Nghiên cứu thiết bị thu phát NFC và ứng dụng

Nghiên cứu thiết bị thu phát NFC và ứng dụng

LỜI MỞ ĐẦU NFC là một trong những công nghệ giao tiếp không dây mới nhất. Được coi như là một công nghệ giao tiếp không dây tầm gần, NFC cung cấp kết nối an toàn, đơn giản và trực quan giữa các thiết bị điện tử. Những người sử dụng các thiết bị có NFC có thể chỉ hoặc đơn giản là chạm thiết bị của họ vào các thành phần có NFC khác trong môi trường để kết nối với họ, giúp cho việc ứng dụng và sử dụng dữ liệu trở nên dễ dàng và tiện lợi. Với công nghệ NFC, việc kết nối diễn ra khi một thiết bị tích hợp NFC được đưa lại gần một vài xăng-ti-mét với một thiết bị NFC hoặc một thẻ NFC. Lợi thế của việc giao tiếp tầm gần là nó hạn chế việc nghe lén trên các phiên giao tiếp sử dụng NFC. Công nghệ NFC mở ra kịch bản sử dụng thú vị mới cho các thiết bị di động. Giao tiếp trường gần (NFC) là một công nghê giao tiếp tầm ngắn không dây. Được dựa trên nhân dạng tần số vô tuyến (NFC), nó sử dụng trường cảm ứng từ để có thể kết nối giữa các thiết bị điện tử. Số các ứng dụng tầm gần cho công nghệ NFC đang phát triển liên tục, xuất hiện trong tất các các lĩnh vực trong cuộc sống. Đặc biệt việc sử dụng kết hợp với điện thoại di động cho ta một cơ hội tuyệt vời. Một trong các mục đích chính của công nghệ NFC là tạo ra những lợi ích trong các kết nối vô tuyến tầm ngắn có thể được sử dụng bởi những người tiêu dùng toàn cầu. Nền tảng công nghệ RF đang tồn tại tới bây giờ được phát triển bởi nhiều yêu cầu thương mại, như là logictic và theo dõi hàng hóa. Trong khi công nghệ đằng sau NFC được tìm thấy trong các ứng dụng hiện có trong việc các công nghệ được sử dụng như thế nào và nó cung cấp gì cho người tiêu dùng. Với những sự hấp dẫn mà công nghê NFC mang lại nhóm chúng em xin chọn đề tài “Nghiên cứu thiết bị thu phát NFC và ứng dụng” Đề tài của chúng em được trình bày theo 3 chương: Chương I: Nguyên lý thu phát trường gần NFC Chương II: Cấu trúc thiết bị thu, phát NFC Chương III: Ứng dụng của thiết bị NFC 1 CHƯƠNG I. NGUYÊN LÝ THU PHÁT TRƯỜNG GẦN 1.1 Trường gần và trường xa. Các thuật ngữ “trường xa” và trường gần” để mô tả các trường xung quanh một ăng – ten hay nói chung là bất kỹ một nguồn điện từ bức xạ nào. Tên gọi như vậy hàm nghĩa là hai khu vực có một ranh giới tồn tại giữa chúng xung quanh một ăng – ten. Trên thực tế, có đến ba khu vực và tồn tại hai ranh giới. Những ranh giới này là không cố định trong không gian. Thay vào đó, ranh giới di chuyển gần hơn hay ra xa đối với ăng – ten, phụ thuộc vào cả hai tần số bức xạ và lượng lỗi một ứng dụng có thể chịu được. Để nói về số lượng này, chúng ta cần một cách để mô tả những khu vực và ranh giới này. Một bản tóm tắt tư liệu tham khảo mang những thuật ngữ này được cho trong hình 1. Các thuật ngữ áp dụng cho mô