BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC HUẾ
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC
PHẠM TRÍ THỨC
TÌM HIỂU PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ HiINH TRANG MANG RFID DUA TREN
GIAI THUAT DI TRUYEN
CHUYEN NGANH: KHOA HOC MAY TINH MA SO: 60.48.01.01
LUAN VAN THAC SI KHOA HOC DINH HUONG UNG DUNG
NGƯỜI HƯỚNG DAN KHOA HOC
PGS.TS VO VIET MINH NHAT
Thừa Thiên Huế, 2018
Trang 2
LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan
Đây là công trình nghiên cứu khoa học của riêng tôi Các số liệu, trích dẫn, kết quả thực nghiệm và cài đặt được trình bày trong luận văn là trung thực và có nguồn gốc rõ ràng
Thừa Thiên Huế, tháng 8 năm 2018
Học viên
Trang 3LOI CAM ON
Hoàn thành luận văn này, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến Thầy Vð Viết
Minh Nhật, Ban Đào tạo - Đại học Huế, đã tận tình hướng dân trong suốt qua trinh thuc hién dé tai
Xin chan thanh cam on su gitip do về mọi mặt của Ban Giám hiệu, Phòng Đào tạo Sau đại học, Khoa Công nghệ thông tin - Trường Đại học Khoa học - Đại học
Huế cùng quý thây cô đã tham gia giảng day trong suốt quá trình học tập
Cảm ơn tất cả bạn bè, đồng nghiệp và người thân đã động viên, giúp đỡ tơi hồn thành luận văn này
Học viên
Phạm Trí Thức
Trang 4MỤC LỤC Trang 0909.0000990 i 899 90 HH ,ÔỎ ii MỤC LỤ Cesasaasaeasrdaiertsaxgttidiidsettdti0is684800654801141153000013965XG0046354300038000130x360 iii ID 0\028)/10/990.(0:70 c1 5 Vv DANH MUC CAC HINH VE, DO THI .c sccssesssssssssssesssecssesssesssessscsssecssecssecsees vi DANH MỤC CÁC KÝ HIỂU, CHỮ VIẾT TẮTT 2ss©-ss©cs+ viii MO DAU ssssssessvanranrenssnemmmnnennanncannan nana 1
CHUONG 1:TONG QUAN VE CONG NGHE RFID VA TiCH HOP RFID VOI MANG CAM BIEN KHONG DAY .eccsssssssssssssssssssssssccsssccsseccssecsssecsssecssnecesse 3
1.1 GIỚI THIỆU VẺ CÔNG NGHỆ RFID -2 2222 222222212211 221122 zzxev 4 1.1.1 Lịch sử và quá trình phát triên của hệ thống RFID 2-2-2 4 1.1.2 Ứng dụng của hệ thống RFID 222222 2222221222112212212222 2 xee 6 1.1.3 Các thành phần của hệ thống RFID 2- 222222 2212221222122212221222ee § 1.1.4 Nguyên tắc hoạt động của hệ thống RFID -©22-222222222xcsze2 11 1.2 MANG CAM BIEN KHONG DAY o.o.escscsssssssssessssesssiesssiessssessseesseesetesvisee 12
1.2.1 Sự khác nhau giữa mạng cảm biến không dây và mạng truyền thống 13 1.2.2 Cấu trúc của mạng cảm biến không dây - 222 2222222222222222222 14 1.2.3 Ứng dụng của mạng cảm biến khơng dây -©22- 2222222222222 16
1.3 TÍCH HỢP RFID VỚI MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY 17
1.3.1 Tích hợp thẻ RFID với cảm biến 222222221 22222212221221221 222 x2e 18
1.3.2 Tích hợp thẻ RFID với nút W§N 0 220 221222222 19
13.3 Tích hợp đầu đọc REID với nút WSN 1 2n n2 2 2 rrrre 20
1.3.4 Lợi ích của việc tích hợp RFID với mạng cảm biến không dây 20
1.4 TIỂU KÉT CHƯƠNG l 2 222222222 22212221112211221122112211221 2E cee 20 CHUONG 2:THIET KE HiINH TRANG MANG RFID DUA TREN GIAI
THUAT DI TRU VEN ssesscisscscrisanennenncnaniamnnrannnnennmnnnnin 22
2.1 GIGI THIEU VE BAI TOAN THIET KE HINH TRANG MANG RFID 22
Trang 52.2 TÔNG QUAN VỀ GIẢI THUẬT DI TRUYÊN 52 5ccczszEcrrei 23 2.2.1 Giải thuật di truyễn 22 2222212211211121112211221211211212 re 23 2.2.2 Cách biểu diễn lời giải của giải thuật di truyễn -2-©2-22cc2sce2 26 2.2.3 Các tốn tử đi truyển 22s 222222122122111211221222222 xe 28 2.3 BÀI TOÁN THIẾT KÉ HÌNH TRẠNG MẠNG RFID DỰA TRÊN GIẢI THUẬT DI TRUYỂN 22 22222222112111211121112112211121121212222ee 30
2.3.1 Thiết kế hình trạng mạng RFID với các ràng buộc về vùng phủ sóng, tỷ lệ nhiễu và chỉ phí - 2: 22+ 21 212211221221121121121121121121211211222 re 30
2.3.2 Thiết kế hình trạng mạng RFID với các ràng buộc về chỉ phí, nhiễu, mức
b890180i1500008019ì000)900)017 2 da 35
2.3.3Thiết kế hình trạng mạng RFID với ràng buộc về sự chồng lấn vùng đọc, số đầu đọc vô dụng, số lượng thẻ được bao phủ, số đầu đọc nằm ngoài khu
vực triển khai, số đầu đọc dư thừa và số thẻ nằm trong vùng chồng lấn 43
2.3.4 So sánh các bài toán thiết kế mạng RFID 2222222z222zz2zce2 51 2.4 TIỂU KÉT CHƯƠNG 2 2 22z-s2 52 CHU ONG 3: CAI DAT VA PHAN TICH KET QUẢ - 54 3.1 MÔI TRƯỜNG CÀI ĐẶTT -©2-22222212221221112111211221121222ee 54 3.2 KỊCH BẢN MÔ PHỎNG 52 2222212221221122112112122222222ee 54 3.3 KÉT QUẢ THỰC HIỆN MÔ PHỎNG - 5t S2 E222 rrrreg 57 3.3.1 Kích thước quần thê N = 6 và số lượng đầu đọc 20 -s¿ 57 3.3.2 Kích thước quần thê N = 10 và số lượng đầu đọc 20 -¿ 58 3.3.3 Kích thước quần thê N = 6 và số lượng đầu đọc 30 -¿ 60 3.3.4 Kích thước quần thể N = 10 và số lượng đầu đọc 30 - 61 3.4 TIỂU KÉT CHƯƠNG 3 2 22 222221222112212211121121121212222ee 64 95/1009 7 ô ôôốỐốỐốỐố ốc 65 KẾT LUẬN -222222222211211121112111211211112212212112212122121222 ra 65 HƯỚNG PHÁT TRIÊẾN CỦA ĐỀ TÀI .-©222222221222122211221222122222 e6 65 TÀI LIỆU THAM KHẢO
5080090777 £AỈNàậẬậ ĂA 65
Trang 6DANH MỤC CÁC BẢNG
Trang 7DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỎ THỊ
Hinh 1.1 Méchinh céngmgh@ REID s«cscsecceeseeiiniseeineniasinninmiEEODEnEEE11 0 1126148100001 3
Hình 1.2 Thiét bi IFF va thiét bi RFID hién dai ngay nay cece 5
Hình 1.3 Dạng của một số loại thẻ tiêu biểu - 2S 1 3 21211112111121111211x511xExxe 9
Hình 1.4 Đầu đọc 0 HH tu He 11
Hình I 5 Hệ thống RFID .©222222222122211221122121121121121221222 2 ee 12 Hình 1.6 Nguyên tắc hoạt động của hệ thống RFID - 522 2222221222122122 e6 12
Hình 1.7 Mô hình của mạng cảm biến không dây - 22222222222122212222e6 13
Hình 1 8 Cấu tạo của một nút cảm 1 da 14
Hình I 9 Kiến trúc mạng WSN 52222 2212221221221222222222222 2e 15
Hinh I 10 Các loại tích hợp RFID với WSN c2 he 18 Hình 1.11 Tich hop thẻ RFID với cảm biến 5222222 22222212221222122222 e6 18 Hình 1.12 Tích hợp các thẻ RFID với các nút WSN che 19
Hình 1.13 Tích hợp các đầu đọc RFID với các nút WSN s c s2 2scssrses 20
