Công nghệ nhận dạng đối tượng bằng sóng vô tuyến

Cấu trúc luận văn bao gồm: phần mở đầu, ba chƣơng nội dung, phần kết luận và tài liệu tham khảo, trong đó: Chương 1 Tổng quan về công nghệ RFID, giới thiệu tổng quan hệ thống mạng RFID, các thành phần và phương thức hoạt động của hệ thống mạng RFID, tìm hiểu mạng cảm biến không dây, RFID tích hợp với mạng cảm biến không dây. Chương 2 Tìm hiểu 2 kỹ thuật định tuyến hiệu quả năng lượng trọng mạng RFID là: EECBR và NTP.Chương 3 Mô phỏng và phân tích kết quả, xây dựng các kịch bản mô phỏng và phân tích đánh giá các kết quả mô phỏng. Phần kết luận và hướng phát triển của đề tài.

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu khoa học của riêng tôi Các sốliệu, trích dẫn, kết quả thực nghiệm và cài đặt được trình bày trong luận văn là trungthực và có nguồn gốc rõ ràng

LỜI CẢM ƠN

Để hoàn thành luận văn này, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến Thầy VõViết Minh Nhật, Ban Đào tạo – Đại học Huế, đã tận tình hướng dẫn trong suốt quátrình thực hiện đề tài

Xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ về mọi mặt của Ban Giám hiệu, Phòng Đàotạo Sau đại học, Khoa Công nghệ thông tin - Trường Đại học Khoa học - Đại họcHuế cùng quý thầy cô đã tham gia giảng dạy trong suốt quá trình học tập

Cảm ơn tất cả bạn bè, đồng nghiệp và người thân đã động viên, giúp đỡ tôihoàn thành luận văn này

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN i

LỜI CẢM ƠN ii

MỤC LỤC iii

DANH MỤC BẢNG v

DANH MỤC HÌNH VẼ vi

DANH MỤC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT vii

CHƯƠNG 1:TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG TÍCH HỢP RFID VÀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY 3

1.1 GIỚI THIỆU CÔNG NGHỆ RFID 3

1.1.1 Lịch sử phát triển của công nghệ RFID 4

1.1.2 Các thành phần của hệ thống RFID 7

1.1.3 Ứng dụng công nghệ RFID 12

1.2 MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY 13

1.2.1 Đặc điểm của mạng cảm biến 13

1.2.2 Cấu trúc của một nút mạng cảm biến 13

1.2.3 Cấu trúc của mạng cảm biến 14

1.2.4 Các ứng dụng của mạng cảm biến không dây 15

1.2.5 Phân biệt giữa RFID và mạng cảm biến không dây 15

1.3 TÍCH HỢP RFID VÀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY 17

1.3.1 Tích hợp thẻ RFID với cảm biến 17

1.3.2 Tích hợp các thẻ RFID với các nút WSN 18

1.3.3 Tích hợp các đầu đọc RFID với các nút WSN 19

1.3.4 Tích hợp các thành phần RFID với các nút WSN 19

1.4 TIỂU KẾT CHƯƠNG 1

20

CHƯƠNG 2: .MỘT SỐ PHƯƠNG PHÁP ĐỊNH TUYẾN HIỆU QUẢ NĂNG LƯỢNG TRONG MẠNG RFID 21

2.1 GIAO THỨC EECBR 21

2.1.1 Giới thiệu 21

2.1.2 Nguyên lý hoạt động giao thức và giải thuật 22

2.1.3 Ưu điểm và nhược điểm 26

2.2 GIAO THỨC NTP 27

2.2.1 Giới thiệu 27

2.2.2 Nguyên lý hoạt động giao thức và giải thuật 30

2.2.3 Ưu điểm và nhược điểm 35

2.3 TIỂU KẾT CHƯƠNG 2 36

CHƯƠNG 3:CÀI ĐẶT MÔ PHỎNG VÀ PHÂN TÍCH KẾT QUẢ 37

3.1 XÂY DỰNG CÁC KỊCH BẢN MÔ PHỎNG 37

3.2 PHÂN TÍCH CÁC KẾT QUẢ MÔ PHỎNG 38

3.3 Tiểu kết chương 3 .39

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1.1 Bảng so sánh sự khác nhau của các loại thẻ 10Bảng 1.2 Sự khác nhau giữa WSN và RFID 16Bảng 3.1 Các tham số mô phỏng 37

CHƯƠNG 1: DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Những mốc quan trọng trong thời kỳ đầu của công nghệ RFID 4