hình hai vùng và ba vùng. Hình 1: Mô hình 2 và 3 vùng mô tả vùng xung quanh và nguồn điện từ Sử dụng lưỡng cực từ Xác định một ranh giới giữa trường từ gần và trường từ xa, chúng ta sử dụng phương pháp đại số. Chúng ta cần các phương trình mà nó mô tả hai khái niệm quan trọng bao gồm: Từ trường từ một thành phần – đó là ăng – ten lưỡng cực điện nhỏ và từ một thành phần từ trường ăng – ten vòng dây. SK Schelkunoff lấy những phương trình này sử dụng phương trình Maxwell. Chúng có thể đại diện cho một ăng – ten lưỡng cực điện lý tưởng bởi đều là một thành phần dòng ngắn của độ dài nhất định. 1.1.1 Từ trường của một lưỡng cực điện: 2 (1) (2) (3) 1.1.2. Từ trường của một vòng lưỡng cực từ. (4) (5) (6) Trong đó: I là cường độ dòng điện, l là chiều dài (đơn vị mét); là tần số góc của bước sóng bằng radian/s hay 2f. 0 là hằng số điện môi của không gian tự do. là độ từ thẩm của không gian tự do hay 410 -7 H/m; là góc từ điểm trên chính giữa của trục dây tới điểm cần tính. f là tần số tính bằng hertz, c là tốc độ ánh sáng bằng 3.10 8 m/s. r là khoảng cách từ nguồn tới điểm cần tính, đơn vị đo là mét. Trong phương trình từ 1 tới 6 bao gồm các số hạng 1/R, 1/R 2 , 1/R 3 . Trong trường từ gần, số hạng 1/R 3 chiếm ưu thế ở trong phương trình. Như khoảng cách tăng lên thì các số hạng 1/R 3 , 1/R 2 giá trị giảm nhanh chóng và kết quả là số hạng 1/R chiếm ưu thế trong trường xa. Xác định ranh giới giữa các trường, kiểm tra kiểm mà tại đó 2 số hạng cuối cùng bằng nhau. Đây là điểm mà tác động của số hạng thứ 2 giảm dần và số hạn cuối cùng bắt đầu chiếm ưu thế trong các phương trình. Thiết lập độ lớn của các số hạng trong 3 phương trình 2 bằng nhau, cùng với sử dụng một số đại số, chúng ta đưa ra được r là ranh giới mà chúng ta cần tìm. Và Chú ý rằng phương trình tìm ranh rới trong bước sóng, bao hàm ý là ranh giới di chuyển trong không gian với tần số của ăng – ten phát ra. Đánh giá từ tài liệu hiện có, khoảng cách nơi 1 / R và 1/R 2 bằng nhau là ranh giới trường từ gần/trườn từ xa phổ biến nhất được trích dẫn. 1.2. Mã hóa và điều chế Sự khác nhau giữa thiết bị NFC chủ động và thụ động là ở cách dữ liệu được truyền đi. Thiết bị thụ động mã hóa dữ liệu với mã Manchester và 10% ASK. Thay vào đó, thiết bị chủ động phân biệt giẵ mã Miller sửa đổi với 100% điều chế nếu tốc độ dữ liệu là 106 kbps, và mã Manchester sử dụng một tỷ lệ điều chế 10% nếu tốc độ dữ liệu lớn hơn 106 Kbps. Tỷ lệ điều chế sử dụng mã sửa đổi Miller có tầm quan trọng cao đối với khả năng bảo mật của truyền dữ liệu NFC. 1.2.1 Mã Manchester Mã Manchester phụ thuộc vào hai quá trình chuyển đổi tại trung điểm của một chu kỳ. Một quá trình chuyển đổi từ thấp tới cao thể hiện một bit 0, trong khi quá trình chuyển đổi từ cao đến thấp được thể hiện bằng bít 1. Do đó, tại chính giữa mỗi chu