3.1. Môi trường lưu trữ mẫu thịt
Trong thực tế, hệ thống METRO hoặc các siêu thị thường bảo quản mẫu thịt ở nhiệt độ thấp (trong khoảng từ 0 oC – 5 oC, sai số ±1 oC) và độ ẩm trung bình (khoảng 50 %, sai số ±5 %) (xem Hình 3.1). Mục đích bảo quản ở điều kiện như trên là nhằm hạn chế tốc độ phản ứng của enzyme, ngăn cản sự phát triển của nấm móc gây hại và tiêu diệt một số loại ký sinh trùng. Ở điều kiện này, các mẫu thịt được quy định thời hạn sử dụng là khoảng sau 3 ngày bảo quản.
Hình 3.1. Gian hàng lưu trữ và kinh doanh sản phẩm thịt bò ở các siêu thị.
Với điều kiện sẵn có tại phòng thí nghiệm, chúng tôi tạo ra 4 môi trường bảo quản mẫu thịt có các thông số nhiệt độ và độ ẩm khác nhau như liệt kê trong Bảng 3.1. Môi trường TH1 tương tự như tại các siêu thị nhằm kiểm tra mức độ chính xác của cảm biến trong việc phát hiện thời điểm hỏng của sản phẩm thịt trong điều kiện thực tế. Các môi trường TH2 và TH3 và TH4 phục vụ cho việc khảo sát ảnh hưởng của điều kiện nhiệt độ và độ ẩm bảo quản lên tốc độ hỏng của các mẫu thịt, do đó gián tiếp ảnh hưởng đến hoạt động của các cảm biến RFID dán trên bề mặt các mẫuđó.
Bảng 3.1. Các môi trường bảo quản mẫu thịt trong quá trình thử nghiệm:
TH1 TH2 TH3 TH4
Độ ẩm tương đối 50 ± 5 % 80 ± 5 % 50 ± 5 % 50 ± 5 %
Các thiết bị được sử dụng để tạo ra môi trường bảo quản mẫu thịt trong quá trình thử nghiệm bao gồm:
- Tủ lạnh SANYO SR-5KR: chứa các mẫu thịt cần khảo sát ở điều kiện bảo quản TH1, TH2 và TH3.
- Tủ lạnh dung tích lớn: chứa các mẫu thịt cần khảo sát ở điều kiện bảo quản TH4. - Máy tạo độ ẩm TIROSS TS-843: dùng để bơm hơi nước vào bên trong tủ lạnh nhằm tăng độ ẩm trong quá trình tạo môi trường bảo quản TH2.
- Máy đo nhiệt độ và độ ẩm TigerDirect HMHTC-1: kiểm tra các thông số của môi trường bảo quản.
- Dung dịch cồn để vệ sinh tủ lạnh. - Dung dịch vệ sinh máy tạo độ ẩm.
- Máy đo pH có điện cực phẳng: dùng để kiểm tra giá trị pH trên mẫu thịt theo thời gian.
Hình 3.2. Mô hình lưu trữ mẫu thịt trong quá trình thực nghiệm.
Đồ thị ở Hình 3.3 và Hình 3.4 biễu diển nhiệt độ và độ ẩm ở ngăn dưới của tủ lạnh SANYO SR-5KR theo thời gian ở trạng thái bình thường cho đến khi đã kích hoạt máy tạo độ ẩm. Các đồ thị này là cơ sở để đưa ra quy trình tạo các môi trường bảo quản TH1, TH2, TH3 và TH4 trong quá trình thí nghiệm.
Hình 3.3. Nhiệt độngăn dưới của tủ lạnh SANYO SR-5KR theo thời gian (hoạt động ở mức 1).
Hình 3.4. Độẩm ởngăn dưới của tủ lạnh SANYO SR-5KR theo thời gian (hoạt động ở mức 1).
