Nghiên cứu thiết kế hệ thống nhận dạng thẻ vô tuyến thông minh (RFID) ứng dụng trong quản lý nhân sự

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

---------------o0o--------------

LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC
CHUYÊN NGÀNH: ĐO LƯỜNG VÀ CÁC HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ HỆ THỐNG NHẬN DẠNG
THẺ VÔ TUYẾN THÔNG MINH (RFID)
ỨNG DỤNG TRONG QUẢN LÝ NHÂN SỰ

NGUYỄN LINH LAN

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

PGS-TS. Phạm Thị Ngọc Yến

Hà Nội - 2008


LỜI CẢM ƠN
Sau một thời gian thực tập và nghiên cứu tại Trung tâm MICA – Trường
Đại học Bách Khoa Hà Nội, tôi đã hoàn thành luận văn “Nghiên cứu thiết kế hệ
thống nhận dạng thẻ vô tuyến RFID ứng dụng trong quản lý nhân sự” theo
đúng yêu cầu khi được giao luận văn cao học.
Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới Trung tâm MICA nơi tạo điều kiện
cho tôi thực tập nghiên cứu và làm luận văn. Qua đây tôi cũng xin chân thành cảm
ơn TS Eric Castelli, TS Nguyễn Thị Lan Hương, TS Nguyễn Quốc Cường, ThS
Nguyễn Việt Tùng cùng nhiều cán bộ nghiên cứu khác đã giúp đỡ tôi hoàn thành
tốt luận văn này. Đặc biệt tôi xin gửi tới PGS-TS Phạm Thị Ngọc Yến lòng biết

ơn sâu sắc, người đã trực tiếp hướng dẫn và tạo điều kiện giúp đỡ tôi hoàn thành
luận văn này.
Xin bảy tỏ lòng biết ơn tới Ban chủ nhiệm cùng các thày cô Bộ môn Kỹ
thuật Đo và Tin học công nghiệp đã tạo điều kiện, động viên và giúp đỡ tôi
trong suốt quá trình học tập chương trình đào tạo thạc sỹ vừa qua.
Tôi cũng xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới gia đình và bạn bè cùng khóa
học luôn ủng hộ, khích lệ tôi để tôi có thể yên tâm học tập, nghiên cứu và trưởng
thành như ngày hôm nay.
Một lần nữa tôi xin chân thành cảm ơn!
Hà Nội, ngày 20 tháng 8 năm 2008


-2Thiết kế hệ thống nhận dạng thẻ vô tuyến RFID ứng dụng trong quản lý nhân sự

CÁC THUẬT NGỮ SỬ DỤNG TRONG LUẬN VĂN
STT

Thuật ngữ

Ý nghĩa

1.

RFID

Radio Frequency Identification

2.

ATM

Automatic Teller Machine

3.

AC

Alternating Current

4.

DC

Direct Current

5.

RO

Read Only

6.

RW

Read Write

7.

WORM

8.

CRC

9.

ID

10.

CMOS

11.

EEPROM

12.

ISO

International Organization for Standardization

13.

EPC

Electrical Product Code

14.

HDX

Half Duplex

15.

FDX

Full Duplex

16.

SEQ

Sequential

17.

TTL

Transistor – Transistor Logic

18.

ASIC

Application Specific Integrated Circuit

19.

AM

Amplitude Modulation

20.

OOK

On-off Keying

21.

ASK

Amplitude Shift Keying

22.

FSK

Frequency Shift Keying

23.

PSK

Phase Shift Keying

Nguyễn Linh Lan

Write Once Read Many
Cyclic Redundancy Check
Identification
Complementary Metal-Oxide Semiconductor
Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory

Đo lường và các hệ thống điều khiển


-3Thiết kế hệ thống nhận dạng thẻ vô tuyến RFID ứng dụng trong quản lý nhân sự

MỤC LỤC
LỜI MỞ ĐẦU .................................................................................................... - 8 CHƯƠNG 1:
1.1.

TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG RFID................................. - 11 -

Khái niệm về hệ thống RFID.............................................................. - 11 -

1.1.1. Thẻ RFID (RFID Tag)........................................................................ - 14 1.1.1.1. Các thành phần của thẻ RFID .................................................. - 14 1.1.1.2. Phân loại thẻ RFID ................................................................... - 17 1.1.2. Đầu đọc (Reader)................................................................................ - 21 1.1.2.1. Nhiệm vụ và chức năng............................................................ - 21 1.1.2.2. Các thành phần của đầu đọc..................................................... - 23 1.1.3. Cơ chế trao đổi năng lượng và dữ liệu ............................................... - 27 1.1.3.1. Cơ chế trao đổi năng lượng ...................................................... - 27 1.1.3.2. Truyền dữ liệu từ thẻ sang đầu đọc .......................................... - 30 1.1.3.3. Cơ chế truyền dữ liệu từ đầu đọc sang thẻ ............................... - 30 1.1.4. Các dải tần số hoạt động..................................................................... - 33 1.1.5. Ưu nhược điểm của hệ thống RFID ................................................... - 36 1.1.5.1. Ưu điểm.................................................................................... - 36 1.1.5.2. Nhược điểm .............................................................................. - 36 1.2. Tình hình phát triển của công nghệ RFID hiện nay ........................... - 37 1.2.1. Tình hình phát triển ............................................................................ - 37 1.2.1.1. Tiềm năng sử dụng ................................................................... - 37 1.2.1.2. Thế hệ thứ 2 (Gen 2 ) ............................................................... - 38 1.2.1.3. Các chuẩn xây dựng cho công nghệ RFID............................... - 38 1.2.2. Các ứng dụng RFID hiện nay ............................................................. - 39 1.3. Mục tiêu và nhiệm vụ của luận văn.................................................... - 41 1.3.1. Mục tiêu .............................................................................................. - 41 1.3.2. Nhiệm vụ thiết kế................................................................................ - 42 CHƯƠNG 2:
2.1.

