1
LÂM TẤN PHÁT
ĐÁNH GIÁ HOẠT ĐỘNG
CỦA CẢM BIẾN RFID DÙNG CHO ỨNG DỤNG
THEO DÕI CHẤT LƯỢNG THỰC PHẨM
Chuyên ngành: Vật liệu và Linh kiện Nanô
(Chuyên ngành đào tạo thí điểm)
LUẬN VĂN THẠC SĨ
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. NGUYỄN ĐẠT SƠN
Thành phố Hồ Chí Minh - 2014
ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ
ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH
PTN CÔNG NGHỆ NANO
2
Lời cam đoan
Tôi là Lâm Tấn Phát, học viên cao học chuyên ngành Vật liệu và Linh kiện Nanô của
trường Đại học Công Nghệ - ĐHQG Hà Nội và Phòng Thí nghiệm Công nghệ Nano
(LNT) – Đại Học Quốc Gia Thành phố Hồ Chí Minh đã hoàn thành luận văn này. Tôi xin
cam đoan rằng các trích dẫn trong luận văn là rõ ràng, các số liệu và kết quả tính toán là
trung thực và chưa có trong các công trình khoa học nào mà tôi không tham gia.
Tp. Hồ Chí Minh, ngày 31 tháng 12 năm 2014
Học viên
Lâm Tấn Phát
3
Lời cảm ơn
Trong suốt thời gian theo học chuyên ngành và tiến hành Luận văn tốt nghiệp này,
em đã nhận được sự giúp đỡ nhiệt tình và tạo điều kiện thuận lợi của nhiều cá nhân và tập
thể.
Trước hết, em xin trân trọng gửi lời cảm ơn đến Ban Giám đốc và Bộ phận Đào tạo
của Phòng Thí nghiệm Công nghệ Nano – Đại Học Quốc Gia Thành phố Hồ Chí Minh,
đặc biệt là PGS.TS. Đặng Mậu Chiến, Giám đốc Phòng Thí nghiệm. Đơn vị đã định
hướng và tạo mọi điều kiện thuận lợi về thời gian để em vừa làm việc vừa tham gia học
tập; đồng thời tài trợ tất cả các chi phí và vật tư tiến hành thí nghiệm trong Luận văn này.
Em cũng xin gửi lời cảm ơn chân thành đến TS. Nguyễn Đạt Sơn, TS. Đoàn Đức
Chánh Tín và KS. Lê Nguyên Ngân đã định hướng, trực tiếp hướng dẫn, giúp đỡ và tạo
điều kiện thuận lợi để em hoàn thành Luận văn này.
Nhân dịp này, em cũng xin tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới tất cả Thầy Cô, người thân
và bạn bè đã dạy dỗ, giúp đỡ và động viên em trong suốt quá trình học tập và làm việc.
Đây là Luận văn thiên về thực nghiệm. Kết quả đạt được có thể giúp đánh giá và
định hướng trong việc thiết kế ứng dụng trong thực tế. Do những hạn chế về thời gian và
phụ thuộc vào nhiều công đoạn khác nên Luận văn không tránh khỏi những sai sót. Rất
mong nhận được sự chỉ dẫn và góp ý hoàn thiện từ Thầy Cô và bạn bè.
Tp. Hồ Chí Minh, ngày 31 tháng 12 năm 2014
Học viên thực hiện
Lâm Tấn Phát
4
MỤC LỤC
Lời cam đoan 2
Lời cảm ơn 3
MỤC LỤC 4
Danh mục các ký hiệu và chữ viết tắt 6
Danh mục các hình vẽ và đồ thị 8
Danh mục các bảng 12
MỞ ĐẦU 13
Chương 1. TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ RFID 15
1.1. Lịch sử hình thành và phát triển 15
1.2. Các thành phần của hệ thống 20
1.3. Tình hình nghiên cứu và ứng dụng ở nước ngoài 25
1.4. Tình hình nghiên cứu và ứng dụng ở trong nước 27
Chương 2. THẺ NHẬN DẠNG TÍCH HỢP CHỨC NĂNG CẢM BIẾN 30
2.1. Tiêu chuẩn Việt Nam về sản phẩm thịt tươi 30
2.2. Xu hướng tích hợp chức năng cảm biến trên thẻ nhận dạng 32
2.3. Cảm biến theo dõi chất lượng sản phẩm thịt 36
2.4. Nguyên lý xác định trạng thái hỏng trên thịt của cảm biến 40
Chương 3. KHẢO SÁT TẦM ĐỌC CỦA CẢM BIẾN RFID 44
3.1. Môi trường lưu trữ mẫu thịt 44
3.2. Hệ đo tầm đọc của cảm biến 47
3.3. Quy trình đo tầm đọc của cảm biến 50
3.4. Kết quả đo tầm đọc của cảm biến 53
Chương 4. ẢNH HƯỞNG CỦA ĐIỀU KIỆN BẢO QUẢN LÊN HOẠT ĐỘNG CỦA
CẢM BIẾN RFID 56
4.1. Ảnh hưởng của độ ẩm bảo quản mẫu thịt 56
4.2. Ảnh hưởng của nhiệt độ bảo quản mẫu thịt 60
5
4.3. Ảnh hưởng của vị trí sắp xếp các mẫu thịt 64
KẾT LUẬN 68
DANH MỤC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC CỦA TÁC GIẢ LIÊN QUAN ĐẾN