kỳ bit có một quá trình chuyển đổi. Chuyên tiếp tại bắt đầu của một chu kỳ ta không xem xét. Mã hóa Manchester 1.2.2 Mã Miller sửa đổi. Dòng mã này được đặc trưng bởi tạm dừng xảy ra trong sóng mang tại các vị trí khác nhau của một chu kỳ. Tùy thuộc vào các thông tin được truyền đi, bit được mã hóa như 4 trong hình. Trong khi số 1 luôn luôn được mã hóa theo cùng một cách, mã hóa số 0 được xác định trên cơ sở của các bit trước. 5 CHƯƠNG II. CẤU TRÚC THIẾT BỊ THU PHÁT NFC 2.1 Bản chất của công nghệ NFC. Nhiều tổ chức đã làm phức tạp trong quá trình phát triển và định nghĩa công nghệ NFC cũng như trong khái niệm phần cứng, các ứng dụng cho môi trường và nhiều ứng dụng các. Các tổ chức khác nhau đưa ra tiêu chuẩn của mình như tổ chức Tiêu chuẩn quốc tế ISO, EPC toàn cầu, ETSI, FCC. Một hệ thống NFC được tạo ra bởi 2 thành phần cơ bản là bộ phát đáp và bộ đọc. Bộ phát đáp là thành phần mà nó được gắn trên sản phầm hoặc thiết bị nhận dạng, bộ đọc là thành phần mà nó đọc dữ liệu từ bộ phát đáp hoặc đọc/ghi từ bộ phát đáp. - Bộ phát đáp bao gồm một cặp phần tử (cuộn dây, anten sóng cực ngắn) và một IC nó chứa dữ liệu thực sự. Bộ phát đáp thực sự là nhãn NFC. Bộ phát đáp có thể là bị động hay chủ động. Khi bộ phát đáp trong dải của một bộ NFC đọc, nó được cấp năng lượng bởi tín hiệu đi đến. - Bộ đọc điển hình bao gồm một máy thu phát (hay một module tần số cao) với một bộ giải mã nó phân giải dữ liệu, một bộ điều khiển và một ăng – ten. Nhiều bộ đọc NFC phù hợp với một giao diện bổ sung cho phép chúng chuyển tiếp dữ liệu nhận từ nhiều hệ thống khác. 2.2. Nhãn NFC như bộ phát đáp Như đã đề cập, nhãn NFC là mạch tích hợp nhỏ với một cặp phần tử. Chúng có lưu trữ một lượng lớn dữ liệu. Nhãn NFC thụ động Nhãn NFC thụ động có một IC được gắn vào và một ăng – ten nhưng nó không có nguồn cung cấp năng lượng. Tín hiệu tần số cao đến cung cấp năng lượng cho để khởi động IC trong nhãn và phát bộ đáp ứng. Bởi không có nguồn năng lượng hỗ trợ hay pin, nhãn NFC thụ động có kích thước khá nhỏ. Trong điều kiện kích thước như vậy, chúng có thể thay đổi giữa kích thước của tem thư cho tới một cái thẻ. Mặc dù chúng có thể đọc chỉ trong khoảng cách ngắn, khoảng cách đọc biến thiên từ khoảng 10cm cho tới vài mét. Khoảng cách này thực sự phụ thuộc vào tần số sóng vô tuyến kết nối, thiết kế ăng – ten và kích thước. Nhãn thụ động NFC được sử dụng chỉ cho một giới hạn những ứng dụng nhất định bởi vì nó không có nguồn cấp năng lượng và có thể đọc được chỉ trong khoảng cách ngắn. Thẻ thụ động NFC vẫn còn có thể đọc được trong thời gian dài ngay cả khi sản phẩm thương mại có chứa thẻ NFC thụ động đã được bán. Những thẻ này được sản xuât với giá thành rất rẻ. 2.3. Bộ đọc NFC 6 Một bộ đọc NFC thiết bị sử dụng để chất vấn một thẻ NFC. Như đã đề cập ban đầu, nó chứa