Hình 1.2 Những mốc quan trọng từ năm 1960 đến 1990 5

Hình 1.3 Những mốc quan trọng từ năm 1990 đến nay 6

Hình 1.4 Các thành phần của hệ thống RFID 7

Hình 1.5 Các thành phần của thẻ chủ động 9

Hình 1.6 Các thành phần của thẻ bán thụ động 10

Hình 1.7 Một số dạng thẻ thông dụng của ứng dụng RFID 10

Hình 1.8 Sơ đồ thể hiện các đơn vị chính của đầu đọc 12

Hình 1.9 Các thành phần của một nút cảm biến 14

Hình 1.10 Cấu trúc của mạng cảm biến 15

Hình 1.11 Bốn loại tích hợp RFID với WSN 17

Hình 1.12 Kiến trúc tích hợp thẻ RFID với cảm biến 18

Hình 1.13 Kiến trúc tích hợp các thẻ RFID với các nút WSN 18

Hình 1.14 Kiến trúc tích hợp các đầu đọc RFID với các nút WSN 19

Hình 1.15 Kiến trúc hệ thống của một cài đặt hỗ trợ tích hợp các thành phần RFID với các nút WSN 20

Hình 2.1 Biểu đồ luồng giải thuật định tuyến EECBR 24

Hình 2.2 Giải thuật EECBR 26

Hình 2.3 Mạng đơn giản với đường đi được thiết lập từ trước 28

Hình 2.4 Ví dụ mạng có nút bị tắt và mất gói 29

Hình 2.5 Ví dụ mạng mất đồng bộ và tranh chấp gói 30

Hình 2.6 Định tuyến bằng giao thức AODV để tìm đường đi 31

Hình 2.7 Tiến trình đồng bộ các nút của mạng 32

Hình 2.8 Biểu đồ luồng thực hiện của NTP 33

Hình 2.9 Giải thuật NTP 35

Hình 3.1 So sánh tiêu thụ năng lượng của cảm biến chính với trung bình của cụm.38 Hình 3.2 Mức tiêu thụ năng lượng của các cảm biến chính 39

Hình 3.3 Phương sai của năng lượng toàn mạng 39

DANH MỤC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT

RFID Radio Frequency Identification

WSN Wireless Sensor Network

IOT Internet of Things

EECBR Energy-Efficient Content-Based Routing

NTP Network Time Protocol

AODV Ad hoc On-Demand Distance Vector

DSDV Destination Sequenced Distance Vector

AIDC Automatic Identification and Data Capture

HF High Frequency

MỞ ĐẦU

 Lý do chọn đề tài

Ngày nay, với sự phát triển mạnh mẽ của khoa học kỹ thuật, nhiều công nghệmới và tiên tiến đã ra đời với mục đích làm cho mọi việc trong đời sống trở nên tiệnlợi và đơn giản hơn Đặc biệt các công nghệ không dây ngày càng được quan tâm,chú ý và được triển khai ở nhiều ứng dụng, trong đó phải kể đến “Công nghệ nhậndạng đối tượng bằng sóng vô tuyến” (Radio Frequency Identification - RFID) Côngnghệ RFID hiện đang được nhiều nước trên thế giới phát triển và ứng dụng vào cáclĩnh vực như: bảo mật, an ninh, giám sát, sản xuất kinh doanh (sản xuất nôngnghiệp, công nghiệp, chăn nuôi, nuôi trồng thủy sản), y tế, thương mại dịch vụ, bưuchính viễn thông, thanh toán điện tử Riêng ở Việt Nam, công nghệ RFID cũng đãđược triển khai cùng với xu hướng chung của thế giới; Việt Nam đang nghiên cứu

và từng bước ứng dụng công nghệ này

Để triển khai công nghệ RFID trong các ứng dụng lớn, các đầu đọc RFIDthường được tích hợp với một mạng cảm biến (Sensor Network) để có thể truyền tải

dữ liệu đọc được từ các đầu đọc RFID về máy chủ trung tâm để xử lý Do đó, mộttrong những vấn đề quan trọng của một hệ thống mạng RFID là vấn đề định tuyếnhiệu quả năng lượng Mục tiêu của nghiên cứu các kỹ thuật định tuyến hiệu quảnăng lượng trong mạng RFID là nhằm tiết kiệm tối đa nguồn năng lượng của hệthống, từ đó tăng thời gian sống của mạng và đó chính là lý do tôi chọn đề tài “Tìmhiểu một số kỹ thuật định tuyến hiệu quả năng lượng trong mạng RFID”

 Mục tiêu nghiên cứu

- Tìm hiểu các kiến thức cơ bản về hệ thống RFID tích hợp với mạng cảm biếnkhông dây

- Nghiên cứu một số kỹ thuật định tuyến năng lượng hiệu quả trong mạngRFID

- Mô phỏng và phân tích đánh giá kết quả các kỹ thuật đã tìm hiểu

 Cấu trúc luận văn

Cấu trúc luận văn bao gồm: phần mở đầu, ba chương nội dung, phần kết luận

và tài liệu tham khảo, trong đó:

Chương 1 - Tổng quan về công nghệ RFID, giới thiệu tổng quan hệ thốngmạng RFID, các thành phần và phương thức hoạt động của hệ thống mạng RFID,tìm hiểu mạng cảm biến không dây, RFID tích hợp với mạng cảm biến không dây Chương 2 - Tìm hiểu 2 kỹ thuật định tuyến hiệu quả năng lượng trọng mạngRFID là: EECBR và NTP

