THIẾT KẾ, ỨNG DỤNG ĐẦU ĐỌC THẺ THÔNG MINH RFID TRÊN CƠ SỞ VI ĐIỀU KHIỂN STM8S003F3

Thẻ RFID được đưa vào sử dụng trong rất nhiều lĩnh vực như: quản lý nhân sự, quản lý hàng hóa vào/ra siêu thị, nhà kho, … theo dõi động vật, quản lý xe cộqua trạm thu phí, làm thẻ hộ chi

RƯỜNG ĐẠI HỌC VINH

KHOA ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

MỤC LỤC

Trang

LỜI MỞ ĐẦU 3

TÓM TẮT ĐỒ ÁN 4

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ 5

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT 6

CHƯƠNG 1 CÔNG NGHỆ RFID VÀ ỨNG DỤNG 7

1.1 Khái quát về công nghệ RFID 7

1.2 Các thành phần của một hệ thống RFID 8

1.2.1 Thẻ RFID 8

1.2.2 Reader 16

1.2.3 Database 23

1.3 Phương thức làm việc của RFID 23

1.4 Các điều lệ và chuẩn hóa 25

1.5 Tần số hoạt động của RFID 26

1.6 Các ứng dụng của RFID hiện nay 27

1.7 Ưu – nhược điểm của hệ thống RFID 30

1.7.1 Ưu điểm 30

1.7.2 Nhược điểm 30

CHƯƠNG 2 VI ĐIỀU KHIỂN STM8S003F3 32

2.1 Giới thiệu về vi điều khiển STM8 32

2.1.1 STM8 là gì 32

2.1.2 Các dòng STM8 và cách lựa chọn vi điều khiển STM8 32

2.2 Vi điều khiển STM8S003F3 32

2.2.1 Sơ đồ chân 32

2.2.2 Các thông số chung 33

2.2.3 Tổ chức bộ nhớ 34

2.2.4.Đồng hồ điều khiển 36

2.2.5 Quản lý điện 36

2.2.6 Giờ Watchdog 37

2.2.7 Auto wakeup truy cập 38

2.2.8 BEEPER 38

2.2.9 TIMER 38

2.3 Giao diện kết nối 40

2.2.9 Giao tiếp UART 1 40

2.2.9 Truyền thông không đồng bộ ( UART mode) 40

2.2.9 SPI 40

2.2.9 I2C 40

2.3 Giao tiếp giữa PC và vi điều khiển STM8S003F3 41

2.3.1 Giao tiếp UART và USART 42

CHƯƠNG 3 THIẾT KẾ ĐẦU ĐỌC THẺ THÔNG MINH RFID TRÊN CƠ SỞ VI ĐIỀU KHIỂN STM8S003F3 44

3.1 Thiết kế hệ thống phần cứng 44

3.1.1 Sơ đồ khối 44

3.1.2 Sơ đồ nguyên lí 44

3.1.3 Các khối trong hệ thống 45

3.1.4 Sơ đồ thuật toán và chương trình 48

3.2 Kết quả thiết kế 50

KẾT LUẬN 51

PHỤ LỤC 52

TÀI LIỆU THAM KHẢO 57

Điện tử đang trở thành một ngành khoa học đa nhiệm vụ và được ứng dụngnhiều trên mọi lĩnh vực của đời sống và trong đó có việc ứng dụng các công nghệmới để nâng cao năng suất, chất lượng dịch vụ, giảm thiểu sức lao động của con

người đang ngày càng trở nên phổ biến Vì vậy chúng tôi đã chọn đề tài “Thiết

kế, ứng dụng đầu đọc thẻ thông minh RFID trên cơ sở vi điều khiển STM8S003F3” để thực hiện đồ án này.

Em xin gửi lời cám ơn đến thầy giáo ThS Đặng Thái Sơn cũng như các thầy

cô, các anh chị, các bạn trong Khoa Điện tử Viễn thông đã giúp đỡ, động viên, tạomọi điều kiện để em hoàn thành đề tài này

Tuy nhiên, trong quá trình thực hiện đề tài của mình, em chắc chắn sẽ khôngtránh khỏi những thiếu sót, kính mong quý Thầy, cô thông cảm và góp ý thêm choem

Em xin chân thành cảm ơn!

Sinh viên

Nguyễn Song Toàn

of the STM8S003F3 microcontroller Thesis was design and applied smart cardreader RFID on the basis that application STM8S003F3 microcontroller.

