Thiết kế hệ thống quản lý bệnh nhân dùng công nghệ rfid

LỜI NĨI ĐẦU
Ngày nay nghành cơng nghệ thơng tin đã có những bước phát triển vượt
bậc.Chỉ từ việc phát minh ra con transistor đầu tiên năm 1947,cho đến nay các sản
phẩm công nghệ thông tin đã len lỏi đến tất cả các nghành nghề trong xã hội từ
nghành ngân hàng,tài chính đến các nghành bán lẻ...Khơng những vậy chúng cũng
đã len lỏi vào mọi gia đình từ các sản phẩm gia dụng như máy giặt,tủ lạnh...đến các
thiết bị giải trí truyền thông như ipod,...Trong tương lai, bên cạnh việc phát triển
công nghệ vi điện tử để chế tạo ra các thế hệ bộ vi xử lý với tốc độ xử lý ngày càng
nhanh,thì các hệ thống ứng dụng vẫn sẽ phát triển rất mạnh.
Chính vì lẽ đó,tơi đã chọn đề tài về, Thiết kế hệ thống quản lý bệnh nhân dùng
công nghệ RFID. Công nghệ này đã xuất hiện khá lâu nhưng cho đến nay các ứng
dụng của nó vẫn chưa được triển khai rộng rãi. Với việc chọn đề tài này ,tơi hi vọng
mình sẽ góp phần cơng sức bé nhỏ của mình vào cơng việc triển khai nó.Tuy
nhiên ,ở mức độ một đồ án tốt nghiệp và cũng do thời gian có hạn, nên ở đây tơi chỉ
thiết kế và thi công hệ thống ở mức kiểm thử. Cịn để có thể triển khai áp dụng nó
vào thực tế thì sẽ phải đầu tư thêm nhiều thời gian và tiền bạc. Song với việc thiết
kế thành công hệ thống này, tôi đã thu được thêm khá nhiều kinh nghiệm làm bước
đệm cho tôi trở thành kỹ sư sau khi ra trường. Qua đây tôi xin chân thành cảm ơn
thầy hướng dẫn Trần Hải Lưu cùng các thầy cô khác đã giúp đỡ tận tình để tơi hồn
thành đề tài này.
Hà Nội ngày 26/5/2010
Trần Phan Bình


MỤC LỤC
LỜI NĨI ĐẦU..........................................................................................................3
CHƯƠNG 1.TỔNG QUAN CƠNG NGHỆ RFID...................................................13
1.1 Lịch sử công nghệ RFID.................................................................................13
1.2 Các khái niệm cơ bản......................................................................................14
1.3 Các đặc điểm của một hệ thống RFID............................................................17
1.3.1 Tần số hoạt động....................................................................................17

1.3.2 Phạm vi đọc............................................................................................17
1.3.3 Phương pháp ghép nối vật lý..................................................................18
1.4 Các thành phần hệ thống RFID.......................................................................18
1.4.1 Thành phần thẻ.......................................................................................20
1.4.1.1 Thẻ thụ động.................................................................................20
1.4.1.1.1 Thành phần vi chip.........................................................21
1.4.1.1.2 Thành phần anten...........................................................22
1.4.1.2 Thẻ tích cực..................................................................................24
1.4.1.2.1 Khối nguồn.....................................................................25
1.4.1.2.2 Các thành phần điện tử...................................................26
1.4.1.3 Thẻ bán tích cực ..........................................................................26
1.4.1.4 Thẻ chỉ đọc...................................................................................27
1.4.1.5 Thẻ ghi một lần-đọc nhiều lần......................................................28
1.4.1.6 Thẻ đọc-ghi..................................................................................28
1.4.2 Thiết bị đọc thẻ......................................................................................28
1.4.2.1 Khối truyền tín hiệu....................................................................29
1.4.2.2 Khối nhận tín hiệu.......................................................................29
1.4.2.3 Khối vi xử lý...............................................................................29
1.4.2.4 Khối bộ nhớ................................................................................29
1.4.2.5 Các kênh vào/ra cho cảm biến,bộ truyền động,bộ báo hiệu.....29
1.4.2.6 Khối điều khiển..........................................................................30
1.4.2.7 Khối giao tiếp truyền thông........................................................30
1.4.2.8 Khối nguồn.................................................................................30
1.4.2.9 Phân loại thiết bị đọc thẻ............................................................30
1.4.2.9.1 Thiết bị đọc thẻ nối tiếp...........................................................31
1.4.2.9.2 Thiết bị đọc thẻ mạng..............................................................31
1.4.2.9.3 Thiết bị đọc thẻ cố định...........................................................32
1.4.2.9.4 Thiết bị đọc thẻ cầm tay..........................................................34
1.4.3 Giao tiếp giữa thiết bị đọc thẻ và thẻ.....................................................34
1.4.3.1 Kiểu điều chế backscatter...........................................................35

1.4.3.2 Kiểu transmitter..........................................................................36
1.4.3.3 Kiểu transponder.........................................................................36
1.4.4 Anten của thiết bị đọc thẻ......................................................................37
1.4.4.1 Vùng phủ sóng của anten............................................................38
1.4.4.2 Sự phân cực của anten................................................................39
1.4.4.3 Năng lượng của anten.................................................................41
1.4.5 Máy chủ và hệ thống phần mềm.............................................................41
1.4.6 Cơ sở hạ tầng truyền thông...................................................................44
1


