đồ án công nghệ thông tin TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG RFID

Lời Nói Đầu
LỜI NÓI ĐẦU
Ngày nay nghành công nghệ thông 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 Không 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,
tôi đã chọn đề tài về “Tìm hiều công nghệ RFID và ứng dụng trong quản lý bệnh
nhân”. 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, tôi hi vọng mình sẽ góp
phần công sức bé nhỏ của mình vào công việc triển khai nó. Tuy nhiên, ở mức độ
một đồ án tốt nghiệp và cũng do thời gian có hạn, nên ở đây tôi chỉ thiết kế và thi
công hệ thống ở mức kiểm thử. Còn 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 em xin chân thành cám ơn thầy giáo Tiến Sĩ Lâm Hồng Thạch, là
giảng viên hướng dẫn đã nhiệt tình giúp đỡ em trong suốt thời gian thực tập và làm
đồ án tốt nghiệp.
Em xin chân thành cảm ơn tất cả các thầy giáo, cô giáo của trường Đại Học
Bách Khoa Hà Nội đã giảng dạy và dìu dắt em trong suốt những năm học đại học để
em có được những kiến thức cơ bản trước mắt, có thể hoàn thành tốt đồ án tốt
nghiệp và tiếp đó, là nền tảng cho quá trình học tập, công tác của em sau này.
Hà Nội, ngày 28/05/2011
Snh viên: Trần Trọng Tuân
i
Tóm Tắt Đồ Án
TÓM TẮT ĐỒ ÁN

Đồ án tập trung nghiên cứu về công nghệ nhận dạng tự động RFID, nghiên
cứu nguồn năng lượng trường điện từ nuôi thẻ RFID và ứng dụng nó trong quản lý
bệnh nhân trong bệnh viện. Công nghệ này đã xuất hiện khá lâu nhưng cho đến nay
các ứng dụng của nó vẫn chưa được triển khai rộng rãi tương lai nó còn phát triển
rộng rãi hơn. Tuy nhiên trong khuôn khổ đồ án tốt nghiệp và do thời gian có hạn tôi
chỉ xây dựng hệ thống quản lý bệnh nhân ở mức kiểm thử và phần mềm quản lý
bệnh nhân còn đơn giản. Còn để có thể triển khai áp dụng nó vào thực tế thì sẽ phải
đầu tư thêm nhiều thời gian và tiền bạc.
Nội dung chính của đồ án bao gồm:
• Chương 1: Tổng quan về hệ thống RFID
• Chương 2: Lựa chọn và tính toán thiết kế
• Chương 3: Thiết kế anten cho đầu đọc RFID
• Chương 4: Phần mềm quản lý và hướng phát triển đồ án
ii
Abstract Of Thesis
ABSTRACT OF THESIS
Research projects focused on automatic identification technology RFID,
studying energy electromagnetic fields adopter RFID tags and its application in the
management of patients in the hospital. This technology has appeared for quite
some time but until now its application has not been widely deployed it’s future
development more widely. However, in the framework of graduation thesis and my
time is limited by only buiding management system at the patient testing and patient
management software is even simpler. Also can be deployed to apply it in practice
will have to invest more time and money.
The contents of the scheme include:
• Chapter 1: Overviwe of RFID System.
• Chapter 2: Selection and design calculations.
• Chapter 3: Designing antennas for RFID reader.
• Chapter 4: Software management and development projects.
iii

Mục Lục
MỤC LỤC
TÓM TẮT ĐỒ ÁN ii
ABSTRACT OF THESIS iii
DANH MỤC HÌNH VẼ vi
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG RFID 1
Khái niệm về hệ thống RFID 1
1.1.1. Thẻ RFID (RFID Tag) 3
1.1.2. Đầu đọc (Reader) 10
1.1.3. Cơ chế trao đổi năng lượng và dữ liệu 17
1.1.4. Các dải tần số hoạt động 22
1.1.5. Ưu nhược điểm của hệ thống RFID 25
1.2. Tình hình phát triển của công nghệ RFID hiện nay 26
1.2.1. Tình hình phát triển 26
1.2.2. Các ứng dụng RFID hiện nay 28
1.3. Mục tiêu và nhiệm vụ của Đồ án 30
1.3.1. Mục tiêu 30
1.3.2. Nhiệm vụ thiết kế 30
CHƯƠNG 2: LỰA CHỌN TÍNH TOÁN THIẾT KẾ 32
2.1. Lựa chọn linh kiện 32
2.1.1. Thẻ (Tag) RFID 32
2.1.2. IC sử dụng trong đầu đọc RFID 37
2.1.3. Vi điều kkhiển PIC 16F877A 45
2.1.4. Sơ đồ nguyên lý toàn mạch 52
CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ ANTEN CHO ĐẦU ĐỌC RFID 55
3.1. Nghiên cứu nguồn năng lượng trường điện từ nuôi thẻ RFID 55
3.1.1. Từ trường do anten tạo ra 55
3.1.2. Các yếu tố ảnh hưởng đến năng lượng nuôi thẻ RFID 59
3.1.3. Khảo sát cường độ từ trường của anten 62
3.2. Thiết kế anten cho đầu đọc ở tần số 125 kHz 68

