Tìm hiểu một số kỹ thuật ước tính thẻ dựa trên giao thức DFSA trong hệ thống RFID

MỤC LỤC
Trang
LỜI CAM ĐOAN.....................................................................................................i
LỜI CẢM ƠN..........................................................................................................ii
MỤC LỤC............................................................................................................... iii
DANH MỤC BẢNG................................................................................................v
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ................................................................vi
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT...............................................viii
MỞ ĐẦU..................................................................................................................1
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ RFID VÀ TÍCH HỢP RFID VỚI MẠNG
CẢM BIẾN KHÔNG DÂY.....................................................................................3
1.1. GIỚI THIỆU RFID.........................................................................................3
1.1.1. Các thành phần của hệ thống RFID.........................................................4
1.1.2. Chuẩn EPC...............................................................................................8
1.1.3. Giao thức ALOHA...................................................................................9
1.1.4. Ứng dụng công nghệ RFID....................................................................10
1.2. MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY.............................................................11
1.2.1. Đặc điểm của mạng cảm biến................................................................11
1.2.2. Cấu trúc của một nút mạng cảm biến.....................................................11
1.2.3. Cấu trúc của mạng cảm biến..................................................................12
1.2.4. Các ứng dụng của mạng cảm biến không dây........................................13
1.3. SỰ KHÁC NHAU GIỮA RFID VÀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY...13
1.4. TÍCH HỢP RFID VÀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY..........................14
1.4.1. Tích hợp thẻ RFID với cảm biến............................................................15
1.4.2. Tích hợp các thẻ RFID với các nút WSN...............................................15
1.4.3. Tích hợp các đầu đọc RFID với các nút WSN.......................................16
1.4.4. Tích hợp các thành phần RFID với các nút WSN..................................17
1.5. TIỂU KẾT CHƯƠNG 1...............................................................................18
CHƯƠNG 2. MỘT SỐ KỸ THUẬT ƯỚC TÍNH THẺ DỰA TRÊN GIAO
THỨC DFSA TRONG HỆ THỐNG RFID..........................................................19

1


2.1. GIAO THỨC FSA VÀ XUNG ĐỘT............................................................19
2.1.1. Giao thức BFSA.....................................................................................21
2.1.2. Giao thức DFSA....................................................................................24
2.2. KỸ THUẬT EDFSA.....................................................................................32
2.2.1. Ý tưởng..................................................................................................32
2.2.2. Kích thước khung và chia nhóm trong EDFSA......................................33
2.2.3. Giải thuật...............................................................................................35
2.2.4. Ưu điểm và nhược điểm.........................................................................38
2.3. KỸ THUẬT 2CTE........................................................................................39
2.3.1. Ý tưởng..................................................................................................39
2.3.2. Giải thuật...............................................................................................39
2.3.3. Ưu điểm và nhược điểm.........................................................................44
2.4. KỸ THUẬT DPTE.......................................................................................45
2.4.1. Ý tưởng..................................................................................................45
2.4.2. Tham số tích lũy.....................................................................................45
2.4.3. Phân tích các trường hợp xung đột.........................................................46
2.4.4. Giải thuật...............................................................................................47
2.4.5. Ưu điểm và nhược điểm.........................................................................51
2.5. SO SÁNH CÁC KỸ THUẬT ƯỚC TÍNH THẺ...........................................52
2.6. TIỂU KẾT CHƯƠNG 2...............................................................................52
CHƯƠNG 3. CÀI ĐẶT MÔ PHỎNG VÀ PHÂN TÍCH KẾT QUẢ.................53
3.1. MÔI TRƯỜNG MÔ PHỎNG.......................................................................53
3.2. KỊCH BẢN MÔ PHỎNG.............................................................................53
3.3. TIỂU KẾT CHƯƠNG 3...............................................................................62
KẾT LUẬN............................................................................................................63
 Kết luận............................................................................................................63
 Hướng phát triển của đề tài..............................................................................63

