- ISO 11785 – Technical concept (khái niệm công nghệ ) :
2.2.5 Hệ thống theo dõi và quản lý động vật
Theo dõi động vật với RFID đã đưa công việc quản lý dữ liệu tiến lên một cấp độ mới.
Những cố gắng nâng cao việc quản lý là động lực thúc đẩy kết hợp công việc theo dõi động vật với công nghệ RFID.Việc nhận thức được số lượng và địa chỉ của trang trại mọi
lúc cho phép những người chủ trang trại và nhà sản xuất vật nuôi có thể đánh giá một cách khách quan hơn giá trị vật nuôi.
Công nghệ RFID giúp cho những người chủ trang trại quản lý trang trại một cách có hiệu quả hơn ,cung cấp thức ăn và nước uống tại những vị trí tốt nhất khi cần thiết ,và thậm chí có thể tiến hành các công việc cơ bản như theo dõi sức khỏe và tần suất của những con vật đến trạm .Sự suy giảm tần suất có thể do dấu hiệu của bệnh.
Khi vật nuôi được cung cấp thức ăn tốt và dễ dàng xác định vị trí ,giá trị của mỗi vật nuôi sẽ được tối đa nhờ vào việc xem xét chọn đúng thời điểm của thị trường và những dữ liệu kèm theo trên mỗi con vật.
Công nghệ RFID thường được triển khai tại các trạm thức ăn tự động và ở những lò mổ gia nhờ vậy mà sản phẩm động vật có thể được phân phối tôt xuỗng những cửa hàng bán lẻ .Việc xuất hàng và nhập hàng có thể được xem xét một cách chặt chẽ hơn để chắc chắn với nhà chức trách về việc con vật không mang bất kỳ một căn bệnh nào.
Công nghệ RFID cũng ứng dụng trong việc bảo tồn các sinh vật hoang dã quy hiếm và là công cụ giúp các nhà khoa học theo dõi tập tính di cư ,quá trình gia tăng và suy giảm ,và đánh giá những nơi chúng sinh sống .Thậm chí những nuôi con vật được thuần hóa có thể trở nên dễ dàng hơn khi mang chúng về từ cuộc sống hoang dã .
Theo dõi động vật là một trong những ứng dụng đầu tiên mà các nhà sản xuất tiến hành khi khiển khai công nghệ RFID.Các nhà nghiên cứu đã có ít nhất 16 năm ở lĩnh vực này .Điều này đã trở thành động lực thúc đẩy cho những chuẩn RFID sau này và những công việc liên quan đến việc theo dõi động vật.
Một cơ sở sớm ra đời ,là khả năng chỉ đọc và chỉ phuc thuộc vào số lượng hạn chế cho mỗi nhãn lưu trữ trong cơ sở dữ liệu có chứa thông tin về con vật.
Khi nhà sản xuất muốn làm nhiều thứ hơn với công nghệ RFID ,một tiêu chuẩn mới hơn được xây dựng cho phép người dung truy nhập thông tin nhãn thí dụ như dữ liệu về tiêm phòng …mà không cần tới các cơ sở dữ liệu tham khảo khác.
Sử dụng công nghệ này ở vị trí cổng nhất đinh cho phép vật nuôi được xác định tự động thâm chí cả khi chúng đứng thành nhóm lớn ..Các tiêu chuẩn tương thích nhau vì thế các nhà sản xuất có thể sử dụng được cả 2 loại nhãn ( chuẩn cũ và mới ).
+ Thẻ ID động vật là tiến bộ của ngành công nghiệp và theo dõi sức khỏe .
Việc mở rộng phạm vi của công nghệ RFID để nhận dạng và theo dõi vật nuôi giúp cho người chủ trang trại theo dõi được tốc dộ tăng trưởng ,số liệu thống kê sức khỏe và đưa ra mô hình thức ăn thích hợp cho mỗi con vật nuôi trong đàn . Thông tin này có thể được sử dụng để xác định thời gian vật nuôi được gửi đến chợ hoặc ra đời .
