Hệ thống nhận dạng tự động RFID cũng tương tự như hệ thống nhận dạng bằng thẻ thông minh trên. Nó cũng là thiết bị lưu trữ dữ liệu rất thuật tiện, có thể mang theo được, đó chính là thẻ RFID. Tuy nhiên, điểm khác biệt của hệ thống RFID đó chính là năng lượng cung cấp cho thẻ và việc truyền dữ liệu giữa đầu đọc và thẻ không phải thông qua các kết nối vật lý hay quang học mà thông qua điện trường do đầu đọc phát ra.
Hệ thống RFID lấy năng lượng từ trường điện từ của sóng radio, và nhận dạng dựa vào tần số sóng radio mang thông tin đó. Do những đặc tính ưu việt của công nghệ của hệ thống RFID so với các hệ thống nhận dạng tự động khác, hệ thống RFID ngày nay được ứng dụng trong rất nhiều các lĩnh vực và ngày càng phát triển.
2.1.3 Cấu trúc cơ bản của hệ thống RFID.
Hình 17 : Cấu trúc cơ bản của hệ thống RFID
Cấu trúc hệ thống RFID chủ yếu bao gồm một đầu đọc (reader), một thẻ (tag) và phần mềm xử lý trung gian. Đầu đọc sẽ truy vấn thẻ, lấy thông tin, và sau đó xử lý theo thông tin vừa nhận được đó.
2.1.3.1 Tag / thẻ
Thẻ được sử dụng trong hệ thống RFID có chức năng như một bộ thu phát (transponder), được thiết kế để có thể vừa có khả năng thu tín hiệu vô tuyến vừa có khả năng tự động phát đi trả lời.
Cấu tạo một thẻ RFID thường bao gồm các thành phần sau: - Mạch giải mã
- Bộ nhớ
- Nguồn cung cấp - Điều khiển giao tiếp - Anten
Thẻ có ba loại: tích cực, bán thụ động và thụ động.
Thẻ RFID thụ động bản thân không có pin hay nguồn cung cấp trong nó; do đó, nó phải lấy nguồn cung cấp từ tín hiệu của đầu đọc. Thẻ là một mạch cộng hưởng có khả năng hấp thụ nguồn cung cấp phát ra từ anten của đầu đọc. Để nhận năng lượng từ đầu đọc, cần phải sử dụng một tính chất của trường điện từ gọi là trường gần. Tức là thẻ phải ở khoảng cách tương đối gần so với đầu đọc để có thể nhận được năng lượng từ đầu đọc.
Ngược với thẻ thụ động là thẻ tích cực. Thẻ tích cực bản thân đã có nguồn cung cấp bên trong, pin. Vì có năng lượng để cung cấp cho chính mạch điện tử của nó, nên nó có thể phát và thu độc lập mà không cần nguồn cung cấp từ trường gần của anten đầu
đọc. Và cũng bởi vì nó không phụ thuộc vào nguồn cung cấp từ reader, nên chúng cũng không bị giới hạn hoạt động trong phạm vi trường gần. Nó có thể tương tác với reader ở khoảng cách xa hơn.
Thẻ bán thụ động cũng có pin để cung cấp năng lượng nhưng vẫn phụ thuộc vào trường gần để cấp nguồn cho mạch vô tuyến hoạt động trong quá trình phát và nhận dữ liệu.
2.1.3.2 Đầu đọc (Reader)
Thành phần thứ hai trong hệ thống RFID cơ bản đó là đầu đọc. Nó thực sự là một bộ thu phát (transceiver) nhưng bởi vì chức năng chủ yếu của nó là “đọc thẻ”. Vì vậy nó được gọi là “đầu đọc”. Đầu đọc có thể có tích hợp anten bên trong hoặc anten rời. Còn có các thành phần khác trong đầu đọc như là các giao diện hệ thống như cổng nối tiếp RS-232 hay Ethernet, các mạch mã hoá và giải mã, nguồn cung cấp, và các mạch điều khiển giao tiếp.
Anten đầu đọc có kích thước rất đa dạng từ vài cm cho tới hàng chục, trăm cm. Mỗi reader có thể có nhiều hơn một anten tuỳ thuộc vào từng ứng dụng cụ thể.
2.1.3.3 Middleware
Phần mềm Middleware sẽ quản lý đầu và dữ liệu đến từ thẻ, chuyển nó tới hệ thống cơ sở dữ liệu tập trung. Middleware được bố trí ở giữa đầu đọc và cơ sở dữ liệu. Ngoài việc lấy dữ liệu từ thẻ và đưa dữ liệu vào cơ sở dữ liệu, middleware còn thực hiện các chức năng như lọc, quản lý và phối hợp đầu đọc. Khi các hệ thống RFID phát triển lên, middleware sẽ được bổ sung thêm các chức năng quản lý nâng cao và cải tiến cho cả đầu đọc và thẻ, chưa kể đến các tuỳ chọn quản lý dữ liệu mở rộng.
