Công nghệ nhận dạng đối tượng bằng sóng vô tuyến

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu khoa học của riêng tôi. Các số
liệu, trích dẫn, kết quả thực nghiệm và cài đặt được trình bày trong luận văn là trung
thực và có nguồn gốc rõ ràng.

i


LỜI CẢM ƠN

Để hoàn thành luận văn này, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến Thầy Võ
Viết Minh Nhật, Ban Đào tạo – Đại học Huế, đã tận tình hướng dẫn trong suốt quá
trình thực hiện đề tài.
Xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ về mọi mặt của Ban Giám hiệu, Phòng Đào
tạo Sau đại học, Khoa Công nghệ thông tin - Trường Đại học Khoa học - Đại học
Huế cùng quý thầy cô đã tham gia giảng dạy trong suốt quá trình học tập.
Cảm ơn tất cả bạn bè, đồng nghiệp và người thân đã động viên, giúp đỡ tôi
hoàn thành luận văn này.

ii


MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN.....................................................................................................i
LỜI CẢM ƠN..........................................................................................................ii
MỤC LỤC............................................................................................................... iii
DANH MỤC BẢNG................................................................................................v
DANH MỤC HÌNH VẼ..........................................................................................vi
DANH MỤC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT..........................................................vii
CHƯƠNG 1:TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG TÍCH HỢP RFID VÀ MẠNG

CẢM BIẾN KHÔNG DÂY....................................................................................3
1.1.................................................................................... GIỚI THIỆU CÔNG NGHỆ RFID
................................................................................................................................... 3
1.1.1

Lịch sử phát triển của công nghệ RFID........................................................4

1.1.2

Các thành phần của hệ thống RFID..............................................................7

1.1.3

Ứng dụng công nghệ RFID........................................................................12

1.2.................................................................................... MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY
................................................................................................................................. 13
1.2.1

Đặc điểm của mạng cảm biến.....................................................................13

1.2.2

Cấu trúc của một nút mạng cảm biến.........................................................13

1.2.3

Cấu trúc của mạng cảm biến......................................................................14

1.2.4

Các ứng dụng của mạng cảm biến không dây............................................15

1.2.5

Phân biệt giữa RFID và mạng cảm biến không dây...................................15

1.3......................................TÍCH HỢP RFID VÀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY
................................................................................................................................. 17
1.3.1

Tích hợp thẻ RFID với cảm biến................................................................17

1.3.2

Tích hợp các thẻ RFID với các nút WSN...................................................18

1.3.3

Tích hợp các đầu đọc RFID với các nút WSN............................................19

1.3.4

Tích hợp các thành phần RFID với các nút WSN.......................................19

iii


1.4.......................................................................................................... TIỂU KẾT CHƯƠNG 1
................................................................................................................................. 20

CHƯƠNG 2:....MỘT SỐ PHƯƠNG PHÁP ĐỊNH TUYẾN HIỆU QUẢ NĂNG
LƯỢNG TRONG MẠNG RFID...........................................................................21
2.1.............................................................................................................. GIAO THỨC EECBR
................................................................................................................................. 21
2.1.1

Giới thiệu...................................................................................................21

2.1.2

Nguyên lý hoạt động giao thức và giải thuật..............................................22

2.1.3

Ưu điểm và nhược điểm.............................................................................26

2.2..................................................................................................................... GIAO THỨC NTP
................................................................................................................................. 27
2.2.1

Giới thiệu...................................................................................................27

2.2.2

Nguyên lý hoạt động giao thức và giải thuật..............................................30

2.2.3

Ưu điểm và nhược điểm.............................................................................35

2.3.......................................................................................................... TIỂU KẾT CHƯƠNG 2
................................................................................................................................. 36
CHƯƠNG 3:CÀI ĐẶT MÔ PHỎNG VÀ PHÂN TÍCH KẾT QUẢ..................37
3.1.................................................................XÂY DỰNG CÁC KỊCH BẢN MÔ PHỎNG
................................................................................................................................. 37
3.2..................................................................PHÂN TÍCH CÁC KẾT QUẢ MÔ PHỎNG
................................................................................................................................. 38
3.3......................................................................................................................... Tiểu kết chương 3
................................................................................................................................. 39

iv


DANH MỤC BẢNG
Bảng 1.1 Bảng so sánh sự khác nhau của các loại thẻ.............................................10
Bảng 1.2 Sự khác nhau giữa WSN và RFID............................................................16
Bảng 3.1 Các tham số mô phỏng.............................................................................37

v


CHƯƠNG 1:

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Những mốc quan trọng trong thời kỳ đầu của công nghệ RFID..................4
Hình 1.2 Những mốc quan trọng từ năm 1960 đến 1990...........................................5
Hình 1.3 Những mốc quan trọng từ năm 1990 đến nay.............................................6
Hình 1.4 Các thành phần của hệ thống RFID............................................................7
Hình 1.5 Các thành phần của thẻ chủ động................................................................9