1.4.7 Các thành phần phụ khác......................................................................44
1.5 Các tiêu chuẩn công nghệ RFID.....................................................................45
1.5.1 Tiêu chuẩn ANSI...................................................................................46
1.5.2 Tiêu chuẩn EPCglobal...........................................................................46
1.5.3 Tiêu chuẩn ISO......................................................................................47
1.6 Quyền riêng tư và tính bảo mật trong cơng nghệ RFID.................................48
1.6.1 Quyền riêng tư.......................................................................................48
1.6.1.1 Các biện pháp bảo vệ quyền riêng tư dựa trên luật pháp...........48
1.6.1.2 Các biện pháp bảo vệ quyền riêng tư dựa trên việc cải
tiến công nghệ.............................................................................49
1.6.2 Tính bảo mật..........................................................................................49
1.6.2.1 Vùng một : Các thẻ RF................................................................50
1.6.2.2 Vùng hai : Thiết bị đọc thẻ RFID................................................51
1.6.2.3 Vùng ba : Kênh dịch vụ RFID.....................................................51
1.6.2.4 Vùng bốn : Các hệ thống thông tin doanh nghiệp.......................51
1.7 So sánh giữa công nghệ RFID và công nghệ mã vạch..................................52
1.8 Kết luận.........................................................................................................56
CHƯƠNG 2.THIẾT KẾ HỆ THỐNG QUẢN LÝ BỆNH NHÂN..........................57
2.1 Giao tiếp giữa thẻ thụ động EM4100 và chip EM4095.................................57

2.1.1 Hoạt động của chip EM4095.................................................................57
2.1.2 Hoạt động của thẻ thụ động EM4100....................................................62
2.1.2.1 Sơ đồ các khối của chip EM4100................................................63
2.1.2.2 Tổ chức bộ nhớ của chip EM4100...............................................64
2.1.2.3 Mã hóa dữ liệu trên thẻ................................................................64
2.1.2.3.1 Mã hóa Manchester..........................................................65
2.1.2.3.2 Mã hóa hai pha.................................................................65
2.1.2.3.3 Mã hóa PSK.....................................................................65
2.1.3 Sơ đồ khối mạch RF và tính tốn các thơng số......................................66
2.1.4 Thiết kế anten cho reader.......................................................................68
2.1.5 Phương pháp điều chế sóng mang OOK...............................................74
2.2 Giao tiếp chuẩn USB giữa reader và máy vi tính..........................................77
2.2.1 Chuẩn giao tiếp USB............................................................................77
2.2.1.1 Quy trình làm việc trong giao tiếp USB.....................................78
2.2.1.2 Các đặc trưng của giao tiếp USB................................................78
2.2.1.3 Chuẩn giao tiếp USB 2.0............................................................79
2.2.1.4 Chuẩn giao tiếp USB 3.0............................................................79
2.2.2 Lớp định nghĩa HID..............................................................................80
2.2.2.1 Tổng quan về quản lý chung của lớp HID..................................81
2.2.2.2 Mơ hình hoạt động......................................................................82
2.2.3 Vi điều khiển PIC18F2550 và sơ đồ khối mạch điều khiển.................83
2.3 Thiết kế phần mềm quản lý............................................................................86
2.3.1 Xây dựng giao diện...............................................................................86
2.3.2 Xây dựng cơ sở dữ liệu.........................................................................91
2.3.3 Giao tiếp với cơ sở dữ liệu....................................................................93
2.3.4 Quản lý kết nối USB giữa reader và máy tính......................................95
2.4 Kết luận..........................................................................................................96
2

TÀI LIỆU THAM KHẢO.........................................................................................98
BẢNG ĐỐI CHIẾU THUẬT NGỮ VIỆT – ANH...................................................99
PHỤ LỤC A............................................................................................................102
PHỤ LỤC B............................................................................................................110
PHỤ LỤC C............................................................................................................112

3


CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN CÔNG NGHỆ RFID
Khoảng chục năm trở lại đây chúng ta đã bắt đầu bắt gặp nhiều ứng dụng công
nghệ RFID trong thực tiễn cuộc sống hàng ngày. Đơn giản nhất có thể thấy, mỗi khi
chúng ta vào chuỗi siêu thị của Walmart để mua hàng,khi ra ta chỉ cần đưa từng sản
phẩm lại gần một thiết bị đọc và sau đó thực hiện trả tiền.Đó chính là một hệ thống
RFID điển hình mà đã được Walmart triển khai cho chuỗi siêu thị của họ trên khắp
thế giới.Từ đây chúng ta có thể thấy một điều rằng, cơng nghệ RFID đã giúp chúng
ta tiện lợi hơn rất nhiều trong cuộc sống hằng ngày. Bây giờ chúng ta hãy cùng đi
tìm hiểu một hệ thống RFID nói chung để hiểu rõ hơn hoạt động của nó.
1.1 Lịch sử cơng nghệ RFID
RFID không phải là một khái niệm mới ,mà lịch sử của nó đã bắt đầu từ thế
chiến thứ II. Thời đó các nước như Mỹ, Anh, Đức và Nhật Bản đã sử dụng radar để
xác định máy bay đi vào lãnh thổ của họ bởi vậy việc nhận dạng máy bay đối
phương đã trở thành một nhiệm vụ tối quan trọng. Nhận thức được vấn đề này,
người Đức đã tìm ra được rằng nếu như các phi cơng lộn vòng máy bay của họ
trong khi quay trở lại căn cứ thì nó sẽ thay đổi tín hiệu phản xạ trở lại và cái này có
thể coi như là hệ thống RFID thụ động đầu tiên. Bên cạnh đó ,Watson-Watt đã phát
triển được việc nhận dạng tích cực đối tượng bạn/kẻ thù đầu tiên hay còn được gọi
là hệ thống IFF cho nước Anh trong cùng thời gian đó.
Năm 1973 Mario W. Cardullo đã được nhận bằng sáng chế cho việc chế tạo

