Nghiên cứu thiết kế đầu đọc thẻ công nghệ RFID tần số 125 khz và ứng dụng trong lĩnh vực y dược

Tại Việt Nam, mặc dù đã có những xu hướng tự động hóa quá trình điều khiển các thiết bị nhận dạng sử dụng công nghệ RFID, xong cho tới thời điểm này, việcthiết kế và làm chủ công nghệ th

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

LỜI CAM ĐOAN

Tác giả xin cam đoan luận án này là do tự bản thân thực hiện và không sao chép các công trình nghiên cứu của người khác để làm sản phẩm của riêng mình Các thông tin thứ cấp sử dụng trong luận án là có nguồn gốc và được trích dẫn rõ ràng Tác giả hoàn toàn chịu trách nhiệm về tính xác thực và nguyên bản của luận văn

Tác giả

Vũ Mạnh Cường

4

LỜI CẢM ƠN

Thời gian một học kỳ để làm luận văn không phải là một quãng thời gian dài đối với một học viên Tuy nhiên, thời gian đó cũng đủ cho mỗi học viên học hỏi được rất nhiều điều Ngoài những cố gắng của bản thân để hoàn thiện luận văn này, Em còn nhận được sự giúp đỡ tận tình từ Thầy giáo hướng dẫn, gia đình và ban lãnh đạo các bệnh viện nơi Em đến thực tế

Em xin gửi những kết quả của luận văn này thay cho lời cảm ơn chân thành tới PGS.TS Phạm Mạnh Thắng - Chủ nhiệm Bộ môn Công nghệ Cơ điện

tử, Phó chủ nhiệm Khoa Cơ học kỹ thuật và Tự động hóa, Trường Đại học Công nghệ, ĐHQG Hà Nội Về những kiến thức Em đã được học hỏi và truyền đạt từ Thầy, không chỉ những kiến thức về Kỹ thuật Cơ điện tử mà ẩn sau đó Em còn học hỏi được từ Thầy tính trách nhiệm và phương pháp làm việc nhiệt tình, hiệu quả

Em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới PGS.TS Trịnh Hoàng Hà - Giám đốc Bệnh viện ĐHQG Hà Nội, tới ThS Dương Hải Thuận - Phòng khám đa khoa, Bệnh viện ĐHQG Hà Nội, đã nhiệt tình hướng dẫn, cũng như cung cấp cho Em những mẫu tài liệu quy chuẩn của ngành Y tế như: hồ sơ bệnh án, phiếu xét nghiệm, đơn thuốc

Và cuối cùng, Em luôn ghi nhớ công ơn của cha mẹ, những người đã sinh thành ra Em, vất vả lao động để Em có được điều kiện học tập, trưởng thành

Em hi vọng kết quả của luận văn này sẽ được áp dụng vào thực tế tại các bệnh viện, phòng khám Đóng góp một phần nhỏ bé vào sự phát triển chung của

xã hội

Em xin chân thành cám ơn!

MỤC LỤC

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT 7

DANH MỤC HÌNH VẼ 8

DANH MỤC BẢNG BIỂU 10

MỞ ĐẦU 11

CHƯƠNG I: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 13

1.1 Công nghệ RFID là gì? 13

1.2 Cấu trúc cơ bản của một hệ thống RFID 13

1.2.1 Thẻ RFID (Tags) 13

1.2.2 Đầu đọc thẻ (Reader) 15

1.2.3 RFID Server 16

1.3 Ưu nhược điểm của hệ thống dùng RFID 16

1.3.1 Ưu điểm 16

1.3.2 Nhược điểm 17

1.4 Ứng dụng và xu hướng phát triển của công nghệ RFID 17

1.4.1 Ứng dụng 17

1.4.2 Xu hướng phát triển 19

CHƯƠNG II: THIẾT KẾ ĐẦU ĐỌC THẺ RFID TẦN SỐ 125kHz 20

2.1 Thiết kế bo mạch điện tử của đầu đọc thẻ 20

2.2 Thiết kế Antena 125kHz cho đầu đọc thẻ RFID 30

2.2.1 Cấu trúc chung của hệ Antenna 31

2.2.2 Tính toán thiết kế Antenna 125kHz cho đầu đọc RFID 31

CHƯƠNG III: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN TRUNG TÂM ĐỂ THU NHẬN DỮ LIỆU TỪ ĐẦU ĐỌC THẺ RFID TẦN SỐ 125kHz 37