Hình 1.6 Các thành phần của thẻ bán thụ động........................................................10
Hình 1.7 Một số dạng thẻ thông dụng của ứng dụng RFID.....................................10
Hình 1.8 Sơ đồ thể hiện các đơn vị chính của đầu đọc............................................12
Hình 1.9 Các thành phần của một nút cảm biến.......................................................14
Hình 1.10 Cấu trúc của mạng cảm biến...................................................................15
Hình 1.11 Bốn loại tích hợp RFID với WSN...........................................................17
Hình 1.12 Kiến trúc tích hợp thẻ RFID với cảm biến..............................................18
Hình 1.13 Kiến trúc tích hợp các thẻ RFID với các nút WSN.................................18
Hình 1.14 Kiến trúc tích hợp các đầu đọc RFID với các nút WSN..........................19
Hình 1.15 Kiến trúc hệ thống của một cài đặt hỗ trợ tích hợp các thành phần RFID
với các nút WSN.............................................................................................20
Hình 2.1 Biểu đồ luồng giải thuật định tuyến EECBR............................................24
Hình 2.2 Giải thuật EECBR.....................................................................................26
Hình 2.3 Mạng đơn giản với đường đi được thiết lập từ trước................................28
Hình 2.4 Ví dụ mạng có nút bị tắt và mất gói..........................................................29
Hình 2.5 Ví dụ mạng mất đồng bộ và tranh chấp gói...............................................30
Hình 2.6 Định tuyến bằng giao thức AODV để tìm đường đi..................................31
Hình 2.7 Tiến trình đồng bộ các nút của mạng........................................................32
Hình 2.8 Biểu đồ luồng thực hiện của NTP.............................................................33
Hình 2.9 Giải thuật NTP..........................................................................................35
Hình 3.1 So sánh tiêu thụ năng lượng của cảm biến chính với trung bình của cụm.38
Hình 3.2 Mức tiêu thụ năng lượng của các cảm biến chính.....................................39
Hình 3.3 Phương sai của năng lượng toàn mạng.....................................................39
vi


DANH MỤC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT

RFID

Radio Frequency Identification

WSN

Wireless Sensor Network

IOT

Internet of Things

EECBR

Energy-Efficient Content-Based Routing

NTP

Network Time Protocol

AODV

Ad hoc On-Demand Distance Vector

DSDV

Destination Sequenced Distance Vector

AIDC

Automatic Identification and Data Capture

HF

High Frequency

vii


MỞ ĐẦU
 Lý do chọn đề tài
Ngày nay, với sự phát triển mạnh mẽ của khoa học kỹ thuật, nhiều công nghệ
mới và tiên tiến đã ra đời với mục đích làm cho mọi việc trong đời sống trở nên tiện
lợi và đơn giản hơn. Đặc biệt các công nghệ không dây ngày càng được quan tâm,
chú ý và được triển khai ở nhiều ứng dụng, trong đó phải kể đến “Công nghệ nhận
dạng đối tượng bằng sóng vô tuyến” (Radio Frequency Identification - RFID). Công
nghệ RFID hiện đang được nhiều nước trên thế giới phát triển và ứng dụng vào các
lĩnh vực như: bảo mật, an ninh, giám sát, sản xuất kinh doanh (sản xuất nông
nghiệp, công nghiệp, chăn nuôi, nuôi trồng thủy sản), y tế, thương mại dịch vụ, bưu
chính viễn thông, thanh toán điện tử.... Riêng ở Việt Nam, công nghệ RFID cũng đã
được triển khai cùng với xu hướng chung của thế giới; Việt Nam đang nghiên cứu
và từng bước ứng dụng công nghệ này.
Để triển khai công nghệ RFID trong các ứng dụng lớn, các đầu đọc RFID
thường được tích hợp với một mạng cảm biến (Sensor Network) để có thể truyền tải
dữ liệu đọc được từ các đầu đọc RFID về máy chủ trung tâm để xử lý. Do đó, một
trong những vấn đề quan trọng của một hệ thống mạng RFID là vấn đề định tuyến
hiệu quả năng lượng. Mục tiêu của nghiên cứu các kỹ thuật định tuyến hiệu quả
năng lượng trong mạng RFID là nhằm tiết kiệm tối đa nguồn năng lượng của hệ
thống, từ đó tăng thời gian sống của mạng và đó chính là lý do tôi chọn đề tài “Tìm
hiểu một số kỹ thuật định tuyến hiệu quả năng lượng trong mạng RFID”.
 Mục tiêu nghiên cứu
- Tìm hiểu các kiến thức cơ bản về hệ thống RFID tích hợp với mạng cảm biến

không dây.
- Nghiên cứu một số kỹ thuật định tuyến năng lượng hiệu quả trong mạng
RFID.
- Mô phỏng và phân tích đánh giá kết quả các kỹ thuật đã tìm hiểu.

1


 Cấu trúc luận văn
Cấu trúc luận văn bao gồm: phần mở đầu, ba chƣơng nội dung, phần kết luận
và tài liệu tham khảo, trong đó:
Chương 1 - Tổng quan về công nghệ RFID, giới thiệu tổng quan hệ thống
mạng RFID, các thành phần và phương thức hoạt động của hệ thống mạng RFID,
tìm hiểu mạng cảm biến không dây, RFID tích hợp với mạng cảm biến không dây.
Chương 2 - Tìm hiểu 2 kỹ thuật định tuyến hiệu quả năng lượng trọng mạng
RFID là: EECBR và NTP.
Chương 3 - Mô phỏng và phân tích kết quả, xây dựng các kịch bản mô phỏng
và phân tích đánh giá các kết quả mô phỏng.
Phần kết luận và hướng phát triển của đề tài.

