Thiết kế và chế tạo hệ thống đóng mở cửa tự động sử dụng công nghệ RFID

LỜI CẢM ƠN

Trong suốt quá trình thực hiện Đồ án, em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến Cô
giáo Thạc sĩ Nguyễn Thị Thu Hiền người đã hết lòng hướng dẫn và ủng hộ tinh thần
cho em trong thời gian thực hiện đồ án, luôn chỉ dẫn tận tình, giúp em thực hiện có
được hướng đi đúng đắn nhất. Em xin chân thành cảm ơn Cô và tỏ lòng biết ơn sâu
sắc đến Cô.
Em cũng xin chân thành cảm ơn các Thầy giáo, cô giáo trong Khoa Công
nghệ Tự động hóa – Trường Đại học Công nghệ thông tin và Truyền thông đã dạy
bảo, truyền đạt lại kiến thức cho em trong suốt 5 năm học đại học, để em có được
những kiến thức như ngày hôm nay và từ những kiến thức nền tảng đó, em hoàn
thiện đồ án được tốt hơn.
Xin cảm ơn các bạn sinh viên đã nhiệt tình giúp đỡ rất nhiều về tài liệu cũng
như những kiến thức để em hoàn thành tốt đồ án này.

Thái Nguyên, tháng 6 năm 2016
Sinh viên

La Thị Luyến

1


LỜI CAM ĐOAN
Em xin cam đoan toàn bộ nội dung của báo cáo này là do em tự tìm hiểu,
nghiên cứu dưới sự định hướng của Cô giáo hướng dẫn. Nội dung báo cáo này
không sao chép và vi phạm bản quyền từ bất kỳ công trình nghiên cứu nào.
Nếu những lời cam đoan trên không đúng, em xin chịu hoàn toàn trách
nhiệm trước pháp luật.
Thái Nguyên, tháng 6 năm 2016
Sinh viên

La Thị Luyến

2


MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN .........................................................................................................1
LỜI CAM ĐOAN....................................................................................................2
MỤC LỤC...............................................................................................................3
DANH MỤC HÌNH ẢNH .......................................................................................5
DANH MỤC BẢNG BIỂU .....................................................................................7
LỜI NÓI ĐẦU.........................................................................................................8
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ RFID ...........................................9
1.1. Sơ lược về các hệ thống nhận dạng tự động ......................................................9
1.1.1. Hệ thống mã vạch ( Barcode System) .........................................................9
1.1.2. Nhận dạng ký tự quang học (tiếng Anh: Optical Character Recognition, viết
tắt là OCR) ...........................................................................................................9
1.1.3. Phương thức sinh trắc học ( Biometric procedures)...................................10
1.1.4. Thẻ thông minh ( Smart Card) ..................................................................11
1.1.5. Hệ thống RFID .........................................................................................11
1.2. Tình hình trong nước và ngoài nước ...............................................................11
1.2.1 Tình hình trong nước .................................................................................11
1.2.2 Tình hình ngoài nước.................................................................................13
1.3. Tính cấp thiết của đề tài ..................................................................................13
1.3.1. Mục tiêu của đề tài....................................................................................14
CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT.......................................................................15
2.1. Khái niệm công nghệ RFID ............................................................................15
2.2. Thành phần của một hệ thống RFID................................................................15
2.3. Thẻ RFID (Tag) ..............................................................................................16

2.3.1. Dung lượng của thẻ RFID.........................................................................16
2.3.2. Các thành phần cơ bản của một thẻ RFID .................................................16
2.3.3. Hình dạng và kích thước thẻ .....................................................................17
2.3.4. Tần số hoạt động ......................................................................................18
2.4. Đầu đọc (READER) .......................................................................................23
2.4.1. Các thành phần vật lý của một Reader RFID ............................................24
2.4.2. Phân loại READER ..................................................................................26

3


2.5. Phương thức làm việc của RFID .....................................................................27
2.5.1 Modulated backscatter ...............................................................................28
2.5.2 Kiểu máy phát ...........................................................................................29
2.6. Các ứng dụng RFID ........................................................................................29
2.7. Ưu, nhược điểm của hệ thống RFID................................................................30
CHƯƠNG 3. PHÂN TÍCH BÀI TOÁN.................................................................32
3.1. Yêu cầu bài toán .............................................................................................32
3.2. Giải pháp thiết kế............................................................................................32
3.2.1. Sơ đồ khối ................................................................................................32
3.2.2. Phân tích chức năng các khối....................................................................32
3.2.3. Nguyên lý hoạt động của hệ thống ............................................................33
3.3. Lựa chọn linh kiện ..........................................................................................34
3.3.1. Khối MCU................................................................................................34
3.3.2. Linh kiện khối hiển thị - Màn hình LCD...................................................38
3.3.3. Module RFID RC522 ...............................................................................42
3.3.4. Khối ma Trận Phím 4x4 (Keypad 4x4 SMD)............................................44
3.3.5. Một số linh kiện khác ...............................................................................44
CHƯƠNG 4. XÂY DỰNG MÔ HÌNH ..................................................................49
4.1. Thiết kế phần cứng..........................................................................................49

4.1.1. Sơ đồ nguyên lý........................................................................................49
4.2.2 Sơ đồ mạch in............................................................................................51
4.2. Thiết kế phần mềm .........................................................................................52
4.2.1. Lưu đồ thuật toán......................................................................................52
4.3. Một số hình ảnh của sản phẩm ........................................................................53
KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN..............................................................55
TÀI LIỆU THAM KHẢO .....................................................................................56
PHỤ LỤC..............................................................................................................57

