Nghiên cứu, thiết kế và mô phỏng anten rfid luận văn ths kỹ thuật điện tử viễn thông 2 07 00 pdf
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (2.86 MB, 101 trang )
Đại học quốc gia Hà Nội
trờng đại học công nghệ
Nguyễn Thế Anh
Nghiên cứu, thiết kế
Và mô phỏng anten rfid
Luận văn thạc sĩ
Hà Nội - 2007
Đại học quốc gia Hà Nội
trờng đại học công nghệ
Nguyễn Thế Anh
Nghiên cứu, thiết kế
Và mô phỏng anten rfid
Ngành: Kỹ thuật Điện Tử Viễn Thông
Chuyên ngành: Kỹ thuật vô tuyến điện tử và thông tin liên lạc
Mã số: 2.07.00
Luận văn thạc sĩ
Ngời hớng dẫn khoa học:
TS. TRầN MINH TUấN
Hà Nội - 2007
-1-
Më §ÇU
Trong những năm gần đây, các hệ thống nhận dạng tự động (Auto
Identification) ngày càng phát triển mạnh mẽ và được ứng dụng trong rất nhiều các
lĩnh vực. Nhưng phát triển mạnh nhất hiện nay chính là công nghệ nhận dạng tự
động sử dụng tần số sóng radio, đó chính là công nghệ RFID (Radio Frequency
Identification). Cùng với sự phát triển của công nghệ sản xuất chip và công nghệ
không dây, hệ thống RFID ngày càng phát triển và hoàn thiện hơn về mọi mặt. Việc
nghiên cứu công nghệ này là bước đầu để chúng ta tìm hiểu và tiến đến làm chủ
công nghệ, từ đó chúng ta có thể triển khai các ứng dụng trong thực tế tại Việt Nam.
Nội dung của khoá luận tập trung nghiên cứu về lý thuyết anten và thử
nghiệm thiết kế anten cho hệ thống RFID thụ động.
Trên cơ sở đó luận văn được chia thành bốn chương:
Chương 1: Hệ thống RFID và các nguyên lý cơ bản
Chương 2: Thiết kế anten cho thẻ RFID
Chương 3: Mô phỏng và thiết kế anten trên máy tính.
Chương 4: Kết luận và hướng nghiên cứu tiếp
-2-
CHƯƠNG 1
Hệ THốNG RFID Và CáC NGUYÊN Lý CƠ Bản
1.1 H thng RFID.
1.1.1 H thng nhn dng t ng (Auto Identification-Auto ID):
Trong vi nm gn õy, cỏc h thng nhn dng t ng ngy cng phỏt trin
v tr nờn khỏ ph bin trong cỏc ngnh nh cụng nghip dch v, mua sm, phõn
phi, qun lý v c s dng ti rt nhiu cỏc c quan, nh mỏy, bnh vin v cỏc
t chc khỏc. Chỳng cung cp cho chỳng ta cỏc thụng tin v con ngi, hng hoỏ,
ng vt trong vic di chuyn. Vớ d: mó vch, th t, v h thng RFID.
Mó
vch
Quang
hc
Th
thụng
minh
H thng
nhn dng
t ng
Võn
tay
Sinh
hc
Gin
g
núi
RFID
Hỡnh 1-1: Mụ hỡnh cỏc h thng nhn dng t ng.
-3-
a) Hệ thống nhận dạng mã vạch (Barcode):
Hệ thống nhận dạng tự động bằng mã vạch đã đạt được nhiều thành công và
được ứng dụng, phát triển mạnh mẽ nhất. Mã vạch là hệ thống mã nhị phân được
tạo nên bởi các vạch và khoảng trống xắp xếp song song với nhau. Chúng được xắp
xếp theo một quy ước định trước, các phần của mã vạch đại diện cho dữ liệu cần mã
hóa. Mã vạch có thể được đọc bởi đầu đọc laser thông qua sự phản xạ khác nhau
của dòng laser đối với các vạch đen và khoảng trống màu trắng.
b) Hệ thống nhận dạng sinh học:
Hệ thống nhận dạng sinh học thường dùng để nhận dạng các sinh vật sống
trong đó nhận dạng con người là chủ yếu. Trong hệ thống nhận dạng tự động, nhận
dạng sinh học có độ chính xác khá cao qua việc so sánh các đặc điểm riêng của mỗi
người. Trong thực tế, có rất nhiều các hệ thống nhận dạng sinh học như: nhận dạng
vân tay, nhận dạng giọng nói và nhận dạng võng mạc.
c) Hệ thống nhận dạng thẻ thông minh(smart card):
Thẻ thông minh là thiết bị lưu trữ dữ liệu điện tử, có loại có thêm một chip
để xử lý thông tin. Chúng thường được thiết kế trong một thẻ nhựa có kích thước
như thẻ điện thoại. Để hoạt động, thẻ thông minh phải được đưa vào đầu đọc thẻ,
thẻ được kết nối với đầu đọc thông qua các tiếp xúc điện. Thẻ được cung cấp năng
lượng và xung đồng bộ bởi đầu đọc thông qua tiếp xúc điện đó. Dữ liệu truyền giữa
đầu đọc và thẻ được truyền theo dạng nối tiếp hai chiều.
Qua đặc điểm của các hệ thống nhận dạng tự động trên, chúng ta có thể thấy
rằng hầu hết các hệ thống nhận dạng tự động trên đều yêu cầu kết nối vật lý tiếp xúc
với khoảng cách gần. Điều này gây rất nhiều bất tiện cho người sử dụng trong sử
dụng hoặc quản lý. Với hệ thống RIFD, việc kết nối không dây giữa thiết bị mang
thông tin và thiết bị đọc sẽ đem lại nhiều ứng dụng và tiện lợi hơn. Trong thực tế,
chúng ta còn có thể truyền năng lượng từ đầu đọc cho thiết bị di động thông qua
việc sử dụng công nghệ không dây này.
-4-
Bảng 1.1. So sánh các công nghệ nhận dạng tự động (Auto-ID) chính.
