 1980s: Commercial uses of 1989: 7
AÍ RCA, Fairchild RFID under development for animal tracking Electronic 50 | (1ý QO ond — n and factory automation Toll Collection aoe baa
Dian) ) pursue TY i by the Dallas | ‘
active! ly |e ; North Turnpike 2.) |
Y / i) bee Sots ‘i
” 6Á 5:
Hình 0.2 Những mốc quan trọng từ năm 1960 đến 1990
1.1.1.3 Thời kỳ công nghệ RFID phát triển trên phạm vi toàn cầu
Cuối thế kỉ 20, các ứng dụng sử dụng công nghệ RFID bắt đầu phát triển mạnh trên phạm vi toàn cầu Dưới đây là một số bước tiến quan trọng góp phần đây mạnh
sự phát triển này
Trang 13- Nam 1991, Texas Instrument đã đi tiên phong trong công nghệ RFID ở Mỹ, công ty đã tạo ra một hệ thống xác nhận và đăng ký Texas Instrument Hệ thống TI- RFID (Texas Instruments Radio Frequency Identification System) da tré thanh nén tan cho phát triển và thực hiện những lớp mới của ứng dụng công nghệ RFID
- Cuối những năm 1990 đầu năm 2000 các nhà phân phối như Wal-Mart, Target, Metro Group và các cơ quan chính phủ như U.S Department of Defense bắt đầu phát triển và yêu cầu việc sử đụng công nghệ RFID bởi nhà cung cấp Vào thời điểm này EPCglobal được thành lập, EPCglobal đã hỗ trợ hệ thống mã sản phẩm dién tt EPC (Electronic Product Code) hệ thông này đã trở thành tiêu chuẩn cho
xác nhận sản phẩm tự động
late 1990s: 2003: RFID
UHF Tags open Technology used
new possibilities by the U.S
1990: E-Z Pass paves the way for creating
— level in Supply Chain Department of
standards for ' 8 Management Defense in Operation
| interoperability weed a ramon oo solutions Iraqi Freedom |
1 J 1 1 i 1 L Ì q T q q q Ĩ q T
1990s: RFID 1991: Texas Instruments 2000s: Wal-Mart, 2003: EPCglobal
applications establishes TIRIS Target and other established from earlier
flourish (later named TI-RFid) AC work at the MIT Auto-ID labs ? mandate the use of RFID a suppliers riser EPCglobal ® à /&MPJ Hình 0.3 Những mốc quan trọng từ năm 1990 cho đến nay 1.1.2 Ứng dụng công nghệ RFID
Ngày nay, công nghệ RFID được ứng đụng rất rộng rãi trong các lĩnh vực như: cải tiến quá trình hoạt định và điều hành dây chuyển cung ứng cho các nhà sản xuất;tăng hiệu quả trong kinh doanh và hạn chế mắt cắp đối với các nhà bán lẻ;
quản lý dụng cụ, tránh thay nhằm dụng cụ và theo dõi xem các dụng cụ làm việc
như thế nào đối với các cửa hàng bán máy móc; kiểm soát lối ra vào ở các tòa nhà:
Trang 14trai; xac dinh thong tin ma SỐ Series, nguồn gốc sản phẩm, kiểm soát được sản phẩm
nhập xuất cho các ngành công nghiệp: quản lý bạn đọc, quản lý sách, giúp giảm thời
gian tìm kiếm, kiểm kê và chống được tình trạng mất sách ngành thư viện; lưu trữ
thông tin bệnh nhân trong ngành y khoa Ngồi ra, cơng nghệ RFID còn xác định vị
trí, theo dõi, xác thực sự đi lại của mọi người giúp nâng cao an ninh ở biên giới và
cửa khẩu như mô hình hệ thống quản lý bằng RFID tại sân bay được DHS (hội an ninh quốc gia Mỹ) áp dụng từ 1/2005 Tại Mỹ từ tháng 10/2006 và tại Anh, Đức, Trung Quốc từ 2008, hộ chiếu và CMND gắn chip RFID lưu các thông tin như tên tuổi, quốc tịch, giới tính, ngày tháng năm sinh, nơi sinh, ảnh số của người sử ` dụng đã được áp dụng
Hình 0.4 Ứng dụng công nghệ RE'ID trong thu phí đường bộ
1.1.3 Những ưu điểm của công nghệ RFID so với các công nghệ khác
Có nhiều cách để định danh đồ vật, con vật hay người; thế nhưng vì sao phải dùng công nghệ RFID? Con người đã chú ý đến việc kiểm kê hàng hóa từ rất lâu Ngay cả những cách dùng chữ viết để định danh việc vận chuyên hàng và định nghĩa hợp đồng vận chuyển hàng giữa hai người có thể chưa bao giờ gặp mặt Thẻ viết tay và bảng ghi tên hoạt động tốt trong việc định danh một số mặt hàng hay một vài người, nhưng để định đanh và chỉ dẫn hàng ngàn gói hàng trong một thời gian
Trang 15Mã vạch có lẽ là loại thẻ đọc bằng máy tính phổ biến nhất, nhưng ánh sáng
dùng để quét tia laser lên mã vạch lại có một số yêu cầu hạn chế Quan trọng nhất là, nó đòi hỏi một “tia nhìn” trực tiếp, không có vật nào cản trở tia laser đến mã
vạch Những loại thẻ khác dùng từ trường như thẻ tín dụng, cũng phải “xếp hàng” ngay ngắn trước bộ đọc thẻ hay phải nhét vào bộ đọc thẻ đúng cách Dù bạn theo dõi hàng hóa trên băng chuyển hay trẻ con trong một chuyến trượt tuyết thì việc xếp chúng vào hàng cũng mất thời gian Sinh trắc học có thể giúp nhận diện người, nhưng nhận điện nhờ dấu vân tay và tròng mắt cũng cần phải xếp hàng, cũng như dùng thẻ từ Quét mao mạch trên mặt cũng đòi hỏi bạn phải quay mặt vào camera và ngay cả nhận diện bằng giọng nói cũng hoạt động tốt hơn nếu bạn nói trực tiếp
vào thiết bị nhận diện Riêng công nghệ RFID cung cấp cơ chế định danh một đối
tượng trong một khoảng cách nào đó, mà không cần phải nhìn thấy hay sắp xếp đối
tượng vào một vị trí nhất định Bộ đọc có thể “nhìn” thấy đối tượng ngay khi đối
tượng không hướng về phía bộ đọc Ngồi ra, cơng nghệ RFID có những giá trị khác làm cho nó thích hợp với việc làm nên một “Internet of Things” hơn các công nghệ khác (như mã vạch hay thẻ từ) Người ta không thể thêm thông tin vào mã