3.3. Điều chỉnh thiết kế anten cho phù hợp 70
3.3.1. Điều chỉnh tín hiệu trên anten 70
3.3.2. Quan hệ giữa bán kính anten và khoảng cách đọc 71
CHƯƠNG 4: PHẦN MỀM QUẢN LÝ VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỒ
ÁN 73
4.1. Giao diện phần mềm quản lý 73
iv
Mục Lục
4.2. Đánh giá hệ thống 85
4.3. Hướng phát triển 86
4.4. Áp dụng cho quản lý bệnh nhân trong bệnh viện Thanh Nhàn Hà Nội: 87
4.4.1. Thông tin bệnh viện 87
4.4.2. Tính toán chi phí cần thiết trang bị hệ thống quản lý bệnh nhân sử dụng
công nghệ RFID cho bệnh viện 88
KẾT LUẬN 90
TÀI LIỆU THAM KHẢO 91
CÁC THUẬT NGỮ SỬ DỤNG TRONG ĐỒ ÁN 93
PHỤ LỤC 95
v
Mục Lục
DANH MỤC HÌNH VẼ
vi
Chương 1 : Tổng Quan Về Hệ Thống RFID
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG RFID
Khái niệm về hệ thống RFID
Nhận dạng nhãn vô tuyến (Radio Frequency Identification – RFID) là một
dạng của kỹ thuật nhận dạng tự động (Automatic Identification). Trước khi tìm hiểu
về nhận dạng nhãn vô tuyến, chúng ta cần biết qua về nhận dạng tự động. Nhận
dạng tự động (Automatic Identification) gọi tắt là “ID tự động” là một thuật ngữ chỉ
các công nghệ chủ dùng để giúp các máy nhận dạng các đối tượng. Nhận dạng tự

động thường được thực hiện bằng cách tự động bắt dữ liệu. Đó là cách mà các công
ty muốn nhận dạng các món đồ, bắt thông tin về chúng và bằng cách nào đó thu
nhận dữ liệu đưa vào máy tính mà không cần nhập dữ liệu bằng tay. Mục tiêu của
“ID tự động” là tăng tính hiệu quả, giảm lỗi dữ liệu đầu vào và giảm sức lao động
trong việc nhận dạng. Các công nghệ chủ được xếp dưới dạng “ID tự động” như:
mã vạch (Bar codes), nhận dạng tiếng nói, một số công nghệ sinh trắc học
(biometric), nhận dạng đặc trưng quang học (Optical character Recognition –
OCR) và nhận dạng nhãn vô tuyến (RFID).
Hình 1- Các kỹ thuật nhận dạng tự động
RFID là thuật ngữ chung chỉ các công nghệ dùng sóng vô tuyến để nhận
dạng tự động con người và đồ vật từ xa. Hệ thống RFID bao gồm nhãn/thẻ RFID
1
Chương 1 : Tổng Quan Về Hệ Thống RFID
(RFID Tag) được tạo nên bằng vi chip (IC) có gắn anten và đầu đọc (Reader) có
gắn anten. Trên vi chip lưu giữ các thông tin để nhận dạng con người hoặc đồ vật
dưới dạng số theo thứ tự. Đầu đọc phát ra sóng điện từ và anten của thẻ thu các
sóng điện từ số, trong trường hợp các thẻ là thẻ thụ động thì nó hấp thụ năng lượng
từ trường điện từ do đầu đọc tạo nên và sử dụng năng lượng đó để nuôi các mạch vi
chip. Vi chip sau đó điều chế sóng để thẻ phát lại về phía đầu đọc và đầu đọc biến
đổi các sóng đó thành tín hiệu và từ đó nhận dạng đồ vật có gắn thẻ ở khoảng cách
từ 5cm đến 10m tùy vào loại thẻ thẻ.
Để tạo thành một hệ thống RFID hoàn chỉnh thì đầu đọc RFID cần nối với
máy chủ (host computer). Sau khi thu thập được dữ liệu từ thẻ, đầu đọc sẽ truyền dữ
liệu lên máy chủ nơi chứa phần mềm trung gian (middleware) để xử lý dữ liệu và
nối hệ thống RFID với hệ thống kỹ thuật thông tin lớn hơn để quản lý dữ liệu
(database, applications, ).
Hình 1- Hệ thống RFID
Thẻ RFID không cần tiếp xúc với đầu đọc để được nhận dạng mà có thể bị
đọc từ khoảng cách xa tùy thuộc vào dải tần số hoạt động của thẻ và đầu đọc.
Không giống với thẻ thông minh (smart card) mà ta thường thấy sử dụng trong

