Nghiên cứu thiết kế và mô phỏng anten rfid

Đại học quốc gia Hà Nội trờng đại học công nghệ Nguyễn Thế Anh Nghiên cứu, thiết kế Và mô anten rfid Luận văn thạc sĩ Hà Nội - 2007 Đại học quốc gia Hà Nội trờng đại học công nghệ Nguyễn Thế Anh Nghiên cứu, thiết kế Và mô anten rfid Ngành: Kỹ thuật Điện Tử Viễn Thông Chuyên ngành: Kỹ thuật vô tuyến điện tử thông tin liên lạc MÃ số: 2.07.00 Luận văn thạc sĩ Ngời hớng dẫn khoa học: TS TRầN MINH TUấN Hà Nội - 2007 -1- Mở ĐầU Trong nhng năm gần đây, hệ thống nhận dạng tự động (Auto Identification) ngày phát triển mạnh mẽ ứng dụng nhiều lĩnh vực Nhưng phát triển mạnh cơng nghệ nhận dạng tự động sử dụng tần số sóng radio, cơng nghệ RFID (Radio Frequency Identification) Cùng với phát triển công nghệ sản xuất chip công nghệ không dây, hệ thống RFID ngày phát triển hoàn thiện mặt Việc nghiên cứu công nghệ bước đầu để tìm hiểu tiến đến làm chủ cơng nghệ, từ triển khai ứng dụng thực tế Việt Nam Nội dung khoá luận tập trung nghiên cứu lý thuyết anten thử nghiệm thiết kế anten cho hệ thống RFID thụ động Trên sở luận văn chia thành bốn chương: Chương 1: Hệ thống RFID nguyên lý Chương 2: Thiết kế anten cho thẻ RFID Chương 3: Mô thiết kế anten máy tính Chương 4: Kết luận hướng nghiên cứu tip -2- CHƯƠNG Hệ THốNG RFID Và CáC NGUYÊN Lý CƠ Bản 1.1 H thng RFID 1.1.1 H thng nhận dạng tự động (Auto Identification-Auto ID): Trong vài năm gần đây, hệ thống nhận dạng tự động ngày phát triển trở nên phổ biến ngành công nghiệp dịch vụ, mua sắm, phân phối, quản lý sử dụng nhiều quan, nhà máy, bệnh viện tổ chức khác Chúng cung cấp cho thông tin người, hàng hoá, động vật việc di chuyển Ví dụ: mã vạch, thẻ từ, …và hệ thống RFID Mã vạch Quang học Thẻ thông minh Hệ thống nhận dạng tự động Vân tay Sinh học Giọn g nói RFID Hình 1-1: Mơ hình hệ thống nhận dạng tự động -3- a) Hệ thống nhận dạng mã vạch (Barcode): Hệ thống nhận dạng tự động mã vạch đạt nhiều thành công ứng dụng, phát triển mạnh mẽ Mã vạch hệ thống mã nhị phân tạo nên vạch khoảng trống xắp xếp song song với Chúng xắp xếp theo quy ước định trước, phần mã vạch đại diện cho liệu cần mã hóa Mã vạch đọc đầu đọc laser thông qua phản xạ khác dòng laser vạch đen khoảng trống màu trắng b) Hệ thống nhận dạng sinh học: Hệ thống nhận dạng sinh học thường dùng để nhận dạng sinh vật sống nhận dạng người chủ yếu Trong hệ thống nhận dạng tự động, nhận dạng sinh học có độ xác cao qua việc so sánh đặc điểm riêng người Trong thực tế, có nhiều hệ thống nhận dạng sinh học như: nhận dạng vân tay, nhận dạng giọng nói nhận dạng võng mạc c) Hệ thống nhận dạng thẻ thông minh(smart card): Thẻ thông minh thiết bị lưu trữ liệu điện tử, có loại có thêm chip để xử lý thông tin Chúng thường thiết kế thẻ nhựa có kích thước thẻ điện thoại Để hoạt động, thẻ thông minh phải đưa vào đầu đọc thẻ, thẻ kết nối với đầu đọc thông qua tiếp xúc điện Thẻ cung cấp lượng xung đồng đầu đọc thông qua tiếp xúc điện Dữ liệu truyền đầu đọc thẻ truyền theo dạng nối tiếp hai chiều Qua đặc điểm hệ thống nhận dạng tự động trên, thấy hầu hết hệ thống nhận dạng tự động yêu cầu kết nối vật lý tiếp xúc với khoảng cách gần Điều gây nhiều bất tiện cho người sử dụng sử dụng quản lý Với hệ thống RIFD, việc kết nối không dây thiết bị mang thông tin thiết bị đọc đem lại nhiều ứng