LỰA CHỌN TÍNH TOÁN THIẾT KẾ ................................ - 43 -

Lựa chọn linh kiện .............................................................................. - 43 -

2.1.1. Thẻ (Tag) RFID .................................................................................. - 43 2.1.1.1. Mô tả chung.............................................................................. - 43 Nguyễn Linh Lan

Đo lường và các hệ thống điều khiển

-4Thiết kế hệ thống nhận dạng thẻ vô tuyến RFID ứng dụng trong quản lý nhân sự

2.1.1.2.

Các tag loại EM4102 sử dụng .................................................. - 46 -

2.1.2. IC RFID .............................................................................................. - 48 2.1.2.1. Mô tả chung.............................................................................. - 48 2.1.2.2. Các khối chức năng .................................................................. - 51 2.1.3. VĐK PIC 16F876A ............................................................................ - 56 2.1.3.1. Đặc điểm chính của PIC 16F876A........................................... - 56 2.1.3.2. Cấu trúc và dung lượng bộ nhớ................................................ - 59 2.2. Thiết kế chi tiết phần cứng ................................................................. - 60 2.2.1. Sơ đồ khối của hệ thống ..................................................................... - 60 2.2.2. Các khối chức năng ............................................................................ - 61 2.2.2.1. Khối nguồn ............................................................................... - 61 2.2.2.2. Khối HF .................................................................................... - 61 2.2.2.3. Khối điều khiển ........................................................................ - 62 2.2.2.4. Khối hiển thị............................................................................. - 63 2.2.2.5. Khối truyền thông nối tiếp RS-232 .......................................... - 64 2.2.3. Sơ đồ nguyên lý toàn mạch ................................................................ - 64 CHƯƠNG 3:
3.1.

THIẾT KẾ ANTEN CHO ĐẦU ĐỌC RFID ....................... - 66 -

Nghiên cứu nguồn năng lượng trường điện từ nuôi thẻ RFID ........... - 66 -

3.1.1. Từ trường do anten tạo ra ................................................................... - 66 3.1.2. Các yếu tố ảnh hưởng đến năng lượng nuôi thẻ RFID....................... - 70 3.1.2.1. Điện áp cảm ứng trên thẻ ......................................................... - 70 3.1.2.2. Vị trí của hai anten ................................................................... - 70 3.1.2.3. Công suất phát của anten đầu đọc ............................................ - 72 3.1.3. Khảo sát cường độ từ trường của anten.............................................. - 73 3.2. Thiết kế anten cho đầu đọc ở tần số 125 kHz..................................... - 77 3.3. Điều chỉnh thiết kế anten cho phù hợp ............................................... - 80 3.3.1. Điều chỉnh tín hiệu trên anten ............................................................ - 80 3.3.2. Quan hệ giữa bán kính anten và khoảng cách đọc ............................. - 81 CHƯƠNG 4:
4.1.

PHẦN MỀM ỨNG DỤNG................................................... - 82 -

Chương trình phần mềm cho vi điều khiển PIC16F876A.................. - 82 -

4.1.1. Lưu đồ thuật toán................................................................................ - 82 4.1.2. Chương trình nạp Tinybootloader cho VĐK PIC .............................. - 83 4.2. Phần mềm hiển thị mã ID ................................................................... - 85 Nguyễn Linh Lan

Đo lường và các hệ thống điều khiển


-5Thiết kế hệ thống nhận dạng thẻ vô tuyến RFID ứng dụng trong quản lý nhân sự

4.3.

Phần mềm RFID quản lý nhân sự....................................................... - 87 -

CHƯƠNG 5:
5.1.
5.2.
5.3.
5.4.

THỬ NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ HỆ THỐNG .................... - 91 -

Thử nghiệm hệ thống đầu đọc RFID .................................................. - 91 Thử nghiệm thiết kế anten .................................................................. - 93 Đánh giá hệ thống............................................................................... - 94 Hướng phát triển ................................................................................. - 96 -

TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................ - 98 -

Nguyễn Linh Lan

Đo lường và các hệ thống điều khiển


-6Thiết kế hệ thống nhận dạng thẻ vô tuyến RFID ứng dụng trong quản lý nhân sự

DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1-1 Các kỹ thuật nhận dạng tự động ...................................................- 12 Hình 1-2 Hệ thống RFID..............................................................................- 13 Hình 1-3 Đầu đọc và thẻ không tiếp xúc RFID trong ứng dụng thực tế......- 14 Hình 1-4 Các thành phần của Tag RFID......................................................- 15 Hình 1-5 Sơ đồ khối vi mạch của Tag RFID thụ động ................................- 16 Hình 1-6 Thủ tục master-slave giữa Application software, reader và tag ...- 22 Hình 1-7 Các thành phần của đầu đọc..........................................................- 24 Hình 1-8 Sơ đồ khối của khối HF cho hệ thống RFID ghép nối cảm ứng...- 25 Hình 1-9 Sơ đồ khối của khối điều khiển.....................................................- 27 Hình 1-10 Từ trường dao động (magnetic alternating field) do cuộn dây anten
trên thẻ sinh ra ..................................................................................................- 28 Hình 1-11 Năng lượng sinh ra từ từ trường dao động phía đầu đọc cung cấp năng
lượng cho thẻ qua ghép nối cảm ứng ...............................................................- 29 Hình 1-12 Tín hiệu điều biên ASK ................................................................- 31 Hình 1-13 Tín hiệu điều tần FSK ...................................................................- 31 Hình 1-14 Tín hiệu điều pha PSK ..................................................................- 32 Hình 1-15 Các cơ chế truyền dữ liệu FDX, HDX, SEQ ................................- 33 Hình 2-1 Sơ đồ chip EM4102 ......................................................................- 44 Hình 2-2 Sơ đồ khối của IC EM4102...........................................................- 44 Hình 2-3 Phân chia 64 bits trong bộ nhớ của EM4102................................- 46 Hình 2-4 Mã hóa dữ liệu dạng mã Manchester............................................- 46 Hình 2-5 Sơ đồ bố trí các chân của EM4095 ...............................................- 49 Hình 2-6 Cấu hình EM4095 dùng trong chế độ Read Only.........................- 50 Hình 2-7 Cấu hình EM4095 dùng trong chế độ Read Write .......................- 50 Hình 2-8 Sơ đồ khối của EM4095................................................................- 51 Hình 2-9 Chế độ hoạt động Read Only ........................................................- 54 Hình 2-10 Chế độ hoạt động Read Write.......................................................- 55 Hình 2-11 Sơ đồ chân của PIC 16F876A.......................................................- 57 Hình 2-12 Cấu trúc và dung lượng bộ nhớ của PIC 16F876A ......................- 59 Hình 2-13 Sơ đồ khối của đầu đọc RFID.......................................................- 60 Hình 2-14 Sơ đồ nguyên lý khối nguồn .........................................................- 61 Hình 2-15 Sơ đồ nguyên lý khối IC RFID EM4095 ......................................- 62 Hình 2-16 Sơ đồ nguyên lý khối điều khiển dùng PIC 16F876A..................- 63 Hình 2-17 Sơ đồ nguyên lý khối hiển thị LCD ..............................................- 64 Hình 2-18 Sơ đồ nguyên lý khối truyền thông nối tiếp RS-232 ....................- 64 Hình 2-19 Sơ đồ nguyên lý toàn mạch...........................................................- 65 Hình 3-1 Từ trường H sinh ra bởi dòng điện I .............................................- 66 Nguyễn Linh Lan

