Đánh giá hoạt động của cảm biến RFID dùng cho ứng dụng theo dõi chất lượng thực phẩm

Đây là một hướng ứng dụng mới của công nghệ RFID, hứa hẹn mang lại nhiều nhiều lợi ích như giảm chi phí, tiết kiệm thời gian và thuận tiện hơn trong việc quản lý và theo dõi chất lượng t

LÂM TẤN PHÁT

ĐÁNH GIÁ HOẠT ĐỘNG CỦA CẢM BIẾN RFID DÙNG CHO ỨNG DỤNG THEO DÕI CHẤT LƯỢNG THỰC PHẨM

Chuyên ngành: Vật liệu và Linh kiện Nanô (Chuyên ngành đào tạo thí điểm)

LUẬN VĂN THẠC SĨ

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS NGUYỄN ĐẠT SƠN

Thành phố Hồ Chí Minh - 2014

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH

PTN CÔNG NGHỆ NANO

Lời cam đoan

Tôi là Lâm Tấn Phát, học viên cao học chuyên ngành Vật liệu và Linh kiện Nanô của trường Đại học Công Nghệ - ĐHQG Hà Nội và Phòng Thí nghiệm Công nghệ Nano (LNT) – Đại Học Quốc Gia Thành phố Hồ Chí Minh đã hoàn thành luận văn này Tôi xin cam đoan rằng các trích dẫn trong luận văn là rõ ràng, các số liệu và kết quả tính toán là trung thực và chưa có trong các công trình khoa học nào mà tôi không tham gia

Tp Hồ Chí Minh, ngày 31 tháng 12 năm 2014

Học viên

Lâm Tấn Phát

Lời cảm ơn

Trong suốt thời gian theo học chuyên ngành và tiến hành Luận văn tốt nghiệp này,

em đã nhận được sự giúp đỡ nhiệt tình và tạo điều kiện thuận lợi của nhiều cá nhân và tập thể

Trước hết, em xin trân trọng gửi lời cảm ơn đến Ban Giám đốc và Bộ phận Đào tạo của Phòng Thí nghiệm Công nghệ Nano – Đại Học Quốc Gia Thành phố Hồ Chí Minh, đặc biệt là PGS.TS Đặng Mậu Chiến, Giám đốc Phòng Thí nghiệm Đơn vị đã định hướng và tạo mọi điều kiện thuận lợi về thời gian để em vừa làm việc vừa tham gia học tập; đồng thời tài trợ tất cả các chi phí và vật tư tiến hành thí nghiệm trong Luận văn này

Em cũng xin gửi lời cảm ơn chân thành đến TS Nguyễn Đạt Sơn, TS Đoàn Đức Chánh Tín và KS Lê Nguyên Ngân đã định hướng, trực tiếp hướng dẫn, giúp đỡ và tạo điều kiện thuận lợi để em hoàn thành Luận văn này

Nhân dịp này, em cũng xin tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới tất cả Thầy Cô, người thân

và bạn bè đã dạy dỗ, giúp đỡ và động viên em trong suốt quá trình học tập và làm việc

Đây là Luận văn thiên về thực nghiệm Kết quả đạt được có thể giúp đánh giá và định hướng trong việc thiết kế ứng dụng trong thực tế Do những hạn chế về thời gian và phụ thuộc vào nhiều công đoạn khác nên Luận văn không tránh khỏi những sai sót Rất mong nhận được sự chỉ dẫn và góp ý hoàn thiện từ Thầy Cô và bạn bè

Tp Hồ Chí Minh, ngày 31 tháng 12 năm 2014

Học viên thực hiện

Lâm Tấn Phát

MỤC LỤC

Lời cam đoan 2

Lời cảm ơn 3

MỤC LỤC 4

Danh mục các ký hiệu và chữ viết tắt 6

Danh mục các hình vẽ và đồ thị 8

Danh mục các bảng 12

MỞ ĐẦU 13

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ RFID 15

1.1 Lịch sử hình thành và phát triển 15

1.2 Các thành phần của hệ thống 20

1.3 Tình hình nghiên cứu và ứng dụng ở nước ngoài 25

1.4 Tình hình nghiên cứu và ứng dụng ở trong nước 27

Chương 2 THẺ NHẬN DẠNG TÍCH HỢP CHỨC NĂNG CẢM BIẾN 30

2.1 Tiêu chuẩn Việt Nam về sản phẩm thịt tươi 30

2.2 Xu hướng tích hợp chức năng cảm biến trên thẻ nhận dạng 32

2.3 Cảm biến theo dõi chất lượng sản phẩm thịt 36

2.4 Nguyên lý xác định trạng thái hỏng trên thịt của cảm biến 40

Chương 3 KHẢO SÁT TẦM ĐỌC CỦA CẢM BIẾN RFID 44

3.1 Môi trường lưu trữ mẫu thịt 44

3.2 Hệ đo tầm đọc của cảm biến 47

3.3 Quy trình đo tầm đọc của cảm biến 50

3.4 Kết quả đo tầm đọc của cảm biến 53

Chương 4 ẢNH HƯỞNG CỦA ĐIỀU KIỆN BẢO QUẢN LÊN HOẠT ĐỘNG CỦA CẢM BIẾN RFID 56

4.1 Ảnh hưởng của độ ẩm bảo quản mẫu thịt 56

4.2 Ảnh hưởng của nhiệt độ bảo quản mẫu thịt 60

4.3 Ảnh hưởng của vị trí sắp xếp các mẫu thịt 64

KẾT LUẬN 68 DANH MỤC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC CỦA TÁC GIẢ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN VĂN 69 TÀI LIỆU THAM KHẢO 70

Danh mục các ký hiệu và chữ viết tắt

CAGR Compound Annual Growth Rate (Tốc độ tăng trưởng

hàng năm kép) CRC Cyclic Redundancy Check (Mã phát hiện lỗi)

DC Direct current (Dòng một chiều)

EAN The European Article Numbering system (Hệ thống đánh

ETSI European Telecommunications Standards Institute (Viện

Tiêu chuẩn Viễn thông châu Âu) FRG Federal Republic of Germany (Cộng hòa Liên bang Đức) GS1 Hiệp hội Mã số Châu Âu

HF High Frequency (Tần số cao)

ICDREC Integrated Circuit Design Research and Education Center

(Trung tâm Nghiên cứu và Đào tạo thiết kế vi mạch)

ID Identification (Nhận dạng)

IFF Identification friend or foe (Hệ thống nhận dạng đồng

minh hay kẻ thù) ISM Industrial, Scientific and Medical ISO International Organization for Standardization (Tổ chức

tiêu chuẩn hóa quốc tế)

LAN Local Area Network (Mạng cục bộ)

LF Low Frequency (Tần số thấp)

LNT Laboratory for NanoTechnology (Phòng Thí nghiệm

Công nghệ nano)