2


CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG TÍCH HỢP RFID VÀ
MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY

RFID là công nghệ nhận dạng đối tượng bằng sóng vô tuyến. Công nghệ này
cho phép nhận biết các đối tượng thông qua hệ thống thu phát sóng radio, từ đó có
thể giám sát, quản lý hoặc lưu vết từng đối tượng. Một hệ thống RFID thường bao
gồm 2 thành phần chính là thẻ tag (chip RFID chứa thông tin) và đầu đọc (reader)

đọc các thông tin trên thẻ.
Ban đầu, RFID được ứng dụng trong lĩnh vực quân sự. Trong thế chiến thứ II,
quân đội các nước Mỹ, Nga, Đức,… đã ứng dụng công nghệ RFID để xác định máy
bay trên không phận mình là bạn hay kẻ thù vì vậy nó còn có tên là IFF (Identify
Friend or Foe). Tuy nhiên, mãi đến những năm 80 nó mới được bắt đầu ứng dụng
trong lĩnh vực thương mại. Từ năm 1990 đến nay, RFID vẫn được chú trọng phát
triển trong nhiều lĩnh vực như hàng không, quốc phòng cho đến lĩnh vực kiểm kê,
kiểm soát hàng hóa, kiểm soát động vật, giao thông (thẻ trả tiền tàu xe, hoặc gắn
vào lốp xe để đánh giá điều kiện đường xá,…), quản lý việc truy cập hệ thống và
bảo mật, quản lý nhân viên, dược phẩm, siêu thị, thư viện...
Bên cạnh công nghệ RFID, mạng cảm biến không dây (Wireless Sensor
Network – WSN) cũng đang phát triển mạnh mẽ. Một mạng cảm biến bao gồm một
số lượng lớn các nút cảm biến có thể được triển khai trên mặt đất, trong không
trung, trong xe, bên trong tòa nhà, hoặc thậm chí trên cơ thể người. Hiện nay có
nhiều nghiên cứu đang cố gắn kết hợp hai công nghệ RFID và WSN lại với nhau
nhằm mở rộng và nâng cao khả năng của hệ thống.
Trong chương này sẽ giới thiệu tổng quan về hai công nghệ RFID và WSN và
mô hình tích hợp RFID và WSN.

3


2.1

GIỚI THIỆU CÔNG NGHỆ RFID
Không giống như công nghệ mã vạch, công nghệ RFID cho phép nhận dạng

đối tượng đã được gắn thẻ bằng sóng vô tuyến không cần tiếp xúc trực tiếp ở
khoảng cách xa, không thực hiện bất kỳ giao tiếp vật lý nào. Các thẻ RFID hỗ trợ
một bộ mã số ID (Indentity) lớn hơn nhiều so với mã vạch. Các hệ thống có thể

phân biệt được nhiều thẻ khác nhau nằm trong cùng khu vực mà không cần sự hỗ
trợ của con người. Vì thế công nghệ này là một phương pháp của tự động nhận dạng
và thu thập dữ liệu AIDC.
2.1.1 Lịch sử phát triển của công nghệ RFID
2.1.1.1 Thời kỳ đầu của công nghệ RFID
Vào những năm 1930, Lục quân (Army) và Hải quân (Navy) thuộc Quân đội
Hoa Kỳ gặp phải những thử thách khi xác định những mục tiêu trên mặt đất, trên
biển và trên bầu trời. Đến năm 1937 phòng nghiên cứu Naval U.S phát triển hệ
thống xác định IFF (Identification Friend or Foe) cho phép những đối tượng thuộc
về quân ta có thể phân biệt với quân địch. Từ đó, công nghệ này trở nên phổ biến
trong hệ thống điều khiển không lưu vào cuối thập niên 50. Những ứng dụng của
sóng RF trong việc xác định vật thể trong suốt thập niên 50 giới hạn chủ yếu trong
quân đội, trong phòng nghiên cứu, trong các doanh nghiệp lớn bởi vì những thiết bị
này có giá rất cao và kích thước lớn.

Hình TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG TÍCH HỢP RFID VÀ MẠNG CẢM BIẾN
KHÔNG DÂY.1 Những mốc quan trọng trong thời kỳ đầu của công nghệ RFID
4


2.1.1.2 Thời kỳ phát hiện các vật thể riêng biệt
Trong suốt thập kỷ 70, công nghiệp sản xuất, vận chuyển bắt đầu nghiên cứu
và phát triển những dự án để tìm cách dùng IC (Intergated Circuit) dựa trên công
nghệ RFID. Có nhiều ứng dụng trong công nghiệp tự động, xác định vật nuôi, theo
dõi lưu thông. Trong thời kỳ này thẻ có IC tiếp tục phát triển và có các đặc tính bộ
nhớ ghi được, tốc độ đọc nhanh hơn và khoảng cách đọc xa hơn.
Vào đầu thập niên 80, công nghệ RFID được sử dụng vào việc giám sát các
đường ray ở Mỹ, đánh dấu vật nuôi các nông trại ở Châu Âu. Ngoài ra, nó còn được
dùng trong nghiên cứu động vật hoang dã, chẳng hạn đánh dấu các loài nguy hiểm,
các loài có nguy cơ tuyệt chủng.