một bộ phát đáp, một bộ điều khiển và một ăng – ten. Ăng – ten phát sống vô tuyến và bộ đọc bắt tín hiệu truyền từ thẻ qua và chuyển giao nó tới hạ tần sau đó sử lý. Ví dụ lấy lại nội dung đã kết nối đồng nhất số trên thẻ. Bộ đọc có khả năng khác là đọc lựa chọn tần số trong khi bộ đọc đa giao thức có thể đọc hầu hết các băng có sẵn. 2.4. Nguyên lý hoạt của công nghệ NFC Nguyên lý hoạt động quan trọng nhất của công nghệ NFC là kết nối cảm ứng Theo phần trên thì một bộ phát đáp kết nối cảm ứng bao giồm một dữ liệu điện tử mang điện, sử dụng một vi mạch đơn và một vùng cuộn dây lớn với chức năng như một anten. Bộ phát đáp kết nối cảm ứng hay thẻ thụ động nói chung nó không có nguồn cấp năng lượng riêng. Do đó chúng có thể chỉ sử dụng trong trong hợp trường gần. Điều này có nghĩa rằng tất cả năng lượng để cấp cho vi mạch trong thẻ được tạo ra bởi bộ đọc NFC trong quá trình vi mạch hoạt động. Cho mục đích này, ăng – ten bộ đọc NFC phát ra cảm ứng điện từ tần số cao. Từ trường này thẩm thấu vào mặt cắt ngang của khu vực cuộn dây ăng – ten và khu vực xung quanh cuộn dây. Chiều dài bước sóng của dải tần số là lớn hơn nhiều lần so với khoảng cách giữa ăng – ten bộ đọc NFC và thẻ thụ động NFC. Trường điện từ này có thể cũng coi như là một từ trường xoay chiều đơn giản. Hình 2.1: Kết nối cảm ứng. Khi thẻ NFC được đặt trong cảm ứng điện từ của bộ đọc NFC và bộ phát đáp nhận được năng lượng từ trường đó (trong hình 1.6). Nguồn năng lượng tiêu thụ này có thể mô tả như giảm điện áp tại trở kháng nội trong các ăng – ten bộ đọc NFC thông qua viêc cung cấp dòng điên cho ăng – ten của bộ đọc NFC. Như vậy, chuyển đổi mở và ngắt trên điện trở tải (hoặc điều biến tải) tại ăng – ten bộ phát đáp có tác dụng thay đổi điện áp tại ăng – ten của bộ đọc NFC. Nếu chuyển bật và tắt điều biến tải được điều khiển bởi dữ 7 liệu, tiếp đó dữ liệu này có thể truyền từ thẻ NFC tới bộ đọc NFC. Dữ liệu được truyền dẫn theo dạng này được gọi là điều biến tải. 1.8. Truyền dẫn trường gần Thiết kế khác nhau của NFC hiện có cho truyền dẫn năng lượng từ bộ đọc của thẻ: cảm ứng từ và bắt sóng điện từ. - Trường từ gần NFC Trường từ gần sử dụng cảm ứng từ giữa một bộ đọc và một bộ phát đáp. Trong khi một NFC sinh ra một trường cảm ứng từ trong vị trí của nó, nó truyền một dòng điện xoay chiều thông qua một cuộn dây đọc. Nếu một thẻ NFC với một cuộn dây nhỏ được đặt bên trong khoảng của bộ đọc, điện áp xoay chiều xuất hiện trên nó và cảm ứng từ bị ảnh hưởng bởi dữ liệu lưu trên thẻ. Điện áp được chỉnh lưu và năng lượng của thẻ. Vì nó được hỗ trợ, các dũ liệu được gửi lại cho người đọc sử dụng điều chế tải. 8 CHƯƠNG III. ỨNG DỤNG CỦA THIẾT BỊ NFC Công nghệ NFC hiện đang được sử dụng với mục đích chủ yếu là cho điện thoại di động. Có 3 trường hợp chính sử dụng NFC: • Thẻ mô phỏng: các thiết bị NFC hoạt động như 1 thẻ không tiếp xúc hiện tại • Chế độ đọc: thiết bị NFC chủ động và đọc 1 thẻ NFC thụ động, ví dụ như quảng cáo tương tác • Chế độ P2P (Peer-To-Peer): 2 thiết bị NFC giao tiếp và trao đổi thông tin với nhau 3.1 Thẻ mô phỏng Đây là một chế độ mà Google Wallet hoặc tất cả những loại dịch vụ thanh toán khác dựa vào để hoạt động, Card Emulation chính là chế độ biến điện thoại thành thẻ thanh toán. Chế độ này được sử dụng trong các loại thẻ của MasterCard và Visa. Ngoài ra, với việc lưu trưc các thông tin người dùng, nó có thể thay thế cho hành loạt các loại thẻ khác. 9 • Thay thế cho thẻ ATM Thay vì luôn phải mang theo nhiều loại thẻ ATM khác nhau, ta có thể sử dụng điện thoại có hỗ trợ NFC để rút tiền ở máy ATM. Cách thức hoàn toàn đơn giản, ta chỉ cần chạm điện thoại vào máy ATM, nhập mã pin và rút tiền. • Vận chuyển công cộng: Có thể coi đây là 1 phần của thanh toán di động nhưng nó cũng nên được đề cập riêng. Các phương tiện vận chuyển công cộng ở các thành phố lớn rất cần những phương thức thanh toán tiện lợi như NFC, thực tế thì một số thành phố như Nice ở Pháp đã cho khách hàng trả tiền xe bus, tàu điện ngầm hay xe điện qua điện thoại NFC. • Mua vé: Bạn có thể mua bất cứ loại vé nào với điện thoại NFC, từ vé phim, vé ca nhạc, các sân vận động hay thậm chí thay cho việc làm thủ tục ở sân bay. Với công nghệ này ta không cần rút vì mà có thể thực hiện chỉ bằng thao tác lướt điện thoại qua thiết bị thanh toán. 3.2 Chế độ đọc • Poster thông minh: poster thông minh là các post mà trong đó có đặt các thẻ NFC. Mỗi thẻ NFC có chứa thông tin. Khi chiếc điện thoại cho phép NFC chạm vào thẻ trên poster, thông tin trên thẻ sẽ được đọc bởi điện thoại. Tuỳ thuộc vào 10 [...]... sóng vô tuyến NFC và bắt đầu truyền thông ngang hàng Thông tin được chia sẻ dưới định dạng dữ liệu NFC bởi cả 2 thiết bị • Chuyển hình ảnh, video và nhạc qua lại giữa các thiết bị Trước đây, khi muốn chuyển hình ảnh hay video từ một thiết bị này sang thiết bị khác, người dùng hay sử dụng một thiết bị trung gian là máy tính Mọi thứ được chép sang máy tính bằng USB và từ máy tính sang thiết bị khác bằng... tính năng gọi là S Beam Hiện nay, trên thị trường đã xuất hiện nhiều thiết bị điện tử có trang bị kết nối NFC để người dùng dễ dàng thực hiện công việc như smartphone, máy ảnh, laptop và thậm chí cả TV Bạn có thể chia sẻ rất nhiều thứ như: ứng dụng (không phải là chia sẻ file APK, thay vào đó, bên nhận sẽ nhận được đường dẫn đến ứng dụng trên Google Play), đường dẫn 12 URL của trang web, đường dẫn video... được chép sang máy tính bằng USB và từ máy tính sang thiết bị khác bằng cáp chuyên dụng Việc làm này rất mất thời gian, Bluetooth 4.0 ra đời và đã hỗ trợ tốt hơn cho công việc này Tuy nhiên, mọi chuyện có thể được đơn giản hóa hơn nữa