dạng thẻ điện thoại hay thẻ ATM, nguồn năng lượng cấp cho thẻ RFID hoạt động
và trao đổi dữ liệu giữa thẻ RFID và đầu đọc không thông qua kết nối điện trực tiếp
2
Chương 1 : Tổng Quan Về Hệ Thống RFID
mà nhờ sự cảm ứng trường điện từ trong quá trình truyền sóng vô tuyến. Hệ thống
nhận dạng RFID vì vậy còn được hiểu là hệ thống nhận dạng không tiếp xúc
(contactless RFID system).
Hình 1- Đầu đọc và thẻ không tiếp xúc RFID trong ứng dụng thực tế
1.1.1. Thẻ RFID (RFID Tag)
1.1.1.1. Các thành phần của thẻ RFID
Thẻ RFID (thường gọi là Tag hay Transponder) là những thẻ điện tử nhỏ có
thể dùng độc lập hoặc được dán lên đồ vật. Mỗi thẻ có một mã nhận dạng duy nhất
và có thể gắn kèm theo bộ nhớ để lưu trữ thêm dữ liệu, cảm biến môi trường hoặc
các cơ cấu bảo vệ. Thẻ RFID là loại thẻ không tiếp xúc (contactless card) gồm có 2
thành phần:
- Vi mạch (Tag IC): Lưu giữ một số thứ tự duy nhất hoặc thông tin khác
dựa trên loại thẻ: Read-Only (RO), Read-Write (RW) hoặc Write Once
Read Many (WORM).
- Anten: được gắn với vi mạch truyền thông từ chip đến đầu đọc, Anten
càng lớn cho biết phạm vi đọc càng lớn.
3
Chương 1 : Tổng Quan Về Hệ Thống RFID
Hai thành phần này được gắn lên trên lớp nền (Substrate) và sau đó sẽ được
đóng gói dưới nhiều hình dạng khác nhau tùy thuộc vào kích thước và ứng dụng.

Hình 1- Các thành phần của Tag RFID
Sơ đồ khối của 2 thành phần vi mạch (Tag IC) và anten trong thẻ RFID như
sau:
4
Tag IC

Anten
Substrate
Chương 1 : Tổng Quan Về Hệ Thống RFID
- Vi mạch:
o Bộ chỉnh lưu (power control/rectifier): chuyển nguồn AC từ tín
hiệu anten của reader thành nguồn DC. Nó cung cấp nguồn đến
các thành phần khác của vi mạch.
o Máy tách xung (Clock extractor): rút tín hiệu xung từ tín hiệu
anten của đầu đọc.
o Bộ mã hóa (Encoder): mã hóa tín hiệu từ bộ nhớ và từ đầu đọc để
chuyển sang điều chế.
o Bộ điều chế (Modulator): tín hiệu nhận sau khi đã mã hóa được
điều chế và trở thành đáp ứng của thẻ, sau đó nó được truyền trở
lại reader.
o Đơn vị logic (Logic unit): chịu trách nhiệm cung cấp giao thức
truyền giữa thẻ và đầu đọc.
o Bộ nhớ vi mạch (Memory): được dùng lưu trữ dữ liệu. Bộ nhớ này
thường được phân đoạn (gồm vài block hoặc field). Một block nhớ
của thẻ có thể giữ nhiều loại dữ liệu khác nhau, ví dụ như một
phần của dữ liệu nhận dạng đối tượng được gắn thẻ, các bit
5
AC/DC
Rectifier
Power
Control
CLOCK
EXTRACTOR
ENCODERMODULATOR
LOGIC
UNIT

MEMORY
Tag
anten
Hình 1- Sơ đồ khối vi mạch của Tag RFID thụ động
Chương 1 : Tổng Quan Về Hệ Thống RFID
checksum (chẳng hạn kiểm tra lỗi CRC) kiểm tra độ chính xác của
dữ liệu được truyền v.v…
Sự tiến bộ của kỹ thuật cho phép kích thước của vi mạch nhỏ đến mức
nhỏ hơn hạt cát (0,3mm
2
). Tuy nhiên, kích cỡ của thẻ không được xác
định bởi kích thước vi mạch của nó mà bởi chiều dài anten của nó.
- Anten:
o Anten của thẻ được dùng để lấy năng lượng từ tín hiệu của đầu
đọc để làm tăng sinh lực cho thẻ hoạt động, gửi hoặc nhận dữ liệu
từ đầu đọc. Anten này được gắn vào vi mạch. Anten là trung tâm
đối với hoạt động của thẻ.
o Chiều dài anten của thẻ thường lớn hơn nhiều so với vi mạch của
thẻ vì vậy nó quyết định kích cỡ vật lý của thẻ. Một anten có thể
được thiết kế dựa trên một số nhân tố sau đây:
• Khoảng cách đọc của thẻ với đầu đọc.
• Hướng cố định của thẻ đối với đầu đọc.
• Hướng tùy ý của thẻ đối với đầu đọc.
• Loại sản phẩm riêng biệt.
• Vận tốc của đối tượng được gắn thẻ.
• Độ phân cực anten của đầu đọc.
Hiện tại, anten của thẻ được xây dựng bằng một mảnh kim loại mỏng (chẳng
hạn đồng, bạc hoặc nhôm). Tuy nhiên, trong tương lai có thể sẽ in trực tiếp anten
lên nhãn thẻ, hộp và sản phẩm đóng gói bằng cách sử dụng một loại mực dẫn có
chứa đồng, cacbon và niken.