vạch sau khi in, trong khi một số loại thẻ REID có thê được ghi đi ghi lại nhiều lần
Hơn nữa, vì công nghệ RFID làm giảm yêu cầu xếp các đối tượng thành hàng để
kiểm tra nên nó hoạt động kín đáo hơn Nó chỉ hoạt động phía sau hiện trường, đưa
dữ liệu về các mối quan hệ giữa các vật thể, nơi chốn và thời gian rồi tập trung dữ liệu mà không cần sự can thiệp của người sử dụng hay người vận hành Sau đây là một số ưu điểm của công nghệ RFID:
- Chúng không bị giới hạn đường ngắm (line of sight) giống như mã vạch
- Một đầu đọc duy nhất có thể đọc nhiều đối tượng cùng một lúc
- Các thẻ RFID có thể được sử dụng trong các môi trường khắc nghiệt Các hệ
thống RFID có thể chịu được độ nóng và lạnh cực cao, thậm chí tiếp xúc với hóa chất Thẻ có thể được đọc xuyên qua độ dày 2 inch của các mãnh vỡ phi kim loại, nhựa, vải và bê tông
Trang 16- Tốc độ của đầu đọc
- Khả năng lưu trữ dữ liệu - Khả năng đọc ghi
1.1.4 Tiềm năng của công nghệ RFID
Như da dé cap, kha nang gan định danh điện tử vào một đối tượng có thể mở rộng Internet vào thế giới Vật chất, biến đối tượng thành một “Internet of things”
Thay vì đòi hỏi con người phải tương tác với nhau để theo dõi tài sản hay hàng hóa, các ứng dụng có thê “thấy” món hàng trên mạng nhờ định danh điện tử và kết nối RFID với mạng không dây Đối với các doanh nghiệp, điều này có nghĩa là quá
trình tự động hóa diễn ra nhanh hơn, kiểm soát quy trình sản xuất chặt chẽ hơn,
kiểm kê hàng hóa liên tục và chích xác hơn Các đối tác kinh doanh cuối cùng sẽ có thé trao đổi thông tin về sản phẩm từ đầu này đến đầu kia của đây chuyển cung ứng và có thể nhận ra ngay tức thì vị trí và tình trạng hiện thời của các hàng hóa
Các quân nhân, cảnh sát, cứu hộ viên có thể đùng công nghệ RFID để xây
dựng và cấu hình những thiết bị phức tạp dựa trên các luật được bảo đảm nhờ các bộ đọc thẻ
Đối với cá nhân, công nghệ RFID có thể cung cấp các hệ thống giao điện ít cần đến sức người Những hệ thống thông minh này có thê cho bạn biết quần áo nào trong tủ đồ của bạn hợp với nhau Các quây thuốc thông minh có thể cảnh báo bạn về việc hai loại thuốc nào sẽ tương tác bất lợi với nhau khi được uống cùng Cũng có thể các siêu thị trong tương lai cũng không cần đến quây tính tiền, bạn có thể lấy hàng hóa đầy giỏ xe đây rồi bộ đọc trong xe đẩy sẽ quét và cộng lại thành tổng số
tiền bạn phải trả, màn hình trên kệ sẽ mời bạn mua thêm hàng gì, thậm chí chúng sẽ
hướng dẫn bạn đến quầy bán những nguyên liệu trong một công thức nấu ăn, dựa
trên những món bạn đã chọn Khi bạn bước qua cửa, bạn sẽ đặt ngón tay cái vào một điểm trên tay Xe đây để xác nhận việc chi trả Cho nên, một người ăn cắp vat sé
không làm được gì khi muốn lấy đi một món hàng mà không phải trả tiền Ngoài ra, một số ứng dụng công nghệ RFID được đùng trong nghề phi công, quản lý thư viện,
Trang 17quan kho video dé ngăn trộm Một số cửa hàng ở Nhật dùng điện thoại di động có
RFID dé mua hang qua máy bán hàng tự động Các doanh nghiệp đùng công nghệ RFID để theo đối hàng hóa, các trang trại chăn nuôi dùng để theo dõi vật nuôi và trong tương lai công nghệ RFID sẽ vào nhà, vào siêu thị khi giá thành giảm và khi hạ tầng thông tin sử dụng và duy trì công nghệ mới này đã sẵn sàng
1.2 HE THONG MANG RFID 1.2.1 Khái niệm
Hệ thống mạng RFID là một tập hợp các thành phần mà nó thực thi giải pháp RFID
1.2.2 Thành phần của một hệ thong mang RFID
Một hệ thống mạng RFID bao gồm các thành phần sau:
e Thẻ (/ag) RFID: là một thành phần bắt buộc, được lập trình điện tử với
thông tin duy nhất
e B6 doc (reader)RFID: 1a thành phan bắt buộc, thực hiện truy vấn các thẻ
RFID
° Ăngten (Antena): la thanh phan bắt buộc, làm nhiệm vụ bức xạ, thu sóng điện tử và gia công tín hiệu (một số bộ đọc hiện nay đã thích hợp sẵn ăngten)
e Cảm biến (sensor), bộ điều tiết (actuator) và bảng tín hiệu điện báo
(anmuneiafor): những thành phần này hỗ trợ nhập và xuất của hệ thống
e Mạch điều khiển (Comfroller): là thành phần bắt buộc, được gắn liền
trong các bộ đọc.Cho phép các thành phần bên ngoài giao tiếp điều khiển các chức
năng của bộ đọc, bảng tín hiệu điện báo, cơ cầu chấp hành kết hợp với bộ đọc
e Máy chủ (server) và hệ thống phần mềm: về mặt lý thuyết, một hệ thống
mang RFID co thé hoat động độc lập không có thành phần này, nhưng thực tế một
hệ thống mạng RFID gần như không có ý nghĩa nếu không có thành phần này © Cơ sở hạ tầng truyền thông: là thành phần bắt buộc, nó là một tập hợp mạng không dây và mạng có đây và các bộ phận kết nối tuần tự để kết nối các thành
phần đã liệt kê ở trên với nhau để hoạt động hiệu quả
Trang 18
Co so ha tang truyen thong
The Angten [ Máy RFID chủ và hệ thống ` Mạch 5 Bộ đọc nà phan RFID khiến oe Si è Cảm biến Bộ điều tiết Bảng tín hiệu điện báo Hình 0.5 Các thành phần của một hệ thống mạng RFID
1.2.3 Phương thức hoạt động của hệ thông mạng RFID
Phương thức hoạt động của hệ thống mạng RFID làm việc như sau:
- Thé (tag): truyền một tín hiệu tần số vô tuyến điện từ thông qua ăngten của nó đến một con chip