3.1 Thiết kế phần cứng bộ điều khiển trung tâm để thu nhận dữ liệu từ đầu đọc thẻ RFID tần số 125kHz 37

3.1.1 Thiết kế khối điều khiển trung tâm sử dụng vi điều khiển PIC16F887: 37

3.1.2 Thiết kế khối hiển thị sử dụng màn hình LCD 16x02 44

6

3.1.3 Thiết kế khối giao tiếp máy tính sử dụng chuẩn RS-232 44

3.1.4 Sơ đồ mạch khối điều khiển trung tâm (MCU) 48

3.2 Xây dựng phần mềm trên máy tính PC quản lý CSDL bệnh nhân 51 3.2.1 Phân tích thiết kế 51

3.3.2 Xử lý các yêu cầu và viết chương trình 54

CHƯƠNG IV: THỬ NGHIỆM VÀ ỨNG DỤNG 72

4.1 Chức năng tổng thể của hệ thống 72

4.2 Thử nghiệm hệ thống tại Phòng thí nghiệm 72

KẾT LUẬN 74

TÀI LIỆU THAM KHẢO 76

PHỤ LỤC 1: MỘT SỐ HÌNH ẢNH QUÁ TẢI Ở CÁC BỆNH VIỆN 77

PHỤ LỤC 2: MÃ CODE PHẦN MỀM NHÚNG 79

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

CMOS: Complementary Metal-Oxide-Semiconductor

COM: Component Object Model

DCE: Data Communication Equipment

DTE: Data Terminal Equipment

EIA: Electronics Industry Associations

HF: High Frequency

IC: Integrated Circuit

LCD: Liquid Crystal Display

LED: Light Emitting Diode

Hình 2.3: Mạch ứng dụng EM5095 chế độ đọc – ghi 23

Hình 2.6: Sơ đồ nguyên lý đầu đọc thẻ RFID 27 Hình 2.7: Mạch layout đầu đọc thẻ RFID 28 Hình 2.8: Bo mạch đầu đọc thẻ RFID khi đã lắp ráp linh kiện 28 Hình 2.8: Bo mạch đầu đọc thẻ RFID khi đã lắp ráp linh kiện 29 Hình 2.10: Giao tiếp giữa thẻ và đầu đọc RFID ghép cảm ứng 30 Hình 2.11: Cách kết nối EM4095 ở chế độ chỉ đọc 31 Hình 2.12: Một số hình ảnh Antenna đã thiết kế 34 Hình 3.1 : Sơ đồ cấu trúc đầu đọc thẻ RFID 35

Hình 3.4 : Sơ đồ logic các nguồn ngắt của PIC16F887 40 Hình 3.5: Sơ đồ kết nối LCD với vi điều khiển 42 Hình 3.6: Ví dụ tín hiệu truyền của ký tự „A‟ 44

Hình 3.8: Kết nối đơn giản trong truyền thông nối tiếp 45 Hình 3.9: Kết nối trong truyền thông nối tiếp dùng tín hiệu bắt tay 46

Hình 3.10: Sơ đồ nguyên lý bộ điều khiển trung tâm 47 Hình 3.11: Mạch Layout bộ điều khiển trung tâm 48 Hình 3.12 : Bộ điều khiển trung tâm sau khi đã lắp ráp bo mạch 49 Hình 3.13: Giao diện công cụ lập trình C#.NET 2015 51 Hình 3.14: Tạo quan hệ trong các bảng dữ liệu 51

Hình 3.24: Liên hệ giữa dữ liệu gốc và chương trình 59

Hình 3.26: Chức năng lựa chọn cổng COM 64 Hình 3.27: Giao diện mô phỏng truyền dữ liệu qua cổng COM ảo 65 Hình 3.28: Vùng hiển thị thông tin Mã thẻ gửi lên từ đầu đọc 65

Hình 3.30: Xử lý Mã thẻ gửi đến có trong Cơ sở dữ liệu 67 Hình 3.31: Cửa sổ cảnh báo lựa chọn xử lý mã thẻ mới 68

Hình 4.1: Một số hình ảnh thử nghiệm tại phòng thí nghiệm 72 Hình PL1.1: Bệnh nhân quá đông chờ thực hiện thủ tục tại bệnh viện 77 Hình PL1.2: Bệnh nhân chen nhau làm thủ tục khám bệnh 77

10

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 2.1: Chức năng các chân IC EM 4095 21 Bảng 2.2 Chức năng các Pins của VĐK PIC16F886 27

Bảng 3.1: Chức năng các chân của PORT A 38 Bảng 3.2: Chức năng các chân của PORTB 39 Bảng 3.3: Chức năng các chân của PORT C 39 Bảng 3.4: Chức năng các chân của PORT D 40 Bảng 3.5: Chức năng các chân của PORT E 40 Bảng 3.6: Các nguồn ngắt trong vi điều khiển PIC16F887 41 Bảng 3.7: Đặc tính kỹ thuật của chuẩn RS-232 45

MỞ ĐẦU

Lý do chọn đề tài

Chúng ta đang sống trong thế kỷ XXI - kỷ nguyên của khoa học công nghệ phát triển Con người đã tạo ra được rất nhiều các công cụ phục vụ cho đời sống của mình Tuy nhiên, thực tế cho thấy, môi trường sống của chúng ta đang

bị suy thoái nghiêm trọng Sức khỏe của con người luôn bị đe dọa bởi dịch bệnh,

ô nhiễm Số bệnh nhân nhập viện ngày càng tăng.Ở Việt Nam, các bệnh viện thường xảy ra tình trạng quá tải bệnh nhân, mỗi lần đi khám bệnh và điều trị, bệnh nhân phải chuẩn bị một khoảng thời gian khá dài(Phụ lục 1: Một số hình ảnh về tình trạng quá tải tại bệnh viện hiện nay – trang 76)

Theo đề tài nghiên cứu “Đánh giá tình hình quá tải của một số bệnh viện tại Hà Nội và Thành phố Hồ Chí Minh và đề xuất giải pháp khắc phục” của

TS Khương Anh Tuấn và cộng sự tại Khoa nghiên cứu Quản lý hệ thống cung ứng dịch vụ y tế, thuộc Viện chiến lược và Chính sách Y tế, đã nêu rõ:“Ngoài những nguyên nhân như: tình trạng vượt tuyến, tâm lý bệnh nhân, uy tín của các bệnh viện Một nguyên nhân quan trọng được đề cập đó là: Thủ tục hành chính quá rườm rà và chưa áp dụng nhiều công nghệ vào trong quản lý, khám-xét nghiệm và điều trị”