1.1.1.2. Phân loại thẻ RFID
a) Phân loại theo nguồn cung cấp cho thẻ
Theo cách phân loại này thẻ RFID có 3 loại thẻ khác nhau: thẻ thụ động
(passive tag), thẻ bán thụ động (semi-passive tag) và thẻ tích cực (active tag).
6
Chương 1 : Tổng Quan Về Hệ Thống RFID
• Thẻ thụ động (passive tag)
Thẻ thụ động là loại thẻ không có nguồn cung cấp bên trong. Nó hoạt động
nhờ năng lượng sóng vô tuyến cảm ứng thu được qua anten mà không cần nguồn
nuôi. Dòng điện xoay chiều cảm ứng này được chỉnh lưu để cung cấp nguồn điện
cho thẻ. Thẻ bắt đầu hoạt động khi dòng một chiều sau chỉnh lưu đạt được một giá
trị xác định. Đối với loại thẻ này, trong quá trình truyền giữa thẻ và đầu đọc, thì đầu
đọc luôn truyền trước rồi đến thẻ. Cho nên bắt buộc phải có đầu đọc để thẻ có thể
truyền dữ liệu của nó. Bằng việc cung cấp một tín hiệu sóng vô tuyến mang năng
lượng, đầu đọc có thể giao tiếp từ xa với một thiết bị không có nguồn nuôi. Dòng
điện này chỉ đủ cung cấp công suất cho mạch tích hợp CMOS trong thẻ phát đi tín
hiệu đáp ứng. Hầu hết các thẻ thụ động nhận tín hiệu nhờ tín hiệu sóng mang tán xạ
ngược lại từ đầu đọc. Điều này nghĩa là anten phải được thiết kế để vừa nhận công
suất từ tín hiệu đến và truyền đi tín hiệu tán xạ. Đáp ứng của một thẻ thụ động
RFID không chỉ là một số dạng nhận dạng ID (mã ID duy nhất – Unique
Identification-UID) mà nhiều dạng dữ liệu khác do con chip của thẻ có thể chứa bộ
nhớ EEPROM để lưu trữ dữ liệu. Do không có bộ nguồn cung cấp gắn liền trên
mạch nên thẻ có kích thước khá nhỏ, ví dụ như các sản phẩm gắn dưới lớp da kích
thước chỉ khoảng 0,15mm x 0,15mm và còn mỏng hơn độ dày của một trang giấy
(7,5μm). Thêm vào đó anten cũng tạo cho thẻ có kích thước thay đổi từ kích thước
con tem bưu điện đến kích thước của một thẻ ATM. Các thẻ thụ động có khoảng
cách đọc thực tế từ 2mm (ISO 14443) lên đến vài mét (EPC và ISO 18000-6) tùy
thuộc vào tần số vô tuyến lựa chọn và kích thước/thiết kế của anten. Các thẻ thụ
động RFID không yêu cầu nguồn và có thể nhỏ hơn nữa với thời gian tồn tại không
giới hạn do nó chịu được các hóa chất ăn mòn như axít và nhiệt độ cao (xấp xỉ

2040
o
C). Thẻ thụ động có chi phí sản xuất rẻ hơn (khoảng 0,5USD/chiếc) và không
có pin nên phần lớn thẻ RFID tồn tại ở dạng thụ động.
• Thẻ bán thụ động (semi-passive tag)
Thẻ bán thụ động rất giống với thẻ thụ động trừ chi tiết nó có thêm nguồn
năng lượng bên trong (chẳng hạn như pin) nên nó còn được gọi là thẻ hỗ trợ pin
(battery-assited tag). Loại pin này cho phép IC của thẻ được cung cấp nguồn năng
7
Chương 1 : Tổng Quan Về Hệ Thống RFID
lượng không đổi và loại bỏ nhu cầu thiết kế anten để lấy nguồn từ tín hiệu đầu đọc
đưa đến. Vì thế các anten được tối ưu với tín hiệu bị tán xạ. Do đó các thẻ RFID bán
thụ động sẽ đáp ứng nhanh hơn mặc dù kém ổn định và không hiệu quả bằng các
thẻ tích cực.
Ưu điểm của thẻ bán thụ động so với thẻ thụ động là thẻ bán thụ động không
sử dụng tín hiệu của đầu đọc như thẻ thụ đông mà nó tự kích hoạt, nó có thể đọc ở
khoảng cách xa hơn thẻ thụ động. Vì không cần thời gian tiếp năng lượng cho thẻ
bán thụ động, thẻ có thể nằm trong phạm vi đọc của đầu đọc ít hơn thời gian đọc
quy định (không giống như thẻ thụ động), nên nếu đối tượng gắn thẻ bán thụ động
đang di chuyển ở tốc độ cao, dữ liệu thẻ vẫn có thể đọc được. Thẻ bán thụ động
cũng cho phép đọc tốt hơn ngay cả khi gắn thẻ bằng những vật liệu chắn và hấp thụ
sóng 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.
Phạm vi đọc của thẻ bán thụ động có thể lên đến 10m với điều kiện lý tưởng
bằng cách sử dụng mô hình tán xạ đã được điều chế (modulated back scatter) trong
sóng UHF và sóng vi ba.
• Thẻ tích cực (active tag)
Không như các thẻ thụ động, các thẻ RFID tích cực có nguồn cấp bên trong
để cung cấp cho các IC tạo thành tín hiệu đầu ra. Các thẻ tích cực thường ổn định