MIC Ministry of Information and Communications (Bộ Thông

tin và Truyền thông) PET Poly-Ethylene Terephthalate RAM Random Access Memory (Bộ nhớ truy cặp ngẫu nhiên) RFID Radio Frequency Identification (Nhận dạng tần số radio)

RH Relative Humidity (Độ ẩm tương đối) RVP Relative Vapour Pressure (Áp suất hơi tương đối) R&D Research and Development (Nghiên cứu và Phát triển) TCVN Tiêu chuẩn Việt Nam

UART Universal Asinchonus Receiver Transmitter (Bộ truyền

nhận bất đồng bộ) UCC Uniform Code Council (Hội đồng Mã thống nhất Mỹ) UHF Ultra High Frequency (Tần số siêu cao)

UPC Universal Product Code (Mã sản phẩm chung) USB Univeral Serial Bus

WSN Wireless Sensor Network (Mạng cảm biến không dây) 3D Three-dimensional (Không gian 3 chiều)

Danh mục các hình vẽ và đồ thị

Hình 1.1 Watson Watt giới thiệu thiết bị radar đầu tiên được phát minh vào năm 1935

Nguồn: scienceandsociety.co.uk 15

Hình 1.2 Sử dụng tín hiệu bức xạ phản hồi để giao tiếp với hệ thống radar [4] 16

Hình 1.3 Một số ứng dụng điển hình của thẻ nhận dạng RFID trong kiểm soát vào ra (a), truy xuất thông tin bệnh nhân (b), quản lý kho hàng (c), quản lý sách trong thư viện (d) và hộ chiếu điện tử (e) [3] 17

Hình 1.4 Thẻ nhận dạng điện tử trên bò sữa (a) được đọc bởi đầu đọc RFID (b) Nguồn: RFID Journal, www.rfidjournal.com 18

Hình 1.5 Dải tần hoạt động của RFID 18

Hình 1.6 Các thành phần cơ bản của hệ thống RFID 20

Hình 1.7 Sơ đồ khối của thẻ nhận dạng tần số radio 21

Hình 1.8 Thẻ thương mại RFID thụ động hoạt động ở dãy tần UHF của Alien Technology (Model 9238) 21

Hình 1.9 Phân loại thẻ nhận dạng RFID [5] 22

Hình 1.10 Phân loại thẻ nhận dạng theo nguồn hoạt động: thẻ thụ động (a), thẻ bán thụ động (b) và thẻ tích cực (c) Nguồn: Internet 22

Hình 1.11 Một số đầu đọc RFID thương mại gồm USB Volaré (a), loại cầm tay (b) và loại chuyên dụng (c) 23

Hình 1.12 Doanh thu của các thành phần trong thị trường RFID năm 2012 (đơn vị: tỷ USD) Nguồn: IDTechEx, www.idtechex.com 25

Hình 1.13 Thị trường RFID của các nước trong năm 2008 Nguồn: IDTechEx, www.idtechex.com 26

Hình 1.14 Dự báo thị trường RFID của các nước trong giai đoạn 2013-2020 Nguồn: IDTechEx, www.idtechex.com 27

Hình 1.15 Ứng dụng công nghệ RFID ở trạm thu phí tự động Xa lộ Hà Nội (a) và bãi giữ xe tòa nhà De Manor TP.HCM (b) 28

Hình 1.16 Ứng dụng hệ thống RFID trong quản lý thư viện Nguồn: ITEL Việt Nam, www.itel-vn.com 29

Hình 2.1 Mẫu thịt bò khi chất lượng còn tốt 32 Hình 2.2 Trạm thu thập dữ liệu về môi trường không khí và đất ứng dụng WSN [13] 33 Hình 2.3 Sự phát triển của chứng thực bằng tần số radio [16] 34 Hình 2.4 Sơ đồ khối của thẻ RFID tích hợp chức năng cảm biến [3] 34 Hình 2.5 Mô hình ăng-ten trên cảm biến RFID có mã số SO-01 (a), TO-01 (b) và TO-02

(c) được đưa vào mô phỏng trên phần mềm CST Microware Studio 36

Hình 2.6 Quy trình chế tạo ăng-ten sóng radio trên cảm biến RFID tại Phòng Thí nghiệm

Công nghệ Nano – Đại học Quốc gia TP.HCM 37

Hình 2.7 AK tagsys (a) được dán trên ăng-ten có mã TO-01 (b) để tạo thành thẻ nhận

dạng 38

Hình 2.8 Các cặp cảm biến RFID được đánh mã SO-01 (a), TO-01 (b) và TO-02 (c)

dùng cho ứng dụng theo dõi chất lượng thịt trong quá trình bảo quản 39

Hình 2.9 Cảm biến RFID được dán trên bề mặt của các mẫu thị bò trong quá trình bảo

BLUEBOX UHF 49

Hình 3.8 Kết nối với đầu đọc BLUEBOX UHF sử dụng chương trình BlueBox show 49 Hình 3.9 Các thông số hoạt động của đầu đọc thẻ nhận dạng RFID chuyên dụng

BLUEBOX UHF 50

Hình 3.10 Quy ước phương và chiều của tầm đọc của cảm biến RFID được dán trên các

mẫu thịt 52

Hình 3.11 Đo tầm đọc của cảm biến RFID dán trên mẫu thịt bò 52 Hình 3.12 Mã số của các cảm biến RFID được quét và hiển thị trên màng hình sử dụng

phần mềm BLUEBOX Polling 53

Hình 3.13 Đồ thị biểu diễn tầm đọc của cảm biến RFID có mã TO-1 được dán trên thịt

theo thời gian bảo quản 54

Hình 3.14 Độ lặp lại của tầm đọc cảm biến RFID có mã TO-1 được dán trên mẫu thịt

theo thời gian bảo quản 55

Hình 4.1 Sự định hướng của các phân tử nước tự do (a) và dưới tác dụng của trường

ngoài (b) 56

Hình 4.2 Đường đẳng nhiệt hấp thụ nước của thực phẩm [24] 57 Hình 4.3 Ảnh hưởng hoạt độ của nước lên hoạt động của enzym và phản ứng hóa học

bên trong thực phẩm (Karel, 1975) 58

Hình 4.4 Hằng số điện môi tương đối (a) và hệ số tổn hao (b) của thịt bò theo lượng tro

được khảo sát ở tần số 915 MHz, các điều kiện nhiệt độ và hàm lượng ẩm khác nhau [26] 59

Hình 4.5 Tầm đọc của cảm biến TO-01 dán trên các mẫu thịt bảo quản ở độ ẩm 50±5%

và 80±5% (cùng nhiệt độ 5±1oC) 60

Hình 4.6 Sự dao động có định hướng của các phân tử lưỡng cực dưới tác dụng của

trường ngoài ở nhiệt độ thấp (a) và nhiệt độ cao hơn (b) 61

Hình 4.7 Hằng số điện môi tương đối (a) và yếu tố tổn hao (b) của nước theo nhiệt độ ở