3.2. Hệ đo tầm đọc của cảm biến
Hệ đo tầm đọc của cảm biến RFID bao gồm các thành phần như cảm biến theo dõi chất lượng của thịt trong quá trình bảo quản (như đã nêu trong Phần 2.3), đầu đọc BLUEBOX UHF của hãng IDTRONIC (như đã nêu trong Phần 1.2) và máy vi tính có cài đặt trình điều khiển đầu đọc (driver), kèm theo đó là phần mềm ứng dụng BLUEBOX Polling (xem Hình 3.5).
Hình 3.5. Hệđo tầm đọc của cảm biến RFID được dán trên mẫu thịt.
Các thành phần này được kết nối với nhau như mô tả trong Hình 3.6. Trong đó, ăng- ten UHF được nối với đầu đọc bằng loại cáp chuyên dụng. Các thông số hoạt động của ăng-ten được liệu kê trong Bảng 3.2. Đầu đọc giao tiếp với máy vi tính theo chuẩn mạng TCP/IP bằng cáp mạng RJ-45.
Trước khi tiến hành đo đạc, chúng ta cần phải cấu hình một vài tham số trên máy vi tính và đầu đọc UHF. Các tham số này bao gồm địa chỉ card mạng trên máy vi tính, tần số hoạt động, công suất phát, tốc độ truy suất dữ liệu v.v… của đầu đọc.
Để có thể giao tiếp được với nhau, máy vi tính và đầu đọc phải cùng trong một mạng cục bộ (LAN). Do đó, phải cấu hình mạng của máy vi tính với các giá trị phù hợp như mô tả trong Hình 3.7. Cụ thể địa chỉ IP phải là 192.168.4.X (Subnet mask: 255.255.255.0). Trong đó, X nhận một giá trị trong khoảng từ 2 đến 254 và phải khác giá trị host-bits của
card mạng trên đầu đọc (mặc định là 200). Không cần thiết phải đặt Default gateway và
DNS server.
Hình 3.6. Kết nối các thành phần của hệđo tầm đọc cảm biến RFID.
Khi thiết lập các thông số trên đầu đọc, ta phải sử dụng chương trình BLUEBOX show
được cài đặt trên máy vi tính. Trước tiên, chạy chương trình BLUEBOX show và chú ý khai báo đúng các thông số IP và Port mặc định của đầu đọc như hướng dẫn trong Hình 3.8. Mặc định nhà sản xuất gán các giá trị tương ứng là 192.168.4.200 (Subnet Mask: 225.225.225.0) và 3000. Sau đó chọn biểu tượng “Connect”để kết nối với đầu đọc.
Bảng 3.2. Các thông số của ăng-ten UHF trên đầu đọc BLUEBOX [6]:
Tần số hoạt động 860 – 960 MHz
Phân cực Tuyến tính
Trở kháng 50 ῼ
Kết nối SMA, male
Kích thước 245x235x40 mm
Lớp bảo vệ IP 65
Cáp kết nối – Chiều dài RG58 – 3 m
Khoảng cách đọc Tối đa 10 m
Hình 3.7. Cấu hình mạng LAN trên máy vi tính để giao tiếp với đầu đọc chuyên dụng BLUEBOX UHF.
Hình 3.8. Kết nối với đầu đọc BLUEBOX UHF sử dụng chương trình BlueBox show. Khi kết nối thành công, màn hình hiển thị các thông tin tổng quan về thiết bị bao gồm tên, địa chỉ, chuẩn giao tiếp và các tham số truyền nhận dữ liệu, v.v… Đặc biệt, cần chú ý đến những thông số quan trọng trong mục RF Configuration như miền tần số hoạt động
(ETSI), công suất phát (30 dBm), cổng ăng-ten đang được kết nối (cổng số 1), hệ số phẩm chất Q (mặc định là 3) v.v…được hiển thị trong Hình 3.9.
Hình 3.9. Các thông số hoạt động của đầu đọc thẻ nhận dạng RFID chuyên dụng BLUEBOX UHF.