Barcode
Thẻ thông
RFID thụ động
RFID tích cực
Có thể thay đổi
Có thể thay đổi
Từ mức tối thiểu tới
Ở mức cao
minh
Thay đổi dữ
Không thể
Có thể thay
liệu
thay đổi
đổi
An toàn dữ
Ở mức tối
Ở mức cao
liệu
thiểu
Dữ liệu
8 – 30 ký tự
truyền tải
đến 7,200 số
Chi phí
Thấp
Tiêu chuẩn
mức cao
Lến tới 8MB
Lên tới 64kB
Lến tới 8MB
Cao (hơn
Trung bình (ít hơn
Rất cao (10$ -
1$/thẻ)
25 cent/SP)
100$/thẻ)
Ổn định và
Độc quyền;
Phát triển theo một
Độc quyền và
đã được quy
không có tiêu
quy chuẩn
phát triển theo
ước
chuẩn.
một quy chuẩn
mở.
Tuổi thọ
Ngắn
Dài
Không giới hạn
3 – 5 năm (pin)
Khoảng
Tầm nhìn
Tiếp xúc trực
Lên tới 1524cm
Lên tới 100m và
cách đọc
thẳng (90 –
tiếp
(Không tiếp xúc)
hơn nữa
Môi trường, địa
Hầu như không
hình ảnh hưởng tới
do tín hiệu quảng
việc truyền sóng
bá phát ra khá
RF.
mạnh.
180cm)
Nhiễu tiềm
ẩn
Bụi hoặc vật Tiếp xúc mòn,
cản giữa thẻ
và đầu đọc
bẩn.
-5-
Hình 1-2: Sơ đồ khối hệ thống RFID ứng dụng hoàn chỉnh
1.1.2 Khái niệm về hệ thống RFID.
Hệ thống nhận dạng tự động RFID cũng tương tự như hệ thống nhận dạng
bằng thẻ thông minh trên. Nó cũng là thiết bị lưu trữ dữ liệu rất thuật tiện, có thể
mang theo được, đó chính là thẻ RFID. Tuy nhiên, điểm khác biệt của hệ thống
RFID đó chính là năng lượng cung cấp cho thẻ và việc truyền dữ liệu giữa đầu đọc
và thẻ không phải thông qua các kết nối vật lý hay quang học mà thông qua điện
trường do đầu đọc phát ra. Hệ thống RFID lấy năng lượng từ trường điện từ của
-6-
sóng radio, và nhận dạng dựa vào tần số sóng radio mang thông tin đó. Do những
đặc tính ưu việt của công nghệ của hệ thống RFID so với các hệ thống nhận dạng tự
động khác, hệ thống RFID ngày nay được ứng dụng trong rất nhiều các lĩnh vực và
ngày càng phát triển.
Hình trên cho thấy các thành phần một hệ thống RFID hoàn chỉnh [3], được
ứng dụng tại các cửa hàng bán lẻ lớn. Phía dưới góc bên trái của hình là một tập hợp
các thẻ RFID minh hoạ cơ chế nhận dạng của chúng. Reader được đặt bên trong và
tại các dây chuyền đầu ra. Các reader có thể đọc thẻ hàng trăm tới hàng ngàn lần
một phút. Reader cũng phải được cấu hình và quản lý sao cho nó có thể phủ sóng
hết các vùng mù, nơi mà khó nhận biết được thẻ. RFID middleware là phần mềm xử
lý tất cả các quá trình trên. Edge applications là các ứng dụng bất kỳ của doanh
nghiệp. Dịch vụ thông tin RFID trình bày cơ chế lưu giữ các dữ kiện RFID và dữ
liệu liên quan.
1.1.3 Cấu trúc cơ bản của hệ thống RFID.
Cấu trúc hệ thống RFID chủ yếu bao gồm một reader và một thẻ (hay còn
gọi là label hoặc chip). Reader sẽ truy vấn thẻ, lấy thông tin, và sau đó xử lý theo
thông tin vừa nhận được đó. Có thể chỉ đơn giản là hiển thị một con số nào đó trên
một thiết bị cầm tay, hoặc chuyển thông tin đó tới một hệ thống POS , một cơ sở dữ
liệu quản lý kho, hoặc chuyển tiếp tới một hệ thống thanh toán nào đó.
-7-
1.1.3.1 Tag/ Thẻ
Thẻ được sử dụng trong hệ thống RFID có chức năng như một bộ thu phát
(transponder) [13], được thiết kế để có thể vừa có khả năng thu tín hiệu vô tuyến
vừa có khả năng tự động phát đi trả lời. Kiểu hoạt động đơn giản nhất, đó là thẻ sẽ
lắng nghe một tín hiệu vô tuyến, và sẽ gửi tín hiệu để trả lời (LBT – Listen before
talk). Các hệ thống phức tạp hơn có thể phát đi một ký tự đơn hay một con số, hoặc
có thể gửi một dãy ký tự hoặc dãy số. Và đối với những hệ thống tân tiến hơn, còn
có thể cho phép tính toán, xác nhận và mã hoá đường truyền để bảo mật thông tin.
Cấu tạo một thẻ RFID thường bao gồm: Mạch giải mã, bộ nhớ, nguồn cung
cấp, điều khiển giao tiếp và anten.
Thẻ cũng có ba loại: đó là tích cực, thụ động và bán thụ động.
Thẻ RFID thụ động bản thân không có pin hay nguồn cung cấp trong nó; do
đó, nó phải lấy nguồn cung cấp từ tín hiệu của reader. Thẻ là một mạch cộng hưởng
có khả năng hấp thụ nguồn cung cấp phát ra từ anten của reader. Để nhận năng
lượng từ reader, cần phải sử dụng một tính chất của trường điện từ gọi là trường
gần. Tức là thẻ phải ở khoảng cách tương đối gần so với reader để có thể nhận được
năng lượng từ reader. Năng lượng trường gần sẽ đảm bảo cung cấp đủ năng lượng
cho thẻ sao cho ít nhất nó cũng có thể gửi được một đáp ứng cho reader.
