5. Họ và tên người hướng dẫ n: Phần hướng dẫ n:
1.10. Phương thức làm việc của RFID
Một hệ thống RFID đơn giản nhất cĩ ba thành phần cơ bản: thẻ, đầu đọc, và một máy chủ. Thẻ RFID gồm chip bán dẫn nhỏ và antenna được thu nhỏ trong một số hình thức đĩng gĩi. Mỗi thẻ được lập trình với một nhận dạng duy nhất cho phép theo dõi khơng dây đối tượng hoặc con người đang gắn thẻ đĩ. Bởi vì các chip được sử dụng trong thẻ RFID cĩ thể giữ một số lượng lớn dữ liệu, chúng cĩ thể chứa thơng tin như chuỗi số, thời dấu, hướng dẫn cấu hình, dữ liệu kỹ thuật, sổ sách y học, và lịch trình.
SVTH: Nguyễn Đình Thành GVHD: Ths. Nguyễn Chí Ngọc
-43-
Hình 1.24. Quá trình làm việc của thẻ và reader
Các thẻ cĩ thể được cấp nguồn bởi một bộ pin thu nhỏ trong thẻ (các thẻ tích cực) hoặc bởi reader mà nĩ ‚wake up‛ thẻ để yêu cầu trả lời khi thẻ đang trong phạm vi (thẻ passive).
Thẻ tích cực đọc xa 100 feet tính từ reader và cĩ thể là thẻ ‚thơng minh‛ (với bộ nhớ được viết lên và xĩa như một ổ cứng máy tính) hoặc là thẻ RO. Thẻ thụ động cĩ thể được đọc xa reader 20 feet và cĩ bộ nhớ RO. Kích thước thẻ và 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 tần hệ thống RFID sử dụng. Thẻ nhận sĩng truyền từ reader và nhờ bộ chuyển đổi sang DC và nhờ bộ điều chế để nhận chuỗi bit từ reader truyền tới. Tiếp đến thẻ gửi sĩng mang chứa dữ liệu phát đến reader. Sau đĩ được điều chế (giă sử dùng QAM) là một số phức và được xếp vào biểu đồ chịm sao theo quy luật mã Gray trên 2 trục Re (thực) và Im(ảo). Vị trí của mỗi điểm tín hiệu (số phức) trên biểu đồ chịm sao phản ánh thơng tin về biên độ và pha của các sĩng mang. Quá trình biến đổi IFFT sẽ biến đổi các số phức biễu diễn các sĩng mang trong miền tần số thành các số phức biểu diễn các sĩng mang trong miền thời gian rời rạc. Trong thực tế các thành phần Re và Im được biểu diễn bằng chuỗi nhị phân được bộ điều chế IQ sử dụng để
SVTH: Nguyễn Đình Thành GVHD: Ths. Nguyễn Chí Ngọc
-44-
điều chế sĩng mang cũng được biểu diễn bằng một chuỗi nhị phân. Chuỗi nhị phân sau điều chế IQ được biến đổi DA để nhận được tín hiệu trong băng tần cơ bản. Quá trình xử lý ở phía thẻ sẽ thực hiện biển đổi FFT để tạo các điểm điều chế phức của từng sĩng mang phụ trong symbol OFDM (bản chất của quá trình tạo tín hiệu OFDM là phân tích chuỗi bit đầu vào thành các sĩng mang đã được điều chế theo một kiểu nào đĩ trong miền thời gian liên tục), sau khi giải định vị (Demapping) xác định biểu đồ bit tương ứng các tổ hợp bit được cộng lại để khơi phục dịng dữ liệu đã truyền.
Hình 1.25. Quá trình truyền nhận dữ liệu giữa thẻ và reader
Reader gồm một antenna liên lạc với thẻ và một đơn vị đo điện tử học đã được nối mạng với máy chủ. Đơn vị đo tiếp sĩng giữa máy chủ và tất cả các thẻ trong phạm vi đọc của antenna, cho phép một đầu đọc liên lạc với hàng trăm thẻ đồng thời. Nĩ cũng thực thi các chức năng bảo mật như mã hĩa/ giải mã và xác thực người dùng.