thành cơng thẻ tích cực RFID với bộ nhớ có thể ghi được. Và cũng trong năm đặc
biệt đó ở California, một doanh nhân có tên là Charles Walton đã được nhận giải
thưởng nhờ việc sáng chế ra các transponder thụ động để mở cửa mà không cần sử
dụng tới chìa khóa. Thời kỳ này chứng kiến các công ty phát triển các hệ thống tần
số thấp với các transponder nhỏ và nó vẫn cịn được sử dụng trong ngành chăn
nuôi gia súc cho tới ngày nay. Các hệ thống 125 kHz đã được thương mại hóa trong
khoảng thời gian đó và từ đó các cơng ty bắt đầu tiến tới các tần số cao hơn để có
thể sử dụng được tại một vài vùng trên thế giới.
Các công ty lớn bắt đầu nhận thấy tầm quan trọng của RFID là vào những năm
chín mươi của thế kỷ trước,cụ thể là IBM đã phát triển và sáng chế ra các hệ thống
UHF RFID. Tuy nhiên nửa đầu những năm chín mươi có thể được coi là q trình
học tập cơng nghệ bởi các sản phẩm sản xuất ra có giá thành rất cao và khơng có
các tiêu chuẩn cụ thể nào.
Năm 1999 có thể coi là năm vàng của công nghệ này khi mà các tổ chức như :
tổ chức quốc tế EAN, Gillette, Uniform Code Council và P&G đã tạo ra một quỹ
cho việc thành lập trung tâm Auto-ID tại học viện công nghệ MIT. Hai giáo sư của
MIT là Sanjay Sharma và David Brock, là những người đầu tiên nghĩ ra việc đưa
các mã số lên trên các thẻ RFID để cho biết giá trị của chúng và điều này có thể
làm thay đổi cách thức ứng dụng công nghệ này trong một chuỗi cung ứng.
Trong khoảng giữa những năm từ 1999 tới 2003 trung tâm Auto-ID đã nhận
được sự trợ giúp từ hơn một ngàn cơng ty , các nhà cung cấp RFID chính và Bộ
Quốc Phòng Hoa Kỳ. Các phòng nghiên cứu được mở ra ở nhiều nước và sau đó
khơng lâu cơng nghệ đã được cấp phép cho Uniform Code Council vào năm 2003
4


để thực hiện thương mại hóa . Đi đầu trong việc ứng dụng cơng nghệ này trong thực
tế có thể kể đến các tên tuổi lớn như Wal-Mart,Metro. Ngày nay công nghệ này đã
được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như ứng dụng vào việc chấm công tại
các công ty, hay ứng dụng vào việc ghi nhớ nguồn gốc thủy sản đông lạnh xuất

khẩu,...Và theo nhận định của nhiều chun gia thì trong tương lai gần cơng nghệ
này vẫn luôn là một lựa chọn tối ưu.
1.2 Các khái niệm cơ bản
Sóng là một dao động vận chuyển năng lượng từ một điểm này tới điểm khác.
Sóng điện từ là sóng được tạo ra bởi các electron chuyển động và dao động điện từ
trường. Các sóng này có thể đi xuyên qua một số kiểu chất liệu khác nhau.
Điểm có vị trí cao nhất trên một sóng được gọi là một đỉnh sóng, và điểm thấp nhất
được gọi là một lõm sóng. Khoảng cách giữa hai đỉnh sóng liên tiếp hoặc hai lõm
sóng liên tiếp thì được gọi là một bước sóng. Một bước sóng hồn chỉnh của một
dao động sóng được gọi là chu kỳ. Và thời gian cần thiết để một sóng hồn thành
một chu kỳ,được gọi là chu kỳ dao động . Số các chu kỳ trong một giây được gọi là
tần số của sóng. Tần số có đơn vị là hertz (ký hiệu Hz). Và nếu như tần số của một
sóng là 1 Hz,thì có nghĩa là sóng đang dao động với tốc độ một chu kỳ trên giây.
Các đơn vị khác thường được dùng là KHz (= 1,000 Hz), MHz (= 1,000,000 Hz),
hoặc GHz (= 1,000,000,000 Hz).
Hình dưới đây chỉ ra một vài bộ phận của một sóng.

Hình 1.1 Các thành phần của sóng
Các sóng vơ tuyến hay các sóng có tần số vơ tuyến (RF) là các sóng điện từ với
chiều dài bước sóng ở giữa khoảng 0.1 cm và 1,000 km hoặc là có tần số nằm trong
khoảng giữa 30 Hz và 300 GHz.Ngồi ra cịn có nhiều kiểu sóng điện từ khác như :
tia hồng ngoại, tia tử ngoại, tia gamma, tia x, và các tia vũ trụ.
Điều chế là quá trình thay đổi các đặc tính của một sóng vơ tuyến để mã hóa
một vài tín hiệu thơng tin mang theo .

5


Công nghệ RFID chủ yếu dùng ba loại tần số là : tần số thấp LF, tần số cao HF,
tần số siêu cao UHF .Còn loại tần số rất cao VHF thì chưa thấy có hệ thống RFID

sử dụng, do vậy tôi không đề cập đến ở đây.
Tần số thấp LF: là các tần số nằm trong khoảng giữa 30 KHz đến 300 KHz ,hệ
thống RFID thông thường chỉ sử dụng các tần số trong phạm vi từ 125 KHz tới 134
KHz.Cịn với một hệ thống LF RFID điển hình thì thường hoạt động tại tần số là
125 KHz hoặc là 134.2 KHz. Hệ thống RFID hoạt động tại tần số thấp thường sử
dụng các thẻ thụ động, nên tốc độ truyền dữ liệu từ thẻ tới thiết bị đọc thẻ là rất
thấp. Song tuy nhiên, các thẻ tích cực LF cũng có thể được sử dụng bởi các nhà
cung cấp. Ngày nay phạm vi tần số LF được chấp nhận sử dụng ở khắp mọi nơi trên
thế giới.
Tần số cao HF:là các tần số nằm trong phạm vi từ 3 MHz tới 30 MHz, trong đó
13.56 MHz là tần số điển hình thường được sử dụng cho các hệ thống RFID. Hệ
thống HF RFID thường sử dụng các thẻ thụ động,nên có tốc độ truyền dữ liệu khá
thấp từ thẻ tới thiết bị đọc thẻ. Ngày nay các hệ thống HF được sử dụng rộng rãi,
đặc biệt là trong các bệnh viện (vì ở đó nó khơng gây nhiễu cho các thiết bị y tế
đang hoạt động khác). Và có lẽ do vậy mà phạm vi tần số HF đã được chấp nhận sử
dụng hầu như khắp thế giới.
Tần số siêu cao UHF: là các tần số nằm trong khoảng từ 300 MHz tới 1
GHz .Hệ thống UHF RFID thụ động thường hoạt động tại tần số 915 MHz tại Hoa
Kỳ và tại 868 MHz ở các nước Châu Âu. Cịn hệ thống UHF RFID tích cực hoạt
động tại tần số 315 MHz và 433 MHz.Và vì vậy hệ thống UHF có thể sử dụng được
cả hai loại thẻ tích cực và thụ động và có thể đạt được một tốc độ truyền dữ liệu khá
nhanh giữa thẻ và thiết bị đọc thẻ. Các hệ thống UHF RFID hiện tại đã bắt đầu
được triển khai rộng rãi trong các tổ chức chính phủ các nước như bộ quốc phịng
Mỹ và các tổ chức quốc tế, ... Tuy nhiên phạm vi tần số UHF vẫn không được chấp
nhận sử dụng trên tồn thế giới. Dưới đây hình ảnh minh họa phạm vi các tần số mà
ta đã nói ở trên