hơn (ít lỗi hơn) các thẻ thụ động do khả năng kết nối "phiên" với đầu đọc. Đối với
loại thẻ này, trong quá trình truyền giữa thẻ và đầu đọc, thẻ luôn truyền trước, rồi
mới đến đầu đọc. Vì sự hiện diện của đầu đọc 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 trường hợp đầu đọc không có ở nơi đó. Nhờ có nguồn cung cấp onboard
nên các thẻ tích cực có thể phát công suất cao hơn các thẻ thụ động, cho phép chúng
hoạt động hiệu quả hơn trong các môi trường có "tần số vô tuyến thay đổi" (người,
gia xúc) như nước, kim loại nặng (xe tải, container trở hàng) hoặc ở các khoảng
cách xa hơn. Nhiều thẻ tích cực có khoảng cách hoạt động vài trăm mét và thời gian
pin nên tới 10 năm. Một số thẻ tích cực còn bao gồm các bộ cảm biến (sensor) như
8
Chương 1 : Tổng Quan Về Hệ Thống RFID
cảm biến nhiệt độ dùng để giám sát độ chín hoặc giám sát nhiệt độ của các sản phẩn
dễ bị hỏng. Các cảm biến khác cũng được gắn với thẻ RFID tích cực như: độ ẩm,
va đập/biến động, ánh sáng, phóng xạ, nhiệt độ và không khí như etylen. Các thẻ
tích cực cũng thường có dải hoạt động dài hơn (xấp xỉ khoảng 30,5 m) và bộ nhớ
lớn hơn các thẻ thụ động và do đó có thể lưu trữ thêm các thông tin từ bộ phát đáp.
Hiện tại, thẻ tích cực nhỏ nhất có kích thước tương đương một đồng xu và được bán
với giá khá đắt khoảng 20USD nên loại thẻ này chỉ được sử dụng trong trường hợp
thật cần thiết.
b) Phân loại theo khả năng hỗ trợ ghi dữ liệu của thẻ
Theo cách phân loại này thẻ RFID phân ra làm 3 loại: thẻ chỉ đọc (Read
Only-RO), thẻ ghi một lần-đọc nhiều lần (Write Once Read Many-WORM), thẻ đọc-
ghi (Read Write-RW).
• 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 cầu chì (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. Thẻ RO có
dung lượng lưu trữ rất nhỏ (thường 64bits). Các thẻ thụ động đặc trưng là các thẻ
RO. 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.
Do ứng dụng đơn giản trên qui mô nhỏ nên hệ thống RFID được thiết kế
trong luận văn này bước đầu thực hiện trên thẻ RO.
• Write Once Read Many (WORM)
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
9
Chương 1 : Tổng Quan Về Hệ Thống RFID
trong thực tế thì có thể ghi được vài lần (khoảng 100 lần). Nếu ghi quá số lần cho
phép, thẻ có thể bị phá hỏng vĩnh viễn. Thẻ WORM được gọi là user
programmable.
Loại thẻ này có giá cả và hiệu suất tốt, có an toàn dữ liệu và là loại thẻ phổ
biến nhất trong lĩnh vực kinh doanh ngày nay.
• 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 (Ferroelectric RAM) để lưu dữ liệu nên có dung lượng bộ nhớ lớn (thường
trên 1 Kbit). Thẻ RW được gọi là field programmable hoặc reprogrammable. Sự an
toàn dữ liệu là một thách thức đối với thẻ RW. Hơn nữa, 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 giảm xuống.
1.1.2. Đầu đọc (Reader)
1.1.2.1. Nhiệm vụ và chức năng
Đầu đọc (Reader) là thiết bị kết nối không dây với thẻ RFID để nhận dạng