Ngược với thẻ thụ động là thẻ tích cực. Thẻ tích cực bản thân đã có nguồn
cung cấp bên trong, pin. Vì có năng lượng để cung cấp cho chính mạch điện tử của
nó, nên nó có thể phát và thu độc lập mà không cần nguồn cung cấp từ trường gần
của anten reader. Và cũng bởi vì nó không phụ thuộc vào nguồn cung cấp từ reader,
nên chúng cũng không bị giới hạn hoạt động trong phạm vi trường gần. Nó có thể
tương tác với reader ở khoảng cách xa hơn.
Một trong những lý do khiến thẻ tích cực ít được ứng dụng rộng rãi trên toàn thế
giới đó là do còn chưa có một tiêu chuẩn toàn cầu hoàn thiện dành cho nó. Thẻ bán
thụ động cũng có pin để cung cấp năng lượng nhưng vẫn phụ thuộc vào trường gần
để cấp nguồn cho mạch vô tuyến hoạt động trong quá trình phát và nhận dữ liệu.
-8-
Một thẻ bao gồm hai thành phần chính bên trong: ASIC hay microchip và
anten. Microchip là chip vi xử lý nhỏ lưu giữ một dãy số nhận dạng duy nhất cho
chip đó. Microchip còn có khả năng xử lý các tình huống khi thẻ giao tiếp với
reader. Anten sẽ cấp năng lượng thu được cho microchip và microchip có thể trao
đổi dữ liệu với reader.
Thẻ cũng được chia ra thành các lớp và các thế hệ: Lớp 0, Lớp 1 và Thế hệ 1
(Gen 1), Thế hệ 2 (Gen 2) (Nhằm phân biệt so với thẻ của các công nghệ nhận dạng
khác, và cũng như phân loại thẻ theo các tuỳ chọn riêng của chúng).
• Thẻ lớp 0: Là loại thẻ chỉ-đọc, tức là dữ liệu trên thẻ được ghi bởi nhà sản
xuất là không thể thay đổi được.
• Thẻ lớp 1: Thẻ có thể ghi/đọc, có thể ghi bất kỳ thông tin gì lên chúng theo
mục đích của từng ứng dụng cụ thể và có thể đọc dữ liệu ra vô hạn định. Viết
một lần, đọc nhiều lần (WORM).
Về nguyên lý, kích thước thẻ càng lớn thì thẻ càng ít có đối tượng nhận dạng có
kích thước phù hợp để gắn vào. Nhưng kích thước thẻ càng nhỏ thì khoảng đọc lại
càng ngắn.
1.1.3.2 Đầu đọc (Reader)
Thành phần thứ hai trong hệ thống RFID cơ bản đó là reader. Gọi là “reader”
thực ra cũng không đúng về mặt thuật ngữ, reader thực sự cũng là một bộ thu phát
(transceiver). Nhưng, bởi vì vai trò chủ yếu của reader là truy vấn thẻ và nhận thông
tin từ thẻ, nên chức năng chủ yếu vẫn là “đọc thẻ”; do đó, được gọi là “reader”.
Reader có thể có tích hợp anten bên trong hoặc anten rời. Còn có các thành phần
khác trong một reader như là các giao diện hệ thống như cổng nối tiếp RS-232 hay
Ethernet, các mạch mã hoá và giải mã, nguồn cung cấp, và các mạch điều khiển
giao tiếp. Anten reader có kích thước rất đa dạng, từ vài cm cho tới hàng chục, hàng
trăm cm. Mỗi reader có thể có nhiều hơn một anten tuỳ thuộc vào từng ứng dụng cụ
thể.
-9-
1.1.3.3 Middleware
Phần mềm Middleware sẽ quản lý reader và dữ liệu đến từ thẻ, chuyển nó tới
hệ thống cơ sở dữ liệu tập trung. Middleware được bố trí ở giữa reader và cơ sở dữ
liệu. Ngoài việc lấy dữ liệu từ thẻ và đưa dữ liệu vào cơ sở dữ liệu, middleware còn
thực hiện các chức năng như lọc, quản lý và phối hợp reader. Khi các hệ thống
RFID phát triển lên, middleware sẽ được bổ sung thêm các chức năng quản lý nâng
cao và cải tiến cho cả reader và thẻ, chưa kể đến các tuỳ chọn quản lý dữ liệu mở
rộng. Cơ sở dữ liệu có thể là SQL, My SQL, Oracle, Postgres...
1.1.4 Dữ liệu sử dụng trong RFID
1.1.4.1 Dữ liệu chứa trong thẻ
Phụ thuộc vào loại thẻ cụ thể, dung lượng dữ liệu chứa trong thẻ sẽ khác
nhau từ vài byte cho tới vài MB tuỳ thuộc vào ứng dụng. Dữ liệu trong thẻ có thể có
rất nhiều các định dạng khác nhau, tất nhiên là phải tương thích với cả reader và thẻ.
Hiện tồn tại khá nhiều các định dạng, song các tiêu chuẩn đang xây dựng sẽ dần dần
hợp nhất.
Mã UPC (bar code) đã được coi là phương tiện thanh toán tại các POS trong
các siêu thị bán lẻ kể từ những năm 1970. Mã UPC chứa các thông tin về hệ thống
bar code, nhà sản xuất, loại sản phẩm, và số kiểm tra. Vì chỉ có 5 con số được sử
dụng để mã hoá cho cả nhà sản xuất và sản phẩm, nên tổng số nhà sản xuất sẽ là
100,000, mỗi nhà sản xuất sẽ có 100,000 sản phẩm. Tổng cộng số sản phẩm mà mã
UPC có thể mã hoá là 10,000,000,000. Rõ ràng thấy rằng mã UPC sẽ sớm bị cạn
kiệt tài nguyên mã hoá cho sản phẩm.
1.1.4.2 Mã sản phẩm điện tử
Mã sản phẩm điện tử mới (EPC) sử dụng định dạng Nhận dạng chung (GID96) của tổ chức EPC toàn cầu. GID-96 có 96 bit (12 byte) dữ liệu. Theo chuẩn GID96, mỗi EPC sẽ bao gồm 3 trường: Số quản lý chung 28 bit sẽ dành cho nhận dạng
tổ chức hoặc công ty; Lớp đối tượng 24 bit chia sản phẩm thành các nhóm; Số sê-ri
- 10 -
36 bit là duy nhất đối với từng đối tượng và dành cho nhận dạng sản phẩm. Trường
thứ tư bao gồm một header 8 bit được sử dụng để đảm bảo sự duy nhất của mã EPC.