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Trang

Hình 1.1 RFID công nghệ nhỏ - sự nghiệp lớn 7

Hình 1.2 Hệ thống RFID cơ bản 8

Hình 1.3 Layout của thiết bị mang dữ liệu, transponder……… …9

Hình 1.4 Cấu trúc của một thẻ thụ động……… 9

Hình 1.5 Một số loại thẻ tích cực 12

Hình 1.6 Cấu trúc bộ nhớ của một thẻ (minh họa) 15

Hình 1.7 Cấu trúc cơ bản của một reader 17

Hình 1.8 Cơ chế truyền ở trường gần, trường xa giữa thẻ và reader 21

Hình 1.9 Cơ chế truyền modulated backscatter của thẻ thụ động 22

Hình 1.10 Cơ chế truyền modulated backscatter của thẻ bán thụ động 22

Hình 1.11 Cơ chế truyền kiểu máy phát của thẻ tích cực 23

Hình 1.12 Quá trình làm việc của thẻ và reader 24

Hình 1.13 Quá trình truyền nhận dữ liệu giữa thẻ và reader 25

Hình 2.1 Sơ đồ chân vi điều khiển STM8S003F3 33

Hình 2.2 Sơ đồ khối vi điều khiển STM8S003F3 34

Hình 2.3 Bộ nhớ chương trình STM8S003F3 35

Hình 2.4 Đồng hồ ngoại vi .36

Hình 2.5 Tính năng hẹn giờ TIMER 39

Hình 3.1 Sơ đồ khối hệ thống 44

Hình 3.2 Sơ đồ nguyên lí 45

Hình 3.3 Khối nguồn 45

Hình 3.5 Khối vi điều khiển 46

Hình 3.6 Khối giao tiếp máy tính 46

Hình 3.7 LCD 16x02 46

Hình 3.8 Module RFID RC522……… 47

Hình 3.9 Sơ đồ thuật toán 49

Hình 3.13 Mạch giao tiếp 50

WORM write once, read many Ghi một lần, đọc nhiều lần

PIC Programmable Intelligent Computer Máy tính khả trình thông minh

UART Universal Asynchronous Bộ truyền – nhận dữ liệu không

Receiver – Transmitter đồng bộ

USART Universal Synchronous & Bộ truyền – nhận dữ liệu đồngbộ

Asynchronous Receiver/Transmitter PWM Pulse wide modulation Điều chế độ rộng xung

ADC Analog digital convert chuyển đổi tương tự - số

Chương 1 CÔNG NGHỆ RFID VÀ ỨNG DỤNG

Trong chương này trình bày tổng quát về công nghệ RFID, các thành phần cơbản của một hệ thống RFID, phương thức làm việc của hệ thống RFID, các ứngdụng của công nghệ RFID, các ưu – nhược điểm của công nghệ này

1.1 Khái quát về công nghệ RFID

Khái niệm RFID

Hình 1.1 RFID công nghệ nhỏ - sự nghiệp lớn

RFID (Radio Frequency Identification, nhận dạng bằng sóng vô tuyến) là mộtphương pháp nhận dạng tự động dựa trên việc lưu trữ dữ liệu từ xa, sử dụng thiết bịthẻ RFID và một đầu đọc RFID

Thẻ RFID có thể thay thế cho các mã vạch trên các sản phẩm có bán tại cácsiêu thị bán lẻ Thay vì phải đưa thiết bị vào sát mã vạch để quét, RFID cho phépthông tin có thể được truyền qua những khoảng cách nhỏ mà không cần một tiếpxúc vật lý nào cả

Thẻ RFID được đưa vào sử dụng trong rất nhiều lĩnh vực như: quản lý nhân

sự, quản lý hàng hóa vào/ra siêu thị, nhà kho, … theo dõi động vật, quản lý xe cộqua trạm thu phí, làm thẻ hộ chiếu…

Dải tần hoạt động của hệ thống RFID :

- Tần số thấp – Low frequency 125 KHz: dải đọc ngắn, tốc độ đọc thấp

- Dải tần cao – High frequency 13.56 MHz: khoảng cách đọc ngắn, tốc độ đọctrung bình

- Dải siêu cao tần – UHF 868-928 MHz: Dải đọc rộng,tốc độ đọc cao

- Dải vi sóng – Microwave 2.45-5.8 GHz: Dải đọc rộng, tốc độ đọc lớn.

Tương lai của công nghệ RFID

Sự ra đời của thẻ RFID là một ý tưởng độc đáo: thẻ RFID có thể thay thế chocác mã vạch trên các sản phẩm có bán tại các siêu thị bán lẻ và thay thế công nghệtìm dấu vết bằng những máy phát vô tuyến nhỏ và khá rẻ Thông tin có thể đượctruyền qua những khoảng cách nhỏ mà không cần một tiếp xúc vật lý nào cả Đó lànhững điều mà RFID (công nghệ nhận dạng đối tượng bằng sóng vô tuyến) có thểmang lại

1.2.Các thành phần của một hệ thống RFID

Các thành phần chính trong hệ thống RFID là thẻ, reader và cơ sở dữ liệu Một

hệ thống RFID toàn diện bao gồm các thành phần:

- Thẻ RFID (RFID Tag, Transponder - bộ phát đáp) được lập trình điện tử vớithông tin duy nhất

- Các reader (đầu đọc) hoặc sensor (cảm biến) để truy vấn các thẻ

- Host computer – server: máy chủ, hệ thống phần mềm và cơ sở hạ tầngtruyền thông Cơ sở hạ tầng truyền thông: là thành phần bắt buộc, là một tập gồmmạng có dây, không dây và các bộ phận kết nối tuần tự để kết nối các thành phần ởtrên với nhau

Hình 1.2 Hệ thống RFID cơ bản

1.2.1 Thẻ RFID

Thẻ RFID (bộ phát đáp), thiết bị lưu trữ dữ liệu thực tế của một hệ thốngRFID, thường bao gồm một phần tử kết nối (Coupling element) và một vi mạch(chip).

a, transponder ghép cảm ứng b, transponder ghép viba Hình 1.3 Layout của thiết bị mang dữ liệu, transponder

Loại thẻ này không có nguồn bên trong (on-board), sử dụng nguồn nhận được

từ reader để hoạt động và truyền dữ liệu được lưu trữ trong nó cho reader Thẻ thụđộng có cấu trúc đơn giản và không có các thành phần động Thẻ thụ động có mộtthời gian sống dài và thường có sức chịu đựng với điều kiện môi trường khắcnghiệt

Đối với loại thẻ này, khi thẻ và reader truyền thông với nhau thì reader luôntruyền trước rồi mới đến thẻ Cho nên bắt buộc phải có reader để thẻ có thể truyền

dữ liệu của nó Thẻ thụ động có khoảng cách đọc thực tế khoảng 2 mm lên đến mộtvài mét tùy thuộc vào tần số vô tuyến và kích thước thiết kế của antenna

Thẻ thụ động nhỏ hơn và cũng rẻ hơn thẻ tích cực hoặc bán tích cực Các thẻthụ động có thể thực thi ở tần số low, high, ultrahigh, hoặc microwave Thẻ thụđộng bao gồm những thành phần chính sau:

- Máy tách xung (Clock extractor): tách tín hiệu xung từ tín hiệu antenna

- Bộ điều chế (Modulator): điều chỉnh tín hiệu nhận được từ reader Đáp ứngcủa thẻ được gắn trong tín hiệu đã điều chế, sau đó nó được truyền trở lại reader

- Đơn vị logic (Logic unit): chịu trách nhiệm cung cấp giao thức truyền giữathẻ và reader

- Bộ nhớ vi mạch (memory): được dùng lưu trữ dữ liệu, bộ nhớ này thườngđược phân đoạn (gồm vài block hoặc field) Một block nhớ của thẻ có thể giữ nhiềuloại dữ liệu khác nhau, ví dụ như một phần của dữ liệu nhận dạng đối tượng đượcgắn thẻ, các bit checksum (chẳng hạn kiểm tra lỗi CRC) kiểm tra độ chính xác của

dữ liệu được truyền v.v… Sự tiến bộ của kỹ thuật cho phép kích thước của vi mạchnhỏ đến mức nhỏ hơn hạt cát Tuy nhiên, kích cỡ của thẻ được xác định bởi kíchthước antenna của nó

Antenna của thẻ được dùng để lấy năng lượng từ tín hiệu của reader để làmtăng năng lượng cho thẻ hoạt động, gửi hoặc nhận dữ liệu từ reader Antenna nàyđược gắn vào vi mạch, antenna là trung tâm đối với mọi hoạt động của thẻ

Có thể có nhiều dạng antenna (nhất là UHF), chiều dài antenna tương ứng vớibước sóng hoạt động của thẻ Một antenna lưỡng cực bao gồm một dây dẫn điện(đồng) mà nó bị ngắt ở trung tâm Chiều dài tổng cộng của một antenna lưỡng cựcbằng nửa bước sóng tần số được dùng nhằm tối ưu năng lượng truyền từ tín hiệuantenna của reader đến thẻ Reader có thể đọc thẻ này ở nhiều hướng khác nhau.Chiều dài antenna của thẻ thường lớn hơn nhiều so với vi mạch của thẻ vì vậy

nó quyết định kích cỡ vật lý của thẻ Một antenna có thể được thiết kế dựa trên một

số nhân tố sau đây:

- Khoảng cách đọc của thẻ với reader

- Hướng cố định của thẻ đối với reader

- Hướng tùy ý của thẻ đối với reader

- Loại sản phẩm riêng biệt

- Vận tốc của đối tượng được gắn thẻ

- Độ phân cực antenna của reader

Những điểm kết nối giữa vi mạch của thẻ và antenna là những kết nối yếu nhấtcủa thẻ Nếu có bất kỳ điểm kết nối nào bị hỏng thì xem như thẻ không làm việcđược hoặc có thể hiệu suất làm việc giảm đáng kể

Hiện tại, antenna của thẻ được xây dựng bằng một mảnh kim loại mỏng (đồng,bạc hoặc nhôm) Tuy nhiên, trong tương lai có thể sẽ in trực tiếp antenna lên nhãnthẻ, hộp và sản phẩm đóng gói bằng cách sử dụng một loại mực dẫn có chứa đồng,cacbon và niken

Thẻ tích cực

Đối với loại thẻ này, trong quá trình truyền giữa thẻ và reader, thẻ luôn truyềntrước, rồi mới đến reader Vì sự hiện diện của reader không cần thiết cho việctruyền dữ liệu nên thẻ tích cực có thể phát dữ liệu của nó cho những vùng lân cận

nó thậm chí trong cả trường hợp reader không có ở nơi đó

Khoảng cách đọc của thẻ tích cực là 100 feet (xấp xỉ 30.5 m) hoặc hơn nữa khimáy phát tích cực của loại thẻ này được dùng đến

- Nguồn cung cấp năng lượng

- Điện tử học bên trong

Hai thành phần vi mạch, antenna tương tự với thẻ thụ động

Nguồn cung cấp năng lượng

Tất cả các thẻ tích cực đều mang một nguồn năng lượng bên trong để cung cấpnguồn cho thành phần điện tử và truyền dữ liệu Nếu sử dụng bộ pin thì thẻ tích cựcthường kéo dài tuổi thọ từ 2 đến 7 năm tùy thuộc vào thời gian sống của bộ pin.Một trong những nhân tố quyết định thời gian sống của bộ pin là tốc độ truyền dữliệu của thẻ Nếu khoảng cách đó càng rộng thì bộ pin càng tồn tại lâu và vì thế thờigian sống của thẻ cũng dài hơn.

Điện tử học bên trong

Điện tử học bên trong cho phép thẻ hoạt động như một máy phát và cho phép

nó thực thi những nhiệm vụ chuyên dụng như tính toán, hiển thị giá trị các tham sốđộng nào đó, hoặc hoạt động như một cảm biến, v.v… Thành phần này cũng có thểcho phép chọn lựa kết nối với các cảm biến bên ngoài

Vì vậy thẻ có thể thực thi nhiều nhiệm vụ thông minh, tùy thuộc vào loại cảmbiến được gắn vào

Thẻ bán tích cực (bán thụ động)

Thẻ bán tích cực có một nguồn năng lượng bên trong (pin) và điện tử học bêntrong để thực thi những nhiệm vụ chuyên dụng Nguồn bên trong cung cấp nănglượng cho thẻ hoạt động Tuy nhiên trong quá trình truyền dữ liệu, thẻ bán tích cực

sử dụng nguồn từ reader Thẻ bán tích cực được gọi là thẻ có hỗ trợ pin assisted tag)

