6. Kết cấu của đề tài
2.1 Giới thiệu chung về nhận dạng vô tuyến RFID
2.1.1 Lịch sử phát triển của hệ thống RFID
Các công nghệ ngày nay luôn hướng tới sự đơn giản, tiện lợi và đặc trưng luôn được ưu tiên hàng đầu là khả năng không dây (wireless). Thiết bị không dây càng ngày càng phát triển rộng rãi làm cho con người được giải phóng, tự do và thoải mái hơn. Công nghệ RFID ra đời đã tạo ra cuộc cách mạng trong môi trường tương tác hiện nay.
RFID là một trong những kỹ thuật được đánh giá cao và phát triển nhanh chóng trong khoảng thời gian ngắn. Lần đầu tiên một công nghệ tương tự đó là bộ tách sóng IFF (Identification Friend or Foe) được phát minh năm 1937 bởi người Anh và được quân đồng minh sử dụng trong Thế Chiến lần thứ II để nhận dạng máy bay ta và địch. Kỹ thuật này trở thành nền tảng cho hệ thống kiểm soát không lưu thế giới vào thập niên 50. Nhưng trong khoảng thời gian này do chi phí quá cao và kích thước quá lớn của hệ thống nên chúng chỉ được sử dụng trong quân đội, phòng nghiên cứu và những trung tâm thương mại lớn.
Hình 2.2. Lịch sử phát triển RFID giai đoạn 1960-1990
Cuối thập niên 60 và đầu thập niên 70, bắt đầu xuất hiện những công ty giới thiệu những ứng dụng mới cho RFID mà không quá phức tạp và đắt tiền. Ban đầu phát triển những thiết bị giám sát điện tử (Electronic Article Surveillance - EAS) để kiểm soát hàng hóa chẳng hạn như quần áo hay sách trong thư viện. Kỹ thuật RFID ngày càng được nhiều người biết đến trong những thập niên 60 và 70, bắt đầu xuất hiện nhiều hơn ứng dụng của kỹ thuật này trong nhiều mặt của cuộc sống. Kỹ thuật này càng được hoàn thiện, từ nhận biết trở thành nhận dạng. Đến năm 1973, Mario Cardullo (USA) chính thức trở thành người đầu tiên hoàn thiện công nghệ RFID.Việc khảo sát tỉ mỉ kỹ thuật radio được đem nghiên cứu và phát triển trong các hoạt động thương mại cho đến thập niên 1960 và tiến triển rõ vào những năm 1970 bởi các công ty, học viện và chính phủ Mỹ. Chẳng hạn, Bộ năng lượng Los Alamos Nation Laboratory đã phát triển hệ thống theo dõi nguyên liệu hạt nhân bằng cách đặt thẻ vào xe tải và đặt các reader tại các cổng của bộ phận bảo vệ. Đây là hệ thống được sử dụng ngày nay trong các hệ thống trả tiền lệ phí tự động. Kỹ thuật này cải tiến so với các kỹ thuật trước như các mã vạch trên hàng hóa và các thẻ card viền có tính từ.
RFID tiên tiến vào đầu những năm 80, có những ứng dụng rộng rãi trong việc kiểm soát xe tại Mỹ hay đánh dấu đàn gia súc tại Châu Âu. Hệ thống RFID cũng được ứng dụng trong việc nghiên cứu đời sống hoang dã, các thẻ RFID được gắn vào trong những con vật, nhờ đó có thể lần theo dấu vết của chúng trong môi trường hoang dã. Đến thập niên 90, khi mà tần số UHF được sử dụng và thể hiện được những ưu điểm của mình
về khoảng cách và tốc độ truyền dữ liệu thì công nghệ RFID đã đạt được những thành tựu rực rỡ.
