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

1 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 2 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 3 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 4 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 5 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 6 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 số sản phẩm Châu Âu) EEPROM Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory (Bộ nhớ chỉ đọc có thể lập trình và xóa bằng điện) EIRP Effective Isotropic Radiation Power (Công suất bức xạ đẳng hướng hiệu dụng) EPC Electronic Product Code (Mã sản phẩm điện tử) ERP Effective radiated power (Công suất bức xạ hiệu dụng) 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) 7 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) 8 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 9 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 quản. 40 Hình 2.10. Ảnh hưởng của hằng số điện môi lên trở kháng (a) và tầm đọc (b) của thẻ nhận dạng thụ động UHF có mã T0-01 [12]. 43 Hình 3.1. Gian hàng lưu trữ và kinh doanh sản phẩm thịt bò ở các siêu thị. 44 Hình 3.2. Mô hình lưu trữ mẫu thịt trong quá trình thực nghiệm. 45 Hình 3.3. Nhiệt độ ngăn dưới của tủ lạnh SANYO SR-5KR theo thời gian (hoạt động ở mức 1). 46 Hình 3.4. Độ ẩm ở ngăn dưới của tủ lạnh SANYO SR-5KR theo thời gian (hoạt động ở mức 1). 46 Hình 3.5. Hệ đo tầm đọc của cảm biến RFID được dán trên mẫu thịt. 47 Hình 3.6. Kết nối các thành phần của hệ đo tầm đọc cảm biến RFID 48 Hình 3.7. Cấu hình mạng LAN trên máy vi tính để giao tiếp với đầu đọc chuyên dụng 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 10 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±1 o C). 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 tần số 915 MHz [24]. 61 Hình 4.8. Hằng số điện môi tương đối (a) và yếu tố tổn hao (b) của thịt bò theo nhiệt độ ở ba tần số khác nhau 300 MHz, 915 MHz và 2450 MHz [24]. 62 Hình 4.9. Tầm đọc của cảm biến TO-01 dán trên các mẫu thịt được bảo quản ở nhiệt độ 3 ± 1 o C và 7 ± 1 o C (cùng độ ẩm 50 ± 5 %) 64 Hình 4.10. Khảo sát vị trí tương đối trong thực tế với các mẫu thịt được đặt nằm ngang. 65 Hình 4.11. Khảo sát vị trí tương đối trong thực tế với các mẫu thịt được chồng thẳng đứng. 65 [...]... 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... 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. .. 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... 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. ..11 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 ứng 67 12 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: ... 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... 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,... 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] 35 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. .. Doanh thu của các thành phần trong thị trường RFID năm 2012 (đơn vị: tỷ USD) Nguồn: IDTechEx, www.idtechex.com 26 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... 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