4


DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 2.1 Hệ thống RFID........................................................................................15
Hình 2.2 Sơ đồ khối chip CPU trong thẻ RFID ......................................................17
Hình 2.3 Một số hình dạng của thẻ RFID...............................................................18
Hình 2.4 Thẻ thụ động ...........................................................................................19
Hình 2.5 Thẻ tích cực ............................................................................................20
Hình 2.6 Thẻ bán tích cực......................................................................................21
Hình 2.7 Vai trò của đầu đọc RFID theo nguyên lí chủ tớ......................................24
Hình 2.8 Các thành phần của một Reader ..............................................................24
Hình 2.9 Cơ chế truyền ở trường gần, trường xa giữa thẻ và reader .......................28
Hình 2.10 Cơ chế truyền thông Modulation Backscatter của thẻ thụ động .............28
Hình 3.1 Sơ đồ khối hệ thống đóng mở cửa tự động dùng thẻ từ............................32
Hình 3.2 Arduino UNO .........................................................................................35
Hình 3.3 Màn hình LCD 16x2 ...............................................................................38
Hình 3.4 Module RFID-RC522..............................................................................42
Hình 3.5 Chân kết nối RC522 ................................................................................43
Hình 3.6 Ma trận phím...........................................................................................44
Hình 3.7 Động cơ bước..........................................................................................44

Hình 3.8 Thạch anh ...............................................................................................45
Hình 3.9 Modul ULN2003.....................................................................................47
Hình 3.10 LED ......................................................................................................47
Hình 3.11 Hình ảnh điện trở ..................................................................................48
Hình 3.12 Kí hiệu trên các sơ đồ nguyên lý ...........................................................48
Hình 3.13 Modul I2C.............................................................................................48
Hình 4.1 Sơ đồ nguyên lý ......................................................................................49
Hình 4.2 Khối nguồn. ............................................................................................50
Hình 4.3 Khối MCU ..............................................................................................50
Hình 4.4 Khối on/off..............................................................................................50
Hình 4.5 Khối hiển thị ...........................................................................................50
Hình 4.6 Khối bàn phím ........................................................................................51
Hình 4.7 Khối RFID ..............................................................................................51

5


Hình 4.8 Sơ đồ mạch in .........................................................................................51
Hình 4.9 Hình ảnh của sản phẩm khi khởi động.....................................................53
Hình 4.10 Hiển thị dòng chữ “Nhập password” .....................................................53
Hình 4.11 Hiển thị dòng chữ “Mời vào” ................................................................54

6


DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 2.1 Khoảng tần số RFID. ..............................................................................18
Bảng 2.2 Khoảng đọc của tần số ............................................................................19
Bảng 3.1 Đặc điểm kỹ thuật Arduino Uno R3.......................................................36
Bảng 3.2 Mô tả về các chân của Màn hình LCD 16x2 ...........................................39

Bảng 3.3 Bảng mã lệnh của LCD...........................................................................41

7


LỜI NÓI ĐẦU
Ngày nay, với sự phát triển mạnh mẽ của khoa học kỹ thuật. Đặc biệt trong
lĩnh vực tự động hóa đã tạo nên một động lực thức đẩy và phát triển các ngành công
nghiệp khác nhằm phục vụ và đáp ứng được nhu cầu của con người trong cuộc
sống. Con người với sự trợ giúp của máy móc, những công cụ thông minh đã không
phải trực tiếp làm việc, hay những công việc mà con người không thể làm được với
khả năng của minh mà chỉ việc điều khiển chúng hay chúng làm việc hoàn toàn tự
động đã mang lại những lợi ích hết sức to lớn, giảm nhẹ và tối ưu hóa công việc.
Với sự tiến bộ này đã đáp ứng được những nhu cầu của con người trong cuộc sống
hiện đại nói chung và trong sự phát triển của khoa học kỹ thuật nói riêng.
Đối với những sinh viên tự động hóa chúng ta thì việc nghiên cứu, tìm hiểu
các đặc tính của công nghệ nhận dạng đối tượng bằng sóng vô tuyến RFID có ý
nghĩa thực tế hết sức quan trọng. Nó không những trang bị cho chúng ta kỹ năng
làm việc trong lĩnh vực điều khiển tự động, điện tử mà còn giúp chúng ta theo kịp
với sự phát triển của khoa học kĩ thuật ngày nay khi tốt nghiệp ra trường.
Sau đây em xin tìm hiểu và khảo sát các đặc tính của công nghệ nhận dạng
bằng sóng vô tuyến RFID cũng như thiết kế một ứng dụng thực tế là “Thiết kế và
chế tạo hệ thống đóng mở cửa tự động sử dụng công nghệ RFID”. Đây là cơ sở
để thiết kế những hệ thống tự động hóa đơn giản, cũng như phức tạp được ứng dụng
rộng rãi trong khoa học và đời sống.Nội dung báo cáo gồm 4 chương được giới
thiệu sơ lược sau đây:
- Chương 1: Tổng quan về công nghệ RFID.
- Chương 2: Cơ sở lý thuyết
- Chương 3: Phân tích bài toán
- Chương 4: Thiết kế và thực thi

Do kiến thức còn hạn chế, cộng với thời gian tích lũy chưa nhiều nên báo cáo
này không tránh khỏi thiếu sót và một số nội dung chưa được chi tiết, mong các
thầy cô giáo góp ý và thông cảm.

8


CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ RFID
1.1. Sơ lược về các hệ thống nhận dạng tự động
1.1.1. Hệ thống mã vạch ( Barcode System)
Mã vạch (Barcode) theo định nghĩa là phương pháp lưu trữ và truyền tải
thông tin bằng một lọai ký hiệu gọi là ký mã vạch (Barcode symbology). Ký mã
vạch hay gọi tắt cũng là mã vạch, là 1 ký hiệu tổ hợp các khoảng trắng và vạch
thẳng để biểu diễn các mẫu tự, ký hiệu và các con số. Sự thay đổi trong độ rộng của
vạch và khoảng trắng biểu diễn thông tin số hay chữ số dưới dạng mà máy có thể
đọc được.
Mã số mã vạch được thu nhận bằng một máy quét mã vạch, là một máy thu
nhận hình ảnh của mã vạch in trên các bề mặt và chuyển thông tin chứa trong mã
vạch đến máy tính hay các thiết bị cần thông tin này. Nó thường có một nguồn sáng
kèm theo thấu kính, để hội tụ ánh sáng lên mã vạch, rồi thu ánh sáng phản xạ về
một cảm quang chuyển hóa tín hiệu ánh sáng thành tín hiệu điện. Ngoài ra, nhiều
máy quét mã vạch còn có thêm mạch điện tử xử lý tín hiệu thu được từ cảm quang
để chuyển thành tín hiệu phù hợp cho kết nối với máy tính.