Hình 2.3. Lịch sử phát triển RFID giai đoạn 1990-2009
Mặc dù những nguyên lý cơ bản của kỹ thuật RFID đã tồn tại từ thời Marconi nhưng chúng ta chỉ mới bắt đầu bàn đến những tiềm năng to lớn của nó từ cuối thế kỷ 20. Những năm đầu của thế kỷ 21 đã đánh dấu những điểm mốc chuyển biến quan trọng của RFID. Kỹ thuật RFID hiện nay đang được sử dụng trong cả khu vực kinh tế tư nhân và nhà nước, từ việc theo dõi sách trong thư viện đến việc xác nhận một chiếc chìa khóa khởi động xe. Các nhà bán lẽ tầm cỡ đang yêu cầu các nhà cung cấp lớn sử dụng thẻ RFID, cùng với những tiến bộ kỹ thuật và giảm giá cả đã thúc đẩy sự phát triển của RFID.
Tại Việt Nam hiện nay, nhu cầu sử dụng RFID ngày càng nhiều và mở ra một thị trường vô cùng tiềm năng cho các nhà nghiên cứu, sinh viên và các nhà sản xuất. Tuy nhiên để có thể vận dụng và phát triển một hệ thống, chúng ra cũng cần phải có sự hiểu biết nhất định về chúng.
2.1.2 Khái niệm RFID
RFID (Radio Frequency Identification) là công nghệ xác nhận dữ liệu đối tượng bằng sóng vô tuyến để nhận dạng, theo dõi và lưu thông tin trong một thẻ (Tag). Reader quét dữ liệu thẻ và gửi thông tin đến cơ sở dữ liệu lưu trữ dữ liệu của thẻ.
Kỹ thuật RFID có liên quan đến hệ thống không dây cho phép một thiết bị đọc thông tin được chứa trong một chip không tiếp xúc trực tiếp ở khoảng cách xa mà không
thực hiện bất kỳ giao tiếp vật lý nào hoặc yêu cầu một sự nhìn thấy giữa hai cái. Nó cho ta phương pháp truyền và nhận dữ liệu từ một điểm đến điểm khác.
Dạng đơn giản nhất được sử dụng hiện nay hệ thống RFID bị động làm việc như sau: một RFID reader truyền một tín hiệu tần số vô tuyến điện từ qua antenna của nó đến một con chip không tiếp xúc. Reader nhận thông tin trở lại từ chip và gửi nó đến máy tính điều khiển đầu đọc và xử lý thông tin tìm được từ con chip. Các con chip không tiếp xúc, không tích điện, chúng hoạt động bằng cách sử dụng năng lượng chúng nhận từ tín hiệu được gửi bởi một reader.
Kỹ thuật RFID sử dụng truyền thông không dây trong dải tần sóng vô tuyến để truyền dữ liệu từ các thẻ đến các reader. Thẻ có thể được đính kèm hoặc gắn vào đối tượng được nhận dạng chẳng hạn sản phẩm, hộp hoặc pallet.
2.2 Các thành phần của một hệ thống RFID
Các thành phần chính trong hệ thống RFID là thẻ, reader và cơ sở dữ liệu. Một hệ thống RFID toàn diện bao gồm bốm thành phần:
- Thẻ RFID (RFID Tag, Transponder - bộ phát đáp) được lập trình điện tử với thông tin duy nhất.
- Các reader (đầu đọc) hoặc sensor (cái cảm biến) để truy vấn các thẻ. - Antenna thu, phát sóng vô tuyến.
- Host computer - server, nơi mà máy chủ và hệ thống phần mềm giao diện với hệ thống được tải. Nó cũng có thể phân phối phần mềm trong các reader và cảm biến. Cơ sở hạ tầng truyền thông: là thành phần bắt buộc, nó là một tập gồm cả hai mạng có dây và không dây và các bộ phận kết nối tuần tự để kết nối các thành phần đã liệt kê ở trên với nhau để chúng truyền với nhau hiệu quả.