(battery-Đối với loại thẻ này, trong quá trình truyền giữa thẻ và reader thì reader luôntruyền trước rồi đến thẻ Tại sao sử dụng thẻ bán tích cực mà không sử dụng thẻ thụđộng? Bởi vì thẻ bán tích cực không sử dụng tín hiệu của reader như thẻ thụ động,

nó tự kích hoạt, nó có thể đọc ở khoảng cách xa hơn thẻ thụ động Bởi vì không cầnthời gian tiếp sinh lực cho thẻ bán tích cực, thẻ có thể nằm trong phạm vi đọc củareader ít hơn thời gian đọc quy định (không giống như thẻ thụ động) Vì vậy nếu đốitượng được gắn thẻ đang di chuyển ở tốc độ cao, dữ liệu thẻ có thể vẫn được đọcnếu sử dụng thẻ bán tích cực Thẻ bán tích cực cũng cho phép đọc tốt hơn ngay cảkhi gắn thẻ bằng những vật liệu chắn tần số vô tuyến (RF-opaque và RF-absorbent)

Sự có mặt của những vật liệu này có thể ngăn không cho thẻ thụ động hoạt động

đúng dẫn đến việc truyền dữ liệu không thành công Tuy nhiên, đây không phải làvấn đề khó khăn đối với thẻ bán tích cực.

Phạm vi đọc của thẻ bán tích cực có thể lên đến 100 feet (xấp xỉ 30.5 m) vớiđiều kiện lý tưởng

Phân loại dựa trên khả năng hỗ trợ ghi chép dữ liệu:

- Chỉ đọc (Read only)

- Ghi một lần, đọc nhiều lần (Write once – Read many)

- Đọc-Ghi (Read – Write)

Thẻ read only (RO)

Thẻ RO có thể được lập trình (tức là ghi dữ liệu lên thẻ RO) chỉ một lần Dữliệu có thể được lưu vào thẻ tại nhà máy trong lúc sản xuất Việc này được thực hiệnnhư sau: các fuse riêng lẻ trên vi mạch của thẻ được lưu cố định bằng cách sử dụngchùm tia laser Sau khi thực hiện xong, không thể ghi đè dữ liệu lên thẻ được nữa.Thẻ này được gọi là factory programmed Nhà sản xuất loại thẻ này sẽ đưa dữ liệulên thẻ và người sử dụng thẻ không thể điều chỉnh được Loại thẻ này chỉ tốt đối vớinhững ứng dụng nhỏ mà không thực tế đối với quy mô sản xuất lớn hoặc khi dữ liệucủa thẻ cần được làmtheo yêu cầu của khác hàng dựa trên ứng dụng Loại thẻ nàyđược sử dụng trong các ứng dụng kinh doanh và hàng không nhỏ

Thẻ write once, read many (WORM)

Thẻ WORM có thể được ghi dữ liệu một lần, mà thường thì không phải đượcghi bởi nhà sản xuất mà bởi người sử dụng thẻ ngay lúc thẻ cần được ghi Tuy nhiêntrong thực tế thì có thể ghi được vài lần (khoảng 100 lần) Nếu ghi quá số lần chophép, thẻ có thể bị phá hỏng vĩnh viễn Thẻ WORM được gọi là fieldprogrammable

Loại thẻ này có giá cả và hiệu suất tốt, có an toàn dữ liệu và là loại thẻ phổbiến nhất trong lĩnh vực kinh doanh ngày nay

Thẻ read write (RW)

Thẻ RW có thể ghi dữ liệu được nhiều lần, khoảng từ 10.000 đến 100.000 lầnhoặc có thể hơn nữa Việc này đem lại lợi ích rất lớn vì dữ liệu có thể được ghi bởi

reader hoặc bởi thẻ (nếu là thẻ tích cực) Thẻ RW gồm thiết bị nhớ Flash để lưu dữliệu Thẻ RW được gọi là field programmable hoặc reprogrammable Sự an toàn dữliệu là một thách thức đối với thẻ RW Thêm vào nữa là loại thẻ này thường đắtnhất Thẻ RW không được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng ngày nay, trongtương lai có thể công nghệ thẻ phát triển thì chi phí thẻ giảm xuống.

Phân loại dựa trên tần số:

- Thẻ Mircowave: dải tần 2,45 và 5,8 GHZ

- Thẻ LF (Low Frequency):dải tần 125 – 135 KHZ

- Thẻ HF (High Frequency):dải tần 13.56 MHZ

- Thẻ UHF (Ultrahigh Frequency): dải tần 900 MHZ

Phân loại dựa trên môi trường hoạt động:

- Môi trường làm việc bình thường

- Môi trường nước

- Môi trường chất lỏng

Phương thức lưu trữ dữ liệu trên thẻ

Giao thức truyền thông thẻ cấp cao hiểu được các loại ID và phương thức lưutrữ liệu trên thẻ Tuy nhiên vì một reader chỉ liên lạc với một thẻ nên layout về mặtvật lý thực tế của bộ nhớ trên thẻ tùy thuộc vào nhà sản xuất Bộ nhớ trên thẻ có cấutrúc logic như hình vẽ:

Hình 1.6 Cấu trúc bộ nhớ của một thẻ (minh họa)

Trong đó:

- CRC là một checksum (xem chi tiết trong CCITT-CRC)

- EPC là ID của thẻ.