Trong nền kinh tế toàn cầu ,những sự lo lắng về sứckhỏe của động vật và khả năng ngăn cấm về thương mại khiến cho việc nhận dạng động vật sử dụng công nghệ RFID càng trở nên cần thiết hơn.Nó có khả năng cho phép cơ quan sức khỏe tìm ra nguồn gốc thực phẩm và là công cụ quý giá trong việc kiểm soát lan truyền bệnh dịch.Những nhà sản xuất cũng có thể chắc chắn với những nhà xuất khẩu rằng không con vật nào bị bệnh truyền nhiễm ,được cung cấp đầy đủ thức ăn và tiêm phòng đầy đủ.
Sự nhận dạng động vật mang đến những sự thách thức đối với những nhà cung cấp công nghệ .Hầu hết những ứng dụng truy tìm dấu vết tài sản giúp cho tài sản của con người luôn trong tầm kiểm soát tại gia đình hay phạm vi quản lý .Vật nuôi và động vật hoang dã được gắn nhãn cho việc nghiên cứu cuộc sống và chúng dược tự do di chuyển qua nhiều môi trường .Thành công trong việc triển khai nhận dạng động vật đòi hỏi những công ty công nghệ có kinh nghiệm lâu năm trong lĩnh vực này.
2.3 Kết luận
Qua chương này, chúng ta có thể nhận thẩy được tầm quan trong của công nghệ RFID trong mọi lĩnh vực. Nhờ có RFID, việc quản lý có thể trở nên dễ dàng và nhanh chóng hơn. Ứng dụng RFID có thể chia làm hai dạng chính, một là ứng dụng trong công nghiệp với các hệ thống dây truyền sản xuất và nhà kho, hai là ứng dụng có tĩnh xã hội với các hệ thống quản lý truy nhập và hàng hóa tại các siêu thị. Tuy nhiên, mỗi một ứng dụng đều đi kèm với những mục đích và yêu cầu bảo mật riêng do đó nhà sản xuất cần phải phân tích thiết kế và chế tạo hệ thống dựa trên nhưng yêu cầu thực tế đưa ra.
CHƯƠNG 3
XÂY DỰNG HỆ THỐNG RFID DẢI TẦN HF VÀ LF
Trong các chương trước chúng ta đã được hiểu thêm về công nghệ RFID và nguyên lý hoạt động của kỹ thuật. Dựa trên nền tảng kiến thức tiếp thu được qua quá trình tìm hiểu công nghệ và kiến thức điện tử, xử lý tín hiệu số qua nhiều nằm học tập, chúng em đã mạnh dạn áp dụng vào thực tế, xây dựng hệ thống quản lý vào ra ứng dụng công nghệ RFID. Chương được chia làm 2 phần với hai hệ thống ở 2 dải tần khác nhau là LF và HF.
3.1 Hệ thống RFID dải tần LF 3.1.1 Tổng quan về hệ thống
Dải tần LF chạy từ tần số 30 – 300KHz, đối với dải tần này, kỹ thuật RFID thường sử dụng tần số 125Khz. Hệ thống truy nhập sử dụng công nghệ RFID 125Khz bao gồm hệ
thống nhận dạng thẻ, cơ sở dữ liệu quản lý danh sách người truy nhập và giao diện xây dựng hiện thị trên màn hình LCD.
Hệ thống có chức năng chính là nhận diện và đọc nội dung trên các thẻ tag RFID có sử dụng chip EM4102 làm hạt nhân giao tiếp. Nội dung thông tin của thẻ sẽ được đưa ra hiển thị trên màn hình LCD và cũng được gửi lên máy tính để phần mềm thực hiện các xử lý nâng cao. Ngoài ra hệ thống cũng có khả năng thực hiện giao tiếp với loại thẻ tag Read/Write sử dụng chip EM4195.