Chương 3 - Mô phỏng và phân tích kết quả, xây dựng các kịch bản mô phỏng

và phân tích đánh giá các kết quả mô phỏng

Phần kết luận và hướng phát triển của đề tài

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG TÍCH HỢP RFID VÀ

MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY

RFID là công nghệ nhận dạng đối tượng bằng sóng vô tuyến Công nghệ nàycho phép nhận biết các đối tượng thông qua hệ thống thu phát sóng radio, từ đó cóthể giám sát, quản lý hoặc lưu vết từng đối tượng Một hệ thống RFID thường baogồm 2 thành phần chính là thẻ tag (chip RFID chứa thông tin) và đầu đọc (reader)đọc các thông tin trên thẻ

Ban đầu, RFID được ứng dụng trong lĩnh vực quân sự Trong thế chiến thứ II,quân đội các nước Mỹ, Nga, Đức,… đã ứng dụng công nghệ RFID để xác định máy

bay trên không phận mình là bạn hay kẻ thù vì vậy nó còn có tên là IFF (Identify Friend or Foe) Tuy nhiên, mãi đến những năm 80 nó mới được bắt đầu ứng dụng

trong lĩnh vực thương mại Từ năm 1990 đến nay, RFID vẫn được chú trọng pháttriển trong nhiều lĩnh vực như hàng không, quốc phòng cho đến lĩnh vực kiểm kê,kiểm soát hàng hóa, kiểm soát động vật, giao thông (thẻ trả tiền tàu xe, hoặc gắnvào lốp xe để đánh giá điều kiện đường xá,…), quản lý việc truy cập hệ thống vàbảo mật, quản lý nhân viên, dược phẩm, siêu thị, thư viện

Bên cạnh công nghệ RFID, mạng cảm biến không dây (Wireless Sensor Network – WSN) cũng đang phát triển mạnh mẽ Một mạng cảm biến bao gồm một

số lượng lớn các nút cảm biến có thể được triển khai trên mặt đất, trong khôngtrung, trong xe, bên trong tòa nhà, hoặc thậm chí trên cơ thể người Hiện nay cónhiều nghiên cứu đang cố gắn kết hợp hai công nghệ RFID và WSN lại với nhaunhằm mở rộng và nâng cao khả năng của hệ thống

Trong chương này sẽ giới thiệu tổng quan về hai công nghệ RFID và WSN và

mô hình tích hợp RFID và WSN

2.1 GIỚI THIỆU CÔNG NGHỆ RFID

Không giống như công nghệ mã vạch, công nghệ RFID cho phép nhận dạngđối tượng đã được gắn thẻ bằng sóng vô tuyến không cần tiếp xúc trực tiếp ở

khoảng cách xa, không thực hiện bất kỳ giao tiếp vật lý nào Các thẻ RFID hỗ trợ

một bộ mã số ID (Indentity) lớn hơn nhiều so với mã vạch Các hệ thống có thể

phân biệt được nhiều thẻ khác nhau nằm trong cùng khu vực mà không cần sự hỗtrợ của con người Vì thế công nghệ này là một phương pháp của tự động nhận dạng

và thu thập dữ liệu AIDC

2.1.1 Lịch sử phát triển của công nghệ RFID

2.1.1.1 Thời kỳ đầu của công nghệ RFID

Vào những năm 1930, Lục quân (Army) và Hải quân (Navy) thuộc Quân độiHoa Kỳ gặp phải những thử thách khi xác định những mục tiêu trên mặt đất, trênbiển và trên bầu trời Đến năm 1937 phòng nghiên cứu Naval U.S phát triển hệthống xác định IFF (Identification Friend or Foe) cho phép những đối tượng thuộc

về quân ta có thể phân biệt với quân địch Từ đó, công nghệ này trở nên phổ biếntrong hệ thống điều khiển không lưu vào cuối thập niên 50 Những ứng dụng củasóng RF trong việc xác định vật thể trong suốt thập niên 50 giới hạn chủ yếu trongquân đội, trong phòng nghiên cứu, trong các doanh nghiệp lớn bởi vì những thiết bịnày có giá rất cao và kích thước lớn

Hình 1.1 Những mốc quan trọng trong thời kỳ đầu của công nghệ RFID

2.1.1.2 Thời kỳ phát hiện các vật thể riêng biệt

Trong suốt thập kỷ 70, công nghiệp sản xuất, vận chuyển bắt đầu nghiên cứu

và phát triển những dự án để tìm cách dùng IC (Intergated Circuit) dựa trên côngnghệ RFID Có nhiều ứng dụng trong công nghiệp tự động, xác định vật nuôi, theo

dõi lưu thông Trong thời kỳ này thẻ có IC tiếp tục phát triển và có các đặc tính bộnhớ ghi được, tốc độ đọc nhanh hơn và khoảng cách đọc xa hơn