3.3. Quy trình đo tầm đọc của cảm biến
Môi trường đo tầm đọc của cảm biến trên thịt được thực hiện trong phạm vi của phòng bình thường. Do đó, chúng tôi đặt nhiệt độ của máy đều hòa xuống mức thấp nhất (khoảng 17 oC) và để quạt gió ở mức tối đa. Mục đích của việc này là tạo ra môi trường có nhiệt độ và độ ẩm gần nhất có thể với điều kiện bảo quản. Quan trọng hơn là hạn chế được ảnh hưởng của nhiệt độ và độ ẩm phòng lên hằng số điện môi của mẫu thịt. Ngoài ra cũng cần tắt các thiết bị di động và mạng không dây (wifi) của máy vi tính nhằm hạn chế tối đa ảnh hưởng của trường ngoài lên hoạt động của hệ thống RFID.
Trước khi tiến hành đo, chúng tôi đã chuẩn bị mẫu và dụng cụ cần thiết bao gồm các mẫu thịt bò được mua ở hệ thống siêu thị METRO, các cảm biến dự định khảo sát (thuộc họ TO-1), đầu đọc thẻ nhận dạng BLUEBOX UHF và ăngten, máy vi tính đã cài đặt sẵn trình điều khiển (driver) của đầu đọc và chương trình BLUEBOX Pollingnhư liệt kê trong
Bảng 3.3.
Tên dụng cụ Mô tả
Cảm biến RFID
thụ động
- Loại thẻ thụ động ở dãy tần UHF, theo tiêu chuẩn ISO 18000- 6C.
- Có mã TO-1
- Mỗi cảm biến gôm 2 cặp chíp và ăng-ten (được gọi là cặp 55 và cặp 61)có hướng bức xạ cực đại vuông góc nhau. Do đó nó sẽ có 2 ID nhận dạng khác nhau.
Các mẫu thịt bò mua từ METRO
- Thịt thăn bò tươi, ít mỡ.
- Diện tích bề mặt đủ để dán cặp cảm biến, đồng thời phải tương đối phẳng,đảm bảo độ dày từ 1 – 2 cm.
- Thời gian đóng gói khoảng 1-2 giờ trước khi mua.
- Các mẫu được bảo quản trong thùng lạnh trên đường vận chuyển từ METRO đến phòng thí nghiệm.
- Trong quá trình đo đạc, các mẫu được bảo quản ở các môi trường TH1, TH2, TH3 và TH4 tùy theo mục đích thí nghiệm.
Đầu đọc và ăng-
ten UHF
- Hoạt động ở dãy tần UHF.
- Công suất phát của đầu đọc là 30 dBm, tương đương với 1 W (EIRP).
Máy vi tính - Có cài đặt trình điều khiển của đầu đọc và phần mềm BLUEBOX Polling.
- Cấu hình card mạng LAN như hướng dẫn trong Phần 3.2.
Cách đo đạc và đánh số phương, chiều của tầm đọc cảm biến trong không gian ba chiều được mô tả như trong Hình 3.10. Theo đó, hai hướng 1 và 2 (chính diện trước và sau) của mẫu được xác định theo vị trí tương đối song song nhau giữa ăng-ten của đầu đọc và mẫu thịt có dán cảm biến. Sau khi đo tầm đọcở hai hướng này, chúng tôi tiếp tục đo tầm đọc ở các hướng từ 3 đến 6 (quy ước đánh thứ tự theo chiều kim đồng hồ). Khi đó mẫu thịt có dán cảm biến sẽ được đặt vuông góc với ăng-ten của đầu đọc và song song với mặt đất.
Hình 3.10. Quy ước phương và chiều của tầm đọc của cảm biến RFID được dán trên các mẫu thịt.
Khi đo tầm đọc của cảm biến theo một hướng nào đó, ta đưa mẫu thịt (có dán cảm biến) ở chiều cao ngang với ăng-ten của đầu đọc và dần dần di chuyển từ khoảng cách xa tiến lại gần ăng-ten này (xem Hình 3.11). Khi nghe tiếng bíp phát ra từ đầu đọc, nghĩa là đã có 1 mã mới được đọc (xem Hình 3.12) thì dừng lại và ghi tầm đọc tương ứng vào bảng báo cáo. Thực hiện tương tự đối với tất cả các chiều còn lại của cảm biến đó. Sau đó, lần lượt thay bằng các cảm biến kháccho đến khi tất cả chúng đều được khảo sát.