Hệ thống sử dụng chip PIC16F876A làm điều khiển trung tâm, thực hiện chức năng điều khiển, giao tiếp với chip EM4095-chip giao tiếp thẻ RFID, thực hiện điều khiển hiển thị lên LCD và gửi dữ liệu lên máy tính thông qua cổng giao tiếp RS232. Toàn bộ hệ thống được tích hợp trên một bo mạch nhỏ gọn và dễ dàng cho việc thay thế, nâng cấp.
Hình 3.1 Tổng quan hệ thống. 3.1.2 Sơ đồ khối hệ thống
Hình 3.2 Sơ đồ khối hệ thống. 3.1.2.1 Khối nguồn
Nhiệm vụ chính là cung cấp nguồn cho toàn bộ hệ thống, tạo ra một nguồn 5V ổn định cung cấp cho vi điều khiển trung tâm, IC đọc RFID, LCD hiển thị… sử dụng IC ổn áp LM7805, có thể cung cấp dòng tối đa lên đến 1A.
Hình 3.3 Khối nguồn 3.1.2.2 Khối hiển thị
Sử dụng màn hiển thị tinh thể lỏng (LCD) có khả năng hiển thị ký tự ASCII. Chức năng chính của khối này là hiển thị thông tin hệ thống, hiển thị mã số của thẻ (Tag) RFID sau khi mã hóa và hiển thị thông tin theo yêu cầu người lập trình.
Hình 3.4 Khối hiển thị. 3.1.2.3 Khối xử lý trung tâm:
Khối sử dụng vi điều khiển PIC16F876A của hãng MicroChip. Nhiệm vụ khối là điều khiển chính cho toàn hệ thống.
- Điều khiển giao tiếp với IC đọc thẻ RFID EM4095, điều khiển thực hiện các chức năng đọc/ghi nội dung thẻ Tag.
- Điều khiển nội dung hiển thị trên LCD
- Điều khiển luồng dữ liệu giao tiếp với máy tính thông qua kết nối RS232. - Các điều khiển khác.
Hình 3.5 Khối xử lý trung tâm. Đặc điểm chính của PIC 16F876A
Họ PIC16F87X có 4 loại : PIC16F876/PIC16F873 (28 chân) và PIC16F877/ PIC16F874 (40 chân) . Loại 28 chân không có cổng PSP.
• Chỉ có 35 lệnh.
• Tất cả các lệnh đơn thực hiện trong 1 chu kỳ lệnh ngoại trừ các lệnh rẽ nhánh thì thực hiện trong 2 chu kỳ.
• Tốc độ hoạt động : 20MHz và mỗi chu kỳ lệnh thực hiện trong 200ns.
• Có bộ nhớ chương trình FLASH (FLASH Program Memory) 8K x 14 words. • Có bộ nhớ dữ liệu RAM (Data Memory) 360 x 8 bytes.
• Có bộ nhớ dữ liệu EEPROM (EEPROM data memory) 256 x 8 bytes. • Có 14 ngắt trong và ngắt ngoài.
• Có 8 ngăn Stack.
• Có sẵn PRO (Power-up Timer), PWRT (Power-up Timer), OST (Oscillator Start-up Timer) và WDT (Watchdog Timer).
• Có chế độ SLEEP tiết kiệm năng lượng. • Có các chọn lựa cho bộ phát sóng.
• Có các cổng ghép nối nối tiếp và song song. • Có dải điện áp làm việc 2.0V đến 5.5V.
• Bộ Timer0 8bits Timer/Counter với 8bits Prescaler. • Bộ Timer1 16bits Timer/Counter với Prescaler.
• Bộ Timer2 8bits Timer/Counter với 8bits thanh ghi đoạn, Prescaler và Postscaler.
• Các chế độ Capture (16bits, 12.5ns) , Compare (16bits, 200ns) và PWM (10bits) [CCP].
• Bộ biến đổi AD nhiều khênh 10 bits.
• Cổng truyền tin nối tiếp đồng bộ với 2 chế độ SPI và I2C. • Có USART/SCI với 9bits địa chỉ.
• Có cổng PSP (Parallel Slave Port) 8bits với các chân điều khiển ngoài RD, WR và CS nhưng chỉ có ở các CHIP 40/44 chân.
