Thiết kế hệ thống đóngmở cửa tự động sử dụng công nghệ RFID

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN & TRUYỀN THÔNG
KHOA CÔNG NGHỆ TỰ ĐỘNG HÓA

BÁO CÁO
Thực tập chuyên ngành:
Thiết kế và chế tạo hệ thống đóng mở cửa tự động sử dụng công nghệ
RFID

Sinh viên thực hiện : Nguyễn Hữu Hải
Lớp:Tự Động Hóa K14A
Giảng viên hướng dẫn : T.S Lê Hùng Linh


Thái Nguyên, tháng 2 năm 2019

LỜI CẢM ƠN
Trong suốt quá trình thực hiện Đồ án, em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến
Thầy giáo Tiến Sĩ. Lê Hùng Linh đã hết lòng hướng dẫn và ủng hộ tinh thần cho
em trong thời gian thực hiện đồ án thực tập chuyên ngành, luôn chỉ dẫn tận tình,
giúp em thực hiện có được hướng đi đúng đắn nhất. Em xin chân thành cảm ơn
Thầy giáo.
Em cũng xin chân thành cảm ơn các Thầy giáo, cô giáo trong Khoa Công
nghệ Tự động hóa – Trường Đại học Công nghệ thông tin và Truyền thông đã dạy
bảo, truyền đạt lại kiến thức cho em trong thời gin em học tập, để em có được
những kiến thức như ngày hôm nay và từ những kiến thức nền tảng đó, em hoàn
thiện đồ án được tốt hơn.

Thái Nguyên, tháng 3 năm 2019.
Sinh viên
Nguyễn Hữu Hải

2


MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN...........................................................................................................2
LỜI NÓI ĐẦU........................................................................................................... 6
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ RFID.............................................7
1.1.

Sơ lược về các hệ thống nhận dạng tự động ....................................................7

1.1.1.

Hệ thống mã vạch ( Barcode System)........................................................7

1.1.2.

Phương thức sinh trắc học ( Biometric procedures) ..................................8

1.1.3.

Nhận dạng ký tự quang học (tiếng Anh: Optical Character Recognition,

viết tắt là OCR).......................................................................................................9
1.1.4.

Thẻ thông minh ( Smart Card).................................................................10

1.1.5.

Hệ thống RFID .......................................................................................10

1.2.

Công nghệ RFID tại VIỆT NAM....................................................................10

1.3.

Tính cấp thiết đề tài........................................................................................11

1.4.

Mục tiêu của đề tài.........................................................................................12

CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT........................................................................14
2.1.

Khái niệm công nghệ RFID............................................................................14

2.2.

Thành phần của một hệ thống RFID...............................................................14

1.3.

Thẻ RFID (Tag)..............................................................................................15

2.3.1.

Dung lượng của thẻ..................................................................................15

2.3.2.

Các thành phần cơ bản của thẻ.................................................................15

2.3.3.

Hình dạng và kích thước thẻ....................................................................16

2.3.4.

Tần số hoạt động......................................................................................17

2.3.5.

Khoảng đọc của thẻ.................................................................................18

2.3.6.

Phân loại thẻ............................................................................................19

2.4.

Đầu đọc (READER).......................................................................................21

2.4.1. Các thành phần vật lý của một Reader RFID..............................................23
2.4.2. Phân loại READER.....................................................................................24
2.5.

Các ứng dụng RFID........................................................................................25

2.6.

Ưu, nhược điểm của hệ thống RFID...............................................................26

2.7.

Giới thiệu và lựa chọn các linh kiện...............................................................27

2.7.1.

Khối MCU...............................................................................................27

2.7.2.

Linh kiện khối hiển thị - Màn hình LCD.................................................31
3


2.7.3.

Module RFID RC522...............................................................................35

2.7.4.

Khối ma trận bàn phím 4X4(keypad).......................................................37

2.7.5.

Một số linh kiện khác..............................................................................38

CHƯƠNG 3. PHÂN TÍCH BÀI TOÁN..................................................................41
3.1.

Yêu cầu bài toán.............................................................................................41

3.2.

Phân tích chức năng hệ thống.........................................................................41

3.3.

Đầu vào đầu ra hệ thống.................................................................................41

3.4.

Giải pháp thiết kế...........................................................................................42

3.4.1.

Sơ đồ khối................................................................................................42

3.4.2.

Phân tích chức năng các khối...................................................................42

3.4.3.

Truyền dữ liệu từ thẻ với đầu đọc............................................................43

3.4.4.

Cách thức giải mã bàn phím....................................................................43

3.4.5

Kết nối Arduino với thẻ RFID RC522.....................................................44

3.4.5.

Khung truyền dữ liệu...............................................................................45

3.4.6.

Két nối và cách thức hiện thị dữ liệu lên LCD.........................................46

3.4.7.