TÀI LIỆU THAM KHẢO.....................................................................................64

2


DANH MỤC BẢNG
Trang
Bảng 1.1. Bảng so sánh sự khác nhau của các loại thẻ..............................................7
Bảng 1.2. Bảng mô tả vị trí bit của chuẩn EPC GID-96............................................9
Bảng 1.3. Sự khác nhau giữa RFID và WSN...........................................................14
Bảng 2.1. Ngưỡng trên và ngưỡng dưới để kích thước khung tối ưu.......................28
Bảng 2.2. Số thẻ chưa đọc so với kích thước khung tối ưu và số nhóm...................35
Bảng 2.3. Các trường hợp xung đột.........................................................................46
Bảng 2.4. So sánh ưu điểm, nhược điểm của các giao thức và kỹ thuật ước tính thẻ
........................................................................................................................52
Bảng 3.1. Kích thước khung ban đầu của mỗi kỹ thuật...........................................54
Bảng 3.2. Số thẻ thực đưa vào vùng phủ sóng của đầu đọc.....................................54

3


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
Trang
Hình 1.1. Các thành phần của hệ thống RFID...........................................................4
Hình 1.2. Các thành phần của thẻ chủ động...............................................................5
Hình 1.3. Các thành phần của thẻ thụ động...............................................................6
Hình 1.4. Các thành phần của thẻ bán thụ động.........................................................6
Hình 1.5. Một số thẻ thông dụng của các ứng dụng...................................................7
Hình 1.6. Sơ đồ thể hiện các đơn vị chính của đầu đọc.............................................8
Hình 1.7. Các thành phần của một nút cảm biến......................................................12

Hình 1.8. Cấu trúc của mạng cảm biến....................................................................12
Hình 1.9. Bốn loại tích hợp RFID với WSN............................................................15
Hình 1.10. Kiến trúc tích hợp thẻ RFID với cảm biến.............................................15
Hình 1.11. Kiến trúc tích hợp các thẻ RFID với các nút WSN................................16
Hình 1.12. Kiến trúc tích hợp các đầu đọc RFID với các nút WSN.........................17
Hình 1.13. Kiến trúc hệ thống của một cài đặt hỗ trợ tích hợp các thành phần RFID
với các nút WSN.............................................................................................18
Hình 2.1. Phương pháp đọc số ID thẻ của giao thức ALOHA.................................20
Hình 2.2. Phương pháp đọc số ID thẻ của giao thức FSA........................................21
Hình 2.3. Phương pháp đọc số ID thẻ của giao thức BFSA.....................................22
Hình 2.4. Sơ đồ khối giải thuật đọc số ID thẻ của giao thức BFSA.........................23
Hình 2.5. Phương pháp đọc số ID thẻ của giao thức DFSA.....................................25
Hình 2.6. Sơ đồ khối giải thuật đọc số ID thẻ của giao thức DFSA.........................30
Hình 2.7. Sơ đồ khối giải thuật EDFSA...................................................................37
Hình 2.8. Sơ đồ khối giải thuật 2CTE......................................................................42
Hình 2.9. Sơ đồ khối giải thuật DPTE.....................................................................49
Hình 3.1. So sánh giá trị TS với số thẻ cần nhận dạng thay đổi...............................55
Hình 3.2. So sánh giá trị SE với số thẻ cần nhận dạng thay đổi...............................55
Hình 3.3. So sánh giá trị TC với số thẻ cần nhận dạng thay đổi..............................57
Hình 3.4. So sánh giá trị TE với số thẻ cần nhận dạng thay đổi...............................57
4


Hình 3.5. So sánh giá trị NC với số thẻ cần nhận dạng thay đổi..............................58
Hình 3.6. So sánh giá trị NS với số thẻ cần nhận dạng thay đổi..............................59
Hình 3.7. So sánh giá trị E, S, C và F của giao thức DFSA.....................................60
Hình 3.8. So sánh giá trị E, S, C và F của kỹ thuật EDFSA.....................................61
Hình 3.9. So sánh giá trị E, S, C và F của kỹ thuật 2CTE........................................62