Hình 1.2 Phổ tần số vơ tuyến
Bây giờ ta sẽ nói thêm về các nguyên nhân gây nhiễu cho sóng điện từ.Nói
chung, sóng điện từ thường bị nhiễu từ nhiều nguồn khác nhau, song chủ yếu là các

nguồn dưới đây:

6


 Các điều kiện thời tiết như mưa ,tuyết, ... Tuy nhiên, như đã nói trước
đó,nguồn nhiễu này ít ảnh hưởng với các phạm vi tần số LF và HF.
 Sự có mặt của một vài nguồn sóng vơ tuyến khác chẳng hạn như cell phone,
mobile radio,...
 Các dòng tĩnh điện (ESD). ESD là một luồng dòng điện bất ngờ đi qua một
chất liệu trong tình huống chất liệu đó có sự cách điện ở dưới mức chuẩn.
Nếu như có một sự khác nhau lớn về điện áp tồn tại giữa hai điểm trên chất
liệu, thì các nguyên tử ở giữa hai điểm này có thể trở thành các điện tích và
tạo thành dịng điện.
Ngồi ra chúng ta cũng cần biết thêm các khái niệm khác dưới đây có liên quan
đến hệ thống RFID.
Sự xung đột thẻ : Một reader chỉ có thể liên lạc được với một thẻ tại một
thời điểm. Khi có nhiều hơn một thẻ cố gắng liên lạc với reader, thì lúc đó xuất hiện
hiện tượng có tên gọi là “sự xung đột thẻ”. Trong trường hợp này, để đáp lại truy
vấn từ reader, nhiều thẻ sẽ phản hồi các tín hiệu của chúng tới reader tại cùng một
thời điểm. Reader cần thiết phải liên lạc sau đó với các thẻ bằng cách sử dụng một
giao thức có ứng dụng một thuật tốn đặc biệt. Thuật tốn mà được sử dụng để hịa
giải các xung đột thẻ thì được gọi với cái tên là “các thuật toán chống xung đột”.
Hiện tại, hai kiểu thuật toán chống xung đột dưới đây là được sử dụng rộng rãi nhất:
 ALOHA cho các kiểu tần số HF
 Tree Walking cho các kiểu tần số UHF
Bằng cách sử dụng một trong các thuật toán chống xung đột ở trên, một reader
có thể nhận dạng được vài thẻ trong vùng đọc của nó với một chu kỳ thời gian rất
ngắn. Chính vì vậy, mà nó khiến cho ta có cảm giác reader đó liên lạc với các thẻ
gần như là đồng thời.

Sự xung đột reader :Khi vùng đọc (hoặc là cửa sổ đọc) của hai hoặc
nhiều reader chồng lên nhau, thì tín hiệu từ một reader có thể giao thoa với tín hiệu
từ các reader khác, gây ra nhiễu tín hiệu. Hiện tượng này được gọi “sự xung đột
reader”. Tình trạng này có thể phát sinh nếu như các anten hai reader này được cài
đặt theo cách thức nào đó mà dẫn đến sự can thiệp phá hoại lẫn nhau (ví dụ như,
vùng phủ sóng của anten). Dẫn đến một hệ quả là, năng lượng RF từ một trong các
anten của một reader sẽ bị loại ra ngồi vì năng lượng RF từ một trong các anten
của reader khác. Để tránh vấn đề này, ta phải điều chỉnh lại vị trí các anten của các
reader để sao cho anten của một reader không đối diện trực tiếp với anten của reader
khác. Nếu như khơng thể tránh khỏi việc có hai anten đối diện nhau, thì giải pháp
nên làm là phân chia khoảng cách hiệu quả cho chúng để vùng đọc của chúng
khơng chồng lên nhau. Ngồi ra, hai anten của cùng một reader cũng có thể tạo ra
sự chồng lấp lên nhau nhưng nó khơng tạo sự xung đột reader, bởi vì năng lượng đi
tới các anten là các chuyển dịch vật lý được thực hiện bởi reader theo cách mà chỉ
có một anten hoạt động tại một thời điểm. Điều đó dẫn đến, sẽ khơng có cơ hội để
hai hay nhiều anten của reader này phát ra các tín hiệu cùng lúc. Chúng ta cũng có
7


thể sử dụng kỹ thuật khác, có tên gọi là TDMA ,để tránh sự xung đột reader. Trong
kỹ thuật này, các reader sẽ được hướng dẫn để đọc tại các thời điểm khác nhau chứ
không phải tất cả cùng đọc một lúc. Và như vậy, chỉ có anten của một reader là
được hoạt động tại một thời điểm. Nhưng có một vấn đề phát sinh với phương pháp
này là, một thẻ có thể được đọc nhiều hơn một lần bởi các reader khác nhau trong
vùng đọc chồng chéo lên nhau. Do đó, cần phải áp dụng một vài cơ chế lọc thông
minh bởi khối điều khiển để lọc ra các thẻ đã được đọc.
Khả năng đọc thẻ: của một hệ thống RFID trong một mơi trường hoạt động
phổ biến có thể được định nghĩa là khả năng của hệ thống để đọc thành công dữ liệu
từ một thẻ cụ thể. Khả năng đọc thẻ phụ thuộc vào một số các yếu tố. Để cung cấp
khả năng đọc thẻ tốt thì hệ thống RFID cần phải đọc thành công một thẻ ít nhất một

lần. Để đảm bảo điều này, thì hệ thống nên được thiết kế sao cho số lần đọc một thẻ
vừa đủ để ngay cả khi thẻ đọc lỗi vài lần thì vẫn có cơ hội tốt để một trong số lần
đọc đó thành cơng. Tức là xác suất thành công sẽ cao hơn.
1.3 Các đặc điểm của một hệ thống RFID
Các hệ thống RFID có thể được phân biệt với nhau theo ba cách khác nhau dựa
trên các thuộc tính đặc trưng dưới đây:



Tần số hoạt động
Phạm vi đọc



Phương pháp ghép nối vật lý

1.3.1 Tần số hoạt động
Tần số hoạt động là thuộc tính quan trọng nhất của một hệ thống RFID. Đó là
tần số mà tại đó , reader sẽ truyền đi các tín hiệu của nó. Nó gắn kết chặt chẽ với
một thuộc tính điển hình, đó là đọc từ một khoảng cách xa. Trong hầu hết các
trường hợp,tần số của một hệ thống RFID được quyết định bởi khoảng cách cần
thiết để việc thực hiện đọc thành công .
1.3.2 Phạm vi đọc
Phạm vi đọc của một hệ thống RFID được xác định là khoảng cách giữa thẻ và
reader. Từ đây ta thấy một hệ thống RFID có thể được phân chia thành ba kiểu dưới
đây:
 Trực tiếp : Đó là các hệ thống có phạm vi đọc thấp hơn 1 cm. Một vài hệ
thống LF và HF RFID thuộc về nhóm này.
 Tầm gần : Đó là các hệ thống có phạm vi đọc từ 1 cm tới 100 cm. Đa phần
các hệ thống RFID hoạt động tại các dải tần LF và HF thuộc về nhóm này.

 Tầm xa : Đó là các hệ thống có phạm vi đọc lớn hơn 100 cm. Các hệ thống
RFID đang hoạt động trong dải tần UHF và phạm vi tần số vi ba thuộc về
nhóm này.
8


1.3.3 Phương pháp ghép nối
Việc ghép nối vật lý mà ta đề cập tới ở đây là nói tới phương pháp sử dụng để
ghép nối giữa thẻ và anten (tức là, đó là một cơ chế mà theo đó năng lượng được
dịch chuyển từ thẻ tới anten). Dựa trên tiêu chí này, có ba kiểu hệ thống RFID khác
nhau dưới đây:
 Từ trường : Đó là các kiểu hệ thống RFID được biết tới như là các hệ thống
được ghép nối theo kiểu điện kháng. Một vài hệ thống RFID LF và HF là
thuộc về nhóm này.
 Điện trường : Đó là các kiểu hệ thống RFID được biết tới như là các hệ
thống được ghép nối theo kiểu điện dung. Nhóm này cũng chủ yếu bao gồm
các hệ thống RFID LF và HF.
 Điện từ trường : Phần lớn các hệ thống RFID thuộc lớp này cũng được gọi là
các hệ thống backscatter. Các hệ thống RFID hoạt động trong phạm vi dải
tần số UHF và vi ba thuộc về nhóm này.
1.4 Các thành phần hệ thống RFID
Một hệ thống RFID là một tập hợp các thành phần nhằm thực hiện một giải
pháp RFID.
Nói chung một hệ thống RFID bao gồm các thành phần dưới đây:
 Thẻ : Đây là một thành phần bắt buộc của bất cứ hệ thống RFID nào
 Thiết bị đọc thẻ: Đây cũng là một thành phần bắt buộc
 Anten của thiết bị đọc thẻ : Đây là cũng là một thành phần bắt buộc phải
có.Ngày nay một số reader đã được tích hợp anten lên trên nó,vì vậy kích
thước của nó đã giảm đi rất nhiều.
 Khối điều khiển : Đây là một thành phần quan trọng. Tuy nhiên hầu hết các

reader thế hệ mới đều đã tích hợp thành phần này lên trên chúng.
 Các cảm biến, bộ truyền động ,bộ báo hiệu : Đây là các thành phần tùy chọn,
được sử dụng ở đầu vào và đầu ra hệ thống RFID.
 Máy chủ và hệ thống phần mềm :Về mặt lý thuyết ,một hệ thống RFID có
thể hoạt động một cách độc lập mà không cần tới thành phần này.Tuy nhiên
trong thực tế, nếu khơng có thành phần này thì hệ thống RFID gần như vô
giá trị.
 Cơ sở hạ tầng truyền thông: Thành phần quan trọng này là một tập hợp bao
gồm cả mạng có dây và khơng dây và cơ sở hạ tầng kết nối nối tiếp, để có
thể kết nối các thành phần đã liệt kê phía trên với nhau.

9


Dưới đây là biểu đồ một hệ thống RFID :

Hình 1.3 Biểu đồ hệ thống RFID
Cịn dưới đây là mơ hình một mẫu của biểu đồ trên với các thành phần cụ thể
trong thực tế:

Hình 1.4 Một ví dụ về hệ thống RFID trong thực tế

10


Bây giờ ta sẽ đi chi tiết vào từng thành phần của hệ thống RFID.
1.4.1 Thành phần thẻ
Một thẻ RFID là một thiết bị có thể lưu trữ và truyền được được dữ liệu tới
reader không phải theo cách tiếp xúc trực tiếp mà bằng cách sử dụng các sóng vơ
tuyến. Các thẻ RFID có thể được phân loại theo hai cách khác nhau. Dưới đây là

cách phân loại thứ nhất, dựa trên cơ sở thẻ đó có chứa nguồn năng lượng ngay trên
bảng mạch thẻ hay không hoặc dựa trên cơ sở các chức năng đặc biệt mà nó cung
cấp:
 Thẻ thụ động
 Thẻ tích cực
 Thẻ bán tích cực (hoặc bán thụ động)
1.4.1.1 Thẻ thụ động
Kiểu thẻ RFID này khơng có nguồn ni tích hợp cùng trên bảng mạch thẻ (ví
dụ,pin),thay vì vậy nó sử dụng năng lượng được phát ra từ reader để làm nguồn
năng lượng cho bản thân nó hoạt động và thực hiện truyền dữ liệu mà nó lưu trữ tới
reader. Thẻ thụ động khá đơn giản về cấu tạo và khơng có các bộ phận rời rạc.Và có
lẽ chính vì vậy các thẻ thụ động tồn tại khá lâu trong điều kiện môi trường khắc
nghiệt.
Đối với loại thẻ này,để thực hiện truyền thông tin giữa thẻ và reader thì reader
ln ln phải liên lạc trước tiên,tiếp sau đó mới tới lượt thẻ. Vì vậy sự hiện diện
của reader là bắt buộc để thẻ có thể truyền được dữ liệu của nó.
Thẻ thụ động thơng thường nhỏ hơn so với thẻ tích cực và thẻ bán tích cực. Nó
có một phạm vi đọc khá đa dạng từ 1 inch (=2.54cm) tới khoảng 30 feet (xấp xỉ 9
mét). Có lẽ bởi vậy mà thẻ thụ động bao giờ cũng rẻ hơn thẻ tích cực hay thẻ bán
tích cực.
Một thẻ thụ động bao gồm các thành phần chính dưới đây:
 Thành phần vi chip
 Thành phần anten
Dưới đây là hình ảnh minh họa các thành phần thẻ thụ động trong thực tế:

Hình 1.5 Các thành phần của thẻ thụ động

11

Cịn tiếp theo đây là một số hình ảnh thực tế về các thẻ thụ động của một vài
hãng sản xuất lớn khác nhau:

Hình1.6 Các thẻ LF của hãng Texas Instruments

Hình1.7 Các thẻ 2.45 GHz của hãng Alien Technology

Hình1.8 Các thẻ 915 MHz của hãng Intermec Corporation
1.4.1.1.1 Thành phần vi chip
Một vi chip của thẻ thụ động bao gồm các khối như chỉ ra ở hình vẽ dưới đây:

12


Hình 1.9 Sơ đồ các khối của vi chip
Khối Power control/rectifier thực hiện chuyển đổi nguồn điện xoay chiều thu
được từ tín hiệu phát ra ở anten của reader thành nguồn điện một chiều.Chính nguồn
điện một chiều này sẽ cung cấp năng lượng tới các thành phần khác của vi chip.
Xung từ khối Clock Extractor thực hiện tách xung tín hiệu từ tín hiệu thu được do
anten của reader phát ra. Sau đó khối Modulator sẽ điều chế tín hiệu nhận
được.Thông tin mà thẻ trả lại để truyền tới reader được nhúng vào bên trong tín hiệu
đã được điều chế.Bộ nhớ của vi chip được sử dụng để lưu trữ dữ liệu. Bộ nhớ này
thường được chia thành các phần (bao gồm các khối hoặc là các trường). Ở đây ta
cần chú ý đến thuật ngữ addressability ,nghĩa là khả năng đánh địa chỉ (đọc hoặc
ghi) các vị trí bộ nhớ riêng lẻ của một vi chip. Một khối bộ nhớ của thẻ có thể lưu
trữ được nhiều kiểu dữ liệu khác nhau,chẳng hạn như một phần của đối tượng dữ
liệu được sử dụng để nhận dạng thẻ, các bit kiểm tra tổng (ví dụ, cyclic redundancy
check [CRC]) để kiểm tra độ chính xác của dữ liệu đã được truyền,...
1.4.1.1.2 Thành phần anten
Anten của thẻ được sử dụng để đưa tín hiệu thu được từ reader thành năng

lượng cho thẻ ,phục vụ cho việc gửi hoặc nhận dữ liệu tới reader.Anten này được
gắn tiếp xúc vật lý với vi chip của thẻ. Trong thực tế có rất nhiều cách thiết kế
anten,tuy nhiên chúng ta cần phải chú ý rằng chiều dài của anten tỷ lệ trực tiếp với
chiều dài bước sóng hoạt động của thẻ.Ngồi ra cịn có một khái niệm nữa cũng rất
quan trọng ,đó là “lưỡng cực” (dipole). Một anten lưỡng cực có thể là một dây điện
thẳng (ví dụ,với chất liệu là đồng) bị đứt quãng tại điểm giữa. Chiều dài tổng cộng
của một anten lưỡng cực bằng một bước sóng của tần số được sử dụng để tối ưu hóa
năng lượng chuyển từ tín hiệu của anten reader tới thẻ. Với một anten lưỡng cực
kép (dual dipole) thì nó bao gồm hai lưỡng cực, nên có thể giảm đi rất nhiều tính
nhạy cảm thẳng hướng của thẻ .Chính vì vậy mà, reader có thể đọc thẻ tại nhiều
hướng khác nhau.Còn một lưỡng cực gấp (folded dipole) là bao gồm hai hoặc
nhiều dây điện thẳng kết nối song song và mỗi cái có chiều dài bằng nửa chiều dài
13


bước sóng (của tần số được sử dụng). Khi hai dây được nối lại, thì kết quả tạo ra
“một lưỡng cực gấp-2 dây”.Tương tự như vậy ba dây kết nối song song sẽ tạo ra
“một lưỡng cực gấp-3 dây”. Hình dưới chỉ ra hình dạng minh họa một vài kiểu
anten này.