Hình 4.12 Tầm đọc của cảm biến TO-01 dán trên các mẫu thịt được đặt nằm ngang 66 Hình 4.13 Tầm đọc của cảm biến TO-01 dán trên các mẫu thịt được xếp thành chồng

đứng 67

Danh mục các bảng

Bảng 1.1 Dãy tần hoạt động và đặc điểm của hệ thống RFID tương ứng 18

Bảng 1.2 Mô tả một số tham số hoạt động của các loại đầu đọc RFID phổ biến hoạt động ở dãy tần UHF: 23

Bảng 2.1 Thành phần dinh dưỡng trong 100g thịt bò tươi với thành phần 95% thịt / 5% chất béo [10] 30

Bảng 2.2 Một số chỉ tiêu mô tả thịt tươi theo TCVN 7046:2002: 31

Bảng 2.3 Đặc điểm và ứng dụng của một số thẻ RFID thương mại được tính hợp tính năng cảm biến 35

Bảng 2.4 Các thông số cơ bản của nhãn AK tagsys [21]: 38

Bảng 3.1 Các môi trường bảo quản mẫu thịt trong quá trình thử nghiệm: 44

Bảng 3.2 Các thông số của ăng-ten UHF trên đầu đọc BLUEBOX [6]: 48

Bảng 3.3 Các mẫu và dụng cụ thí nghiệm cần chuẩn bị để đo tầm đọc của cảm biến: 50

Bảng 4.1 Hằng số điện môi của nước ở dạng lỏng và đá ở tần số 2,45GHz [25]: 58

Bảng 4.2 Ảnh hưởng của nhiệt độ đến thời hạn bảo quản thực phẩm [27]: 63

MỞ ĐẦU

Thực trạng an toàn vệ sinh thực phẩm đang thu hút mối quan tâm của toàn xã hội, không chỉ riêng với người tiêu dùng mà còn từ các tổ chức, doanh nghiệp sản xuất kinh doanh, các đơn vị quản lý Vấn đề đặt ra là làm sao để có thể phát hiện nhanh chóng các thực phẩm hư hỏng, không đảm bảo an toàn cho sức khỏe con người trong quá trình sản xuất, lưu trữ và vận chuyển trước khi đến tay người tiêu dùng

Tại các siêu thị, sản phẩm thịt gia súc sau khi giết mổ sẽ được chia nhỏ và đóng gói trong đế xốp Các đế này được bao bọc cẩn thận bằng một màng nhựa mỏng và bảo quản

ở ngăn lạnh với nhiệt độ khoảng 0-5 oC trong suốt thời gian tiêu thụ Ở điều kiện này, người quản lý sẽ quy định thời gian lưu trữ là khoảng 3 ngày Sau thời gian trên, các mẫu thịt sẽ bị loại bỏ để không gây ảnh hưởng xấu đến sức khỏe của người tiêu dùng

Phương pháp quản lý này vẫn còn tồn tại một số nhược điểm Thứ nhất, cách xác định

trạng thái thịt hỏng theo nguyên tắc đánh đồng hạn sử dụng đối với tất cả các mẫu (khoảng 3 ngày sau khi giết mổ) là chưa thực sự tối ưu về mặt kinh tế vì thực tế các mẫu

thịt bảo quản trong điều kiện siêu thị sẽ hỏng sau 4-5 ngày Thứ 2, khi xuất hiện những

thay đổi đột ngột, bất thường của các yếu tố môi trường bảo quản, như nhiệt độ, độ ẩm,

do mất điện v.v thì hạn sử dụng của sản phẩm có thể rút ngắn đáng kể Thứ ba, người

mua hàng hoặc quản lý kho thường đánh giá chất lượng sản phẩm dựa vào một số dấu hiệu cảm quan của sản phẩm như độ nhớt, mùi hay sự thay đổi về màu sắc Tuy tiết kiệm thời gian và chi phí nhưng các dấu hiệu cảm quan này thường dễ gây sai sót do chúng chỉ xuất hiện sau khi cấu trúc protein của thịt đã bị vi khuẩn phá hủy nặng nề Vì vậy, cần thiết phải có một giải pháp hữu hiệu để theo dõi chất lượng thịt một cách liên tục và tự động trong suốt quá trình bảo quản Điều này giúp cho việc đánh giá chất lượng thực phẩm được chuẩn xác hơn quy trình cảm quan thông thường, tránh lãng phí thời gian và tiền bạc do các xét nghiệm vi sinh đồng thời mang lại lợi ích cho cả đơn vị sản xuất kinh doanh lẫn người tiêu dùng

Xuất phát từ nhu cầu này của thực tiễn, từ năm 2012, Phòng Thí nghiệm Công nghệ Nano – ĐHQG TP HCM là đơn vị tiên phong tiến hành nghiên cứu, chế tạo các ăng-ten trên thẻ nhận dạng có thể hoạt động như các cảm biến dùng trong việc quản lý và theo dõi chất lượng sản phẩm thịt Đây là một hướng ứng dụng mới của công nghệ RFID, hứa hẹn mang lại nhiều nhiều lợi ích như giảm chi phí, tiết kiệm thời gian và thuận tiện hơn trong việc quản lý và theo dõi chất lượng thực phẩm vì hệ thống hoạt động hoàn toàn tự động trên nền tảng các hệ thống RFID UHF được ứng dụng trong các hệ thống siêu thị trên thế giới từ nhiều năm nay [1,2]

Trong khuôn khổ luận văn này, chúng tôi tiến hành một số thí nghiệm nhằm kiểm tra

và đánh giá hoạt động của các cảm biến RFID (riêng phần ăng-ten được thiết kế và chế tạo tại LNT) trong việc theo dõi chất lượng thực phẩm Đồng thời khảo sát ảnh hưởng của điều kiện bảo quản như yếu tố môi trường (nhiệt độ, độ ẩm) và vị trí sắp xếp của các mẫu thịt lên hoạt động của các cảm biến Trên cơ sở đó, đưa ra kết luận về hoạt động của cảm biến và khả năng ứng dụng loại cảm biến này trong các điều kiện thực tế

Cấu trúc Luận văn này bao gồm 4 Chương có nội dung như sau:

Chương 1: Chương này trình bày sơ lược về công nghệ RFID và nguyên lý hoạt động của

hệ thống Xu hướng tích hợp chức năng cảm biến trên thẻ nhận dạng sóng radio

Chương 2: Chương này đề cập đến các tiêu chuẩn Việt Nam cũng như thế giới về quản lý chất lượng sản phẩm thịt Đây là các cơ sở để đánh giá hoạt động của cảm biến RFID ở phần sau Bên cạnh đó, chúng tôi cũng giới thiệu khái quát nguyên tắc sử dụng thẻ nhận dạng RFID UHF thụ động như một cảm biến không dây giúp quản lý và theo dõi chất lượng sản phẩm thịt một cách tự động theo thời gian thực