Hình 2 I Lai ghép tại một điểm .- 222222 222222122122122112122122222 2e 29 Hình 2 2 Lai ghép tại hai điểm Hình 2 3 Lai ghép đồng nhất -22 S22 2211221221211211211211221222222 2e Hình 2 4 Phương pháp đột biến 222222 221222122122212112222212222 xe 30 Hình 2 5 Vùng thử nghiệm (nguồn từ [4]) 22222222 221222122122212222.2 xe 31 Hình 2 6 Vi trí lý trởng của các đầu đọc RFID với vùng phủ sóng hình lục giác (nguồn từ [4]) -©25-222221222112212212211221122112211222121222222222222122 22a 32 Hình 2 7 Vùng thử nghiệm (nguồn từ [3]) 5222222 2222212221222122222222.2 xe 36 Hình 2 8 Mã hóa phân cấp của bộ gen (nguồn từ [3]) -222222.22x 22a 4 Hình 2 9 Sự chồng lấn vùng đọc 222- 2222221221212 2e 44 Hình 2 10 Đầu đọc vô đụng 2-2222 2222212221222121121122122222 se 45
Hình 2 11 Các vùng với xác suất phát hiện thẻ khác nhau - 22-22-2222 46
Hình 2 12 Dau đọc dư thừa c2 tteeerriie 48
Hình 2 13 Các thẻ nằm trong khu vực chồng lấn - 22222221 2221222122122ee 49
Trang 8Hình 2.15 Các gen biểu diễn cho một đầu đọc .- 22s 222112121151211212112x51 1x6 49
Hình 3 I Vùng thử nghiệm - S 211211212111 1H hy HH Hà Hà Hye 34 Hình 3.2 Cấu trúc nhiễm sắc thể và gen được sử dụng cho bài toán thiết kế hình trạng mạng RFÏD L- L1 1 1E ng TH HH HH HH 55
Hình 3 3 Vị trí khởi tạo ban đầu của các đầu đọc (V= 6, /en = 40) 57 Hình 3 4 Vị trí tốt nhất của đầu đọc đạt được ( = 6, /en = 40) cc.ccceei 58
Hình 3.5 So sánh giá trị fitness của các nhiễm sắc thể qua 20 thế hệ (N = 6, len =
AO) sesecceseocneesesme nn sransenenceaeamnenene tenn are nrc re nc tte entero 58
Hình 3 6 Vị trí đầu đọc ở quần thê khởi tạo ban đầu (N=10, len=40) 59 Hình 3.7 Vị trí tốt nhất của các đầu đọc tại thế hệ 30 (N=10, len=40) 59
Hình 3.8 So sanh gia tri fitness cua cac nhiềm sắc thể qua các thế hệ (NÑ=10, len=40)
re 60
Hình 3 9 Vị trí đầu đọc ở quan thể khởi tạo ban đầu (N=6, len=60) 60
Hình 3 10 Vị trí tốt nhất các đầu đọc đạt được (N=6, len=60) -cccccccei 61
Hình 3.11 So sánh giá trị fitness của các nhiễm sắc thể qua các thế hệ (N=6, len=60)
— 61
Hình 3 12 Vị trí đầu đọc ở quần thể khởi tạo ban đầu (N=10, len=60) 62 Hình 3 13 Vị trí tốt nhất các đầu đọc đạt được (N=10, len=60) cccce¿ 62
Hình 3.14 So sánh giá trị fitness của các nhiễm sắc thể qua các thế hệ (N=10,
Trang 9DANH MUC CAC KY HIEU, CHU VIET TAT
RFID Radio Frequency Identification AIDC Identification and Data Capture
RNP RFID network planning WSN Wireless Sensor Network IoT Internet of Things
GA Genetic Algorithm ITF Indoor test facility RTP Read test points
SIR Signal to interference ratio STP Signal test points
CS Cong su
Trang 10MỞ ĐẦU
1 Lý do chọn đề tài
Nhan dang déi trong bang séng v6 tuyén (Radio Frequency Identification -
RFID) là một công nghệ nhận dạng và thu thập di liéu tu dong (Automatic
1denHification and Data Capture - AIDC) đã thu hút đáng kê sự chủ ý trong những năm gần đây như một phương tiện để tăng cường khả năng truy tìm nguồn hàng trong chuỗi cung ứng Xu hướng thị trường cho thấy có một sự tăng trưởng nhanh chóng về nhu cầu sử dụng công nghệ dựa trên RFID, với một tốc độ tăng trưởng
18% hàng năm [7]
Hệ thống RFID cơ bản bao gồm 3 thành phần chính: các thẻ RFID, các đầu doc RFID và một thành phần trung gian Công nghệ RFID khi triển khai đúng cách sẽ đem lại nhiều lợi ích hơn so với công nghệ AIDC thông thường (chẳng hạn, mã vạch), như theo dõi thời gian thực các đối tượng vật lý và giảm thời gian xử lý, nhân công và số lượng giấy tờ cần thiết trong các hoạt động hàng ngày [5]
Một trong những quyết định quan trọng nhất khi thiết kế các mạng RFID để
hỗ trợ các hoạt động có quy mô lớn là vị trí để đặt các đầu đọc RFID Định vị các đầu doc RFID trong một cơ sở (ví dụ, công xưởng lớn) được xem là bài toán thiết
kế mạng RFID (RFID network planning - RNP) [2-4] Trong thu tế, vị trí của đầu
doc RFID thuong duoc thuc hién trén co sé thu va lỗi (trial and error), ma cach lam
này thường tốn rất nhiều thời gian và khó đạt được một vùng phủ sóng tối ưu đối
với một cơ sở được cho
Để giải quyết bài toán thiết kế mạng RFID, đã có một số phương pháp khác
nhau được để xuất [2-4] trong đó giải thuật dị truyền thể hiện được khá nhiều ưu
điểm trong giải quyết lớp bài toán tối ưu đa mục tiêu Đó cũng là lý đo tôi chọn đề tài “Tìm hiểu phương pháp thiết kế hình trạng mạng RFID dựa trên giải thuật di
Trang 112 Mục tiêu nghiên cứu
e Tìm hiểu về hệ thống tích hợp RFID với mạng cảm biến không dây
e Tìm hiểu phương pháp thiết kế hình trạng mạng RFID dựa trên giải thuật di
truyền để tối ưu vị trí đặt đầu đọc RFID
e Cài đặt mô phỏng ứng đụng giải thuật đi truyền để thiết kế một hình trạng
mạng RFID cụ thể, với một số ràng buộc được xem xét đến
3 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 Giới thiệu tổng quan về công nghệ RFID, mạng cảm biến không dây, mô hình tích hợp RFID với mạng cảm biến không day
Chương 2 Giới thiệu về giải thuật di truyền, phương pháp thiết kế hình trạng mạng RFID dựa trên giải thuật di truyền
Trang 12CHUONG 1: TONG QUAN VE CONG NGHE RFID VA TÍCH HỢP RFID VỚI MANG CAM BIEN KHONG DAY
RFID (Radio Frequency Identification) 1a céng nghệ nhận dạng đối tượng bằng sóng vô tuyến Một hệ thống RFID bao gồm 3 thành phần: các thẻ RFID (/ag), cac dau doc RFID (RFID reader) va mot thành phần trung gian Thẻ RFID hay bộ tiếp sóng (#ansponđers) tích hợp mạch điện với một mã nhân dạng (z2) mà có thể gửi và nhận thông tin từ đầu đọc RFID thông qua một ăng-ten Đầu đọc RFID hay
bộ thu gồm một mô-đun sóng vô tuyến điện, một đơn vị điều khiển và một ăng-ten
được sử dụng để giao tiếp với các thẻ RFID thông qua tín hiệu sóng vô tuyến Thành phần trung gian RFID thông thường là một máy chủ dé lưu trữ và quản lý dữ liệu từ các đầu đọc RFID; nó cũng có thê gửi truy vấn yêu cầu các đầu đọc thu thập thông tin cho các ứng dụng khác
Đề áp dụng công nghệ RFID vào các hệ thống có quy mô lớn, một yêu cầu đặt ra là các đầu đọc RFID phải bao phủ một vùng rộng lớn Do đó, hệ thống RFID cần
được tích hợp với một mạng cảm biến, trong đó các nút cảm biến được tích hợp với một đầu đọc RFEID để kết nối trực tiếp đến máy chủ Với mô hình tích hợp này,
công nghệ RFID đã được áp dụng và phát triển ở rất nhiều lĩnh vực bao gồm an