- Bộ đọc (reader): nhận thông tin trở lại từ chip và gửi thông tin đến máy tính
điều khiển bộ đọc và xử lý thông tin lay được từ chip
- Các chip không tích điện, chúng hoạt động bằng cách sử dụng năng lượng
nhận từ tín hiệu được gửi bởi bộ đọc a oe Transmitting, , ~ DEG L Power
Reader control Interface
and get data RS 232 RS 422
RS 485
Hinh 0.6 Phuong thirc hoat déng cha hé thong mang RFID
Trang 19Đây là một phương pháp đáng tin cậy để phát hiện và giám sát điện tử, một dạng mới của phương pháp truyền thông tin vô tuyến Cũng có thể hiểu RFID như
một loại mã vạch điện tử, trong đó dữ liệu được mã hóa dưới dạng bít, được truyền
đi và nhận biết thông qua sóng vô tuyến
Thẻ REID có hai loại: tích cực và thụ động Các bộ thu phát tích cực có một
nguồn nuôi trong khi các bộ thu phát thụ động thu năng lượng từ chính tín hiệu sóng
vô tuyến mà nó nhận được từ các bộ đọc Loại thẻ thụ động được ứng dụng rộng rãi
hơn cả Thẻ RFID thụ động hoạt động nhờ năng lượng sóng vô tuyến thu được qua ăngten mà không cần nguồn nuôi Điện thế AC cảm ứng này được chỉnh lưu để
cung cấp nguồn điện cho thiết bị Thiết bị bắt đầu hoạt động khi điện thế DC đạt được một giá trị xác định Bằng viéc cung cấp một tín hiệu RF mang năng lượng, một bộ đọc có thể giao tiếp từ xa với một thiết bị không có nguồn nuôi
s1 Hl of @ XS, #§ “
Hình 0.7 Các dạng thé RFID hién nay
1.3 MANG CAM BIEN KHONG DAY
1.3.1 Giới thiệu vỀ mạng cẩm biết không dây
Mạng cảm biến khong day - WSNs(Wireless Sensor Networks) là mạng bao gồm một tập hợp các thiết bị cảm biến sử dụng các liên kết không dây (vô tuyến,
Trang 20héng ngoại hoặc quang) để 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 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 Các nút cảm biến không dây có thể được triển khai cho các mục đích chuyên dụng như: điều khiển giám sát và an ninh, kiểm tra môi trường, tạo ra không gian sống thông minh, khảo sát đánh giá chính xác trong nông nghiệp và trong lĩnh vực y tế Lợi thé chủ yếu của chúng là khả năng triển khai hầu như trong bất kỳ nơi 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
tôc độ cao
Ngày nay, mạng cảm biến không dây được triển khai và ứng dụng nhiều vào
các lĩnh vực khác nhau như: theo dõi sự thay đổi của môi trường, khí hậu, giám sát các mặt trận quân sự, phát hiện và do thám việc tấn công bằng hạt nhân, sinh học và hoá học, chuẩn đoán sự hỏng hóc của máy móc, thiết bị, theo dõi bệnh nhân, quản
lý thuốc trong các bệnh viện, theo dõi và điều khiển các phương tiện giao thông,
cảnh báo các thảm họa, thiên tai
Tiêu chuẩn tần số của mạng cảm biến không dây đang được áp đụng hiện nay
là IEEE 802.15.4, chuẩn hoạt động tại tần số 2.4GHz được ứng dụng trong khoa
học, giáo dục, y học và công nghiệp Tốc độ đường truyền có thê lên tới 250Kbps ở khoảng cách từ 9m đến 60m
Trang 21Cảm biến 1 âm biến 3 Cảm biến 3 Cảm biến 4 Cảm biến & Cảm biến 6 HTHTHTTTTrHirrrrrrrrtittfrrrtrrrrrrrrHfTrrrrrrrrrrtrrirrrrrrrrrrrrrrmm "Thiết bị lặp tín hiệu “Thiết bị lặp tín hiệu Máy trạm 1 ñ LẺ bs a <n Ly tn s Miiy chti eRTM Nguồn năng lượng cục bộ
Hình 0.8 Mô hình mạng câm biến không dây
1.3.2 Cấu trúc của mạng cảm biến không dây
Một mạng cảm biến không đây bao gồm số lượng lớn các nút được thiết lập
dầy đặc bên trong hoặc ở gần đối tượng cần thăm dò, thu thập thông tin dữ liệu VỊ
trí các cảm biến không cần định trước vì vậy nó cho phép triển khai ngẫu nhiên trong các vùng không thể tiếp cận hoặc các khu vực nguy hiểm Khả năng tự tô chức mạng và cộng tác làm việc của các cảm biến không dây là những đặc trưng rất cơ bản của mạng này Với số lượng lớn các cảm biến không dây được triển khai gần
nhau thì truyền thông đa liên kết được lựa chọn để công suất tiêu thụ là nhỏ nhất và
Trang 22Các nút cảm biến được triển khai trong một trường cảm biến Mỗi nút cảm
biến được phát tán trong mạng có khả năng thu thập số liệu, định tuyến số liệu về
bộ thu nhận để chuyển tới người dùng 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 nên tảng, tức là không có các trạm thu phát gốc hay các trung tâm điều khiển Bộ thu nhận có thê liên lạc trực tiếp với trạm điều hành của người đùng hoặc gián tiếp thông qua Internet hay vệ tinh
Mỗi nút cảm biến bao gồm bốn thành phần cơ bản là: bộ cảm biến, bộ xử lý,
bộ thu phát không đây và nguồn điện Tuỳ theo ứng đụng cụ thể, 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
Bộ cảm biến thường gồm hai đơn vị thành phần là đầu đo cảm biến và bộ
chuyền đổi tương tự số ADC 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 thê 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 thé 1a pin hoặc ắc quy, cung cấp năng lượng cho nút cảm biến và không thay thế được nên nguồn năng lượng của nút
thường 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 để đi chuyển các nút cảm biến theo yêu cầu để đảm bảo các
nhiệm vụ được phân công
Trang 23
| Héthéng dink vivitri | BOphindidgng
Khoi cam bién | Khỗi xử lý | Bộ xử lý Bộ thu phát ở Cảm biến |ADC > ‹ cai Angten Bộ nhớ vo tuyén ` Khối nguồn | Bo phat dién