Chương 3: Chương này mô tả khái quát về hệ đo và phương pháp đo tầm đọc của các

cảm biến RFID nhằm đánh giá chất lượng mẫu thịt theo thời gian Từ việc phân tích các kết quả đo đạc, chúng tôi sẽ tiến hành đánh giá hoạt động và khả năng ứng dụng của những cảm biến này trong điều kiện thực tế

Chương 4: Chương này phân tích ảnh hưởng của một số yếu tố môi trường bảo quản như

nhiệt độ, độ ẩm tương đối của môi trường và vị trí sắp xếp các mẫu lên hoạt động của cảm biến RFID Từ đó, chúng tôi đưa ra những đánh giá về mức độ ảnh hưởng của các yếu tố môi trường này lên hoạt động của các cảm biến, đồng thời đưa ra khuyến nghị về môi trường thích hợp cho việc bảo quản các mẫu sản phẩm thịt trong quá trình vận chuyển và lưu trữ

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ RFID

Công nghệ RFID là kỹ thuật giao tiếp không dây, trong đó dữ liệu được truyền và nhận thông qua sóng điện từ ở tần số radio nhằm mục đích theo dõi hay xác định các đối tượng được dán các thẻ RFID Trong những năm gần đây, công nghệ nhận dạng này đã trở nên rất phổ biến trong nhiều lĩnh vực của đời sống như an ninh, giao thông công cộng, sản xuất công nghiệp, dịch vụ, v.v… [3] Bằng cách sử dụng công nghệ này, thông tin về các đối tượng như con người, động vật hay sản phẩm hàng hóa trong quá trình lưu trữ và vận chuyển có thể được theo dõi và truy xuất thông tin một cách tự động, nhanh chóng và chính xác theo thời gian thực

Trong Chương 1 này, chúng tôi xin giới thiệu một cách khái quát về lịch sử hình thành

và phát triển của công nghệ RFID, các thành phần chính của hệ thống cùng với những ưu điểm nổi bật của nó so với các công nghệ nhận dạng khác và một số ứng dụng phổ biến của công nghệ này trong đời sống

Hình 1.1 Watson Watt giới thiệu thiết bị radar đầu tiên được phát minh vào năm 1935

Nguồn: scienceandsociety.co.uk

Người Đức phát hiện ra rằng nếu các phi công của họ cho máy bay lộn vòng trước khi tiếp cận căn cứ sẽ tạo ra một sự thay đổi tín hiệu sóng radio phản hồi Kỹ thuật này giúp

các radar trên mặt đất nhận dạng được máy bay Đức hay của lực lượng không quân Đồng

Minh (xem Hình 1.2)

Hình 1.2 Sử dụng tín hiệu bức xạ phản hồi để giao tiếp với hệ thống radar [4]

Sau đó, người Anh đã phát triển hệ thống IFF (Identification Friend or Foe) có khả năng nhận dạng được kẻ thù hay đồng minh bằng cách đặt một thiết bị truyền tín hiệu trên các máy bay của họ [4] Khi nhận được tín hiệu từ các trạm radar trên mặt đất, nó được kích hoạt và bắt đầu phát sóng tín hiệu tần số radio trở lại để xác định chiếc máy bay này

là đồng minh Hệ thống RFID thụ động ngày nay về cơ bản cũng hoạt động dựa trên nguyên lý này

Các tiến bộ trong việc phát triển hệ thống thông tin liên lạc bằng tần số vô tuyến (Radio Frequency) và kỹ thuật radar vẫn tiếp tục qua những năm 1950 và 1960 Các nhà khoa học và các viện nghiên cứu ở Hoa Kỳ, Châu Âu và Nhật Bản đã nghiên cứu và trình bày một cách rõ ràng vì sao năng lượng RF có thể được sử dụng để xác định các đối tượng từ xa Lúc này, các công ty bắt đầu thương mại hóa hệ thống chống trộm EAS (Electronic Article Surveillance) bằng cách sử dụng sóng vô tuyến để xác định xem một vật thể đã được trả hay chưa

Năm 1973, Mario W Cardullo đã nhận được bằng sáng chế đầu tiên của Mỹ cho một thẻ RFID hoạt động với bộ nhớ ghi lại Các bằng sáng chế cơ bản sau đó của Cardullo bao gồm việc sử dụng tần số radio, âm thanh và ánh sáng như phương tiện truyền thông Kế hoạch kinh doanh ban đầu được giới thiệu cho các nhà đầu tư vào năm 1969 cho thấy khả năng ứng dụng trong giao thông vận tải (nhận dạng xe, hệ thống thu phí tự động, giấy phép điện tử, kê khai điện tử), ngân hàng (sổ tài khoản điện tử, thẻ tín dụng điện tử), an ninh (nhận dạng cá nhân, cửa tự động, giám sát) và y tế (xác định lịch sử bệnh nhân) (xem

Hình 1.3)

(a) (b) (c)

(d)

(e)

Hình 1.3 Một số ứng dụng điển hình của thẻ nhận dạng RFID trong kiểm soát vào ra (a),

truy xuất thông tin bệnh nhân (b), quản lý kho hàng (c), quản lý sách trong thư viện (d) và

hộ chiếu điện tử (e) [3]

Theo yêu cầu của Bộ Nông nghiệp Mỹ, Los Alamos cũng phát triển một thẻ RFID thụ động để theo dõi những con bò sữa Sau đó, các công ty phát triển một hệ thống tần số thấp (LF) 125 kHz, có bộ thu nhỏ hơn Một bộ thu-phát (transponder) có thể được tiêm

dưới da bò sữa (xem Hình 1.4) Hệ thống này vẫn còn được sử dụng cho đến hiện nay Bộ

thu tần số thấp cũng đã được dùng để kiểm soát truy cập vào các tòa nhà Ngày nay, hệ thống RFID tần số cao (HF) 13.56 MHz được ứng dụng vào các lĩnh vực kiểm soát truy cập, hệ thống thanh toán (điện thoại di động Speedpass) và thẻ thông minh không tiếp xúc Ngoài ra, chúng còn được sử dụng như một thiết bị chống trộm xe hơi rất hiệu quả

(a) (b)

Hình 1.4 Thẻ nhận dạng điện tử trên bò sữa (a) được đọc bởi đầu đọc RFID (b) Nguồn:

RFID Journal, www.rfidjournal.com

Công nghệ RFID có thể được ứng dụng ở nhiều dãy tần số radio khác nhau từ tần số

thấp đến siêu cao (xem Hình 1.5) Ở mỗi dãy tần, hệ thống RFID có những đặc điểm khác nhau và tuân theo các tiêu chuẩn kỹ thuật tương ứng như mô tả trong Bảng 1.1 Trong

những năm 1990, các kỹ sư của IBM đã nghiên cứu và được cấp bằng sáng chế cho một

hệ thống RFID ở tần số siêu cao (UHF) UHF cho phép tăng tầm đọc xa hơn (lên đến hơn