ninh, quân sự, y học, du lịch, giải trí, thương mại, Diu doc RAD
Hình 1 1 M6 hinh công nghệ RFID
Trang 13không dây, cho biết các thành phần và phương thức hoạt động của hai công nghệ
REID và WSN, trình bày những lợi ích của việc tích hợp RFID với mạng cảm biến
không dây
1.1 GIOI THIEU VE CONG NGHE RFID
Công nghệ RFID cho phép một thiết bi doc thông tin chứa trong chip không cần tiếp xúc trực tiếp ở khoảng cách xa, không thực hiện bất kỳ giao tiếp vật lý nào hoặc giữa hai vật không nhìn thấy Công nghệ này cho ta phương pháp truyền, nhận
dữ liệu từ một điểm đến một điểm khác
Kỹ thuật RFID sử dụng truyền thông không đây trong dải tần sóng vô tuyến để
truyền dữ liệu từ các thẻ đến các đầu đọc Thẻ có thể được đính kèm hoặc gắn vào đối tượng được nhận dạng chẳng hạn sản phẩm, hộp hoặc giá kê (pai1e?) Đầu đọc
quét dữ liệu của thẻ và gửi thông tin đến cơ sở đữ liệu có lưu trữ đữ liệu của thẻ Ví
dụ: các thẻ có thể được đặt trên kính chắn gió xe hơi để hệ thống thu phí đường bộ
có thể nhanh chóng nhận đạng và thu tiền trên các tuyến đường
Dạng đơn giản nhất được sử dụng hiện nay là hệ thống RFID bị động làm việc
như sau: đầu đọc truyền một tín hiệu tần số vô tuyến điện từ qua ăng-ten của nó đến
một thẻ Đầu đọc nhận thông tin trở lại từ thẻ và gửi nó đến máy tính điều khiển đầu
đọc và xử lý thông tin lấy được từ thẻ Các thẻ không tiếp xúc không tích điện, chúng hoạt động bằng cách sử dụng năng lượng nhận từ tín hiệu được gửi bởi đầu
đọc
1.1.1 Lịch sử và quá trình phát triển của hệ thống RFID
Nam 1897: Guglielmo Marconi phat hién ra sóng radio, tạo nền tảng để phát
triển RFID
Năm 1937: phòng thử nghiệm nghiên cứu Naval U.S phát triển hệ thống xác định Friend — or - Foe (FF) cho phép những đối tượng thuộc về quân ta với quân địch
Trang 14cứu, các doanh nghiệp lớn và những thiết bị này có giá rất cao và kích thước lớn
‘
Sovi Fixed Reader SaviTng ST-654, SR-650, Interrogetor Transponder
Hinh 1 2 Thiét bi IFF va thiét bị RFID hiện đại ngày nay
Cuối thập kỉ 60 đầu thập kỉ 70: nhiều công ty như Sensormatic and Checkpoint Systems giới thiệu những sản phẩm mới ít phức tạp hơn và ứng dụng rộng rãi hơn do công nghệ được tích hợp trong IC, thẻ nhớ lập trình được Các công ty bắt đầu phát triển thiết bị giám sát điện tử để bảo vệ và kiểm kê sản phẩm như quân áo trong cửa hàng, sách trong thư viện Hệ thống RFID thương mại ban đầu
này chỉ là hệ thống thẻ 1 bit giá rẻ để xây đựng, thực hiện và bảo hành Thẻ không
đòi hỏi nguồn pin (thụ động) dễ dàng đặt vào sản phâm và thiết kê để cảnh báo khi
tag dén gan bộ đọc, thường đặt tại lối ra vào đề phát hiện sự có mặt của thẻ
Suốt thập ki 70: nghiên cứu và phát triển những dự án để tìm cách dùng IC dựa trên hệ thống RFID Có nhiều ứng dụng trong công nghiệp tự động, xác định
thú vật, theo dõi lưu thông Thẻ có đặc điểm: bộ nhớ ghi được, tốc độ đọc nhanh
hơn và khoảng cách đọc xa hơn
Đầu thập niên 80: được áp dụng trong nhiều ứng dụng: đặt tại đường ray ở Mỹ, đánh dấu thú vật trên nông trại ở châu Âu Hệ thống RFID còn dùng trong nghiên cứu động vật hoang dã đánh dấu các loài thú quý và nguy hiểm
Đầu năm 1990: xuất hiện nhiều hệ thống thu phí điện tử, tiêu chuẩn hóa các
Trang 15Cuối thế ki 20: phát triển nhanh trên phạm vi toàn cầu Mỹ: tạo ra hệ thống xác nhận và đăng kí Texas instrument (77R7S) Châu Âu: phát minh công nghệ liên
quan đến việc xác định thẻ thông minh
Cuối những năm 90 đầu năm 2000: EPCglobal được thành lập và hỗ trợ hệ
thống mã sản pham dién tt (Electronic Product Code Network EPC) va hé théng này đã trở thành tiêu chuẩn cho xác nhận sản phẩm tự động
1.1.2 Ứng dụng của hệ thống RFID
a Trong công nghiệp
RFID rất thích hợp cho việc xác định sản phẩm có giá trị cao thông qua quá trình lắp ráp chặt chẽ Hệ thống RFID rất bền vững trong môi trường thời tiết khắc
nghiệt nên thích hợp để định danh các vật chứa, lưu giữ sản phẩm lâu dài như container, cần cẩu, xe kéo v.v Một mặt, các thẻ RFID cho phép xác định sản
phẩm mà nó được gắn vào (Ví dụ: part number, serial number, trong hệ thống đọc/ghi, hướng dẫn quy trình lắp ráp xử lý sản phẩm) Mặt khác, thông tin đầu vào được nhập bằng tay (hoặc bằng các đầu đọc mã vạch) cho phép hệ thống điều khiển/kiểm soát Sau đó những thông tin này có thể được truy xuất bởi các đầu đọc RFID
b Trong vận chuyển, phân phối và lưu thông
Hệ thống RFID phù hợp nhất với phương thức vận tải đường ray Các thẻ có thể nhận dạng toàn bộ 12 ký tự theo chuẩn công nghiệp cho phép xác định loại xe/toa hàng, chủ sở hữu, số xe Các thẻ này được gắn vào gầm xe, toa hàng; Các
ăng-ten được cài đặt ở giữa hoặc bên cạnh đường ray vận chuyển, các đầu đọc và
các thiết bị hiển thị được lắp trong vòng khoảng 40 đến 100 feet dọc theo đường ray
cùng các thiết bị viễn thông và thiết bị kiểm soát khác, do vậy có thể kiểm soát
được các toa hàng trên ray Mục đích chính trong các ứng dụng vận chuyền theo ray là cải tiến kích thước và tốc độ vận chuyển nhanh chóng cho phép giảm kích thước
xe hàng hoặc giảm thiểu chi phí cho việc đầu tư các thiết bị mới RFID còn được
Trang 16kiêm soát hành lý của hành khách
c Trong kinh doanh bán lẻ
RFID có thê thay thế kỹ thuật mã vạch hiện nay, vì nó 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 mặt hàng trên quầy và trong kho của họ Một số siêu thị lớn đã sử dụng các thẻ RFID mỏng dán lên hàng hóa thay cho mã vạch, giúp việc thanh toán nhanh chóng, dễ đàng hơn Nếu hàng hóa nào chưa thanh toán tiền đi qua cửa, máy nhận dạng vô tuyến RFID sẽ phát hiện ra và báo cho nhân viên an ninh Ngoài ra, các công ty bách hóa không còn phải lo kiểm kho, không sợ giao nhằm hàng và thống kê số đầu sản phẩm đang kinh doanh của cả tổ hợp cửa hàng Hơn nữa, họ còn có thê biết chính xác bên trong túi khách hàng vào, ra có những gì
d Trong lĩnh vực an ninh
RFID không đòi hỏi tầm nhìn giữa bộ thu phát và máy đọc, hệ thống này khắc
phục được những hạn chế của các phương pháp nhận dạng tự động khác, ví dụ như