LUẬN VĂN 69
TÀI LIỆU THAM KHẢO 70
6
Danh mục các ký hiệu và chữ viết tắt
CAGR
Compound Annual Growth Rate (Tốc độ tăng trưởng
hàng năm kép)
CRC
Cyclic Redundancy Check (Mã phát hiện lỗi)
DC
Direct current (Dòng một chiều)
EAN
The European Article Numbering system (Hệ thống đánh
số sản phẩm Châu Âu)
EEPROM
Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory
(Bộ nhớ chỉ đọc có thể lập trình và xóa bằng điện)
EIRP
Effective Isotropic Radiation Power (Công suất bức xạ
đẳng hướng hiệu dụng)
EPC
Electronic Product Code (Mã sản phẩm điện tử)
ERP
Effective radiated power (Công suất bức xạ hiệu dụng)
ETSI
European Telecommunications Standards Institute (Viện
Tiêu chuẩn Viễn thông châu Âu)
FRG
Federal Republic of Germany (Cộng hòa Liên bang Đức)
GS1
Hiệp hội Mã số Châu Âu
HF
High Frequency (Tần số cao)
ICDREC
Integrated Circuit Design Research and Education Center
(Trung tâm Nghiên cứu và Đào tạo thiết kế vi mạch)
ID
Identification (Nhận dạng)
IFF
Identification friend or foe (Hệ thống nhận dạng đồng
minh hay kẻ thù)
ISM
Industrial, Scientific and Medical
ISO
International Organization for Standardization (Tổ chức
tiêu chuẩn hóa quốc tế)
7
LAN
Local Area Network (Mạng cục bộ)
LF
Low Frequency (Tần số thấp)
LNT
Laboratory for NanoTechnology (Phòng Thí nghiệm
Công nghệ nano)
MIC
Ministry of Information and Communications (Bộ Thông
tin và Truyền thông)
PET
Poly-Ethylene Terephthalate
RAM
Random Access Memory (Bộ nhớ truy cặp ngẫu nhiên)
RFID
Radio Frequency Identification (Nhận dạng tần số radio)
RH
Relative Humidity (Độ ẩm tương đối)
RVP
Relative Vapour Pressure (Áp suất hơi tương đối)
R&D
Research and Development (Nghiên cứu và Phát triển)
TCVN
Tiêu chuẩn Việt Nam
UART
Universal Asinchonus Receiver Transmitter (Bộ truyền
nhận bất đồng bộ)
UCC
Uniform Code Council (Hội đồng Mã thống nhất Mỹ)
UHF
Ultra High Frequency (Tần số siêu cao)
UPC
Universal Product Code (Mã sản phẩm chung)
USB
Univeral Serial Bus
WSN
Wireless Sensor Network (Mạng cảm biến không dây)
3D
Three-dimensional (Không gian 3 chiều)
8
Danh mục các hình vẽ và đồ thị
Hình 1.1. Watson Watt giới thiệu thiết bị radar đầu tiên được phát minh vào năm 1935.
Nguồn: scienceandsociety.co.uk 15
Hình 1.2. Sử dụng tín hiệu bức xạ phản hồi để giao tiếp với hệ thống radar [4]. 16
Hình 1.3. Một số ứng dụng điển hình của thẻ nhận dạng RFID trong kiểm soát vào ra (a),
truy xuất thông tin bệnh nhân (b), quản lý kho hàng (c), quản lý sách trong thư viện (d) và
hộ chiếu điện tử (e) [3] 17
Hình 1.4. Thẻ nhận dạng điện tử trên bò sữa (a) được đọc bởi đầu đọc RFID (b). Nguồn:
RFID Journal, www.rfidjournal.com. 18
Hình 1.5. Dải tần hoạt động của RFID. 18
Hình 1.6. Các thành phần cơ bản của hệ thống RFID. 20
Hình 1.7. Sơ đồ khối của thẻ nhận dạng tần số radio. 21
Hình 1.8. Thẻ thương mại RFID thụ động hoạt động ở dãy tần UHF của Alien
Technology (Model 9238). 21
Hình 1.9. Phân loại thẻ nhận dạng RFID [5]. 22
Hình 1.10. Phân loại thẻ nhận dạng theo nguồn hoạt động: thẻ thụ động (a), thẻ bán thụ
động (b) và thẻ tích cực (c). Nguồn: Internet. 22
Hình 1.11. Một số đầu đọc RFID thương mại gồm USB Volaré (a), loại cầm tay (b) và
loại chuyên dụng (c). 23
Hình 1.12. Doanh thu của các thành phần trong thị trường RFID năm 2012 (đơn vị: tỷ
USD). Nguồn: IDTechEx, www.idtechex.com. 25
Hình 1.13. Thị trường RFID của các nước trong năm 2008. Nguồn: IDTechEx,
www.idtechex.com. 26
Hình 1.14. Dự báo thị trường RFID của các nước trong giai đoạn 2013-2020. Nguồn:
IDTechEx, www.idtechex.com. 27
Hình 1.15. Ứng dụng công nghệ RFID ở trạm thu phí tự động Xa lộ Hà Nội (a) và bãi giữ
