3. Các đặc điểm củamột hệ thốngRFID
4.3 Giao tiếp giữa thiết bị đọc thẻ và thẻ
Tùy thuộc vào kiểu thẻ sử dụng, giao tiếp truyền thơng tin giữa một reader và một thẻ có thể là một trong các cách dưới đây:
• Kiểu điều chế backscatter • Kiểu transmitter
• Kiểu transponder
Trước khi đi vào từng kiểu giao tiếp truyền thơng đó, ta sẽ tìm hiểu qua về hai khái niệm là “ trường gần ” và “trường xa”. Khu vực nằm giữa một anten của
PHẠM QUỐC TUÂN: Cao học ĐT K3 34
reader và một bước sóng đầy đủ của sóng RF được phát ra từ anten được gọi là trường gần. Còn khu vực nằm ở phía ngồi bước sóng đầy đủ đó thì được gọi là trường xa. Các hệ thống RFID thụ động hoạt động tại các tần số LF và HF thì sử dụng liên lạc trường gần, còn tại các tần số UHF thì sử dụng liên lạc trường xa. Cường độ của tín hiệu trong liên lạc trường gần bị giảm đi một lượng bằng lũy thừa bậc ba của khoảng cách tới anten của reader. Cịn trong trường xa, nó giảm đi một lượng bằng bình phương của khoảng cách tới anten củareader. Từ đó dẫn đến một hệ quả là, liên lạc trường xa sẽ phù hợp hơn với phạm vi đọc lớn hơn so với liên lạc trường gần. Dưới đây là các hình ảnh minh họa trường gần và trường xa:
Hình 1.20 Trường gần và trường xa
Tiếp theo ta sẽ đi so sánh sự giống nhau cũng như khác nhau giữa hai thao tác “đọc thẻ” và “ghi thẻ” với các thẻ có khả năng ghi được nên nó, ví dụ thẻ EM4150 của hãng EM microelectronic.Thao tác “ ghi thẻ ” sẽ mất nhiều thời gian hơn thao tác “đọc thẻ” dưới cùng mộtđiều kiện bởi vì một thao tác ghi bao gồm nhiều bước, cụ thể là bao gồm, bước kiểm tra khởi tạo, bước xóa đi bất cứ dữ liệu gì đang tồn tại trên thẻ, bước ghi dữ liệu mới lên thẻ, và bước kiểm tra cuối cùng.
PHẠM QUỐC TUÂN: Cao học ĐT K3 35
Ngoài ra, dữ liệu được ghi lên thẻ thành các khối theo nhiều bước. Và kết quả là, với thao tác ghi lên một thẻ độc lập có thể mất tới hàng trăm mili giây để hồn thành và thời gian đó sẽ tăng lên khi kích thước dữ liệu tăng lên. Trái ngược lại với điều đó, thì nhiều thẻ có thể được đọc trong cùng khoảng thời gian bởi cùng một reader. Bởi vậy, thao tác ghi thẻ là một quá trình nhạy cảm và cần phải xác định thẻ đích, cụ thể là thẻ mà ta sẽ thực hiện thao tác ghi lên. Nên, trong suốt thao tác ghi thẻ, bất cứ thẻ nào khác không phải là thẻ đích thì ta khơng nên để trong phạm vi ghi của reader
4.3.1 Kiểu điều chế backscatter
Phương pháp truyền thông tin theo kiểu điều chế backscatter được triển khai với cả các thẻ thụ động cũng như là với các thẻ bán tích cực. Trong kiểu truyền thông tin này, reader gửi đi một tín hiệu sóng liên tục (CW) RF có bao gồm thêm tín hiệu năng lượng điện xoay chiều và tín hiệu xung tới thẻ tại tần số của sóng mang (là tần số mà tại đó reader hoạt động). Thơng qua đầu nối vật lý, anten của thẻ sẽ cung cấp năng lượng tới vi chip trên thẻ. Thông thường để phục vụ cho mục đích đọc thẻ,thành phần vi chip phải được đưa lên tới mức điện áp 1.2 vơn. Cịn để thực hiện ghi, vi chip thường phải đưa lên khoảng 2.2 vơn từ tín hiệu của reader. Sau đó vichip thực hiện điều chế hoặc phân chia tín hiệu đầu vào thành một dãy các mẫu on và off biểu thị dữ liệu của nó và thực hiện truyền dữ liệu đó trở lại. Khi reader nhận được tín hiệu đã được điều chế này, nó thực hiện giải mã mẫu và nhận được dữ liệu trên thẻ.