Hình 1.1 Mã vạch
1.1.2. Nhận dạng ký tự quang học (tiếng Anh: Optical Character Recognition,
viết tắt là OCR)
Nhận dạng ký tự bằng quang học là loại phần mềm máy tính được tạo ra để
chuyển các hình ảnh của chữ viết tay hoặc chữ đánh máy (thường được quét bằng

9


máy scanner) thành các văn bản tài liệu.. Bằng phần mềm ORC các máy quét có thể
quét trên một trang chữ in, và các ký tự sẽ được biến thành các văn bản theo qui
cách tài liệu của chương trình xử lý.

Hình 1.2 Nhận dạng kí tự quang học
1.1.3. Phương thức sinh trắc học ( Biometric procedures)
Phương thức sinh trắc học là công nghệ sử dụng những thuộc tính vật lý, đặc
điểm sinh học riêng của mỗi cá nhân như vân tay, mống mắt, khuôn mặt... để nhận diện.
Nhận dạng giọng nói:
Là phương thức được thực hiện bằng cách kiểm tra các đặc trưng của giọng
nói của người nói với một mẫu tham khảo có trước, nếu tương ứng thì đáp ứng thực
hiện theo yêu cầu của người nói.
Nhận dạng dấu vân tay:
Tiến trình này dựa trên sự so sánh mẫu nhú và lớp da trên đầu ngón tay. Hệ
thống sẽ phân tích dữ liệu từ các mẫu nó đọc đượng và đem so sánh với mẫu tham
khảo đã được lưu trữ.
Nhận dạng khuôn mặt:
Hệ thống nhận dạng khuôn mặt là một ứng dụng máy tính tự động xác định
hoặc nhận dạng một người nào đó từ một bức hình ảnh kỹ thuật số hoặc một khung
hình video từ một nguồn video. Một trong những cách để thực hiện điều này là so
sánh các đặc điểm khuôn mặt chọn trước từ hình ảnh và một cơ sở dữ liệu về khuôn mặt.
Nhận dạng tròng mắt:
Công nghệ nhận dạng tròng mắt (Iris Recognition) là phương pháp sử dụng
thuật toán hình ảnh để nhận dạng một người nào đó dựa vào cấu trúc phức tạp và

10

độc nhất của tròng mắt, thậm chí ngay cả khi họ đang đeo kính hoặc sử dụng áp
tròng từ một khoảng cách nhất định
1.1.4. Thẻ thông minh ( Smart Card)
Thẻ thông minh là một hệ thống lưu trữ dữ liệu điện tử. Nó có kích thước
khoảng bằng thẻ tín dụng có thể chứa thông tin và trong hầu hết các trường hợp thì
nó chứa cả một bộ vi xử lý điều khiển nhiều chức năng đáp ứng nhu cầu người sử
dụng. Không giống như thẻ từ có những sọc từ ngoài mặt thẻ, thẻ thông minh giữ
thông tin bên trong nó vì thế mà độ an toàn cao hơn. Thẻ thông minh thường được
dùng cho những thiết bị cần xác minh chủ quyền của người sử dụng, và nó tạo ra
những mã truy cập cho hệ thống bảo an. Thẻ thông minh đầu tiên là thẻ thông minh
điện thoại trả trước được đưa vào sử dụng năm 1984.
Có hai loại thẻ thông minh là : thẻ nhớ và thẻ vi xử lý
- Thẻ nhớ (memory card) thường chỉ gồm một bộ nhớ chỉ đọc (EEPROM) có
thể lập trình, xóa được bằng tín hiệu điện.
- Thẻ vi xử lý: là thẻ có gắn một bộ vi xử lý, bộ vi xử lý này có kích thước
rất nhỏ nhưng có cấu tạo gồm bộ nhớ EEPROM, bộ nhớ chỉ đọc (ROM), bộ nhớ
truy cập ngẫu nhiên (RAM), CPU. Các các chi tiết của nó có vai trò giống như vai
trò của các bộ phận tương tự trong một máy tính.
1.1.5. Hệ thống RFID
Hệ thống RFID liên hệ rất gần với thẻ thông minh. Cũng như trên hệ thống
thẻ thông minh, dữ liệu được lưu trữ trên thiết bị mang dữ liệu điện tử là bộ phận
phát đáp. Tuy nhiên, không giống như thẻ thông minh, năng lượng cung cấp cho
thiết bị mang dữ liệu và cho việc trao đổi dữ liệu giữa nó và đầu đọc/phát tín hiệu
không dựa trên sự tiếp xúc điện mà thay vào đó là sử dụng từ tính và trường điện từ.
1.2. Tình hình trong nước và ngoài nước
1.2.1 Tình hình trong nước
Công nghệ RFID tuy đã được ứng dụng khá lâu và phổ biến ở nhiều nước
trên thế giới nhưng đối với Việt Nam thì vẫn còn khá mới mẻ. Hiện nay chúng ta
đang nắm bắt và triển khai công nghệ mới này để tận dụng các ưu điểm nổi trội của

nó. Ở Việt Nam, công nghệ RFID đang trong bước đầu được ứng dụng trong các
lĩnh vực: kiểm soát vào-ra, chấm công điện tử, quản lý phương tiện qua trạm thu