Trong điều kiện cho phép, chúng tôi tiến hành đo tầm đọc của cảm biến sau mỗi 12 giờ và kéo dài trong thời gian 7 ngày liên tiếp trong trường hợp mẫu được bảo quản ở nhiệt độ cao và gần 8 ngày cho trường hợp ở điều kiện nhiệt độ thấp.
Hình 3.12. Mã số của các cảm biến RFID được quét và hiển thị trên màng hình sử dụng phần mềm BLUEBOX Polling.
3.4. Kết quảđo tầm đọc của cảm biến
Trong đợt đo đầu tiên, chúng tôi đã sử dụng các mẫu thịt bò được bảo quản ở môi trường TH1 (nhiệt độ 5 ± 1 oC, độ ẩm 50 ± 5 %). Mục đích của lần khảo sát này là xác định thời điểm hỏng của các mẫu thịt được bảo quản ở điều kiện nhiệt độ và độ ẩm tương tự như trên thực tế tại các cửa hàng và siêu thị kinh doanh thịt, đồng thời so sánh kết quả đo thực nghiệm với kết quả mô phỏng bằng phần mềm thương mại CST Microware Studio.
Theo tiêu chuẩn về công nghệ RFID được đề xuất bởi tổ chức GS1, công suất cực đại ở dãy tần UHF được cho phép ở Việt Nam là 2 W (ERP), tương đương với 3.28 W (EIRP). Trường hợp sử dụng công suất cao hơn sẽ do Bộ Thông tin và Truyền thông
(MIC) cấp phép và quản lý. Trên cơ sở đó, chúng tôi tiến hành quy đổi tầm đọc của cảm biến RFID sang trường hợp sử dụng đầu đọc có công suất hoạt động tối đa 3.28 W.
Kết quả sau khi quy đổi, tầm đọc của các cảm biến RFID dao động từ vài chục centimét đến gần 2 mét. Nhờ đó, khả năng ứng dụng của cảm biến này vào thực tiễn sẽ cao hơn.
Hình 3.13. Đồ thị biểu diễn tầm đọc của cảm biến RFID có mã TO-1 được dán trên thịt theo thời gian bảo quản.
Hình 3.13 biểu diễn kết quả mô phỏng và đo đạc thực tế của tầm đọc cảm biến 55 và cảm biến 61 trên TO-01 theo thời gian bảo quản mẫu ở điều kiện TH1. Dễ dàng nhận thấy các đường tầmđọc đều có hình dạng đặc trưng. Tầm đọc có giá trị cao khi các mẫu thịt còn ở trạng thái tươi và giảm xuống giá trị tối thiểu sau khoảng 120 giờ bảo quản, tương ứng với thời điểm mẫu thịt có giá trị hằng số điện môi tăng cao nhất ε = 61.80 + j23.98. Chênh lệch giữa giá trị cực đại và cực tiểu của tầm đọc là khá cao (khoảng gần 1 mét). Như vậy, ta có thể đưa ra kết luận ban đầu là thời điểm hỏng của mẫu thịt được xác định bởi cảm biến RFID là khoảng sau 120 giờ bảo quản. Kết quả này là khá tương đồng với kết quả mô phỏng bằng phần mềm thương mại.
Lặp lại phép đo nhiều lần, ta thu được kết quả như mô tả trong Hình 3.14. Theo đó, độ lặp lại của tầm đọc của các cảm biến RFID (kể cả cảm biến 55 và cảm biến 61) trong
việc xác định thời điểm hư hỏng của các mẫu thịt khác nhau là khá tốt. Hình dạng của các đường tầm đọc cũng rấttương đồng nhau.
Hình 3.14. Độ lặp lại của tầm đọc cảm biến RFID có mã TO-1 được dán trên mẫu thịt theo thời gian bảo quản.