Đo lường và các hệ thống điều khiển

-7Thiết kế hệ thống nhận dạng thẻ vô tuyến RFID ứng dụng trong quản lý nhân sự

Hình 3-2 Từ trường H sinh ra bởi cuộn dây.................................................- 67 Hình 3-3 Mạch điện mô tả hiện tượng cảm ứng từ ......................................- 68 Hình 3-4 Mạch điện tương đương của thẻ RFID .........................................- 69 Hình 3-5 Vị trí của anten đầu đọc và anten thẻ tạo nên góc ϑ ....................- 71 Hình 3-6 Vùng từ trường của anten đầu đọc với các vị trí khác nhau của anten
thẻ .....................................................................................................................- 71 Hình 3-7 Mạch tương đương đơn giản hóa của anten phía đầu đọc ...........- 72 Hình 3-8 Sơ đồ thay thế của anten phía đầu đọc.........................................- 73 Hình 3-9
Khảo sát sự phụ thuộc của cường độ từ trường H vào các yếu tố R và
x ........................................................................................................................- 75 Hình 3-10 Sự phụ thuộc của cường độ từ trường vào bán kính vòng dây....- 76 Hình 3-11 Sự phụ thuộc của cường độ từ trường vào khoảng cách từ .........- 77 Hình 3-12 Mạch anten của đầu đọc...............................................................- 78 Hình 3-13 Công thức tính giá trị điện cảm của cuộn cảm anten đầu đọc .....- 79 Hình 3-14 Đo tín hiệu bằng Osciloscope ......................................................- 80 Hình 4-1 Giao diện chương trình nạp chip Tinybootloader........................- 84 Hình 4-2 Phần mềm hiển thị mã ID ............................................................- 86 Hình 4-3 Giao diện Tab Giam sat vao/ra ....................................................- 88 Hình 4-4 Giao diện Tab Quan ly ho so .......................................................- 89 Hình 4-5 Thiết lập cổng COM dể truyền dữ liệu cho phần mềm ...............- 89 Hình 5-1 Mạch cứng của đầu đọc RFID .....................................................- 91 Hình 5-2 Đầu đọc RFID hoàn chỉnh ...........................................................- 92 Hình 5-3 Khoảng cách đọc với thẻ PVC.....................................................- 92 Hình 5-4 Phần mềm RFID quản lý nhân sự ................................................- 93 -

Nguyễn Linh Lan

Đo lường và các hệ thống điều khiển


-8Thiết kế hệ thống nhận dạng thẻ vô tuyến RFID ứng dụng trong quản lý nhân sự

LỜI MỞ ĐẦU

Càng ngày các công nghệ mới càng hướng đến sự đơn giản, tiện lợi và một
đặc trưng quan trọng nữa là khả năng không dây (wireless). Thiết bị không dây
trong một thế giới di động làm cho con người được giải phóng, tự do và thoải mái
hơn. Một thiết bị chủ yếu trong hướng phát triển này là “Hệ thống nhận dạng bằng
tần số vô tuyến” – RFID (Radio Frequency Identification), đây là thiết bị di
động thụ động (Passive Mobile Device), được coi là một cuộc cách mạng trong
các hệ thống nhúng và trong môi trường tương tác hiện nay. Trên thế giới, nhắc
đến từ RFID mọi người không hề xa lạ bởi những ứng dụng đa dạng của nó trở
nên rất phổ biến trong đời sống sinh hoạt cũng như trong công nghiệp, y tế, dịch
vụ, quân sự ở khắp các nước. Đây là một phương pháp tin cậy để phát hiện và
giám sát điện tử, một dạng mới của phương pháp truyền thông tin vô tuyến. Cũng
có thể hiểu RFID như một loại mã vạch điện tử, trong đó dữ liệu được mã hóa
dưới dạng bit, được truyền đi và nhận biết thông qua sóng vô tuyến. Công nghệ
RFID thật ra không mới, mà nó đã được nghiên cứu phát triển suốt hơn 50 năm

qua, nhưng chỉ trong vòng 1 thập kỷ gần đây công nghệ này mới thực sự bước vào
thực tiễn. Thống kê trên thế giới cho thấy hiện công nghệ RFID đem lại doanh thu
trên 1 tỉ USD/năm, con số này sẽ còn tăng gấp 3 lần trong 3 năm tới và sẽ ở mức 2
chữ số trong 10 năm tới.
Với sự phát triển chóng mặt của công nghệ RFID như vậy, Việt Nam cũng
không nằm ngoài xu thế phát triển khoa học kỹ thuật chung của thế giới. Mặc dù ở
Việt Nam

khái niệm RFID còn mới mẻ nhưng đã có một số trung tâm khoa học

nghiên cứu về công nghệ này như Viện Khoa học Công nghệ thông tin thuộc Viện
Khoa học Công nghệ Việt Nam nghiên cứu thiết kế hệ thống khóa từ đầu tiên
Nguyễn Linh Lan