5

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT
2CTE

2 Conditional Tag Estimation

AIDC

Automatic Identification and Data Capture

BFSA

Basic Framed Slotted ALOHA

DFSA

Dynamic Framed Slotted ALOHA

DPTE

Dynamic Parameter Tag Estimation

EDFSA

Enhanced Dynamic Framed Slotted ALOHA

EPC

Electronic Product Code

FSA

Framed Sloted ALOHA

HF

High Frequency

ID

Indentity

NC

Number of read cycle

NS

The number of slots used to identify

RF

Radio Frequency

RFID

Radio Frequency Identification

SE

System efficiency

TC

Total number of collision slots

TE

Total number of emty slots

TS

Total number of tag read successful

WSN

Wireless Sensor Network

6


MỞ ĐẦU
 Lý do chọn đề tài
Ngày nay công nghệ nhận dạng đối tượng bằng sóng vô tuyến RFID (Radio
Frequency Identification) có vai trò quan trọng và thay thế mã vạch (Barcode) trong
các lĩnh vực như: quản lý chuỗi cung ứng, phân phối, nông nghiệp, quân sự, y tế,
ngân hàng… Đầu đọc RFID đọc dữ liệu từ các thẻ RFID mà không cần tiếp xúc và
có khả năng đọc nhiều thẻ cùng lúc trong vùng phủ sóng, trong khi các đầu đọc mã
vạch chỉ có thể đọc được một mã vạch tại một thời điểm [11]..

Một hệ thống RFID bao gồm 3 thành phần: các thẻ RFID (Tag), các đầu đọc
RFID (Reader) và thành phần trung gian là một máy chủ để lưu trữ và quản lý dữ
liệu của đầu đọc RFID. Thẻ RFID hay bộ tiếp sóng (transponders) có một ăng-ten
để gửi và nhận dữ liệu. Các thẻ RFID được phân làm ba loại chính: thẻ chủ động
(active), thẻ thụ động (passive) và thẻ bán thụ động (semi-active hay semi-passive).
Đầu đọc hay bộ thu (transceivers) có thể ghi dữ liệu vào thẻ và đọc dữ liệu từ thẻ
gửi đến máy chủ để xử lý [7]., [11]..
Một trong những vấn đề quan trọng nhất của hệ thống RFID là hiệu quả nhận
dạng thẻ. Khi có nhiều thẻ chiếm cùng một kênh truyền thông RF (Radio
Frequency) tại một thời điểm, thì xung đột (collision) sẽ xảy ra, đầu đọc không thể
nhận dạng được dữ liệu của thẻ, điều này dẫn đến hiệu quả nhận dạng thẻ thấp. Một
số giải pháp cho vấn đề này hiện nay như tăng tốc độ truyền dữ liệu bằng cách mở
rộng băng tần hoặc giảm thiểu xung đột. Tuy nhiên, không thể mở rộng băng tần vì
các dải tần số sử dụng bị giới hạn, do đó các kỹ thuật giảm thiểu xung đột được sử
dụng phổ biến. FSA (Framed Sloted ALOHA) là một kỹ thuật dựa trên ALOHA sử
dụng khái niệm khung (Frame). Mỗi khung được chia thành các khe thời gian bằng
nhau. Kích thước khung được xác định bởi đầu đọc. Mỗi thẻ sẽ chọn ngẫu nhiên
một khe, nếu không có xung đột xảy ra, thẻ sẽ không phải truyền dữ liệu trong chu
kỳ kế tiếp. FSA có thể được phân thành hai loại là BFSA (Basic Framed Slotted
ALOHA) dựa trên việc sử dụng kích thước khung cố định và DFSA (Dynamic
1


Framed Slotted ALOHA) dựa trên việc thay đổi kích thước khung.
Trong giao thức DFSA, việc thay đổi kích thước khung chuyển biến theo kết
quả của chu kỳ trước đó như: số khe rỗi, số khe va chạm và khe chỉ có một thẻ. Khi
số lượng thẻ ít, xác suất xung đột thẻ thấp, phương pháp này sẽ đạt hiệu quả. Nhưng
khi số lượng thẻ tăng, xác suất bị xung đột thẻ trở nên cao hơn, do ban đầu khởi tạo
kích thước khung rất nhỏ và đầu đọc không thể tăng kích thước khung liên tục trong
nhiều chu kỳ [2].. Do đó việc ước tính thẻ để xác định kích thước khung tối ưu là