10 mét trong điều kiện tốt) và tốc độ truyền dữ liệu nhanh hơn các hệ thống LF và HF

Hình 1.5 Dải tần hoạt động của RFID

Bảng 1.1 Dãy tần hoạt động và đặc điểm của hệ thống RFID tương ứng

- Làm việt tốt khi ở gần

0,5 m ISO 14223/1

ISO 18000-2

- Bị nhiễu khi đặt gần kim loại

ISO 15693 ISO 18000-3

UHF

(850~950MHz)

Tùy vùng lãnh thổ, thường là

868 và 915 MHz

- Tốc độ đọc trung bình đến nhanh

- Có khả năng xử lý nhiều đối tượng cùng lúc

- Bị cản trở bởi môi trường chất lỏng và kim loại

Một số các nhà bán lẻ lớn nhất thế giới như Albertsons, METRO, Target, Tesco, Mart và Bộ Quốc phòng Mỹ cũng có kế hoạch sử dụng công nghệ EPC để theo dõi hàng hóa trong chuỗi cung ứng của họ Các ngành công nghiệp dược phẩm, lốp xe, quốc phòng v.v… cũng đang chuyển dần qua sử dụng công nghệ này Tháng 12 năm 2004, EPCglobal phê chuẩn một tiêu chuẩn thế hệ thứ hai (EPC Class 1 Gen 2) mở đường cho việc áp dụng rộng rãi công nghệ RFID vào thực tiễn

Wal-1.2 Các thành phần của hệ thống

Các thành phần chính của hệ thống RFID bao gồm thẻ nhận dạng, đầu đọc và phần

mềm ứng dụng cài đặt trên máy vi tính (xem Hình 1.6) Trong đó, dãy tần hoạt động của

đầu đọc và thẻ nhận dạng phải tương thích với nhau Trên thực tế, hệ thống RFID hoạt động ở 4 dãy tần phổ biến là dãy tần số thấp (LF), dãy tần số cao (HF), dãy tần số siêu cao (UHF) và sóng vi ba (MW)

Hình 1.6 Các thành phần cơ bản của hệ thống RFID

Thẻ nhận dạng (tag) được gắn liền với đối tượng xác định trong một hệ thống RFID Một thẻ thường bao gồm 3 thành phần chính là ăng-ten, mạch tích hợp (chíp) và nguồn

hoạt động (xem Hình 1.7) Ăng-ten giữ vai trò truyền nhận dữ liệu với đầu đọc thông qua

trường điện từ sóng radio Chíp với bộ phận xử lý và bộ nhớ là nơi lưu trữ dữ liệu được ghi trên thẻ nhận dạng và điều khiển quá trình truyền nhận dữ liệu Ở thẻ tích cực và bán thụ động có thêm nguồn nuôi (thường là pin), tuy nhiên thẻ thụ động vẫn có thể hoạt động

mà không cần đến nguồn năng lượng này (xem Hình 1.8)

Hình 1.7 Sơ đồ khối của thẻ nhận dạng tần số radio

Hình 1.8 Thẻ thương mại RFID thụ động hoạt động ở dãy tần UHF của Alien

Technology (Model 9238)

Người ta có thể dựa vào nhiều tiêu chí khác nhau để phân chia các loại thẻ RFID như

trình bày trong Hình 1.9 Theo đó, nếu dựa trên tiêu chí nguồn hoạt động, có thể phân biệt

3 loại thẻ khác nhau bao gồm thẻ thụ động, thẻ bán thụ động và thẻ tích cực (xem Hình 1.10) Thẻ thụ động không có nguồn nuôi mà được kích hoạt bằng năng lượng trường

điện từ của đầu đọc Hầu hết các nhãn RFID sử dụng trong thư viện và hệ thống bán lẻ là loại tem thụ động bởi kích thước mỏng, nhỏ và giá thành rất thấp (chỉ từ 0,07 – 0,15 $) Tương tự như thẻ thụ động, thẻ bán thụ động sử dụng sóng vô tuyến của đầu đọc như một nguồn năng lượng cần thiết trong quá trình truyền dữ liệu Tuy nhiên, nó có thể được trang bị pin để duy trì bộ nhớ bên trong hoặc cấp nguồn cho các mạch bổ sung khác Trong khi đó, thẻ tích cực lại luôn luôn được nuôi bởi nguồn điện (thường là pin), có kích thước lớn và giá thành cao hơn (thường từ 15 – 100 $) Loại này có thể được đọc từ khoảng cách xa khoảng 30 mét trở lên nên được sử dụng trong hệ thống thu phí cầu đường, theo dõi các trang thiết bị trong bệnh viện và những tài sản có giá trị khác

Hình 1.9 Phân loại thẻ nhận dạng RFID [5]

Hình 1.10 Phân loại thẻ nhận dạng theo nguồn hoạt động: thẻ thụ động (a), thẻ bán thụ

động (b) và thẻ tích cực (c) Nguồn: Internet

Về đầu đọc (reader) RFID dùng để quét các thẻ, trên thị trường cũng có nhiều loại

khác nhau như mô tả trong Hình 1.11 Người dùng có thể tùy chọn sử dụng dựa trên các

tham số cơ bản như dãy tần hoạt động, công suất phát, chuẩn giao tiếp hay mức độ bảo mật sao cho phù hợp với yêu cầu của từng ứng dụng cụ thể Các đầu đọc này thường giao tiếp không dây (qua môi trường không khí) với thẻ nhận dạng trong quá trình truyền nhận

dữ liệu; đồng thời giao tiếp với máy vi tính qua các chuẩn thông dụng như USB, giao tiếp bất đồng bộ nối tiếp (UART) hay qua mạng LAN (cổng RJ-45) và được điều khiển bởi phần mềm chuyên dụng

ISO 18000-6B ISO 18000-6C (EPC Class-1 Generation-2)

độ nghỉ)

Pin 3.7Vdc 9Vdc / 120Vac

300 mA

10Vdc – 27 Vdc

Nguyên lý hoạt động của hệ thống RFID thụ động có thể được mô tả như trong Hình 1.6 Ăng-ten của đầu đọc phát sinh sóng điện từ và lan truyền theo mọi hướng trong môi

trường xung quanh với cường độ giảm dần Trường điện từ này thường phân bố ưu tiên theo một số hướng nhất định phụ thuộc vào thiết kế và sự phân cực của ăng-ten Khi thẻ nhận dạng được đặt trong vùng hoạt động của đầu đọc, ăng-ten trên thẻ sẽ nhận được

năng lượng của trường điện từ và cấp nguồn cho hoạt động của chip RFID Nguồn năng lượng này có vai trò kích hoạt mạch điện tử bên trong chip và quá trình truyền nhận dữ liệu giữa thẻ và đầu đọc được bắt đầu Sau khi nhận được dữ liệu phản hồi từ thẻ nhận dạng, đầu đọc RFID truyền dữ liệu này đến máy vi tính để tiến hành lưu trữ hay xử lý tùy theo từng ứng dụng cụ thể