Đối với các nước phát triển, việc nghiên cứu và triển khai ứng dụng công nghệ nhận dạng đối tượng bằng sóng vô tuyến (RFID - Radio Frequency Identification)để ứng dụng trong các bệnh viện nhằm tối ưu hóa trong việc khám chữa bệnh và cấp phát thuốc khá phổ biến Tại Việt Nam, mặc dù đã có những

xu hướng tự động hóa quá trình điều khiển các thiết bị nhận dạng sử dụng công nghệ RFID, xong cho tới thời điểm này, việcthiết kế và làm chủ công nghệ thiết

kế đầu đọc thẻ RFID, đặc biệt ứng dụng trong lĩnh vực y học vẫn là lĩnh vực mới

và cần thiết phải triển khai

Với những luận cứ trên, tác giả đã lựa chọn thực hiện đề tài này với mục đích thiết kế, chế tạo đầu đọc thẻ công nghệ RFID tần số 125kHz và ứng dụng trong lĩnh vực y dượcnhằm đáp ứng nhu cầu khám chữa bệnh và cấp phát thuốc Việc ứng dụng công nghệ RFID trong y học sẽ giảm được rất nhiều thời gian và chi phí quản lý Ngoài ra, sản phẩm của đề tài này có tính mở, có thể áp dụng cho nhiều đối tượng thuộc các lĩnh vực khác nhau trong xã hội

Mục tiêu và phương pháp nghiên cứu:

Luận văn được thực hiện với mục đích thiết kế đầu đọc thẻ công nghệ RFID tần số 125kHz và ứng dụng trong y dượcvới mong muốn giải quyết nhu

12

cầu cấp thiết hiện nay tại các bệnh viện là việc có được một hệ thống quản lý bệnh nhân thông minh, trợ giúp cho việc khám, theo dõi và điều trị một cách nhanh chóng, thuận tiện

Phương pháp nghiên cứu được lựa chọn để thực hiện đề tài của luận văn

là thống kê, phân tích, thiết kế hệ thống; thực nghiệm và đánh giá kết quả với mục tiêu là thiết kế đầu đọc thẻ công nghệ RFID tần số 125kHz có thể áp dụng trong thực tế

Cấu trúc luận văn

Luận văn được trình bày với nội dung gồm 4 chương:

Chương 1: Cơ sở lý thuyết

Chương 2: Thiết kế đầu đọc thẻ công nghệ RFID tần số 125KHz

Chương 3: Thiết kế bộ điều khiển trung tâm để thu nhận dữ liệu từ đầu đọc thẻ

Chương 4: Thử nghiệm và ứng dụng

CHƯƠNG I: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

1.1 Công nghệ RFID là gì?

RFID (Radio Frequency Identification) là phương pháp nhận dạng tự động dựa trên giao tiếp không tiếp xúc giữa đầu đọc và thẻ chíp Thẻ RFID có kích thước nhỏ gọn và có thể gắn vào sản phẩm, tích hợp vào thẻ sinh viên, thẻ nhân viên Thẻ có chứa chíp và antenna cho phép giao tiếp với đầu đọc (Reader) thông qua sóng vô tuyến (Radio Frequency)

1.2 Cấu trúc cơ bản của một hệ thống RFID

Hình 1.1: Mô hình một hệ thống RFID đơn giản

Cấu trúc cơ bản của một hệ thống RFID bao gồm:

+ Thẻ chíp (Tag) được gắn vào vật cần nhận dạng (hàng hoá, sách vở, thư tín…)

+ Đầu đọc (Reader) là một thiết bị điện tử tích hợp với các chức năng giao tiếp và xử lý thông tin nhận được từ thẻ và gửi về Server

+ Server là một máy tính cá nhân hoặc máy chủ lớn để lưu trữ Cơ sở dữ liệu cũng như quản lý hệ thống nhờ các phần mềm

1.2.1 Thẻ RFID (Tags)

Thẻ RFID phải được thiết kế sao cho nó có chức năng như một bộ thu phát (transponder), vừa thu tín hiệu vô tuyến từ đầu đọc, vừa tự động phát đi tín hiệu trả lời

Để thu đƣợc năng lƣợng này, thẻ phải có một khoảng cách gần nhất định

so với đầu đọc Điều này phụ thuộc vào độ lớn hay nhỏ của tần số RF

Hình 1.2: Hoạt động của Hệ thống RFID sử dụng Thẻ thụ động

1.2.1.2 Thẻ bán thụ động (Semi – Passive Tags)

Loại thẻ này có thêm một pin nhỏ để cung cấp nguồn ổn định cho chip trên thẻ

Tuy nhiên trong khi giao tiếp với đầu đọc nó vẫn cần lấy nguồn nuôi từ tín hiệu sóng vô tuyến của đầu đọc gửi đến

1.2.1.3 Thẻ tích cực (Active Tags)

Ngược lại với thẻ thụ động, thẻ tích cực được trang bị sẵn nguồn nuôi bên trong dùng để cung cấp năng lượng ổn định cho các IC, mạch thu phát

Do vậy, chúng có thể tương tác với Reader ở khoảng cách xa hơn, trong các môi trường mà sóng vô tuyến bị thay đổi ( như nước, gỗ, thép…)

Hình 1.3: Thẻ tích cực

1.2.2 Đầu đọc thẻ (Reader)

Đầu đọc thẻ RFID là một thiết bị điện tử tích hợp Nó gồm các module như: Module giao tiếp vô tuyến sử dụng Antenna, Module mã hoá và giải mã, Module xử lý tín hiệu từ thẻ, Module truyền thông ( Hỗ trợ kết nối RS232, USB, LAN…)