Đến thập niên 90, công nghệ RFID trở nên phổ biến và được sử dụng nhiều
trong thu phí điện tử ở các nước: Ý, Tây Ban Nha, Bồ Đào Nha, Mỹ,… Những hệ
thống này cung cấp những dạng truy cập điều khiển phức tạp hơn bởi vì nó còn bao
gồm cả máy trả tiền. Cùng vào thời điểm này, khóa thẻ (RFID card) sử dụng phổ
biến thay thế cho các thiết bị máy móc điều khiển truy cập truyền thống như khóa
kim loại và khóa số. Những sản phẩm này còn được gọi là thẻ thông minh không
tiếp xúc cung cấp thông tin về người dùng, trong khi giá thành thấp để sản xuất và
lập trình.

Hình TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG TÍCH HỢP RFID VÀ MẠNG CẢM BIẾN
KHÔNG DÂY.2 Những mốc quan trọng từ năm 1960 đến 1990

5


2.1.1.3 Thời kỳ công nghệ RFID phát triển trên phạm vi toàn cầu
Cuối thế kỉ 20, công nghệ RFID bắt đầu phát triển mạnh trên phạm vi toàn
cầu. Dưới đây là một số bước tiến quan trọng góp phần đẩy mạnh sự phát triển này.
Vào những năm 1970, các nước Châu Âu đã bắt đầu sử dụng công nghệ RFID,
công ty EM Microelectronic Marin đã thiết kế mạch tích hợp năng lượng thấp cho
những đồng hồ của Thụy Sỹ. Năm 1982 Mikron Integrated Microelectronics phát
minh ra công nghệ ASIC (Application Specific Integrated Circuits) và năm 1987
phát triển công nghệ đặc biệt liên quan đến việc xác định thẻ thông minh. Ngày nay
EM Microelectronic Marin và Philips Semiconductors là hai nhà sản xuất hàng đầu
ở châu Âu về lĩnh vực RFID.
Năm 1991, Texas Instrument đã đi tiên phong trong công nghệ RFID ở Mỹ,
công ty đã tạo ra một hệ thống xác nhận và đăng ký Texas Instrument. Hệ thống
TIRFID (Texas Instruments Radio Frequency Identification System) đã trở thành
nền tảng cho phát triển và thực hiện những lớp mới của ứng dụng công nghệ RFID.
Đầu năm 2000 các nhà phân phối như Wal-Mart, Target, Metro Group và các

cơ quan chính phủ như U.S. Department of Defense bắt đầu phát triển và yêu cầu
việc sử dụng công nghệ RFID bởi nhà cung cấp. Vào thời điểm này EPCglobal
được thành lập, EPCglobal đã hỗ trợ hệ thống mã sản phẩm điện tử EPC (Electronic
Product Code) hệ thống này trở thành tiêu chuẩn cho xác nhận sản phẩm tự động.

Hình TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG TÍCH HỢP RFID VÀ MẠNG CẢM BIẾN
KHÔNG DÂY.3 Những mốc quan trọng từ năm 1990 đến nay
6


Ngày nay, công nghệ RFID được ứng dụng rất rộng rãi trong các lĩnh vực như:
cải tiến quá trình hoạt định và điều hành dây chuyền cung ứng cho các nhà sản xuất;
tăng hiệu quả trong kinh doanh và hạn chế mất cắp đối với các nhà bán lẻ; quản lý
dụng cụ, tránh thay nhầm dụng cụ và theo dõi xem các dụng cụ làm việc như thế
nào đối với các cửa hàng bán máy móc; kiểm soát lối ra vào ở các tòa nhà; nhận
dạng nguồn gốc vật nuôi, theo dõi tránh thất lạc và bị đánh cắp cho các trang trại;
xác định thông tin mã số series, nguồn gốc sản phẩm, kiểm soát được sản phẩm
nhập xuất cho các ngành công nghiệp; quản lý bạn đọc, quản lý sách, giúp giảm
thời gian tìm kiếm, kiểm kê và chống đƣợc tình trạng mất sách ngành như viện; lưu
trữ thông tin bệnh nhân trong ngành y khoa. Ngoài ra, công nghệ RFID còn xác
định vị trí, theo dõi, xác thực sự đi lại của mọi người giúp nâng cao an ninh ở biên
giới và cửa khẩu như mô hình hệ thống quản lý bằng RFID tại sân bay đƣợc DHS
(hội an ninh quốc gia Mỹ) áp dụng từ 1/2005. Tại Mỹ từ tháng 10/2006 và tại Anh,
Đức, Trung Quốc từ 2008, hộ chiếu và CMND gắn chip RFID lƣu các thông tin
như tên tuổi, quốc tịch, giới tính, ngày tháng năm sinh, nơi sinh, ảnh số… của người
sử dụng đã được áp dụng.
2.1.2 Các thành phần của hệ thống RFID
Trong hệ thống RFID, kỹ thuật truyền thông không dây trong dãy tần số vô
tuyến được sử dụng để truyền dữ liệu từ các thẻ đến đầu đọc. Trên thẻ có thể được
gắn vi chip, ăng-ten và được đính kèm vào đối tượng được nhận dạng như sản

phẩm, xe ôtô. Thẻ được đầu đọc nhận dạng và lấy thông tin, sau đó thông tin có thể
chuyển tiếp đến một phần mềm ứng dụng trên máy tính (Hình 1.4).
Một hệ thống RFID bao gồm các thành phần như bộ tiếp sóng (transponder
hay thẻ RFID), bộ thu phát (transceiver hay đầu đọc RFID), ngày nay đầu đọc đã
được trang bị sẵn an-ten và máy chủ hay hệ thống phần mềm, về mặt lý thuyết một hệ
thống RFID hoạt động độc lập không cần thành phần này, nhưng thực tế hệ thống
RFID gần như không còn ý nghĩa nếu không có thành phần này.