Reader cĩ thể phát hiện thẻ ngay cả khi khơng nhìn thấy chúng. Hầu hết các mạng RFID gồm nhiều thẻ 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 thẻ và dịch nĩ giữa mạng RFID và các hệ thống cơng nghệ thơng tin lớn hơn, mà nơi đĩ quản lý dây chuyền hoặc cơ sở dữ liệu quản lý cĩ thể thực thi. ‚Middleware‛ phần mềm nối hệ thống RFID với một hệ thống quản lý luồng dữ liệu.
SVTH: Nguyễn Đình Thành GVHD: Ths. Nguyễn Chí Ngọc
-45-
Chương 2. CÁC HỆ THỐNG RFID CƠ BẢN
Trong phần này tơi sẽ giới thiệu các hệ thống RFID cơ bản, cách thức hoạt động cũng như mối liên hệ giữa transponder và reader. Chúng ta quan tâm đến 2 vấn đề chính: năng lượng cung cấp cho transponder và phương thức truyền dữ liệu giữa transponder và reader. Trong thực tế hệ thống RFID cĩ thể chia làm 3 loại cơ bản đĩ là: hệ thống 1 bit, hệ thống song cơng và bán song cơng và hệ thống tuần tự.
- Hệ thống 1 bit. - Hệ thống n bit:
+ Hệ thống song cơng và bán song cơng. + Hệ thống tuần tự.
SVTH: Nguyễn Đình Thành GVHD: Ths. Nguyễn Chí Ngọc
-46-
2.1. Hệ thống 1 bit
Một bit là đại lượng nhỏ nhất của thơng tin, nĩ cĩ 2 trạng thái: 1 hay 0. Điều này cĩ nghĩa là chỉ cĩ 2 trạng thái được trình bày bởi transponder 1 bit: ‚transponder trong vùng thẩm vấn‛ và ‚khơng cĩ transponder trong vùng thẩm vấn‛. Mặc dù bị giới hạn, các transponder 1 bit vẫn rất phổ biến, ứng dụng chính của chúng là các thiết bị chống trộmtrong các cửa hàng (EAS, giám sát hàng hố điện tử).
Một hệ thống EAS được làm bởi các linh kiện sau: antenna của reader hay bộ dị hỏi, phần tử bảo mật hay thẻ bảo mật và một thiết bị vơ hiệu hố hệ thống sau khi kết thúc giao dịch. Trong các hệ thống hiện đại, việc vơ hiệu hố được thực hiện khi mã của mĩn hàng được đăng kí tại quầy tính tiền. Một vài hệ thống cũng đặt thêm bộ kích hoạt để kích hoạt lại phần tử bảo mật sau khi vơ hiệu hố hệ thống. Một đặc điểm quan trọng của hệ thống là tốc độ phát hiện phụ thuộc vào độ rộng của cổng (khoảng cách lớn nhất giữa transponder và antenna của reader).
Transponder 1 bit gồm 5 thành phần: - Tần số vơ tuyến - Sĩng vi ba - Bộ chia tần số - Điện từ - Acoustomagnetic 2.1.1. Tần số vơ tuyến
Tần số vơ tuyến dựa trên mạch cộng hưởng (LC) được chỉnh tại tần số cộng hưởng xác định fR. Ở những phiên bản cũ, cuộn cảm làm từ các cuộn dây đồng tráng men nối với một tụ điện và được gắn vào một miếng plastic (hard tag). Trong các hệ thống hiện đại thì cuộn cảm được khắc vào một tấm kim loại trên thẻ.