11


phí, kiểm soát bãi đỗ xe tự động. Điển hình có công ty TECHPRO Việt Nam, hợp
tác cùng Hãng IDTECK – Korea ứng dụng RFID trong chấm công điện tử, kiểm
soát thang máy. Viện Công nghệ Thông tin đã giới thiệu chào bán các hệ thống ứng
dụng RFID như: hệ thống kiểm xoát xâm thực AC200 sử dụng thẻ RFID, khóa điện
tử RFID K400R, hệ thống kiểm soát vô tuyến.
Trung tâm công nghệ cao Việt Nam, thuộc Viện điện tử- tin học- tự động hóa
đang nghiên cứu thiết kế và xây dựng hệ phần mềm cho hệ thống quản lý tự động
bằng thẻ RFID để ứng dụng thu phí cầu đường. Tại TP.HCM, công nghệ RFID
cũng đang được triển khai ứng dụng trong trạm thu phí Xa lộ Hà Nội.
Quản lý nhân sự và chấm công: Khi ra vào công ty công việc nhân viên chỉ
cần làm thẻ RFID khi đó dữ liệu của nhân viên sẽ được ghi nhận và lưu trữ trong
đầu đọc để chấm công.
Hệ thống trông giữ xe: Mô hình bãi giữ xe thông minh sử dụng công nghệ
RFID hiện đang được áp dụng phổ biến để đơn giản hóa việc vào ra các bãi đậu xe
như rút ngắn thời gian kiểm tra, tránh được các trường hợp ùn tắc…
Ưu điểm của ứng dụng là tính năng an toàn và thời gian xử lý ngắn. Không
lo lắng khi bị mất thẻ xe
Úng dụng RFID trong nuôi trồng thủy sản: Những con chip RFID siêu nhỏ
sẽ được gắn trên từng giai đoạn của sản phẩm nhằm ghi lại các thông số kỹ thuật
của quy trình một cánh tự động và được phần mềm chuyên dụng ghi lại kết quả
nhằm làm cơ sở đảm bảo truy xuất được sản phẩm trong chuỗi giá trị. Khi các
doanh nghiệp thủy sản Việt Nam sử dụng hệ thống này, việc xuất khẩu các sản
phẩm thủy sản vào các nước có yêu cầu khắt khe về vệ sinh an toàn thực phẩm và
hàng rào kỹ thuật sẽ trở lại nên dễ dàng và thuận lợi hơn rất nhiều.

Ứng dụng trong sản xuất và xuất khẩu nông sản: Với công nghệ RFID người
nông dân có thể biết được thông tin về cây trồng chúng đang cần tưới nước, bón
phân, hay kiểm tra sâu bệnh... và quan trọng đó là kỹ thuật truy nguyên nguồn gốc
hàng hóa.

12


1.2.2 Tình hình ngoài nước
Trên thế giới thì việc phát triển và ứng dụng của công nghệ RFID được ra
đời khá lâu và được sử dụng rộng rãi trong một số lĩnh vực trong đời sống. Và được
tiêu chuẩn hóa bằng các tiêu chuẩn quốc tế.
Việc phát triển của công nghệ RFID được đánh dấu một số cột mốc quan
trọng như:
Năm 1969, sáng chế đầu tiên liên quan tới công nghệ RFID được Mario
Cardullo đăng ký đầu tiên ở Mỹ.Mỹ cũng là quốc gia chiếm đa số các sáng chế
về RFID.
Năm 1976-2008 số sáng chế RFID ở Mỹ là 2.822 sáng chế, ở Nhật 244 .
+Technologies, IBM và Symboy là những công ty dẫn đầu về các sáng chế
trong công nghệ RFID.
Ứng dụng RFID đầu tiên: Người Đức phát hiện ra rằng nếu phi công của họ
khi trở về căn cứ, họ sẽ thay đổi các tín hiệu vô tuyến phản xạ trở lại. Phương pháp
thô sơ này cảnh báo phi hành đoàn radar trên mặt đất rằng đây là những máy bay
Đức và Đồng Minh chứ không phải là máy bay của địch.
1.3. Tính cấp thiết của đề tài
Thẻ RFID có kích thước rất nhỏ, dùng để gắn lên vật thể cần quản lý như
hàng hóa, người... Thẻ RFID chứa các chip silicon và các anten cho phép nhận lệnh
và đáp ứng lại bằng tần số vô tuyến RF từ một đầu đọc RFID. Tín hiệu được ghi
vào thẻ và được đọc không phụ thuộc vào hướng của thẻ mà chỉ cần thẻ đó nằm
trong vùng phủ sóng của thiết bị là được. Khi một thẻ RFID tiến đến gần một thiết

bị đọc ghi thẻ, năng lượng sóng điện từ đủ để cung cấp cho thẻ và từ đó quá trình
trao đổi dữ liệu giữa thẻ và thiết bị đọc ghi thẻ bắt đầu. Trong quá trình này, thiết bị
có thể đọc ghi thông tin trên thẻ, sau khi kết thúc quá trình trao đổi dữ liệu, chiếc
thẻ đó được chỉ thị không tiếp nhận thêm thông tin gì nữa cho đến khi được lọt vào
vùng phủ sóng tiếp theo.
Hệ thống RFID là hệ thống nhận dạng dữ liệu tự động và không dây, cho
phép việc đọc và ghi dữ liệu và không cần tiếp xúc trực tiếp với hệ thống. Chúng rất
hữu ích trong sản xuất và hoạt động được trong những điều kiện môi trường mà kỹ
thuật khác không thể làm được.

13


Trên thực tế, RFID được ứng dụng rất nhiều như: kiểm soát sản phẩm nhập
xuất, mã số series, nguồn gốc sản phẩm, trong thư viện... Dùng các thiết bị RFID
làm các thẻ khóa điện tử điều khiển truy nhập thay cho các khóa kim loại như trước
đây. Điểm thuận lợi của thẻ khóa này khó bị dập ép và dễ dàng hủy bỏ khi bị đánh
cắp và thất lạc chúng ta chỉ cần xóa bỏ thẻ từ cơ sở dữ liệu truy nhập hoặc tạo ra
báo động khi các thẻ này được sử dụng.
Hệ thống đóng mở cửa tự động rất tiện lợi. Nó giúp chúng ta rút ngắn thời
gian mở cửa, phải thao tác với ổ khóa, ... Bên cạnh đó, việc nghiên cứu và ứng dụng
sản phẩm này trong thực tế còn làm tăng độ bảo mật, an toàn để kiểm soát. Đó là
sản phẩm công nghê ứng dụng theo tiến độ khoa học nên chắc chắn sẽ thể hiện các
tính năng hiện đại phù hợp với thời đại hiện nay.
Đóng mở cửa tự động dùng thẻ RFID là sự thay thế một cách thông minh
nhất cho các hệ thống khóa cửa thông thường dùng bằng chìa khóa, với sự tiện
dụng, nhanh chóng, tính thẩm mỹ cao, an toàn tuyệt đối, đó chính là ưu điểm của
công nghệ RFID.
1.3.1. Mục tiêu của đề tài
+ Nâng

+ Tìm

cao năng lực nghiên cứu và tự tìm hiểu tài liệu.

hiểu công nghệ RFID.