Hình 2.4. Hệ thống RFID toàn diện
2.2.1 Thẻ RFID
Thẻ RFID (bộ phát đáp - transpoder), thiết bị lưu trữ dữ liệu thực tế của một hệ thống RFID, thường bao gồm một phần tử kết nối (Coupling element) và một vi chíp điện tử.
Hình 2.5. Layout của thiết bị mang dữ liệu, transponder.
Hình bên trái transponder ghép cảm ứng với antenna cuộn dây, hình bên phải transponder viba với antenna dipole.
Thẻ gồm có 2 phần chính:
- Chip: lưu trữ một số thứ tự duy nhất hoặc thông tin khác dựa trên loại thẻ: read- only, read-write, hoặc write-once-read-many.
- Antenna được gắn với vi mạch truyền thông tin từ chip đến reader. Antenna càng lớn cho biết phạm vi đọc càng xa.
Các thẻ RFID được phân loại dựa trên việc thẻ có chứa một cung cấp nguồn gắn bên trong hay là được cung cấp bởi thiết bị chuyên dụng:
- Thụ động (Passive). - Tích cực (Active).
- Bán tích cực (Semi-active, còn gọi bán thụ động - semi-passive).
Thẻ thụ động
Hình 2.6. Cấu trúc của một thẻ thụ động
Loại thẻ này không có nguồn bên trong (on-board), sử dụng nguồn nhận được từ reader để tự tiếp sinh lực hoạt động và truyền dữ liệu được lưu trữ trong nó cho reader. Thẻ thụ động có cấu trúc đơn giản và không có các thành phần động. Thẻ như thế có một thời gian sống dài và thường có sức chịu đựng với điều kiện môi trường khắc nghiệt.
Đối với loại thẻ này, khi thẻ và reader truyền thông với nhau thì reader luôn truyền trước rồi mới đến thẻ. Cho nên bắt buộc phải có reader để thẻ có thể truyền dữ liệu của nó.
Thẻ thụ động được đọc ở khoảng cách từ 11cm ở trường gần (ISO 14443), đến 10m ở trường xa (ISO 18000-6), và có thể lên đến 183m khi kết hợp với ma trận.
Thẻ thụ động nhỏ hơn và cũng rẻ hơn thẻ tích cực hoặc bán tích cực.
Thẻ tích cực
Hình 2.7. Một số loại thẻ tích cực
Thẻ tích cực có một nguồn năng lượng bên trong (chẳng hạn một bộ pin hoặc có thể là những nguồn năng lượng khác như sử dụng nguồn năng lượng mặt trời) và điện tử học để thực thi những nhiệm vụ chuyên dụng. Thẻ tích cực sử dụng nguồn năng lượng bên trong để truyền dữ liệu cho reader. Nó không cần nguồn năng lượng từ reader để truyền dữ liệu. Điện tử học bên trong gồm bộ vi mạch, cảm biến và các cổng vào/ra được cấp nguồn bởi nguồn năng lượng bên trong nó.
Đối với loại thẻ này, trong quá trình truyền giữa thẻ và reader, thẻ luôn truyền trước, rồi mới đến reader. Vì sự hiện diện của reader không cần thiết cho việc truyền dữ liệu nên thẻ tích cực có thể phát dữ liệu của nó cho những vùng lân cận nó thậm chí trong cả khi reader không có ở đó. Khoảng cách đọc của thẻ tích cực là 100 feet (xấp xỉ 30,5 m) hoặc hơn nữa khi máy phát tích cực của loại thẻ này được dùng đến.
Thẻ bán tích cực (bán thụ động)
Thẻ bán tích cực có một nguồn năng lượng bên trong (chẳng hạn là bộ pin) và điện tử học bên trong để thực thi những nhiệm vụ chuyên dụng. Nguồn bên trong cung cấp sinh lực cho thẻ hoạt động. Tuy nhiên trong quá trình truyền dữ liệu, thẻ bán tích cực sử dụng nguồn từ reader. Thẻ bán tích cực được gọi là thẻ có hỗ trợ pin (battery-assisted tag).