Reader phát ra một trường từ với fG ± 10% trong dải tần số vơ tuyến. Nếu mạch LC đi vào vùng lân cận của trường từ, năng lượng của trường từ này sẽ cảm ứng vào mạch cộng hưởng thơng qua cuộn dây (Định luật Faraday). Nếu tần số fG của trường
SVTH: Nguyễn Đình Thành GVHD: Ths. Nguyễn Chí Ngọc
-47-
bằng với tần số cộng hưởng fR thì mạch LC sẽ sinh ra một dao động cộng hưởng. Dịng điện cảm ứng được sinh ra trong mạch cộng hưởng chống lại sự biến thiên của trường từ đã sinh ra nĩ, do đĩ gây ra một sụt áp trong cuộn phát, dẫn đến làm suy yếu trường từ. Sự thay đổi của điện áp cảm ứng được nhận biết nhờ vào một cuộn dây cảm biến. Vì vậy mà reader phát hiện cĩ một mạch cộng hưởng đi vào từ trường của nĩ.
Hình 2.2. Giới thiệu hoạt động của hệ thống EAS tần số vơ tuyến
Sự thay đổi điện áp ở phía phát và các cuộn dây cảm ứng nĩi chung là rất thấp nên rất khĩ nhận biết. Tuy nhiên, sự thay đổi nhỏ này cũng đủ để cho reader cĩ thể nhận dạng transponder một cách tin cậy. Điều này đạt được bằng cách sử dụng: tần số của trường từ được phát ra khơng phải là hằng số mà nĩ là tần số ‚quét‛. Điều này cĩ nghĩa là tần số của bộ phát liên tục thay đổi từ min tới max. Khoảng tần số này thường là 8,2MHz ± 10%.
Bất cứ khi nào tần số ‚quét‛ bằng đúng tần số cộng hưởng của mạch cộng hưởng trên transponder. Transponder bắt đầu dao động, từ đĩ sinh ra một sụt áp ở phía phát và cuộn dây cảm biến. Dung sai tần số của transponder phụ thuộc vào dung sai của nhà sản xuất và sự thay đổi của mơi trường kim loại, khơng đĩng vai trị như là kết quả của quá trình quét tồn bộ khoảng tần số.
Bởi vì transponder khơng được phép di chuyển qua quầy tính tiền cho nên chúng cần phải bị vơ hiệu hố để khơng kích hoạt hệ thống chống trộm. Việc này được thực hiện như sau: thiết bị vơ hiệu hố đặt tại quầy thu ngân sẽ phát ra một trường từ đủ
SVTH: Nguyễn Đình Thành GVHD: Ths. Nguyễn Chí Ngọc
-48-
mạnh để điện áp cảm ứng đánh thủng tụ điện của transponder. Tụ điện được thiết kế sao cho việc đánh thủng khơng thể thay đổi ngược lại và làm cho mạch cộng hưởng khơng thể hoạt động được dưới tác động của tín hiệu quét.
Các antenna khung diện tích lớn dùng để phát ra trường từ cần thiết trong vùng truy vấn. Antenna khung được tích hợp vào cột và được nối với cổng. Nếu cổng cĩ bề rộng dưới 2m thì ta cĩ thể sử dụng hệ thống RFID tần số vơ tuyến.
Hình 2.3. Antenna khung của hệ thống RF (cao 1,2 - 1,6 m) và transponder
Bảng 2.1: Các tham số hệ thống cho các hệ thống RF
Hệ số phẩm chất Q của phần tử bảo mật > 60 – 80 Cường độ trường vơ hiệu hố cực tiểu HD 1,5 (A/m) Cường độ trường cực đại trong tầm vơ hiệu
hố
0,9 (A/m)
Bảng 2.2: Dải tần số của các hệ thống bảo mật khác nhau
Hệ thống 1 Hệ thống 2 Hệ thống 3 Hệ thống 4 Tần số (MHz) 1,86 – 2,18 7,44 – 8,73 7,30 – 8,70 7,40 – 8,60
Tần số quét (Hz) 141 141 85 85
2.1.2. Sĩng viba
Các hệ thống EAS trong dải viba sử dụng việc tạo ra các hài bằng các linh kiện cĩ đặc tuyến phi tuyến (ví dụ: diode). Hài của một điện áp hình sin A cĩ tần số fA là
SVTH: Nguyễn Đình Thành GVHD: Ths. Nguyễn Chí Ngọc
-49-
một điện áp hình sin B với tần số fB là số nguyên lần tần số fA. Các hài bậc cao của tần số fA là 2fA, 3fA, 4fA.