- Password là một mã chết để làm mất khả năng hoạt động của thẻ

- CCITT-CRC:CRC (Cyclic Redundancy Check) là một phương pháp xácminh một khối dữ liệu không thích hợp do đã bị sửa đổi Người gửi khối dữ liệu này

sẽ tính một giá trị bằng cách xử lý toàn khối thành một số lớn và chia nó bởi một sốđược gọi là đa thức CRC Số dư của phép toán này là CRC Người gửi sẽ gửi CRCnày cùng với dữ liệu và người nhận dùng phương pháp tương tự để tính CRC quakhối dữ liệu để so sánh Nếu CRC từ người gửi không giống với CRC đã được tínhbởi người nhận thì người nhận yêu cầu dữ liệu được gửi lại Để phát sinh CRC, cácgiao thức EPC sử dụng đa thức CCITT-CRC Giao thức này dùng chuỗi 16 bit CRC

sử dụng đa thức x16+x12+x5+1 Nó có thể bắt được 99.998% lỗi

- Thuật toán tính CRC: Đầu tiên tính giá trị hex cho đa thức Thực hiện bằngcách tính từ 15 xuống (vì đây là chuỗi CRC 16 bit) và đánh dấu 1 cho mỗi lũy thừaxuất hiện trong đa thức Đối với mỗi lũy thừa không có trong đa thức ta đánh dấu 0.Điều này có nghĩa số đó là số 0001000000100001 hoặc số hex 1021(số này làCCITT) Lấy đa thức khối dữ liệu chia cho đa thức này, số dư là CRC

1.2.2 Reader

Một reader điển hình chứa một module tần số vô tuyến (máy phát và máy thu)

là một đơn vị điều khiển và là phần tử kết nối đến bộ phát đáp Ngoài ra các readercòn được gắn với 1 một giao diện bổ sung (RS232, RS485…) để chúng có thểchuyển tiếp dữ liệu đọc được đến một hệ thống khác (PC, hệ thống điều khiểnrobot…)

Reader RFID được gọi là vật tra hỏi (interrogator), là một thiết bị đọc và ghi

dữ liệu các thẻ RFID tương thích Hoạt động ghi dữ liệu lên thẻ bằng reader đượcgọi là tạo thẻ Quá trình tạo thẻ và kết hợp thẻ với một đối tượng được gọi là đưathẻ vào hoạt động (commissioning the tag)

Reader là hệ thần kinh trung ương của toàn hệ thống, phần cứng RFID thiếtlập việc truyền với thành phần này và điều khiển nó, là thao tác quan trọng nhất củabất kỳ thực thể nào muốn liên kết với thực thể phần cứng này

Một reader có cấu trúc như hình 1.7 dưới đây:

Hình 1.7 Cấu trúc cơ bản của một reader

Các thành phần chính của reader bao gồm:

- Mạch điều khiển (có thể nó được đặt ở bên ngoài)

- Mạch truyền thông

- Nguồn năng lượng

Máy phát

Máy phát của reader truyền nguồn AC và chu kỳ xung clock qua antenna của

nó đến thẻ trong phạm vi đọc cho phép, nó chịu trách nhiệm gửi tín hiệu của readerđến môi trường xung quanh và nhận lại đáp ứng của thẻ qua antenna của reader

Máy thu

Máy thu nhận tín hiệu tương tự từ thẻ qua antenna của reader Sau đó nó gởinhững tín hiệu này cho vi mạch của reader, tại nơi này nó được chuyển thành tínhiệu số tương đương (có nghĩa là dữ liệu mà thẻ đã truyền cho reader được biểudiễn ở dạng số)

Vi mạch

Thành phần này chịu trách nhiệm cung cấp giao thức cho reader để nó truyềnthông với thẻ tương thích với nó Nó thực hiện việc giải mã và kiểm tra lỗi tín hiệutương tự nhận từ máy thu

Bộ nhớ

Bộ nhớ dùng lưu trữ dữ liệu như các tham số cấu hình reader và một bản kêkhai các lần đọc thẻ Vì vậy nếu việc kết nối giữa reader và hệ thống mạch điềukhiển, phần mềm bị hỏng thì tất cả dữ liệu thẻ đã được đọc không bị mất

Các kênh nhập/xuất của các cảm biến, cơ cấu truyền động đầu từ và bảng tín hiệu điện báo bên ngoài

Các thẻ có thể chỉ xuất hiện lúc nào đó và rời khỏi reader mãi cho nên việc bậtreader suốt sẽ gây lãng phí năng lượng Thêm nữa là giới hạn vừa đề cập ở trêncũng ảnh hưởng đến chu kỳ làm việc của reader Thành phần này cung cấp một cơchế bật và tắt reader tùy thuộc vào các sự kiện bên ngoài Có một số loại cảm biếnnhư cảm biến về ánh sáng hoặc sự chuyển động để phát hiện các đối tượng đượcgắn thẻ trong phạm vi đọc của reader Cảm biến này cho phép reader bật lên để đọcthẻ Thành phần này cũng cho phép reader cung cấp xuất cục bộ tùy thuộc vào một

số điều kiện qua một bảng tín hiệu điện báo (chẳng hạn, báo bằng âm thanh) hoặc

cơ cấu truyền động đầu từ (chẳng hạn, mở hoặc đóng van an toàn, di chuyển mộtcánh tay robot, v.v…)

Mạch điều khiển

Mạch điều khiển là một thực thể cho phép thực thể bên ngoài là con ngườihoặc chương trình máy tính giao tiếp, điều khiển các chức năng của reader, điềukhiển bảng tín hiệu điện báo và cơ cấu truyền động đầu từ kết hợp với reader này.Thường thì các nhà sản xuất hợp nhất thành phần này vào reader (như phần mềm hệthống (firmware) chẳng hạn)

Mạch truyền thông

Thành phần mạch truyền thông cung cấp các lệnh truyền đến reader, nó chophép tương tác với các thực thể bên ngoài qua mạch điều khiển, để truyền dữ liệu

của nó, nhận lệnh và gửi lại đáp ứng Thành phần giao diện này cũng có thể xem làmột phần của mạch điều khiển hoặc là phương tiện truyền giữa mạch điều khiển vàcác thực thể bên ngoài Thực thể này có những đặc điểm quan trọng cần xem nónhư một thành phần độc lập Reader có thể có một giao diện tuần tự Giao diện tuần

tự là loại giao diện phổ biến nhất nhưng các reader thế hệ sau sẽ được phát triểngiao diện mạng thành một tính năng chuẩn Các reader phức tạp có các tính năngnhư tự phát hiện bằng chương trình ứng dụng, có gắn các web server cho phépreader nhận lệnh và trình bày kết quả dùng một trình duyệt web chuẩn