+ Chuyển
+ Thiết

giao và quảng bá Arduino và công nghệ RFID.

kế và chế tạo ra hệ thống mở cửa tự động tiện lợi, có độ bảo mật tốt,

có tính thẩm mỹ cao.
+ Tại

Việt Nam, nhu cầu sử dụng các hệ thống RFID ngày càng nhiều và mở

ra một thị trường đầy tiềm năng cho các nhà nghiên cứu và sản xuất. Tuy nhiên, để
đón nhận, vận dụng và phát triển 1 hệ thống mới này, chúng ta cần có sự hiểu biết
nhất định về chúng. Công nghệ RFID chưa được triển khai rộng rãi ở Việt Nam là
do chi phí còn cao và chưa khai thác được nhiều ứng dụng của công nghệ này. Nhận
định được những điều đó và thấy được tiềm năng ứng dụng của công nghệ tiên tiến
em làm đề tài: “Thiết kế và chế tạo hệ thống đóng mở cửa tự động sử dụng công
nghệ RFID”.
Kết luận: Trong chương 1, em đã hiểu được ưu điểm của RFID so với các phương
pháp nhận dạng khác. Chi tiết về công nghệ RFID em sẽ trình bày ở chương 2.

14

CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.1. Khái niệm công nghệ RFID
Công nghệ RFID (Radio Frequency Identification- nhận dạng bằng sóng vô
tuyến) là một phương pháp nhận dạng tự động dựa trên việc lưu trữ dữ liệu từ xa, sử
dụng thiết bị thẻ RFID và một đầu đọc RFID cho phép một thiết bị đọc thông tin
chứa trong chip không cần tiếp xúc trực tiếp ở khoảng cách xa, không thực hiện bất
kỳ giao tiếp vật lý nào hoặc giữa hai vật không nhìn thấy. Công nghệ này cho ta
phương pháp truyền, nhận dữ liệu từ điểm này đến điểm khác.
Kỹ thuật RFID sử dụng truyền thông không dây trong dải tần sóng vô tuyến để
truyền dữ liệu từ các Tag (thẻ) đến các Reader (bộ đọc). Tag có thể được đính kèm hoặc
gắn vào đối tượng được nhận dạng chẳng hạn sản phẩm, hộp hoặc giá kệ (pallet). Reader
scan dữ liệu của Tag và gửi thông tin đến cơ sở dữ liệu có lưu trữ dữ liệu của Tag. Chẳng
hạn, các Tag có thể được đặt trên kính chắn gió xe hơi để hệ thống thu phí đường nhận
dạng và thu tiền trên các tuyến đường.
Dạng đơn giản nhất được sử dụng hiện nay là hệ thống RFID bị động làm
việc như sau: Reader truyền một tín hiệu tần số vô tuyến điện từ qua anten của nó
đến một con chip. Reader nhận thông tin trở lại từ chip và gửi nó đến máy tính điều
khiển đầu đọc và xử lý thông tin lấy được từ chip. Các chip không tiếp xúc, không
tích điện, chúng hoạt động bằng cách sử dụng năng lượng nhận từ tín hiệu được gửi
bởi Reader.
2.2. Thành phần của một hệ thống RFID

Hình 2.1 Hệ thống RFID
Một hệ thống RFID có ba thành phần cơ bản: Tag, đầu đọc, và một máy chủ.
Nguyên lý hoạt động: Đầu đọc phát ra sóng điện từ, thẻ chứa đựng một hệ
thống tiếp sóng với một chip nhớ kĩ thuật số lưu giữ một mã sản phẩm điện tử duy

15

nhất và anten của thẻ được đóng gói với một thiết bị truyền tiếp, và thiết bị giải mã
phát ra một tín hiệu kích hoạt thẻ RFID. Vì vậy nó có thể đọc và viết dữ liệu lên nó.
Khi một thẻ RFID đi xuyên qua một vùng điện từ, nó tìm ra các tín hiệu kích hoạt
của đầu đọc; các thẻ RFID thụ động hấp thụ năng lượng từ trường điện từ do đầu
đọc tạo nên và sử dụng năng lượng đó nuôi các mạch vi chíp, vi chíp sau đó điều
chế sóng để thẻ phát lại về phía đầu đọc và đầu đọc biến đổi các sóng đó thành tín
hiệu số và từ đó nhận dạng món đồ có gắn thẻ RFID.
2.3. Thẻ RFID (Tag)
Thẻ RFID là một thiết bị có thể lưu trữ và truyền dữ liệu đến một Reader
trong một môi trường không tiếp xúc bằng sóng vô tuyến. Thẻ RFID mang dữ liệu
về một vật, một sản phẩm (item) nào đó và gắn lên sản phẩm đó. Mỗi Tag có các bộ
phận lưu trữ dữ liệu bên trong và cách giao tiếp với dữ liệu đó.
Thẻ RFID gồm chip bán dẫn nhỏ (bộ nhớ của chip có thể chứa tới 96 bit đến
512 bit dữ liệu nhiều gấp 64 lần so với mã vạch) và anten được thu nhỏ trong một
số hình thức đóng gói. Mỗi thẻ được lập trình với một nhận dạng duy nhất cho phép
theo dõi không dây đối tượng gắn thẻ đó.
2.3.1. Dung lượng của thẻ RFID
Dung lượng thông tin của thẻ RFID có thể lưu trữ được phụ thuộc nhà cung
cấp và loại ứng dụng, thông thường nó có thể mạng thông tin không lớn hơn 2Kbđủ để lưu trữ dữ liệu về đối tượng nằm trong diện cần quản lý. Các công ty đáng nỗ
lực tìm kiếm sử dụng thẻ đơn giản 96 bit các số thứ tự riêng, các chip này đơn giản,
dễ chế tạo và rẻ, thuận tiện cho các ứng dụng cần đóng gói.
2.3.2. Các thành phần cơ bản của một thẻ RFID
- Antenna : Có nhiệm vụ nhận và truyền dữ liệu với reader, ngoài ra nó còn
nhận năng lượng để kích hoạt thẻ thụ động. Thông thường các thành phần này được
in bằng mực đồng hoặc được cho vào một thẻ plastic nhỏ.Có nhiều dạng antenna,
nhất là UHF, chiều dài của antenna tương ứng với phạm vi đọc của thẻ. Antenna
càng lớn thì phạm vi đọc càng lớn. Những điểm kết nối giữa antenna và vi mạch của
thẻ là những điểm kết nối yếu nhất của thẻ. Nếu có bất kỳ một điểm kết nối nào bị
hỏng thì hiệu suất của thẻ sẽ bị giảm đáng kể hoặc thậm chí thẻ có thể bị hỏng,

không thể làm việc được.