• BOR (Brown-out Reset).
3.1.2.4 Khối giao tiếp máy tính:
Thực hiện nhiệm vụ chuyển đổi mức tín hiệu, truyền dữ liệu lên máy tính thông qua cổng giao tiếp RS232. Sử dụng IC MAX23
Hình 3.6 Khối giao tiếp máy tính. 3.1.2.5 Khối rơle
Khối điều khiển các hoạt động cơ của hệ thống bao gồm hệ thống chip nhạc, cửa và hệ thống led báo hiệu.
Sơ đồ khối :
3.1.3 Thuật toán
3.1.3.1 Sơ đồ khối thuật toán khối xử lý trung tâm
Hình 3.8 Sơ đồ thuật toán khối xử lý trung tâm 3.1.3.2 Sơ đồ khối thuật toán trên PC
Phần mềm trên PC được xây dựng trên ngôn ngữ C# và SQL server 2005 trên nền VS2008. Các chức năng gồm có :
- Kết nối cổng Com, nhận dữ liệu là ID của thẻ
- Hiển thị cớ sở dữ liệu và thông báo thẻ hợp lệ hay ko hợp lệ - Nhập mới cơ sở dữ liệu, sửa đổi cơ sở dữ liệu
- Giao diện Camera hiển thị để quan sát người tới.
Đúng Sai
Hình 3.9 Sơ đồ thuật toán trên PC 3.1.4 Thẻ (Tag) RFID
Do yêu cầu của hệ thống RFID là dùng trong quản lý nhân sự ở tần số thấp 125 KHz nên ta chọn loại thẻ thụ động Read-Only với giá thành thấp (khoảng 0,5USD/chiếc) chứa IC EM4102 của hãng Emmicroelectronic-Marin SA của Thụy Sĩ.
Mô tả chung START Kiểm tra Kết nối Khối xử lý trung tâm ( COM9) Thêm mới cơ sở dữ liệu Chỉnh sửa cơ sở dữ liệu Nhận ID mã hóa Hiển thị Báo động
EM4102 là chip CMOS dùng trong các thẻ RFID thụ động dạng Read-Only tức là thẻ này không có nguồn pin bên trong mà nó hoạt động dựa vào năng lượng do anten gắn trên thẻ thu về khi đặt trong trường điện từ của anten phía đầu đọc phát ra.
• Đặc điểm:
- Bộ nhớ 64 bit laser programmable
- Có một số lựa chọn về tốc độ truyền dữ liệu (16/32/64 chu kỳ của tần số sóng mang trên 1 bit dữ liệu) và dạng mã hóa dữ liệu (Manchester, Biphase hoặc PSK)
- Có tụ cộng hưởng trên chip (79pF) - Có bộ giới hạn điện áp trên chip - Có bộ chỉnh lưu trên chip
- Tần số hoạt động: 100 ÷ 150 kHz
- Kích cỡ chip rất nhỏ tiện để gắn lên các loại thẻ - Tốn rất ít năng lượng
- Nguồn cấp (Vdd): - 0.3 ÷ 7(V)
- Dòng 1 chiều trên cuộn dây anten trong tag (Icoil): -10 ÷ 10 (mA) - Nhiệt độ hoạt động (Top): - 40 ± 85 (oC)
• Sơ đồ:
Hình 3.10 Sơ đồ chip EM4102.
Hình 3.11 Sơ đồ khối của IC EM4102.
IC EM4102 được cung cấp năng lượng bởi trường điện từ cảm ứng trên cuộn dây anten. Điện áp xoay chiều cảm ứng được chỉnh lưu để tạo nguồn 1 chiều cung cấp cho các thiết bị bên trong tag hoạt động. Khi bit cuối cùng được truyền đi thì tag lại gửi tiếp tục bit đầu tiên cho đến khi hết năng lượng.
- Khối chỉnh lưu (Full Wave Rectifier): điện áp xoay chiều cảm ứng trên anten được chỉnh lưu bởi mạch cầu Graetz. Mạch cầu sẽ giới hạn điện áp một chiều được chỉnh lưu để tránh sự cố khi điện áp quá cao.