Mạch của transponder 1 bit để tạo ra các hài rất đơn giản: một diode điện dung được nối với một antenna dipole được chỉnh ở tần số sĩng mang (Hình 2.4). Antenna dipole tần số 2,45GHz cĩ chiều dài tổng cộng là 6cm. Các tần số sĩng mang được dùng là 915MHz, 2,45GHz, 5,6GHz. Nếu transponder nằm trong tầm của antenna phát, dịng điện trong diode sẽ tạo ra hài của sĩng mang, đặc biệt là các hài bậc 2 hay bậc 3, tuỳ thuộc vào loại diode được chọn.
Hình 2.4. Mạch cơ bản và hình dạng cụ thể của transponder viba
Hình 2.5 biểu diển transponder được đặt trong tầm của antenna phát hoạt động ở tần số 2,45GHz. Hài bậc 2 của sĩng mang cĩ tần số 4,9GHz được phát lại và được tách bởi bộ thu. Sự xuất hiện hài bậc 2 của tín hiệu cĩ thể kích hoạt hệ thống báo động.
SVTH: Nguyễn Đình Thành GVHD: Ths. Nguyễn Chí Ngọc
-50-
Nếu sĩng mang được điều chế ASK hay FSK thì tất cả các hài cũng sẽ cĩ cùng một dạng điều chế như vậy. Điều này giúp cho hệ thống phân biệt tín hiệu nhiễu và tín hiệu cĩ ích, ngăn chặn báo động sai do các tín hiệu bên ngồi tác động vào.
Ởû ví dụ trên, sĩng mang được điều chế ASK với tín hiệu 1kHz tín hiệu nhận được ở bộ thu được giải điều chế rồi đưa đến bộ tách sĩng 1kHz. Tín hiệu nhiễu xuất hiện ở tần số 4,9GHz khơng thể kích hoạt báo động sai vì chúng thường khơng được điều chế và nếu cĩ thì chúng sẽ cĩ một cách điều chế khác.
2.1.3. Bộ chia tần số
Hệ thống này hoạt động với bước sĩng dài từ 100 -135,5kHz. Transponder gồm cĩ một vi mạch và một cuộn dây cộng hưởng bằng đồng tráng men. Mạch cộng hưởng được hàn với tụ để cộng hưởng tại tần số hoạt động của hệ thống. Những transponder này cĩ thể làm bằng plastic và cĩ thể lấy đi khi hàng hĩa được mua.
Hình 2.6. Sơ đồ mạch điện và hoạt động của EAS sử dụng bộ chia tần số
Vi mạch trong transponder nhận năng lượng từ trường từ của thiết bị an ninh (Security device). Tần số ở cuộn tự cảm được chia 2 bằng vi mạch và được gửi ngược trở lại thiết bị an ninh. Tín hiệu này hồi tiếp về bằng một dây rẽ nhánh đến cuộn dây.
Bảng 2.3: Các thơng số cơ bản của hệ thống
Tần số 130kHz
Kiểu điều chế 100% ASK
SVTH: Nguyễn Đình Thành GVHD: Ths. Nguyễn Chí Ngọc
-51-
Trường từ của transponder xung ở một tần số thấp (điều chế ASK) để cải thiện tốc độ nhận dạng. Tương tự như nhận dạng bằng các hài, việc điều chế sĩng mang (ASK hay FSK) được duy trì ở phân nửa tần số phát (subharmics). Nĩ được dùng để phân biệt giữa nhiễu và tín hiệu cĩ ích. Antenna khung được dùng làm antenna cảm biến.