Vào đầu thập niên 80, công nghệ RFID được sử dụng vào việc giám sát cácđường ray ở Mỹ, đánh dấu vật nuôi các nông trại ở Châu Âu Ngoài ra, nó còn đượcdùng trong nghiên cứu động vật hoang dã, chẳng hạn đánh dấu các loài nguy hiểm,các loài có nguy cơ tuyệt chủng

Đến thập niên 90, công nghệ RFID trở nên phổ biến và được sử dụng nhiềutrong thu phí điện tử ở các nước: Ý, Tây Ban Nha, Bồ Đào Nha, Mỹ,… Những hệthống này cung cấp những dạng truy cập điều khiển phức tạp hơn bởi vì nó còn baogồm cả máy trả tiền Cùng vào thời điểm này, khóa thẻ (RFID card) sử dụng phổbiến thay thế cho các thiết bị máy móc điều khiển truy cập truyền thống như khóakim loại và khóa số Những sản phẩm này còn được gọi là thẻ thông minh khôngtiếp xúc cung cấp thông tin về người dùng, trong khi giá thành thấp để sản xuất vàlập trình

Hình 1.2 Những mốc quan trọng từ năm 1960 đến 1990

2.1.1.3 Thời kỳ công nghệ RFID phát triển trên phạm vi toàn cầu

Cuối thế kỉ 20, công nghệ RFID bắt đầu phát triển mạnh trên phạm vi toàncầu Dưới đây là một số bước tiến quan trọng góp phần đẩy mạnh sự phát triển này Vào những năm 1970, các nước Châu Âu đã bắt đầu sử dụng công nghệ RFID,công ty EM Microelectronic Marin đã thiết kế mạch tích hợp năng lượng thấp chonhững đồng hồ của Thụy Sỹ Năm 1982 Mikron Integrated Microelectronics phát

minh ra công nghệ ASIC (Application Specific Integrated Circuits) và năm 1987phát triển công nghệ đặc biệt liên quan đến việc xác định thẻ thông minh Ngày nay

EM Microelectronic Marin và Philips Semiconductors là hai nhà sản xuất hàng đầu

ở châu Âu về lĩnh vực RFID

Năm 1991, Texas Instrument đã đi tiên phong trong công nghệ RFID ở Mỹ,công ty đã tạo ra một hệ thống xác nhận và đăng ký Texas Instrument Hệ thốngTIRFID (Texas Instruments Radio Frequency Identification System) đã trở thànhnền tảng cho phát triển và thực hiện những lớp mới của ứng dụng công nghệ RFID Đầu năm 2000 các nhà phân phối như Wal-Mart, Target, Metro Group và các

cơ quan chính phủ như U.S Department of Defense bắt đầu phát triển và yêu cầuviệc sử dụng công nghệ RFID bởi nhà cung cấp Vào thời điểm này EPCglobalđược thành lập, EPCglobal đã hỗ trợ hệ thống mã sản phẩm điện tử EPC (ElectronicProduct Code) hệ thống này trở thành tiêu chuẩn cho xác nhận sản phẩm tự động

Hình 1.3 Những mốc quan trọng từ năm 1990 đến nayNgày nay, công nghệ RFID được ứng dụng rất rộng rãi trong các lĩnh vực như:cải tiến quá trình hoạt định và điều hành dây chuyền cung ứng cho các nhà sản xuất;tăng hiệu quả trong kinh doanh và hạn chế mất cắp đối với các nhà bán lẻ; quản lýdụng cụ, tránh thay nhầm dụng cụ và theo dõi xem các dụng cụ làm việc như thếnào đối với các cửa hàng bán máy móc; kiểm soát lối ra vào ở các tòa nhà; nhậndạng nguồn gốc vật nuôi, theo dõi tránh thất lạc và bị đánh cắp cho các trang trại;xác định thông tin mã số series, nguồn gốc sản phẩm, kiểm soát được sản phẩm

nhập xuất cho các ngành công nghiệp; quản lý bạn đọc, quản lý sách, giúp giảm thờigian tìm kiếm, kiểm kê và chống được tình trạng mất sách ngành như viện; lưu trữthông tin bệnh nhân trong ngành y khoa Ngoài ra, công nghệ RFID còn xác định vịtrí, theo dõi, xác thực sự đi lại của mọi người giúp nâng cao an ninh ở biên giới vàcửa khẩu như mô hình hệ thống quản lý bằng RFID tại sân bay được DHS (hội anninh quốc gia Mỹ) áp dụng từ 1/2005 Tại Mỹ từ tháng 10/2006 và tại Anh, Đức,Trung Quốc từ 2008, hộ chiếu và CMND gắn chip RFID lưu các thông tin như têntuổi, quốc tịch, giới tính, ngày tháng năm sinh, nơi sinh, ảnh số… của người sửdụng đã được áp dụng.