các đồ vật/đối tượng được gắn thẻ RFID. Đầu đọc có nhiệm vụ kích hoạt thẻ RFID,
truyền và nhận dữ liệu bằng sóng vô tuyến với thẻ, thực hiện giải điều chế và giải
mã tín hiệu nhận được từ thẻ ra dạng tín hiệu cần thiết để truyền về máy chủ, đồng
thời cũng nhận lệnh từ máy chủ để thực hiện các yêu cầu truy vấn hay đọc/ghi thẻ.
Tất cả các đặc điểm của truyền thông không dây như tạo kết nối, thực hiện chống
xung đột và các thủ tục xác thực quyền đều được thực thi bởi đầu đọc.
Đầu đọc thực hiện được những nhiệm vụ này là do phần mềm ứng dụng
(Application software) nằm trên máy chủ (PC) chỉ huy các lệnh đến đầu đọc theo
thủ tục master-slave, điều đó có nghĩa là trong cấu trúc phân cấp của hệ thống thì
Application software đóng vai trò là master còn đầu đọc đóng vai trò là slave chỉ
hoạt động khi có lệnh từ Application software. Để thực hiện một lệnh từ
Application software thì trước tiên đầu đọc phải thực hiện kết nối với thẻ. Lúc này
10
Chương 1 : Tổng Quan Về Hệ Thống RFID
đầu đọc đóng vai trò là master trong mối quan hệ với thẻ. Sau đó thẻ sẽ trả lời các
lệnh của đầu đọc.
Hình 1- Thủ tục master-slave giữa Application software, reader và tag
Một lệnh đọc đơn giản từ Application software gửi đến đầu đọc có thể bắt
đầu từ một chuỗi các bước giao tiếp giữa đầu đọc và thẻ. Trong bảng 1.1, một lệnh
đọc đầu tiên được bắt đầu bởi việc kích hoạt thẻ theo sau đó là thủ tục xác thực và
cuối cùng là truyền các dữ liệu yêu cầu.
11
Chương 1 : Tổng Quan Về Hệ Thống RFID
Application software ↔ Reader Reader ↔ Tag Nội dung
Đọc địa chỉ bộ
nhớ của tag
Hỏi tag có trong
vùng phủ sóng ?
Tag hoạt động với
serial number

Bắt đầu xác thực
Xác thực thành
công
Lệnh đọc (địa chỉ)
Dữ liệu nhận từ
tag
Dữ liệu truyền đến
aplication
software
Bảng 1-1 Ví dụ về thực thi một lệnh đọc bởi aplication software, reader và tag
1.1.2.2. Các thành phần của đầu đọc
Đầu đọc gồm có 3 thành phần:
- Khối HF (HF Interface): bao gồm bộ phát (transmitter) và bộ thu
(receiver)
- Khối điều khiển (Control Unit): bao gồm khối ASIC và vi điều khiển
12
Chương 1 : Tổng Quan Về Hệ Thống RFID
- Anten
13
Chương 1 : Tổng Quan Về Hệ Thống RFID
a) Khối HF (HF Interface)
• Chức năng:
- Sản sinh năng lượng để kích hoạt và nuôi thẻ (thụ động)
- Điều chế tín hiệu phát đi để gửi tới thẻ
- Nhận và giải điều chế tín hiệu HF nhận từ thẻ
• Cấu hình:
- Cấu hình khác nhau phụ thuộc vào:
o Sự ghép nối (từ trường hoặc điện trường): thường ở dải tần số thấp
(Low Frequency < 135 KHz), tần số cao (High Frequency 13,56
MHz)

o Giao tiếp tuần tự (HDX, FDX hoặc SEQ): thường ở dải sóng cực
ngắn (Microwave 2,45GHz)
- MoDem (2 đường truyền tín hiệu độc lập):
o Bộ phát (Transmitter)
o Bộ thu (Receiver)
14
Control Unit
(giao thức mã
hóa tín hiệu)
HF interface
Nhận dữ
liệu
Truyền dữ
liệu
Application
software
(PC với các
phần mềm
ứng dụng)
Anten
Tag
Các lệnh điều khiển từ PC
Hình 1- Các thành phần của đầu đọc
Chương 1 : Tổng Quan Về Hệ Thống RFID
• Sơ đồ khối
Hệ thống RFID thiết kế trong đồ án hoạt động ở dải tần số thấp (125KHz)
dựa trên nguyên lý ghép nối cảm ứng (inductively coupled system) có sơ đồ khối
của khối HF như sau:
Hình 1- Sơ đồ khối của khối HF cho hệ thống RFID ghép nối cảm ứng
Tín hiệu được truyền tới thẻ đi theo đường truyền dữ liệu (tranmission data),