xe tòa nhà De Manor TP.HCM (b). 28
Hình 1.16. Ứng dụng hệ thống RFID trong quản lý thư viện. Nguồn: ITEL Việt Nam,
www.itel-vn.com. 29
9
Hình 2.1. Mẫu thịt bò khi chất lượng còn tốt. 32
Hình 2.2. Trạm thu thập dữ liệu về môi trường không khí và đất ứng dụng WSN [13]. 33
Hình 2.3. Sự phát triển của chứng thực bằng tần số radio [16]. 34
Hình 2.4. Sơ đồ khối của thẻ RFID tích hợp chức năng cảm biến [3]. 34
Hình 2.5. Mô hình ăng-ten trên cảm biến RFID có mã số SO-01 (a), TO-01 (b) và TO-02
(c) được đưa vào mô phỏng trên phần mềm CST Microware Studio. 36
Hình 2.6. Quy trình chế tạo ăng-ten sóng radio trên cảm biến RFID tại Phòng Thí nghiệm
Công nghệ Nano – Đại học Quốc gia TP.HCM. 37
Hình 2.7. AK tagsys (a) được dán trên ăng-ten có mã TO-01 (b) để tạo thành thẻ nhận
dạng. 38
Hình 2.8. Các cặp cảm biến RFID được đánh mã SO-01 (a), TO-01 (b) và TO-02 (c)
dùng cho ứng dụng theo dõi chất lượng thịt trong quá trình bảo quản. 39
Hình 2.9. Cảm biến RFID được dán trên bề mặt của các mẫu thị bò trong quá trình bảo
quản. 40
Hình 2.10. Ảnh hưởng của hằng số điện môi lên trở kháng (a) và tầm đọc (b) của thẻ
nhận dạng thụ động UHF có mã T0-01 [12]. 43
Hình 3.1. Gian hàng lưu trữ và kinh doanh sản phẩm thịt bò ở các siêu thị. 44
Hình 3.2. Mô hình lưu trữ mẫu thịt trong quá trình thực nghiệm. 45
Hình 3.3. Nhiệt độ ngăn dưới của tủ lạnh SANYO SR-5KR theo thời gian (hoạt động ở
mức 1). 46
Hình 3.4. Độ ẩm ở ngăn dưới của tủ lạnh SANYO SR-5KR theo thời gian (hoạt động ở
mức 1). 46
Hình 3.5. Hệ đo tầm đọc của cảm biến RFID được dán trên mẫu thịt. 47
Hình 3.6. Kết nối các thành phần của hệ đo tầm đọc cảm biến RFID 48
Hình 3.7. Cấu hình mạng LAN trên máy vi tính để giao tiếp với đầu đọc chuyên dụng
BLUEBOX UHF. 49
Hình 3.8. Kết nối với đầu đọc BLUEBOX UHF sử dụng chương trình BlueBox show. 49
Hình 3.9. Các thông số hoạt động của đầu đọc thẻ nhận dạng RFID chuyên dụng
BLUEBOX UHF. 50
10
Hình 3.10. Quy ước phương và chiều của tầm đọc của cảm biến RFID được dán trên các
mẫu thịt. 52
Hình 3.11. Đo tầm đọc của cảm biến RFID dán trên mẫu thịt bò. 52
Hình 3.12. Mã số của các cảm biến RFID được quét và hiển thị trên màng hình sử dụng
phần mềm BLUEBOX Polling. 53
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. 54
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. 55
Hình 4.1. Sự định hướng của các phân tử nước tự do (a) và dưới tác dụng của trường
ngoài (b). 56
Hình 4.2. Đường đẳng nhiệt hấp thụ nước của thực phẩm [24]. 57
Hình 4.3. Ảnh hưởng hoạt độ của nước lên hoạt động của enzym và phản ứng hóa học
bên trong thực phẩm (Karel, 1975). 58
Hình 4.4. Hằng số điện môi tương đối (a) và hệ số tổn hao (b) của thịt bò theo lượng tro
được khảo sát ở tần số 915 MHz, các điều kiện nhiệt độ và hàm lượng ẩm khác nhau [26].
59
Hình 4.5. Tầm đọc của cảm biến TO-01 dán trên các mẫu thịt bảo quản ở độ ẩm 50±5%
và 80±5% (cùng nhiệt độ 5±1
o
C). 60
Hình 4.6. Sự dao động có định hướng của các phân tử lưỡng cực dưới tác dụng của
trường ngoài ở nhiệt độ thấp (a) và nhiệt độ cao hơn (b). 61
Hình 4.7. Hằng số điện môi tương đối (a) và yếu tố tổn hao (b) của nước theo nhiệt độ ở
tần số 915 MHz [24]. 61
Hình 4.8. Hằng số điện môi tương đối (a) và yếu tố tổn hao (b) của thịt bò theo nhiệt độ ở
ba tần số khác nhau 300 MHz, 915 MHz và 2450 MHz [24]. 62
Hình 4.9. Tầm đọc của cảm biến TO-01 dán trên các mẫu thịt được bảo quản ở nhiệt độ 3
± 1
o
C và 7 ± 1
o
C (cùng độ ẩm 50 ± 5 %) 64
Hình 4.10. Khảo sát vị trí tương đối trong thực tế với các mẫu thịt được đặt nằm ngang.