16


- Vi mạch (CPU) : Lưu trữ thông tin của thẻ, đồng thời nó còn tích hợp một
số đơn vị chức năng khác để đảm bảo cho quá trình trao đổi thông tin.

Hình 2.2 Sơ đồ khối chip CPU trong thẻ RFID
- Bộ điều khiển nguồn: Phần này có chức năng chuyển năng lượng nhận từ
tín hiệu của đầu đọc gửi tới thành nguồn cung cấp cho thẻ RFID hoạt động.
- Mạch tách xung: Tách tín hiệu xung từ tín hiệu nhận được phát bởi đầu đọc.
- Bộ điều chế / giải điều chế: Bộ này có chức năng điều chế tín hiệu và
phát đi đồng thời giải điều chế tín hiệu nhận được từ đầu đọc.
- Đơn vị Logic: Khối này chịu trách nhiệm cung cấp giao thức truyền giữa
thẻ và đầu đọc.
- Bộ nhớ: Được dùng để lưu trữ dữ liệu.
2.3.3. Hình dạng và kích thước thẻ
Thẻ RFID có nhiều kiến trúc và định dạng khác nhau chẳng hạn như là loại
nhãn, loại card, loại đồng xu, loại hình que v.v..., phụ thuộc và các ứng dụng và môi
trường mà thẻ loại nào được sử dụng, nó có thể nhỏ như là 1 cái que rất ngắn và có
thể mỏng như 1 tờ giấy. Sự tiến bộ của kỹ thuật cho phép kích thước của vi mạch
nhỏ đến mức nhỏ hơn hạt cát. Tuy nhiên kích thước của thẻ không xác định bởi kích
thước của vi mạch mà bởi chiều dài antenna của nó.

17


Hình 2.3 Một số hình dạng của thẻ RFID
2.3.4. Tần số hoạt động

Tần số hoạt động là tần số điện từ mà thẻ dùng để giao tiếp hoặc thu được
năng lượng. Các thẻ và đầu đọc phải được chỉnh về cùng một tần số để liên lạc vớ
nhau vì vậy cần phải chọn tần số đúng cho các ứng dụng cần triển khai. Phổ điện từ
mà RFID thường hoạt động là tần số thấp (LF), tần số cao (HF), siêu cao tần (UHF)
và vi sóng (Microwave) bảng 3-1. Các tần số khác nhau có đặc tính khác nhau nên
thích hợp với các ứng dụng khác nhau
Bảng 2.1 Khoảng tần số RFID.
Tên

Khoảng tần số

LF

30300 kHz

HF

300 MHz

Tần số ISM
< 135 kHz
6.78 Mhz, 13.56 Mhz, 27.125 Mhz,
40.680 Mhz

UHF

300 Mhz- 3 Ghz

Vi sóng

> 3 Ghz

433.920 Mhz, 869 Mhz, 915 Mhz
2.45 Ghz, 5.8 Ghz, 24.125 Ghz

(microware)
Trong hoạt động, tần số RFID thực tế bị giới hạn bởi những mức tần số nằm
bên phần Industrial Scientific Medical (ISM). Tần số thấp hơn 135kHz không phải
là tần số ISM, nhưng trong khoảng này hệ thống RFID dùng nguồn năng lượng từ
trường và hoạt động ở khoảng cách ngắn vì vậy nhiễu phát ra ít hơn tại tần số khác.
2.3.4.1. Khoảng đọc của thẻ
Khoảng đọc của các thẻ thụ động trên thực tế phụ thuộc vào rất nhiều tham
số như: tần số làm việc, công suất bộ đọc, nhiễu từ các thiết bị vô tuyến khác...
thông thường các thẻ làm việc ở tần số thấp đọc được 50cm hoặc ngắn hơn thế nữa.
18


Ở những nơi cần đọc ở khoảng cách dài hơn ví dụ toa xe lửa cần sử dụng thẻ tích
cực có nguồn riêng, khoảng cách đọc 100m hoặc xa hơn nữa.
Bảng 2.2 Khoảng đọc của tần số
Tần số

Khoảng cánh đọc lớn nhất

Các ứng dụng

của Tag thụ động
LF

50cm

HF

3m

Xác định thú nuôi và những item
đọc ở khoảng cách gần.
Cổng vào các tòa nhà

UHF

9m

Hộp hoặc kệ

Vi sóng
(microware)

> 10m

Phân loại xe hơi

2.3.4.2. Phân loại thẻ
Thẻ gồm có 2 phần chính:
Chip: lưu trữ một số thứ tự duy nhất hoặc thông tin khác dựa trên loại thẻ:
read-only, read-write, hoặc write-one-read-many.
Antenna được gắn với vi mạch truyền thông tin từ chip đến reader. Antenna
càng lớn cho biết phạm vi đọc càng lớn.
 Phân loại thẻ RFID dựa trên nguồn cung cấp cho thẻ
Trên cơ sở phân loại thẻ RFID dựa theo nguồn cung cấp cho thẻ,

chúng ta có thể phân ra làm 3 loại chính: Thẻ tích cực, thẻ thụ động và
thẻ bán tích cực (bán thụ động).
- Passive tag (tag thụ động):

Hình 2.4 Thẻ thụ động

19


Loại thẻ này không có nguồn bên trong (on-board), sử dụng nguồn nhận
được từ Reader để tự tiếp sinh lực hoạt động và truyền dữ liệu được lưu trữ trong nó
cho Reader. Đây là loại tag được sử dụng rộng rãi hiện nay, giá thành rẻ.
+