2.1.4 Phân loại hệ thống RFID
Hệ thống RFID có thể được phân loại dựa theo tần số hoạt động, khoảng đọc, nguồn cung cấp cho thẻ, và giao thức truyền dữ liệu giữa thẻ và đầu đọc…Nhưng từ quan điểm thiết kế anten, hệ thống RFID có thể được phân loại thành RFID trường gần và RFID trường xa. Còn về phưong pháp cấp nguồn cho thẻ thì có thể phân loại hệ thống RFID thành hệ thống RFID thụ động, tích cực và bán tích cực.
RFID trường gần và trường xa: Có hai phương pháp để truyền công suất từ đầu
đọc tới thẻ, đó là ghép dung/cảm ứng và thu/phát sóng điện từ (EM). Cả hai phương pháp này đều khai thác các tính chất của điện từ trường đối với một anten RF - Trường khu gần và trường khu xa.
2.1.4.1 RFID trường gần
Trường gần là một hiện tượng xảy ra trong truyền sóng vô tuyến, trong đó cường độ trường của trường điện từ đủ lớn để cảm ứng tạo ra một điện trường trên cuộn dây anten của thẻ. Độ lớn của trường gần phụ thuộc vào bước sóng của tín hiệu vô tuyến được sử dụng (r = λ/2π).
Trong các hệ thống RFID trường gần, công suất cũng như thông tin cần truyền từ đầu đọc tới thẻ đều có thể thực hiện được bằng cách ghép cảm ứng qua tương tác với từ trường, hoặc ghép dung ứng qua tương tác với điện trường. Hệ thống RFID trường gần là phương pháp đơn giản nhất để thực hiện một hệ thống RFID thụ động.
Hạn chế chủ yếu của hệ thống RFID trường gần đó là giới hạn về khoảng đọc. Đối với các hệ thống RFID ghép cảm ứng, năng lượng cảm ứng là một hàm của khoảng cách từ cuộn anten. Từ trường giảm đi với tốc độ 1/r3, trong đó r là khoảng cách giữa đầu đọc và thẻ. Khoảng đọc của một hệ thống RFID trường gần như vậy thường ngắn hơn 1.5m. Còn một sự hạn chế khác liên quan đến hướng của từ trường. Cùng với tầm nhìn của anten đầu đọc, cường độ trường của thành phần từ trường trực giao với mặt phẳng anten đầu đọc thì rất mạnh, trái lại thành phần cường độ trường song song với mặt phẳng anten đầu đọc thì lại rất yếu hoặc thậm chí bằng không. Do đó, nếu thẻ được đặt song song với từ trường của anten đầu đọc, đầu đọc sẽ không thể nhận biết được thẻ bởi vì không có từ thông chảy qua thẻ.
2.1.4.2 RFID trường xa
Trong các hệ thống RFID trường xa, công suất cũng như thông tin truyền từ đầu đọc tới thẻ đều được thực hiện bằng cách phát và thu sóng EM. Đầu đọc sẽ phát ra năng lượng qua anten, một phần năng lượng đã phát sau đó sẽ bị phản xạ trở lại từ thẻ và đầu đọc sẽ nhận biết được. Biên độ năng lượng phản xạ từ thẻ có thể bị ảnh hưởng bởi sự thay đổi trở kháng tải kết nối tới anten của thẻ. Bằng cách thay đổi trở kháng tải của anten theo thời gian, thẻ có thể phản xạ nhiều hoặc ít so với tín hiệu tới và đó cũng là cách mã hoá ID của thẻ.
Các hệ thống RFID trường xa hoạt động ở các tần số lớn hơn 100MHz, chủ yếu là băng UHF như là 868MHz, 915MHz hoặc 955MHz hay băng tần vi ba như là 2.45GHz hoặc 5.8GHz. Khoảng đọc của hệ thống RFID trường xa được xác định bởi mật độ năng lượng mà thẻ nhận được và độ nhạy của phần thu đầu đọc đối với tín hiệu phản xạ từ thẻ. Năng lượng cần thiết để cấp cho thẻ tại một tần số cho trước sẽ ngày càng giảm xuống (hiện giờ là khoảng vài mW). Đầu đọc đang ngày càng được cải tiến độ nhạy sao
cho chúng có thể nhận biết được tín hiệu yếu với các mức công suất khoảng -80dBm với chi phí chấp nhận được. Khoảng đọc của hệ thống có thể dao động từ 3 – 5m. Khi lớn nhất có thể lên tới 10m hoặc hơn.