65
Hình 4.11. Khảo sát vị trí tương đối trong thực tế với các mẫu thịt được chồng thẳng
đứng. 65
11
Hình 4.12. Tầm đọc của cảm biến TO-01 dán trên các mẫu thịt được đặt nằm ngang. 66
Hình 4.13. Tầm đọc của cảm biến TO-01 dán trên các mẫu thịt được xếp thành chồng
đứng. 67
12
Danh mục các bảng
Bảng 1.1. Dãy tần hoạt động và đặc điểm của hệ thống RFID tương ứng 18
Bảng 1.2. Mô tả một số tham số hoạt động của các loại đầu đọc RFID phổ biến hoạt động
ở dãy tần UHF: 23
Bảng 2.1. Thành phần dinh dưỡng trong 100g thịt bò tươi với thành phần 95% thịt / 5%
chất béo [10]. 30
Bảng 2.2. Một số chỉ tiêu mô tả thịt tươi theo TCVN 7046:2002: 31
Bảng 2.3. Đặc điểm và ứng dụng của một số thẻ RFID thương mại được tính hợp tính
năng cảm biến. 35
Bảng 2.4. Các thông số cơ bản của nhãn AK tagsys [21]: 38
Bảng 3.1. Các môi trường bảo quản mẫu thịt trong quá trình thử nghiệm: 44
Bảng 3.2. Các thông số của ăng-ten UHF trên đầu đọc BLUEBOX [6]: 48
Bảng 3.3. Các mẫu và dụng cụ thí nghiệm cần chuẩn bị để đo tầm đọc của cảm biến: 50
Bảng 4.1. Hằng số điện môi của nước ở dạng lỏng và đá ở tần số 2,45GHz [25]: 58
Bảng 4.2. Ảnh hưởng của nhiệt độ đến thời hạn bảo quản thực phẩm [27]: 63
13
MỞ ĐẦU
Thực trạng an toàn vệ sinh thực phẩm đang thu hút mối quan tâm của toàn xã hội,
không chỉ riêng với người tiêu dùng mà còn từ các tổ chức, doanh nghiệp sản xuất kinh
doanh, các đơn vị quản lý. Vấn đề đặt ra là làm sao để có thể phát hiện nhanh chóng các
thực phẩm hư hỏng, không đảm bảo an toàn cho sức khỏe con người trong quá trình sản
xuất, lưu trữ và vận chuyển trước khi đến tay người tiêu dùng.
Tại các siêu thị, sản phẩm thịt gia súc sau khi giết mổ sẽ được chia nhỏ và đóng gói
trong đế xốp. Các đế này được bao bọc cẩn thận bằng một màng nhựa mỏng và bảo quản
ở ngăn lạnh với nhiệt độ khoảng 0-5
o
C trong suốt thời gian tiêu thụ. Ở điều kiện này,
người quản lý sẽ quy định thời gian lưu trữ là khoảng 3 ngày. Sau thời gian trên, các mẫu
thịt sẽ bị loại bỏ để không gây ảnh hưởng xấu đến sức khỏe của người tiêu dùng.
Phương pháp quản lý này vẫn còn tồn tại một số nhược điểm. Thứ nhất, cách xác định
trạng thái thịt hỏng theo nguyên tắc đánh đồng hạn sử dụng đối với tất cả các mẫu
(khoảng 3 ngày sau khi giết mổ) là chưa thực sự tối ưu về mặt kinh tế vì thực tế các mẫu
thịt bảo quản trong điều kiện siêu thị sẽ hỏng sau 4-5 ngày. Thứ 2, khi xuất hiện những
thay đổi đột ngột, bất thường của các yếu tố môi trường bảo quản, như nhiệt độ, độ ẩm,
do mất điện v.v thì hạn sử dụng của sản phẩm có thể rút ngắn đáng kể. Thứ ba, người
mua hàng hoặc quản lý kho thường đánh giá chất lượng sản phẩm dựa vào một số dấu
hiệu cảm quan của sản phẩm như độ nhớt, mùi hay sự thay đổi về màu sắc. Tuy tiết kiệm
thời gian và chi phí nhưng các dấu hiệu cảm quan này thường dễ gây sai sót do chúng chỉ
xuất hiện sau khi cấu trúc protein của thịt đã bị vi khuẩn phá hủy nặng nề. Vì vậy, cần
thiết phải có một giải pháp hữu hiệu để theo dõi chất lượng thịt một cách liên tục và tự
động trong suốt quá trình bảo quản. Điều này giúp cho việc đánh giá chất lượng thực
phẩm được chuẩn xác hơn quy trình cảm quan thông thường, tránh lãng phí thời gian và
tiền bạc do các xét nghiệm vi sinh đồng thời mang lại lợi ích cho cả đơn vị sản xuất kinh
doanh lẫn người tiêu dùng.
Xuất phát từ nhu cầu này của thực tiễn, từ năm 2012, Phòng Thí nghiệm Công nghệ
Nano – ĐHQG TP. HCM là đơn vị tiên phong tiến hành nghiên cứu, chế tạo các ăng-ten
trên thẻ nhận dạng có thể hoạt động như các cảm biến dùng trong việc quản lý và theo dõi
chất lượng sản phẩm thịt. Đây là một hướng ứng dụng mới của công nghệ RFID, hứa hẹn
mang lại nhiều nhiều lợi ích như giảm chi phí, tiết kiệm thời gian và thuận tiện hơn trong
việc quản lý và theo dõi chất lượng thực phẩm vì hệ thống hoạt động hoàn toàn tự động
trên nền tảng các hệ thống RFID UHF được ứng dụng trong các hệ thống siêu thị trên thế
giới từ nhiều năm nay [1,2].
14
Trong khuôn khổ luận văn này, chúng tôi tiến hành một số thí nghiệm nhằm kiểm tra
và đánh giá hoạt động của các cảm biến RFID (riêng phần ăng-ten được thiết kế và chế
tạo tại LNT) trong việc theo dõi chất lượng thực phẩm. Đồng thời khảo sát ảnh hưởng của
điều kiện bảo quản như yếu tố môi trường (nhiệt độ, độ ẩm) và vị trí sắp xếp của các mẫu
thịt lên hoạt động của các cảm biến. Trên cơ sở đó, đưa ra kết luận về hoạt động của cảm
biến và khả năng ứng dụng loại cảm biến này trong các điều kiện thực tế.