một vấn đề hết sức quan trọng trong hệ thống RFID, nhằm làm giảm xung đột và
tăng hiệu quả của hệ thống. Đó chính là lý do tôi chọn đề tài “Tìm hiểu một số kỹ
thuật ước tính thẻ dựa trên giao thức DFSA trong hệ thống RFID”.
 Mục tiêu nghiên cứu
- Tìm hiểu các kiến thức cơ bản về hệ thống RFID tích hợp với mạng cảm
biến không dây.
- Tìm hiểu một số kỹ thuật ước tính thẻ dựa trên giao thức DFSA nhằm giảm
xung đột trong hệ thống RFID.
- Cài đặt mô phỏng và phân tích kết quả của các kỹ thuật đã tìm hiểu.
 Cấu trúc luận văn
Cấu trúc luận văn bao gồm phần mở đầu, ba chương nội dung, phần kết luận
và tài liệu tham khảo, trong đó:
Chương 1, Giới thiệu tổng quan về công nghệ RFID, mạng cảm biến không
dây và kiểu tích hợp RFID với mạng cảm biến không dây.
Chương 2, Một số kỹ thuật ước tính thẻ dựa trên giao thức DFSA trong hệ
thống RFID, trình bày chi tiết một số kỹ thuật ước tính thẻ.
Chương 3, Cài đặt mô phỏng và phân tích kết quả, cài đặt mô phỏng theo kịch
bản dựa trên các kỹ thuật ước tính thẻ được trình bày trong chương 2, phân tích
đánh giá kết quả mô phỏng.
Kết luận và hướng phát triển của đề tài.
2


CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ RFID VÀ TÍCH HỢP RFID VỚI
MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY
Công nghệ RFID được giới thiệu vào những năm 1960 và sau đó bùng nổ vào
những năm 1970. R.F. Harrington là người đầu tiên nghiên cứu lý thuyết điện từ
liên quan đến RFID trong “Theory of Loaded Scatterers” vào năm 1964, sau đó các
nhà nghiên cứu đã đặc biệt quan tâm đến những phát minh có liên quan đến RFID
như "Các thiết bị hỗ trợ tần số vô tuyến kích hoạt từ xa” của Robert Richardson và

"Kỹ thuật truyền dữ liệu thụ động sử dụng tiếng vọng radar" của J. H. Vogelman.
Ngày nay, công nghệ nhận dạng đối tượng bằng sóng vô tuyến RFID là một phần
không thể tách rời trong cuộc sống chúng ta. Sự tiện lợi của công nghệ này được sử
dụng cho hàng hàng ngàn các ứng dụng khác nhau như việc theo dõi chuỗi cung
ứng, quản lý kho bán lẻ, kiểm soát truy cập bãi đậu xe, theo dõi sách thư viện, chạy
đua marathon, theo dõi hành lý của hàng không, chìa khóa an ninh điện tử, thu phí
đường bộ, phòng chống trộm cắp, và chăm sóc sức khoẻ.
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 gắng 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, sự
khác nhau của chúng và sau đó sẽ trình bày về các kiểu tích hợp giữa RFID và
WSN nhằm mở rộng và nâng cao các khả năng của hệ thống.
1.1. GIỚI THIỆU 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

3


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 (Automatic Identification and Data Capture).
1.1.1. Các thành phần của hệ thống RFID
Trong hệ thống RFID, sử dụng kỹ thuật truyền thông không dây trong dải tần

số vô tuyến để truyền dữ liệu từ các thẻ (Tag) đến đầu đọc (Reader). Trên thẻ có thể
được gắn vi chip (microchip), ăng-ten (Antenna) 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.
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 ăng-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 (Hình 1 .1).

Hình 1.1. Các thành phần của hệ thống RFID

1.1.1.1. 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, một số thẻ có gắn vi chíp 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
4


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 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 1.2. 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 nghiệt. 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

5


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 nổi 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 rẻ 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.