Số bit
Tổng số
Header
Số quản lý chung
Lớp đối tượng
Số Se-ri
8
28
24
36
268,435,455
16,777,215
68,719,476,735
Bảng 1.2: Các trường của mã EPC
Cho phép tổng cộng 30,939,155,754,879,204,468,201,375 đối tượng sản
phẩm được mã hoá bằng hệ thống mã hoá EPC.
Hình 1-3: Mã EPC dùng cho RFID
- Header: Trường này sẽ cho reader biết tiếp theo sau sẽ là loại dữ liệu nào.
- EPC Manager: Trường quản lý EPC này sẽ nhận dạng các nhà sản xuất.
- Lớp đối tượng: Cũng tương tự như đơn vị giữ kho (SKU).
- Số sê-ri: Đây là dãy số quan trọng nhất, nó biểu thị sản phẩm, các đặc tính của sản
phẩm…
Mỗi công ty hoặc nhà sản xuất sẽ được gán một số quản lý chung từ tổ chức
EPC. Mỗi nhà sản xuất sau đó sẽ được gán một số Lớp Đối tượng cho mỗi dây
chuyền sản xuất. Mỗi đối tượng sản phẩm sẽ được nhận dạng bởi Số Sê-ri. Các nhà
sản xuất có thể gán số sản phẩm và số sê-ri bất kỳ cho sản phẩm của họ. Cũng chính
vì thế mà các nhà sản xuất có khả năng tự cung cấp cho mình những phương thức
nhận dạng duy nhất cho mỗi sản phẩm của họ.
- 11 -
1.1.5 Phân loại hệ thống RFID.
Qua nhiều giai đoạn phát triển khác nhau, rất nhiều mođun của hệ thống
RFID đã được tích hợp lại. Hệ thống RFID có thể được phân loại dựa theo tần số
hoạt động, khoảng đọc, nguồn cung cấp cho thẻ, và giao thức truyền dữ liệu giữa
thẻ và reader…Nhưng từ quan điểm thiết kế anten, Hệ thống RFID có thể được
phân loại thành hai phạm trù [23]: RFID trường gần và RFID trường xa liên quan
đến phương pháp phát công suất từ reader tới thẻ. Còn với quan điểm về phưong
pháp cấp nguồn cho thẻ thì có thể phân loại thành hệ thống RFID thụ động, tích cực
và bán tích cực. Trong phạm vi của giáo trình này mặc định chỉ đề cập tới hệ thống
RFID thụ động nên sẽ không dựa trên cách phân loại này.
RFID trường gần và trường xa: Có hai phương pháp để truyền công suất từ
reader tới thẻ, đó là ghép dung/cảm ứng và thu/phát sóng điện từ (EM). Cả hai
phương pháp này đều khai thác các tính chất của điện từ trường đối với một anten
RF - Trường khu gần và trường khu xa. Cả hai phương pháp này đều cung cấp đủ
năng lượng cho thẻ đảm bảo hoạt động trong khoảng từ 10µW tới 1mW, phụ thuộc
vào từng loại thẻ.
1.1.5.1 RFID trường gần
Trường gần là một hiện tượng xảy ra trong truyền sóng vô tuyến, trong đó
cường độ trường của trường điện từ đủ lớn để cảm ứng tạo ra một điện trường trên
cuộn dây anten của thẻ. Độ lớn của trường gần phụ thuộc vào bước sóng của tín
hiệu vô tuyến được sử dụng (r = λ/2π).
Trong các hệ thống RFID trường gần, công suất cũng như thông tin cần
truyền từ reader tới thẻ đều có thể thực hiện được bằng cách ghép cảm ứng qua
tương tác với từ trường, hoặc ghép dung ứng qua tương tác với điện trường. Hệ
thống RFID trường gần là phương pháp đơn giản nhất để thực hiện một hệ thống
RFID thụ động. Hạn chế chủ yếu của hệ thống RFID trường gần đó là giới hạn về
khoảng đọc. Đối với các hệ thống RFID ghép cảm ứng, năng lượng cảm ứng là một
hàm của khoảng cách từ cuộn anten. Từ trường giảm đi với tốc độ 1/r3, trong đó r là
- 12 -
khoảng cách giữa reader và thẻ. Khoảng đọc của một hệ thống RFID trường gần
như vậy thường ngắn hơn 1.5m. Còn một sự hạn chế khác liên quan đến hướng của
từ trường. Cùng với tầm nhìn của anten reader, cường độ trường của thành phần từ
trường trực giao với mặt phẳng anten reader thì rất mạnh, trái lại thành phần cường
độ trường song song với mặt phẳng anten reader thì lại rất yếu hoặc thậm chí bằng
không. Do đó, nếu thẻ được đặt song song với từ trường của anten reader, reader sẽ
không thể nhận biết được thẻ bởi vì không có từ thông chảy qua thẻ.
1.1.5.2 RFID trường xa
Trong các hệ thống RFID trường xa, công suất cũng như thông tin truyền từ
reader tới thẻ đều được thực hiện bằng cách phát và thu sóng EM. Reader sẽ phát ra
năng lượng qua anten, một phần năng lượng đã phát sau đó sẽ bị phản xạ trở lại từ
thẻ và reader sẽ nhận biết được. Biên độ năng lượng phản xạ từ thẻ có thể bị ảnh
hưởng bởi sự thay đổi trở kháng tải kết nối tới anten của thẻ. Bằng cách thay đổi trở
kháng tải của anten theo thời gian, thẻ có thể phản xạ nhiều hoặc ít so với tín hiệu
tới và đó cũng là cách mã hoá ID của thẻ.
