Thiết kế và thi công thiết bị nhận dạng dùng sóng RF báo cáo nghiên cứu khoa học

1 PHẦN B NỘI DUNG CHƯƠNG 1: CHƯƠNG DẪN NHẬP. 1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ Khoa học kĩ thuật ngày càng phát triển và thay đổi từng ngày. Ngày càng có nhiều công nghệ mới ra đời thay thế cho công nghệ cũ. Những thành tựu của công nghệ mới này được ứng dụng vào đời sống hằng ngày và mang lại nhiều tiện ích cho con người. Công nghệ RFID (Radio Frequency Identification) là một điển hình. Ngày nay, trên thế giới Công nghệ RFID được ứ ng dụng rộng rãi trong lĩnh vực kinh doanh, an ninh, ngân hàng, y học,…tuy nhiên ở Việt Nam công nghệ này chưa được phổ biến nhiều. Là một nước đi sau, chúng ta có lợi thế áp dụng những công nghệ tiên tiến nhất để phát triển, như vậy chúng ta sẽ tiết kiệm được thời gian. Tình hình trên thế giới: Tại các nước phát triển như: Tại Mỹ: thẻ tín dụng, thẻ visa, nhà ga, tàu điên ngầm, sân bay… Tại Ấn Độ: thu phí cầu đường, quản lý bệnh nhân… Tại Trung Quốc: chứng minh thư RFID, hộ chiếu điện tử… Nhật bản: Kiểm soát trẻ em bằng công nghệ RFID… và rất nhiều quốc gia khác trên thế giới đã và đang sử dụng công nghệ RFID Tình hình trong nước: Tại Việt Nam hiên nay đã có nhiều ứng dụng công nghệ RFID được triển khai: Trạm thu phí tự động: Xa lộ Hà nộ i (gần Cầu Sài Gòn, TP.HCM), Chơn Thành - tỉnh Bình Phước, Định An - Đức Trọng - Lâm Đồng,… Hệ thống đỗ xe tự động: tại Hầm đậu xe tòa nhà The Manor HCM 2 Bãi giữ xe thông minh: tai các trung tâm thương mại, bệnh viện, siêu thị Thương xá TAX, Hùng vương PLAZA, siêu thị coop mark… Sổ khám bệnh điên tử: ứng dụng công nghệ RFID 1.2 LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI Khi đi tìm hiểu những ứng dụng thực tế của công nghệ RFID và hiệu quả thiết thực mà nó đem lại ta có thể khăng định rằng đây là một công nghệ tiên tiến có rất nhiều tiềm năng ứ ng dụng. Lý do Công nghệ RFID chưa được triển khai rộng rãi ở Việt Nam là do chi phí đầu tư cho một hệ thống RFID còn cao và do chưa khai thác được nhiều ứng dụng của công nghệ này. Nhận định được những điều đó và thấy được tiềm năng ứng dụng của công nghệ tiên tiến này em đã chọn đề tài: “ THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG THIẾT BỊ NHẬN DẠNG DÙNG SÓNG RF ” ứng dụng công ngh ệ RFID (Radio Frequency Identification - công nghệ nhận dạng đối tượng bằng sóng radio) Với mục đích góp phần nhỏ vào việc giới thiệu về công nghệ RFID tới mọi người và thiết kế một mô hình ứng dụng thưc tế của công nghệ RFID. 1.3 NỘI DUNG ĐỀ TÀI • Nghiên cứu công nghệ RFID. • Nghiên cứu Tag RFID (transponder - thẻ). • Nghiên cứu reader (bộ đọc) • Thiết kế mô hình giao tiếp vi điề u khiển với máy tính điều khiển cửa tự động • Thiết kế giao diện phần mềm quản lý. • Khi nhận được tín hiệu từ reader thì hiển thị dữ liệu của thẻ và thông tin được lưu trong cơ sở dữ liệu 1.4 MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU • Rèn luyện một số kỹ năng nghiên cứu, đọc, hiểu tài liệu, làm việc độc lập 3 • Ứng dụng những kiến thức đã học để nghiên cứu công nghệ tiên tiến trên thế giới để áp dụng trong hoàn cảnh thực tế. • Tìm hiểu công nghệ RFID và các ứng dụng của RFID. • Tìm hiểu cách thiết kế và thi công mạch đọc và hiển thị dữ liệu từ tag RFID. • Nghiên cứu về quá trình giao tiếp giữa máy tính và vi điều khiển. • Thiết kế giao diện phần mề m điều khiển quản lý 1.5 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU • Sử dụng những kiến thức cơ bản đã học về điện tử cơ bản, kỹ thuật số, vi xử lý.