Cấu trúc Luận văn này bao gồm 4 Chương có nội dung như sau:
Chương 1: Chương này trình bày sơ lược về công nghệ RFID và nguyên lý hoạt động của
hệ thống. Xu hướng tích hợp chức năng cảm biến trên thẻ nhận dạng sóng radio.
Chương 2: Chương này đề cập đến các tiêu chuẩn Việt Nam cũng như thế giới về quản lý
chất lượng sản phẩm thịt. Đây là các cơ sở để đánh giá hoạt động của cảm biến RFID ở
phần sau. Bên cạnh đó, chúng tôi cũng giới thiệu khái quát nguyên tắc sử dụng thẻ nhận
dạng RFID UHF thụ động như một cảm biến không dây giúp quản lý và theo dõi chất
lượng sản phẩm thịt một cách tự động theo thời gian thực.
Chương 3: Chương này mô tả khái quát về hệ đo và phương pháp đo tầm đọc của các
cảm biến RFID nhằm đánh giá chất lượng mẫu thịt theo thời gian. Từ việc phân tích các
kết quả đo đạc, chúng tôi sẽ tiến hành đánh giá hoạt động và khả năng ứng dụng của
những cảm biến này trong điều kiện thực tế.
Chương 4: Chương này phân tích ảnh hưởng của một số yếu tố môi trường bảo quản như
nhiệt độ, độ ẩm tương đối của môi trường và vị trí sắp xếp các mẫu lên hoạt động của cảm
biến RFID. Từ đó, chúng tôi đưa ra những đánh giá về mức độ ảnh hưởng của các yếu tố
môi trường này lên hoạt động của các cảm biến, đồng thời đưa ra khuyến nghị về môi
trường thích hợp cho việc bảo quản các mẫu sản phẩm thịt trong quá trình vận chuyển và
lưu trữ.
15
Chương 1. TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ RFID
Công nghệ RFID là kỹ thuật giao tiếp không dây, trong đó dữ liệu được truyền và
nhận thông qua sóng điện từ ở tần số radio nhằm mục đích theo dõi hay xác định các đối
tượng được dán các thẻ RFID. Trong những năm gần đây, công nghệ nhận dạng này đã
trở nên rất phổ biến trong nhiều lĩnh vực của đời sống như an ninh, giao thông công cộng,
sản xuất công nghiệp, dịch vụ, v.v… [3]. Bằng cách sử dụng công nghệ này, thông tin về
các đối tượng như con người, động vật hay sản phẩm hàng hóa trong quá trình lưu trữ và
vận chuyển có thể được theo dõi và truy xuất thông tin một cách tự động, nhanh chóng và
chính xác theo thời gian thực.
Trong Chương 1 này, chúng tôi xin giới thiệu một cách khái quát về lịch sử hình thành
và phát triển của công nghệ RFID, các thành phần chính của hệ thống cùng với những ưu
điểm nổi bật của nó so với các công nghệ nhận dạng khác và một số ứng dụng phổ biến
của công nghệ này trong đời sống.
1.1. Lịch sử hình thành và phát triển
Nguồn gốc của công nghệ RFID được cho là xuất phát từ Thế chiến thứ 2. Khi đó, các
nước như Đức, Nhật, Mỹ và Anh đều sử dụng radar, một thiết bị được phát minh vào năm
1935 bởi nhà Vật lý người Scotland mang tên Robert Alexander Watson Watt (xem Hình
1.1). Thiết bị này có thể phát hiện các chuyển động của vật thể trong không gian và
chuyển nó thành tín hiệu điện. Do đó, nó được dùng vào mục đích theo dõi và cảnh báo
sớm các máy bay khi chúng sắp đến gần. Tuy nhiên, có một hạn chế lớn là nó không thể
phân biệt được đâu là máy bay của kẻ thù và đâu là máy bay của các nước đồng minh.
Hình 1.1. Watson Watt giới thiệu thiết bị radar đầu tiên được phát minh vào năm 1935.
Nguồn: scienceandsociety.co.uk.
Người Đức phát hiện ra rằng nếu các phi công của họ cho máy bay lộn vòng trước khi
tiếp cận căn cứ sẽ tạo ra một sự thay đổi tín hiệu sóng radio phản hồi. Kỹ thuật này giúp
16
các radar trên mặt đất nhận dạng được máy bay Đức hay của lực lượng không quân Đồng
Minh (xem Hình 1.2).
Hình 1.2. Sử dụng tín hiệu bức xạ phản hồi để giao tiếp với hệ thống radar [4].
Sau đó, người Anh đã phát triển hệ thống IFF (Identification Friend or Foe) có khả
năng nhận dạng được kẻ thù hay đồng minh bằng cách đặt một thiết bị truyền tín hiệu trên
các máy bay của họ [4]. Khi nhận được tín hiệu từ các trạm radar trên mặt đất, nó được
kích hoạt và bắt đầu phát sóng tín hiệu tần số radio trở lại để xác định chiếc máy bay này
là đồng minh. Hệ thống RFID thụ động ngày nay về cơ bản cũng hoạt động dựa trên
nguyên lý này.
Các tiến bộ trong việc phát triển hệ thống thông tin liên lạc bằng tần số vô tuyến
(Radio Frequency) và kỹ thuật radar vẫn tiếp tục qua những năm 1950 và 1960. Các nhà
khoa học và các viện nghiên cứu ở Hoa Kỳ, Châu Âu và Nhật Bản đã nghiên cứu và trình
bày một cách rõ ràng vì sao năng lượng RF có thể được sử dụng để xác định các đối
tượng từ xa. Lúc này, các công ty bắt đầu thương mại hóa hệ thống chống trộm EAS
(Electronic Article Surveillance) bằng cách sử dụng sóng vô tuyến để xác định xem một
vật thể đã được trả hay chưa.