2.1.2 Các thành phần của hệ thống RFID

Trong hệ thống RFID, kỹ thuật truyền thông không dây trong dãy tần số vôtuyến được sử dụng để truyền dữ liệu từ các thẻ đến đầu đọc Trên thẻ có thể đượcgắn vi chip, ăng-ten và được đính kèm vào đối tượng được nhận dạng như sảnphẩm, xe ôtô Thẻ được đầu đọc nhận dạng và lấy thông tin, sau đó thông tin có thểchuyển tiếp đến một phần mềm ứng dụng trên máy tính (Hình 1.4)

Một hệ thống RFID bao gồm các thành phần như bộ tiếp sóng (transponder hay thẻ RFID), bộ thu phát (transceiver hay đầu đọc RFID), ngày nay đầu đọc đã

được trang bị sẵn an-ten và máy chủ hay hệ thống phần mềm, về mặt lý thuyết một hệthống RFID hoạt động độc lập không cần thành phần này, nhưng thực tế hệ thốngRFID gần như không còn ý nghĩa nếu không có thành phần này

Hình 1.4 Các thành phần của hệ thống RFID

2.1.2.1 Thẻ RFID

Thẻ RFID là một thiết bị có thể lưu trữ và truyền dữ liệu đến đầu đọc trongmôi trường không tiếp xúc bằng sóng vô tuyến Thông thường mỗi thẻ RFID có một

cuộn dây hoặc ăng-ten (Antenna), một số thẻ có gắn vi chíp (microchip) và nguồn

năng lượng riêng

Vi chip dùng để lưu trữ thông tin, bộ nhớ của chip có thể chứa tới 96 bit đến

512 bit gấp 64 lần so với mã vạch, mỗi chíp lưu trữ một mã số là duy nhất Dựa trênchức năng của vi chip, các thẻ RFID có thể được phân loại là read-only (chỉ đọc),read-write (đọc-ghi), write-once-read-many (đọc một lần và ghi nhiều lần)

Ăng-ten được gắn với vi mạch truyền thông tin từ vi chip đến đầu đọc, phạm

vi đọc và truyền dữ liệu phụ thuộc vào độ lớn ăng-ten

Nguồn năng lượng (pin) được tích hợp vào thẻ RFID để cung cấp năng lượng

hoạt động cho thẻ Dựa trên nguồn năng lượng, các thẻ RFID có thể được phân làm

ba loại chính là chủ động (active), thụ động (passive) và bán thụ động (semi-passive hay sime-active).

Các thẻ chủ động có một nguồn năng lượng bên trong để phát tín hiệu liên tục

và truyền dữ liệu cho đầu đọc mà không cần nguồn năng lượng từ đầu đọc, đối vớiloại thẻ này trong quá trình truyền giữa thẻ và đầu đọc, thẻ luôn truyền trước, do sửdụng nguồn năng lượng riêng nên khoảng cách đọc và bộ nhớ của thẻ chủ động lớnhơn nhiều so với thẻ thụ động Thành phần bên trong gồm bộ vi mạch, cảm biến vàcác cổng vào/ra được cấp nguồn từ nguồn năng lượng Hiện nay trên thị trường cóhai loại thẻ chủ động là Transponder và Beacons Transponder RFID chủ động chỉtruyền thông tín hiệu tức thì khi nó ở trong vùng phát sóng của đầu đọc do đó nóduy trì được tuổi thọ pin Đối với Beacons RFID chủ động sẽ truyền thông tin nhậndạng theo một chu kỳ thời gian được người sử dụng thiết đặt và đầu đọc sẽ xác định

vị trí của thẻ đó

Hình 1.5 Các thành phần của thẻ chủ độngCác thẻ thụ động không có nguồn năng lượng riêng bên trong Thẻ thụ động

có cấu trúc đơn giản gồm duy nhất một vi chip và một ăng-ten; do đó nó có tuổi thọcao và chịu được điều kiện môi trường khắc nhiệt Đối với loại thẻ này khi thẻ vàđầu đọc truyền thông với nhau thì đầu đọc luôn truyền trước rồi mới đến thẻ thẻRFID thụ động sẽ chờ kích hoạt bởi sóng tương tác từ đầu đọc RFID khi thẻ trongvùng phủ sóng; ăng-ten của thẻ có được nguồn năng lượng từ sóng này Khi chipđược nạp năng lượng nó sẽ tiến hành truyền phát tín hiệu Do không có nguồn nănglượng riêng nên khoảng cách đọc và bộ nhớ của thẻ sẽ thấp hơn so với thẻ chủ độngnhưng bù lại có những đặc điểm nỗi trội hơn như kích thước nhỏ gọn hơn Một sốthẻ được sản xuất có thể mỏng chỉ bằng một vài tờ giấy và giá thành rẽ hơn nhiều so