Một số kết nối khác..................................................................................49

3.4.8.

Lưu đồ thuật toán.....................................................................................50

3.4.9.

Nguyên lý hoạt động của hệ thống...........................................................51

CHƯƠNG 4. XÂY DỰNG MÔ HÌNH....................................................................53
4.1

Thiết kế thi công.............................................................................................53

4.1.1

Sơ đồ tổng quát kết nối phần cứng...........................................................53

4.1.2

Nguyên lý hoạt động của Mạch...............................................................53

4.1.3.

Một số hình ảnh của sản phẩm.................................................................54

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN...............................................................57
TÀI LIỆU THAM KHẢO.......................................................................................59
PHỤ LỤC................................................................................................................ 60

4


LỜI NÓI ĐẦU
Ngày nay, với sự phát triển mạnh mẽ của khoa học kỹ thuật. Đặc biệt trong lĩnh
vực tự động hóa đã tạo nên một động lực thức đẩy và phát triển các ngành công nghiệp
khác nhằm phục vụ và đáp ứng được nhu cầu của con người trong cuộc sống. Con
người với sự trợ giúp của máy móc, những công cụ thông minh đã không phải trực tiếp
làm việc, hay những công việc mà con người không thể làm được với khả năng của
minh mà chỉ việc điều khiển chúng hay chúng làm việc hoàn toàn tự động đã mang lại
những lợi ích hết sức to lớn, giảm nhẹ và tối ưu hóa công việc. Với sự tiến bộ này đã

đáp ứng được những nhu cầu của con người trong cuộc sống hiện đại nói chung và
trong sự phát triển của khoa học kỹ thuật nói riêng.
Đối với những sinh viên tự động hóa chúng ta thì việc nghiên cứu, tìm hiểu các
đặc tính của công nghệ nhận dạng đối tượng bằng sóng vô tuyến RFID có ý nghĩa thực
tế hết sức quan trọng.
Sau đây em xin tìm hiểu và khảo sát các đặc tính của công nghệ nhận dạng bằng
sóng vô tuyến RFID cũng như thiết kế một ứng dụng thực tế là “Thiết kế và chế tạo
hệ thống đóng mở cửa tự động sử dụng công nghệ RFID”. Đây là cơ sở để thiết kế
những hệ thống tự động hóa đơn giản, cũng như phức tạp được ứng dụng rộng rãi
trong khoa học và đời sống. Nội dung báo cáo gồm 4 chương được giới thiệu sơ lược
sau đây:
 Chương 1: Tổng quan về công nghệ RFID.
 Chương 2: Cơ sở lý thuyết
 Chương 3: Phân tích bài toán
 Chương 4: Thiết kế và thực thi
Do kiến thức còn hạn chế nên báo cáo này em không tránh khỏi thiếu sót và
một số nội dung chưa được chi tiết, mong các thầy cô giáo góp ý và thông cảm.

5


CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ RFID
1.1.

Sơ lược về các hệ thống nhận dạng tự động .

Nhận dạng tự động (Automatic Indentification ) gọi tắt là “ID tự động” là một thuật
ngữ chỉ các công nghệ dùng để giúp các máy nhận dạng đối tượng. Nhận dạng tự động
thường được thực hiện bằng cách tự động bắt dữ liệu. Mục tiêu của “ ID tự đông” là
tăng tính hiệu quả , giảm lỗi dữ liệu đầu vào và giảm sức lao động trong nhận dạng.

Các hệ thống nhận dạng tự động bao gồm :

Vân tay
Mã vạch
Sinh trắc học

Nhận dạng
tự động

Giọng nói

Khuôn mặt

Kí tự quang học
Thẻ thông minh
RFID

Hình 1 : Các hệ thống nhận dạng tự động.
1.1.1. Hệ thống mã vạch ( Barcode System).
Mã vạch (Barcode) theo định nghĩa là phương pháp lưu trữ và truyền tải thông
tin bằng một lọai ký hiệu gọi là ký mã vạch (Barcode symbology). Ký mã vạch hay gọi
tắt cũng là mã vạch, là 1 ký hiệu tổ hợp các khoảng trắng và vạch thẳng để biểu diễn
các mẫu tự, ký hiệu và các con số. Sự thay đổi trong độ rộng của vạch và khoảng trắng
biểu diễn thông tin số hay chữ số dưới dạng mà máy có thể đọc được.
Mã số mã vạch được thu nhận bằng một máy quét mã vạch, là một máy thu
nhận hình ảnh của mã vạch in trên các bề mặt và chuyển thông tin chứa trong mã vạch
đến máy tính hay các thiết bị cần thông tin này. Nó thường có một nguồn sáng kèm
theo thấu kính, để hội tụ ánh sáng lên mã vạch, rồi thu ánh sáng phản xạ về một cảm
6

quang chuyển hóa tín hiệu ánh sáng thành tín hiệu điện. Ngoài ra, nhiều máy quét mã
vạch còn có thêm mạch điện tử xử lý tín hiệu thu được từ cảm quang để chuyển thành
tín hiệu phù hợp cho kết nối với máy tính.