ngược lại tín hiệu nhận từ thẻ được xử lý trên đường nhận tín hiệu (received data).
Đầu tiên, tần số hoạt động của hệ thống (125KHz) được phát ra theo đường
truyền dữ liệu bởi một khối thạch anh tạo dao động ổn định (quartz oscillator). Để
tránh việc làm tăng tỉ lệ nhiễu so với tín hiệu rất yếu nhận được từ thẻ thì bộ tạo dao
động này tùy thuộc vào yêu cầu cao về sự ổn định pha và nhiễu các dải tần xung
quanh. Tín hiệu do oscillator tạo ra được đưa vào khối điều chế (modulator) được
điều khiển bởi tín hiệu dải tần cơ bản (baseband signal) của hệ thống mã hóa tín
hiệu. Tín hiệu dải tần cơ bản là tín hiệu có khóa điện áp trực tiếp (ở mức TTL) trong
đó dữ liệu nhị phân được biểu diễn bằng mã nối tiếp (Machester, Miller, NRZ). Các
dạng điều chế (ASK, PSK, FSK) sẽ thực hiện trên tín hiệu do oscillator tạo ra. Tín
hiệu sau khi đã được điều chế được chuyển sang mức điện áp yêu cầu bởi khối
nguồn đầu ra (output module) và đưa vào khối anten (antenna box).
15
Chương 1 : Tổng Quan Về Hệ Thống RFID
Đường nhận dữ liệu bắt đầu từ khối anten với thành phần đầu tiên là bộ lọc
giải thông (bandpass filter) hoặc một bộ lọc notch. Trong hệ thống truyền song
công/bán song công (FDX/HDX) bộ lọc này có nhiệm vụ chặn phần lớn các tín hiệu
mạnh từ đường truyền qua khối output module và chỉ lọc lấy các tín hiệu đáp ứng từ
thẻ. Trong các hệ thống tần số thấp LF với điều biến tải và không có tín hiệu mang
phụ (subcarrier) sử dụng một bộ lọc notch (notch filter) để tăng chiều sâu điều chế
(hệ số công suất).
b) Khối điều khiển (Control Unit)
• Chức năng:
- Thực thi thuật toán chống xung đột: cho phép nhiều thẻ cùng hoạt động
trong vùng phủ sóng của đầu đọc
- Mã hóa và giải mã dữ liệu trao đổi giữa thẻ và đầu đọc: tăng khả năng
bảo mật đường truyền
- Thực hiện xác thực giữa thẻ và đầu đọc
Để thực hiện các chức năng phức tạp này khối điều khiển thường dựa trên
một vi điều khiển. Phần mã hóa tín hiệu thường được thực hiện bởi một khối ASIC

(Application Specific Intergrated Circuit) để giúp xử lý các chu trình tính toán
chuyên sâu. Khối ASIC thường được truy nhập thông qua đường bus của vi điều
khiển.
• Sơ đồ khối:
Hình 1- Sơ đồ khối của khối điều khiển
16
Chương 1 : Tổng Quan Về Hệ Thống RFID
Dữ liệu trao đổi giữa phần mềm ứng dụng (application software) và khối
điều khiển của đầu đọc được thực hiện qua giao diện truyền thông nối tiếp RS-232
hoặc RS-485. Truyền thông giữa khối HF và khối điều khiển biểu diễn trạng thái
của khối HF như một số nhị phân. Trong hệ thống dùng điều chế ASK số logic “1”
ở đầu vào điều chế khối HF thể hiện trạng thái “HF signal on”, số logic ”0” tương
ứng với trạng thái “HF signal off”.
1.1.3. Cơ chế trao đổi năng lượng và dữ liệu.
1.1.3.1. Cơ chế trao đổi năng lượng
Có nhiều cơ chế trao đổi năng lượng tùy thuộc vào nguyên tắc ghép nối giữa
đầu đọc và thẻ và dải tần số hoạt động. Có thể chia ra làm 4 cơ chế như sau:
- Ghép nối cảm ứng (Inductive Coupling): thường dùng ở dải tần số thấp
LF (<135Khz) và tần số cao HF (13.56 MHz)
- Ghép nối tán xạ điện từ (Electromagnetic Backscatter Coupling): thường
dùng ở dải siêu cao tần UHF (868÷915MHz) và sóng vi ba microwave
(2.5 GHz)
- Ghép nối gần (Close Coupling): phạm vi đọc rất nhỏ (< 1 cm) thường
dùng ở dải tần 1÷10MHz
- Ghép nối điện (Electrical Coupling)
Ở đây chúng ta chỉ tập trung nghiên cứu hệ thống ghép nối cảm ứng do dải
tần hoạt động ở tần số thấp 125 KHz. Hệ thống này thường áp dụng với thẻ thụ
động luôn cần cấp năng lượng từ đầu đọc. Ghép nối cảm ứng tức là cơ chế hoạt
động dựa trên nguyên lý cộng hưởng điện từ do mạch LC trên 2 thành phần thẻ và
đầu đọc tạo ra. Như đã trình bày ở phần thẻ RFID (1.1.1), thẻ thụ động là một thiết