Tầm đọc của cảm biến cũng dao động trong khoảng từ vài chục centimét đến hơn 1 mét. Tuy nhiên, trên cùng một cặp cảm biến thì tầm đọc của cảm biến 55 là cao hơn so với cảm biến 61. Chúng tôi cũng xin nhắc lại là hai cảm biến này có phương tầm đọc cực đại vuông góc nhau bởi vì chúng có thiết kế khác nhau. Như vậy, với mỗi cặp cảm biến RFID dán trên mẫu thịt thì chúng ta có thể sử dụng các đầu đọc RFID chuyên dụng để đo tầm đọc của nó trên cả hai hướng vuông góc nhau. Kết quả hoạt động của từng cảm biến riêng biệt trên mỗi hướng đều xác định cùng một thời điểm hỏng của mẫu là khoảng sau 120 giờ bảo quản.
Giá trị sai số phổ biến của giá trị tầm đọc đo đạc thực nghiệm là ± 15 cm. Khoảng sai số này là có thể chấp nhận được khi triển khai ứng dụng.
Chương 4. ẢNH HƯỞNG CỦA ĐIỀU KIỆN BẢO QUẢN LÊN HOẠT ĐỘNG CỦA
CẢM BIẾN RFID
Tính chất điện môi của mẫu thịt phụ thuộc vào nhiều yếu tố khác nhau. Trong đó, một số yếu tố quan trọng có mức độảnh hưởng lớn như nhiệt độmôi trường, độ ẩm tương đối của môi trường, tần số và thành phần cấu tạo bên trong của thịt(như hàm lượng ẩm, chất đạm, chất béo, v.v…). Như vậy, một cách gián tiếp hay trực tiếp các yếu tố này cũng gây ra ảnh hưởng lên hoạt động của cảm biến RFID khi nó được dán lên bề mặt mẫu thịt. Ngoài ra, sự tương tác trường điện từ giữa các cảm biến (thẻ nhận dạng RFID) khi chúng được đặt gần nhau cũng gây ra ảnh hưởng đến tầm đọc của các cảm biến này. Vì vậy, trong Chương 4 này, chúng tôi cũng tiến hành khảo sát vị trí sắp xếp của các mẫu thịt (như các mẫu thịt được đặt thàng hàng ngang hay được chồng thẳng đứng) nhằm kiểm chứng và đánh giá mức độ ảnh hưởng lên tầm đọc của các cảm biến.
4.1. Ảnh hưởng của độẩm bảo quản mẫu thịt
Trong thịt bò, nước thường chiếm tỉ lệ rất cao (thường trên 70 %) [23]. Vì vậy, nước là thành phần có ảnh hưởng rất lớn đến tính chất điện môi của thịt.
Các lưỡng cực nước có tính định hướng khi được đặt trong một điện trường E như mô tả trong Hình 4.1. Khi đó, sự dao động của các lưỡng cực này làm cho nó dễ dàng hấp thụ năng lượng của trường ngoài.
(a) (b)
Hình 4.1. Sựđịnh hướng của các phân tửnước tựdo (a) và dưới tác dụng của trường ngoài (b).
Trong quá trình bảo quản, hơi nước sẽ đồng thời dịch chuyển từ môi trường không khí vào thực phẩm (gọi là quá trình hấp thụ - absorption) và ngược lại (gọi là quá trình giải hấp thụ -desorption). Hai quá trình này phụ thuộc vào các yếu tố bên trong thực phẩm (độ ẩm, thành phần) và điều kiện của môi trường bảo quản bên ngoài (nhiệt độ và độ ẩm). Ở một nhiệt độ cố định, hàm lượng ẩm bên trong thực phẩm thay đổi cho đến khi đạt giá trị
cân bằng với độ ẩm trong không khí. Khi đó, giá trị này được gọi là độ ẩm cân bằng của thực phẩm và độ ẩm tương đối của không khí gọi là độ ẩm tương đối cân bằng. Hình 4.2