Ứng dụng công nghệ nhận dạng sóng vô tuyến cho robot quản lý hàng hóa RFID

Kính gửi đến thầy TS.XXX (trường Đại học Công Nghiệp Hà Nội) lời cảm ơn chân thành và sâu sắc. Cảm ơn thầy đã tận tình hướng dẫn, chỉ dạy chúng em bộ môn “Công nghệ RFID” trong suốt quá trình học và thực hiện tiểu luận này. Em xin trình bày tiểu luận môn học “Công nghệ RFID” với đề tài “Ứng dụng công nghệ nhận dạng sóng vô tuyến cho robot quản lý hàng hóa”. Do còn hạn chế về thời gian và kiến thức nên những nghiên cứu, tìm hiểu vẫn màn tính tổng quan, định tính và có nhiều kiến thức mới nên không tránh khỏi sai sót. Em rất mong được sự góp ý, chỉ bảo của thầy để bài tiểu luận đạt được kết quả tốt nhất. Hà nội, ngày 1 tháng 11 năm 2020 Học viên thực hiện Trịnh Tiến Thắng LỜI NÓI ĐẦUCông nghệ RFID là một công nghệ khá mới và chưa được ứng dụng nhiều ở Việt Nam. Trên thế giới hiện nay, công nghệ này được ứng dụng khá rộng rãi trong dịch vụ, công nghiệp, vận tải, sản xuất và quản lý. Trong tiểu luận này, tôi sẽ giới thiệu về công nghệ RFID được ứng dụng trong robot quản lý và vận hành kho hàng. Công nghệ RFID sẽ giúp các con robot tự động tìm đường trong khu vực của kho hàng và chúng có thể sắp xếp, vận chuyển và quản lý kho hàng một cách hoàn toàn tự động trong điều kiện sàn phức tạp.Tiểu luận này sẽ giới thiệu tổng quan về lịch sử cũng như tổng quan về cách thức hoạt động của một hệ thống RFID, sau đó tiểu luận sẽ tập trung phân tích một thực nghiệm về ứng dụng của RFID trên robot quản lý kho hàng và từ đó làm rõ tiềm năng vô hạn của công nghệ này trong nghành quản lý kho hàng, siêu thị trong tương lai. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ NHẬN DẠNG VÔ TUYẾN1.1 Lịch sử và phát triểnCông nghệ RFID xuất hiện lần đầu khi chiến tranh thế giới thứ hai diễn ra. Vào thời đó, Radar được phát minh bởi nhà vật lý người Scottland – Watson Watt được sử dụng để cảnh báo các máy bay của người Đức. Nhưng câu hỏi được đặt ra là chiếc máy bay đó là máy bay địch, hay là máy bay quân ta đang trở về. Người Đức lại nghĩ ra một cách thông minh để giải quyết vấn đề đó, phi công người Đức sẽ lộn nhào chiếc máy bay của mình khi trở về căn cứ làm cho chiếc máy bay đó thay đổi độ phản xạ tín hiệu và các đài Radar của Đức có thể nhận biết điều này. Cách này có thể được coi là cách đầu tiên để nhận dạng một vật thể bằng sóng radio một cách thụ động.Trong suốt chiến tranh thế giới thứ hai, các nhà khoa học người Anh dẫn đầu bởi Watson Watt đã phát triển một ý tưởng rất thông minh đó là họ đặt các máy phát lên tất cả các máy bay của Anh. Khi các máy bay này nhận được tín hiệu từ Radar Anh, chúng sẽ phát lại các tín hiệu để xác nhận đó là các máy bay của quân ta. Đây chính là nguyên lý cơ bản của RFID: một tín hiệu được gửi tới một thiết bị phát đáp, thiết bị này hoạt động và gửi lại (hoặc phản xạ lại) một tín hiệu. Một trong những bằng sáng chế đầu tiên liên quan đến công nghệ RFID thuộc về nhà sáng chế người Mỹ Mario W. Cardullo vào năm 1973. Sáng chế của ông liên quan đến một thiết bị RFID chủ động dạng thẻ và có thể đặt lại bộ nhớ.Vào những năm 1980 và 1990, công nghệ RFID phát triển ngày càng phức tạp và toàn diện trong khi giá thành ngày càng giảm. Yêu cầu chuẩn hóa công nghệ này càng ngày càng tăng cao. Năm 1990. đã có một triệu thẻ RFID được sử dụng chỉ trong nước Mỹ, đặc biệt là trong lĩnh vực tự động hóa.Năm 1999, học viện công nghệ Massachusetts (MIT) tạo ra một trung tâm nghiên cứu về các công nghệ nhận dạng nói chung trong đó có RFID. Từ năm 1999 đến năm 2003, trung tâm này nhận được sự hỗ trợ từ hơn 100 công ty lớn và Bộ Quốc Phòng Hoa Kỳ. Trung tâm này đã phát triển 2 phương thức giao tiếp không tiếp xúc cho RFID. Vào những năm 2010, với sự giảm giá thành, sự cải thiện về hiệu suất, độ tin cậy đã tạo ra một sự tăng trưởng đáng kể của công nghệ RFID. Tháng 3 năm 2020, một công ty tại Hàn Quốc đã thành công tạo ra một loại chip nhờ công nghệ in bằng các ống nano carbon từ đó giảm kích cỡ và giá thành cho các thẻ RFID.Ngày nay, RFID được sử dụng cho hàng trăm lĩnh vực. Tổ chức tiêu chuẩn thế giới ISO cũng tham gia vào chuẩn hóa công nghệ này. Các thiết bị RFID trải dài khắp các dải tần số từ vài KHz đến hàng GHz1.2 Nguyên lý hoạt động của RFIDRFID (Radio Frequency Identifycation) là kỹ thuật sử dụng sóng radio để tự động nhận diện con người hoặc vật thể. Có một vài phương pháp để nhận diện nhưng cách thông dụng nhất đó là gán các thẻ RFID, mỗi thẻ mang một đặc điểm riêng cho mỗi người hoặc mỗi đồ vật. Một hệ thống RFID thường bao gồm các thành phần sau: Một thiết bị RFID thường là một thẻ Một đầu đọc thẻ với antenna và máy thu phát tín hiệu Một hệ thống chủ hoặc kết nối tới các hệ thống tự động khác Hình 1: Sơ đồ một hệ thống RFID1.2.1 Các loại thẻ RFID và nguyên lý hoạt độnga, Các loại thiết bị RFIDCác thiết bị thẻ RFID được chia làm hai loại, một loại có nguồn cung cấp (thường là pin) và loại không có nguồn cung cấp. Một thiết bị RFID chủ động truyền tín hiệu đến đầu đọc thường được coi như là một bộ phát đáp, các thiết bị RFID này thường được gọi là các thẻ chủ động. Còn các thiết bị RFID không có nguồn cung cấp thường được coi là các thẻ bị động. Các thẻ chủ động thường là các thiết bị có khả năng vừa đọc vừa ghi trong khi các thẻ bị động thường chỉ có chức năng đọc. Các thẻ RFID chủ động có kích thước lớn hơn và đắt hơn. Việc sử dụng pin làm giới hạn thời gian sử dụng của thiết bị tuy nhiên với công nghệ pin hiện thời thì tuổi thọ của chúng có thể kéo dài lên tới 10 năm. Hình 2: Thẻ RFID chủ động.Các thẻ RFID bị động có thời gian hoạt động không giới hạn, chúng nhẹ hơn, nhỏ hơn và rẻ hơn. Đổi lại các thiết bị này bị giới hạn khả năng lưu trữ thông tin, khoảng cách đọc cũng ngắn hơn và yêu cầu đầu đọc phải có công suất cao hơn. Khả năng làm việc của chúng bị ảnh hưởng trong môi trường có nhiễu từ tính. Hình 3: Thẻ RFID bị động.Ngoài ra còn có các loại thẻ bán chủ động, loại thẻ này dùng pin để cung cấp năng lượng cho các chip nhưng thiết bị giao tiếp bằng cách nhận năng lượng từ đầu đọc thẻ.Các loại thẻ RFID có nhiều kích cỡ và kiểu đóng gói. Ví dụ, thẻ RFID sử dụng trong việc theo dõi động vật hoang dã, loại thẻ này được tiêm dưới da của con vật và có kích thước xấp xỉ 10mm chiều dài và đường kính 1mm. Một vài loại thẻ được đóng gói trong các thẻ nhựa giống như thẻ tín dụng, thông thường là các loại thẻ dùng để cung cấp quyền truy cập. Một vài thiết bị RFID khác làm việc trong môi trường khắc nhiệt ví dụ như các loại sử dụng trong việc theo dõi vị trí của các container hàng hóa, loại này có kích thướng lên tới 120x100x50mm. Loại thiết bị RFID nhỏ nhất từng được thương mại hóa có kích thước 0.4x0.4mm mỏng hơn cả một tờ giấy.b, Dữ liệu trong thẻ RFIDCác thẻ RFID có thể chứa các loại dữ liệu khác nhau. Các loại dữ liệu này bao gồm dữ liệu chỉ đọc ROM, dữ liệu truy cập ngẫu nhiên RAM, dữ liệu ghi một lần đọc nhiều lần WORM.ROM thường được sử dụng để lưu trữ dữ liệu bảo mật. Mỗi một thiết bị RFID được gán một mã duy nhất để nhận dạng và cấp quyền truy cập vào hệ thống.RAM thì thường được sử dụng trong các thiết bị RFID phát đáp và phản hồi. Dữ liệu thường là các mã nhận dạng duy nhất và có thể bao gồm các thành phần: Một hệ điều hành (thường là hệ điều hành trên vi xử lý) Dữ liệu lưu trữ (loại thay đổi được hoặc không thay đổi được). Một mã điện tử nhận diện sản phẩm (EPC)c, Nguyên lý hoạt động của thẻ RFID Các thẻ bị động nhận năng lượng bằng cách cảm ứng năng lượng từ đầu đọc qua nguyên lý cảm ứng điện từ. Các thẻ này do đó sẽ phản hồi theo các câu hỏi từ đầu đọc. Nguyên lý hoạt động này yêu cầu hoạt động trong khoảng cách gần. Các thẻ chủ động thường liên lạc thông qua đường truyền vô tuyến và phản hồi các câu hỏi của đầu đọc bằng truyền lại các tín hiệu vô tuyến tới đầu đọc. Chúng hoạt động bằng năng lượng của pin. d, Dải tần hoạt độngViệc phân bổ tần số hoạt động của thẻ RFID thường khác nhau theo vùng và theo quốc gia bởi chính phủ tại đó. Xét trên toàn cầu thì có những sự khác nhau trong phân bổ tần số sử dụng trong RFID mặc dù công nghệ này được chuẩn hóa bởi ISO và các tổ chức tương tự. Ví dụ ở Châu Âu sử dụng tần số 868 MHz cho dải UHF và tại Hoa Kỳ là 915 MHz. Hiện tại thì rất ít tần số sử dụng cho RFID có thể hoạt động thống nhất trên toàn cầu.Thông thường thì các thẻ bị động hoạt động trên tần số thấp có khoảng cách đọc hiệu quả khoảng 30cm, trên dải tần số cao là xấp xỉ 1m và trên dải UHF là 3 đến 5m. Khi yêu cầu khoảng cách xa hơn như theo dõi container hoặc trong đường sắt thì các thẻ chủ động có thể tăng khoảng cách liên lạc lên tới 100m.Ba dải tần số thường được sử dụng trong RFID làDải tầnĐặc điểmỨng dụng100500KHzCó khoảng cách đọc từ gần đến trung bình , giá thành rẻ, tốc độ đọc thấpĐiều khiển cấp quyền truy cập, nhận dạng động vật, quản lý kho hàng, chìa khóa xe hơi10 – 15 MHzKhoảng cách đọc từ gần đến trung bình, giá thành rẻ, tốc độ đọc trung bìnhCấp quyền truy cập, xe hơi thông minh, quản lý thư viện.85–950 MHz2.4 – 5.8 GHzCó khoảng cách đọc xa, tốc độ đọc cao, yêu cầu hoạt động trong tầm nhìn thẳng, giá thành caoGiám sát phương tiện đường sắt, xe hơi, hệ thống thu phí, quản lý kho hàng, quản lý container, theo dõi phương tiện cá nhân.1.2.2 Các loại đầu đọc RFIDĐầu đọc RFID gồm một antenna để giao tiếp với các thẻ và một hệ thống mạch điện hoặc vi điều khiển được kết nối với máy tính điều khiển hoặc có thể hoạt động độc lập. Một đầu đọc thẻ có thể giao tiếp với hàng trăm thẻ cùng lúc. Hầu hết các hệ thống RFID gồm nhiều đầu đọc thẻ và được kết nối tới một máy tính trung tâm. Máy tính này xử lý dữ liệu mà đầu đọc gửi tới. Hình 4: Đầu đọc RFID sử dụng trong cửa thông minh.a, Đầu đọc RFID cố địnhĐầu đọc RFID cố định thường được lắp trên tường, trên cổng hoặc vị trí thích hợp để có thể quản lý được phạm vi đọc chẳng hạn thang máy. Bộ đọc cố định cần antenna bên ngoài để đọc thẻ. Chi phí cho bộ đọc loại này thường ít hơn bộ đọc bằng tay, và được sử dụng rất phổ biến. Hình 4: Đầu đọc thẻ cố định ở dải tần UHF sử dụng trong thu phí.b, Đầu đọc RF di độngBộ đọc loại này thường có antena tích hợp và kích thước nhỏ gọn, hoạt động nhờ pin và với khoảng cách gần. Bộ đọc loại này thường thấy trong các siêu thị, và trong các sự kiện để quản lý người ra vào.