Đo lường và các hệ thống điều khiển


-9Thiết kế hệ thống nhận dạng thẻ vô tuyến RFID ứng dụng trong quản lý nhân sự

dùng RFID hay Trung tâm công nghệ cao thuộc Viện Điện tử-Tin học-Tự động
hóa đã thiết kế và xây dựng hệ thống quản lý tự động bằng thẻ RFID để ứng dụng
trong hệ thống thu phí cầu đường. Tuy nhiên gần như chưa có sự triển khai ứng
dụng thực tế RFID trên quy mô lớn hay thương mại hóa các sản phẩm RFID ở
nước ta.
Với mục đích bước đầu nghiên cứu và triển khai ứng dụng công nghệ RFID
vào thực tế, luận văn cao học “Nghiên cứu thiết kế hệ thống nhận dạng thẻ vô
tuyến RFID ứng dụng trong quản lý nhân sự” chọn hướng nghiên cứu RFID ở
dải tần số thấp và xây dựng một hệ thống nhận dạng RFID hoàn chỉnh dùng trong
công việc quản lý nhân sự tại các văn phòng cơ quan, một cách tiếp cận công nghệ
dễ dàng nhưng vẫn mang lại hiệu quả cao. Đây là hệ thống RFID có khả năng

theo dõi, giám sát truy nhập với nhân viên trong văn phòng và có thể lưu lại các
dữ liệu truy nhập đó phục vụ cho các mục đích về sau như chấm công.
RFID lần đầu xuất hiện trong các ứng dụng truy nhập và theo dõi những năm
1980 và nhanh chóng thu hút sự chú ý bởi khả năng theo dõi các đối tượng đang
chuyển động. Khi công nghệ được cải tiến, càng có nhiều ứng dụng sử dụng thẻ
RFID. Khi đã tìm hiểu, nghiên cứu và nắm vững công nghệ RFID thì từ ứng dụng
đơn giản này chúng ta hoàn toàn có thể phát triển lên các sản phẩm cao cấp hơn
với phạm vi ứng dụng rộng rãi hơn và đưa ra thị trường.
Nội dung của luận văn tập trung vào các vấn đề sau:
- Nghiên cứu công nghệ nhận dạng sóng vô tuyến RFID
- Nghiên cứu cơ chế trao đổi năng lượng giữa nhãn và đầu đọc RFID
- Thiết kế chế tạo thử nghiệm hệ thống đầu đọc nhãn RFID ở tần số thấp
- Xây dựng cơ sở dữ liệu
- Lập trình các chương trình quản lý hệ thống
Nhằm thực hiện đầy đủ các nội dung đã đặt ra ở trên, cuốn luận văn này
được sắp xếp và chia thành 5 chương chính:
- Chương 1: Tổng quan về hệ thống RFID
Nguyễn Linh Lan

Đo lường và các hệ thống điều khiển


- 10 Thiết kế hệ thống nhận dạng thẻ vô tuyến RFID ứng dụng trong quản lý nhân sự

- Chương 2: Lựa chọn tính toán thiết hế
- Chương 3: Thiết kế anten cho đầu đọc RFID
- Chương 4: Phần mềm ứng dụng
- Chương 5: Thử nghiệm và đánh giá hệ thống
Trong quá trình thực hiện đề tài này tôi đã học hỏi và thu nhận được rất
nhiều kiến thức mới mẻ, điều này làm tôi cảm thấy hăng hái hơn trong việc học

tập và nghiên cứu sau này. Do hiểu biết của bản thân còn hạn chế khi lần đầu
nghiên cứu công nghệ mới nên chắc chắn luận văn còn nhiều thiếu sót, tôi rất
mong nhận được sự chỉ bảo góp ý của các thày cô giáo, các anh chị đồng nghiệp
và các bạn học cùng khóa học Cao học Đo lường & các hệ thống điều khiển 20062008.
Tôi xin chân thành cảm ơn!
Học viên thực hiện

Nguyễn Linh Lan

Đo lường và các hệ thống điều khiển


- 11 Thiết kế hệ thống nhận dạng thẻ vô tuyến RFID ứng dụng trong quản lý nhân sự

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG RFID
1.1.

Khái niệm về hệ thống RFID

Nhận dạng nhãn vô tuyến (Radio Frequency Identification – RFID) là một
dạng của kỹ thuật nhận dạng tự động (Automatic Identification). Trước khi tìm
hiểu về nhận dạng nhãn vô tuyến, chúng ta cần biết qua về nhận dạng tự động.
Nhận dạng tự động (Automatic Identification) gọi tắt là “ID tự động” là một thuật
ngữ chỉ các công nghệ chủ dùng để giúp các máy nhận dạng các đối tượng. Nhận
dạng tự động thường được thực hiện bằng cách tự động bắt dữ liệu. Đó là cách mà
các công ty muốn nhận dạng các món đồ, bắt thông tin về chúng và bằng cách nào
đó thu nhận dữ liệu đưa vào máy tính mà không cần nhập dữ liệu bằng tay. Mục
tiêu của “ID tự động” là tăng tính hiệu quả, giảm lỗi dữ liệu đầu vào và giảm sức
lao động trong việc nhận dạng. Các công nghệ chủ được xếp dưới dạng “ID tự
động” như: mã vạch (Bar codes), nhận dạng tiếng nói, một số công nghệ sinh trắc

học (biometric), nhận dạng đặc trưng quang học (Optical character Recognition –
OCR) và nhận dạng nhãn vô tuyến (RFID).