7


Hình TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG TÍCH HỢP RFID VÀ MẠNG CẢM BIẾN
KHÔNG DÂY.4 Các thành phần của hệ thống RFID
2.1.2.1 Thẻ RFID
Thẻ RFID là một thiết bị có thể lưu trữ và truyền dữ liệu đến đầu đọc trong
môi trường không tiếp xúc bằng sóng vô tuyến. Thông thường mỗi thẻ RFID có một
cuộn dây hoặc ăng-ten (Antenna), một số thẻ có gắn vi chíp (microchip) và nguồn
năng lượng riêng.
Vi chip dùng để lưu trữ thông tin, bộ nhớ của chip có thể chứa tới 96 bit đến
512 bit gấp 64 lần so với mã vạch, mỗi chíp lưu trữ một mã số là duy nhất. Dựa trên
chức năng của vi chip, các thẻ RFID có thể được phân loại là read-only (chỉ đọc),
read-write (đọc-ghi), write-once-read-many (đọc một lần và ghi nhiều lần).
Ăng-ten được gắn với vi mạch truyền thông tin từ vi chip đến đầu đọc, phạm
vi đọc và truyền dữ liệu phụ thuộc vào độ lớn ăng-ten.
Nguồn năng lượng (pin) được tích hợp vào thẻ RFID để cung cấp năng lượng
hoạt động cho thẻ. Dựa trên nguồn năng lượng, các thẻ RFID có thể được phân làm
ba loại chính là chủ động (active), thụ động (passive) và bán thụ động (semi-passive
hay sime-active).
Các thẻ chủ động có một nguồn năng lượng bên trong để phát tín hiệu liên tục
và truyền dữ liệu cho đầu đọc mà không cần nguồn năng lượng từ đầu đọc, đối với

loại thẻ này trong quá trình truyền giữa thẻ và đầu đọc, thẻ luôn truyền trước, do sử
dụng nguồn năng lượng riêng nên khoảng cách đọc và bộ nhớ của thẻ chủ động lớn
hơn nhiều so với thẻ thụ động. Thành phần bên trong gồm bộ vi mạch, cảm biến và
các cổng vào/ra được cấp nguồn từ nguồn năng lượng. Hiện nay trên thị trường có
hai loại thẻ chủ động là Transponder và Beacons. Transponder RFID chủ động chỉ
8


truyền thông tín hiệu tức thì khi nó ở trong vùng phát sóng của đầu đọc do đó nó
duy trì được tuổi thọ pin. Đối với Beacons RFID chủ động sẽ truyền thông tin nhận
dạng theo một chu kỳ thời gian được người sử dụng thiết đặt và đầu đọc sẽ xác định
vị trí của thẻ đó.

Hình TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG TÍCH HỢP RFID VÀ MẠNG CẢM BIẾN
KHÔNG DÂY.5 Các thành phần của thẻ chủ động
Các thẻ thụ động không có nguồn năng lượng riêng bên trong. Thẻ thụ động
có cấu trúc đơn giản gồm duy nhất một vi chip và một ăng-ten; do đó nó có tuổi thọ
cao và chịu được điều kiện môi trường khắc nhiệt. Đối với loại thẻ này khi thẻ và
đầu đọc truyền thông với nhau thì đầu đọc luôn truyền trước rồi mới đến thẻ. thẻ
RFID thụ động sẽ chờ kích hoạt bởi sóng tương tác từ đầu đọc RFID khi thẻ trong
vùng phủ sóng; ăng-ten của thẻ có được nguồn năng lượng từ sóng này. Khi chip
được nạp năng lượng nó sẽ tiến hành truyền phát tín hiệu. Do không có nguồn năng
lượng riêng nên khoảng cách đọc và bộ nhớ của thẻ sẽ thấp hơn so với thẻ chủ động
nhưng bù lại có những đặc điểm nỗi trội hơn như kích thước nhỏ gọn hơn. Một số
thẻ được sản xuất có thể mỏng chỉ bằng một vài tờ giấy và giá thành rẽ hơn nhiều so
với thẻ chủ động. Thẻ thông minh (smart card) là một loại thẻ RFID thụ động và
được sử dụng trong nhiều lĩnh vực ngày nay.

9

Hình TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG TÍCH HỢP RFID VÀ MẠNG CẢM BIẾN
KHÔNG DÂY.6 Các thành phần của thẻ thụ động
- Các thẻ bán thụ động có nguồn năng lượng bên trong, nhưng nguồn năng
lượng này chỉ được sử dụng để hỗ trợ cho việc lưu trữ dữ liệu. Trong quá trình
truyền dữ liệu giữa thẻ và đầu đọc thì thẻ bán thụ động vẫn sử dụng nguồn năng
lượng từ đầu đọc. Đối với loại thẻ này, trong quá trình truyền dữ liệu thì đầu đọc
luôn truyền trước rồi đến thẻ; tuy nhiên nó không sử dụng tín hiệu của đầu đọc như
thẻ thụ động, nó tự kích hoạt, do đó thẻ bán thụ động có thể đọc ở khoảng cách xa
hơn thẻ thụ động.

Hình TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG TÍCH HỢP RFID VÀ MẠNG CẢM BIẾN
KHÔNG DÂY.7 Các thành phần của thẻ bán thụ động

10


Hình TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG TÍCH HỢP RFID VÀ MẠNG CẢM BIẾN
KHÔNG DÂY.8 Một số dạng thẻ thông dụng của ứng dụng RFID
Dựa vào sự khác nhau giữa các loại thẻ người sử dụng lựa chọn loại thẻ phù
hợp với mục đích sử dụng, Error: Reference source not found cho thấy sự khác
nhau cơ bản của các loại thẻ nói trên.
Bảng TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG TÍCH HỢP RFID VÀ MẠNG CẢM BIẾN
KHÔNG DÂY.1 Bảng so sánh sự khác nhau của các loại thẻ
Đặc điểm

Thẻ chủ

Thể thụ

Thẻ bán thụ

động

động

động

Năng lượng riêng để truyền dữ liệu

Có

Không

Không

Năng lượng riêng cho chip

Có

Không

Có

Phạm vi đọc

Xa

Ngắn

Trung bình

Chi phí thẻ

Cao

Thấp

Trung bình

2.1.2.2Đầu đọc RFID
Đầu đọc RFID là một thiết bị để đọc và ghi dữ liệu lên thẻ. Hai khối chức
năng chính của đầu đọc là: giao diện HF (High Frequency) và đơn vị điều khiển
(Control Unit) với bộ phát và bộ thu.
Các nhiệm vụ của giao diện HF:

11




HF chuyển tiếp năng lượng để kích hoạt thẻ và cung cấp năng lượng cần
thiết cho thẻ.



Truyền tín hiệu đã được điều biến để chuyển dữ liệu đến thẻ.



Giải mã tín hiệu HF nhận được từ thẻ.

Như được chỉ ra trong Hình 1.8, có hai cách truyền dữ liệu độc lập: gửi dữ liệu
đến thẻ và nhận dữ liệu từ thẻ. Dữ liệu được truyền đến thẻ bởi máy phát. Ngược
lại, dữ liệu nhận được từ thẻ bởi máy thu.
Các nhiệm vụ của đơn vị điều khiển:
- Giao tiếp với phần mềm ứng dụng và thực thi các lệnh của nó.
- Kiểm soát giao tiếp giữa đầu đọc và thẻ.
- Mã hóa và giải mã tín hiệu.
Đầu đọc RFID
Đơn vị
điều khiển

Ứng dụng

Truyền
dữ liệu

Nhận
dữ liệu

Thẻ

HF

Hình TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG TÍCH HỢP RFID VÀ MẠNG CẢM BIẾN
KHÔNG DÂY.9 Sơ đồ thể hiện các đơn vị chính của đầu đọc
2.1.3 Ứng dụng công nghệ RFID
Công nghệ RFID có một số ứng dụng sau:
- Trong quản lý thu phí đường bộ tự động, với tần số 900 Mhz và 2.45 Ghz

cho phép đọc dữ liệu từ thẻ RFID ở khoảng cách xa (vài mét đến vài chục mét) và
lướt rất nhanh qua đầu đọc đã mở ra khả năng ứng dụng hiệu quả vào việc thu phí
giao thông đường bộ tự động, khi các xe không phải dừng lại mua vé như truyền
thống mà chỉ cần gắn thẻ RFID trên xe, khi chạy qua đầu đọc sẽ tự nhận dạng và trừ
12


phí tự động. Việc này giúp xe cơ giới lưu thông thuận tiện và tránh kẹt xe tại các
điểm thu phí, cũng như thất thoát từ việc thu phí theo truyền thống.
- Trong hệ thống bán lẻ, cửa hàng bán lẻ sử dụng RFID để đảm bảo an toàn
cho hàng hóa và kiểm tra hàng hóa. Các bộ phận vận chuyển sử dụng RFID để theo
dõi kiện hàng trong nhà kho và trong suốt quá trình vận chuyển. Thẻ RFID, có thể
đính lên bất cứ sản phẩm nào, từ vỏ hộp đồ uống, đế giày, cho đến trục ôtô. Các
công ty chỉ việc sử dụng máy tính để quản lý các sản phẩm từ xa. RFID có thể thay
thế kỹ thuật mã vạch hiện nay do RFID không chỉ có khả năng xác định nguồn gốc
sản phẩm mà còn cho phép nhà cung cấp và đại lý bán lẻ biết chính xác hơn thông
tin những mặt hàng trên quầy và trong kho của họ.
- Trong Bưu Chính Viễn Thông, các công ty bưu chính viễn thông sử dụng
RFID để giám sát các bưu phẩm được vận chuyển quốc tế giữa các trung tâm bưu
chính với nhau. Họ có thể giám sát thời gian vận chuyển các bưu phẩm có gắn thẻ
RFID, điều đó giúp quản lý và giải quyết các vấn đề một cách nhanh gọn, tiết kiệm.
- Trong lĩnh vực an ninh, quyền ra vào cho mọi người được lưu trữ và mỗi
người được kết nối với một con số. Con số này được lưu trên thẻ RFID. Nếu hệ
thống kiểm soát ra vào lấy thông tin từ đầu đọc thẻ, nó sẽ tìm kiếm trong cơ sở dữ
liệu để kiểm tra xem người này có quyền vào hay không. Nếu có, hệ thống sẽ gửi
tín hiệu tới cửa khiến nó có thể mở ra được.
2.2

MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY
Mạng cảm biến không dây (WSN) có thể hiểu đơn giản là mạng liên kết các

nút với nhau bằng kết nối sóng vô tuyến, trong đó các nút mạng thường là các thiết
bị đơn giản, nhỏ gọn, giá thành thấp… và có số lượng lớn, được phân bố một cách
không có hệ thống trên một diện tích rộng, sử dụng nguồn năng lượng hạn chế và có
thể hoạt động trong môi trường khắc nghiệt (chất độc, ô nhiễm, nhiệt độ cao…).
2.2.1 Đặc điểm của mạng cảm biến
- Có khả năng tự tổ chức, yêu cầu rất ít hoặc thậm chí không có sự can thiệp
của con người.
- Truyền thông không chắc chắn, dựa trên định tuyến đa chặng.
13


- Các nút cảm biến được triển khai dày đặc và có khả năng kết nối với nhau.
- Bị giới hạn về mặt năng lượng, bộ nhớ và khả năng tính toán.
- Hoạt động được trong các môi trường khắc nghiệt.
2.2.2 Cấu trúc của một nút mạng cảm biến
Các nút mạng cảm biến phải thỏa mãn một số yêu cầu nhất định tùy theo ứng
dụng: Chúng phải có kích thước nhỏ, giá thành rẻ, hoạt động hiệu quả về năng
lượng, có các thiết bị cảm biến chính xác có thể cảm nhận, thu thập các thông số
môi trường, có khả năng tính toán và có bộ nhớ đủ để lưu trữ, và phải có khả năng
thu phát sóng để truyền thông với các nút lân cận. Mỗi nút cảm biến được cấu
thành bởi 4 thành phần cơ bản, như ở Hình 1.9, bộ cảm biến (sensing unit), bộ xử
lý (a processing unit), bộ thu phát (a transceiver unit) và bộ nguồn (a power unit).
Ngoài ra có thể có thêm những thành phần khác tùy thuộc vào từng ứng dụng như là
hệ thống định vị (location finding system), bộ phát nguồn (power generator) và bộ
phận di động (mobilizer)

Hình TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG TÍCH HỢP RFID VÀ MẠNG CẢM BIẾN
KHÔNG DÂY.10 Các thành phần của một nút cảm biến
2.2.3 Cấu trúc của mạng cảm biến

Vì giao tiếp không dây là kĩ thuật chính, giao tiếp trực tiếp giữa hai nút sẽ có
nhiều hạn chế do khoảng cách hay các vật cản. Đặc biệt là khi nút phát và nút thu
cách xa nhau thì cần công suất phát lớn.Vì vậy cần các nút trung gian làm nút

14


chuyển tiếp để giảm công suất tổng thể. Do vậy các mạng cảm biến không dây cần
phải dùng giao tiếp đa chặng (multihop).
Mạng cảm biến bao gồm rất nhiều các nút cảm biến được phân bố trong một
trường cảm biến như Hình 1.10. Mỗi một nút cảm biến có khả năng thu thập dữ liệu
và định tuyến lại đến các nút sink1. Dữ liệu được định tuyến lại đến các sink bởi một
cấu trúc đa điểm. Các sink có thể giao tiếp với các nút quản lý nhiệm vụ (task
manager node) qua mạng Internet hoặc vệ tinh.
Thiết bị thu
phát (nút sink)

Internet

Nút quản lý
tác vụ
Người dùng

Nút cảm biến
Trường cảm biến

Hình TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG TÍCH HỢP RFID VÀ MẠNG CẢM BIẾN
KHÔNG DÂY.11 Cấu trúc của mạng cảm biến
2.2.4 Các ứng dụng của mạng cảm biến không dây
Mạng cảm biến không dây cung cấp rất nhiều các ứng dụng hữu ích ở nhiều

lĩnh vực trong cuộc sống. Sau đây là một số ứng dụng nổi trội:
- Trong thu thập dữ liệu môi trường, số lượng lớn các nút thu thập dữ liệu
một cách liên tục từ môi trường và chuyển chúng tới trạm cơ sở.
- Trong quản lý chuỗi cung ứng, hiệu quả xử lý được cải thiện bởi việc ứng
dụng WSN trong chuỗi cung ứng. Cảm biến có thể theo dõi nhiệt độ cần được duy
trì của các sản phẩm. Nút của mỗi sản phẩm có thể giao tiếp với các nút khác. Hơn
nữa, các nút thông minh có thể phát hiện các loại sản phẩm có khả năng ảnh hưởng
tiêu cực đến các sản phẩm khác.

1

Nút sink là trạm cơ sở (Base Station-BS) thường được sử dụng như một phần trung tâm để thu thập
thông tin từ các nút.