Hinh 0.10 So do cau tric cha mét nit cam bién
1.3.3 Đặc điểm của mạng cảm biến không dây
- Kích thước vật lý nhỏ gọn: Kích thước và công suất tiêu thụ điện luôn chỉ phối khả năng xử lý, lưu trữ và tương tác của các thiết bị cơ sở Việc thiết kế các phần cứng cho mạng cảm biến cần chú trọng đến giảm kích cỡ và công suất tiêu thụ điện năng với yêu cầu nhất định cho khả năng hoạt động Việc sử dụng phần mềm phải tạo ra các hiệu quả để bù lại các hạn chế của phần cứng
- Hoạt động đồng thời với độ tập trung cao: Hoạt động chính của các thiết bị trong mạng cảm biến là đo lường và vận chuyển các đòng thông tin với khối lượng xử lý thấp, gồm các hoạt động nhận lệnh, đừng, phân tích và đáp ứng Vì dung lượng bộ nhớ trong nhỏ nên cân tính toán rất kỹ về khối lượng công việc cần
xử lý và các sự kiện mức thấp xen vào hoạt động xử lý mức cao Một số hoạt động
xử lý mức cao sẽ khá lâu và khó đáp ứng tính năng thời gian thực Do đó, các nút mạng phải thực hiện nhiều công việc đồng thời và cần phải có sự tập trung xử lý
cao độ
- Khả năng liên kết vật lý và phân cấp điều khiển hạn chế: Tính năng điều khiển ở các nút cảm biến không dây cũng như sự tỉnh vi của liên kết xử lý, lưu trữ, chuyển mạch trong mạng cảm biến không dây thấp hơn nhiễu trong các hệ thống thông thường Điển hình, bộ cảm biến hay bộ điều tiết (actuator) cung cấp một giao
diện đơn giản trực tiếp tới một bộ vi điều khiển chip đơn (đảm bảo tiêu thụ điện
Trang 24thấp nhất) Ngược lai, các hệ thống thông thường, với các hoạt động xử lý phân tan,
đồng thời kết hợp với một loạt các thiết bị trên nhiều mức điều khiển được liên hệ bởi một cấu trúc mạch nối phức tạp
- Tính đa dạng trong thiết kế và sử dụng: Các thiết bị cảm biến được nối mạng có khuynh hướng đành riêng cho ứng dụng cụ thê, tức là mỗi loại phần cứng chỉ hỗ trợ riêng cho ứng dụng của nó Vì có một phạm vi ứng dụng cảm biến rất
rộng nên cũng có thể có rất nhiều kiểu thiết bị vật lý khác nhau Với mỗi thiết bị
riêng, điều quan trọng là phải đễ dàng tập hợp phần mềm để có được ứng dụng từ
phan cứng Như vậy, các loại thiết bị này cần một sự điều chỉnh phần mềm ở một
mức độ nào đó để có được hiệu quả sử đụng phần cứng cao Môi trường phát triển chung là cần thiết để cho phép các ứng đụng riêng có thể xây dựng trên một tập các thiết bị mà không cần giao diện phức tạp Ngoài ra, cũng có thể chuyên đổi giữa phạm vi phần cứng với phần mềm trong khả năng công nghệ
- Hoạt động tin cậy: Các thiết bị có số lượng lớn, được triển khai trong phạm vi rộng với một ứng dụng cụ thể Việc áp dụng các kỹ thuật mã hóa sửa lỗi truyền thống nhằm tăng độ tin cậy của các thiết bị riêng lẻ bị giới hạn bởi kích thước cảm biến và công suất Việc tăng độ tin cậy của các thiết bị riêng lẻ là điều cốt yếu Thêm vào đó, chúng ta có thê tăng độ tin cậy của ứng dụng bằng khả năng chấp
nhận và khắc phục được sự hỏng hóc của thiết bị đơn lẻ Như vậy, hệ thống hoạt
động trên từng nút đơn không những mạnh mẽ mà còn dễ đàng phát triển các ứng dụng phân tán tin cậy
1.3.4 Ứng dụng của mạng cảm biến không dây
- Giám sát và điều khiển công nghiệp: Đặc thù của giám sát và điều khiển công nghiệp là môi trường nhiễu lớn, không đòi hỏi lượng lớn dữ liệu thông tin được truyền tải nhưng yêu cầu rất cao về độ tin cậy và đáp ứng thời gian thực Mạng cảm biến không đây được ứng dụng trong linh vực này chủ yêu phục vụ việc
thu thập thông tin, giám sát trạng thái hoạt động của hệ thống, như trạng thái các van, trạng thái thiết bị, nhiệt độ và áp suất của nguyên liệu được lưu trữ, Ngoài
Trang 25cũng thê hiện nhiều tính năng vượt trội Đó là hệ thống điều khiển không dây ánh sáng quảng cáo Rất nhiều chi phí trong quá trình cài đặt các bóng đèn trong một tòa
nhà lớn (các chuyền mạch có dây, các bóng đèn được bật/tắt cùng nhau, điều khiển bóng đèn, .) Một hệ thống không dây có tính mềm dẻo có thể tận dụng một bộ điều khiển từ xa có thể được lập trình để điều khiển một số lượng các bóng đèn
trong một theo nhiều cách khác nhau gần như vô hạn, trong khi vẫn cung cấp mức
độ an ninh được yêu câu bởi một bộ phân lắp đặt quảng cáo Hay việc sử dụng các
mạng cảm biến không dây trong các ứng dụng an tồn cơng nghiệp Các mạng cảm
biến không dây có thể tận dụng các cảm biến để phát hiện sự hiện diện của các chất độc hại hoặc các vật liệu nguy hiểm, cung cấp quá trình phát hiện và nhận dạng sớm các khe hở hoặc phát hiện tràn các tác nhân hoá học hoặc sinh học trước khi thiệt
hại nghiêm trọng có xảy ra (và trước khi các chất vượt ra ngoài vùng kiểm soát) Bởi vì mạng không dây có thể sử dụng các thuật toán định tuyến phân tán, có nhiều
đường định tuyến, và có thể tự chữa trị và tự duy trì, chúng có thể co giãn trong mặt
ngoài của quá trình bùng nỗ hoặc các thiệt hại khác đến máy công nghiệp, cung cấp các thẩm quyền với thông tin trạng thái máy quyết định dưới các điều kiện rất khó Trong một ứng dụng khác, đó là quá trình giám sát và điều khiển cơ cấu quay hoặc chuyển động trong không gian là một lĩnh vực khá phù hợp với các mạng cảm biến không dây (máy bay, vật thê bay .) Ngoài ra, nó còn ứng dụng trong các lĩnh vực khác như hệ thống nồi hơi, thông hơi và điều hòa không khí (HVAC) của các toà