2.1.5 Các tần số, quy định được sử dụng trong hệ thống RFID
Hoạt động của một hệ thống RFID phụ thuộc rất nhiều vào tần số hoạt động mà hệ thống sử dụng. Tần số hoạt động sẽ ảnh hưởng lớn tới khoảng đọc, tốc độ trao đổi dữ liệu, hoạt động, kích thước, loại anten, và tính hấp thụ bề mặt. Do phải đảm bảo hệ thống RFID cùng tồn tại được với các hệ thống thông tin khác như là thông tin di động, thông tin vệ tinh…mà tần số hoạt động của hệ thống RFID bị giới hạn; Chỉ được phép hoạt động với dải tần được cấp phép (dải ISM). Ngoài dải tần ISM ra, toàn bộ dải tần dưới 135kHz (ở Bắc và Nam Mỹ) và 400kHz (ở Nhật) cũng được dành cho ứng dụng RFID.
Hình 18: Dải tần chính dành cho ứng dụng RFID
Các tần số trong khoảng 30kHz – 400kHz được coi là dải tần thấp (LF). Hệ thống RFID LF hoạt động chủ yếu ở tần số 125kHz hoặc 134.2kHz. Các hệ thống này thường sử dụng thẻ thụ động, có tốc độ truyền dữ liệu từ thẻ tới reader thấp và thích hợp cho các ứng dụng trong đó môi trường hoạt động có các đối tượng cần nhận dạng chủ yếu là kim loại, chất lỏng…(một tính chất rất quan trọng của các hệ LF). Thẻ LF tích cực cũng có mặt trong một số các ứng dụng RFID khác.
Băng cao tần (HF) có dải tần từ 3MHz tới 30MHz, và băng 13.56MHz là tần số tiêu biểu được sử dụng trong dải tần này cho ứng dụng RFID. Hệ thống RFID HF cũng sử dụng thẻ thụ động, cũng có tốc độ truyền dữ liệu từ thẻ tới reader thấp, và hoạt động khá tốt trong các môi trường có chứa kim loại, chất lỏng.
Băng siêu cao tần (UHF) có dải tần từ 300MHz tới 1GHz. Một hệ thống RFID UHF thụ động tiêu biểu hoạt động tại tần số 915MHz ở Mỹ và 868MHz ở Châu Âu. Còn hệ thống RFID UHF tích cực thì hoạt động tại tần số 315MHz hoặc 433MHz. Hệ
thống RFID UHF có thể sử dụng cả thẻ tích cực lẫn thụ động và có tốc độ truyền dữ liệu giữa thẻ và đầu đọc cao. Tuy nhiên, dải tần UHF cho ứng dụng RFID chưa được chấp nhận rộng rãi trên toàn thế giới.
Băng tần vi ba (MWF) có dải tần trên 1GHz. Hệ thống RFID MWF hoạt động tại một trong các tần số 2.45GHz, 5.8GHz, trong đó 2.45GHz là tần số được sử dụng phổ biến nhất và được chấp nhận rộng rãi. Hệ thống RFID MWF cũng có thể sử dụng cả thẻ tích cực lẫn thụ động và có tốc độ truyền dữ liệu giữa thẻ và reader nhanh nhất trong tất cả các hệ thống trên. Do kích thước của anten tỷ lệ nghịch với tần số, nên anten của thẻ thụ động hoạt động trong dải tần MWF có kích thước nhỏ hơn rất nhiều so với các hệ thống RFID khác hoạt động ở dải tần khác thấp hơn.
Bảng dưới đây sẽ tổng hợp các băng tần được sử dụng cũng như các thông số đi kèm của chúng.
Bảng 2: Giới hạn về công suất và tần số trong các hệ thống RFID tại một số các quốc gia khác nhau
2.1.6 Ưu điểm, nhược điểm của hệ thống RFID.
2.1.6.1 Ưu điểm:
- Khả năng xử lý đồng thời: 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. Điều này làm tăng đáng kể tốc độ kiểm tra và giảm lượng ách tắc hơn các hệ thống khác.
a) xử lý đơn b) xử lý nối tiếp c) xử lý đồng thời
- Khả năng xử lý không cần nhân công: Trong khi các hệ thống khác đòi hỏi phải có nhân công trực tiếp thao tác để có thể nhận dạng thì hệ thống RFID có thể nhận dạng mà không cần đến sự hỗ trợ của con người. Giảm chi phí nhân công và lỗi nhân công.