Năm 1973, Mario W Cardullo đã nhận được bằng sáng chế đầu tiên của Mỹ cho một
thẻ RFID hoạt động với bộ nhớ ghi lại. Các bằng sáng chế cơ bản sau đó của Cardullo bao
gồm việc sử dụng tần số radio, âm thanh và ánh sáng như phương tiện truyền thông. Kế
hoạch kinh doanh ban đầu được giới thiệu cho các nhà đầu tư vào năm 1969 cho thấy khả
năng ứng dụng trong giao thông vận tải (nhận dạng xe, hệ thống thu phí tự động, giấy
phép điện tử, kê khai điện tử), ngân hàng (sổ tài khoản điện tử, thẻ tín dụng điện tử), an
ninh (nhận dạng cá nhân, cửa tự động, giám sát) và y tế (xác định lịch sử bệnh nhân) (xem
Hình 1.3).
17
(a)
(b)
(c)
(d)
(e)
Hình 1.3. Một số ứng dụng điển hình của thẻ nhận dạng RFID trong kiểm soát vào ra (a),
truy xuất thông tin bệnh nhân (b), quản lý kho hàng (c), quản lý sách trong thư viện (d) và
hộ chiếu điện tử (e) [3].
Theo yêu cầu của Bộ Nông nghiệp Mỹ, Los Alamos cũng phát triển một thẻ RFID thụ
động để theo dõi những con bò sữa. Sau đó, các công ty phát triển một hệ thống tần số
thấp (LF) 125 kHz, có bộ thu nhỏ hơn. Một bộ thu-phát (transponder) có thể được tiêm
dưới da bò sữa (xem Hình 1.4). Hệ thống này vẫn còn được sử dụng cho đến hiện nay. Bộ
thu tần số thấp cũng đã được dùng để kiểm soát truy cập vào các tòa nhà. Ngày nay, hệ
thống RFID tần số cao (HF) 13.56 MHz được ứng dụng vào các lĩnh vực kiểm soát truy
cập, hệ thống thanh toán (điện thoại di động Speedpass) và thẻ thông minh không tiếp
xúc. Ngoài ra, chúng còn được sử dụng như một thiết bị chống trộm xe hơi rất hiệu quả.
18
(a)
(b)
Hình 1.4. Thẻ nhận dạng điện tử trên bò sữa (a) được đọc bởi đầu đọc RFID (b). Nguồn:
RFID Journal, www.rfidjournal.com.
Công nghệ RFID có thể được ứng dụng ở nhiều dãy tần số radio khác nhau từ tần số
thấp đến siêu cao (xem Hình 1.5). Ở mỗi dãy tần, hệ thống RFID có những đặc điểm khác
nhau và tuân theo các tiêu chuẩn kỹ thuật tương ứng như mô tả trong Bảng 1.1. Trong
những năm 1990, các kỹ sư của IBM đã nghiên cứu và được cấp bằng sáng chế cho một
hệ thống RFID ở tần số siêu cao (UHF). UHF cho phép tăng tầm đọc xa hơn (lên đến hơn
10 mét trong điều kiện tốt) và tốc độ truyền dữ liệu nhanh hơn các hệ thống LF và HF.
Hình 1.5. Dải tần hoạt động của RFID.
Bảng 1.1. Dãy tần hoạt động và đặc điểm của hệ thống RFID tương ứng
Dãy tần Sử dụng Đặc điểm Tầm đọc
tối đa
Tiêu chuẩn
LF
(30~500kHz)
125/134KHz - Tốc độ đọc thấp.
- Có thể đọc xuyên qua
chất lỏng.
- Làm việt tốt khi ở gần.
0,5 m ISO 14223/1
ISO 18000-2
19
kim loại
HF
(10~15MHz)
13,56 MHz - Tốc độ đọc trung bình.
- Có thể đọc xuyên chất
lỏng.
- Bị nhiễu khi đặt gần
kim loại.
1 m ISO 14443
ISO 15693
ISO 18000-3
UHF
(850~950MHz)
Tùy vùng
lãnh thổ,
thường là
868 và 915
MHz
- Tốc độ đọc trung bình
đến nhanh.
- Có khả năng xử lý
nhiều đối tượng cùng
lúc.
- Bị cản trở bởi môi
trường chất lỏng và kim
loại.
Trên 10 m ISO 18000-6
Từ năm 1999 đến năm 2003, Trung tâm Auto-ID, được sự hỗ trợ của hơn 100 công ty
thương mại, cùng với với Bộ Quốc phòng Mỹ và nhiều nhà cung cấp RFID quan trọng đã
mở các phòng thí nghiệm nghiên cứu tại Úc, Vương quốc Anh, Thụy Sĩ, Nhật Bản và
Trung Quốc. Từ đó, các giao thức truyền thông (Class 1 và Class 0), Mã sản phẩm điện tử
(EPC) và một kiến trúc mạng để tìm kiếm dữ liệu liên quan đến thẻ RFID trên mạng
internet đã ra đời. Công nghệ này được cấp phép cho Hội đồng Mã thống nhất Mỹ (UCC)
vào năm 2003. Hội đồng này cũng thành lập ra EPCglobal, một liên doanh với EAN
International trong việc thương mại hóa công nghệ EPC.