Các antenna có thể gắn trong đầu đọc hoặc gắn rời Chúng có nhiệm vụ thu và phát tín hiệu sóng radio giao tiếp với thẻ

 Các tần số quy định trong công nghệ RFID

Hệ thống RFID hoạt động tốt hay xấu phụ thuộc vào dải tần số tương ứng với cấu tạo của chúng (Tần số hoạt động) Tần số hoạt động sẽ ảnh hưởng tới khoảng đọc, tốc độ trao đổi dữ liệu,…Vì hệ thống RFID cùng tồn tại và hoạt động với các hệ thống thông tin khác như: Hệ thống di động, truyền hình, thông tin vệ tinh nên tần số của nó bị giới hạn

400kHz 3MHz 30MHz 300MHz 1GHz 10GHz

125KHz 13.56MHz 800-960Mhz 2.45GHz 5.8GHz

Hình 1.4: Dải tần hoạt động của hệ thống RFID LFHFUHFMicroware

16

Các tần số từ 30kHz – 400kHz được coi là dải tần thấp (LF) Hệ thống LF RFID hoạt động chủ yếu ở tần số 125kHz hoặc 134.2kHz Các hệ thống này thường sử dụng các loại thẻ thụ động, có tốc độ truyền dữ liệu thấp và thích hợp cho các ứng dụng mà môi trường hoạt động có các đối tượng cần nhận dạng là kim loại

Đối với dải tần số từ 3MHz- 30MHz gọi là dải tần số cao (HF) Các hệ thống HF RFID cũng hoạt động tốt trong các môi trường kim loại, chất lỏng và cũng dùng thẻ thụ động

Băng siêu cao tần (UHF) có dải tần số từ 300MHz tới 1GHz Các hệ thống UHF RFID sử dụng cả thẻ thụ động và thẻ tích cực, tốc độ truyền dữ liệu cao Tuy nhiên dải tần này chưa được chấp nhận rộng rãi trên thế giới

Băng tần viba (MWF) có dải tần số trên 1GHz Hệ thống MWF RFID hoạt động tại một trong các tần số 2.45GHz hoặc 5.8GHz, trong đó 2.45GHz là tần số được sử dụng phổ biến nhất Hệ thống sử dụng dải tần này có thể dùng cả thẻ tích cực và thụ động Chúng có tốc độ giao tiếp nhanh nhất trong tất cả các

hệ thống trên

1.2.3 RFID Server

Máy chủ quản lý hệ thống RFID giao tiếp với đầu đọc thông qua cổng COM, USB, hay LAN/Wireless Chúng có chức năng xử lý và lưu trữ dữ liệu gửi lên từ đầu đọc, gửi lệnh phản hồi tới bộ Vi xử lý của đầu đọc

RFID Sever đơn giản có thể là một máy tính cá nhân lưu trữ thông tin và giao tiếp, quản lý hệ thống RFID thông qua một phần mềm chuyên dụng được lập trình phù hợp với từng ứng dụng cụ thể

1.3 Ưu nhược điểm của hệ thống dùng RFID

1.3.1 Ưu điểm

Hệ thống RFID có khả năng xử lý đồng thời nhiều đối tượng cùng một lúc Trong khi các hệ thống nhận dạng tự động khác xử lý đơn hoặc xử lý theo chuỗi

Không phải sắp xếp: Lưu dấu, kiểm soát các đối tượng mà không cần phải sắp xếp Điều này tiết kiệm thời gian xử lý dữ liệu hệ thống RFID rất nhiều

Kiểm kê với tốc độ cao mà không cần tiếp xúc: Nhiều đối tượng có thể được quét tại cùng một thời điểm, có thể lên đến 40 thẻ trong 1-2 giây Kết quả

là thời gian để đếm các đối tượng đã giảm thực sự

Khả năng đọc ghi dữ liệu nhiều lần: Một số loại thẻ cho phép ghi và ghi lại nhiều lần Trong trường hợp tái sử dụng thẻ RFID đây là cơ hội để tiết kiệm chi phí

Thẻ RFID hoạt động đáng tốt trong môi trường không thuận lợi (ví dụ nóng, ẩm, bụi, bẩn, môi trường ăn mòn hay có sự va chạm…)

Triển khai hệ thống RFID sẽ tăng năng suất lao động, tự động hóa nhiều quá trình sản xuất, tăng sự thỏa mãn khách hàng và tăng lợi nhuận

- Tốn ít nhân lực quản lý và vận hành hệ thống

- Thích ứng cho nhiều môi trường khác nhau

- Khả năng lưu trữ lớn, độ chính xác cao

- Tuổi thọ của hệ thống cũng dài hơn, đối với thẻ thụ động thì không cần nguồn nuôi

- Các đầu đọc có thể đọc chồng lấn lên nhau

- Tính bảo mật thông tin trên thẻ chưa cao

1.4 Ứng dụng và xu hướng phát triển của công nghệ RFID

1.4.1 Ứng dụng

Các ứng dụng tương ứng với các tần số của công nghệ RFID

► LF: 125 kHz - 134,2 kHz: low frequencies, ứng dụng nhiều cho hệ thống quản lý nhân sự, chấm công, cửa bảo mật, bãi giữ xe, y học…