Cần lưu ý thêm rằng trong trường hợp có nhiều thẻ cùng lúc xuất hiện gần ăng-ten của đầu đọc, nghĩa là có “sự xung đột thẻ” (collision) thì chỉ 1 thẻ được giao tiếp và truyền nhận dữ liệu với đầu đọc trong khi các thẻ khác sẽ được nhận dạng và chuyển vào vùng đợi (ở trạng thái chờ) cho đến khi quá trình giao tiếp với thẻ trước đó được hoàn tất Có rất nhiều “thuật toán giải quyết xung đột” khác nhau được đề xuất để xử lý tình huống này, điển hình như thuật toán ALOHA [7] cho tần số HF hay thuật toán Tree Walking cho tần số UHF [8]

1.3 Tình hình nghiên cứu và ứng dụng ở nước ngoài

Công nghệ RFID đang ngày càng phát triển nhanh chóng và trở thành một công nghệ quan trọng được ứng dụng rộng rãi Rất nhiều ưu điểm nổi bật của có thể kể đến như thông tin liên lạc nhanh chóng, thuận tiện và giúp tiết kiệm đáng kể thời gian, cải thiện dịch vụ, giảm chi phí nhân công, giúp giảm bớt tỷ lệ trộm cắp, tăng năng suất và duy trì quản lý chất lượng sản xuất

Kết quả nghiên cứu thị trường RFID mới nhất từ IDTechEx cho thấy rằng trong năm

2012 giá trị của toàn bộ thị trường này đạt 7,67 tỉ USD (so với 6,51 tỉ USD trong năm 2011) và tiếp tục tăng lên trong những năm kế tiếp Nguồn thu này xuất phát từ các thành phần như thẻ (đặc biệt là thẻ thụ động), đầu đọc và phần mềm / dịch vụ cho thẻ, nhãn và

nhiều yếu tố khác (xem Hình 1.12)

Hình 1.12 Doanh thu của các thành phần trong thị trường RFID năm 2012 (đơn vị: tỷ

USD) Nguồn: IDTechEx, www.idtechex.com

Cũng theo thống kê của IDTechEX, trong nhiều lĩnh vực ứng dụng, các đơn đặt hàng cho hệ thống RFID ngày càng gia tăng Chủ yếu là do sự phát triển của hệ thống UHF thụ động cho gắn trên thẻ may mặc (khoảng 1 tỷ nhãn RFID vào năm 2012), bằng lái xe của các chính phủ, theo dõi động vật ở New Zealand và châu Âu Các tổ chức này cũng bỏ ra những khoản tiền lớn để mua công nghệ RFID Vì vậy mà chi tiêu trong quân sự và lĩnh vực ứng dụng chủ yếu từ khi công nghệ này mới ra đời đã giảm đi nhiều

Thông qua các nghiên cứu của IDTechEx được tiến hành trên hơn 2.300 trường hợp của hơn 2.500 tổ chức, doanh nghiệp ở trên 85 quốc gia, Mỹ vẫn là thị trường lớn nhất của công nghệ này tính theo số dự án và giá trị đơn đặt hàng Nhiều nước khác như Nhật Bản, Anh, Hàn Quốc v.v… cũng nằm trong tốp các quốc gia có doanh thu hàng đầu (xem

Hình 1.13) Đặc biệt tại Trung Quốc, một nước gần như chưa có gì đặc biệt trên bản đồ

sáng chế về RFID nhưng lại là nước có doanh thu từ các sản phẩm công nghệ này tương đương với Mỹ (1,3 tỷ USD năm 2008)

Hình 1.13 Thị trường RFID của các nước trong năm 2008 Nguồn: IDTechEx,

www.idtechex.com

Dự báo trong những năm tới thị trường toàn cầu RFID sẽ tiếp tục tăng trưởng với tốc

độ CAGR (tốc độ tăng trưởng hàng năm kép) là 22,4 % trong giai đoạn 2013-2018 (xem

Hình 1.14) Một trong những yếu tố quan trọng góp phần vào sự tăng trưởng này là nhu

cầu ngày càng tăng trong phân khúc bán lẻ Đồng thời là sự gia tăng chi tiêu vào R&D của các nhà cung cấp hàng đầu như Honeywell, Impinj hay NXP Semiconductors Hơn nữa, họ cũng đang có chiến lược hợp tác với các nhà cung cấp phần mềm và phần cứng để phát triển sản phẩm công nghệ mới

Hình 1.14 Dự báo thị trường RFID của các nước trong giai đoạn 2013-2020 Nguồn:

IDTechEx, www.idtechex.com

Gần đây, trên thị trường cũng đã xuất hiện một số sản phẩm RFID đi tiên phong trong việc tích hợp các mạng cảm biến không dây (WSN) để hướng tới các ứng dụng mới như M2M (Machine-to-Machine) hay IoT (Internet of Things) Điều này mở ra một hướng nghiên cứu mới và tiềm năng ứng dụng rộng lớn cho cả hai công nghệ đang rất được phổ

biến này Nội dung chi tiết hơn sẽ được trình bày trong Phần 2.2

1.4 Tình hình nghiên cứu và ứng dụng ở trong nước

Tại Việt Nam, việc ứng dụng công nghệ RFID vào thực tiễn diễn ra chậm so với nhiều nước khác trên thể giới Mãi đến những năm gần đây, hệ thống RFID mới được sử dụng trong một vài lĩnh vực như quản lý kho hàng, kiểm soát an ninh hay giao thông công cộng

(xem Hình 1.15) Vì vậy, có thể thấy tiềm năng ứng dụng công nghệ này ở trong nước vẫn

còn rất lớn

(a)

(b)

Hình 1.15 Ứng dụng công nghệ RFID ở trạm thu phí tự động Xa lộ Hà Nội (a) và bãi giữ

xe tòa nhà De Manor TP.HCM (b)

Hiện nay, Thư viện Đại học Quốc gia TPHCM đã ứng dụng công nghệ này trong việc

quản lí sách và tài liệu (tham khảo Hình 1.16) Theo đó, tất cả các sách báo và tài liệu

trong thư viện đã được dán nhãn RFID Tại khu vực kiểm soát cho mượn và trả sách đều được gắn đầu đọc thẻ để nhân viên dễ dàng nạp mã số cho các thẻ trên sách báo và kiểm tra tình trạng của chúng Ngoài ra, người ta còn sử dụng một thiết bị đọc thẻ cầm tay để

có thể tìm kiếm và kiểm tra thông tin về tài liệu trong thư viện Điều này giúp giảm chi phí về mặt quản lý, nhân sự, đảm bảo an ninh cũng như tạo ra sự thuận tiện trong việc thống kê và tìm kiếm tài liệu của thư viện

Ngay từ năm 2008, Phòng Thí nghiệm Công nghệ Nano (LNT) – Đại học Quốc gia TP HCM đã bắt đầu thực hiện các đề tài nghiên cứu, thiết kế và chế tạo ăng-ten sóng radio trên thẻ nhận dạng RFID hoạt động ở tần số siêu cao tần (UHF) Trước tiên là đề tài