2.1.4. Transponder trường điện từ
Transponder trường điện từ sử dụng từ trường mạch trong khoảng NF từ 10Hz đến 20Hz. Transponder chứa một dải kim loại từ tính dễ biến dạng dưới tác động của ngoại lực. Sự từ hố của những dải kim loại này thường được lặp lại theo chu kỳ và chúng sẽ bị bảo hồ của trường từ nhờ vào một từ trường mạnh. Mối quan hệ khơng tuyến tính của cường độ trường H và thơng lượng cảm ứng từ B gần bảo hồ cộng với sự thay đổi của cảm ứng từ B ở lân cận của điểm zero của cường độ trường từ H, phát sinh ra các hài ở tần số cơ bản của transponder. Những hài này cĩ thể được nhận và được ước luợng bởi transponder.
Transponder trường điện từ được tối ưu hố bằng cách thên vào những thành phần tín hiệu cĩ tần số cao hơn tín hiệu chính. Ngồi những hài của tần số chính, cịn cĩ thêm các tần số tổng hay hiệu của các tín hiệu đã cung cấp. Giả sử tín hiệu chính cĩ tần số fS = 20Hz và các tín hiệu thêm vào f1 = 3,5kHz và f2 = 5,3kHz thì những tín hiệu sau đây được phát ra:
f1 + f2 = f1+2 = 8,8kHz f1 – f2 = f1-2 = 1,8kHz fS + f1 = fS-1 = 3,52kHz
Transponder khơng phản ứng lại với hài của tần số cơ bản nhưng lại bị tác động bởi tần số tổng hay hiệu của các tín hiệu thêm vào.
Các transponder này ở dạng các dải băng dính cĩ chiều dài khoảng cách từ vài cm đến 20cm. Do tần số hoạt động cực thấp, các hệ thống trường điện từ chỉ thích hợp với những sản phẩm cĩ chứa kim loại. Tuy nhiên, những hệ thống này cĩ khuyết điểm
SVTH: Nguyễn Đình Thành GVHD: Ths. Nguyễn Chí Ngọc
-52-
là hoạt động của transponder phụ thuộc vào vị trí: để quá trình nhận dạng là tin cậy thì trường từ của transponder phải nằm dọc xuyên qua các dải kim loại.
Hình 2.7. Antenna của hệ thống RFID điện từ (cao 1.40 m) và transponder
Để vơ hiệu hố, transponder được khốc lên hay phủ một phần bằng những tấm kim loại từ cứng. Ở quầy thu ngân, người nhân viên chạy một nam châm vĩnh cửu dọc theo tấm kim loại để vơ hiệu hố transponder. Việc làm này sẽ từ hố những tấm kim loại che phủ. Các dải kim loại được thiết kế sao cho độ từ dư của những tấm kim loại thuận tiện cho những dải kim loại dễ biến dạng này ở điểm bảo hào nhằm làm cho trường từ của hệ thống an ninh khơng thể bị kích hoạt được nữa.
Transponder cĩ thể kích hoạt trở lại ở bất cứ thời điểm nào bằng quá trình tái từ hố. Quá trình này cĩ thể thực hiện với số lần khơng hạn chế. Do những transponder nhỏ và rẻ tiền, những hệ thống này bây giờ được sử dụng ngày càng nhiều trong cơng nghiệp.
Để đạt được độ mạnh trường cần thiết cho quá trình tái từ hố các dải kim loại, trường được phát ra bằng hệ thống 2 cuộn dây trên các cột ở lối đi. Vài cuộn dây riêng, thường là từ 9 đến 12, nằm trên 2 cột và chúng phát ra trường từ yếu ở trung tâm và