nhà Một hệ thống HVAC được trang bị với các bộ ổn nhiệt và chống rung không
dây sẽ mang lại hiệu quả bảo vệ con người tốt hơn nếu cũng hệ thống HVAC đấy
mà chỉ được trang bị một bộ ổn nhiệt đơn có dây
- Tự động hoá gia đình và điện dân dụng: Gia đình là không gian ứng dụng rất lớn cho các mạng cảm biến không dây SmartHome là thuật ngữ đề chỉ một ngôi nhà thông minh với sự ứng dụng toàn diện của các thiết bị cảm biến không dây Một ứng dụng được điều khiển chung từ xa, một PDA có thể điều khiển TV, máy nghe
DVD, dàn âm thanh nổi và các thiết bị điện tử gia đình khác hay các bóng đèn, các
cánh cửa, và các ô khoá cũng được trang bị với kết nối mạng cảm biến không dây
Với điều khiển chung từ xa, một bộ có thể điều khiển ngôi nhà từ tiện ích trên ghế
Trang 26Tuy nhiên, khả năng hấp dẫn nhất đến từ sự kết hợp nhiều dịch vụ, giống như các
cánh cửa tự động đóng khi TV được bật, hoặc có thể tự động ngưng hệ thống giải trí gia đình khi có cuộc điện thoại gọi đến hoặc chuông cửa reo Mục đích lớn của các
mạng cảm biến không dây trong gia đình được mong chờ là mức tiêu thụ điện thấp là điều kiện thiết yếu của các mạng cảm biến không dây Ứng dụng khác trong gia
đình là việc hỗ trợ các dịch vụ gia đình trên ôtô Với các mạng cảm biến không dây,
ô khố khơng dây, các cảm biến cửa ra vào và cửa số, và các bộ điều khiển bóng
đèn không dây, chủ nhà có một thiết bị tương tự như một key-fob với một nút bắm 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 đụng nhận một tiếng beep
một lần hồi đáp thể hiện tất cả đã thực hiện thành công, và nghỉ ngơi hồn tồn, như vậy ngơi nhà an toàn Khi một cánh cửa hỏng không thể mở, hoặc vấn để tổn tại, một màn hình hiển thị trên thiết bị chỉ thị nơi bị hỏng
- Triển vọng của mạng cảm biến không dây trong quân sự: Các mạng cảm biến không dây là một phần không thể thiếu trong các ứng dụng quân sự ngày nay
với các hệ thống mệnh lệnh, điều khiến, thu thập tin tức tỉnh báo truyền thông, tính toán, theo dõi kẻ tình nghi, trình sát và tìm mục tiêu Các đặc tính triển khai nhanh
chóng, tự tổ chức và khả năng chịu đựng lỗi của các mạng cảm biến cho thấy đây là một công nghệ đây triển vọng trong lĩnh vực 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 dụng 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
- Mạng cảm biến không dây trong 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, chân đoán bệnh, quản lý dược
Trang 27phẩm trong bệnh viện, kiểm tra su di chuyền 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 các bác sĩ và bệnh nhân bên trong bệnh viện
- Mạng cảm biến không dây với môi trường và ngành nông nghiệp:Một số các ứng dụng về môi trường của mạng cảm biến không dây bao gồm theo dõi sự di
chuyển của các loài chim, loài thú nhỏ, côn 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 phạm vi rộng và thám hiểm các hành tinh, 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 và 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 gia súc
Hình 0.11 Một số ứng dụng điển hình của mạng cảm biến không dây 1.4 RFID TÍCH HỢP VỚI MẠNG CAM BIEN KHONG DAY
Hiện nay, công nghệ RFID được xem là công nghệ nóng nhất trên thế giới, trong khi cảm biến không dây lại là một trong những chủ để tập trung vào kỹ thuật
Trang 28điện tử và khoa học máy tính Ngày càng có nhiều công ty và các nhà nghiên cứu cố găng tích hợp hai công nghệ này với nhau đề cung cấp cho các ứng dụng cụ thé 1.4.1 Sự khác nhau giữa RFID với mạng cảm biến không dây
Đa phần các ứng dụng của mạng cảm biến không dây đùng để giám sát các đối
tượng và nhận biết các điều kiện môi trường Ngược lại, RFID được sử dụng để phát hiện sự hiện diện và vị trí của các đối tượng Nói cách khác, các mạng cảm
biến không dây là các mạng multi-hop, trong khi đó hệ thống RFID tuân theo single-hop Firmware của các nút trong mạng cảm biến không dây có thể được lập
trình một cách dễ dàng, nhưng đối với hầu hết các bộ đọc RFID không thể được lập trình bởi người dùng Bảng 0.2 So sánh các thuộc tính của RFID với mạng cảm biến không dây Các thuộc tính RFID Mang cam bién khéng day
Phát hiện sự hiện diện | Nhận biết các tham số môi của các dối tượng được | trường hoặc cung cấp thông tin Mục đích , ` s găn thẻ về tình trạng của các đôi tượng được gắn thẻ
Cac nut cam bién, cac nut
Thanh phan Cac thẻ và các dau doc ¬¬
chuyên tiệp, các sink
Giao thức Các chuẩn RFID Zigbee, Wi-Fi
Truyén thong Single-hop Multi-hop Các thé di chuyển cùng các | Các nút cảm biến thường là cố Khả năng di động n : đôi tượng được găn vào định
Tùy theo loại thẻ, được | Tích hợp pin để cung cấp năng
, tích hợp pin đối với thể | lượng
Trang 29dong Khả năng lập trình Thông thường là không | Co thể lập trình Bộ đọc đắt Nút cảm biến: trung bình Giá „ Thẻ rẻ Sink: dat Cố định, thường phải | Ngẫu nhiên hoặc cố định 'Triên khai ¬¬ sắp xêp cân thận