Nghiên cứu cơ bản định hướng ứng dụng – Bộ Khoa học và Công nghệ “Nghiên cứu chế tạo thẻ nhận dạng sử dụng ăng-ten sóng radio bằng công nghệ nano” (nghiệm thu vào

tháng 8/2012) Kết quả, Các ăng-ten sau khi chế tạo được kết nối với một con chíp hoặc một ăng-ten sơ cấp (nhãn AK TAGSYS) để tạo thành thẻ nhận dạng thụ động hoàn chỉnh Các thẻ này có tầm đọc khác nhau dao động từ 20 – 50 cm đối với loại thẻ kết nối chip và

từ 6 - 10 m đối với thẻ có AK TAGSYS [9] Nghĩa là các sản phẩm này cũng tương đương với các thẻ RFID thương mại hiện nay trên thị trường và có thể được sử dụng vào nhiều ứng dụng phục vụ hoạt động sản xuất và đời sống Bên cạnh đó, các hướng nghiên cứu song song cho công nghệ RFID nhằm hướng tới những ứng dụng mới cho Việt Nam

cũng đã được triển khai như đề tài nghị định thư song phương với Pháp "Nghiên cứu chế tạo thẻ nhận dạng siêu cao tần bằng công nghệ in phun dùng cho các ứng dụng cảm biến"

(nghiệm thu vào tháng 8/2014) và đề tài cấp nhà nước KC-02 "Nghiên cứu chế tạo mực in

nano kim loại bạc và đồng dùng trong công nghệ in phun và chế tạo linh kiện micro-nano".

Hình 1.16 Ứng dụng hệ thống RFID trong quản lý thư viện Nguồn: ITEL Việt Nam,

www.itel-vn.com

Cuối năm 2010, Bộ Khoa học và Công nghệ đã phê duyệt và ủy quyền cho Đại học

Quốc gia TP HCM thực hiện dự án “Thiết kế và chế tạo chip, thẻ, đầu đọc RFID và xây dựng hệ thống ứng dụng” trong thời gian 4 năm (2011 - 2015) Điều này cho thấy Việt

Nam đang rất quyết tâm trong việc nghiên cứu, làm chủ công nghệ và quy trình sản xuất cũng như triển khai ứng dụng công nghệ RFID một cách rộng rãi tại thị trường trong nước

Chương 2 THẺ NHẬN DẠNG TÍCH HỢP CHỨC NĂNG CẢM BIẾN

2.1 Tiêu chuẩn Việt Nam về sản phẩm thịt tươi

Từ xa xưa, con người đã biết sử dụng thịt như một loại thực phẩm quan trọng Cho đến nay, nó vẫn là nguồn cung cấp chất dinh dưỡng chính và là thức ăn không thể thiếu trong bữa ăn hàng ngày Các loại thức ăn có nguồn gốc từ thịt giúp tăng cường sức khỏe, ngăn ngừa bệnh tật và thúc đẩy quá trình hình thành các protein mới Trong đó, thịt bò là một trong những loại thực phẩm giàu dinh dưỡng Báo cáo của P G Williams [10] cho thấy trong 100g thịt bò có tới 23 g chất đạm cùng rất nhiều vitaminh B12, B6, khoáng

chất, kali, kẽm, magie, sắt v.v… (xem Bảng 2.1) Đồng thời, khối lượng thịt này sẽ cung

cấp cho cơ thể 137 kcal năng lượng, gấp đôi so với cá và nhiều loại thịt động vật khác Vì vậy, việc đảm bảo chất lượng của loại thực phẩm này có vai trò quan trọng đối với sức khỏe con người

Bảng 2.1 Thành phần dinh dưỡng trong 100g thịt bò tươi với thành phần 95% thịt / 5%

chất béo [10]

Ngoài việc đảm bảo theo đúng quy trình giết mổ và bảo quản như trên, thịt tươi còn phải đáp ứng các chỉ tiêu về cảm quan, hóa lý, hàm lượng kim loại nặng và vi sinh vật, ký

sinh trùng hay dư lượng thuốc bảo vệ thực vật v.v… Bảng 2.2 nêu ra một số chỉ tiêu làm

dấu hiệu nhận biết thịt còn ở trạng thái tốt và an toàn cho người sử dụng

Bảng 2.2 Một số chỉ tiêu mô tả thịt tươi theo TCVN 7046:2002:

Thủy ngân (Hg) Tối đa 0,03 mg / kg

Vi sinh

vật

Vi sinh vật hiếu khí, số khuẩn lạc

Tối đa 106 / 1 g

Nhóm nghiên cứu về cảm biến RFID thuộc Phòng Thí nghiệm Công nghệ Nano (LNT) – Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh đã tiến hành đo và khảo sát một số

chỉ tiêu như đặc tính cảm quan, độ pH và hằng số điện môi (ɛ) của mẫu thịt bò từ lúc còn tươi cho đến khi dần chuyển sang trạng thái hỏng Điều kiện bảo quản là ở nhiệt độ khoảng 5 ± 1oC, độ ẩm 50± 5% trong thời gian 7 ngày Quá trình đo được tiến hành sau mỗi 12 giờ trong suốt quá trình bảo quản Kết quả cho thấy có sự gia tăng của hằng số điện môi (khoảng 62 so với giá trị 57 lúc thịt còn tươi) và pH vượt quá 6,2 ở thời điểm thịt bắt đầu chuyển sang trạng thái hỏng, nghĩa là khoảng 120 giờ sau khi giết mổ [12]; kèm theo đó là các dấu hiệu cảm quan như xuất hiện mùi lạ, màu sắc tái, bề mặt nhớt và

khả năng đàn hồi kém (xem Hình 2.1) Việc tăng lên của hằng số điện môi, trong trường

hợp này chính là cơ sở quan trọng cho việc xác định trạng thái hỏng trên thịt của cảm biến

RFID sẽ được trình bày ở Phần 2.2 bên dưới

Hình 2.1 Mẫu thịt bò khi chất lượng còn tốt

2.2 Xu hướng tích hợp chức năng cảm biến trên thẻ nhận dạng

Trước đây, công nghệ RFID và mạng cảm biến không dây (WSN) luôn được xem là hai công nghệ riêng biệt Hệ thống RFID chủ yếu được sử dụng để xác định các đối tượng hoặc theo dõi vị trí của chúng bằng các nhãn thông minh được dán lên bề mặt đối tượng

Mặt khác, WSN (xem Hình 2.2) là một mạng lưới các thiết bị nhỏ, chi phí thấp và hiệu

quả, có thể kết hợp với nhau để thu thập và cung cấp thông tin về điều kiện môi trường như nhiệt độ, ánh sáng, độ ẩm, áp suất, độ rung, và âm thanh [13] WSN cung cấp giải pháp giám sát hiệu quả trong điều khiển công nghiệp, giám sát biên giới, giám sát môi trường, quân sự, các ứng dụng gia đình và y tế