với thẻ chủ động Thẻ thông minh (smart card) là một loại thẻ RFID thụ động và

được sử dụng trong nhiều lĩnh vực ngày nay

Hình 1.6 Các thành phần của thẻ thụ động

- Các thẻ bán thụ động có nguồn năng lượng bên trong, nhưng nguồn năng lượng này chỉ được sử dụng để hỗ trợ cho việc lưu trữ dữ liệu Trong quá trình truyền dữ liệu giữa thẻ và đầu đọc thì thẻ bán thụ động vẫn sử dụng nguồn năng lượng từ đầu đọc Đối với loại thẻ này, trong quá trình truyền dữ liệu thì đầu đọc luôn truyền trước rồi đến thẻ; tuy nhiên nó không sử dụng tín hiệu của đầu đọc như thẻ thụ động, nó tự kích hoạt, do đó thẻ bán thụ động có thể đọc ở khoảng cách xa hơn thẻ thụ động.

Hình 1.7 Các thành phần của thẻ bán thụ động

Hình 1.8 Một số dạng thẻ thông dụng của ứng dụng RFIDDựa vào sự khác nhau giữa các loại thẻ người sử dụng lựa chọn loại thẻ phùhợp với mục đích sử dụng, Error: Reference source not found cho thấy sự khác nhau

cơ bản của các loại thẻ nói trên

Bảng 1.1 Bảng so sánh sự khác nhau của các loại thẻ

Đặc điểm Thẻ chủ

động

Thể thụ động

Thẻ bán thụ động

2.1.2.2Đầu đọc RFID

Đầu đọc RFID là một thiết bị để đọc và ghi dữ liệu lên thẻ Hai khối chức

năng chính của đầu đọc là: giao diện HF (High Frequency) và đơn vị điều khiển (Control Unit) với bộ phát và bộ thu.

Các nhiệm vụ của giao diện HF:

 HF chuyển tiếp năng lượng để kích hoạt thẻ và cung cấp năng lượng cầnthiết cho thẻ

 Truyền tín hiệu đã được điều biến để chuyển dữ liệu đến thẻ

 Giải mã tín hiệu HF nhận được từ thẻ

Như được chỉ ra trong Hình 1.8, có hai cách truyền dữ liệu độc lập: gửi dữ liệuđến thẻ và nhận dữ liệu từ thẻ Dữ liệu được truyền đến thẻ bởi máy phát Ngượclại, dữ liệu nhận được từ thẻ bởi máy thu

Các nhiệm vụ của đơn vị điều khiển:

- Giao tiếp với phần mềm ứng dụng và thực thi các lệnh của nó

- Kiểm soát giao tiếp giữa đầu đọc và thẻ

- Mã hóa và giải mã tín hiệu

Hình 1.9 Sơ đồ thể hiện các đơn vị chính của đầu đọc

2.1.3 Ứng dụng công nghệ RFID

Công nghệ RFID có một số ứng dụng sau:

- Trong quản lý thu phí đường bộ tự động, với tần số 900 Mhz và 2.45 Ghz

cho phép đọc dữ liệu từ thẻ RFID ở khoảng cách xa (vài mét đến vài chục mét) vàlướt rất nhanh qua đầu đọc đã mở ra khả năng ứng dụng hiệu quả vào việc thu phígiao thông đường bộ tự động, khi các xe không phải dừng lại mua vé như truyềnthống mà chỉ cần gắn thẻ RFID trên xe, khi chạy qua đầu đọc sẽ tự nhận dạng và trừphí tự động Việc này giúp xe cơ giới lưu thông thuận tiện và tránh kẹt xe tại cácđiểm thu phí, cũng như thất thoát từ việc thu phí theo truyền thống

- Trong hệ thống bán lẻ, cửa hàng bán lẻ sử dụng RFID để đảm bảo an toàn

cho hàng hóa và kiểm tra hàng hóa Các bộ phận vận chuyển sử dụng RFID để theodõi kiện hàng trong nhà kho và trong suốt quá trình vận chuyển Thẻ RFID, có thểđính lên bất cứ sản phẩm nào, từ vỏ hộp đồ uống, đế giày, cho đến trục ôtô Cáccông ty chỉ việc sử dụng máy tính để quản lý các sản phẩm từ xa RFID có thể thaythế kỹ thuật mã vạch hiện nay do RFID không chỉ có khả năng xác định nguồn gốcsản phẩm mà còn cho phép nhà cung cấp và đại lý bán lẻ biết chính xác hơn thôngtin những mặt hàng trên quầy và trong kho của họ

- Trong Bưu Chính Viễn Thông, các công ty bưu chính viễn thông sử dụng

RFID để giám sát các bưu phẩm được vận chuyển quốc tế giữa các trung tâm bưu

dữ liệu

chính với nhau Họ có thể giám sát thời gian vận chuyển các bưu phẩm có gắn thẻRFID, điều đó giúp quản lý và giải quyết các vấn đề một cách nhanh gọn, tiết kiệm.