Hình 1.3. 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 1.4. Các thành phần của thẻ bán thụ động

6


Hình 1.5. Một số thẻ thông dụng của các ứng dụng

Dựa vào sự khác nhau giữa các loại thẻ người sử dụng lựa chọn loại thẻ phù
hợp với mục đích sử dụng (Hình 1 .5). Bảng 1 .1 cho thấy sự khác nhau cơ bản của
các loại thẻ nói trên.
Bảng 1.1. Bảng so sánh sự khác nhau của các loại thẻ
Đặc điểm

Thẻ chủ
động

Thể thụ
động

Thẻ bán thụ

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

1.1.1.2. Đầu 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:
- 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.
7


Đầu đọc RFID
Đơn vị
điều khiển

Ứng dụng

Truyền
dữ liệu

Nhận
dữ liệu

Thẻ

HF

Hình 1.6. Sơ đồ thể hiện các đơn vị chính của đầu đọc

Trong Hình 1 .6, ta thấy có hai cách truyền dữ liệu độc lập, một để gửi dữ liệu
đến thẻ và một là 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 [5]..
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.
1.1.2. Chuẩn EPC
EPC (Electronic Product Code) là một tiêu chuẩn toàn cầu cho công nghệ
nhận dạng tự động, được phát triển bởi tổ chức Auto-ID. EPC là một mã nhận dạng
chung, cung cấp một định danh duy nhất cho một đối tượng vật lý cụ thể. Định dạng
cơ bản của EPC gồm có 4 trường: Header, General Manager Number, Object Class
và Serial Number. Bảng 1 .2 mô tả vị trí các bit trong EPC 96 bit, một loại EPC
phổ biến nhất trong hệ thống RFID thương mại ngày nay.

8


Bảng 1.2. Bảng mô tả vị trí bit của chuẩn EPC GID-96

GID-96

Header

General

Manager
Number

Object Class

Serial Number

8

28

24

36

0011 0101

268,435,455

16,777,215

68,719,476,735

(giá trị cao nhất
trong hệ nhị
phân)

(giá trị cao nhất
trong hệ thập
phân)

(giá trị cao
nhất trong hệ
thập phân)

(giá trị cao nhất
trong hệ thập
phân)

Chỉ định bởi EPCglobal

Chỉ định bởi nhà quản lý EPC

- Header: để đảm bảo tính duy nhất trong không gian miền EPC
- General Manager Number: để xác định một thực thể tổ chức (một công ty,
một nhà quản lý, một tổ chức nào đó,…) có trách nhiệm duy trì các trường Object
Class và Serial Number.
- Object Class: được sử dụng bởi tổ chức quản lý EPC để xác định một lớp
hoặc một loại đối tượng nào đó và tất nhiên rằng nó phải là duy nhất trong mỗi
miền General Manager Number.
- Serial Number: là duy nhất trong lớp đối tượng (Object Class). Nói cách
khác, các tổ chức quản lý có trách nhiệm chỉ định các số Serial Number duy nhất,
không lặp lại cho tất cả các đối tượng trong mỗi lớp đối tượng.
1.1.3. Giao thức ALOHA
ALOHA là một trong những giao thức thường được dùng phổ biến trong quá
trình trao đổi dữ liệu giữa đầu đọc và thẻ, ALOHA được phát triển trong những năm
1970 bởi Norman Abramson của ALOHA Network tại Hawaii trong truyền vô tuyến
gói.
Trong giao thức này mỗi thẻ sẽ quyết định thời gian truyền dữ liệu ngẫu nhiên
ngay khi nó được kích hoạt. Lệnh yêu cầu (request) gởi yêu cầu đánh dấu thời gian

cho những thẻ nào có trong vùng phủ sóng, nếu nhiều thẻ truyền dữ liệu cùng một
lúc sẽ xảy ra xung đột. Trong chu kỳ đọc, đầu đọc nhận được dữ liệu và xác định
9


các thẻ đã gởi dữ liệu nếu không xảy ra xung đột. Khi chu kỳ đọc được thực hiện thì
đầu đọc sẽ phát lệnh chọn (select) với mã định danh duy nhất mà các thẻ đã gởi.
Khi thẻ được chọn các thẻ sẽ giữ im lặng cho đến khi nhận được các lệnh khác như
đọc hoặc ghi. Các thẻ được nhận dạng trong phạm vi phủ sóng của đầu đọc nó bắt
đầu truyền dữ liệu cho đầu đọc. Ưu điểm của giao thức này là tính đơn giản [4]..
1.1.4. Ứng dụng công nghệ RFID
Sau đây là một số ứng dụng của công nghệ RFID:
- 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
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