Hình 2.2 Trạm thu thập dữ liệu về môi trường không khí và đất ứng dụng WSN [13]

Sự phát triển của RFID và WSN đã diễn ra nhanh chóng có nhiều ứng dụng rộng rãi trong thực tiễn, mặc dù theo hai hướng khác nhau Tuy nhiên, có rất nhiều ứng dụng, trong đó việc nhận dạng và xác định vị trí của một đối tượng là chưa đầy đủ Một số thông tin cần thiết khác như điều kiện môi trường hay tình trạng của đối tượng cũng rất quan trọng Mặc dù các mạng cảm biến có thể được sử dụng tốt trong việc giám sát môi trường, nhưng danh tính và vị trí của các đối tượng vẫn là một ẩn số Giải pháp tối ưu trong trường hợp này chính là sự kết hợp của cả hai công nghệ RFID và WSN bởi vì chúng sẽ bổ sung cho nhau một cách hiệu quả trong nhiều ứng dụng

Vì vậy, bên cạnh những ứng dụng truyền thống được nêu ra ở Phần 1.1, ngày nay

người ta có mối quan tâm đặc biệt đến các thẻ nhận dạng thông minh phát triển theo hướng tích hợp khả năng cảm biến và có thể lưu trữ các thông tin liên quan đến cả việc định danh và các thông số đo của môi trường xung quanh [14, 15] Khả năng tích hợp này

có thể được thực hiện trên cả 3 loại thẻ bao gồm thẻ thụ động, thẻ bán thụ động và thẻ tích cực Tuy nhiên, có một yêu cầu tiên quyết là những cảm biến này phải được chế tạo trên nền vật liệu silicon Bởi vì chỉ loại vật liệu này mới có thể đáp ứng các yêu cầu về hiệu suất hoạt động của hầu hết các ứng dụng mới

Hình 2.3 Sự phát triển của chứng thực bằng tần số radio [16]

Một thẻ RFID tích hợp cảm biến thông thường có sơ đồ cấu tạo bao gồm các thành phần chính như ăng-ten, nguồn hoạt động, bộ điều chế và giải điều chế tín hiệu, vi điều

khiển và cảm biến (xem Hình 2.4)

Hình 2.4 Sơ đồ khối của thẻ RFID tích hợp chức năng cảm biến [3]

Việc chứng thực kèm theo giám sát nhiệt độ, ánh sáng và độ ẩm trong quá trình vận chuyển, ví dụ như phụ tùng ô tô, hóa chất, động cơ máy bay, vật tư y tế v.v… là một trong những ứng dụng quan trọng có thể được giải quyết bằng cách sử dụng các thẻ như thế này Tuy nhiên, thị trường thương mại các thẻ RFID tích hợp cảm biến hiện nay chỉ mới bắt đầu và còn khá yếu với một số ít nhà sản xuất đóng vai trò tiên phong trong lĩnh vực này Tuy nhiên, tính hiệu quả và khả năng ứng dụng phổ biến loại thẻ này vào thực tiễn

đời sống và sản xuất trong tương lai gần là hoàn toàn khả thi Bảng 2.3 liệt kê một số sản

phẩm điển hình đang có trên thị trường

Bảng 2.3 Đặc điểm và ứng dụng của một số thẻ RFID thương mại được tính hợp tính

Theo dõi nhiệt độ của những mặt hàng dễ hỏng và đưa ra cảnh báo

và độ sốc

Pin, thời gian

khoảng 4 năm

ISO 18000-7 Dán trên bề mặt kim

loại Đo các thông số của container kim loại trong quá trình vận chuyển và lưu trữ, đồng thời đưa ra cảnh báo trong thời gian thực

Microstrain –

EmbedSense

(Thụ động, tần số

125 KHz) [19]

Nhiệt độ Không có - Thiết kế dành cho các

máy quay, cấu trúc thông minh hoặc thiết

bị y tế Thẻ có thể hoạt động trong điều kiện khắc nghiệt khi nhiệt

độ lên đến 150 oC, lực

ly tâm 60.000 g

2.3 Cảm biến theo dõi chất lượng sản phẩm thịt

Trong phần này, chúng tôi chỉ mô tả một cách tổng quan về thẻ nhận dạng RFID được

sử dụng như một cảm biến theo dõi chất lượng thực phẩm (thịt bò) chứ không đi sâu phân tích quy trình thiết kế, mô phỏng và chế tạo ăng-ten sóng radio trên thẻ này

Tại Phòng Thí nghiệm Công nghệ Nano – Đại học Quốc gia TP HCM, quy trình thiết

kế và chế tạo ăng-ten sóng radio cho các cảm biến RFID có thể được tóm tắt qua các công đoạn sau:

Trước tiên là công đoạn thiết kế ăng-ten và mô phỏng một số đặc tính của nó Mỗi

ăng-ten thường được thiết kế với dạng các hình học đặc biệt Nó có kích thước nhỏ và là một khối thống nhất được tạo thành từ sự kết hợp giữa các thành phần đơn giản như chữ

nhật, trụ, tròn v.v… (xem Hình 2.5) Sau khi thiết kế hình dạng, một mô hình ăng-ten

hoàn chỉnh được đưa vào phần mềm CST Microware Studio để tiến hành mô phỏng Nhờ

đó, ta có thể biết được một số đặc tính quan trọng và đặc trưng cho mỗi ăng-ten như hệ số phản xạ S11 (Return Loss) và độ lợi (Gain) Kết quả của mô phỏng là đồ thị hệ số phản xạ theo các tần số khác khác nhau và đồ thị bức xạ năng lượng điện trường trong không gian 3D nhằm xác định tần số cộng hưởng trong dãy tần UHF, tầm đọc tương ứng ở tần số cộng hưởng và đánh giá chất lượng của ăng-ten [20]

Hình 2.5 Mô hình ăng-ten trên cảm biến RFID có mã số SO-01 (a), TO-01 (b) và TO-02

(c) được đưa vào mô phỏng trên phần mềm CST Microware Studio

Kế tiếp là công đoạn chế tạo ăng-ten trong phòng sạch Ăng-ten được chế tạo trên đế

PET (Poly Ethylene Terephthalate - PET) có bề dày 80μm Ưu điểm chính của vật liệu này là chi phí thấp trong khi vẫn giữ được tính chất cơ và nhiệt tốt Đế PET không bị phân hủy khi nhiệt độ thậm chí lên đến 200 oC Trong khi đó, dãy nhiệt độ trong khoảng từ 80 -

100 oC là đủ cao để thực hiện quy trình chế tạo các vi linh kiện Nhiệt độ cao hơn một chút (khoảng 150 oC) có thể được áp dụng trong một thời gian ngắn (gần 5 phút) mà không gây ra ảnh hưởng nhiều đến tính chất cơ học của đế