1.4.2 Lợi ích của việc tích hợp RFID với mạng cảm biến không dây
RFID tích hợp với mạng cảm biến không dây cho phép RFID day manh tính logic vào các nút đề tăng khả năng giao tiếp giữa bộ đọc và thẻ Điền hình, các cảm biến RFID được phát triển bởi Trung tâm an toàn thực phâm của Trường Đại học
Aubum Hoa Kỳ có thể đo độ nhiễm bần do vi khuẩn Nó có thể hoạt động ở chế độ
báo động với mỗi lần phát hiện thực phẩm có vấn dé
RFID tích hợp với mạng cảm biến không dây có thể cung cấp nhiều cách thức làm việc cũng như khả năng mở rộng các ứng dụng của RFID để hoạt động trong
khu vực rộng lớn hơn Chúng tỏ ra rất hữu ích trong sản xuất và hoạt động được
trong những điều kiện môi trường mà các công nghệ khác không có khả năng thực
hiện được
1.4.3 Tương lai và thách thức
Mặc đù RFID đã nhận được rất nhiều sự quan tâm của các ngành công nghiệp Tuy nhiên, các nhà nghiên cứu cần phải nỗ lực nhiều hơn việc tích hợp RFID với mạng cảm biến không dây trong tương lai Vì thiết nghĩ việc tích hợp hai công nghệ này lại với nhau sẽ cho ra nhiều ứng dụng mới, trong đó có thể ứng dụng cho robot
làm nhiệm vụ giải cứu, khi ay robot sẽ được trang bị bộ đọc RFID và mạng cảm
biến không dây Các robot sẽ có khả năng nhận biết điều kiện môi trường thông qua các cảm biến và hiểu rõ hơn về môi trường sau khi đọc ID của các đối tượng xung quanh được gắn thẻ Các thông tin về môi trường rất quan trọng, nó được sử dụng
cho việc ra quyết định của các robot Thực tế, nếu để chọn một ứng dụng cho nhu
Trang 30cầu thu thập thông tin về môi trường thì RFID tích hợp với mạng cảm biến không
dây sẽ là lựa chọn tốt nhất
Việc sử dụng công nghệ RFID bán thụ động hay chủ động tích hợp với mạng cảm biến không dây đều có một tương lai đầy hứa hẹn Ngoài ra, sự xuất hiện chipset RFID mới của một số công ty (như Intel) sẽ làm giảm giá thành bộ đọc RFID trong tong lai Tại Việt Nam, nhu cầu sử dụng công nghệ RFID ngày càng nhiều, nó mở ra một thị trường đầy tiềm năng cho các nhà nghiên cứu và sản xuất
RFID-NS RFID Code RFID URI Code Goods Information RFID Middleware Data compression and extraction 4 À
Hình 0.12 Mô hình RF1D tích hợp với mạng cảm biến không dây
1.5 TIEU KET CHUONG 1
Chương này, giới thiệu tổng quan về công nghé RFID va mang cảm biến không dây Tìm hiểu về hệ thống mạng RFID cũng như các thành phần và phương
thức hoạt động của một hệ thống mang RFID Dac biệt là việc tích hợp RFID với
mạng cảm biến không đây đã cho thấy được lợi ích trong việc tích hợp hai công nghệ này lại với nhau, từ đó giúp chúng ta có thể hiểu rõ thêm về các công nghệ mới này
Trang 31CHUONG 2 MOT SO KY THUAT PHAN CUM THE TRONG HE THONG RFID
2.1 GIỚI THIỆU
Hệ thống nhận dạng tần số vô tuyến RFID (Radio Frequency Identification -
RFID) su dung tan s6 radio dé tu động xác định các thẻ RFID Có hai thành phần trong hệ thống RFID, dau doc va thé Hé théng RFID duoc phan loai thanh hệ théng RFID hoat déng (Thé pin) và hệ thống RFID thụ động (Thẻ không pin) Vẫn để va
chạm thẻ là một trong những vấn đề quan trọng nhất trong hệ thống RFID thụ động Các tần số truyền khác nhau được phân thành bốn dải cơ bản, LF (tần số
thấp, vi du: 125KHz), I-IF (tan s6 cao, vi du: 13.56MHz), UHF (tan số cực cao, ví du: 868MHz hoac 915MHz) va vi song (vi du: 2.4GHz ) Viéc ap dung UHF RFID
ngày càng phổ biến: đối với LF và HF RFID, phạm vi đọc thường dưới 60cm; đối
với vi sóng RFID, do độ nhạy cảm với môi trường nên phạm vi đọc tối đa chỉ khoảng Im; đối với REFID UHF, pham vi doc thường có thé dat dén 5m Luan van
này tập trung thảo luận về các hệ thống RFID thụ động UHF
Do khoảng cách giữa đầu đọc và thẻ ngày càng tăng, đầu đọc nên được cấu
tạo để xác định được cùng lúc nhiều thẻ Khi có nhiều thẻ trong khu vực phân tích
và được gửi đữ liệu cùng một lúc có thể gây nhiễu lẫn nhau; đây là một trong các nguyên nhân làm mất đữ liệu và gây ra các xung đột Ngày nay, người fa còn sử dụng một số phương pháp khác nhau nhằm ngăn ngừa các xung đột và đảm bảo rằng chỉ có một thẻ "được nhận diện" Các phương pháp này được gọi là các thuật toán chống xung đột
Đối với các thuật toán chống xung đột trong các hệ thống RFID, thuat toan
dựa trên ALOHA và cây nhị phân (Binary Tree) được sử dụng rộng rãi nhất Cả hai đều dựa trên phương pháp TDMA Lệnh đọc được chia thành nhiều khe khi chỉ có
một thẻ được phản hồi trong một khe, đầu đọc có thể xác định đúng thẻ
Hiện tượng xung đột đọc thẻ như các tác giả trong [4] chỉ ra là hiện tượng tại
Trang 32một thời điểm một đầu đọc nhận được từ 2 mã 7D của các thẻ trở lên; lúc này đầu
đọc không biết phải đọc mã 7D của thẻ nào Đã có một số đề xuất giải quyết vấn đề này chủ yếu dựa trên giải thuật Aloha
Với giải thuật Alohatruyên thống [5][6] các đầu đọc sẽ gửi các truy vấn đến các thẻ nằm trong vùng đọc của nó, sau đó các thẻ sẽ chuyên mã 7D của nó đến đầu đọc theo thời gian một cách ngẫu nhiên Vì vậy mà xác suất xung đột của 2 hay nhiều thẻ đến một đầu đọc trong cùng thời điểm có xu hướng tăng lên
Hình 2.1 Đề xuất về giải thuật FSA