mã vạch Điều này có nghĩa là hệ thống RFID có thể hoạt động hiệu quả trong các môi trường khắc nghiệt những nơi bụi bân, âm ướt quá mức hay có phạm vi quan
sát bị hạn chế Một trong các lợi ích nổi bật của RFID là khả năng đọc trong các
môi trường khắc nghiệt với tốc độ đáng chú ý: trong hầu hết các trường hợp thời gian phản ứng dưới 100 mIlI giây
e Trong công tác quản lý bảo quản sản phẩm
Việc quản lý sách tại thư viện hiện rất vất vả, việc tìm kiếm sách thủ công làm
tốn thời gian và quản lý cũng chưa thực sự hiệu quả Nhờ công nghệ RFID, mỗi
cuốn sách được gắn với một thẻ lưu thông tin về cuốn sách, mỗi khi cần tìm một cuốn sách nảo đó, thay vì việc dò tìm phân loại từng cuốn sách, thủ thư chỉ việc dùng một đầu đọc có khả năng đọc các thẻ RFID tr xa có thể giúp định vị cuốn sách
cần tìm rất nhanh chóng, ngoài ra việc thống kế sách cuối ngày càng trở lên đơn giản Các hạt giống có giá trị, động vật thí nghiệm liên quan tới các dự án nghiên
Trang 17vật quý hiếm, các loại gen Hiện nay vấn để xác định tính duy nhất có thể được
giải quyết thông qua ứng đụng các sáng kiến của công nghệ RFID f Trong quản lý nhân sự và chấm công
Khi vào, ra công ty đề 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 Trong trường hợp nếu những nhân viên nghỉ việc, thẻ nhân viên sẽ được thu hồi và tái sử dụng mà không ảnh hưởng đến chất lượng thẻ Ưu điểm nổi bật của thẻ RFID so với thẻ mã vạch (Barcode) hay thẻ mã từ (Mag.Stripe card) là thẻ RFID không bị trầy xước, mài mòn khi dùng Sử đụng thẻ chấm công loại cảm ứng, người phụ trách hệ thống sẽ lấy toàn bộ dữ liệu từ cơ sở
dữ liệu của máy tính hoặc các máy đọc thẻ về, sau khi cập nhật dữ 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
ø Trong y tế, giáo dục, vui chơi giải trí
Công nghệ RFID có thể sử đụng cho người cũng như đỗ vật Vì vậy, một số bệnh viện đang sử đụng vòng đeo tay RFID cho trẻ mới sinh và bệnh nhân cao tuổi mất trí Ngoài ra còn ứng dụng trong việc quản lý hồ sơ bệnh án Học sinh một trường đông học sinh ở Nhật dùng thẻ RFID để báo cho cha mẹ biết mình đã ra tới Các công viên giải trí ở Mỹ bán ra vé RFID sẽ bật-nháy báo cho khách biết đến lượt
mình vào cuộc chơi
1.13 Các thành phần của hệ thống RFID
Một hệ thống RFID bao gồm các bộ phận:
Thẻ RFID (Transponder/Tag): đây là bộ phận quan trọng cấu thành lên hệ
thống RFID va duoc str dung trong tất cả các hệ thống RFID
Thanh phan cia thé RFID bao gồm một ăng-ten dùng kết nối với đầu đọc và
Trang 18RFID mà không phụ thuộc vào hướng hay vị trí chỉ cần thẻ nằm trong vùng phủ sóng (phạm vi của đầu đọc) Antenna
Substrate
Hình 1 3 Dạng của một số loại thẻ tiêu biểu
Tùy thuộc vào chức năng và các chuân mà thẻ RFID được phân loại thành
nhiều loại khác nhau:
Thẻ thụ động (Passive fag): không có nguồn điện bên trong Sóng vô tuyến
phát ra từ đầu đọc sẽ truyền một dòng điện nhỏ đủ để kích hoạt hệ thống mạch điện
trong thẻ giúp nó gửi lại tín hiệu hồi đáp Có thể truyền mã số nhận đạng và lưu trữ
một số thông tin về đối tượng được nhận dạng
Có kích thước rất nhỏ và mỏng hơn một tờ giấy bình thường, do vậy nó có thể được cấy vào dưới da
Có tuổi thọ rất cao vì không dùng pin
Tầm hoạt dong: tr 10 cm dén vai mét, tuy theo tần số sử dụng
Trang 19đầu đọc Cường độ tín hiệu của loại thẻ này, do vậy mạnh hơn tín hiệu của thẻ thụ
động, cho phép nó hoạt động có hiệu quả hơn trong môi trường nước (trong cơ thé
con người hay động vật) hay kim loại (xe cộ, container)
Một số thẻ còn được tích hợp các bộ cảm biến để đo độ âm, độ rung, độ phóng xạ, ánh sáng, nhiệt độ
Tuổi tho của pin lên đến 10 năm
Tầm hoạt động: vài trăm mét, tùy theo tân số sử dụng
Thẻ bán thụ động (Semi-Pasive fag) có một nguồn năng lượng bên trong
(chang hạn bộ pm) và điện tử học bên trong để thực thi những nhiệm vụ chuyên
dụng Nguồn bên trong cung cấp sinh lực cho thẻ hoạt động Tuy nhiên trong quá
trình truyền dữ liệu, thẻ bán tích cực sử dụng nguồn từ đầu đọc Thẻ bán tích cực
được gọi là thẻ có hỗ trợ pin (battery-assisted tag)
Phân loại theo khả năng gh1 đọc dữ liệu:
e Thé chi doc (Read Only)
e Thẻ cho phép ghi một lần, đọc nhiều lần (Write once Read many - WORM) e Thé ghi— doc (Write - Read)
Dau doc (Reader): cing voi thé thì nó cũng là bộ phận không thê thiếu trong
hệ thống RFID
Đầu đọc RFID là một thiết bị đọc và ghi dữ liệu lên thẻ RFID tương thích
Đầu đọc là hệ thần kinh trung ương của toàn hệ thống RFID thiết lập việc
truyền với thành phần này và điều khiển nó, là thao tác quan trọng nhất của bất kỳ thực thể nào muốn liên kết với thực thê phần cứng này
Thẻ thụ động được kích thích nguồn năng lượng bằng quá trình truyền sóng radio và bộ phận thu sẽ lắng nghe quá trình truyền này Các thẻ tích cực cũng cần có giao tiếp với bộ phận thu được gắn vào hệ thống
Trang 20
Hình 1 4 Đầu đọc
Ăng-ten (Antena): lam nhiém vu bite xa, thu song điện từ và gia công tín hiệu Hầu hết các bộ đọc hiện nay đều được tích hợp sẵn ăng-ten
Mach diéu khién (Controller): được gắn liền trong các đầu đọc Cho phép các thành phần bên ngoài giao tiếp điều khiển các chức năng của đầu đọc, bang tín hiệu
điện báo, cơ cấu chấp hành kết hợp với đầu đọc
Cảm biến (sensor), bộ điều tiết (actuator) và bảng tín hiệu điện báo
(annuneiafor): những thành phần này hỗ trợ nhập và xuất của hệ thống
Máy chủ và hệ thống phần mềm: về mặt lý thuyết, một hệ thống RFID có thể
hoạt động độc lập không có thành phan nay Thuc té, mét hé théng RFID gan nhu
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 gồm cả hai mạng có đây và không dây và các bộ phận kết nối tuần tự đề kết nối các thành phần đã liệt kê ở trên với nhau để chúng truyền với nhau hiệu quả
1.1.4 Nguyên tắc hoạt động của hệ thống RFID
Phương thức hoạt động của hệ thống mạng RFID làm việc như sau:
e Thẻ: truyền một tín hiệu tần số vô tuyến điện từ thông qua ăngten của nó đến một con chip
e Đầu đọc: nhận thông tin trở lại từ chip và gửi thông tin đến máy tính điều khiển bộ đọc và xử lý thông tin lấy được từ chip Các chip không tích điện, chúng
hoạt động bằng cách sử dụng năng lượng nhận từ tín hiệu được gửi bởi đầu đọc