Các hệ thống RFID trường xa hoạt động ở các tần số lớn hơn 100MHz, chủ
yếu là băng UHF như 868MHz, 915MHz hoặc 955MHz hay băng tần vi ba 2.4GHz
hoặc 5.8GHz. Khoảng đọc của hệ thống RFID trường xa được xác định bởi mật độ
năng lượng mà thẻ nhận được và độ nhạy của phần thu reader đối với tín hiệu phản
xạ từ thẻ. Năng lượng cần thiết để cấp cho thẻ tại một tần số cho trước sẽ ngày càng
giảm xuống (hiện giờ là khoảng vài mW). Reader đang ngày càng được cải tiến độ
nhạy sao cho chúng có thể nhận biết được tín hiệu yếu với các mức công suất
khoảng -80dBm với chi phí chấp nhận được. Khoảng đọc của hệ thống có thể dao
động từ 3 – 5m. Khi lớn nhất có thể lên tới 10m hoặc hơn.
- 13 -
1.1.6 Tần số, tiêu chuẩn và giao thức được sử dụng trong hệ thống RFID:
1.1.6.1 Tần số và quy định
Hoạt động của một hệ thống RFID phụ thuộc rất nhiều vào tần số hoạt động
mà hệ thống sử dụng. Tần số hoạt động sẽ ảnh hưởng lớn tới khoảng đọc, tốc độ
trao đổi dữ liệu, hoạt động, kích thước, loại anten, và tính hấp thụ bề mặt. Do phải
đảm bảo hệ thống RFID cùng tồn tại được với các hệ thống thông tin khác như là
thông tin di động, thông tin vệ tinh…mà tần số hoạt động của hệ thống RFID bị giới
hạn; Chỉ được phép hoạt động với dải tần ISM. Ngoài dải tần ISM ra, toàn bộ dải
tần dưới 135kHz (ở Bắc và Nam Mỹ) và 400kHz (ở Nhật) cũng được dành cho ứng
dụng RFID.
Hình 1.4: Dải tần chính dành cho ứng dụng RFID
Hệ thống RFID LF thường sử dụng thẻ thụ động, thích hợp cho các ứng dụng
trong đó môi trường hoạt động có các đối tượng cần nhận dạng chủ yếu là kim loại,
chất lỏng…(một tính chất rất quan trọng của các hệ LF). Thẻ LF tích cực cũng có
mặt trong một số các ứng dụng RFID khác.
Hệ thống RFID HF cũng sử dụng thẻ thụ động và hoạt động khá tốt trong các
môi trường có chứa kim loại, chất lỏng.
Hệ thống RFID UHF thụ động tiêu biểu hoạt động tại tần số 915MHz ở Mỹ
và 868MHz ở Châu Âu. Còn hệ thống tích cực thì hoạt động tại tần số 315MHz
hoặc 433MHz. Hệ thống RFID UHF có thể sử dụng cả thẻ tích cực lẫn thụ động.
Tuy nhiên, dải tần UHF cho ứng dụng RFID chưa được chấp nhận rộng rãi trên toàn
thế giới.
- 14 -
Hệ thống RFID MWF hoạt động tại tần số 2.45GHz được sử dụng phổ biến
nhất và được chấp nhận rộng rãi. Hệ thống RFID MWF cũng có thể sử dụng cả thẻ
tích cực lẫn thụ động. Do kích thước của anten tỷ lệ nghịch với tần số, nên anten
của thẻ thụ động hoạt động trong dải tần MWF có kích thước nhỏ hơn rất nhiều so
với các hệ thống RFID khác hoạt động ở dải tần khác thấp hơn.
Bảng 1.3: Các hệ thống RFID trường gần và trường xa với các thống số liên quan.
RFID trường gần
RFID trường xa
LF
HF
UHF
MWF
Tần số
3-400kHz
3-30MHz
300M-3GHz
1-3GHz
Tiêu biểu
125-134kHz
13.56MHz
433MHz,
2.45GHz
865M-956MHz
Khoảng
< 0.5m
1.5m
Lên tới 100m
Lên tới 10m
1kb/s
25kb/s
30kb/s
100kb/s
Ngắn, tốc độ
Khá dài, tốc độ khá
Dài, tốc độ cao,
Dài, tốc độ cao, bị
thấp, chỉ bị
cao (bằng GSM)
bị ảnh hưởng
ảnh hưởng bởi cả
bởi cả nước và
nước và kim loại.
đọc
Tốc độ
truyền
Đặc điểm
ảnh hưởng bởi không bị ảnh hưởng
kim loại
Ứng dụng
Quản lý gia
bởi nước.
kim loại.
Nhãn thông minh
súc, ôtô.
Logistics và tìm
Thu lệ phí cầu
gia súc.
đường đối với ôtô
Bảng 1.4: Hệ thống RFID UHF tại một số các quốc gia khác nhau
Quốc gia
Trạng thái
Trung Quốc IP
Tần số
Công suất
917 - 922
2W (ERP)
Công nghệ
Ghi chú
Ấn Độ
OK
865 - 867
4W (ERP)
5/ 2005
Hàn Quốc
OK
908.5-910
4W (ERP)
LBT
7/ 2004
910 - 914
4W (ERP)
FHSS
7/ 2004
- 15 -
1.1.6.2 Các tiêu chuẩn
Hiện còn tồn tại rất nhiều các tiêu chuẩn khác nhau cho công nghệ RFID trên
thế giới, các nỗ lực đưa về một tiêu chuẩn duy nhất vẫn tiếp tục được tiến hành. Các
tiêu chuẩn đang tồn tại được đưa ra nhằm hỗ trợ bốn khía cạnh chủ yếu sau đây của
RFID: tiêu chuẩn về giao diện (truyền dữ liệu từ thẻ tới reader), nội dung và mã hoá
dữ liệu, sự tương thích giữa các ứng dụng và hệ thống RFID. Một số tổ chức về tiêu
chuẩn đã tham gia vào quá trình phát triển và định nghĩa các công nghệ RFID, bao
gồm ISO, EPCglobal, ETSI và FCC.
1.1.6.3 Giao thức
Hệ thống RFID hoạt động khi anten đầu đọc phát đi tín hiệu vô tuyến. Các
tín hiệu này sẽ được thẻ nhận, và trả lời bằng một tín hiệu vô tuyến đáp ứng. Tín
hiệu sau đó sẽ được đọc bởi bộ thu của reader.