Hình 2.8. Cấu trúc của một thẻ bán tích cực
Đối với loại thẻ này, trong quá trình truyền giữa thẻ và reader thì reader luôn truyền trước rồi đến thẻ. Tại sao sử dụng thẻ bán tích cực mà không sử dụng thẻ thụ động? Bởi vì thẻ bán tích cực không sử dụng tín hiệu của reader như thẻ thụ động, nó tự kích động, nó có thể đọc ở khoảng cách xa hơn thẻ thụ động. Bởi vì không cần thời gian tiếp sinh lực cho thẻ bán tích cực, thẻ có thể nằm trong phạm vi đọc của reader ít hơn thời gian đọc quy định (không giống như thẻ thụ động). Vì vậy nếu đối tượng được gắn thẻ đang di chuyển ở tốc độ cao, dữ liệu thẻ có thể vẫn được đọc nếu sử dụng thẻ bán tích cực. Thẻ bán tích cực cũng cho phép đọc tốt hơn ngay cả khi gắn thẻ bằng những vật liệu chắn tần số vô tuyến (RF-opaque và RF-absorbent). Sự có mặt của những vật liệu này có thể ngăn không cho thẻ thụ động hoạt động đúng dẫn đến việc truyền dữ liệu không thành công. Tuy nhiên, đây không phải là vấn đề khó khăn đối với thẻ bán tích cực.
Phạm vi đọc của thẻ bán tích cực có thể lên đến 100 feet (xấp xỉ 30,5m) với điều kiện lý tưởng.
Việc phân loại tiếp theo dựa trên khả năng hỗ trợ ghi chép dữ liệu: - Chỉ đọc (RO)
- Ghi một lần, đọc nhiều lần (WORM) - Đọc - Ghi (RW)
Thẻ read only (RO)
Thẻ RO có thể được lập trình (tức là ghi dữ liệu lên thẻ RO) chỉ một lần. Dữ liệu có thể được lưu vào thẻ tại xí nghiệp trong lúc sản xuất. Việc này được thực hiện như sau: các fuse riêng lẻ trên vi mạch của thẻ được lưu cố định bằng cách sử dụng chùm tia laser. Sau khi thực hiện xong, không thể ghi đè dữ liệu lên thẻ được nữa. Thẻ này được
gọi là factory programmed. Nhà sản xuất loại thẻ này sẽ đưa dữ liệu lên thẻ và người sử dụng thẻ không thể điều chỉnh được. Loại thẻ này chỉ tốt đối với những ứng dụng nhỏ mà không thực tế đối với quy mô sản xuất lớn hoặc khi dữ liệu của thẻ cần được làm theo yêu cầu của khách hàng dựa trên ứng dụng. Loại thẻ này được sử dụng trong các ứng dụng kinh doanh và hàng không nhỏ.
Thẻ read write (RW)
Thẻ WORM có thể được ghi dữ liệu một lần, mà thường thì không phải được ghi bởi nhà sản xuất mà bởi người sử dụng thẻ ngay lúc thẻ cần được ghi. Tuy nhiên trong thực tế thì có thể ghi được một số lần (khoảng 100 lần). Nếu ghi quá số lần cho phép, thẻ có thể bị phá hỏng vĩnh viễn. Thẻ WORM được gọi là field programmable.
Loại thẻ này có giá cả và hiệu suất tốt, có chức năng an toàn dữ liệu và là loại thẻ phổ biến nhất trong lĩnh vực kinh doanh ngày nay.