Trang 21Communication Infrastructure Reader Tag Antenna Software System Reader Controller Co Sensor/Annunciator/ Actuator Hình I 5 Hệ thống RFID
Đây 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 af Transmitting, ” ⁄ eae ee A , 7 4 Reader | Reader ntenna : IRF module] Revd Power
Reader control Interface
and get data RS 232
RS 422
7 RS 485
Hình 1 6 Nguyên tắc hoạt động của hệ thống RFID
1.2 MANG CAM BIEN KHONG DAY
Mang cam bién khong day (Wireless Sensor Network — WSN) la mét trong những công nghệ thông tin mới phát triển nhanh chóng nhất, với nhiều ứng đụng trong nhiều lĩnh vực: điều khiển quá trình công nghiệp, bảo mật và giám sát, cảm biến môi trường, kiểm tra sức khỏe
Trang 22Cảm biến Ì Cảm biến † Cảm biển 1 Cảm biến 4 Căm biển S Cảm biển 6
Thiết bị lặp tin hiệu an 4 Thiết bị lập tín hiệu Nguồn năng lượng cục bộ aa) Mã tạm t ae Qj =e c— | SS yy lượng cục bộ Miy chil RTM
Hình 1 7 Mô hình của mạng cảm biến không dây
Mạng cảm biến không dây là mạng liên kết các nút (node) với nhau nhờ sóng vô tuyến Nhưng trong đó, mỗi nút mạng bao gồm đây đủ các chức năng để cảm
nhận, thu thập, xử lý và truyền dữ liệu Các nút mạng thường là các thiết bị đơn giản, nhỏ gọn, giá thành thấp, và có số lượng lớn, được phân bố không có hệ
thống trên phạm vi rộng, sử dụng nguồn năng lượng (pin) hạn chế và có thể hoạt
động trong môi trường khắc nghiệt (chất độc, ô nhiễm, nhiệt độ cao )
1.2.1 Sự khác nhau giữa mạng cảm biến không dây và mạng truyền thống Sự khác nhau giữa mạng cảm biến không dây và các mạng truyền thông:
e Số lượng nút cảm biến trong một mạng cảm nhận lớn hơn nhiều lần so với
những nút trong các mạng truyền thống
e Các nút cảm biến thường được triển khai với mật độ dày hơn
e Những nút cảm biến dễ hỏng, ngừng hoạt động hơn e Cấu trúc mạng cảm nhận thay đổi khá thường xuyên
Mạng cảm biến chủ yếu sử đụng truyền thông quảng bá, trong khi đó đa số các mạng truyền thống là điểm — điểm
e Những nút cảm biến có giới hạn về năng lượng, khả năng tính toán và bộ nhớ
Trang 23identification) (ID)
e Truyền năng lượng hiệu quả qua các phương tiện không đây e Chia sẻ nhiệm vụ giữa các nut lang giéng
1.2.2 Cau tric cia mang cảm biến không dây a Nut cam bién
Một nút cảm biến được cấu tạo bởi 4 thành phần cơ bản sau: bộ cảm biến
(sensing unit), bộ xử lý (processing unit), bộ thu phat (transceiver unit) và bộ nguồn (power unit)
e Bộ xử lý gồm: CPU, bộ nhớ ROM, RAM Bộ phận chuyển đổi tín hiệu
tương tự thành tín hiệu số và ngược lại
e Bộ cảm biến gồm một số cảm biến, một bộ truyền đổi tín hiệu tương tự sang tín hiệu số (ADC) Nhiệm vụ, thu thập thông tin môi trường, chuyển thành tín hiệu
số rồi gửi về đơn vị xử lý
© Bé thu phát chuyên đôi các bít thông tin để truyền thông qua một tần số vô tuyến (RF) và phục hồi ở đầu kia
Trang 24b Mạng cảm biến WSN
Như Hình 1.9, chúng ta thấy, mạng cảm nhận bao gồm rất nhiều các nút cảm biến được phân bố trong một trường cảm biến Các nút này có khả 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 z gốc Nút gốc liên lạc với mứf quản ly
nhiệm vụ thông qua Internet hoặc vệ tinh Việc thiết kế mạng cảm nhận như mô
hình trong Hình 1.9 phụ thuộc vào nhiều yếu tố như:
© Khả năng chịu lỗi: một số các nút cảm biến có thể không hoạt động nữa do thiếu năng lượng, đo những hư hỏng vật lý hoặc do ảnh hưởng của môi trường Khả
năng chịu lỗi thể hiện ở việc mạng vẫn hoạt động bình thường, duy trì những chức
năng của nó ngay cả khi một số nút mạng không hoạt động (Nút cơ sở) Internet & vỆ tinh Quản lý tác vụ Tiút Người dùng cuối tùng cảm biến THút cảm biến Hình 1 9 Kiến trúc mạng WSN
© Khả năng mở rộng: khi nghiên cứu một hiện tượng, số lượng các nút cảm biến được triển khai có thê đến hàng trăm nghìn nút, phụ thuộc vào từng ứng đụng mà con số này có thể vượt quá hàng trăm nghìn nút Do đó cấu trúc mạng phải có khả năng mở rộng để phủ hợp với từng ứng đụng cu thé
© Giá thành sản xuất: vì mạng cảm nhận bao gồm một số lượng lớn các nút
cảm biến nên chí phí mỗi nút là rất quan trọng trong việc điều chỉnh chi phí mạng Do vay chi phí cho mỗi nút cảm biến phải giữ ở mức thấp
Trang 25s Tích hợp phần cứng: vì số lượng nút cảm biến trong mạng là nhều nên nút cảm biến cần phải có các ràng buộc phần cứng sau: 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 sự giám sát
©_ Mơi trường hoạt động: các nút cảm biến thường là khá dày đặc và phân bố trực tiếp trong môi trường (kê cả môi trương ô nhiễm, độc hại hay dưới nước .) Nút cảm biến phải thích ứng với nhiều loại môi trường và sự thay đổi của mơi trường
©_ Các phương tiện truyền dẫn: ở mạng cảm nhận, các node được kết nối với nhau trong môi trường không dây, môi trường truyền dẫn có thể là sóng vô tuyến, hồng ngoại hoặc những phương tiện quang học Đề thiết lập được sự hoạt động thống nhất chung cho các mạng này thì các phương tiện truyền đẫn phải được chọn phù hợp trên tồn thê giới
© Cấu hình mạng cảm nhận: mạng cảm nhận bao gồm một số lượng lớn các
node cảm biến, do đó phải thiết lập một cầu hình ổn định
© Sự tiêu thụ năng lượng: mỗi nút cảm biến được trang bị nguồn năng lượng giới hạn Trong một số ứng dụng, việc bổ sung nguồn năng lượng là không thể thực hiện Vì vậy 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 Do
vậy, 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 1.2.3 Ứng dụng của mạng cảm biến không dây
WSN được ứng dụng đầu tiên trong các lĩnh vực quân sự Cùng với sự phát
triển của ngành công nghiệp điều khiển tự động, robotic, thiết bị thông minh, môi
trường, y tế WSN ngày càng được sử dụng nhiều trong hoạt động công nhiệp và dân dụng
Một số ứng dụng cơ bản của WSN: e Cảm biến môi trường:
Trang 26© Quan su: phát hiện mìn, chất độc, dịch chuyển quân địch,
o_ Công nghiệp: hệ thống chiếu sáng, độ ẩm, phòng cháy, chống rò rỉ,
©_ Dân dụng: hệ thống điều hòa nhiệt độ, chiếu sáng,
Điều khiến:
o Quân sự: kích hoạt thiết bị, vũ khí quân sự,
©_ Cơng nghiệp: điều khiển tự động các thiết bị, robot, Theo dõi, giám sát, định vị:
©ư_ Qn sự: định vị, theo dõi sự dịch chuyển thiết bị, quân đội,
Môi trường:
o Giam sát lũ lụt, bão, gió, mưa,
o_ Phát hiện ô nhiễm, chất thải,
Y tế: định vị, theo dõi bệnh nhân, hệ thống báo động khẩn cấp vị
Hệ thống giao thông thông minh:
o_ Giao tiếp giữa biển báo và phương tiện giao thông, hệ thống điều tiết
lưu thông công cộng, hệ thống báo hiệu tai nạn, kẹt xe,
o Hệ thống định vị phương, trợ giúp điều khiển tự động phương tiện giao thông,
e Gia đình: nhà thông minh: hệ thống cảm biến, giao tiếp và điều khiển các
thiết bị thông minh
WSN tạo ra môi trường giao tiếp giữa các thiết bị thông minh, giữa các thiết bị thông minh và con người, giữa các thiết bị thông minh và các hệ thống viễn thông khác (hệ thống thông tin đi động, internet )
1.3 TICH HOP RFID VOI MANG CAM BIEN KHONG DAY
Hiện nay, công nghé 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 điện tử và khoa học máy tính Ngày càng có nhiều công ty và các nhà nghiên cứu cố
Trang 27gắng tích hợp hai công nghệ này với nhau đề cung cấp cho các ứng dụng cụ thé Sự kết hợp giữa RFID và mạng cảm biến không dây có thê được phân làm các
loại chính sau: tích hợp thẻ RFID với cảm biến, tích hợp cac thé RFID voi các nút
WSN, tich hop cdc dau doc RFID véi cac nit WSN, tích hợp các thành phần RFID
voi cac nut WSN Cam bién Nut WSN Nut WSN Tích hợp các | | thành phần Thẻ RFID RFID với các nút WSN Thẻ Đầu đọc RFID RFID
Hình 1 10 Các loại tích hợp RFID với WSN 1.3.1 Tích hợp thẻ RFID với cảm biến
Loại tích hợp này cho phép thêm vào các hệ thống RFID khả năng cảm biến
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 để 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 chỉ được sử dụng với mục đích cảm biến, do đó các giao thức hiện tại của các thẻ RFID
cũng đựa trên truyền thông đơn chặng, hay nói cách khác là các thẻ không có khả năng giao tiếp với nhau
Trang 28we @ Thẻ tích hợp TY cảm biên
c7 e 6 Đầu đọc @ Tram co so
Hình 1 11 Tich hop thé RFID voi cam bién 1.3.2 Tich hop thé RFID véi nut 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 Trong trường hợp này, thẻ có thê 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 thể tương thích với các tiêu chuẩn của RFID, mà chúng cũng có thê 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 để theo đối 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,
Trang 291.3.3 Tích hợp đầu đọc RFID véi nut WSN
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,
đầu đọc có thể cảm nhận được tình trạng của các tham số môi trường Các đầu đọc
có thê giao tiếp không dây với nhau trong mạng Bên cạnh đó, các đầu đọc đọc dữ liệu của thẻ và gửi thông tin đến máy chủ một cách hiệu quả hơn Sink hoặc trạm cơ sở Dau doc tich hop nut WSN "Thẻ
Hình 1 13 Tích hợp các đầu doc RFID véi cac nit WSN
1.3.4 Loi ich của việc tích hợp RFID với mạng cảm biến không dây
RFID tích hợp với mạng cảm biến không dây cho phép RFID đây mạnh 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 bẩn 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
1.44 TIỂU KÉT CHƯƠNG 1
Chương này, giới thiệu tổng quan về công nghệ RFID và mạng cảm biến
Trang 30không dây Tìm hiểu về hệ thống mạng RFID cũng như các thành phần và phương
thức hoạt động của một hệ thống mạng RFID Đặc biệt là việc tích hợp REID 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 31CHƯƠNG2: THIET KE HiNH TRANG MANG RFID DUA
TREN GIAI THUAT DI TRUYEN
2.1 GIỚI THIỆU VẺ BAI TOAN THIET KE HÌNH TRẠNG MẠNG
RFID
RFID đã thành công trong vô số lĩnh vực ứng dụng và được xem là cơ sở hạ tầng chính của mạng kết nối vạn vật (Internet of Things - IoT) Phần lớn các ứng
dụng RFID đòi hỏi nhiều bộ đọc RFID hoạt động cùng nhau và do đó việc thiết kế
mạng RFID có hiệu quả được quan tâm lớn Thiết kế mạng là một quá trình phức tạp bao gồm nhiều bước khác nhau, trong đó có thiết kế hình trạng mạng Chương này tập trung vào bài toán thiết kế hình trạng mạng RFID theo cách tiếp cận của
một bài toán tối ưu hóa tổ hợp đa mục tiêu Thực tế, việc xác định vị trí của các đầu đọc REID có thể được thực hiện dựa trên cơ sở thử và lỗi (trial and error); tuy nhién cach nay thuong tốn nhiều thời gian và khó đạt được các mục tiêu một cách tối ưu
Một trong những giải pháp cho vấn đề thiết kế hình trạng mạng RFID là sử dụng các phương pháp tính toán mềm, mà giải thuật di truyền là một trong những kỹ thuật heuristic đã được áp dụng Giải thuật di truyền có khá nhiều ưu điểm trong giải quyết các bài toán tối ưu đa mục tiêu như:
- Hầu hết các kĩ thuật tối ưu thông thường tìm kiếm từ một vị trí (đỉnh), trong
khi giải thuật di truyền luôn hoạt động trên tập hợp đỉnh (điểm tối ưu), điều này
giúp giải thuật di truyền tăng cơ hội tiếp cận tối ưu toàn cục và tránh hội tụ sớm tại điểm cục bộ địa phương
Giải thuật di truyền đánh giá hàm mục tiêu trong quá trình tìm kiếm, nên có thê ứng dụng cho bất kì bài toán tối ưu nào (liên tục hay rời rạc)
-_ Giải thuật di truyền thuộc lớp phương pháp dựa trên xác suất; các thao tác cơ bản của giải thuật di truyền dựa trên khả năng tích hợp ngẫu nhiên trong quá trình xử lý
Trong chương này, một số để xuất ứng đụng giải thuật di truyền trong thiết kế
Trang 32hình trạng mạng RFID sẽ được trình bày
2.2 TONG QUAN VE GIAI THUAT DI TRUYEN
Giải thuật đi truyền là một phương pháp tìm kiếm giải pháp thích hợp cho các bài tốn tối ưu tơ hợp Giải thuật di tuyển là một phân ngành của giải thuật tiến hóa,
vận dụng các nguyên lý của tiến hóa như: di truyền, đột biến, chọn lọc tự nhiên và
lai ghép Giải thuật di truyền sử dụng ngôn ngữ máy tính để mô phỏng quá trình
tiến hoá của một tập hợp các đại diện trừu tượng (được gọi là nhiễm sắc thể) của
các giải pháp có thể (gọi là cá thể) cho bài toán tối ưu hóa Tập hợp các đại diện trừu tượng sẽ tiến triển theo hướng chọn lọc những giải pháp tốt hơn Cũng như các
thuật toán tiến hoá, giải thuật di truyền được hình thành dựa trên một quan niệm