Hình 1.5 Giao tiếp giữa thẻ và reader
1.2 Anten trong hệ thống RFID:
1.2.1 Các loại anten thông dụng:
Giao thức
Tần số
Khả năng
Ưu điểm
Nhược điểm
Thế hệ 1
UHF
Thẻ chỉ đọc,
Giao thức thông
Chi phí cao và giảm
lập trình sẵn
tin dữ liệu nhanh
linh hoạt
Chỉ có thể ghi 1 lần
lớp 0
Thế hệ 1
UHF,
Ghi 1, đọc
Quản lý dữ liệu
lớp 1
HF
nhiều lần
dễ dàng
Chuẩn
LF, HF
Có khả năng
Quản lý dữ liệu
Không quan tâm tới
ISO
và UHF đọc, ghi, và
dễ dàng
cấu trúc dữ liệu, chỉ
khoá dữ liệu
Thế hệ 2
HF và
lớp 1
UHF
WORM
quan tâm tới giao diện
Quản lý dữ liệu
dễ dàng, được
chấp nhận rộng
rãi
Chỉ được ghi một lần
- 16 -
Các loại anten thông dụng trong hệ thống RFID đó là anten dipole (anten
được cấu tạo bởi hai phần tử bức xạ đặt đối xứng nhau. Hai phần tử bức xạ thường
có dạng hai thanh đặt đối xứng nhau), anten mạch in (anten mạch dải, còn được gọi
là anten mạch vi dải vì nó có kích thước rất nhỏ, về thực chất là một kết cấu bức xạ
kiểu khe. Về cấu tạo, mỗi phần tử anten mạch dải gồm có các phần chính là phiến
Giao thức giao diện RFID
- 17 -
kim loại, lớp đế điện môi, màn chắn kim loại và bộ phận tiếp điện. Phiến kim loại
được gắn lên đế điện môi, tạo nên một kết cấu tương tự một mảng của mạch in, do
vậy anten được gọi là anten mạch in),…
1.2.2 Chất liệu cho anten RFID [15]
Một trong những yếu tố vô cùng quan trọng trong thiết kế anten RFID nói
riêng và anten mạch dải nói chung đó là vấn đề chọn chất liệu làm anten. Chất liệu
được chọn làm anten quyết định rất lớn đến hiệu suất hoạt động, kích thước và giá
thành của anten. Với mỗi chất liệu anten sẽ có một hằng số điện môi (các đế có
hằng số điện môi thấp là chân không, không khí, Heli...Các đế có hằng số điện môi
trung bình như là sứ, nước cất, giấy, mica, polyethilen, kính…Muốn các đế có hằng
số điện môi cao thì thông thường sử dụng oxit kim loại), tổn hao điện môi, độ từ
thẩm, trở kháng,…và chi phí khác nhau. Tất cả những tham số này đều là các tác
nhân quan trọng trong quá trình thiết kế ra được một anten RFID tối ưu cho từng
ứng dụng cụ thể. Dưới đây tôi xin được trình bày một số các chất liệu đang được sử
dụng làm anten RFID tân tiến và phổ biến nhất.
FR-4
FR-4 (fiberglass-reinforced, flame-retardant epoxy), tạm dịch là epoxi được
làm chậm lại quá trình cháy và tăng cường sợi thủy tinh. Hằng số điện môi và tổn
hao điện môi của vật liệu này cho kết quả tốt ở các tần số thấp hơn so với rất nhiều
ứng dụng đang hoạt động thực tế. Tuy nhiên, RFID hoạt động ở cả tần số gần
1GHz, mà tại đó tổn hao điện môi của FR-4 về căn bản lại tăng. Hơn nữa, tổn hao
điện môi là một thông số quan trọng, do đế (substrate) được sử dụng làm thành
phần chính bên trong của cấu trúc anten, Tổn hao điện môi càng thấp thì chất liệu
điện môi có hiệu suất càng cao.
Tổn hao dẫn cũng trở thành một vấn đề với các ứng dụng RFID 915MHz,
2.45GHz và 5.8GHz. Nơi mà độ sâu bề mặt (skin depth) trở nên nông hơn khi tần
số tăng lên. FR-4 sử dụng đồng thô để duy trì sự liên kết điện môi-đồng mạnh hơn.
Sử dụng đồng thô sẽ có tổn hao cao hơn do hiệu ứng bề mặt tỷ lệ với sóng EM.
Đồng cũng được kết hợp với kim loại kẽm có tổn hao cao hơn để ngăn đồng thâm
- 18 -
nhập vào epoxy và tạo ra điện trở nhiệt cao hơn (nhiệt sinh ra khi bức xạ). Kẽm là
một kim loại có tổn hao rất cao, và lại làm tăng đáng kể tổn hao hơn nữa khi kết hợp
với đồng thô và độ sâu bề mặt sẽ nông hơn nữa. Đối với hầu hết các chất liệu, tổn
hao điện môi sẽ tỷ lệ thuận với tần số. Tuy nhiên, nó tăng nhanh hơn đối với FR-4,
điều này cũng có nghĩa là tần số thay đổi phụ thuộc vào hằng số điện môi. Epoxy
bao gồm một số các phân nhóm có cực tính (polar sub-groups) bên trong phân tử
của nó. Ở các tần số thấp, các phân nhóm này sẽ tự động sắp xếp theo điện trường
tác động. Nhưng tại các tần số cao hơn, khả năng duy trì liên kết của chúng bị phá
vỡ bởi sự va chạm bên trong và giữa các phân tử epoxy. Một số các thiết kế được
đưa ra để bù lại điều này bằng cách phát công suất cao hơn. Nhưng do các giới hạn
về mức độ bức xạ tín hiệu và sự thay đổi bên trong các chất liệu khiến cho bản thân
phương pháp này cũng bị giới hạn. Khi sử dụng công suất cao hơn cũng có nghĩa là
nhiều năng lượng hơn được chuyển đổi thành nhiệt do sự ma sát phân tử (và nhiệt
độ sẽ cao hơn). Nhiệt độ cao hơn, lại ảnh hưởng tới epoxy, làm tăng cả hằng số điện
môi lẫn tổn hao điện môi, làm cho anten hoạt động kém hiệu quả đi.