Nguồn năng lượng

Thành phần này cung cấp nguồn năng lượng cho các thành phần của reader.Nguồn năng lượng được cung cấp cho các thành phần này qua một dây dẫn điệnđược kết nối với một ngõ ra bên ngoài thích hợp

Phân loại reader:

Reader được phân loại chủ yếu theo tiêu chuẩn là giao diện mà reader cungcấp cho việc truyền thông Trong tiêu chuẩn này, reader có thể được phân loại ranhư sau:

Ưu điểm của serial reader là có độ tin cậy cao hơn network reader Vì vậy sửdụng reader loại này được khuyến khích nhằm làm tối thiểu sự phụ thuộc vào mộtkênh truyền

Nhược điểm của serial reader là phụ thuộc vào chiều dài tối đa của cáp sửdụng để kết nối một reader với một máy tính Thêm nữa, thường thì trên một máychủ thì số cổng serial bị hạn chế Tốc độ truyền dữ liệu serial thường thấp hơn tốc

độ truyền dữ liệu mạng Những nhân tố này dẫn đến chi phí bảo dưỡng cao hơn vàthời gian chết đáng kể.

Network reader

Network reader kết nối với máy tính sử dụng cả mạng dây và không dây Thực

tế, reader hoạt động như thiết bị mạng

Ưu điểm của network reader là không phụ thuộc vào chiều dài tối đa của cápkết nối reader với máy tính Sử dụng ít máy chủ hơn so với serial reader Thêm nữa

là phần mềm hệ thống của reader có thể được cập nhật từ xa qua mạng

Nhược điểm của network reader là việc truyền không đáng tin cậy bằngserialreader

Cơ chế truyền cơ bản giữa thẻ và reader:

Tùy thuộc vào loại thẻ, việc truyền giữa reader và thẻ có thể theo một trongnhững cách sau đây:

- Modulated backscatter

- Kiểu máy phát (transmitter type)

Trước khi nghiên cứu sâu vào loại truyền thông, ta phải hiểu được khái niệmnear field và far field

Phạm vi giữa antenna của reader và một bước sóng của sóng RF được phát bởiantenna được gọi là near field Phạm vi ngoài bước sóng của sóng RF đã phát từantenna của reader được gọi là far field Các hệ thống RFID thụ động hoạt động ởbăng tần LF và HF sử dụng việc truyền thông near field trong khi trong băng tầnUHF và sóng vi ba sử dụng far field Cường độ tín hiệu trong truyền thông nearfield yếu đi lập phương khoảng cách từ antenna của reader Trong far field, nó giảm

đi bình phương khoảng cách từ antenna của reader Cho nên truyền thông far fieldđược kết hợp với phạm vi đọc dài hơn truyền thông near field

Hình 1.8 Cơ chế truyền ở trường gần, trường xa giữa thẻ và reader

Tiếp theo so sánh việc đọc thẻ và ghi thẻ Việc ghi thẻ mất nhiều thời gianhơn việc đọc thẻ trong cùng điều kiện vì hoạt động ghi gồm nhiều bước, bao gồmviệc xác minh ban đầu, xóa dữ liệu còn tồn tại trên thẻ, ghi dữ liệu mới lên thẻ, vàgiai đoạn xác minh lần cuối Thêm nữa là dữ liệu được ghi trên thẻ theo khối bằngnhiều bước Vì vậy việc ghi thẻ có thể mất cả trăm giây mới hoàn thành cùng vớiviệc tăng kích thước dữ liệu Ngược lại, có một số thẻ có thể được đọc trong khoảngthời gian này với cùng reader Việc ghi thẻ là một quá trình dễ bị ảnh hưởng cần đặtthẻ gần antenna của reader hơn khoảng cách đọc tương ứng Việc đặt gần nhằm chophép antenna của thẻ có thể nhận được đủ năng lượng từ tín hiệu antenna của reader

để cấp nguồn cho vi mạch của nó giúp nó có thể thực thi các lệnh ghi Nhu cầu nănglượng đối với quá trình ghi thường cao hơn quá trình đọc

Modulated backscatter

Việc truyền modulated backscatter áp dụng cho cả thẻ thụ động và bán tíchcực Trong kiểu truyền thông này, reader gửi đi tín hiệu RF sóng liên tục (continuoswave- CW) gồm có nguồn AC và tín hiệu xung cho thẻ cùng tần số mang (carrierfrequency- tần số mà reader hoạt động) Nhờ việc kết nối (nghĩa là cơ chế truyềnnăng lượng giữa reader và thẻ) mà antenna của thẻ cung cấp nguồn điện cho vimạch Từ kích thích thường ám chỉ việc vi mạch của thẻ thụ động nhận năng lượng

từ tín hiệu của reader để tự tiếp năng lượng Vi mạch cần khoảng 1.2V từ tín hiệucủa reader để tiếp năng lượng đối với việc đọc Còn đối với việc ghi thì vi mạch

thường cần khoảng 2.2V từ tín hiệu của reader Hiện nay vi mạch điều chỉnh, thayđổi tín hiệu nhập thành một chuỗi mô hình mở, tắt trình bày dữ liệu của nó vàtruyền nó trở lại Khi reader nhận tín hiệu đã điều chế, nó giải mã mô hình và thuđược dữ liệu thẻ.