Nguyễn Linh Lan

Đo lường và các hệ thống điều khiển


- 12 Thiết kế hệ thống nhận dạng thẻ vô tuyến RFID ứng dụng trong quản lý nhân sự

Hình 1-1

Các kỹ thuật nhận dạng tự động

RFID là thuật ngữ chung chỉ các công nghệ dùng sóng vô tuyến để nhận
dạng tự động con người và đồ vật từ xa. Hệ thống RFID bao gồm nhãn/thẻ RFID
(RFID Tag) được tạo nên bằng vi chip (IC) có gắn anten và đầu đọc (Reader) có
gắn anten. Trên vi chip lưu giữ các thông tin để nhận dạng con người hoặc đồ vật
dưới dạng số theo thứ tự. Đầu đọc phát ra sóng điện từ và anten của thẻ thu các
sóng điện từ số, trong trường hợp các thẻ là thẻ thụ động thì nó hấp thụ năng
lượng từ trường điện từ do đầu đọc tạo nên và sử dụng năng lượng đó để nuôi các
mạch vi chip. Vi chip sau đó điều chế sóng để thẻ phát lại về phía đầu đọc và đầu
đọc biến đổi các sóng đó thành tín hiệu và từ đó nhận dạng đồ vật có gắn thẻ ở
khoảng cách từ 5cm đến 10m tùy vào loại thẻ thẻ.
Để tạo thành một hệ thống RFID hoàn chỉnh thì đầu đọc RFID cần nối với
máy chủ (host computer). Sau khi thu thập được dữ liệu từ thẻ, đầu đọc sẽ truyền
dữ liệu lên máy chủ nơi chứa phần mềm trung gian (middleware) để xử lý dữ liệu
và nối hệ thống RFID với hệ thống kỹ thuật thông tin lớn hơn để quản lý dữ liệu
(database, applications,...).
Nguyễn Linh Lan

Đo lường và các hệ thống điều khiển


- 13 Thiết kế hệ thống nhận dạng thẻ vô tuyến RFID ứng dụng trong quản lý nhân sự

Hình 1-2

Hệ thống RFID

Thẻ RFID không cần tiếp xúc với đầu đọc để được nhận dạng mà có thể bị
đọc từ khoảng cách xa tùy thuộc vào dải tần số hoạt động của thẻ và đầu đọc.
Không giống với thẻ thông minh (smart card) mà ta thường thấy sử dụng trong
dạng thẻ điện thoại hay thẻ ATM, nguồn năng lượng cấp cho thẻ RFID hoạt động
và trao đổi dữ liệu giữa thẻ RFID và đầu đọc không thông qua kết nối điện trực
tiếp mà nhờ sự cảm ứng trường điện từ trong quá trình truyền sóng vô tuyến. Hệ
thống nhận dạng RFID vì vậy còn được hiểu là hệ thống nhận dạng không tiếp
xúc (contactless RFID system).

Nguyễn Linh Lan

Đo lường và các hệ thống điều khiển


- 14 Thiết kế hệ thống nhận dạng thẻ vô tuyến RFID ứng dụng trong quản lý nhân sự

Hình 1-3

Đầu đọc và thẻ không tiếp xúc RFID trong ứng dụng thực tế

1.1.1. Thẻ RFID (RFID Tag)
1.1.1.1. Các thành phần của thẻ RFID
Thẻ RFID (thường gọi là Tag hay Transponder) là những thẻ điện tử nhỏ có
thể dùng độc lập hoặc được dán lên đồ vật. Mỗi thẻ có một mã nhận dạng duy
nhất và có thể gắn kèm theo bộ nhớ để lưu trữ thêm dữ liệu, cảm biến môi trường
hoặc các cơ cấu bảo vệ. Thẻ RFID là loại thẻ không tiếp xúc (contactless card)
gồm có 2 thành phần:
- Vi mạch (Tag IC): Lưu giữ một số thứ tự duy nhất hoặc thông tin khác
dựa trên loại thẻ: Read-Only (RO), Read-Write (RW) hoặc Write Once
Read Many (WORM).
- Anten: được gắn với vi mạch truyền thông từ chip đến đầu đọc, Anten
càng lớn cho biết phạm vi đọc càng lớn.
Hai thành phần này được gắn lên trên lớp nền (Substrate) và sau đó sẽ được
đóng gói dưới nhiều hình dạng khác nhau tùy thuộc vào kích thước và ứng dụng.

Nguyễn Linh Lan

Đo lường và các hệ thống điều khiển


- 15 Thiết kế hệ thống nhận dạng thẻ vô tuyến RFID ứng dụng trong quản lý nhân sự

Tag IC

Substrate

Anten

Hình 1-4

Các thành phần của Tag RFID

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

Nguyễn Linh Lan

Đo lường và các hệ thống điều khiển


- 16 Thiết kế hệ thống nhận dạng thẻ vô tuyến RFID ứng dụng trong quản lý nhân sự

CLOCK
EXTRACTOR

Tag
anten

AC/DC
Rectifier

Power
Control

MODULATOR

Hình 1-5

LOGIC
UNIT

MEMORY

ENCODER

Sơ đồ khối vi mạch của Tag RFID thụ động

- Vi mạch:
o Bộ chỉnh lưu (power control/rectifier): chuyển nguồn AC từ tín
hiệu anten của reader thành nguồn DC. Nó cung cấp nguồn đến
các thành phần khác của vi mạch.
o Máy tách xung (Clock extractor): rút tín hiệu xung từ tín hiệu
anten của đầu đọc.
o Bộ mã hóa (Encoder): mã hóa tín hiệu từ bộ nhớ và từ đầu đọc để
chuyển sang điều chế.
o Bộ điều chế (Modulator): tín hiệu nhận sau khi đã mã hóa được
điều chế và trở thành đáp ứng của thẻ, sau đó nó được truyền trở
lại reader.
o Đơn vị logic (Logic unit): chịu trách nhiệm cung cấp giao thức
truyền giữa thẻ và đầu đọc.
o Bộ nhớ vi mạch (Memory): được dùng lưu trữ dữ liệu. Bộ nhớ này
thường được phân đoạn (gồm vài block hoặc field). Một block
Nguyễn Linh Lan