- Trong lĩnh vực an ninh, quyền ra vào cho mọi người được lưu trữ và mỗi

người được kết nối với một con số Con số này được lưu trên thẻ RFID Nếu hệthống kiểm soát ra vào lấy thông tin từ đầu đọc thẻ, nó sẽ tìm kiếm trong cơ sở dữliệu để kiểm tra xem người này có quyền vào hay không Nếu có, hệ thống sẽ gửitín hiệu tới cửa khiến nó có thể mở ra được

Mạng cảm biến không dây (WSN) có thể hiểu đơn giản là mạng liên kết cácnút với nhau bằng kết nối sóng vô tuyến, trong đó các nút mạng thường là các thiết

bị đơn giản, nhỏ gọn, giá thành thấp… và có số lượng lớn, được phân bố một cáchkhông có hệ thống trên một diện tích rộng, sử dụng nguồn năng lượng hạn chế và cóthể hoạt động trong môi trường khắc nghiệt (chất độc, ô nhiễm, nhiệt độ cao…)

2.2.1 Đặc điểm của mạng cảm biến

- Có khả năng tự tổ chức, yêu cầu rất ít hoặc thậm chí không có sự can thiệpcủa con người

- Truyền thông không chắc chắn, dựa trên định tuyến đa chặng

- Các nút cảm biến được triển khai dày đặc và có khả năng kết nối với nhau

- Bị giới hạn về mặt năng lượng, bộ nhớ và khả năng tính toán

- Hoạt động được trong các môi trường khắc nghiệt

2.2.2 Cấu trúc của một nút mạng cảm biến

Các nút mạng cảm biến phải thỏa mãn một số yêu cầu nhất định tùy theo ứngdụng: Chúng phải có kích thước nhỏ, giá thành rẻ, hoạt động hiệu quả về nănglượng, có các thiết bị cảm biến chính xác có thể cảm nhận, thu thập các thông sốmôi trường, có khả năng tính toán và có bộ nhớ đủ để lưu trữ, và phải có khả năngthu phát sóng để truyền thông với các nút lân cận Mỗi nút cảm biến được cấu

thành bởi 4 thành phần cơ bản, như ở Hình 1.9, bộ cảm biến (sensing unit), bộ xử

lý (a processing unit), bộ thu phát (a transceiver unit) và bộ nguồn (a power unit).

Ngoài ra có thể có thêm những thành phần khác tùy thuộc vào từng ứng dụng như là

hệ thống định vị (location finding system), bộ phát nguồn (power generator) và bộ phận di động (mobilizer)

Hình 1.10 Các thành phần của một nút cảm biến

2.2.3 Cấu trúc của mạng cảm biến

Vì giao tiếp không dây là kĩ thuật chính, giao tiếp trực tiếp giữa hai nút sẽ cónhiều hạn chế do khoảng cách hay các vật cản Đặc biệt là khi nút phát và nút thucách xa nhau thì cần công suất phát lớn.Vì vậy cần các nút trung gian làm nútchuyển tiếp để giảm công suất tổng thể Do vậy các mạng cảm biến không dây cần

phải dùng giao tiếp đa chặng (multihop)

Mạng cảm biến bao gồm rất nhiều các nút cảm biến được phân bố trong mộttrường cảm biến như Hình 1.10 Mỗi một nút cảm biến có khả năng thu thập dữ liệu

và định tuyến lại đến các nút sink1 Dữ liệu được định tuyến lại đến các sink bởi một

cấu trúc đa điểm Các sink có thể giao tiếp với các nút quản lý nhiệm vụ (task manager node) qua mạng Internet hoặc vệ tinh.

1 Nút sink là trạm cơ sở (Base Station-BS) thường được sử dụng như một phần trung tâm để thu thập

thông tin từ các nút.

Hình 1.11 Cấu trúc của mạng cảm biến

2.2.4 Các ứng dụng của mạng cảm biến không dây

Mạng cảm biến không dây cung cấp rất nhiều các ứng dụng hữu ích ở nhiềulĩnh vực trong cuộc sống Sau đây là một số ứng dụng nổi trội:

- Trong thu thập dữ liệu môi trường, số lượng lớn các nút thu thập dữ liệu

một cách liên tục từ môi trường và chuyển chúng tới trạm cơ sở

- Trong quản lý chuỗi cung ứng, hiệu quả xử lý được cải thiện bởi việc ứng

dụng WSN trong chuỗi cung ứng Cảm biến có thể theo dõi nhiệt độ cần được duytrì của các sản phẩm Nút của mỗi sản phẩm có thể giao tiếp với các nút khác Hơnnữa, các nút thông minh có thể phát hiện các loại sản phẩm có khả năng ảnh hưởngtiêu cực đến các sản phẩm khác

- Trong giám sát an ninh, các nút được cố định ở một vị trí nhất định và liên

tục kiểm tra tình trạng của các cảm biến Các nút sẽ gửi dữ liệu báo cáo chỉ khi cócác trường hợp vi phạm an ninh xuất hiện