Để giải quyết các vấn để này, các tác giả trong [7] đưa ra giải thuật Slotted
Aloha, cơ bản vẫn dựa trên giải thuật Aloha[5], nhưng để hạn chế sự xung đột trong
đọc thẻ, các tác giả trong [7] phân việc đọc thẻ trong các khe thoi gian (time slots)
khác nhau
Trong [8] các tác giả đề xudt giai thuat FSA (Framed Slotted Aloha
Algorithm) theo đó việc nhận diện các thẻ được chia thành các khung (frame) mà
trong mỗi khung sẽ được chia thành các khe thời gian khác nhau (Xem Hình 2.1) Không giống như 2 giải thuật Aloha và Slotted Aloha, việc đọc mã /Dtrong FSA được thực hiện theo từng vòng lặp qua các khe thời gian
Trong giải thuật FSA đầu đọc sẽ xác định kích thước của khung, sau đó khung
được gửi di để đọc thẻ Mỗi thẻ sẽ chọn ngẫu nhiên một khe truyền ma JD của
chúng, nếu có hiện tượng xung đột xảy ra mã 7D sẽ được truyền lại trong khung tiếp
theo
Trang 33Bằng cách thay đổi kích thước khung động các tác giả trong [8] để xuất giải thuat DFSA (Dynamic Framed Slotted Aloha Algorithm), theo đó kích thước của khung được thay đổi cho phù hợp với số thẻ Xem Hình 2.2) Sau lần đọc đầu tiên kích thước của khung được thay đổi tăng hay giảm phụ thuộc vào số lượng các thẻ nằm trong vùng đọc Các tác giả trong [8] cho rằng giải thuật của ông đạt được hiệu
quả tối đa khi kích thước của khung đúng bằng số lượng các thẻ trong vùng đọc đâf.rame ———e-3-—————— Frame2—=—===—=~= >< Frame3- 1I2I5T215T617T81191ãMSRINSRM - NW1 - |„
Slot for tags
Hình 2.2 Đề xuất về giải thuat DFSA
Nhưcác tác giả trong [8] đã chỉ ra, hiệu quả của hệ thống đạt được tối đa khi
số thẻ đúng bằng kích thước của khung Tuy nhiên, trong trường hợp số lượng các thẻ nằm trong vùng đọc lớn, kích thước của khung không thể tăng vô hạn mãi được, nên nguy cơ xảy ra xung đột là vẫn hiện hữu
Để giải quyết vấn đề này đã có một số đề xuất đưa ra với tư tưởng chính là phân cụm các thẻ khác nhau theo từng nhóm để đọc Liên quan vấn đề này đã có 2 để xuấtđược xem xét dé la EDFSA (Enhanced Dynamic Framed Slotted Aloha Algorithm)[9| va PS (Progressive Scanning Algorithm)[10| ma sé duoc trình bày trong phan tiếp theo của Luận văn
2.2 MỘT SÓ KỸ THUẬT PHAN CUM THE TRONG HE THONG RFID
221 Giải thuật EDFSA e_ Ý tưởng giải thuật
Như đã được trình bày trong phần trước, nếukích thước khung cố định mà số lượng thẻ chưa đọc vượt quá giới hạn kích thước khung, thì khi áp dụng giải thuật Aloha vấn đề xung đột vẫn xảy ra sau các bước đọc thẻ Ở đây, các tác giả trong [9] giả thiết rằng vấn để xung đột không xảy ra khi kích thước khung lớn hơn hoặc
bằng số lượng thẻ (vì sau một số bước các thẻ đếu sẽ được nhận diện trên một khe
Trang 34thoi gian) Do do, khi số lượng thẻ chưa đọc lớn hơn so với kích thước khung thì để xuất trong [9] chia các thẻ chưa đọc vào các nhóm khác nhau Gọi ý số lượng các thẻ chưa đọc, K là kích thước khung, lúc này các thẻ chưa đọc sẽ được chia đều vào trong K nhóm Sau quá trình đọc đầu tiên số thẻ được nhận diện là K thẻ (như phan tích ở trên sau một số bước đọc ở giải thuật Aloha K thẻ này đểu sẽ được nhận điện) Số thẻ chưa được nhận điện là W=W-K, nếu XN lớn hơn kích thước khung K
thi quá trình phân nhóm vẫn sẽ được tiếp tục, nếu X bé hơn K thì việc phân nhóm sẽ kết thúc và kích thước khung K sẽ được điều chỉnh lại bằng đúng số lượng thẻ chưa
đọc Với cách tiếp cậnphân nhóm các thẻ này, việc nhận diện thẻ tránh được xung đột và được thực hiện hiệu quả Tuy nhiên, số lần lặp dé đọc dữ liệu lại tăng lên, chỉ
tiết của giải thuật như được trình bày trong phần tiếp theo e_ Giải thuật
Giải thuật EDESA được mô tả chỉ tiết như sau:
Đầu vào: - Số lượng các thẻ chưa đọc N;
- Danh sách các thẻ chưa đọc Tag;, i=1 N - Kích thước khung K
Đầu ra: - Số lần phân cụm để đọc dữ liệu R Phương pháp:
Buc 1: Néu (K<N) thi
Trang 35Bước 3: lặp lại bước I cho đến khi tât cả các thẻ đều được đọc
Độ phức tạp của giải thuật EDFSA 1a O(R), với R là số lần phân cụm để đọc dữ liệu Chỉ tiết về nguyên tắc hoạt động của EDFSA được mô tả chỉ tiết ở trong sơ đồ sau: - Số thẻ chưa đọc ý - Kích thước khung K - Tag i: i=1,2, N Read(N) Cluster(K) Read(K) N=N-K x > Khả năng phát hiện và hạn chế các thẻ ngoài vùng đọc đề tănghiệusuấtđọc Uu điểm: các thẻ
> Giải quyết tinh trạng xung đột trong đọc thẻ khi số lượng các thẻ lớn hơn nhiều so với kích thước của khung
> Giải thuật tương đối đơn giản và dễ hiểu
* Nhược điểm:
> Chưa đáp ứng được vùng đọc khi số lượng tag tăng cao
> Tiêu hao nguồn năng lượng nhiễu trong quá trình điều chỉnh, giới hạn các
tag
Trang 362.2.2 Giải thuật PS
e_ Ý tưởng giải thuật
Trong giải thuật EDFESA việc chia các thẻ chưa đọc vào các nhóm không chịu
một ràng buộc nào Chính vì vậy các tác giả trong [10]đã để xuất giải thuật PS, trong đó cơ bản vẫn dựa trên ý tưởng phân các thẻ nằm trong vùng đọc của các đầu
đọc vào thành các nhóm, nhưng bây giờ các thẻ được nhóm vào các cụm còn chịu
ảnh hưởng của các ràng buộc như độ trễ thời gian, thông lượng và khoảng cách
Theo đó, các đầu đọc truyền với một năng lượng tối thiểu (P, = Pinin) dé ngan