Đo lường và các hệ thống điều khiển


- 17 Thiết kế hệ thống nhận dạng thẻ vô tuyến RFID ứng dụng trong quản lý nhân sự

nhớ của thẻ có thể giữ nhiều loại dữ liệu khác nhau, ví dụ như một
phần của dữ liệu nhận dạng đối tượng được gắn thẻ, các bit

checksum (chẳng hạn kiểm tra lỗi CRC) kiểm tra độ chính xác
của dữ liệu được truyền v.v…
Sự tiến bộ của kỹ thuật cho phép kích thước của vi mạch nhỏ đến mức
nhỏ hơn hạt cát (0,3mm2). Tuy nhiên, kích cỡ của thẻ không được xác
định bởi kích thước vi mạch của nó mà bởi chiều dài anten của nó.
- Anten:
o Anten của thẻ được dùng để lấy năng lượng từ tín hiệu của đầu
đọc để làm tăng sinh lực cho thẻ hoạt động, gửi hoặc nhận dữ liệu
từ đầu đọc. Anten này được gắn vào vi mạch. Anten là trung tâm
đối với hoạt động của thẻ.
o Chiều dài anten của thẻ thường lớn hơn nhiều so với vi mạch của
thẻ vì vậy nó quyết định kích cỡ vật lý của thẻ. Một anten có thể
được thiết kế dựa trên một số nhân tố sau đây:
• Khoảng cách đọc của thẻ với đầu đọc.
• Hướng cố định của thẻ đối với đầu đọc.
• Hướng tùy ý của thẻ đối với đầu đọc.
• Loại sản phẩm riêng biệt.
• Vận tốc của đối tượng được gắn thẻ.
• Độ phân cực anten của đầu đọc.
Hiện tại, anten của thẻ được xây dựng bằng một mảnh kim loại mỏng
(chẳng hạn đồng, bạc hoặc nhôm). Tuy nhiên, trong tương lai có thể sẽ in trực tiếp
anten lên nhãn thẻ, hộp và sản phẩm đóng gói bằng cách sử dụng một loại mực
dẫn có chứa đồng, cacbon và niken.
1.1.1.2. Phân loại thẻ RFID
a) Phân loại theo nguồn cung cấp cho thẻ
Nguyễn Linh Lan

Đo lường và các hệ thống điều khiển

- 18 Thiết kế hệ thống nhận dạng thẻ vô tuyến RFID ứng dụng trong quản lý nhân sự

Theo cách phân loại này thẻ RFID có 3 loại thẻ khác nhau: thẻ thụ động
(passive tag), thẻ bán thụ động (semi-passive tag) và thẻ tích cực (active tag).
• Thẻ thụ động (passive tag)
Thẻ thụ động là loại thẻ không có nguồn cung cấp bên trong. Nó hoạt động
nhờ năng lượng sóng vô tuyến cảm ứng thu được qua anten mà không cần nguồn
nuôi. Dòng điện xoay chiều cảm ứng này được chỉnh lưu để cung cấp nguồn điện
cho thẻ. Thẻ bắt đầu hoạt động khi dòng một chiều sau chỉnh lưu đạt được một giá
trị xác định. Đối với loại thẻ này, trong quá trình truyền giữa thẻ và đầu đọc, thì
đầu đọc luôn truyền trước rồi đến thẻ. Cho nên bắt buộc phải có đầu đọc để thẻ có
thể truyền dữ liệu của nó. Bằng việc cung cấp một tín hiệu sóng vô tuyến mang
năng lượng, đầu đọc có thể giao tiếp từ xa với một thiết bị không có nguồn nuôi.
Dòng điện này chỉ đủ cung cấp công suất cho mạch tích hợp CMOS trong thẻ phát
đi tín hiệu đáp ứng. Hầu hết các thẻ thụ động nhận tín hiệu nhờ tín hiệu sóng
mang tán xạ ngược lại từ đầu đọc. Điều này nghĩa là anten phải được thiết kế để
vừa nhận công suất từ tín hiệu đến và truyền đi tín hiệu tán xạ. Đáp ứng của một
thẻ thụ động RFID không chỉ là một số dạng nhận dạng ID (mã ID duy nhất –
Unique Identification-UID) mà nhiều dạng dữ liệu khác do con chip của thẻ có thể
chứa bộ nhớ EEPROM để lưu trữ dữ liệu. Do không có bộ nguồn cung cấp gắn
liền trên mạch nên thẻ có kích thước khá nhỏ, ví dụ như các sản phẩm gắn dưới
lớp da kích thước chỉ khoảng 0,15mm x 0,15mm và còn mỏng hơn độ dày của
một trang giấy (7,5µm). Thêm vào đó anten cũng tạo cho thẻ có kích thước thay
đổi từ kích thước con tem bưu điện đến kích thước của một thẻ ATM. Các thẻ thụ
động có khoảng cách đọc thực tế từ 2mm (ISO 14443) lên đến vài mét (EPC và
ISO 18000-6) tùy thuộc vào tần số vô tuyến lựa chọn và kích thước/thiết kế của
anten. Các thẻ thụ động RFID không yêu cầu nguồn và có thể nhỏ hơn nữa với
thời gian tồn tại không giới hạn do nó chịu được các hóa chất ăn mòn như axít và
nhiệt độ cao (xấp xỉ 2040oC). Thẻ thụ động có chi phí sản xuất rẻ hơn (khoảng
0,5USD/chiếc) và không có pin nên phần lớn thẻ RFID tồn tại ở dạng thụ động.