Thẻ read write (RW)
Thẻ RW có thể ghi dữ liệu được nhiều lần, khoảng từ 10.000 đến 100.000 lần hoặc có thể hơn nữa. Việc này đem lại lợi ích rất lớn vì dữ liệu có thể được ghi bởi reader hoặc bởi thẻ (nếu là thẻ tích cực). Thẻ RW gồm thiết bị nhớ Flash và FRAM để lưu dữ liệu. Thẻ RW được gọi là field programmable hoặc reprogrammable. Sự an toàn dữ liệu là một thách thức đối với thẻ RW. Thêm vào nữa là loại thẻ này thường đắt nhất. Thẻ RW không được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng ngày nay, trong tương lai có thể công nghệ thẻ phát triển thì chi phí thẻ sẽ giảm xuống.
2.2.2 Reader
Một reader điển hình chứa một module tần số vô tuyến (máy phát và máy thu) là một đơn vị điều khiển và là phần tử kết nối đến bộ phát đáp. Ngoài ra các reader còn được gắn với một giao diện bổ sung (RS232, RS485…) để chúng có thể chuyển tiếp dữ liệu đọc được đến một hệ thống khác (PC, hệ thống điều khiển robot…).
Reader RFID được gọi là vật tra hỏi (interrogator), là một thiết bị đọc và ghi dữ liệu các thẻ RFID tương thích. Hoạt động ghi dữ liệu lên thẻ bằng reader được gọi là tạo thẻ. Quá trình tạo thẻ và kết hợp thẻ với một đối tượng được gọi là đưa thẻ vào hoạt động (commissioning the tag).
Reader là hệ thần kinh trung ương của toàn hệ thống, phần cứng RFID thiết lập việc truyền với thành phần này và điều khiển nó, là thao tác quan trọng nhất của bất kỳ thực thể nào muốn liên kết với thực thể phần cứng này.
Một reader có cấu trúc layout như Hình 1.14 dưới đây:
Hình 2.9. Cấu trúc layout cơ bản của một reader
Các thành phần chính của reader bao gồm: - Máy phát (Transmitter)
- Máy thu (Receiver)
- Vi mạch (Microprocessor) - Bộ nhớ
- Kênh vào/ra đối với các cảm biến, cơ cấu truyền động đầu từ, bảng tín hiệu điện báo bên ngoài (mặc dù nói đúng ra đây là những thành phần không bắt buộc, chúng hầu như luôn được cung cấp với một reader thương mại).
- Mạch điều khiển (có thể nó được đặt ở bên ngoài) - Mạch truyền thông
Cơ chế truyền cơ bản giữa thẻ và reader
Tùy thuộc vào loại thẻ, việc truyền giữa reader và thẻ có thể theo một trong những cách sau đây:
- Modulated backscatter.
- Kiểu máy phát (transmitter type). Modulated backscatter
Việc truyền modulated backscatter áp dụng cho cả thẻ thụ động và bán tích cực. Trong kiểu truyền thông này, reader gửi đi tín hiệu RF sóng liên tục (continuos wave- CW) gồm có nguồn AC và tín hiệu xung cho thẻ cùng tần số mang (carrier frequency-tần số mà reader hoạt động). Nhờ việc kết nối (nghĩa là cơ chế truyền năng lượng giữa reader và thẻ) mà antenna của thẻ cung cấp nguồn điện cho vi mạch. Từ kích thích thường ám chỉ việc vi mạch của thẻ thụ động nhận năng lượng từ tín hiệu của reader để tự tiếp sinh lực. Vi mạch cần khoảng 1,2V từ tín hiệu của reader để tiếp sinh lực đối với việc đọc. Còn đối với việc ghi thì vi mạch thường cần khoảng 2,2V từ tín hiệu của reader. Hiện nay vi mạch điều chỉnh, thay đổi tín hiệu nhập thành một chuỗi mô hình mở, tắt trình bày dữ liệu của nó và truyền nó trở lại. Khi reader nhận tín hiệu đã điều chế, nó giải mã mô hình và thu được dữ liệu thẻ.Vì vậy trong mô hình truyền modulated backscatter, reader luôn “talks” trước sau đó mới tới thẻ. Thẻ sử dụng mô hình này không thể truyền khi không có