- Trong các ứng dụng y tế, tình trạng thể chất của các bệnh nhân trong bệnh

viện có thể được theo dõi bằng cách sử dụng các mạng cảm biến không dây

2.2.5 Phân biệt giữa RFID và mạng cảm biến không dây

Hầu hết các ứng dụng của mạng cảm biến không dây là trong việc giám sátcác đối tượng và nhận biết các điều kiện môi trường Ngược lại, RFID được sửdụng để phát hiện sự hiện diện và vị trí của các đối tượng Trong mạng cảm biếnkhông dây, việc gửi dữ liệu từ các nút và chuyển dữ liệu đến nút sink được thực

Internet phát (nút sink)Thiết bị thu

Nút quản lý

tác vụ

Trường cảm biến

hiện thông qua các nút chuyển tiếp Nói cách khác, các mạng cảm biến không dây là

các mạng đa chặng (multi-hop), trong khi đó hệ thống RFID là đơn chặng hop) Firmware của các nút trong mạng cảm biến không dây có thể được lập trình

(single-một cách dễ dàng, nhưng đối với hầu hết các đầu đọc RFID thì không thể được lậptrình bởi người dùng

Bảng 1.2 Sự khác nhau giữa WSN và RFID

Phát hiện sự hiện diện củacác đối tượng được gắn thẻ

Thành phần Các nút cảm biến, các nút chuyển

tiếp, các nút sink Các thẻ và các đầu đọc

Khả năng di

động

Các nút cảm biến thường là cốđịnh

Các thẻ di chuyển cùngcác đối tượng được gắnvào

Triển khai Ngẫu nhiên hoặc cố định Cố định, thường phải sắp

xếp cẩn thận

2.3 TÍCH HỢP RFID VÀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY

Tích hợp giữa RFID và mạng cảm biến không dây có thể được phân làm 4 loạichính (Hình 1.12): tích hợp thẻ RFID với cảm biến, tích hợp các thẻ RFID với cácnút WSN, tích hợp các đầu đọc RFID với các nút WSN, tích hợp các thành phầnRFID với các nút WSN

Hình 1.12 Bốn loại tích hợp RFID với WSN

2.3.1 Tích hợp thẻ RFID với cảm biến

Loại tích hợp này cho phép thêm vào các hệ thống RFID khả năng cảm biến(Hình 1.13) Các thẻ RFID được tích hợp các cảm biến (được gọi là thẻ cảm biến)

sử dụng cùng giao thức và cơ chế của công nghệ RFID để đọc ID của thẻ, cũng như

Nút WSN

Thẻ RFID

Nút WSN

Đầu đọc RFID

Tích hợp các thành phần RFID với các nút WSN

Cảm biến Thẻ RFID

để thu thập dữ liệu cảm nhận được Bởi vì các cảm biến tích hợp bên trong các thẻRFID chỉ được sử dụng với mục đích cảm biến, do đó các giao thức hiện tại của cácthẻ RFID cũng dựa trên truyền thông đơn chặng, hay nói cách khác là các thẻ không

có khả năng giao tiếp với nhau

Hình 1.13 Kiến trúc tích hợp thẻ RFID với cảm biến

có thể được sử dụng trong các xe chở hóa chất Trong một tình huống quan trọng,báo động được bật, các hóa chất có thể phản ứng với nhau sẽ được tách ra xa nhau

Thẻ tích hợp cảm biến Đầu đọcTrạm cơ sở

Hình 1.14 Kiến trúc tích hợp các thẻ RFID với các nút WSN

2.3.3 Tích hợp các đầu đọc RFID với các nút WSN

Loại tích hợp này có thêm nhiều chức năng hơn và cho phép nó được sử dụngtrong các ứng dụng mới Bằng cách tích hợp các đầu đọc RFID với các nút WSN(Hình 1.15) đầu đọc có thể cảm nhận được tình trạng của các tham số môi trường.Các đầu đọc có thể giao tiếp không dây với nhau trong mạng Bên cạnh đó, các đầuđọc đọc dữ liệu của thẻ và gửi thông tin đến máy chủ một cách hiệu quả hơn

Hình 1.15 Kiến trúc tích hợp các đầu đọc RFID với các nút WSN

2.3.4 Tích hợp các thành phần RFID với các nút WSN

Không giống các loại tích hợp trên, về mặt vật lý, các thẻ, các đầu đọc RFID

và các cảm biến hoạt động tách biệt nhau (Hình 1.16) Một hệ thống RFID và mộtWSN, cả hai tồn tại trong cùng một ứng dụng và chúng làm việc độc lập nhau Tuynhiên, trong đó có sự hợp tác của RFID và WSN ở lớp phần mềm, dữ liệu từ các thẻ

Thẻ tích hợp nút WSN Đầu đọc hoặc trạm

cơ sở

Sink hoặc trạm cơ sở Đầu đọc tích hợp nút WSN Thẻ