Nguyễn Linh Lan

Đo lường và các hệ thống điều khiển


- 19 Thiết kế hệ thống nhận dạng thẻ vô tuyến RFID ứng dụng trong quản lý nhân sự

• Thẻ bán thụ động (semi-passive tag)
Thẻ bán thụ động rất giống với thẻ thụ động trừ chi tiết nó có thêm nguồn
năng lượng bên trong (chẳng hạn như pin) nên nó còn được gọi là thẻ hỗ trợ pin
(battery-assited tag). Loại pin này cho phép IC của thẻ được cung cấp nguồn năng
lượng không đổi và loại bỏ nhu cầu thiết kế anten để lấy nguồn từ tín hiệu đầu đọc
đưa đến. Vì thế các anten được tối ưu với tín hiệu bị tán xạ. Do đó các thẻ RFID
bán thụ động sẽ đáp ứng nhanh hơn mặc dù kém ổn định và không hiệu quả bằng
các thẻ tích cực.
Ưu điểm của thẻ bán thụ động so với thẻ thụ động là thẻ bán thụ động
không sử dụng tín hiệu của đầu đọc như thẻ thụ đông mà nó tự kích hoạt, nó có
thể đọc ở khoảng cách xa hơn thẻ thụ động. Vì không cần thời gian tiếp năng
lượng cho thẻ bán thụ động, thẻ có thể nằm trong phạm vi đọc của đầu đọc ít hơn
thời gian đọc quy định (không giống như thẻ thụ động), nên nếu đối tượng gắn thẻ
bán thụ động đang di chuyển ở tốc độ cao, dữ liệu thẻ vẫn có thể đọc được. Thẻ
bán thụ động cũng cho phép đọc tốt hơn ngay cả khi gắn thẻ bằng những vật liệu
chắn và hấp thụ sóng vô tuyến (RF-opaque và RF-absorbent). Sự có mặt của
những vật liệu này có thể ngăn không cho thẻ thụ động hoạt động đúng dẫn đến
việc truyền dữ liệu không thành công.
Phạm vi đọc của thẻ bán thụ động có thể lên đến 10m với điều kiện lý
tưởng bằng cách sử dụng mô hình tán xạ đã được điều chế (modulated back
scatter) trong sóng UHF và sóng vi ba.
• Thẻ tích cực (active tag)
Không như các thẻ thụ động, các thẻ RFID tích cực có nguồn cấp bên trong

để cung cấp cho các IC tạo thành tín hiệu đầu ra. Các thẻ tích cực thường ổn định
hơn (ít lỗi hơn) các thẻ thụ động do khả năng kết nối "phiên" với đầu đọc. Đối với
loại thẻ này, trong quá trình truyền giữa thẻ và đầu đọc, thẻ luôn truyền trước, rồi
mới đến đầu đọc. Vì sự hiện diện của đầu đọc không cần thiết cho việc truyền dữ
liệu nên thẻ tích cực có thể phát dữ liệu của nó cho những vùng lân cận nó thậm
Nguyễn Linh Lan

Đo lường và các hệ thống điều khiển


- 20 Thiết kế hệ thống nhận dạng thẻ vô tuyến RFID ứng dụng trong quản lý nhân sự

chí trong cả trường hợp đầu đọc không có ở nơi đó. Nhờ có nguồn cung cấp
onboard nên các thẻ tích cực có thể phát công suất cao hơn các thẻ thụ động, cho
phép chúng hoạt động hiệu quả hơn trong các môi trường có "tần số vô tuyến thay
đổi" (người, gia xúc) như nước, kim loại nặng (xe tải, container trở hàng) hoặc ở
các khoảng cách xa hơn. Nhiều thẻ tích cực có khoảng cách hoạt động vài trăm
mét và thời gian pin nên tới 10 năm. Một số thẻ tích cực còn bao gồm các bộ cảm
biến (sensor) như cảm biến nhiệt độ dùng để giám sát độ chín hoặc giám sát nhiệt
độ của các sản phẩn dễ bị hỏng. Các cảm biến khác cũng được gắn với thẻ RFID
tích cực như: độ ẩm, va đập/biến động, ánh sáng, phóng xạ, nhiệt độ và không khí
như etylen. Các thẻ tích cực cũng thường có dải hoạt động dài hơn (xấp xỉ khoảng
30,5 m) và bộ nhớ lớn hơn các thẻ thụ động và do đó có thể lưu trữ thêm các
thông tin từ bộ phát đáp. Hiện tại, thẻ tích cực nhỏ nhất có kích thước tương
đương một đồng xu và được bán với giá khá đắt khoảng 20USD nên loại thẻ này
chỉ được sử dụng trong trường hợp thật cần thiết.
b) Phân loại theo khả năng hỗ trợ ghi dữ liệu của thẻ
Theo cách phân loại này thẻ RFID phân ra làm 3 loại: thẻ chỉ đọc (Read
Only-RO), thẻ ghi một lần-đọc nhiều lần (Write Once Read Many-WORM), thẻ
đọc-ghi (Read Write-RW).

• Read Only (RO)
Thẻ RO có thể được lập trình (tức là ghi dữ liệu lên thẻ RO) chỉ một lần.
Dữ liệu có thể được lưu vào thẻ tại xí nghiệp trong lúc sản xuất. Việc này được
thực hiện như sau: các cầu chì (fuse) riêng lẻ trên vi mạch của thẻ được lưu cố
định bằng cách sử dụng chùm tia laser. Sau khi thực hiện xong, không thể ghi đè
dữ liệu lên thẻ được nữa. Thẻ này được gọi là factory programmed. Nhà sản xuất
loại thẻ này sẽ đưa dữ liệu lên thẻ và người sử dụng thẻ không thể điều chỉnh
được. Thẻ RO có dung lượng lưu trữ rất nhỏ (thường 64bits). Các thẻ thụ động
đặc trưng là các thẻ RO. Loại thẻ này chỉ tốt đối với những ứng dụng nhỏ mà
không thực tế đối với quy mô sản xuất lớn hoặc khi dữ liệu của thẻ cần được làm
Nguyễn Linh Lan

Đo lường và các hệ thống điều khiển


- 21 Thiết kế hệ thống nhận dạng thẻ vô tuyến RFID ứng dụng trong quản lý nhân sự

theo yêu cầu của khách hàng dựa trên ứng dụng. Loại thẻ này được sử dụng trong
các ứng dụng kinh doanh và hàng không nhỏ.
Do ứng dụng đơn giản trên qui mô nhỏ nên hệ thống RFID được thiết kế
trong luận văn này bước đầu thực hiện trên thẻ RO.
• Write Once Read Many (WORM)
Thẻ WORM có thể được ghi dữ liệu một lần, mà thường thì không phải
được ghi bởi nhà sản xuất mà bởi người sử dụng thẻ ngay lúc thẻ cần được ghi.
Tuy nhiên trong thực tế thì có thể ghi được vài lần (khoảng 100 lần). Nếu ghi quá
số lần cho phép, thẻ có thể bị phá hỏng vĩnh viễn. Thẻ WORM được gọi là user
programmable.
Loại thẻ này có giá cả và hiệu suất tốt, có an toàn dữ liệu và là loại thẻ phổ
biến nhất trong lĩnh vực kinh doanh ngày nay.
• Read Write (RW)