bị điện tử chứa dữ liệu gồm một vi mạch đơn và một cuộn dây lớn có chức năng
như một anten. Phía đầu đọc cũng có một cuộn dây là anten, khi cấp nguồn cho đầu
đọc thì sẽ có dòng điện đi qua cuộn dây này tạo nên một trường điện từ dao động
(Magnetic alternating field H) bao quanh cuộn dây (vì trong trường hợp này thẻ
luôn hoạt động thụ động cần đến năng lượng cấp từ đầu đọc nên cuộn dây anten của
17
Chương 1 : Tổng Quan Về Hệ Thống RFID
đầu đọc phải tạo ra được trường điện từ ở tần số cao và mạnh sao cho có thể xuyên
qua cuộn dây và phủ kín không gian xung quanh cuộn dây điều này phụ thuộc vào
thiết kế của anten phía đầu đọc – Hình 1.10). Do bước sóng của dải tần hoạt động
lớn gấp nhiều lần so với khoảng cách giữa anten của đầu đọc và anten của thẻ nên
trường điện từ có thể được hiểu đơn giản như một từ trường dao động liên quan đến
khoảng cách giữa thẻ và đầu đọc.
Hình 1- Từ trường dao động (magnetic alternating field) do cuộn dây anten trên thẻ sinh ra
Khi thẻ đi vào vùng từ trường của đầu đọc thì năng lượng từ từ trường dao
động có thể cảm ứng sang mạch cộng hưởng qua các cuộn dây theo định luật
Faraday. Nếu tần số dao động f
G
của từ trường dao động tương ứng với tần số cộng
hưởng f
R
của mạch cộng hưởng LC thì trên cuộn cảm phía thẻ sẽ xuất hiện một
dòng điện cảm ứng. Dòng điện cảm ứng này gây ra một điện áp U
i
giữa hai đầu
cuộn dây trên thẻ. Điện áp sau đó được chỉnh lưu và cung cấp năng lượng nuôi các
vi mạch và các khối chức năng khác bên trong thẻ.
Phía đầu đọc có một tụ điện C
r
nối song song với cuộn dây anten, điện dung

của tụ điện được lựa chọn sao cho nó cùng với điện cảm của cuộn dây tạo thành
một mạch cộng hưởng song song với tần số cộng hưởng tương ứng với tần số
truyền của đầu đọc. Phía thẻ có tụ điện C
1
hợp với cuộn dây anten tạo thành một
mạch cộng hưởng được điều chỉnh theo tần số truyền của đầu đọc. Điện áp U
i
trên
cuộn dây anten phía thẻ đạt được cực đại phụ thuộc vào mức tăng cộng hưởng trên
mạch cộng hưởng song song.
18
Chương 1 : Tổng Quan Về Hệ Thống RFID
Hình 1- Năng lượng sinh ra từ từ trường dao động phía đầu đọc cung cấp năng lượng cho thẻ qua
ghép nối cảm ứng
Hiệu suất truyền năng lượng giữa hai cuộn dây anten phía đầu đọc và phía
thẻ tỉ lệ với tần số hoạt động f, số vòng dây cuốn n, góc đặt giữa hai cuộn dây và
khoảng cách giữa chúng. Khi tần số f tăng thì điện cảm của cuộn dây trên thẻ và số
vòng dây quấn giảm (<135 KHz: 100 ÷ 1000 vòng, 13.56 KHz: 3 ÷10 vòng). Vì
điện áp cảm ứng trên cuộn dây phía thẻ cũng tỉ lệ với tần số f nên giảm số vòng dây
cũng ít ảnh hưởng đến hiệu suất truyền năng lượng ở các tần số cao hơn.
1.1.3.2. Truyền dữ liệu từ thẻ sang đầu đọc
Như đã miêu tả ở trên, hệ thống ghép nối cảm ứng hoạt động dựa trên
nguyên tắc kiểu máy biến áp với cuộn sơ cấp phía đầu đọc và cuộn thứ cấp phía thẻ,
khi khoảng cách giữa hai cuộn dây này không vượt quá 0,16λ (384m) thì thẻ sẽ nằm
trong trường gần (near field) của anten phát của đầu đọc. Kết quả trả lời của thẻ
trên anten đầu đọc được thể hiện thông qua trở tháng biến đổi Z
T
của cuộn dây
anten đầu đọc. Đóng và ngắt điện trở tải trên cuộn dây anten của thẻ sẽ làm thay đổi
trở kháng Z

T
và làm thay đổi điện áp trên cuộn dây anten đầu đọc. Điều này dẫn đến
việc điều chế biên độ điện áp U
L
trên cuộn dây anten đầu đọc bởi một thẻ từ xa. Nếu
thời điểm đóng ngắt điện trở tải được điều khiển bởi dữ liệu thì dữ liệu có thể
19
Các mạch cộng hưởng song song
Tag
Từ trường H