Do đó, trong phương pháp truyền thơng tin theo kiểu điều chế backscatter, reader luôn luôn phải thực hiện "bắt chuyện" trước, tiếp sau đó mới tới phiên thẻ. Thẻ sử dụng kiểu truyền thông này sẽ không thể liên lạc được tại các thời điểm vắng mặt reader bởi vì nó phụ thuộc vào lượng năng lượng có trên reader để truyền dữ liệu của bản thân nó. Hình dưới minh họa kiểu truyền thông backscatter.
PHẠM QUỐC TUÂN: Cao học ĐT K3 36
Hình 1.21 Điều chế backscatter
4.3.2 Kiểu transmitter
Kiểu truyền thông tin này chỉ được triển khai với các thẻ tích cực. Trong kiểu truyền thơng này, thẻ phát đi các thơng điệp của nó tới mơi trường xung quanh theo các khoảng cách chuẩn, bất chấp có sự hiện diện hay vắng mặt reader. Do đó, trong kiểu truyền thông tin này, thẻ luôn luôn phải thực hiện "bắt chuyện" trước reader. Hình dưới minh họa phương pháp truyền thông tin theo kiểu transmitter
.
Hình 1.22: Kiểu transmitter
4.3.3 Kiểu transponder
Kiểu truyền thông tin này được triển khai với kiểu thẻ đặc biệt có tên gọi là transponder. Trong kiểu truyền thông tin này, thẻ thường ở trạng thái "ngủ" khi khơng có truy vấn từ bất cứ reader nào. Trong trạng thái này, thẻ phải gửi đi theo
PHẠM QUỐC TUÂN: Cao học ĐT K3 37
chu kỳ một thông điệp để kiểm tra xem có reader nào đang lắng nghe nó khơng. Khi một reader nhận được chẳng hạn một thơng điệp truy vấn, nó có thể "đánh thức" thẻ để nó kết thúc trạng thái ”ngủ”. Khi thẻ nhận được lệnh này từ reader, nó thốt khỏi trạng thái hiện tại và bắt đầu hoạt động trở lại như một thẻ transmitter ở trên. Dữ liệu trên thẻ chỉ được gửi đi khi có một reader cụ thể truy vấn nó. Hình dưới chỉ ra kiểu truyền thơng tin transponder .
PHẠM QUỐC TUÂN: Cao học ĐT K3 38
PHẠM QUỐC TUÂN: Cao học ĐT K3 39
Hình 1.25 Anten UHF phân cực tuyến tính của reader được sản xuất bởi Alien Technology
Bây giờ chúng ta sẽ tìm hiểu qua một vài khái niệm rất quan trọng của anten, đó là vùng phủ sóng của anten, sự phân cực của anten và năng lượng của anten. Chú ý rằng, ở đây nói đề cập đến các vấn đề chung về anten , tức là nó có thể liên quan đến cả anten của thẻ và anten của reader.
4.4.1Vùng phủ sóng của anten
Vùng phủ sóng của anten reader chính là vùng đọc (cũng được gọi với cái tên khác là,c ửa sổ đọc) của reader đó. Nói chung, vùng phủ sóng của một anten là một miền ba chiều có hình dạng phần nào đó giống với một hình elip tròn xoay. Trong miền này, năng lượng của anten là hiệu dụng nhất; do đó, một reader có thể đọc được một thẻ đặt ở phía trong miền này mà ít gặp khó khăn nhất. Hình dưới minh họa một ví dụ mẫu về vùng phủ sóng của anten.