10


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.
1.2. 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…).
1.2.1. 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.
- 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.
1.2.2. 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 .7, 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)

11


Hình 1.7. Các thành phần của một nút cảm biến

1.2.3. Cấu trúc của mạng cảm biến
Khi giao tiếp không dây là kĩ thuật chính, thì 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
chuyển tiếp để giảm công suất tổng thể. Do vậy các mạng cảm biến không dây cần
phải dùng giao tiếp đa bước nhảy (multihop).
Mạng cảm biến bao gồm rất nhiều các nút cảm biến được phân bố trong một
trường cảm biến như Hình 1 .8. Mỗi một nút cảm biến có khả năng thu thập dữ liệu
và định tuyến lại đến các nút sink 1. 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.
Internet

Thiết bị thu
phát (nút sink)

Nút quản lý
tác vụ
Người dùng

Nút cảm biến
Trường cảm biến

Hình 1.8. Cấu trúc của mạng cảm biến

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.

12


1.2.4. Các ứng dụng của mạng cảm biến không dây
Mạng cảm biến không dây bao gồm các nút cảm biến nhỏ. Thích ứng được
môi trường khắc nghiệt. Các nút không những có thể liên lạc với các nút xung
quanh nó, mà còn có thể xử lý dữ liệu thu được trước khi gửi đến các nút khác.
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.
- 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.
1.3. SỰ KHÁC NHAU 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.

13


Bảng 1.3. Sự khác nhau giữa RFID và WSN
Các thuộc tính

WSN

Hệ thống RFID

Mục đích

Nhận biết các tham số môi Phát hiện sự hiện diện của các
trường hoặc cung cấp thông tin đối tượng được gắn thẻ
về tình trạng của các đối tượng
được gắn thẻ

Thành phần

Các nút cảm biến, các nút Các thẻ và các đầu đọc
chuyển tiếp, các nút sink

Giao thức

Zigbee, Wi-Fi

Các chuẩn RFID

Truyền thông

Đa chặng

Đơn chặng

Khả năng di động

Các nút cảm biến thường là cố Các thẻ di chuyển cùng các đối
định
tượng được gắn vào

Cung cấp năng
lượng

Tích hợp pin để cung cấp năng Tùy theo loại thẻ, được tích
lượng
hợp pin đối với thẻ chủ động,
bán thụ động, và không đối với
thẻ bị động

Khả năng lập trình

Giá

Triển khai

Có thể lập trình

Thông thường là không thể
được lập trình bởi người dùng

Nút cảm biến: trung bình

Đầu đọc: đắt

Nút sink: đắt

Thẻ: rẻ

Ngẫu nhiên hoặc cố định

Cố định, thường phải sắp xếp
cẩn thận

1.4. TÍCH HỢP RFID VÀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY
Sự kết hợp giữa RFID và mạng cảm biến không dây có thể được phân làm 4
loại chính (Hình 1 .9): 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 [7]..

14

Cảm
biến

Nút
WSN

Nút
WSN

Thẻ
RFID

Đầu
đọc
RFID

Thẻ RFID

Tích hợp
các thành
phần RFID
với các
nút WSN

Hình 1.9. Bốn loại tích hợp RFID với WSN

1.4.1. 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 .10). 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 1.10. Kiến trúc tích hợp thẻ RFID với cảm biến

1.4.2. 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 .11). 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
15


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.