Một số các nhà bán lẻ lớn nhất thế giới như Albertsons, METRO, Target, Tesco, Wal-
Mart và Bộ Quốc phòng Mỹ cũng có kế hoạch sử dụng công nghệ EPC để theo dõi hàng
hóa trong chuỗi cung ứng của họ. Các ngành công nghiệp dược phẩm, lốp xe, quốc phòng
v.v… cũng đang chuyển dần qua sử dụng công nghệ này. Tháng 12 năm 2004, EPCglobal
phê chuẩn một tiêu chuẩn thế hệ thứ hai (EPC Class 1 Gen 2) mở đường cho việc áp dụng
rộng rãi công nghệ RFID vào thực tiễn.
20
1.2. Các thành phần của hệ thống
Các thành phần chính của hệ thống RFID bao gồm thẻ nhận dạng, đầu đọc và phần
mềm ứng dụng cài đặt trên máy vi tính (xem Hình 1.6). Trong đó, dãy tần hoạt động của
đầu đọc và thẻ nhận dạng phải tương thích với nhau. Trên thực tế, hệ thống RFID hoạt
động ở 4 dãy tần phổ biến là dãy tần số thấp (LF), dãy tần số cao (HF), dãy tần số siêu
cao (UHF) và sóng vi ba (MW).
Hình 1.6. Các thành phần cơ bản của hệ thống RFID.
Thẻ nhận dạng (tag) được gắn liền với đối tượng xác định trong một hệ thống RFID.
Một thẻ thường bao gồm 3 thành phần chính là ăng-ten, mạch tích hợp (chíp) và nguồn
hoạt động (xem Hình 1.7). Ăng-ten giữ vai trò truyền nhận dữ liệu với đầu đọc thông qua
trường điện từ sóng radio. Chíp với bộ phận xử lý và bộ nhớ là nơi lưu trữ dữ liệu được
ghi trên thẻ nhận dạng và điều khiển quá trình truyền nhận dữ liệu. Ở thẻ tích cực và bán
thụ động có thêm nguồn nuôi (thường là pin), tuy nhiên thẻ thụ động vẫn có thể hoạt động
mà không cần đến nguồn năng lượng này (xem Hình 1.8).
21
Hình 1.7. Sơ đồ khối của thẻ nhận dạng tần số radio.
Hình 1.8. Thẻ thương mại RFID thụ động hoạt động ở dãy tần UHF của Alien
Technology (Model 9238).
Người ta có thể dựa vào nhiều tiêu chí khác nhau để phân chia các loại thẻ RFID như
trình bày trong Hình 1.9. Theo đó, nếu dựa trên tiêu chí nguồn hoạt động, có thể phân biệt
3 loại thẻ khác nhau bao gồm thẻ thụ động, thẻ bán thụ động và thẻ tích cực (xem Hình
1.10). Thẻ thụ động không có nguồn nuôi mà được kích hoạt bằng năng lượng trường
điện từ của đầu đọc. Hầu hết các nhãn RFID sử dụng trong thư viện và hệ thống bán lẻ là
loại tem thụ động bởi kích thước mỏng, nhỏ và giá thành rất thấp (chỉ từ 0,07 – 0,15 $).
Tương tự như thẻ thụ động, thẻ bán thụ động sử dụng sóng vô tuyến của đầu đọc như một
nguồn năng lượng cần thiết trong quá trình truyền dữ liệu. Tuy nhiên, nó có thể được
trang bị pin để duy trì bộ nhớ bên trong hoặc cấp nguồn cho các mạch bổ sung khác.
Trong khi đó, thẻ tích cực lại luôn luôn được nuôi bởi nguồn điện (thường là pin), có kích
thước lớn và giá thành cao hơn (thường từ 15 – 100 $). Loại này có thể được đọc từ
khoảng cách xa khoảng 30 mét trở lên nên được sử dụng trong hệ thống thu phí cầu
đường, theo dõi các trang thiết bị trong bệnh viện và những tài sản có giá trị khác.
22
Hình 1.9. Phân loại thẻ nhận dạng RFID [5].
(a)
(b)
(c)
Hình 1.10. Phân loại thẻ nhận dạng theo nguồn hoạt động: thẻ thụ động (a), thẻ bán thụ
động (b) và thẻ tích cực (c). Nguồn: Internet.
Về đầu đọc (reader) RFID dùng để quét các thẻ, trên thị trường cũng có nhiều loại
khác nhau như mô tả trong Hình 1.11. Người dùng có thể tùy chọn sử dụng dựa trên các
tham số cơ bản như dãy tần hoạt động, công suất phát, chuẩn giao tiếp hay mức độ bảo
mật sao cho phù hợp với yêu cầu của từng ứng dụng cụ thể. Các đầu đọc này thường giao
tiếp không dây (qua môi trường không khí) với thẻ nhận dạng trong quá trình truyền nhận
23
dữ liệu; đồng thời giao tiếp với máy vi tính qua các chuẩn thông dụng như USB, giao tiếp
bất đồng bộ nối tiếp (UART) hay qua mạng LAN (cổng RJ-45) và được điều khiển bởi
phần mềm chuyên dụng.
(a)
(b)
(c)
Hình 1.11. Một số đầu đọc RFID thương mại gồm USB Volaré (a), loại cầm tay (b) và
loại chuyên dụng (c).