► HF: 13.56 MHz: high frequencies, ứng dụng nhiều cho quản lý nguồn gốc hàng hóa, vận chuyển hàng hóa, cửa bảo mật, bãi giữ xe…Đây là ứng dụng tuyệt vời nhất của công nghệ RFID trên cơ sở kết hợp với Internet + GPRS + Cloud cho phép chúng ta theo dõi được món hàng được vận chuyển đãđi đến đâu trong suốt lộ trình vận chuyển Đặc biệt với những hàng hóa quan trọng, vận chuyển

► SHF: 2.45 GHz: super high frequencies, ứng dụng nhiều trong các hệ thống kiểm soát như thu phí đường bộ tự động, kiểm soát lưu thông hàng hải, kiểm soát hàng hóa, kiểm kê kho hàng… Công nghệ RFID cho vấn đề kiểm tra kho hàng và hàng tồn kho, đặc biệt rất hữu ích cho những kho hàng với loại hàng nặng, cồng kềnh… Việc ứng dụng công nghệ RFID cho các kho hàng loại này, cuối mỗi ngày bạn chỉ cần bật thiết bị quét RFID lên nó sẽ giúp bạn thu thập dữ liệu tất cả các hàng hóa có dán nhãn RFID Việc còn lại thật đơn giản, bạn chỉ cần đổ dữ liệu vào máy tính và phần mềm kiểm kho sẽ giúp bạn tất cả Việc này giúp giảm rất nhiều chi phí quản lý kho hàng, kiểm kê kho hàng… tránh được nhiều thất thoát

Hình 1.5: Ứng dụng công nghệ RFID trong các lĩnh vực

+ Một trong những ứng dụng quan trọng, thiết thực đó là trong Y học

Hình 1.6: Ứng dụng công nghệ RFID trong quản lý bệnh nhân

1.4.2 Xu hướng phát triển

Về lâu dài các chuyên gia đều đánh giá công nghệ RFID là công nghệ của tương lai, thay thế cho công nghệ mã vạch bởi tính năng vượt trội như an toàn, chính xác, lưu trữ được lượng thông tin lớn, ít bị nhiễu ngoại cảnh… và tin tưởng công nghệ RFID sẽ phổ biến như việc sử dụng các máy tính cá nhân trong kinh doanh ngày nay

Tuy nhiên vì giá thành còn cao và các tiêu chuẩn chưa được thống nhất nên sự phát triển theo chiều rộng của công nghệ này còn chậm nhưng có thể thấy, quyết định ứng dụng RFID trong các công ty chỉ còn phụ thuộc vào vấn đề thời gian Và, dù thế nào đi nữa, RFID vẫn là một khoản đầu tư về thời gian và tiền bạc rất mới mẻ cũng như là một công nghệ hết sức tiềm năng

Trên thế giới hiện nay, Mỹ và Trung Quốc là hai nước ứng dụng công nghệ này nhiều nhất.Ở Việt Nam, RFID chưa được biết đến nhiều, song cũng đã

có những công ty kinh doanh trong lĩnh vực này như Trung tâm ứng dụng RFID Minh Đức; Công ty TNHH Thương mại &Đầu tư phát triển công nghệ - TECHPRO; các đơn vị nghiên cứu ứng dụng như Viện hàn lâm Khoa học công nghệ Việt Nam, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, Trường Đại học Công nghệ, ĐHQG Hà Nội Việc ứng dụng công nghệ RFID vào Y học là một hướng

đi rất mới, hứa hẹn nhiều thành công trong tương lai

20

CHƯƠNG II: THIẾT KẾ ĐẦU ĐỌC THẺ RFID TẦN SỐ 125kHz

Trong hệ thống quản lý hồ sơ bệnh nhân, đầu đọc thẻ có vai trò rất quan trọng và có thể tưởng tượng là một phần bộ não của hệ thống Từ nhu cầu làm chủ về công nghệ, Em đã xác định đây là nhiệm vụ hết sức quan trọng của luận văn, cần thiết kế phần cứng của đầu đọc thẻ (bao gồm bo mạch điện tử, Antena)

từ mức độ các linh kiện điện tử, chủ động xây dựng phần mềm nhúng điều khiển cho bo mạch để có thể nhân rộng số phiên bản đầu đọc cho quy mô là các bệnh viện Thiết kế phần cứng của đầu đọc thẻ bao gồm hai phần: Thiết kế bo mạch điện tử của đầu đọc thẻ và thiết kế Antena Hai nội dung này sẽ được trình bày dưới đây:

2.1 Thiết kế bo mạch điện tử của đầu đọc thẻ

Chíp EM4095 hãng EM MicroElectronic (Thụy Sỹ)là một IC có chứa mạch thu-phát tích hợp được thiết kế để sử dụng trong các trạm RFID cơ sở (thường là đầu đọc thẻ) với các chức năng cụ thể như sau:

- Điều chế biên độ tín hiệu cho việc thu phát

- Tách sóng từ tín hiệu do antenna thẻ điều chế gửi lên

- Giao tiếp với vi điều khiển

Hình 2.1: Sơ đồ chân của EM4095

4 DVDD Cấp nguồn(+) cho bộ điều khiển antenna PWR

5 DVSS Cấp nguồn(-) cho bộ điều khiển antenna GND

8 DEMOD_IN Cảm biến thế ra trên antenna Analog

9 CDEC_OUT Kết nối tụ 1 chiều lối ra Analog

10 CDEC_IN Kết nối tụ 1 chiều lối vào Analog

11 AGND Tín hiệu tương tự nối đất Analog

13 DEMOD_OUT Đầu ra số của tín hiệu AM Output

 Khối Analog

Chip thực hiện hai chức năng: truyền và nhận tín hiệu Truyền tín hiệu bao gồm dẫn hướng antenna và điều biên tín hiệu RF Bộ điều khiển antenna sẽ cung cấp một dòng cho antenna với mục đích sinh từ trường