Phương thức hoạt động: Bộ phận đọc tag sẽ truyền sóng radio đến passive

tag và kích hoạt tag. Sau đó tag sẽ tự động truyền thông tin được mã hóa của nó đến
bộ phận đọc.
Hạn chế: tầm hoạt động hạn chế.
+

Ưu điểm: passive tag không đòi hỏi phải có pin để hoạt động, có vòng đời

sử dụng rất lâu, kích thước nhỏ và rẻ, có thể tái sử dụng. Vì thế phần lớn thẻ RFID
hiện nay là thẻ thụ động.
- Active tag (tag tích cực):

Hình 2.5 Thẻ tích cực
Là loại tag có gắn pin (một loại gắn pin cố định, một loại có thể thay thế).
Thẻ tích cực sử dụng nguồn năng lượng bên trong để truyên dữ liệu cho reader.

Điện tử học bên trong gồm bộ vi mạch, cảm biến và các cổng vào/ra được cấp
nguồn bởi năng lượng bên trong nó.
+

Phương thức hoạt động: active tag sẽ tự động phát ra tín hiệu trong một

bán kính khoảng100m đến các bộ phận đọc và truyền thông tin được mã hóa.
+

Hạn chế: tag không thể hoạt động nếu không có pin, đắt và có kích thước

tương đối lớn
+

Ưu điểm: tầm phủ sóng lớn (hơn 100m), có thể sử dụng các nguồn điện để

hoạt động. Trong tương lai gần, các active tag có thể sẽ mang nhưng chức năng sau:

20


 Khả năng tư kiểm soát và theo dõi sản phẩm nó gắn vào.
 Có dung lượng thông tin lớn nhất.
 Có thể được gắn với bộ phận tìm kiếm mạng lưới tự động, cho phép nó
lựa chọn kênh truyền thông tốt nhất.
Ngoài ra còn có loại thẻ bán thụ động là sự kết hợp giữa thẻ thụ động và chủ
động. Thẻ bán thụ động có sử dụng nguồn pin, khoảng cách đọc thẻ ngắn hơn thẻ
chủ động nhưng xa hơn so với thẻ thụ động.
 Thẻ bán tích cực (Semi-active, còn gọi là bán thụ động semi-passive).

Hình 2.6 Thẻ bán tích cực
Thẻ bán tích cực có một nguồn năng lượng bên trong (chẳng hạn là bộ pin)
và điện tử học bên trong để thực thi những nhiệm vụ chuyên dụng. Nguồn bên trong
cấp sinh lực cho thẻ hoạt động. Tuy nhiên trong quá trình truyền dữ liệu, thẻ bán
tích cực sử dụng nguồn từ reader. Thẻ bán tích cực được gọi là thẻ có hỗ trợ pin
(Batteryassisted Tag).
Thẻ bán tích cực cũng cho phép đọc tốt hơn ngay cả khi gắn thẻ bằng những
vật liệu chắn tần số vô tuyến (RF-opaque và RF-absorbent). Sự có mặt của những
vật liệu này có thể ngăn không cho thẻ thụ động hoạt động đúng dẫn đến việc truyền
dữ liệu không thành công. Tuy nhiên, đây không phải là vấn đề khó khăn với thẻ
bán tích cực.

21


Phạm vi hoạt động của thẻ bán tích cực có thể lên tới 100feet (xấp xỉ 30.5m)
với điều kiện lý tưởng.
 Phân loại thẻ RFID dựa trên khả năng hỗ trợ ghi chép dữ liệu
 Thẻ read only (RO)
Thẻ RO có thể được lập trình (tức là ghi dữ liệu lên thẻ RO) chỉ một lần. Dữ liệu
có thể được lưu vào thẻ tại xí nghiệp trong lúc sản xuất. Nhà sản xuất loại thẻ này sẽ đưa
dữ liệu lên thẻ và người sử dụng thẻ không thể điều chỉnh được.
Loại thẻ này chỉ tốt đối với những ứng dụng nhỏ mà không thực tế đối với
quy mô sản xuất lớn hoặc khi dữ liệu của thẻ cần được làm theo yêu cầu của khách
hàng dựa trên ứng dụng. Loại thẻ này được sử dụng trong các ứng dụng kinh doanh
và hàng không nhỏ.
 Thẻ 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
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 Field 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.
 Thẻ read write (RW)
Thẻ RW có thể ghi dữ liệu được nhiều lần, khoảng từ 10.000 đến 100.000
lần hoặc có thể hơn nữa. Việc này đem lại lợi ích rất lớn vì dữ liệu có thể được ghi
bởi reader hoặc bởi thẻ (nếu là thẻ tích cực). Thẻ RW gồm thiết bị nhớ Flash và
FRAM để lưu dữ liệu. Thẻ RW được gọi là Field Programmable hoặc
Reprogrammable (lập trình lại). Sự an toàn dữ liệu là một thách thức đối với thẻ
RW. Thêm vào nữa là loại thẻ này thường đắt nhất. Thẻ RW không được sử dụng
rộng rãi trong các ứng dụng ngày nay, trong tương lai có thể công nghệ thẻ phát
triển thì chi phí thẻ giảm xuống.