FoamClad
FoamCladR/F 100 là một họ hợp kim dát mỏng mới, cấu tạo gồm một hỗn
hợp có hằng số điện môi thấp sử dụng một thành phần tạm dịch là bọt ô-đóng, giãn
nở (expanded closed-cell foam). FoamClad là một vật liệu có thể xử lý một cách dễ
dàng để sản xuất hàng loạt anten mạch in có trọng lượng nhẹ và chi phí thấp. Hằng
số điện môi thấp (1.15 – 1.30), chi phí thấp và hệ số tổn hao (loss tangent) thấp
(0.002 – 0.004) khiến nó trở nên lý tưởng đối với các ứng dụng RFID băng rộng có
khả năng truyền tải dữ liệu tốc độ cao. Độ dày đa dạng (từ 0.1cm đến 0.7cm) cho
phép việc thiết kế anten có được một ưu điểm hoàn toàn về chi phí, điều mà các vật
liệu tổn hao thấp đắt tiền hay FR-4 chưa thể nào có được.
PTFE chi phí thấp hay PTFE/ vật liệu gốm
Arlon, công ty chế tạo ra vật liệu này gọi đó là dòng sản phẩm AD, hướng
mục tiêu tới các ứng dụng RFID. Tên của sản phẩm chính là hằng số điện môi. Ví
dụ với AD250 thì sẽ có hằng số điện môi là 2.50. Tương tự, AD350 là 3.00. Dòng
- 19 -
sản phẩm này có tổn hao thấp với một mức giá chấp nhận được cho một tấm PTFE.
Sợi thủy tinh được dệt trong cấu trúc của những sản phẩm này. Không có gốm, phụ
thuộc hoàn toàn vào thủy tinh với hằng số điện môi cao (~ 6) để bù cho hằng số
điện môi của PTFE (2.08) cho phép nó đạt được hằng số điện môi mong muốn. Sản
phẩm được phủ lên trên một lớp sợi thủy tinh đan sẵn để đạt được cả hai hằng số và
tổn hao điện môi cao hơn. Khi phủ gốm lên sẽ làm giảm đi tổn hao điện môi của
toàn bộ mạch in và cho phép hằng số điện môi cao hơn đối với các thiết kế anten
nhỏ hơn.
Mạch in có hằng số điện môi cao
AD600 (Hằng số điện môi là 6.15) và AD1000 (10.2 hoặc cao hơn) cho phép
sản phẩm có kích thước nhỏ hơn nhiều khi sử dụng gốm siêu nguyên chất có hằng
số điện môi cao hơn phân tán trong chất liệu PTFE. Do kích thước của anten cũng
những độ rộng của dải tỷ lệ nghịch với căn bậc hai của hằng số điện môi, cho nên
hằng số điện môi càng cao thì anten có kích thước càng nhỏ, rất thích hợp cho ứng
dụng RFID. AD600 và AD1000 đã khắc phục được độ dễ vỡ của gốm (như là alumi
hoặc LTCC) bằng cách “treo” (suspension) gốm trên một đế PTFE tương đối mềm.
Điều này cho phép tận dụng được ưu điểm về tổn hao thấp mà không cần phải hy
sinh độ bền cơ học hay sự tiện lợi khi sản xuất.
Hydrocarbon gốm
Ở tần số trên 500MHz, sẽ ít cơ hội sử dụng mạch in chịu nhiệt hơn, do các
vật liệu phi cực (non-polar) trở nên đắt hơn và cũng không đáp ứng được các yêu
cầu về một mạch in có tổn hao thấp. Arlon 25N và 25FR là các hợp chất
hydrocarbon phủ gốm được tăng cường sợi quang dệt với nhau, được thiết kế để sử
dụng trong các bo mạch in đa lớp RFID và vi ba. Các vật liệu này cho cùng một
điểm hiệu suất với chi phí thấp hơn nhiều mạch in dựa trên PTFE hay mạch in chịu
nhiệt bằng gốm tân tiến khác.
Nói tóm lại, có rất nhiều các sự lựa chọn về chất liệu, giá thành, hiệu
suất…khác nhau cho thiết kế anten tùy thuộc vào ứng dụng của từng trường hợp.
- 20 -
1.3 Nguyên lý hoạt động [23]
Như ta đã biết, cơ chế ghép nhận năng lượng giữa reader và thẻ trong các hệ
thống RFID trường-gần và trường-xa là khác nhau do đặc tính trường điện từ tại
mỗi khu là khác nhau.
1.3.1 Trường gần
Trường điện từ tại khu gần có tính chất thụ động và gần như tĩnh. Điện
trường sẽ bị thay thế bởi từ trường, và trường nào sẽ tồn tại được quyết định bởi loại
anten được sử dụng: Điện trường sẽ tồn tại khi anten dipole được sử dụng, trái lại,
với anten vòng nhỏ thì sẽ chỉ có từ trường tồn tại. Sự ghép ứng giữa anten thẻ và
reader có thể nhận được qua giao thoa với từ trường hoặc điện trường. Trong các hệ
thống RFID trường gần thì hệ thống ghép cảm ứng được dùng rộng rãi hơn cả so
với hệ thống ghép dung ứng.
1.3.1.1 Ghép cảm ứng
Trong một hệ thống RFID ghép cảm ứng, cuộn dây anten reader sẽ tạo ra
một từ trường mạnh cảm ứng vào cuộn anten của thẻ. Khi một phần năng lượng
trường tới được hấp thụ vào anten cuộn của thẻ, sẽ tạo ra một điện áp Ui trên anten
của thẻ. Điện áp này được chỉnh lưu và làm nguồn nuôi cho microchip trong thẻ.
Hình 1.6 Truyền công suất và thông tin giữa thẻ và reader trong hệ thống RFID
ghép cảm ứng.
- 21 -
Một tụ CR được mắc song song với anten cuộn của reader, điện dung được
chọn sao cho nó cùng với điện cảm anten cuộn hình thành nên một mạch cộng
hưởng song song với tần số cộng hưởng tương ứng với tần số phát đi của reader.
Trên anten của reader sẽ sinh ra các dòng rất lớn với mạch cộng hưởng song song,
có thể dùng để tạo ra từ trường cảm ứng cho hoạt động của thẻ.