15


- Trong giám sát an ninh, các nút được cố định ở một vị trí nhất định và liên
tục kiểm tra tình trạng của các cảm biến. Các nút sẽ gửi dữ liệu báo cáo chỉ khi có
các trường hợp vi phạm an ninh xuất hiện.
- Trong các ứng dụng y tế, tình trạng thể chất của các bệnh nhân trong bệnh
viện có thể được theo dõi bằng cách sử dụng các mạng cảm biến không dây.
2.2.5 Phân biệt giữa RFID và mạng cảm biến không dây
Hầu hết các ứng dụng của mạng cảm biến không dây là trong việc giám sát
các đối tượng và nhận biết các điều kiện môi trường. Ngược lại, RFID được sử
dụng để phát hiện sự hiện diện và vị trí của các đối tượng. Trong mạng cảm biến
không dây, việc gửi dữ liệu từ các nút và chuyển dữ liệu đến nút sink được thực
hiện thông qua các nút chuyển tiếp. Nói cách khác, các mạng cảm biến không dây là
các mạng đa chặng (multi-hop), trong khi đó hệ thống RFID là đơn chặng (singlehop). Firmware của các nút trong mạng cảm biến không dây có thể được lập trình
một cách dễ dàng, nhưng đối với hầu hết các đầu đọc RFID thì không thể được lập

trình bởi người dùng.
Bảng TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG TÍCH HỢP RFID VÀ MẠNG CẢM BIẾN
KHÔNG DÂY.2 Sự khác nhau giữa WSN và RFID
Các thuộc tính

WSN

Hệ thống RFID

Nhận biết các tham số môi trường
Mục đích

hoặc cung cấp thông tin về tình Phát hiện sự hiện diện của
trạng của các đối tượng được gắn các đối tượng được gắn thẻ
thẻ

Thành phần

Các nút cảm biến, các nút chuyển
tiếp, các nút sink

Các thẻ và các đầu đọc

Giao thức

Zigbee, Wi-Fi

Các chuẩn RFID

Truyền thông

Đa chặng

Đơn chặng

Khả năng di

Các nút cảm biến thường là cố định

Các thẻ di chuyển cùng các

16


Các thuộc tính

WSN

Hệ thống RFID

động

đối tượng được gắn vào
Tùy theo loại thẻ, được tích

Cung cấp năng

Tích hợp pin để cung cấp năng hợp pin đối với thể chủ

lượng

lượng

động, bán thụ động, và
không đối với thẻ bị động

Khả năng lập
trình

Có thể lập trình

được lập trình bởi người
dùng

Giá

Triển khai

2.3

Thông thường là không thể

Nút cảm biến: trung bình

Đầu đọc: đắt

Nút sink: đắt

Thẻ: rẻ
Cố định, thường phải sắp

Ngẫu nhiên hoặc cố định

xếp cẩn thận

TÍCH HỢP RFID VÀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY
Tích hợp giữa RFID và mạng cảm biến không dây có thể được phân làm 4 loại

chính (Hình 1.12): tích hợp thẻ RFID với cảm biến, tích hợp các thẻ RFID với các
nút WSN, tích hợp các đầu đọc RFID với các nút WSN, tích hợp các thành phần
RFID với các nút WSN.

Cảm
biến

Nút
WSN

Nút
WSN

Thẻ
RFID

Đầu
đọc
RFID

Thẻ RFID

Tích hợp
các thành
phần
RFID với
các nút
WSN

Hình TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG TÍCH HỢP RFID VÀ MẠNG CẢM BIẾN
17


KHÔNG DÂY.12 Bốn loại tích hợp RFID với WSN
2.3.1 Tích hợp thẻ RFID với cảm biến
Loại tích hợp này cho phép thêm vào các hệ thống RFID khả năng cảm biến
(Hình 1.13). Các thẻ RFID được tích hợp các cảm biến (được gọi là thẻ cảm biến)
sử dụng cùng giao thức và cơ chế của công nghệ RFID để đọc ID của thẻ, cũng như
để thu thập dữ liệu cảm nhận được. Bởi vì các cảm biến tích hợp bên trong các thẻ
RFID chỉ được sử dụng với mục đích cảm biến, do đó các giao thức hiện tại của các
thẻ RFID cũng dựa trên truyền thông đơn chặng, hay nói cách khác là các thẻ không
có khả năng giao tiếp với nhau.
Thẻ tích
hợp cảm
biến
Đầu đọc
Trạm cơ sở

Hình TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG TÍCH HỢP RFID VÀ MẠNG CẢM BIẾN
KHÔNG DÂY.13 Kiến trúc tích hợp thẻ RFID với cảm biến
2.3.2 Tích hợp các thẻ RFID với các nút WSN
Khả năng giao tiếp của các thẻ cảm biến là rất hạn chế. Một giải pháp được sử

dụng là tích hợp thẻ RFID với các nút WSN (Hình 1.14). Trong trường hợp này, thẻ
có thể giao tiếp với các thiết bị không dây và với các thẻ khác, nó có khả năng hoạt
động tương tự như các nút trong các mạng ngang hàng. Loại tích hợp này không
những có thể tương thích với các tiêu chuẩn của RFID, mà chúng cũng có thể có
giao thức riêng của chúng. Mỗi thẻ có thể giao tiếp với các thẻ khác dựa trên giao
thức mạng ngang hàng. Thông tin của một nút (thẻ) có thể được gửi đến các nút
khác. Nó được thiết kế để theo dõi các điều kiện của môi trường xung quanh hoặc
có thể được sử dụng trong các xe chở hóa chất. Trong một tình huống quan trọng,
báo động được bật, các hóa chất có thể phản ứng với nhau sẽ được tách ra xa nhau.
18