22


2.3.4.3. Lựa chọn thẻ phụ thuộc vào yêu cầu sau
Dải đọc yêu cầu: Các thẻ active thường cho có dải đọc rộng hơn thẻ passive.
Đối với các ứng dụng bán hàng, người ta thường sử dụng thẻ passive vì dải đọc của
những thẻ nãy cũng đủ đáp ứng yêu cầu.
Chất liệu và đóng gói: Mỗi một chất liệu khác nhau sẽ tạo ra các thẻ RFID
có đặc điểm khác nhau. Ví dụ, chất lỏng có thể ngăn cả luồng sóng radio. Các hộp
chứa bằng kim loại cũng tạo ra nhiễu tới đầu đọc.
Hệ số kích thước: Thẻ RFID có các kích thước khác nhau. Hệ số kích thước
cho các loại thẻ RFID dùng cho các mỗi loại sản phẩm sẽ phụ thuộc vào cách đóng
gói sản phẩm đó.
Chấp nhận các chuẩn: Việc tính toán xem liệu có phải hầu hết các đầu đọc
hiện có sẽ hiểu được các thẻ RF bạn đã chọn hay không cũng là một điều quan
trọng. EPCglobal và International Standards Organization (ISO) đã cung cấp các

chuẩn cho giao tiếp giữa thẻ RFID và đầu đọc
Chi phí: Chi phí của một thẻ RFID giữ vai trò quan trọng trong việc có chọn
loại thẻ đó hay không bới vì hầu hết các ứng dụng đều sử dụng rất nhiều thẻ RFID.
Vì vậy, cần phải chọn loại thẻ RFID đáp ứng vừa đủ nhu cầu và có chi phí chấp
nhận được.
2.4. Đầu đọc (READER)
Đầu đọc thẻ RFID là một thiết bị điện tử tích hợp. Nó gồm các module như:
Module giao tiếp vô tuyến sử dụng Antenna, Module mã hoá và giải mã, Module xử
lý tín hiệu từ thẻ, Module truyền thông ( Hỗ trợ kết nối RS232, USB, LAN…), các
antenna có thể gắn trong đầu đọc hoặc gắn rời. Chúng có nhiệm vụ thu và
phát tín hiệu sóng radio giao tiếp với thẻ.
Đầu đọc RFID có trách nhiệm đọc, ghi và truyền dữ liệu đến thẻ RFID mà
không cần sự liên hệ trực tiếp nào, hoạt động ghi dữ liệu lên thẻ bằng reader được
gọi là tạo thẻ. Quá trình tạo thẻ và kết hợp thẻ với một đối tượng được gọi là đưa
thẻ vào hoạt động (commissioning the tag). Decommissioning thẻ có nghĩa là tách
thẻ ra khỏi đối tượng được gắn thẻ và tùy ý làm mất hiệu lực hoạt động của thẻ.
Thời gian mà reader có thể phát năng lượng RF để đọc thẻ được gọi là chu kỳ làm
việc của reader. Ngoài ra trong một số trường hợp đầu đọc còn cung cấp năng lượng

23


hoạt động cho các thẻ nếu các thẻ RFID đó là các thẻ thụ động. Các hoạt động ghi
đọc được dựa trên nguyên lí chủ – tớ (Master- Slave). Vai trò của đầu đọc có thể là
master hoặc là slave dựa trên đối tượng truyền thông của đầu đọc là gì. Trong hình
dưới phần mềm ứng dụng đang điều khiển và kích hoạt đầu đọc bằng cách gửi các
lệnh ghi đọc. Trong trường hợp này đầu đọc đóng vai trò là slave cho các chương
trình ứng dụng. Mặt khác đầu đọc bắt đầu truyền thông với lệnh truyền thông từ
các chỉ thị của các chương trình ứng dụng trước đó, nó sẽ thông tin với các thẻ
RFID trong phạm vi truy vấn của nó và trong trường hợp này đầu đọc đóng vai trò

là master.
Reader là hệ thần kinh trung ương của toàn hệ thống phần cứng RFID thiết
lập việc truyền với thành phần này và điều khiển nó, là thao tác quan trọng nhất của
bất kỳ thực thể nào muốn liên kết với thực thể phần cứng này.

Hình 2.7 Vai trò của đầu đọc RFID theo nguyên lí chủ tớ
2.4.1. Các thành phần vật lý của một Reader RFID

Hình 2.8 Các thành phần của một Reader

24


- Máy phát (Transmitter): Truyền nguồn AC và chu kỳ xung đồng hồ qua
antenna của nó đến thẻ trong phạm vi đọc cho phép, nó chịu trách nhiệm gửi tín
hiệu của reader đến môi trường xung quanh và nhận lại đáp ứng của thẻ qua antenna
của reader.
- Máy thu (Receiver): Nhận tín hiệu tương tự từ thẻ qua antenne của
reader. Sau đó nó gửi những tín hiệu này cho vi mạch của reader, tại nơi này nó
được chuyển thành tín hiệu số tương đương (có nghĩa là dữ liệu mà thẻ đã truyền
cho reader được biểu diễn ở dạng số).
- Vi mạch (Microprocessor): Thành phần này chịu trách nhiệm cung cấp
giao thức cho reader để nó truyền thông với thẻ tương thích với nó. Nó thực hiện
việc giải mã và kiểm tra lỗi tín hiệu tương tự nhận từ máy thu.
- Bộ nhớ: Bộ nhớ dùng lưu trữ dữ liệu như các tham số cấu hình reader và
một bản kê khai các lần đọc thẻ. Vì vậy nếu việc kết nối giữa reader và hệ thống
mạch điều khiển/phần mềm bị hỏng thì tất cả dữ liệu thẻ đã được đọc không bị mất.
- Kênh vào/ra đối với các cảm biến, cơ cấu truyền động đầu từ, bảng
tín hiệu điện báo bên ngoài: Các reader không cần bật suốt. Các thẻ có thể chỉ
xuất hiện lúc nào đó và rời khỏi reader mãi cho nên việc bật reader suốt sẽ gây lãng

phí năng lượng. Thêm nữa là giới hạn vừa đề cập ở trên cũng ảnh hưởng tới chu kỳ
làm việc của reader. Thành phần này cung cấp một cơ chế bật và tắt reader tùy
thuộc vào các sự kiện bên ngoài.
- Mạch điều khiển (có thể nó được đặt ở bên ngoài): Là một thực thể cho
phép thực thể bên ngoài là con người hoặc chương trình máy tính giao tiếp, điều
khiển các chức năng của reader, điều khiển bảng tín hiệu điện báo và cơ cấu truyền
động đầu từ kết hợp với reader này.
- Mạch truyền thông: Cung cấp các lệnh truyền đến reader, nó cho phép
tương tác với các thực thể bên ngoài qua mạch điều khiển, để truyền dữ liệu của nó,
nhận lệnh và gửi lại đáp ứng. Thành phần này cũng có thể xem như là một phần của
mạch điều khiển hoặc là phương tiện truyền giữa mạch điều khiển và các thực thể
bên ngoài.

25