Thẻ RW có thể ghi dữ liệu được nhiều lần, khoảng từ 10.000 đến 100.000
lần hoặc có thể hơn nữa. Việc này đem lại lợi ích rất lớn vì dữ liệu có thể được ghi
bởi reader hoặc bởi thẻ (nếu là thẻ tích cực). Thẻ RW gồm thiết bị nhớ Flash và
FRAM (Ferroelectric RAM) để lưu dữ liệu nên có dung lượng bộ nhớ lớn (thường
trên 1 Kbit). Thẻ RW được gọi là field programmable hoặc reprogrammable. Sự
an toàn dữ liệu là một thách thức đối với thẻ RW. Hơn nữa, loại thẻ này thường
đắt nhất. Thẻ RW không được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng ngày nay,
trong tương lai có thể công nghệ thẻ phát triển thì chi phí thẻ giảm xuống.
1.1.2. Đầu đọc (Reader)
1.1.2.1. Nhiệm vụ và chức năng
Đầu đọc (Reader) là thiết bị kết nối không dây với thẻ RFID để nhận dạng
các đồ vật/đối tượng được gắn thẻ RFID. Đầu đọc có nhiệm vụ kích hoạt thẻ
RFID, truyền và nhận dữ liệu bằng sóng vô tuyến với thẻ, thực hiện giải điều chế
và giải mã tín hiệu nhận được từ thẻ ra dạng tín hiệu cần thiết để truyền về máy
Nguyễn Linh Lan

Đo lường và các hệ thống điều khiển


- 22 Thiết kế hệ thống nhận dạng thẻ vô tuyến RFID ứng dụng trong quản lý nhân sự

chủ, đồng thời cũng nhận lệnh từ máy chủ để thực hiện các yêu cầu truy vấn hay
đọc/ghi thẻ. Tất cả các đặc điểm của truyền thông không dây như tạo kết nối, thực
hiện chống xung đột và các thủ tục xác thực quyền đều được thực thi bởi đầu đọc.
Đầu đọc thực hiện được những nhiệm vụ này là do phần mềm ứng dụng
(Application software) nằm trên máy chủ (PC) chỉ huy các lệnh đến đầu đọc theo
thủ tục master-slave, điều đó có nghĩa là trong cấu trúc phân cấp của hệ thống thì
Application software đóng vai trò là master còn đầu đọc đóng vai trò là slave chỉ
hoạt động khi có lệnh từ Application software. Để thực hiện một lệnh từ
Application software thì trước tiên đầu đọc phải thực hiện kết nối với thẻ. Lúc này

đầu đọc đóng vai trò là master trong mối quan hệ với thẻ. Sau đó thẻ sẽ trả lời các
lệnh của đầu đọc.

Hình 1-6

Thủ tục master-slave giữa Application software, reader và tag

Một lệnh đọc đơn giản từ Application software gửi đến đầu đọc có thể bắt
đầu từ một chuỗi các bước giao tiếp giữa đầu đọc và thẻ. Trong bảng 1.1, một
lệnh đọc đầu tiên được bắt đầu bởi việc kích hoạt thẻ theo sau đó là thủ tục xác
thực và cuối cùng là truyền các dữ liệu yêu cầu.

Nguyễn Linh Lan

Đo lường và các hệ thống điều khiển


- 23 Thiết kế hệ thống nhận dạng thẻ vô tuyến RFID ứng dụng trong quản lý nhân sự

Application software ↔

Reader ↔ Tag

Nội dung

Reader
Đọc địa chỉ bộ nhớ
của tag
Hỏi tag có trong
vùng phủ sóng ?

Tag hoạt động với
serial number
Bắt đầu xác thực

Xác thực thành công
Lệnh đọc (địa chỉ)
Dữ liệu nhận từ tag
Dữ liệu truyền đến
aplication software
Bảng 1-1

Ví dụ về thực thi một lệnh đọc bởi aplication software, reader và tag

1.1.2.2. Các thành phần của đầu đọc
Đầu đọc gồm có 3 thành phần:
- Khối HF (HF Interface): bao gồm bộ phát (transmitter) và bộ thu
(receiver)
- Khối điều khiển (Control Unit): bao gồm khối ASIC và vi điều khiển
- Anten

Nguyễn Linh Lan

Đo lường và các hệ thống điều khiển


- 24 Thiết kế hệ thống nhận dạng thẻ vô tuyến RFID ứng dụng trong quản lý nhân sự
Control Unit
(giao thức mã
hóa tín hiệu)

Các lệnh điều khiển từ PC
Application
software
(PC với các
phần mềm
ứng dụng)

Nhận dữ

liệu

Tag

Truyền dữ

liệu

HF interface

Hình 1-7

Anten

Các thành phần của đầu đọc

a) Khối HF (HF Interface)
• Chức năng:
- Sản sinh năng lượng để kích hoạt và nuôi thẻ (thụ động)
- Điều chế tín hiệu phát đi để gửi tới thẻ
- Nhận và giải điều chế tín hiệu HF nhận từ thẻ

• Cấu hình:
- Cấu hình khác nhau phụ thuộc vào:
o Sự ghép nối (từ trường hoặc điện trường): thường ở dải tần số
thấp (Low Frequency < 135 KHz), tần số cao (High Frequency
13,56 MHz)
o Giao tiếp tuần tự (HDX, FDX hoặc SEQ): thường ở dải sóng cực
ngắn (Microwave 2,45GHz)
- MoDem (2 đường truyền tín hiệu độc lập):
o Bộ phát (Transmitter)
o Bộ thu (Receiver)
• Sơ đồ khối

Nguyễn Linh Lan

Đo lường và các hệ thống điều khiển