dụng tiện lợi Trong thực tế, cịn truyền lượng từ đầu đọc cho thiết bị di động thông qua việc sử dụng công nghệ không dây -4- Bảng 1.1 So sánh cơng nghệ nhận dạng tự động (Auto-ID) Barcode Thẻ thơng RFID thụ động RFID tích cực Có thể thay đổi Có thể thay đổi Từ mức tối thiểu tới Ở mức cao minh Thay đổi Không thể Có thể thay liệu thay đổi đổi An tồn Ở mức tối Ở mức cao liệu thiểu Dữ liệu – 30 ký tự truyền tải đến 7,200 số Chi phí Thấp Tiêu chuẩn mức cao Lến tới 8MB Lên tới 64kB Lến tới 8MB Cao (hơn Trung bình (ít Rất cao (10$ - 1$/thẻ) 25 cent/SP) 100$/thẻ) Ổn định Độc quyền; Phát triển theo Độc quyền quy khơng có tiêu quy chuẩn phát triển theo ước chuẩn quy chuẩn mở Tuổi thọ Ngắn Dài Không giới hạn – năm (pin) Khoảng Tầm nhìn Tiếp xúc trực Lên tới 1524cm Lên tới 100m cách đọc thẳng (90 – tiếp (Không tiếp xúc) Môi trường, địa Hầu khơng hình ảnh hưởng tới tín hiệu quảng việc truyền sóng bá phát RF mạnh 180cm) Nhiễu tiềm ẩn Bụi vật Tiếp xúc mòn, cản thẻ đầu đọc bẩn -5- Hình 1-2: Sơ đồ khối hệ thống RFID ứng dụng hoàn chỉnh 1.1.2 Khái niệm hệ thống RFID Hệ thống nhận dạng tự động RFID tương tự hệ thống nhận dạng thẻ thơng minh Nó thiết bị lưu trữ liệu thuật tiện, mang theo được, thẻ RFID Tuy nhiên, điểm khác biệt hệ thống RFID lượng cung cấp cho thẻ việc truyền liệu đầu đọc thẻ thông qua kết nối vật lý hay quang học mà thông qua điện trường đầu đọc phát Hệ thống RFID lấy lượng từ trường điện từ -6- sóng radio, nhận dạng dựa vào tần số sóng radio mang thơng tin Do đặc tính ưu việt công nghệ hệ thống RFID so với hệ thống nhận dạng tự động khác, hệ thống RFID ngày ứng dụng nhiều lĩnh vực ngày phát triển Hình cho thấy thành phần hệ thống RFID hoàn chỉnh [3], ứng dụng cửa hàng bán lẻ lớn Phía góc bên trái hình tập hợp thẻ RFID minh hoạ chế nhận dạng chúng Reader đặt bên dây chuyền đầu Các reader đọc thẻ hàng trăm tới hàng ngàn lần phút Reader phải cấu hình quản lý cho phủ sóng hết vùng mù, nơi mà khó nhận biết thẻ RFID middleware phần mềm xử lý tất trình Edge applications ứng dụng doanh nghiệp Dịch vụ thơng tin RFID trình bày chế lưu giữ kiện RFID liệu liên quan 1.1.3 Cấu trúc hệ thống RFID Cấu trúc hệ thống RFID chủ yếu bao gồm reader thẻ (hay gọi label chip) Reader truy vấn thẻ, lấy thông tin, sau xử lý theo thơng tin vừa nhận Có thể đơn giản hiển thị số thiết bị cầm tay, chuyển thơng tin tới hệ thống POS , sở liệu quản lý kho, chuyển tiếp tới hệ thống tốn -7- 1.1.3.1 Tag/ Thẻ Thẻ sử dụng hệ thống RFID có chức thu phát (transponder) [13], thiết kế để vừa có khả thu tín hiệu vơ tuyến vừa có khả tự động phát trả lời Kiểu hoạt động đơn giản nhất, thẻ lắng nghe tín hiệu vơ tuyến, gửi tín hiệu để trả lời (LBT – Listen before talk) Các hệ thống phức tạp phát ký tự đơn hay số, gửi dãy ký tự dãy số Và hệ thống tân tiến hơn, cịn cho phép tính tốn, xác nhận mã hố đường truyền để bảo mật thông tin Cấu tạo thẻ RFID thường bao gồm: Mạch giải mã, nhớ, nguồn cung cấp, điều khiển giao tiếp anten Thẻ có ba loại: tích cực, thụ động bán thụ động Thẻ RFID thụ động thân khơng có pin hay nguồn cung cấp nó; đó, phải lấy nguồn cung cấp từ tín hiệu reader Thẻ mạch cộng hưởng có khả hấp thụ nguồn cung cấp phát từ anten reader Để nhận lượng từ reader, cần phải sử dụng tính chất trường điện từ gọi trường gần Tức thẻ phải khoảng