các thẻ ở xa đầu đọc phản hồi và giúp các thẻ gần nhất có thê phản hồi Chính điều này giúp cho việc đọc dữ liệu từ các thẻ ở gần tốt hơn
Các đầu đọc sẽ tăng mức năng lượng theo một hệ số CĐ, = Pưự„, + R); tất cả
các thẻ mới nằm trong vùng đọc mới sẽ được phản hôi để đọc thẻ Điều này có thể
thực hiện được nếu đầu đọc truyền một lệnh đi kém trong goi ‘header’ đến các thẻ
nằm trong vùng đọc, các thẻ không trả lời sẽ không được đọc cho đến chu kỳ tiếp
theo
Phương thức thực hiện ở trên được lặp lại với các giá trị ¡ khác nhau trong đó Đụ = ĐPưựy + ¡ * (ï— 1,/2,3 ) Trong lần đọc cuối cùng ?„ = Prnaxs kết thúc chu ky thứ nhất của giải thuật PS, số cụm ø được xác định ø = [(Pzz — P„„)/] quá trình
được tiếp tục cho đến khi các thẻ đều được xác định
e_ Giải thuật
Giải thuật PS được mô tả chỉ tiết như sau:
Đầu vào: - Số lượng các thẻ chưa đọc N;
- Danh sách các thẻ chưa đọc 7ag;, 1=1, 2, .N:
- Năng lượng tối đa Prax, nang luong tối thiểu Tý
- Danh sách năng lượng các thẻ cần để phan hồi Ej, i=1, 2, .N:E;€[Pnin
Pgag|
- Hệ số năng lượng J2;
Trang 37Đầu ra: - Số lần phân cụm để đọc đữ liệu R Phương pháp:
Bước 1:Khởi tạo tham số P„ = Đymm;ï = Ì ; Bước 2:Trong khi (P„<P„„y) thì
2.1 Py = Pmin + i * Enues 2.2 Voi mi Tag; i=1 N;
2.2.1 Nếu (E;<=P,) thi Read(Tag;);
2.2.2.Loại bỏ 7ag; khỏi dánh sách các thẻ chưa doc; 2.3 i=i+ 1;
2.4.R=R+1;
Bước 3: lặp lại bước 2 cho đến khi P„=P„„
Độ phức tạp của giải thuật trên là O(xM) với R là số lần phân cụm để đọc dữ liệu và X là số lượng các thẻ chưa đọc
4% Ưu điểm:
> Khả năng phát hiện và điểu chỉnh cự ly doc các thẻ nằm trong một nhóm, để tăng hiệu suất đọc tốt hơn
> Thuật toán tương đối đơn giản và dễ hiểu
4% Nhược điểm:
> Bi ràng buộc về độ trễ thời gian, thông lượng và khoảng cách
> Chưa tiết kiệm được tối đa nguồn năng lượng trong hệ thống mạng RFID
2.3 TIEU KET CHUONG 2
Trong chương này, tôi đã giới thiệu vấn dé xung đột trong hệ thống RFID và 2 phương pháp phân cụm thẻ trong hệ thống RFID, có tên là EDFSA và PS Việc đánh giá và so sánh 2 giải thuật này sẽ được thực hiện ở Chương 3 nhằm thấy được những ưu điểm của 2 giải thuật mang lại
Trang 38CHUONG 3 CAI DAT MO PHONG
VA PHAN TICH KET QUA
Trong phần này tôi tiến hành mô phỏng bằng ngôn ngữ Java/Eclipse, dé so sánh hiệu quả của 2 phương pháp EDFSA vaPS 6 trong Chương 2 Tôi tiến hành so sánh số lần phân cụm trong quá trình đọc thẻ khi số lượng thẻ chưa đọc thay đổi từ 100 đến 500 thẻ Năng lượng cần thiết để phản hỗồi đọc thẻ trên mỗi thẻ trong phương pháp PS được thiết lập nằm trong khoảng [10, 100]1(oules), năng lượng
Prin được thiết lập 151, năng lượng P„„„ được thiết lập 1001
3.1 SO SANH SO LAN PHAN CỤM THẺ VỚI PHƯƠNG PHÁP EDFSA Tôi tiến hành mô phỏng EDFSA với kích thước khung K thay đổi từ 5, 7, 9 dé
xem xét số lần phân cụm đọc thẻ khi số lượng thẻ thay đổi từ 100 đến 500 thẻ ——(-›" —E—(-7 —=t—Lk-9 100 80 60 40 Số lần phân cụm 20 100 200 300 400 500 Số thẻ chưa đọc
Hình 3.1 So sánh số lần phân cụm đọc thẻ khi kích thước khung thay đổi với X=S, 7, 9 với phương pháp EDESA
Kết quả như được chỉ ra ở Hình 3.1 cho thấy rằng khi kích thước khung thay đổi từ 5, 7, 9 thì số lần phân cụm đọc thẻ giảm xuống khoảng 26% Điều này có được là do số lượng thẻ được đọc tăng lên đúng bằng kích thước khung, nên trong
mỗi lần đọc thẻ, đầu đọc đọc được nhiều thẻ hơn trong mỗi lần phân cụm
Trang 39lên Do kích thước khung cố định trong khi số lượng thẻ tăng lên nên số lần đọc thẻ tăng lên
3.2 SO SANH SO LAN PHAN CUM THẺ VỚI PHƯƠNG PHÁP PS
Tôi tiến hành mô phỏng phương pháp PS, với giá trị Ez„„„„thay đổi từ 5J, 7J và 9J, để xem xét số lần phân cụm đọc thẻ khi số lượng thẻ chưa đọc thay đổi từ 100 đến 500 thẻ —@—Ethresh=5) —tthresh=7j =&—Ethresh=9j 75 7 + + mu + + Bes 5 6 "m # = = a 5 S55 30 5 * ws sừ ate A 45 4 100 200 300 400 500 Số thẻ chưa đọc Hình 3.2 So sánh số lần phân cụm đọc thẻ khi giá trị „„ thay đổi từ 5J, 7J va 9J với phương pháp PS
Kết quả như được thể hiện trong Hình 3.2 cho thấy rằng số lần phân cụm thẻ
tăng khi giá trị FZ„„„„„ giảm và số lần phân cụm giảm khi giá trị F„„„ tăng, sự chênh
lệch này vào khoảng 14% Nguyên nhân vấn để này là do khi đầu đọc phát ra một năng lượng lớn để đọc thẻ thì số lần đọc thẻ tăng lên trong mỗi lần phân cụm (Như
được thê hiện trong Bang 3.1)
Trang 40rằng số lần phân cụm đọc thẻ không thay đổi Nguyên nhân là do các thẻ muốn đọc được chúng cần phải nằm trong phạm vi mà năng lượng đầu đọc đạt đến (năng lượng cần thiết bé hơn hoặc bằng P„„„) nên khi tăng số lượng thẻ thì số lần phân cụm không thay đổi, tuy nhiên giá trị đọc được trong mỗi lần tăng lên
3.3 TIEU KET CHUONG 3
Trong chương này tôi đã mô phỏng lại 2 phương pháp EDFSA và PS, kết quả mô phỏng chỉ ra rằng phương pháp EDFSA có số lần phân cụm đọc thẻ tăng khi kích thước khung giảm, và số thẻ chưa đọc tăng Trong phương pháp PS số lần phân cụm đọc thẻ không thay đổi khi ta tăng số thể chưa đọc, tuy nhiên điều này làm gia tăng số lượng thẻ cần đọc trong mỗi lần phân cụm