được coi là một tiên để phù hợp với thực tế khách quan: Đó là quan niệm “Q„á trình tiễn hoá tự nhiên là quá trình hoàn hảo nhất, hợp lý nhất và tự nó đã mang tính tối ưu" Quá trình tiễn hoá thể hiện tính tối ưu ở chỗ thế hệ sau bao giờ cũng tốt
hơn thế hệ trước
2.2.1 Giải thuật di truyền
Ý tưởng của giải thuật di truyền là mô phỏng theo cơ chế của quá trình chọn lọc và di truyền trong tự nhiên Từ tập các lời giải có thể ban đầu, thông qua nhiều buớc tiến hoá đề hình thành các tập mới với những lời giải tốt hơn, cuối cùng sẽ tìm
được lời giải gần tối ưu nhất
Một quá trình tiến hoá được thực hiện trên một quan thé tương đương với sự
tìm kiếm trên không gian các lời giải có thể của bài toán Quá trình tìm kiếm này luôn đòi hỏi sự cân bằng giữa hai mục tiêu: Khai thác lời giải tốt nhất và xem xét tồn bộ khơng gian tìm kiếm
Giải thuật di truyền thực hiện tìm kiếm theo nhiều hướng bằng cách duy trì tập các lời giải có thể và khuyến khích sự hình thành và trao đổi thông tin giữa các hướng
Tập lời giải phải trải qua nhiều bước tiến hoá Tại mỗi thế hệ, một tập các cá
Trang 33cũ Đồng thời giải thuật di truyền khai thác một cách có hiệu quả thông tin trước đó để suy xét trên điểm tìm kiếm mới với mong muốn có được sự cải thiện qua từng
thế hệ Như vậy, các đặc trưng được đánh giá tốt sẽ có cơ hội phát triển và các tính
chất không tốt (không thích nghi với môi trường) sẽ có xu huớng biến mat Giải thuật đi truyền tổng quát được mô tả như sau: PROCEDURE GeneticAlgorithm; BEGIN T:=0; Khdi tao quan thé P (b); Đánh giá quần thé P(t); wiile not (Điều kiện kết thúc) do begin t=; Chon loc P(t) từ P(t-1); Két hợp các ca thể của P(t); Đánh giá quần thé P(t); end: END; trong do:
¢ Tp quan thé ban dau duge khéi tao ngau nhiên
e Tại vòng lặp thứ /, giải thuật di truyền xác định tập các nhiễm sắc thể
PŒ) =({x‡,x), ,x‡} bằng cách chọn lựa các nhiễm sắc thể thích nghi hơn từ
P(t-1) Mỗi nhiễm sắc thể Xí được đánh giá để xác định độ thích nghi của nó và một số thành viên của P0) lại được tạo ra nhờ các toán tử lai ghép và đột biến
Khi áp dụng giải thuật di truyền để quyết một bài toán cu thé, phải làm rõ các
Trang 34vấn để sau:
1 Chọn cách biểu diễn di truyền nào đối với những lời giải có thể của bài toán?
2 Tạo tập lời giải ban đầu như thế nào?
3 Xác định hàm đánh giá để đánh giá mức độ thích nghi của các cá thể 4 Xác định các toán tử đi truyền để sản sinh con cháu
5 Xác định giá trị các tham số mà giải thuật di truyền sử dụng như kích thước tập lời giải, xác suất áp dụng các toán tử di truyền,
Như vậy giải thuật di truyền là một quá trình lặp nhằm giải quyết các bài toán tìm kiếm Giải thuật di truyền khác với các phương pháp tối ưu thông thường ở những điêm cơ bản sau:
e Giải thuật di truyền làm việc với bộ mã hoá của tập thông số chứ không làm việc trực tiếp với giá trị của các thông số
e Giải thuật di truyền tìm kiếm song song trên một quần thể chứ không tìm kiếm từ một điểm Mặt khác nhờ áp dụng các toán tử di truyén, nó sẽ trao đổi thông
tin giữa các điểm; như vậy sẽ giảm bớt khả năng kết thúc tại một cực tiểu cục bộ mà
không tìm thấy cực tiêu toàn cục
e Giải thuật di truyền chỉ sử dụng thông tin của hàm mục tiêu để đánh giá quá
trình tìm kiếm chứ không đòi hỏi các thông tin bố trợ khác
e Các luật chuyên đổi của giải thuật đi truyền mang tính xác suất chứ không mang tính tiền định
Các thơng số của bài tốn được mã hoá thành các chuỗi (nhiễm sắc thê) Cách đơn giản nhất là dùng chuỗi bit (0 và 1) để mã hố các thơng số Mỗi thông số được
mã hoá bằng một chuỗi bít có độ dài xác định, sau đó nối chúng lại với nhau để có
một chuỗi mã hoá cho tập các thông số Đề tính toán giá trị hàm mục tiêu tương ứng với mỗi chuỗi thông số, chuỗi thông số cần được giải mã theo một quy tắc nào đó Giải thuật di truyền tìm kiếm song song trên một tập các chuỗi, do đó giảm thiểu
Trang 35được khả năng bỏ qua các cực tiểu toàn cục và dừng lại ở cực tiểu địa phương Điều
này giải thích vì sao giải thuật di truyền mang tính toàn cục
Hiện nay giải thuật di truyền được áp dụng nhiều trong kinh doanh, khoa học và kỹ thuật vì tính chất không quá phức tạp mà hiệu quả của nó Hơn nữa, giải thuật
di truyền không đòi hỏi khắt khe đối với không gian tìm kiếm như giả định về tính
liên tục, tính có thể đạo hàm, Bằng lý thuyết và thực nghiệm, giải thuật di truyền
đã được chứng minh là giải thuật tìm kiếm toàn cục mạnh trong các không gian lời giải phức tạp
2.2.2 Cách biểu diễn lời giải của giải thuật di truyền
Biểu diễn lời giải là vấn đề đầu tiên được quan tâm khi bắt tay vào giải quyết
một bài toán bằng giải thuật di truyền Việc lựa chọn cách biểu diễn lời giải như thế
nào phụ thuộc vào từng lớp bài toán, thậm chí vào từng bài toán cụ thể
Giải thuật di truyền kinh điển dùng chuỗi nhị phân có chiều dài xác định để
biểu dién lời giải Tuy nhiên, thực tế cho thấy cách biểu diễn này khó áp dụng trực tiếp cho các bài toán tối ưu cỡ lớn có nhiều ràng buộc Vì lý do đó, giải thuật di truyền đã có các cách biểu diễn thích nghỉ và tự nhiên hơn với các bài toán thực tế
như: biểu diễn theo trật tự, biểu diễn theo giá trị thực, biểu diễn bằng các cấu trúc
cây, ma trận,
a Biểu điễn nhị phân
Trong biểu dién nhi phan (binary encoding), mdi nhiém sac thể là một chuỗi
các bit 0 hoặc 1
Chang han:
NSTA: 101100101100101011100101 NST B: 111111100000110000011111
Ví dụ: Bài toán “Xếp ba lổ” được phát biểu: “Cho một tập các đồ vật, mỗi đồ vật có giá trị và kích thuóc xác định, cho biết sức chứa của ba lô Hãy chọn cách
Trang 36Biểu diễn mỗi lời giải của bài toán trên bằng một chuỗi nhị phân, ở đó mỗi bit
0 hoặc I ứng với một dé vat không được chọn hoặc được chọn
Với cách biểu diễn đó, bài toán được phát biểu lại như sau: “Cho một tập các
khối lượng Ji] tập các giá trị P[z] và sức chứa C Tìm một vectơ nhị phan x=<xy,
Xa Xu> thoả mãn:
> x[i] — Whi] <c
i=1
V6i P(x) = UL, x[i] — W[i] la cwe dai
b Biéu dién hoan vi
Biểu dién hoan vi (permutation encoding) duoc sit đụng trong bài toán mà thứ tự các thành phần của lời giải quyết định mức độ phù hợp của lời giải, điển hình như bài toán “Người đụ lịch”