Vì vậy trong mô hình truyền modulated backscatter, reader luôn phát trước sau

đó mới tới thẻ Thẻ sử dụng mô hình này không thể truyền khi không có mặt reader

vì nó phụ thuộc hoàn toàn vào năng lượng của reader để truyền dữ liệu của nó

Hình 1.9 Cơ chế truyền modulated backscatter của thẻ thụ động

Hình 1.10 Cơ chế truyền modulated backscatter của thẻ bán thụ động Kiểu máy phát

Kiểu truyền này chỉ áp dụng cho thẻ tích cực Trong kiểu truyền này, thẻ pháttán thông điệp xung quanh môi trường với khoảng cách theo qui định, bất kể reader

có hay không có mặt ở đó Vì vậy, trong kiểu truyền này, thẻ luôn luôn phát trướcreader

Hình 1.11 Cơ chế truyền kiểu máy phát của thẻ tích cực

sẽ khác với dữ liệu được lưu trữ cho một dây chuyền cung cấp cũng như khác vớiquản lý nhân viên trong một công ty Các database cũng có thể được kết nối đến cácmạng khác như mạng LAN để kết nối database qua Internet Việc kết nối này chophép dữ liệu chia sẻ với một database cục bộ mà thông tin được thu thập trước tiên

từ nó

1.3 Phương thức làm việc của RFID

Một hệ thống RFID đơn giản nhất có ba thành phần cơ bản: thẻ, đầu đọc, vàmột máy chủ Thẻ RFID gồm chip bán dẫn nhỏ và antenna được thu nhỏ trong một

số hình thức đóng gói Mỗi thẻ được lập trình với một nhận dạng duy nhất cho phéptheo dõi không dây đối tượng hoặc con người đang gắn thẻ đó Bởi vì các chip được

sử dụng trong thẻ RFID có thể giữ một số lượng lớn dữ liệu, chúng có thể chứathông tin như chuỗi số, thời dấu, hướng dẫn cấu hình, dữ liệu kỹ thuật, sổ sách yhọc và lịch trình

Hình 1.12 Quá trình làm việc của thẻ và reader

Các thẻ có thể được cấp nguồn bởi một bộ pin thu nhỏ trong thẻ (các thẻ tíchcực) hoặc bởi reader mà nó wake up thẻ để yêu cầu trả lời khi thẻ đang trong phạm

bộ chuyển đổi sang DC và nhờ bộ điều chế để nhận chuỗi bit từ reader truyền tới.Tiếp đến thẻ gửi sóng mang chứa dữ liệu phát đến reader Sau đó được điều chế (giả

sử dùng QAM) là một số phức và được xếp vào biểu đồ chòm sao theo quy luật mãGray trên 2 trục Re (thực) và Im(ảo) Vị trí của mỗi điểm tín hiệu (số phức) trênbiểu đồ chòm sao phản ánh thông tin về biên độ và pha của các sóng mang

Quá trình biến đổi IFFT sẽ biến đổi các số phức biễu diễn các sóng mangtrong miền tần số thành các số phức biểu diễn các sóng mang trong miền thời gianrời rạc Trong thực tế các thành phần Re và Im được biểu diễn bằng chuỗi nhị phânđược bộ điều chế IQ sử dụng để điều chế sóng mang cũng được biểu diễn bằng mộtchuỗi nhị phân Chuỗi nhị phân sau điều chế IQ được biến đổi DAC để nhận đượctín hiệu trong băng tần cơ bản Quá trình xử lý ở phía thẻ sẽ thực hiện biển đổi FFT

để tạo các điểm điều chế phức của từng sóng mang phụ trong symbol OFDM (bảnchất của quá trình tạo tín hiệu OFDM là phân tích chuỗi bit đầu vào thành các sóngmang đã được điều chế theo một kiểu nào đó trong miền thời gian liên tục), sau khi

giải định vị (Demapping) xác định biểu đồ bit tương ứng các tổ hợp bit được cộnglại để khôi phục dòng dữ liệu đã truyền.

Hình 1.13 Quá trình truyền nhận dữ liệu giữa thẻ và reader

Reader gồm một antenna liên lạc với thẻ và một đơn vị đo điện tử học đã đượcnối mạng với máy chủ Đơn vị đo tiếp sóng giữa máy chủ và tất cả các thẻ trongphạm vi đọc của antenna, cho phép một đầu đọc liên lạc với hàng trăm thẻ đồngthời Nó cũng thực thi các chức năng bảo mật như mã hóa/ giải mã và xác thựcngười dùng

Reader có thể phát hiện thẻ ngay cả khi không nhìn thấy chúng Hầu hết cácmạng RFID gồm nhiều thẻ và nhiều đầu đọc được nối mạng với nhau bởi một máytính trung tâm, hầu như thường là một trạm làm việc gọn để bàn Máy chủ xử lý dữliệu mà các reader thu thập từ các thẻ và dịch nó giữa mạng RFID và các hệ thốngcông nghệ thông tin lớn hơn, mà nơi đó quản lý dây chuyền hoặc cơ sở dữ liệu quản

lý có thể thực thi

1.4.Điều lệ và chuẩn hóa

Không có tổ chức toàn cầu nào quản lý tần số sử dụng cho RFID Về nguyêntắc, mọi quốc gia đều có thể thiết lập các qui định cho riêng mình Các tổ chứcchính quản lý cấp phát tần số cho RFID là:

- Mỹ: FCC (Federal Communications Commision) - Ủy ban viễn thông liênbang

- Canada: DOC (Department of Communication) - Bộ viễn thông

- Châu Âu: ERO, CEPT, ETSI và các uỷ ban quốc gia (các uỷ ban quốc giaphải phê chuẩn một tần số xác định để sử dụng trước khi nó có thể sử dụng ở quốcgia này).