khi công nghệ NFC được ứng dụng vào thực tiễn Người dùng chỉ cần chạm hai thiết bị vào nhau để chuyển tải dữ liệu qua lại Chiếc điện thoại Galaxy S III của Samsung đã... một số cửa hàng và nhà hàng tại Mỹ Với điện thoại NFC, bạn chỉ cần chạm nhẹ vào là đã tham khảo được thông tin, đánh giá, thức ăn hay hàng hóa bên trong Những bạn hay sử dụng Foursquare để check-in cũng được lợi, không cần mạng hay GPS nữa mà chỉ cần chạm vào thẻ để check-in 11 3.3 Chế độ P2P Hai chiếc điện thoại hỗ trợ NFC có thể trao đổi thông tin bằng cách sử dụng NFC Khi người sử dụng chon thông... một chiếc chứng minh thư cá nhân vậy Khi ta đến những nơi công cộng như sân bay, trường học, khách sạn, bệnh viện, đi dự sự kiện…các thiết bị an ninh có hỗ trợ NFC sẽ tương tác với điện thoại để kiểm tra thoog tin của người dùng Tuy nhiên, điều này hiện vẫn chưa thực sự được ứng dụng rộng rãi do tính bảo mật của công nghê NFC vẫn chưa được đảm bảo Gần đây, Google đã bắt đầu dán những thẻ NFC trên một... tác nào đó • Khoá điện tử: Hãy tưởng tượng đến việc vứt bỏ toàn bộ chìa khóa của bạn ở nhà mà thay vào đó là 1 chiếc điện thoại di động thôi Với việc sử dụng NFC, tất cả những gì bạn cần làm là chạm nhẹ vào cửa nhà, văn phòng hay khách sạn, khởi động xe… • Nhận diện hàng giả: Đây là công dụng mới nhất của NFC, một công ty có tên gọi Inside Secure vừa cho ra mắt những tag nhằm xác thực sản phẩm là hàng... YouTube, danh bạ (được chia sẻ thông qua tài khoản Google), hình ảnh, video có sẵn • Chơi game trên di động Kết nối giữa 2 hay nhiều thiết bị để cùng chơi game, đặc biệt là các game đối kháng hoặc đua xe Điều này được thực hiện mà chỉ cần các điện thoại hỗ trợ NFC chạm vào nhau hoặc đặt gần nhau Điều này rất hữu ích khi số lượng các điện thoại hỗ trợ công nghệ này đã có rất nhiều trên thị trường 13... thực hiện được khi mà các túi xách đều có chip NFC được nhúng sẵn) • So sánh sản phẩm khi mua sắm: Bất cứ khi nào mua gì, bạn chỉ việc vẫy nhẹ điện thoại là đã có thể xem thông tin, đánh giá hay giá của sản phẩm đó từ các cửa hàng khác Hiện tại chúng ta thường dùng mã vạch (barcode) để làm việc này nhưng NFC giúp mọi thứ nhanh hơn rất nhiều • Check-in và đánh giá về một địa điểm nào đó: Điện thoại . Nguyên lý thu phát trường gần NFC Chương II: Cấu trúc thiết bị thu, phát NFC Chương III: Ứng dụng của thiết bị NFC 1 CHƯƠNG I. NGUYÊN LÝ THU PHÁT TRƯỜNG GẦN 1.1 Trường gần và trường xa. Các thu t. dụng như thế nào và nó cung cấp gì cho người tiêu dùng. Với những sự hấp dẫn mà công nghê NFC mang lại nhóm chúng em xin chọn đề tài Nghiên cứu thiết bị thu phát NFC và ứng dụng Đề tài của. và sử dụng dữ liệu trở nên dễ dàng và tiện lợi. Với công nghệ NFC, việc kết nối diễn ra khi một thiết bị tích hợp NFC được đưa lại gần một vài xăng-ti-mét với một thiết bị NFC hoặc một thẻ NFC.