- Khối tạo xung clock (Clock Extractor): đầu COIL1 được dùng để tạo xung clock logic để đưa vào khối Sequencer.
- Khối sắp xếp dãy (Sequencer): cung cấp tất cả các tín hiệu cần thiết để định địa chỉ trong mảng bộ nhớ và để mã hóa chuỗi dữ liệu đầu ra. Có thể sử dụng 3 phiên bản mã hóa logic: Manchester, Biphase (tốc độ truyền là 32/64 chu kỳ của tần số hoạt động) và PSK (tốc độ truyền là 16 chu kỳ của tần số hoạt động).
- Khối điều chế dữ liệu (Data Modulator): được điều khiển bởi tín hiệu Modulation Control để cảm ứng dòng điện cao trên cuộn dây anten. Transitor ở đầu
COIL2 điều khiển dòng điện cao này gây ảnh hưởng đến từ trường tùy theo dữ liệu được lưu trong mảng bộ nhớ.
- Bộ nhớ (Memory Array): EM4102 bao gồm 64 bits chia làm 5 nhóm thông tin. 9 bits được sử dùng làm header luôn được lập trình ở mức 1, 10 bits (P0-P9) làm bit parity hàng, 4 bits (PC0-PC3) làm bit parity cột, 40 bits dữ liệu (D00-D93) và 1 stop bit luôn để ở mức logic 0. Vì cấu trúc dữ liệu và bit parity như vậy nên sự sắp xếp các dãy như thế này không thể lập trình lại. Các bit từ D00 đến D03 và từ D10 đến D13 là đặc điểm nhận dạng của khách hàng (Customer Identification). 64 bits này được xuất ra liên tiếp để điều khiển bộ điều chế. Khi chuỗi 64 bits được xuất ra thì thứ tự lại lặp lại cho đến khi hết năng lượng.
Hình 3.12 Phân chia 64 bits trong bộ nhớ của EM4102.
Khối mã hóa dữ liệu (Data Encoder): lựa chọn phương thức mã hóa Manchester. Đây là phương thức luôn có một sự chuyển đổi từ ON sang OFF hoặc từ OFF sang ON ở giữa chu kỳ bit tại thời điểm chuyển đổi từ bit logic 1 sang bit logic 0 hoặc từ bit logic 0 sang bit logic 1. Giá trị ở mức cao của chuỗi dữ liệu thể hiện trạng thái OFF, mức thấp của dữ liệu thể hiện trạng thái ON.
Hình 3.13 Mã hóa dữ liệu dạng mã Manchester. 3.1.5 IC RFID
Để phù hợp với lựa chọn Tag RFID ở trên và thỏa mãn yêu cầu của ứng dụng truy nhập, ta cũng chọn IC RFID phía bên đầu đọc cùng hãng Emmicroelectronic là EM4095. Đây là IC nằm trong khối HF trong cấu trúc xây dựng đầu đọc hoạt động ở tần số 125 kHz có giá thành tương đối rẻ (7 USD/chiếc) thường được ứng dụng trong nhiều đầu đọc ở tần số này.
Mô tả chung
EM4095 là một chip CMOS dùng trong khối HF của đầu đọc RFID có các chức năng: - Điều khiển anten với tần số sóng mang
- Điều chế AM (biên độ) tín hiệu để ghi vào thẻ - Giải điều chế AM các tín hiệu nhận về từ thẻ
- Kết nối với một vi điều khiển làm nhiệm vụ điều khiển truy xuất dữ liệu thông qua giao diện đơn giản
• Đặc điểm:
- Hệ thống tích hợp vòng khóa pha (Phase Locked Loop – PLL) để tự nhận tần số sóng mang thích hợp với tần số cộng hưởng của anten
- Dải tần số hoạt động: 100 ÷ 150 kHz
- Điều khiển anten trực tiếp sử dụng các cầu điều khiển
- Truyền dữ liệu bằng phương thức OOK (Điều chế biên độ 100% )