… • Tham khảo các tài liệu ở thư viện, Internet. • Tham khảo ý kiến từ thầy cô, bạn bè. • Ứng dụng các phần mềm điện tử: Orcad, PIC CCS-C, Proteus, Visual C#, SQL Database… 1.6 K Ế HOẠCH NGHIÊN CỨU Tuần 1: Xác định tên đề tài, đăng ký đề tài với khoa Tuần 2-4: Thu thập tài liệu, soạn đề cương nghiên cứu. Tuần 5-7: Đọc, xử lý tài liệu và tham khảo một số mạch RFID có sẵn. Tuần 8- 10: Thiết kế mạch giao tiếp máy tính và vi điều khiển Tuần 11-13: Thi công phần cứng mô hình cửa tự động Tuần 14- 16: Viết giao diện ph ần mềm quản lý giao tiếp máy tính. Tuần 17-18: Chạy thử và hoàn thiện chương trình. Tuần 19: Hoàn tất bài thuyết trình và in thử cuốn báo cáo Tuần 20: Hoàn tất các phần và nộp đề tài. 4 CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ RFID 2.1 LỊCH SỬ CÔNG NGHỆ RFID RFID là một công nghệ mới trong việc nhận dạng các đối tượng, tương tự như mã vạch nhưng nó có nhiều ưu điểm và hiệu quả hơn. Hệ thống RFID lần đầu tiên được sừ dụng vào năm 1940 do quân đội sử dụng để phân biệt máy bay của mình và máy bay của địch. Các thẻ RFID được đặ t trên máy bay của đồng minh và những thẻ đó sẽ gửi thông tin nhận dạng của máy bay hàm ý là “ quâ n mình” khi được truy vấn bởi tín hiệu radar. Hệ thống đó được gọi là IFF (Identify: Friend or Foe). Sau đó vòng xoay của sự phát triển RFID đã được lặp lại. Năm 1950 là 1 thời đại của việc khảo sát của kĩ thuật RFID theo sự phát triển trong sóng radio và radar vào năm 1930 và 1940. Năm 1960 mở đầu cho việc khảo sát RFID của những năm 1970. Các hoạt động thương mại đang diễn ra vào những năm 1960 và các công nghệ cảm biến và các điểm kiểm tra (checkpoint) đã được tìm ra vào cuối những năm 1960. Các công ty đó đã phát triển kỹ thuật sử dụng thiết bị giám sát sản phẩm điện tử (EAS) để chống lại việc trộm cắp. EAS được người ta cho rằng là sẽ được sử dụng rộng rãi trong thương mại và RFID cũng được phát triển. Đ ến những năm 1980 thì đó là những năm RFID được triển khai 1 cách rộng rãi và được phát triển dưới nhiều dạng khác nhau đặc biệt là ở Mỹ và được sử dụng cho việc vận chuyển, kiểm tra nhân sự và với phạm vi nhỏ hơn là cho việc giám sát động vật. Còn ở châu âu sự quan tâm lớn nhất cho các hệ thống giám sát động vật ở khoàng cách ngắn, trong công nghiệp và trong các ứng dụng liên quan và nó cũng được phát tri ển rộng rãi ở Ý, Pháp, Tây Ban Nha, Thổ Nhĩ Kỳ, và Nauy v.v . Đ ến những năm 1990 là một thập niên quan trọng cho RFID một khi nó là trọng tâm của sự triển khai các hệ thống tính cước điện tử ở Mỹ. Hệ thống tính cước điện tử trên đường cao tốc được hình thành đầu tiên trên thế giới vào năm 1991 tại Oklahoma, nơi đó xe cộ có thể đi qua điểm tính cước điện tử để nộp phí con đường mình đi mà không bị c ản trở bởi các trạm tính cước hoặc và cả các camera theo dõi để cưỡng chế. Tập hợp các hệ thống tính cước và quản lí giao thông đầu tiên trên thế 5 giới được thiết lập gần vùng Houston vào năm 1992. Sự quan tâm đến RFID cho các ứng dụng ở châu âu trong suốt những năm 1990. Cả công nghệ viba và cảm ứng đều được tìm ra và được sử dụng cho việc tính cước, điều khiển truy nhập và sự đa dạng hóa các ứng dụng trong thương mại. Bảng 2.1 Tóm tắt quá trình phát triển của RFID 2.2 CÁC ĐẶC ĐIỂM CỦA HỆ THỐNG RFID Các hệ thống RFID có thể được phân biệt với nhau theo ba cách khác nhau dựa trên các thuộc tính đặc trưng dưới đây: • Tần số hoạt động • Phạm vi đọc • Phương pháp ghép nối vật lý 2.2.1 Tần số hoạt động Tần số hoạt động là thuộ c tính quan trọng nhất của một hệ thống RFID. Đó là tần số mà tại đó, reader sẽ truyền đi các tín hiệu của nó. Nó gắn kết chặt chẽ với một thuộc tính điển hình, đó là đọc từ một khoảng cách xa. Trong hầu hết 6 các trường hợp, tần số của một hệ thống RFID được quyết định bởi khoảng cách cần thiết để việc thực hiện đọc thành công. 2.2.2 Phạm vi đọc Phạm vi đọc của một hệ thống RFID được xác định là khoảng cách giữa thẻ và reader. Từ đây ta thấy một hệ thống RFID có thể được phân chia thành ba kiểu dưới đây: • Trự c tiếp: Đó là các hệ thống có phạm vi đọc thấp hơn 1 cm. Một vài hệ thống LF và HF RFID thuộc về nhóm này. • Tầm gần: Đó là các hệ thống có phạm vi đọc từ 1 cm tới 100 cm. Đa phần các hệ thống RFID hoạt động tại các dải tần LF và HF thuộc về nhóm này. • Tầm xa: Đó là các hệ thống có phạm vi đọc lớn hơn 100 cm. Các hệ thống RFID đang hoạt động trong dả i tần UHF và phạm vi tần số vi ba thuộc về nhóm này. 2.2.3 Phương pháp ghép nối vật lý Việc ghép nối vật lý mà ta đề cập tới ở đây là nói tới phương pháp sử dụng để ghép nối giữa thẻ và anten (tức là, đó là một cơ chế mà theo đó năng lượng được dịch chuyển từ thẻ tới anten). Dựa trên tiêu chí này, có ba kiểu hệ thống RFID khác nhau dưới đây: • Từ trườ ng: Đó là các kiểu hệ thống RFID được biết tới như là các hệ thống được ghép nối theo kiểu điện kháng. Một vài hệ thống RFID LF và HF là thuộc về nhóm này. • Điện trường: Đó là các kiểu hệ thống RFID được biết tới như là các hệ thống được ghép nối theo kiểu điện dung. Nhóm này cũng chủ yếu bao gồm các hệ thống RFID LF và HF. 7 • Điện từ trường: Phần lớn các hệ thống RFID thuộc lớp này cũng được gọi là các hệ thống backscatter. Các hệ thống RFID hoạt động trong phạm vi dải tần số UHF và vi ba thuộc về nhóm này. 2.3 CÁC THÀNH PHẦN CỦA HỆ THỐNG RFID Một hệ thống RFID là một tập hợp các thành phần nhằm thực hiện một giải pháp RFID. Nói chung một hệ thống RFID bao gồm các thành ph ần dưới đây: • Thẻ: Đây là một thành phần bắt buộc của bất cứ hệ thống RFID nào • Thiết bị đọc thẻ: Đây cũng là một thành phần bắt buộc • Anten của thiết bị đọc thẻ: Đây là cũng là một thành phần bắt buộc phải có. Ngày nay một số reader đã được tích hợp anten lên trên nó, vì vậy kích thước của nó đã giảm đi rất nhiều. • Khối điều khiển: Đây là một thành phần quan trọng. Tuy nhiên hầu hết các reader thế hệ mới đều đã tích hợp thành phần này lên trên chúng. • Các cảm biến, bộ truyền động, bộ báo hiệu: Đây là các thành phần tùy chọn, được sử dụng ở đầu vào và đầu ra hệ thống RFID. • Máy chủ và hệ thống phần mềm: Về mặt lý thuyết, mộ t hệ thống RFID có thể hoạt động một cách độc lập mà không cần tới thành phần này.Tuy nhiên trong thực tế, nếu không có thành phần này thì hệ thống RFID gần như vô giá trị. • Cơ sở hạ tầng truyền thông: Thành phần quan trọng này là một tập hợp bao gồm cả mạng có dây và không dây và cơ sở hạ tầng kết nối nối tiếp, để có thể kết nối các thành phần đ ã liệt kê phía trên với nhau. Dưới đây là sơ đồ của một hệ thống RFID: 8 Hình 2.1: Sơ đồ khối của một hệ thống RFID 2.4 PHƯƠNG THỨC LÀM VIỆC CỦA RFID Một hệ thống RFID có ba thành phần cơ bản: tag, đầu đọc, và một máy chủ. Tag RFID gồm chip bán dẫn nhỏ và anten được thu nhỏ trong một số hình thức đóng gói. Vài tag RFID giống như những nhãn giấy và được ứng dụng để bỏ vào hộp và đóng gói. Một số khác được dán vào các vách của các thùng chứa làm bằng plastic. Còn một số khác được xây dựng thành miếng da bao cổ tay. Mỗi tag được lập trình với một nhận dạng duy nhất cho phép theo dõi không dây đối