cách tương đối gần so với reader để nhận lượng từ reader Năng lượng trường gần đảm bảo cung cấp đủ lượng cho thẻ cho gửi đáp ứng cho reader Ngược với thẻ thụ động thẻ tích cực Thẻ tích cực thân có nguồn cung cấp bên trong, pin Vì có lượng để cung cấp cho mạch điện tử nó, nên phát thu độc lập mà khơng cần nguồn cung cấp từ trường gần anten reader Và khơng phụ thuộc vào nguồn cung cấp từ reader, nên chúng không bị giới hạn hoạt động phạm vi trường gần Nó tương tác với reader khoảng cách xa Một lý khiến thẻ tích cực ứng dụng rộng rãi tồn giới cịn chưa có tiêu chuẩn tồn cầu hồn thiện dành cho Thẻ bán thụ động có pin để cung cấp lượng phụ thuộc vào trường gần để cấp nguồn cho mạch vô tuyến hoạt động trình phát nhận liệu -8- Một thẻ bao gồm hai thành phần bên trong: ASIC hay microchip anten Microchip chip vi xử lý nhỏ lưu giữ dãy số nhận dạng cho chip Microchip cịn có khả xử lý tình thẻ giao tiếp với reader Anten cấp lượng thu cho microchip microchip trao đổi liệu với reader Thẻ chia thành lớp hệ: Lớp 0, Lớp Thế hệ (Gen 1), Thế hệ (Gen 2) (Nhằm phân biệt so với thẻ công nghệ nhận dạng khác, phân loại thẻ theo tuỳ chọn riêng chúng) • Thẻ lớp 0: Là loại thẻ chỉ-đọc, tức liệu thẻ ghi nhà sản xuất thay đổi • Thẻ lớp 1: Thẻ ghi/đọc, ghi thơng tin lên chúng theo mục đích ứng dụng cụ thể đọc liệu vô hạn định Viết lần, đọc nhiều lần (WORM) Về nguyên lý, kích thước thẻ lớn thẻ có đối tượng nhận dạng có kích thước phù hợp để gắn vào Nhưng kích thước thẻ nhỏ khoảng đọc lại ngắn 1.1.3.2 Đầu đọc (Reader) Thành phần thứ hai hệ thống RFID reader Gọi “reader” thực không mặt thuật ngữ, reader thực thu phát (transceiver) Nhưng, vai trị chủ yếu reader truy vấn thẻ nhận thông tin từ thẻ, nên chức chủ yếu “đọc thẻ”; đó, gọi “reader” Reader có tích hợp anten bên anten rời Cịn có thành phần khác reader giao diện hệ thống cổng nối tiếp RS-232 hay Ethernet, mạch mã hoá giải mã, nguồn cung cấp, mạch điều khiển giao tiếp Anten reader có kích thước đa dạng, từ vài cm hàng chục, hàng trăm cm Mỗi reader có nhiều anten tuỳ thuộc vào ứng dụng cụ thể - 85 - for (tol=0; tol= SNRmin && p l ) // { // printf( "Wire diameter too large.\n" ); // goto operror; // } // L = helsol( 0.5*d, l, a, N ); // } goto done; /* Ref: CRC handbook; Snow 1952 */ circloop: printf( "Circular loop.\n" ); getnum( "Please enter diameter of wire or bundle of wires", &dbundle, ); if( INCHES ) a = 2.54 * dbundle; else a = dbundle; p = d/a; /* For "natural" current distribution b = -1 * For uniform current distribution b = (Litz wire) */ b = -1.0; if( N 0.0 ) N = b; c = floor( c/d ); if( c > 0.0 ) N *= c; printf( "%.0lf turns will fit in this space.\n", N ); return 0; } ... trung nghiên cứu lý thuyết anten thử nghiệm thiết kế anten cho hệ thống RFID thụ động Trên sở luận văn chia thành bốn chương: Chương 1: Hệ thống RFID nguyên lý Chương 2: Thiết kế anten cho thẻ RFID. .. gắn lên đế điện môi, tạo nên kết cấu tương tự mảng mạch in, anten gọi anten mạch in),… 1.2.2 Chất liệu cho anten RFID [15] Một yếu tố vô quan trọng thiết kế anten RFID nói riêng anten mạch dải... kế anten cho thẻ RFID Chương 3: Mô thiết kế anten máy tính Chương 4: Kết luận hướng nghiên cứu tiếp -2- CHƯƠNG Hệ THốNG RFID Và CáC NGUYÊN Lý CƠ Bản 1.1 H thng RFID 1.1.1 H thng nhn dạng tự động