Hiệu suất truyền giữa anten reader và thẻ tỷ lệ với tần số hoạt động, số vòng
dây, diện tích ghép anten, góc của cuộn dây, và khoảng cách giữa hai cuộn dây.
1.3.1.2 Ghép dung ứng
Trong hệ thống RFID ghép dung ứng, anten sẽ tạo ra và tương tác với điện
trường. Trong các hệ thống này, chính phân bố của điện tích chứ không phải dòng
điện sẽ quyết định độ lớn của trường và do đó độ lớn ghép ứng (coupling strength).
Do độ lớn ghép ứng phụ thuộc vào số lượng các điện tích được gia tốc, nên các hệ
thống dựa trên ghép dung ứng sẽ ít được sử dụng hơn nhiều so với các hệ thống
ghép cảm ứng.
Dipole là một anten thích hợp đối với các hệ thống ghép dung ứng do điện
trường sẽ tồn tại thay vì từ trường. Không chỉ các hệ thống ghép cảm ứng mới cần
các mạch cộng hưởng để có hệ số ghép lớn nhất mà các hệ thống ghép dung ứng
cũng vậy. Do bản thân anten có điện dung của chính nó, điện cảm được ghép vào
song song với thẻ và giao tiếp với reader. Ngoài ra, cũng như các hệ thống ghép
cảm ứng, thẻ có thể giao tiếp với reader bằng cách thay đổi trở kháng của nó.
1.3.1.3 Điều chế tải
Giao tiếp giữa thẻ và reader trong cả hai hệ thống RFID ghép cảm ứng và
dung ứng đều được thực hiện nhờ thay đổi trở kháng tải của thẻ. Khi thẻ nằm trong
khoảng đọc của reader, nó sẽ nhận được năng lượng phát ra từ anten reader qua từ
trường hoặc điện trường. Kết quả phản hồi từ thẻ trên anten reader cho thấy sự thay
đổi của điện và từ trường. Sự thay đổi này sẽ được reader nhận biết. Dữ liệu được
truyền từ thẻ tới reader trong khoảng thời gian mà trở kháng tải hoặc dung kháng
được bật và tắt theo dữ liệu. Kiểu truyền dữ liệu này được gọi là điều chế tải.
- 22 -
Thẻ thay đổi trở kháng của nó bằng cách bật hoặc tắt trở kháng tải hoặc dung
kháng, từ đây đưa ra hai khái niệm điều chế tải điện kháng và điều chế tải dung
kháng. Khi điều chế tải điện kháng, trở kháng được tắt hoặc bật trong thời gian tồn
tại chuỗi dữ liệu. Tương tự đối với điều chế tải dung kháng. Reader sẽ nhận biết
được những sự thay đổi này như một kiểu điều chế kết hợp giữa biên độ và pha.
1.3.2 Trường xa
Thẻ trong hệ thống RFID trường xa sẽ nhận sóng EM bức xạ từ anten của
reader. Anten thẻ sẽ nhận năng lượng và biến đổi thành một điện áp trên hai cổng
của microchip. Một diode sẽ chỉnh lưu điện áp này và đưa tới một tụ điện, tụ này sẽ
nạp năng lượng đó nhằm cấp nguồn cho các mạch điện tử trong microchip. Thẻ có
thể nằm ở các vị trí ngoài trường khu gần của reader. Do đó, trong các hệ thống
RFID trường-xa giao tiếp giữa reader và thẻ thường được thực hiện nhờ sử dụng
một kỹ thuật gọi là tán xạ lùi (backscattering). (Reader sẽ gửi đi một sóng điện từ tại
một tần số nhất định. Sóng này sẽ được thẻ thu nhận, và thẻ sau đó sẽ phát tín hiệu
trở lại cho reader tại một tần số khác với các thông tin về microchip đã được mã hoá
trong các sóng đó)
Sự thay đổi của trở kháng tải (của microchip) sẽ gây ra mất phối hợp trở kháng giữa
anten thẻ và tải. Sự mất phối hợp trở kháng sẽ làm biến đổi tín hiệu phản xạ từ thẻ.
Nói cách khác, biên độ của sóng phản xạ từ thẻ bị ảnh hưởng bởi sự thay đổi trở
kháng tổng của anten thẻ. Bằng cách thay đổi tải của anten thẻ theo thời gian, thẻ có
thể phản xạ lại nhiều hoặc ít so với sóng tới như một kiểu mã hoá ID của thẻ.
Hình 1.7 Cơ chế cấp nguồn và giao tiếp trong hệ thống RFID trường-xa.
- 23 -
1.4 Ưu điểm, nhược điểm và ứng dụng của hệ thống RFID.
a) Ưu điểm:
● Khả năng xử lý đồng thời: RFID có khả năng xử lý đồng thời nhiều đối
tượng cùng một lúc. Trong khi các hệ thống nhận dạng tự động khác xử lý
đơn hoặc xử lý theo chuỗi. Điều này làm tăng đáng kể tốc độ kiểm tra và
giảm lượng ách tắc hơn các hệ thống khác.
a) xử lý đơn
b) xử lý nối tiếp
c) xử lý đồng thời
Hình 1-8: Các phương pháp xử lý dữ liệu
• Các đối tượng cần nhận dạng có thể được kiểm soát trong bất kỳ một điều
kiện và không gian giới hạn nào.
• Lưu trữ được nhiều dữ liệu hơn trên thẻ. Phụ thuộc vào nhà sản xuất, nó có
thể chứa từ 64 cho tới 512bit thông tin.
• Tuổi thọ cũng như độ bền lâu hơn trong trường hợp thẻ thụ động không cần
pin.
• Khả năng cập nhật, thay đổi dữ liệu trực tiếp: Hệ thống RFID có khả năng
đọc/ghi thông tin trên thẻ một cách dễ dàng.
• Trong khi các hệ thống khác đòi hỏi phải có nhân công trực tiếp thao tác để
có thể nhận dạng thì hệ thống RFID có thể nhận dạng mà không cần đến sự
hỗ trợ của con người. Giảm chi phí nhân công và lỗi nhân công.