Bộ thu tín hiệu thực hiện các chức năng tách sóng AM nhận được từ thẻ

 Antenna Drivers

Bộ điều khiển antenna cung cấp cho đầu đọc một năng lượng thích hợp Chúng phân tán dòng ở chế độ cộng hưởng Dòng này phụ thuộc vào cấu tạo của mạch cộng hưởng Dòng cực đại cho phép khi thiết kế không vượt quá 250mA

 Phase Locked Loop (PLL)

Vòng khoá pha (PLL) bao gồm bộ lọc, bộ điều chỉnh thế, và bộ so sánh pha Bằng cách sử dụng một bộ chia dung kháng nội, chân DEMOD_IN sẽ lấy thông tin về mức thế cao của tín hiệu trên antenna

Pha của tín hiệu sẽ được so sánh với tín hiệu từ bộ điều khiển antenna phát ra Vì thế PLL có thể khoá sóng mang tới tần số cộng hưởng của antenna Tần số cộng hưởng này phụ thuộc vào từng loại antenna, trong khoảng từ 100 – 150KHz Khi tần số cộng hưởng nằm trong vùng trên, nó sẽ được duy trì bởi PLL

 Bộ thu (Reception)

Việc tách tín hiệu đầu vào cho bộ thu dựa trên thế của antenna Chân DEMOD_IN cũng được sử dụng như là đầu vào cho bộ thu Mức tín hiệu trên chân DEMOD_IN phải nhỏ hơn VDD-0.5V và lớn hơn VSS+0.5V Mức tín hiệu đầu vào được điều chỉnh nhờ việc sử dụng một bộ chia điện dung nội Thêm vào

đó dung kháng của bộ chia phải được bù lại nhờ một tụ cộng hưởng nhỏ Nguyên lý tách sóng AM dựa trên kĩ thuật “ Tách sóng AM đồng bộ”

Hoạt động của bộ thu bao gồm việc trích và giữ mẫu, cắt bỏ khoảng thừa, lọc dải thông và so sánh Thế một chiều của tín hiệu trên chân DEMOD_IN được kéo về đất bởi điện trở nội Tín hiệu AM được trích mẫu, mẫu này sẽ được đồng bộ bởi một đồng hồ xung Một vài thành phần sẽ bị loại bỏ bởi tụ CDEC

Bộ lọc sẽ tiến hành loại bỏ tín hiệu sóng mang, các tần số nhiễu tần số cao và thấp Tín hiệu nhận được đã qua khuếch đại và lọc sẽ được đồng bộ nhờ bộ so sánh.Việc cuối cùng đó là gửi tín hiệu này ra chân DEMOD_OUT để truyền về

vi xử lý Sau đây là nguyên lý một số mạch ứng dụng cụ thể của IC EM 4095:

 PIC-16F886 là vi xử lý RISC chất lƣợng cao, do đó tất cả các lệnh (trừ lệnh rẽ nhánh) trong số 35 lệnh đƣợc thực hiện chỉ trong 1 chu kỳ nhịp đồng hồ

 Có bộ biến đổi A/D 10 bit, 14/16 kênh

 Có Timer-0 là bộ đếm 8 bit khả trình, Timer-1 là bộ đếm 16 bit, Timer-3 là bộ đếm 8 bit

 Có mô-đun điều chế PWM 10 bit với 1, 2 hoặc 4 kênh lối ra khả trình, tần số cực đại là 20 kHz

 Có mô-đun giao tiếp nối tiếp UART hỗ trợ các chuẩn RS-232, RS-485

và LIN 2.0

Vi điều khiển có 28 chân, sơđồ như trên hình dưới đây:

Hình2.4: Vi điều khiển PIC 16F886

26

Hình 2.5: Sơ đồ khối PIC16F886

Bảng 1.2 Chức năng các Pins của VĐK PIC16F886

Hình 2.7: Mạch layout đầu đọc thẻ RFID

30

Hình 2.8: Bo mạch đầu đọc thẻ RFID khi đã lắp ráp linh kiện

2.2 Thiết kế Antena 125kHz cho đầu đọc thẻ RFID

Các hệ thống vô tuyến sử dụng Antenna với mục đích truyền tải thông tin, năng lượng…Việc truyền năng lượng điện từ trong không gian có thể được thực hiện theo hai cách:

Thứ nhất, dùng các hệ truyền dẫn: Nghĩa là dùng các hệ dẫn sóng điện từ nhưđường dây song hành, đường truyền đồng trục, ống dẫn sóng kim loại… Sóng điện từ lan truyền trong các hệ thống này thuộc loại sóng ràng buộc

Thứ hai, bức xạ sóng ra không gian: có nghĩa là sóng được truyền đi dưới dạng sóng điện từ tự do

Thiết bị dùng để bức xạ hoặc thu nhận sóng điện từ trong không gian gọi

là antenna

Antenna sử dụng cho các mục đích khác nhau thì có cấu tạo và chức năng khác nhau Ví dụ, antenna sử dụng trong phát thanh-truyền hình thì bức xạ sóng trên diện rộng, đa hướng Antenna sử dụng cho mục đích truyền thông vệ tinh-mặt đất thì bức xạ sóng có hướng tập trung, năng lượng cao…