PHẠM QUỐC TUÂN: Cao học ĐT K3 40
Hình 1.27: Một ví dụ về mơ hình anten có chứa các biện dạng lồi
4.4.2 Sự phân cực của anten
Khơng giống như các sóng nước, các sóng điện từ không bị ảnh hưởng bởi lực hấp dẫn, và điện trường tại các điểm có thể trong bất cứ hướng nào trên mặt phẳng vuông góc với hướng truyền. Nên thơng thường các anten định hướng phân cực thẳng theo chiều dọc hoặc theo chiều ngang (như minh họa ở hình dưới đây).
Hình 1.28 Phân cực tuyến tính
Hướng phân cực ủa nó cũng có khả năng phụ thuộc vào thời gian. Ví dụ, trường điện từ có thể xoay xung quanh một trục mà nó lan truyền là một hàm phụ
PHẠM QUỐC TUÂN: Cao học ĐT K3 41
thuộc vào thời gian, nếu như khơng có sự thay đổi về biên độ của nó, thì sẽ tạo ra một bức xạ phân cực trịn (Như hình dưới đây).
Hình 1.29 Phân cực trịn
Bức xạ phân cực trịn có thể được coi như là tổng hợp của các sóng phân cực dọc và phân cực ngang có sự sai khác 90 độ về pha. Bằng cách điều chỉnh tỷ lệ của các thành phần ngang và dọc, và mối quan hệ về pha giữa chúng, chúng ta có thể tạo ra các sóng phân cực elip được định hướng tùy ý.
Tầm quan trọng của phân cực trong RFID: nhiều anten của các thẻ RFID bao gồm chủ yếu là các đường dây kim loại đi theo cùng một hướng. Nếu như điện trường được định hướng dọc theo dây, thì nó có thể hoạt động để đẩy các electron quay trở lại và tiến về phía trước từ một đầu của dây dẫn tới một dây khác, để tạo ra một điện áp nuôi chip trên thẻ hoạt động. Nếu như điện trường được định hướng vng góc với trục của dây, thì nó chỉ đơn thuần dich chuyển các electron quay lại và tiến lên trước dọc theo đường kính của dây, thì sẽ khơng tạo ra điện áp để nuôi chip của thẻ.
PHẠM QUỐC TUÂN: Cao học ĐT K3 42
Hình 1.30 Sóng phân cực tuyến tính tương tác với anten tuyến tính
Khi một sóng phân cực trịn đi tới một anten tuyến tính, thì chỉ có các thành phần dọc theo trục của anten là có hiệu ứng nào đó xảy ra. Do đó, một sóng phân cực trịn sẽ tương tác với một anten tuyến tính tại bất cứ góc nghiêng nào trong mặt phẳng vng góc với trục lan truyền, nhưng trong mọi trường hợp thì chỉ có một nửa năng lượng truyền đi là được nhận.
PHẠM QUỐC TUÂN: Cao học ĐT K3 43
Hình 1.31 Sóng phân cực trịn tương tác với anten tuyến tính
Nên cách tiếp cận tốt nhất để chế tạo các thẻ phân cực độc lập là kết hợp hai anten lưỡng cực lên trên một thẻ được định hướng trực giao với một cái khác; các thẻ đó được biết đến như là các thiết kế lưỡng cực đôi (cái này đã nói qua ở phần anten của thẻ).
Với các anten của reader chúng ta cần chú ý rằng, khả năng đọc thẻ, khoảng cách đọc thẻ là phụ thuộc rất nhiều vào sự phân cực của anten reader và góc tạo với thẻ. Với các loại reader hoạt động tại các tần số UHF thì các anten của nó được chế tạo dựa trên cả hai kiểu phân cực: phân cực thẳng và phân cực tròn.
4.4.3 Năng lượng của anten
Đơn vị đo lường năng lượng phát xạ của anten có tên gọi là ERP đối với các nước châu âu và là EIRP đối với Hoa Kỳ. ERP và EIRP không giống nhau nhưng được liên hệ với nhau bởi hệ thức EIRP = 1.64 ERP. Giá trị lớn nhất có thể của
PHẠM QUỐC TUÂN: Cao học ĐT K3 44
năng lượng anten được điều chỉnh giới hạn bởi các quốc gia và quốc tế (ví dụ, làFCC với Hoa Kỳ).