- Khả năng cập nhật, thay đổi dữ liệu trực tiếp: Hệ thống RFID có khả năng đọc/ghi thông tin trên thẻ một cách dễ dàng.
- Các đối tượng cần nhận dạng có thể được kiểm soát trong bất kỳ một điều kiện và không gian giới hạn nào.
- Mỗi đối tượng cần nhận dạng trong hệ thống RFID chỉ có một số nhận dạng duy nhất. Cũng như khả năng mã hoá dữ liệu.
- Lưu trữ được nhiều dữ liệu hơn trên tag. Phụ thuộc vào nhà sản xuất, nó có thể chứa từ 64 cho tới 512bit thông tin.
- Tuổi thọ cũng như độ bền lâu hơn trong trường hợp thẻ thụ động không cần pin.
2.1.6.2 Nhược điểm:
- Giá thành của hệ thống RFID hiện nay vẫn còn cao, chưa thể áp dụng rộng rãi trong tất cả các lĩnh vực cần nhận dạng.
- Các chuẩn của công nghệ RFID hiện nay vẫn chưa được thống nhất.
- Chịu ảnh hưởng của các chất liệu cần nhận dạng như là kim loại và chất lỏng đối với thẻ thụ động.
2.1.7 Ứng dụng và xu hướng phát triển của RFID
2.1.7.1 Ứng dụng:
● Ứng dụng trong quản lý, theo dõi người, vật nuôi: - Chứng minh thư điện tử.
- Quản lý nhân sự (công nhân, nhân viên, sinh viên, học sinh…). - Theo dõi gia súc chăn nuôi.
● Ứng dụng trong hệ thống quản lý dữ liệu, thư viện: - Quản lý thư viện, bảo tàng.
● Ứng dụng trong hệ thống quản lý hàng hoá, mua sắm và thanh toán. - Kiểm kê hàng hóa xuất nhập qua cửa khẩu hoặc kho hàng.
- Thẻ thanh toán điện tử. ● Ứng dụng trong y tế. - Bệnh án điện tử - Quản lý thuốc…
● Ứng dụng trong hệ thống bảo mật, cảnh báo. - Thẻ ra vào.
- Ô tô, xe máy.
- Cảnh báo mất đồ vật.
● Ứng dụng trong lĩnh vực bưu điện, hàng không, giao thông vận tải: - Quản lý, theo dõi bưu phẩm, hàng hoá
- Trạm thu phí, kiểm soát giao thông…
Hình 20: Ứng dụng RFID điển hình
2.1.7.2 Xu hướng phát triển
Theo các nhà nghiên cứu, các nhà khoa học máy tính nhận định: công nghệ xác thực bằng tần sóng RFID sớm muộn sẽ trở nên phổ biến và các tổ chức cần chuẩn bị đón nhận nó.
RFID được đánh giá là một trong những "công nghệ thần kỳ" bởi nó hứa hẹn kết nối mọi vật dụng hàng ngày thông qua một mạng không dây, và trên lý thuyết, có thể tìm lại những đồ dùng từng được sản xuất. Các nhà khoa học máy tính gọi RFID là "Internet của hàng hóa" bởi bất cứ thứ gì từ lọ dầu gội đầu đến đôi giày thể thao đều sẽ "search" được.
Nhưng vấn đề gặp phải hiện nay là công nghệ này cần có chi phí đầu tư cao và cần có những tiêu chuẩn chung để áp dụng phổ biến trong mọi lĩnh vực.
Tuy nhiên trong những năm gần đây, sự quan tâm, đầu tư của các công ty, các nhà khoa học, chính phủ các nước đã thúc đẩy công nghệ RFID có những bước phát triển mạnh mẽ, các chuẩn chung của công nghệ này được thiết lập.
Chính vì vậy công nghệ RFID hứa hẹn sẽ được ứng dụng đại trà hoá trong tương lai.
Ở Việt Nam hiện nay, RFID chưa được biết đến nhiều, song cũng đã có những công ty kinh doanh trong lĩnh vực này; đã có những đơn vị nghiên cứu và ứng dụng công nghệ mới này. Hiện tại, Trung tâm công nghệ cao, thuộc Viện điện tử - tin học - tự động hóa, đang nghiên cứu thiết kế và xây dựng hệ phần mềm cho các hệ thống quản lý tự động bằng thẻ RFID để ứng dụng trong hệ thống thu phí cầu đường. Ngay tại Trung tâm cũng đã ứng dụng công nghệ này với hệ thống phần mềm quản lý ra vào cửa của cán bộ công nhân viên.
Xin được trích dẫn lời ông Trần Thanh Hải, Phó vụ trưởng Vụ Thương mại điện tử