2.2.1 Cấu trúc chung của hệ Antenna

Một hệ truyền thông không dây đơn giản thường bao gồm các khối cơ bản:

Máy phát - Antenna phát – Antenna thu – Máy thu

Ngày nay, cùng với sự phát triển của khoa học công nghệ, các ứng dụng cao đòi hỏi antenna không chỉ đơn thuần làm nhiệm vụ bức xạ hay thu nhận sóng điện từ mà nó còn tham gia vào quá trình gia công tín hiệu Trong trường hợp tổng quát antenna cần được hiểu là một tổ hợp bao gồm nhiều hệ thống

Hình 2.9: Cấu trúc chung của một hệ thống Antenna

2.2.2 Tính toán thiết kế Antenna 125kHz cho đầu đọc RFID

2.2.2.1 Antena trong hệ thống RFID

Trong các hệ thống RFID trường gần và trường xa, do đặc tính trường điện từ tại mỗi khu vực là khác nhau nên cơ chế ghép năng lượng giữa đầu đọc

và thẻ cũng khác nhau

 Trường gần

Trường điện từ tại khu gần có tính chất thụ động và gần như tĩnh Điện trường sẽ bị thay thế bởi từ trường, và trường nào sẽ tồn tại được quyết định bởi loại antenna được sử dụng

Điện trường sẽ tồn tại khi antenna lưỡng cực được sử dụng; trái lại, với antenna vòng dây nhỏ thì sẽ chỉ có từ trường tồn tại Sự ghép ứng giữa antenna thẻ và antenna đầu đọc có thể nhận được qua giao thoa với từ trường hoặc điện trường Trong các hệ thống RFID trường gần thì hệ thống ghép cảm ứng được dùng rộng rãi hơn cả so với hệ thống ghép dung ứng Vậy thế nào là ghép cảm ứng?

32

 Ghép cảm ứng

Trong một hệ thống RFID ghép cảm ứng, cuộn dây antenna đầu đọc sẽ tạo ra một từ trường mạnh cảm ứng vào cuộn antenna của thẻ Khi một phần năng lượng trường được thẻ hấp thụ, sẽ tạo ra một điện áp Ui trên antenna thẻ Điện áp này được chỉnh lưu và làm nguồn nuôi cho chíp nhớ của thẻ Một tụ Cr được mắc song song với antenna của đầu đọc, điện dung được chọn sao cho nó cùng với điện cảm của antenna hình thành nên một mạch cộng hưởng song song với tần số tương ứng với tần số phát đi của đầu đọc

Hình 2.10: Giao tiếp giữa thẻ và đầu đọc RFID ghép cảm ứng

2.2.2.2 Các tính toán thiết kế Antenna sử dụng chip EM4095

Antenna của đầu đọc thẻ có thể được thiết kế ở nhiều dạng (như antenna vòng dây, antenna khung dây, antenna zíc zắc, antenna vi dải

Trong luận văn đã chọn loại antenna dạng khung chữ nhật nhiều vòng dây Với các lý do sau:

- Phù hợp cho dải sóng LF từ 125- 134.2 KHz

- Dễ thiết kế, tính toán

- Dễ dàng lắp đặt, độ bền cao

 Một số tính toán dựa trên lý thuyết điện từ

- Giả sử, chọn cảm kháng của khung dây làm antenna và hệ số của antenna lần lượt là:

LA= 725µH

QA= 40

- Hệ thống hoạt động ở tần số : f=125Khz

Khi đó, điện trở của antenna đƣợc tính bằng:

A

A ANT

125 14

3

)2(

10 125 14 3 2 (

1

6 2

ANT

SS DD

peak ANT

R R

R

V V

34

RES

peak ANT peak

ANT

C f

I V

2

) ( )

hay

mA

32023.14

0514

.3

.32

9.314

6 3

Ta thấy rằng dòng cực đại trên antenna là 314.9mA lớn hơn mức qui định

là 250mA Do vậy, cần mắc thêm trở nối tiếp (RSER) với mạch cộng hưởng của antenna, ta có thể làm giảm dòng này xuống mức cần thiết

Giá trị điện trở này có thể được tính bằng công thức (1.3)

Theo nhà sản xuất chíp cung cấp, giá trị RSER=33, thì:

10 9

908 1

) ( 0276

H H

B C

N C

X: Là chiều rộng của khung (cm) Y: Chiều dài của khung (cm) B: Bề rộng mặt cắt (cm) H: Chiều cao của khung (cm)

Ta có bảng tính toán sau:

Bảng 2.3: Tính toán thông số Antenna

Nhƣ vậy, khi đã có các thông số Antenna ta hoàn toàn tính đƣợc các giá trị của điện trở RSER, CRES, IANT, VANT… cho mạch dựa vào các công thức (1.1),(1.2),(1.3),(1.4)

Một số hình ảnh Antenna đã thiết kế:

36

Hình 2.12: Một số hình ảnh Antenna đã thiết kế

CHƯƠNG III: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN TRUNG TÂM ĐỂ THU NHẬN DỮ LIỆU TỪ ĐẦU ĐỌC THẺ RFID TẦN SỐ 125kHz

3.1 Thiết kế phần cứng bộ điều khiển trung tâm để thu nhận dữ liệu từ đầu đọc thẻ RFID tần số 125kHz

Bộ điều khiển trung tâm (MCU) thu nhận dữ liệu từ đầu đọc thẻ RFID tần

số 125kHz bao gồm các phần:

 Khối điều khiển

 Khối hiển thị

 Khối giao tiếp máy tính

 Sơ đồ mạch khối điều khiển trung tâm (MCU)