tượng hoặc con người đang gắn tag đó. Bởi vì các chip được sử dụng trong tag RFID có thể giữ một số lượng lớn dữ liệu, chúng có thể chứa thông tin nh ư chuỗi số, thời dấu, hướng dẫn cấu hình, dữ liệu siêu cao tần (UHF) ho ặc sóng cực ngắn (viba). Các hệ thống trong siêu thị ngày nay hoạt động ở băng thông UHF, trong khi các hệ thống RFID cũ sử dụng băng thông LF và HF. Băng thông viba đang đư ợc để dành cho các ứng dụng trong tương lai. Các tag có thể được cấp nguồn bởi một bộ pin thu nhỏ trong tag (các tag tích cực) hoặc bởi reader mà nó “wake up” (đánh thức) tag để yêu cầu trả lời khi tag đang trong phạm vi (tag thụ động). 9 Hình 2.2 Hoạt động giữa tag và reader RFID Tag tích cực đọc xa 100 feet tính từ reader và có thể là tag RW (với bộ nhớ được viết lên và xóa như một ổ cứng máy tính) hoặc là tag RO. Tag thụ động có thể được đọc xa reader 20 feet và có bộ nhớ RO. Kích thước tag, giá cả, dải đọc, độ chính xác đọc/ghi, tốc độ dữ liệu và chức năng hệ thống thay đổi theo đặc điểm nêu ra trong thiết kế và dải t ần hệ thống FRID sử dụng. Reader gồm một anten liên lạc với tag và một đơn vị đo điện tử học đã được nối mạng với máy chủ. Đơn vị đo tiếp sóng giữa máy chủ và tất cả các tag trong phạm vi đọc của anten, cho phép một đầu đọc liên lạc đồng thời với hàng trăm tag. Nó cũng thực thi các chức n ăng bảo mật như mã hóa/ giải mã và xác thực người dùng. Reader có thể phát hiện tag ngay cả khi không nhìn thấy chúng. Hầu hết các mạng RFID gồm nhiều tag và nhiều đầu đọc được nối mạng với nhau bởi một máy tính trung tâm, hầu như thường là một trạm làm việc gọn để bàn. Máy chủ xử lý dữ liệu mà các reader thu thập từ các tag và dịch nó giữa mạng RFID và các hệ thống công nghệ thông tin lớn hơn, mà nơi đó quản lý dây chuyền hoặc c ơ sở dữ liệu quản lý có thể thực thi. Middleware là phần mềm nối hệ thống RFID với một hệ thống IT quản lý luồng dữ liệu. 10 2.5 Các tiêu chuẩn công nghệ Nhiều tiêu chuẩn công nghệ RFID đã được đề xuất từ nhiều tổ chức khác nhau trên thế giới. Để mô tả đầy đủ về các tiêu chuẩn đó, có lẽ phải cần đến cả một cuốn sách về nó. Nên ở đây ta chỉ đề cập sơ qua về một số tiêu chuẩn đang sử dụng ngày nay và được đa số các công ty sả n xuất các thiết bị RFID tuân thủ theo. Dưới đây là tên các tiêu chuẩn chính cùng tên các các tổ chức định nghĩa nó đi kèm theo: • ANSI (American National Standards Institute) • AIAG (Automotive Industry Action Group) • EAN.UCC (European Article Numbering Association International, Uniform Code Council) • EPCglobal • ISO (International Organization for Standardization) • ETSI (European Telecommunications Standards Institute) • ERO (European Radiocommunications Office) • UPU (Universal Postal Union) • ASTM (American Society for Testing and Materials). • CEN (Comité Européen Normalisation (European Comite for Standardization ) Bây giờ ta sẽ tìm hiểu sơ qua về hai tiêu chuẩn ANSI và EPCglobal để có cái nhìn tổng quan về chúng. 2.5.1 Tiêu chuẩn ANSI ANSI là một tổ chức tư nhân phi lợi nhuận, thường chủ động đề ra các tiêu chuẩn và các hệ thống đánh giá chuẩn của Hoa Kỳ. Nhiệm vụ của viện là nâng cao khả năng cạnh tranh toàn cầu của Hoa Kỳ trong kinh doanh cũng như chất . “ THI T KẾ VÀ THI CÔNG THI T BỊ NHẬN DẠNG DÙNG SÓNG RF ” ứng dụng công ngh ệ RFID (Radio Frequency Identification - công nghệ nhận dạng đối tượng bằng sóng. • Tìm hiểu công nghệ RFID và các ứng dụng của RFID. • Tìm hiểu cách thi t kế và thi công mạch đọc và hiển thị dữ liệu từ tag RFID. • Nghiên cứu về quá