Thẻ tích

hợp nút
Đầu đọc
WSN
hoặc trạm
cơ sở

Hình 1.11. Kiến trúc tích hợp các thẻ RFID với các nút WSN

1.4.3. Tích hợp các đầu đọc RFID với các nút WSN
Loại tích hợp này có thêm nhiều chức năng hơn và cho phép nó được sử dụng
trong các ứng dụng mới. Bằng cách tích hợp các đầu đọc RFID với các nút WSN
(Hình 1 .12), đầu đọc có thể cảm nhận được tình trạng của các tham số môi trường.
Các đầu đọc có thể giao tiếp không dây với nhau trong mạng. Bên cạnh đó, các đầu
đọc đọc dữ liệu của thẻ và gửi thông tin đến máy chủ một cách hiệu quả hơn.
Sink hoặc
trạm cơ sở
Đầu đọc
tích hợp
nút WSN
Thẻ

Hình 1.12. Kiến trúc tích hợp các đầu đọc RFID với các nút WSN

16


1.4.4. Tích hợp các thành phần RFID với các nút WSN
Không giống các loại tích hợp trên, về mặt vật lý, các thẻ, các đầu đọc RFID
và các cảm biến hoạt động tách biệt nhau (Hình 1 .13). Một hệ thống RFID và một
WSN, cả hai tồn tại trong cùng một ứng dụng và chúng làm việc độc lập nhau. Tuy

nhiên, trong đó có sự hợp tác của RFID và WSN ở lớp phần mềm, dữ liệu từ các thẻ
RFID và các nút WSN đều được chuyển tiếp đến các trung tâm kiểm soát chung.
Trong trường hợp này, hoạt động của một hệ thống RFID hoặc WSN có thể yêu cầu
sự hỗ trợ từ phía còn lại. Ví dụ, hệ thống RFID cung cấp nhận dạng cho WSN để
tìm các đối tượng cụ thể và WSN cung cấp thêm thông tin, chẳng hạn như vị trí và
điều kiện môi trường, cho hệ thống RFID. Lợi thế của việc tích hợp các thành phần
RFID và các nút WSN là không cần phải thiết kế các nút tích hợp mới, tất cả các
hoạt động và sự phối hợp giữa RFID và WSN có thể được thực hiện tại các lớp
phần mềm.

17


Luồngsự
kiện
Nút thông minh

Lọc
Lọc và
và
chuyển
chuyển đổi
đổi

Giao
Giao diện
diện
đầu
đầu đọc
đọc

TCP
Sockets

Giao
Giao diện
diện
cảm
cảm biến
biến

USB

Serial

Đầu
Đầu đọc
đọc

Host
Host
Cảm
Cảm biến
biến

Thẻ
Thẻ

Thẻ
Thẻ

…

Thẻ
Thẻ

Cảm
Cảm biến
biến

Cảm
Cảm biến
biến

…
Cảm
Cảm biến
biến

Hình 1.13. Kiến trúc hệ thống của một cài đặt hỗ trợ tích hợp các thành phần RFID với các
nút WSN

1.5. TIỂU KẾT CHƯƠNG 1
Chương này đã giới thiệu tổng quan về hai công nghệ RFID và WSN cũng
như các thành phần và ứng dụng của chúng. Có thể nói RFID và WSN là hai công
nghệ bổ sung cho nhau. RFID được sử dụng để xác định, phát hiện hoặc theo dõi
các đối tượng. So với các loại cảm biến, vấn đề về chi phí là lợi thế vượt trội của
RFID. Tuy nhiên, WSN có khả năng cung cấp thông tin chi tiết về tình trạng của
các đối tượng. Vì vậy, việc tích hợp WSN với RFID có thể làm cho các nút RFID có
khả năng tính toán và quan trọng là nó cho phép một hệ thống RFID hoạt động như

truyền thông đa chặng cùng với các thông tin chi tiết về các tình trạng của các nút.
18


Trong hệ thống RFID, đầu đọc và thẻ giao tiếp được thông qua giao thức
ALOHA như đã nêu ở phần trên, ưu điểm của giao thức này là tính đơn giản, tuy
nhiên khi số lượng thẻ nhiều sẽ xảy ra xung đột, do đó cần phải ước tính thẻ để
giảm thiểu xung đột. Tiếp theo, trong Chương 2, một số kỹ thuật ước tính thẻ sẽ
được trình bày.

19