Bộ điều khiển trung tâm (MCU) có thể được thiết kế như sơ đồ:

Hình 3.1 : Sơđồ cấu trúc đầu đọc thẻ RFID

Trong phạm vi đề tài sẽ nghiên cứu, thiết kế khối điều khiển trung tâm sử dụng vi điều khiển PIC16F887A

3.1.1 Thiết kế khối điều khiển trung tâm sử dụng vi điều khiển PIC16F887:

Vi điều khiển PIC16F887 là một chip thuộc dòng 16F87XA do hãng Microchip(Mỹ) sản xuất Với các thông số cơ bản như sau:

+ Cấu tạo dạng DIP 40 chân chia thành 5 cổng vào/ra A,B,C,D,E, và các chân chức năng khác

+ Bộ nhớ chương trình: 14.3 Kbytes với 8192 chỉ lệnh đơn

MASTER CONTROL UNIT (MCU)

LCD

DISPLAY

EM 4095 MODULE

LED DISPLAY

COMPUTER

38

+ 256 bytes EEPROM, 368 bytes bộ nhớ dữ liệu

+ 10 bit ADC với 8 kênh đầu vào

Hình 3.2: Vi điều khiển PIC16F887

3.1.1.1 Sơ đồ và chức năng các cổng vào/ra (I/O PORT)

Hình 3.3: Sơ đồ chân PIC16F887

a PORT A và thanh ghi TRISA

PORT A là cổng hai chiều (vào/ra), với độ rộng 6 bít (RA0RA5) Tương ứng với thanh ghi TRISA

PORT A sẽ là đầu vào (Input) nếu set TRISA ở mức logic 1 (0xFF), ngược lại sẽ là đầu ra (Output) nếu set TRISA ở mức logic 0 (0x00)

Chân RA4 tích hợp với đầu vào bộ đếm Timer0 Các chân khác đều là chân tích hợp và cho phép nhận cả tín hiệu tương tự

Bảng 3.1: Chức năng các chân của PORT A

RA0/AN0 Bit 0 Đầu vào/ra số hoặc đầu vào tín hiệu

RA3/AN3/VREF+ Bit 3 Đầu vào/ra số, đầu vào tín hiệu

tương tự hoặc VREF+

RA4/T0CKI/C1OUT Bit 4

Đầu vào/ra số, đầu vào xung nội cho Timer0, hoặc đầu ra 1 cho bộ so sánh

RA5/AN4/SS/C2OUT Bit 5 Đầu vào/ra số, đầu vào tín hiệu

tương tự, Đầu ra 2 cho bộ so sánh

b PORT B và thanh ghi TRISB

PORT B là cổng hai chiều với độ rộng 8 bít Tương ứng với thanh ghi TRISB

Việc set chế độ vào/ra cũng giống như PORT A Các chân của PORT B

có chế độ “pull-up”, cho phép kéo điện thế lên một mức nhỏ nào đó Chỉ cần 1 bit để điều khiển bật chế độ này và chúng tự động tắt khi PORT B là đầu ra

Chân RB0/INT là một ngắt ngoài, được cấu hình sử dụng bit INTEDG

Nó sẽ bị tắt khi bit này bị xóa

Khi có tín hiệu ngắt tại chân RB0, cờ ngắt INTIF sẽ được set Ta có thể bật/tắt chức năng của ngắt ngoài RB0 bằng cách set hoặc xóa cờ ngắt INTIE

Các chân RB4  RB7, ngoài là các chân vào/ra tín hiệu số, còn có chức năng ngắt trạng thái Các ngắt này được điều khiển bởi cờ ngắt RBIF

Bảng 3.2: Chức năng các chân của PORTB

40

RB0/INT Bit 0 Đầu vào/ra số hoặc đầu vào cho ngắt

ngoài

RB3/PGM Bit 3 Đầu vào/ra số, chân lập trình cho

chế độ LVP

RB4 Bit 4 Đầu vào/ra số , ngắt trạng thái

RB5 Bit 5 Đầu vào/ra số , ngắt trạng thái

RB6/PGC Bit 6 Đầu vào/ra số, ngắt trạng thái, xung

lập trình RB7/PGD Bit 7 Đầu vào/ra số, ngắt trạng thái, dữ

liệu lập trình

c PORT C và thanh ghi TRISC

Port C là một cổng hai chiều 8 bit Tương ứng với thanh ghi TRISC Nếu

ta set TRISC=0, thì PORTC sẽ là đầu ra (Output), ngược lại nếu set TRISC=1, thì nó là đầu vào (Input) PORT C được tích hợp cho nhiều chức năng sử dụng như giao tiếp I2C, RS-232…

Bảng 3.3: Chức năng các chân của PORTC

RC0/T1OSO/T1CKI Bit 0 Đầu vào/ra số, đầu ra bộ dao động

định thời Timer1, đầu vào xung cho Timer1

RC1/T1OSI/CCP2 Bit 1 Đầu vào/ra số, đầu vào cho bộ dao

động định thời Timer1, Đầu ra bộ so sánh 2, đầu ra PWM2

RC2/CCP1 Bit 2 Đầu vào/ra số, đầu ra bộ so sánh 1,

đầu ra PWM1

RC3/SCK/SCL Bit 3 Đầu vào/ra số, hỗ trợ giao tiếp SPI,

I2C

RC4/SDI/SDA Bit 4 SPI data hoặc dữ liệu vào/ra trong

chế độ giao tiếp I2C