Với cách biểu điễn hoán vị, cách sắp xếp của các gen khác nhau sẽ cho các nhiễm sắc thê khác nhau, mỗi nhiễm sắc thể là một chuỗi các số nguyên diễn tả
quan hệ tiếp nối Lời giải được biểu diễn bằng một vectơ số nguyén v = (A, hy, ., In) voi v la một hoán vị thứ tự
Ví dụ: NSTA:(153264798) NSTB:(856723149)
c Biểu diễn giá trị
Biểu diễn giá trị (vaiue encoding) thường dùng trong các bài toán mà cách
biểu diễn chuỗi nhị phân là khó thực hiện được như miền xác định của các thành
phân lời giải khá lớn với yêu cầu độ chính xác cao, miền xác định không rõ ràng, hay các bài toán mà việc biéu diễn nhị phân là “không tự nhiên”
Trong biểu điễn giá trị, mỗi cá thể là một chuỗi các giá trị liên quan đến bài toán Các giá trị có thể là số thực, số nguyên, ký tự hay các đối tượng phức tạp khác
Ví dụ: NST A: (0.1229 2.9234 3.0012, 0.3567, 4.3828) NST B: (AJUHNEOLDOGSGLLIKUF SEJHJH)
Trang 372.2.3 Các toán tử di truyền
Các cá thể trong giải thuật di truyền là các chuỗi bit được tạo bởi việc
tách/ghép các chuỗi bit con Mỗi chuỗi bit đại diện cho một tập thông số trong không gian tìm kiếm, nên được coi là lời giải tiềm năng của bài toán tối ưu Mỗi
chuỗi bit sẽ được giải mã để tính các thông số, sau đó tính được giá trị hàm mục tiêu Từ đó, giá trị hàm mục tiêu được biến đổi thành giá trị đo độ phù hợp của từng
chuỗi
Quan thể chuỗi ban đầu được khởi tạo ngẫu nhiên, sau đó tiến hoá từ thế hệ
này sang thế hệ khác bằng các toán tử đi truyền (tổng số chuỗi trong mỗi quân thé là không thay đơi) Có ba tốn tử di truyền đơn giản là:
e Lựa chọn (Selecfion) e Lai ghép (Crossover) ¢ Dot bién (Mutation)
a Lựa chọn
Mỗi bài toán trong thực tế có các điều kiện ràng buộc khác nhau đối với lời
giải Quá trình tìm kiếm lời giải chính là quá trình tiến hoá mà ở mỗi bước, nên cần
phải lựa chọn các cá thể thích nghi hơn để tái sản xuất ở thế hệ sau
Dé đánh giá các lời giải, người ta xây dựng hàm thích nghỉ FitnessQ) Lựa chọn là quá trình sao chép các chuỗi (các cá thê) từ thế hệ trước sang thế hệ sau theo giá
trị hàm thích nghi (còn gọi là hàm mục tiêu)
Nếu xem giá trị của hàm là số đo độ phù hợp, giải thuật di truyền sử dụng giá trị hàm thích nghi dé quyết định số con của một chuỗi: Những chuỗi với giá trị hàm thích nghỉ lớn sẽ có xác suất lớn trong việc tái sản xuất một hay nhiều con trong thế hệ tiếp theo
Một số phương pháp lựa chọn thường dùng bao gồm: e Lựa chọn ngẫu nhiên (Random)
e Lựa chọn dựa trên giải đấu (Tournament): Chi dinh ngau nhiên 2 cá thể, sau
Trang 38đó chọn cá thê tốt hơn trong hai cá thê đó
e Lựa chọn dựa trén banh xe Roulette (Roulette wheel): Dwa trén xác suất (ty lệ thuận với giá trị hàm thich nghi) dé lựa chọn cá thể
b Lai ghép
Lai ghép là kỹ thuật được sử đụng để tạo ra các giải pháp mới từ các giải pháp
hiện có trong nhóm các cha-me sau khi đã áp dụng kỹ thuật lựa chọn Kỹ thuật này
trao đổi thông tin gen giữa các giải pháp trong nhóm cha-mẹ
Các phương pháp lai ghép thông dụng trong giải thuật di truyén:
© Lai ghép tại 1 điểm (one-poin?): là loại lai ghép trong đó một vị trí tách
chuôi được lựa chọn ngâu nhiêu và đuôi của chúng được hốn đơi EPA Aap Nhiễm sắc thế cha me —> Nhiễm sắc thế con IH1NH [ris[e[s[x] Hình 2 1 Lai ghép tại một điểm
© Lai ghép tai N-diém (N-point crossover): Thay vì chỉ một, N điểm (phô biến
là 2 điểm) sẽ được lựa chọn ngẫu nhiên và mỗi phan thứ hai là được hoán đổi HDBDB GOOG) Nhiễm sắc thé cha me —> Nhiễm sac thé con IIR.BN IIDBNE Hình 2 2 Lai ghép tại hai điểm
Trang 39c Đột biến
Đột biến là kỹ thuật đưa những đặc trưng mới vào các chuỗi trong quan thé dé duy trì sự đa dạng Mặc dù trách nhiệm chính của lai ghép là tìm các giải pháp tối
ưu, nhưng đột biến cũng được sử dụng cho mục đích này
Dé dam bảo sự hội tụ ổn định, xác suất đột biến thường giữ ở mức thấp (<
0.001)
Lai ghép 8 Đột biến
Hình 2 4 Phương pháp đột biến
Các phương pháp đột biến thông đụng trong giải thuật di truyền:
e Dao nguoc cac bit don: v6i xac suất p„„ một bit được chọn ngẫu nhiên là bị
đảo ngược
e Đảo ngược toàn bộ bit: toàn chuỗi bị đảo ngược từng bit một với xác suất
Pu
e Lua chon ngdu nhiên: với xác suất Pu chuỗi được thay thế bởi một chuỗi được chọn ngẫu nhiên
2.3 BÀI TỐN THIẾT KÉ HÌNH TRẠNG MẠNG RFID DỰA TRÊN
GIẢI THUẬT DI TRUYEN
Cho đến nay, đã có một số đề xuất ứng đụng giải thuật di truyền vào giải bài toán thiết kế hình trạng mạng RFID [2-4] Sau đây là mô tả chỉ tiết của các đề xuất 2.3.1 Thiết kế hình trạng mạng RFID với các ràng buộc về vùng phủ sóng, tỷ
lệ nhiễu và chỉ phí
Với hướng tiếp cận của Suriya và công sự (CS) trong [4], mục tiêu chính là việc tìm một giải pháp cho vấn để thiết kế hình trạng mạng RFID bằng cách xác
định số lượng va vi tri cua dau doc RFID trong một vùng thử nghiệm để tối đa hoá
Trang 40một số mục tiêu cụ thể Để làm điều này, một vùng thử nghiệm (indoor test facility - ITF) voi chiéu dai 30 mét va chiéu rộng 30 mét đã được sử dụng Như được mô ta
trong Hình 2.5, vùng thử nghiệm tạo thành một không gian tự do không vật cản Có tổng cộng 99 thẻ RFID (được ký hiệu bằng dấu "x" trong Hình 2.5) được đặt ngẫu nhiên trong phạm vi của vùng thử nghiệm Hình tròn màu đen nằm trong vùng thử
nghiệm thể hiện vị trí tiềm năng của các đầu đọc RFID tương ứng với các tọa độ tử
(0.5, 0.5) đến (29.5, 29.5) Như vậy, có tổng cộng 900 vị trí tiềm năng cho các đầu doc RFID (29.5,29.5) 30m Site #900 @ RFID Reader Placement Coordinate x RFID Tag Location \ ` / (0.5,0.5) (15,05) (25.0.5), (28.5,0.5) (29.5,0.5) Site#1 Site#2 Site #3 Sites25 Site #30 Hình 2 5 Vùng thử nghiệm (nguồn từ [4])
Giả thiết ăng-ten vô hướng được sử dụng với vùng phủ sóng tín hiệu tròn tạo ra một vùng bao phủ của các đầu đọc RFID Giả sử tần số truyền là 915 megahertz (MHz), công suất phát là 2 watts (W) và ngưỡng công suất nhận 0,1 miliwatts (mW), bán kính (tính bằng mét) của phạm vi phủ sóng của ăng ten vô hướng có thé được tính bằng công thức lan truyền trong không gian trống như (2.1)
LÊ A |P,G,G
b.=P,G,G @) r— Hồ fr Xung OT =— ae P — 21 0)