Bảng 1.2. Mô tả một số tham số hoạt động của các loại đầu đọc RFID phổ biến hoạt động
ở dãy tần UHF:
Kenetics group Ltd Psion Teklogix iDTRONIC Group
Đầu đọc USB Volaré Đầu đọc cầm tay G2
(WorkAbout Pro 2)
Đầu đọc chuyên dụng
(BLUEBOX UHF [6])
Loại thẻ
ISO 18000-6B
ISO 18000-6C
ISO 18000-6B
ISO 18000-6C
(EPC Class-1
Generation-2)
ISO 18000-6B
ISO 18000-6C
(EPC Class-1
Generation-2)
Dãy tần
hoạt động
868 MHz …916 MHz 868 MHz … 915 MHz
860 MHz … 960 MHz
Nguồn
hoạt động
USB 5Vdc -
470mA (Đang hoạt
động) và 210mA (Chế
độ nghỉ)
Pin 3.7Vdc
9Vdc / 120Vac
300 mA
10Vdc – 27 Vdc
24
Công suất
tiêu thụ
Tối đa 15 W
Chuẩn
giao tiếp
USB 2.0 RS232
USB 1.1
RS232 / RS485
Ethernet 10-100M
Ăng-ten
Tích hợp Tích hợp Tối đa 4 ăng-ten rời
Công suất
phát
20dBm, thay đổi được Tối đa 27dBm, thay
đổi được
Tối đa 30 dBm, thay
đổi được
Tầm đọc
100cm 250 cm 10 m
Độ nhạy
-90dBm
Kích
thước
120 x 34 x 15 mm 223 mm x 75/100 mm
x 31/42 mm
120 x 220 x 80 mm
Nhiệt độ
hoạt động
0°C … +70°C -20°C … +50°C -10°C … +45°C
Trọng
lượng
30g
Một thành phần nữa rất quan trọng nữa trong hệ thống RFID chính là phần mềm ứng
dụng (application software) được cài đặt trên máy vi tính. Đây là giao diện ứng dụng
(API) được lập trình để giao tiếp và cấu hình các thông số hoạt động của đầu đọc (đã
được cài đặt trình điều khiển - driver) như tần số hoạt động, công suất phát, lựa chọn cổng
ăng-ten v.v…; đồng thời điều khiển quá trình đọc, ghi các thẻ nhận dạng thông qua đầu
đọc. Ngoài ra, phần mềm ứng dụng thường kèm theo một cơ sở dữ liệu để lưu trữ các mã
nhận dạng (ID code) của từng thẻ nhận dạng, sau đó thực hiện các thao tác xử lý dữ liệu
tùy theo từng ứng dụng cụ thể.
Nguyên lý hoạt động của hệ thống RFID thụ động có thể được mô tả như trong Hình
1.6. Ăng-ten của đầu đọc phát sinh sóng điện từ và lan truyền theo mọi hướng trong môi
trường xung quanh với cường độ giảm dần. Trường điện từ này thường phân bố ưu tiên
theo một số hướng nhất định phụ thuộc vào thiết kế và sự phân cực của ăng-ten. Khi thẻ
nhận dạng được đặt trong vùng hoạt động của đầu đọc, ăng-ten trên thẻ sẽ nhận được
25
năng lượng của trường điện từ và cấp nguồn cho hoạt động của chip RFID. Nguồn năng
lượng này có vai trò kích hoạt mạch điện tử bên trong chip và quá trình truyền nhận dữ
liệu giữa thẻ và đầu đọc được bắt đầu. Sau khi nhận được dữ liệu phản hồi từ thẻ nhận
dạng, đầu đọc RFID truyền dữ liệu này đến máy vi tính để tiến hành lưu trữ hay xử lý tùy
theo từng ứng dụng cụ thể.
Cần lưu ý thêm rằng trong trường hợp có nhiều thẻ cùng lúc xuất hiện gần ăng-ten của
đầu đọc, nghĩa là có “sự xung đột thẻ” (collision) thì chỉ 1 thẻ được giao tiếp và truyền
nhận dữ liệu với đầu đọc trong khi các thẻ khác sẽ được nhận dạng và chuyển vào vùng
đợi (ở trạng thái chờ) cho đến khi quá trình giao tiếp với thẻ trước đó được hoàn tất. Có
rất nhiều “thuật toán giải quyết xung đột” khác nhau được đề xuất để xử lý tình huống
này, điển hình như thuật toán ALOHA [7] cho tần số HF hay thuật toán Tree Walking cho
tần số UHF [8].
1.3. Tình hình nghiên cứu và ứng dụng ở nước ngoài
Công nghệ RFID đang ngày càng phát triển nhanh chóng và trở thành một công nghệ
quan trọng được ứng dụng rộng rãi. Rất nhiều ưu điểm nổi bật của có thể kể đến như
thông tin liên lạc nhanh chóng, thuận tiện và giúp tiết kiệm đáng kể thời gian, cải thiện
dịch vụ, giảm chi phí nhân công, giúp giảm bớt tỷ lệ trộm cắp, tăng năng suất và duy trì
quản lý chất lượng sản xuất.
Kết quả nghiên cứu thị trường RFID mới nhất từ IDTechEx cho thấy rằng trong năm
2012 giá trị của toàn bộ thị trường này đạt 7,67 tỉ USD (so với 6,51 tỉ USD trong năm
2011) và tiếp tục tăng lên trong những năm kế tiếp. Nguồn thu này xuất phát từ các thành
phần như thẻ (đặc biệt là thẻ thụ động), đầu đọc và phần mềm / dịch vụ cho thẻ, nhãn và
nhiều yếu tố khác (xem Hình 1.12).
Hình 1.12. Doanh thu của các thành phần trong thị trường RFID năm 2012 (đơn vị: tỷ
USD). Nguồn: IDTechEx, www.idtechex.com.