Hình 1.10 Các kiểu anten lưỡng cực
Chiều dài anten của thẻ thường lớn hơn rất nhiều so với microchip của thẻ, và
do đó nó quyết định đến kích thước vật lý sau cùng của thẻ. Ngồi ra có một vài
thơng số ta cần chú ý khi thiết kế thẻ:
 Khoảng cách đọc thẻ được tính từ reader
 Hướng nhận biết thẻ so với reader

14

 Hướng bất kỳ của thẻ so với reader
 Các kiểu riêng biệt của sản phẩm
 Tốc độ di chuyển của đối tượng được gắn thẻ
 Các điều kiện hoạt động đặc thù
 Sự phân cực của anten reader
1.4.1.2 Thẻ tích cực
Các thẻ RFID tích cực có sẵn một nguồn năng lượng ở trên bảng mạch thẻ (ví
dụ như ,có pin kèm theo;hoặc là dạng nguồn năng lượng khác) và các bộ phận điện
tử để thực hiện các chức năng đặc biệt. Một thẻ tích cực sử dụng nguồn năng lượng
ở trên bảng mạch thẻ của chính nó để truyền dữ liệu của nó tới reader. Nó khơng
phải cần đến năng lượng phát ra từ reader để truyền dữ liệu. Các bộ phận điện tử ở
trên bảng mạch thẻ có thể bao gồm bộ vi xử lý, cảm biến, và các cổng vào/ra. Ví dụ,
các thành phần điện tử này thực hiện đo một khoảng nhiệt độ nào đó và sinh ra dữ
liệu về giá trị nhiệt độ trung bình.Sau đó chúng sẽ sử dụng dữ liệu này để quyết
định các tham số khác chẳng hạn như ngày kết thúc của mặt hàng được gắn thẻ .
Rồi tiếp đó thẻ có thể truyền thơng tin này tới reader. Chúng ta có thể hình dung thẻ
tích cực giống như một chiếc máy tính khơng dây cộng thêm với vài thuộc tính khác
(ví dụ, có thể bao gồm thêm một cảm biến hoặc một tập hợp các cảm biến).
Trong giao tiếp truyền thơng tin giữa thẻ và reader, thì thẻ ln ln phải thực
hiện liên lạc trước tiên, tiếp sau đó mới tới phiên reader. Bởi vậy sự hiện diện của
reader không cần thiết cho sự truyền đi của dữ liệu, một thẻ tích cực có thể phát đi
dữ liệu lưu trữ trong nó tới các khu vực xung quanh ngay cả khi khơng có reader.
Có lẽ vì vậy mà kiểu thẻ này cũng được gọi là một bộ phát tín hiệu. Khoảng cách
đọc thẻ của một thẻ tích cực có thể là 100 feet (xấp xỉ 30.5 mét) hoặc lớn hơn.
Một thẻ tích cực bao gồm các thành phần:
 Vi chip
 Anten
 Nguồn năng lượng nuôi thẻ
 Các thành phần điện tử
Dưới đây là các hình ảnh minh họa các thành phần bên trong một thẻ tích cực:

15


Hình 1.11 Các thành phần bên trong một thẻ tích cực
Cịn tiếp theo là hình ảnh thực tế của thẻ tích cực của các hãng sản xuất lớn:

Hình 1.12 Các thẻ tích cực dải UHF tần số thấp (303.8 MHz) của hãng
RFCode, Inc
Do các thành phần vi chip và anten của thẻ tích cực cũng giống với thẻ thụ động
nên ta sẽ khơng nói tới ở đây.Bây giờ ta chỉ nói qua về hai thành phần cịn lại là
khối nguồn và các thành phần điện tử.
1.4.1.2.1 Khối nguồn
Tất cả các thẻ tích cực đều có mang một nguồn năng lượng trên nó (ví dụ, có
một pin nhỏ kèm theo) để cung cấp năng lượng tới các thành phần điện tử và để nó
thực hiện truyền dữ liệu đi. Nếu như sử dụng một pin làm nguồn năng lượng , thì

16


một thẻ tích cực có thể sử dụng được ít nhất khoảng từ 2 tới 7 năm phụ thuộc vào
độ bền của pin. Một trong những nhân tố quyết định độ bền của pin là tốc độ truyền
dữ liệu của thẻ. Ví dụ, giả thiết rằng một thẻ tích cực được chế tạo mặc định là cứ
thực hiện truyền một lần sau vài giây. Nếu như bạn tăng nó lên,tức là thiết lập cứ
truyền một lần sau một vài phút thậm chí là một vài giờ,thì bạn đã làm cho tuổi thọ
sử dụng pin lâu hơn. Ngoài ra, các cảm biến nằm trên bảng mạch thẻ và các bộ xử
lý tiêu thụ năng lượng ít cũng có thể góp phần làm cho tuổi thọ của pin ngắn đi.
1.4.1.2.2 Các thành phần điện tử
Các thành phần điện tử nằm trên bảng mạch thẻ cho phép thẻ hoạt động như một
bộ phát tín hiệu (transmiter), và tùy theo lựa chọn cụ thể mà nó có thể thực hiện

được các chức năng đặc biệt chẳng hạn như việc tính tốn, hoặc hoạt động như một
cảm biến,...Thành phần này cũng có thể cung cấp thông tin cho việc kết nối với các
cảm biến ở bên ngoài. Cho nên, tùy theo kiểu cảm biến gắn vào, mà thẻ có thể thực
hiện được rất nhiều các chức năng cảm biến. Nói chung, phạm vi các chức năng của
thành phần này là không giới hạn. Ta cần chú ý rằng khi số các chức năng tăng nên
thì kích thước vật lý của phần này tăng nên ,và vì vậy kích thước thẻ cũng tăng lên.
Tuy nhiên điều này hồn tồn có thể chấp nhận được với các thẻ tích cực . Vì vậy
mà, các thẻ tích cực có thể triển khai tới một phạm vi rộng các ứng dụng hiện nay.
1.4.1.3 Thẻ bán tích cực (hoặc thẻ bán thụ động)
Các thẻ bán tích cực cũng có một nguồn năng lượng nằm trên nó và có kèm
thêm các thành phần điện tử để thực hiện các chức năng đặc biệt. Nguồn năng
lượng nằm trên bảng mạch thẻ cung cấp năng lượng cho các hoạt động của thẻ. Tuy
nhiên,để truyền dữ liệu đi, thẻ bán tích cực phải sử dụng năng lượng phát ra từ
reader.Đây là một đặc điểm giống với thẻ thụ động. Vì vây kiểu thẻ này cũng được
gọi dưới cái tên khác là “thẻ được trợ giúp bởi pin”. Trong việc giao tiếp truyền
thông tin giữa thẻ và reader, thì reader ln ln phải thực hiện liên lạc trước tiên,
tiếp sau đó mới tới phiên thẻ. Cũng có các đặc điểm tương tự như trên là các thẻ bán
thụ động.
Vậy tại sao lại dùng thẻ bán thụ động mà không dùng thẻ thụ động ? Là bởi vì
thẻ bán tích cực khơng sử dụng các tín hiệu của reader để kích thích bản thân nó
như các thẻ thụ động, và nó có thể đọc được từ một khoảng cách xa hơn so với thẻ
thụ động. Và cũng bởi lý do các thẻ bán thụ động có thể tự kích thích chính bản
thân nó . Do vậy, ngay cả khi đối tượng được gắn thẻ đang di chuyển với một tốc độ
lớn,thì dữ liệu trên thẻ vẫn có thể đọc được khi ta sử dụng thẻ bán thụ động (hoặc
bán tích cực).
Dưới đây là hình ảnh thực tế của thẻ bán tích cực từ các hãng sản xuất lớn trên
thế giới:

17

Hình 1.13 Các thẻ bán tích cực 2.45 GHz của hãng Alien Technology

Hình 1.14 Các thẻ bán tích cực 915 MHz/2.45 GHz của hãng TransCore
Ngồi cách phân loại trên cịn có cách phân loại dựa trên cơ sở về việc hỗ trợ
khả năng ghi lại dữ liệu như dưới đây :
 Chỉ đọc (RO)
 Ghi một lần ,đọc nhiều lần (RW)
 Đọc, ghi (WORM)
Ta cần chú ý rằng cả hai loại thẻ thụ động và tích cực đều có thể là RO,
WORM, và RW.Dưới đây ta sẽ đi qua chi tiết hơn một chút về cách phân loại này.
1.4.1.4 Thẻ chỉ đọc
Một thẻ RO chỉ có thể lập trình một lần trong suốt thời gian nó tồn tại. Dữ liệu
có thể được “burn” vào bên trong thẻ tại nhà máy trong suốt giai đoạn chế tạo. Để
hoàn thành cái này,các cầu chì riêng lẻ trên vi chip của thẻ được “burn” vĩnh cửu
bằng cách dùng một chùm laser có đầu nhọn. Sau khi xong cơng đoạn đó ,thì dữ
liệu sẽ không thể ghi lần nữa lên thẻ trong suốt thời gian tồn tại của nó. Có lẽ do
vậy mà loại thẻ này cịn có tên gọi khác là “factory programmed” (có nghĩa là ,
được lập trình bởi nhà sản xuất). Nhà sản xuất thẻ thực hiện đưa dữ liệu lên trên
18


thẻ,cịn người dùng thẻ thơng thường sẽ khơng có bất cứ điều khiển nào trên nó.
Kiểu thẻ này khá thích hợp cho các ứng dụng nhỏ, nhưng không thực tế khi chế tạo
số lượng lớn hoặc khi dữ liệu trên thẻ cần được tùy chỉnh dựa trên cơ sở ứng dụng
triển khai.
1.4.1.5 Thẻ ghi một lần – đọc nhiều lần
Một thẻ WORM có thể được lập trình hay ghi lại một lần, thông thường việc
này sẽ không phải được thực hiện bởi nhà sản xuất mà bởi người dùng thẻ tại thời
điểm họ thực hiện công đoạn tạo thẻ. Trong thực tế ,các thẻ loại này thường chỉ

được ghi đè với một số lần cố định (khoảng 100 lần) ! Nếu như dữ liệu ghi đè lên
thẻ vượt quá số lần quy định đó, thì thẻ có thể bị hư hỏng vĩnh viễn.
Đây là kiểu thẻ có giá cả phải chăng để có thể thực hiện với số lượng lớn và có
tính bảo mật dữ liệu cao,có lẽ vậy mà nó là kiểu thẻ được sử dụng thịnh hành nhất
trong các nghiệp vụ kinh doanh ngày nay.
1.4.1.6 Thẻ ghi – đọc
Một thẻ RW có thể được lập trình lại hay là ghi lại nhiều lần. Thông thường,
con số này nằm trong khoảng giữa 10,000 và 100,000 lần và có thể hơn nữa! Khả
năng ghi đè này đưa ra một đặc trưng to lớn ,đó là dữ liệu có thể được ghi hoặc bởi
reader hoặc bởi chính bản thân thẻ (trong trường hợp là các thẻ tích cực). Thẻ RW
thường có chứa một bộ nhớ Flash hoặc FRAM để lưu trữ dữ liệu của nó. Bảo mật
dữ liệu là một thử thách khá lớn cho loại thẻ này. Ngoài ra, chi phí thực hiện chế tạo
chúng cũng khá đắt đỏ. Có lẽ vì vậy nên các thẻ RW khơng được sử dụng rộng rãi
trong các ứng dụng ngày nay.
1.4.2 Thiết bị đọc thẻ (Reader)
Một RFID reader là một thiết bị cho phép đọc hoặc ghi tới các thẻ RFID thích
hợp. Hành động ghi dữ liệu lên thẻ bởi một reader được gọi là công đoạn tạo thẻ.
Công đoạn tạo thẻ cùng với việc gắn thẻ đó lên một đối tượng nào đó được gọi là
quy trình đưa thẻ đi vào hoạt động. Quãng thời gian một reader có thể phát xạ năng
lượng RF để đọc các thẻ được gọi là chu trình hoạt động của reader.
Reader là hệ thống thần kinh trung tâm của toàn bộ phần cứng hệ thống
RFID .Một reader có các thành phần chính dưới đây:
 Bộ truyền tín hiệu
 Bộ nhận tín hiệu
 Bộ vi xử lý
 Bộ nhớ
 Các kênh vào/ra cho các cảm biến, bộ truyền động, và bộ báo hiệu ở bên
ngoài.
 Khối điều khiển
 Khối giao tiếp truyền thông

19