- Nhật: MPHPT (Ministry of Public Management, Home Affair, Post andTelecommunication) - Bộ quản lý vấn đề chung trong nước và cộng động về bưuchính viễn thông)

- Trung Quốc: Bộ công nghệ thông tin

- Úc: Uỷ ban truyền thông đa phương tiện Úc

- NewZealand: Bộ phát triển kinh tế

Các thẻ RFID tần số thấp (LF: 125 kHz -134,2 kHz và 140 kHz - 148,5 kHz)

và tần số cao (HF: 13,56 MHz) có thể được sử dụng toàn cầu mà không cần cấpphép Các tần số UHF (UHF: 868 MHz – 928 MHz) không được sử dụng toàn cầu

do nó không có chuẩn toàn cầu riêng

Một số tiêu chuẩn xây dựng cho công nghệ RFID

ISO 11784 & 11785: các chuẩn này quy định nhận dạng tần số vô tuyến chođộng vật đưa ra khái niệm kỹ thuật và cấu trúc mã

ISO 14223/1: nhận dạng tần số vô tuyến với động vật, bộ thu phát cao cấp giao diện vô tuyến

-ISO 10536: quy định về tần số sóng mang phụ và quá trình điều chế…

1.5.Tần số hoạt động của RFID

Việc chọn tần số radio là đặc điểm hoạt động chính của hệ thống RFID Tần

số xác định tốc độ truyền thông và khoảng cách đọc thẻ Nói chung, tần số cao hơncho biết phạm vi đọc dài hơn Mỗi ứng dụng phù hợp với một kiểu tần số cụ thể do

ở mỗi tần số thì sóng vô tuyến có đặc điểm khác nhau Chẳng hạn sóng có tần số

thấp (low- frequency) có thể xuyên qua tường tốt hơn sóng có tần số cao hơn nó,nhưng tần số cao có tốc độ đọc nhanh.

Có 4 tần số chính được sử dụng cho hệ thống RFID: low, high, ultra high,microwave

- Low - frequency: băng tần từ 125 kHz – 134 kHz Băng tần này phù hợp vớiphạm vi ngắn như hệ thống chống trộm, nhận dạng động vật và hệ thống khóa tựđộng

- High - frequency: băng tần 13,56 MHz Tần số cao cho phép độ chính xáccao hơn với phạm vi 3 feet (3*0,3048 m xấp xỉ 1 m), vì thế giảm rủi ro đọc sai thẻ

Vì vậy nó thích hợp với việc đọc item Các thẻ thụ động 13,56 MHz được đọc ở tốc

độ 10 đến 100 thẻ trên giây và ở phạm vi 3 feet Các thẻ high - frequency đượcdùng trong việc theo dõi vật liệu trong các thư viện và kiểm soát hiệu sách, theo dõipallet, truy cập, theo dõi hành lý vận chuyển bằng máy bay và theo dõi item đồtrang sức

- Ultra high - frequency: các thẻ hoạt động ở 900 MHz và có thể được đọc ởkhoảng cách dài hơn các thẻ high-frequency, phạm vi từ 3 đến 15feet Tuy nhiêncác thẻ này dễ bị ảnh hưởng bởi các nhân tố môi trường hơn các thẻ hoạt động ở cáctần số khác Băng tần 900MHz thực sự phù hợp cho các ứng dụng dây chuyền cungcấp vì tốc độ và phạm vi của nó Các thẻ thụ động ultra high - frequency có thểđược đọc ở tốc độ 100 đến 1000 thẻ trên giây Các thẻ này thường được sử dụngtrong việc kiểm tra pallet và container, xe chở hàng và toa trong vận chuyển tàubiển

- Microwave frequency: băng tần 2,45 GHz và 5,8 GHz, có nhiều sóng radiobức xạ từ các vật thể ở gần có thể cản trở khả năng truyền thông giữa reader và thẻ.Các thẻ microwave RFID thường được dùng trong quản lý dây chuyền

1.6.Các ứng dụng của RFID hiện nay

RFID ngày nay có rất nhiều ứng dụng trong những ngành khác nhau như:

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 theochuẩn 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 antenna được cài đặt ở giữa hoặc bêncạnh đường ray vận chuyển, các đầu đọc và các thiết bị hiển thị được lắp theo chuẩntrong 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 Mụcđích chính trong các ứng dụng vận chuyển theo ray là cải tiến kích thước và tốc độvận chuyển nhanh chóng cho phép giảm kích thước xe hàng hoặc giảm thiểu chi phícho việc đầu tư các thiết bị mới RFID còn được ứng dụng trong hệ thống thu phícầu đường bộ hay cho phép các hãng hàng không kiểm soát hành lý của hànhkhách

Trong công nghiệp: RFID rất thích hợp cho việc xác định sản phẩm có giá trị

đơn vị cao thông qua quá trình lắp ráp chặt chẽ Hệ thống RFID rất bền vững trongmôi trường thời tiết khắc nghiệt nên thích hợp để định danh các vật chứa, lưu giữsản phẩm lâu dài như container, cần cẩu, xe kéo v.v… Một mặt, các thẻ RFID chophép 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 hệthống điều khiển, kiểm soát Sau đó những thông tin này có thể được truy xuất bởicác đầu đọc RFID

Trong kinh doanh bán lẻ: RFID có thể 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 cungcấp và đại lý bán lẻ biết chính xác mặt hàng trên quầy và trong kho của họ Một sốsiêu thị lớn đã sử dụng các thẻ RFID mỏng dán lên hàng hóa thay cho mã vạch,giúp việc thanh toán nhanh chóng, dễ dàng hơn Nếu hàng hóa nào chưa thanh toántiền 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 giaonhầm hàng và thống kê số đầu sản phẩm đang kinh doanh của cả tổ hợp cửa hàng.Hơn nữa họ còn có thể biết chính xác bên trong túi khách hàng vào - ra có những gì

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