Hình 2 : Mã vạch
1.1.2. Phương thức sinh trắc học ( Biometric procedures) .
Phương thức sinh trắc học là công nghệ sử dụng những thuộc tính vật lý, đặc
điểm sinh học riêng của mỗi cá nhân như vân tay, mống mắt, khuôn mặt... để nhận
diện
Nhận dạng giọng nói:
Là phương thức được thực hiện bằng cách kiểm tra các đặc trưng của giọng nói
của người nói với một mẫu tham khảo có trước, nếu tương ứng thì đáp ứng thực hiện
theo yêu cầu của người nói.
Nhận dạng dấu vân tay:
Tiến trình này dựa trên sự so sánh mẫu nhú và lớp da trên đầu ngón tay. Hệ
thống sẽ phân tích dữ liệu từ các mẫu nó đọc đượng và đem so sánh với mẫu tham
khảo đã được lưu trữ.
Nhận dạng khuôn mặt:
Hệ thống nhận dạng khuôn mặt là một ứng dụng máy tính tự động xác định
hoặc nhận dạng một người nào đó từ một bức hình ảnh kỹ thuật số hoặc một khung
hình video từ một nguồn video. Một trong những cách để thực hiện điều này là so sánh
các đặc điểm khuôn mặt chọn trước từ hình ảnh và một cơ sở dữ liệu về khuôn mặt.
Nhận dạng tròng mắt:
7


Công nghệ nhận dạng tròng mắt (Iris Recognition) là phương pháp sử dụng
thuật toán hình ảnh để nhận dạng một người nào đó dựa vào cấu trúc phức tạp và 11
độc nhất của tròng mắt, thậm chí ngay cả khi họ đang đeo kính hoặc sử dụng áp tròng

từ một khoảng cách nhất định.
1.1.3. Nhận dạng ký tự quang học (tiếng Anh: Optical Character Recognition, viết
tắt là OCR).
Nhận dạng ký tự bằng quang học là loại phần mềm máy tính được tạo ra để
chuyển các hình ảnh của chữ viết tay hoặc chữ đánh máy (thường được quét bằng 10
máy scanner) thành các văn bản tài liệu.. Bằng phần mềm ORC các máy quét có thể
quét trên một trang chữ in, và các ký tự sẽ được biến thành các văn bản theo qui cách
tài liệu của chương trình xử lý.

Hình 3: Nhận dạng kí tự quang học

1.1.4. Thẻ thông minh ( Smart Card).
Thẻ thông minh là một hệ thống lưu trữ dữ liệu điện tử. Nó có kích thước
khoảng bằng thẻ tín dụng có thể chứa thông tin và trong hầu hết các trường hợp thì nó
8


chứa cả một bộ vi xử lý điều khiển nhiều chức năng đáp ứng nhu cầu người sử dụng.
Không giống như thẻ từ có những sọc từ ngoài mặt thẻ, thẻ thông minh giữ thông tin
bên trong nó vì thế mà độ an toàn cao hơn. Thẻ thông minh thường được dùng cho
những thiết bị cần xác minh chủ quyền của người sử dụng, và nó tạo ra những mã truy
cập cho hệ thống bảo an. Thẻ thông minh đầu tiên là thẻ thông minh điện thoại trả
trước được đưa vào sử dụng năm 1984.
Có hai loại thẻ thông minh là : thẻ nhớ và thẻ vi xử lý
- Thẻ nhớ (memory card) thường chỉ gồm một bộ nhớ chỉ đọc (EEPROM) có thể
lập trình, xóa được bằng tín hiệu điện.
- Thẻ vi xử lý: là thẻ có gắn một bộ vi xử lý, bộ vi xử lý này có kích thước rất nhỏ
nhưng có cấu tạo gồm bộ nhớ EEPROM, bộ nhớ chỉ đọc (ROM), bộ nhớ truy cập ngẫu
nhiên (RAM), CPU. Các các chi tiết của nó có vai trò giống như vai trò của các bộ
phận tương tự trong một máy tính.

1.1.5. Hệ thống RFID .
Hệ thống RFID liên hệ rất gần với thẻ thông minh. Cũng như trên hệ thống thẻ
thông minh, dữ liệu được lưu trữ trên thiết bị mang dữ liệu điện tử là bộ phận phát đáp.
Tuy nhiên, không giống như thẻ thông minh, năng lượng cung cấp cho thiết bị mang
dữ liệu và cho việc trao đổi dữ liệu giữa nó và đầu đọc/phát tín hiệu không dựa trên sự
tiếp xúc điện mà thay vào đó là sử dụng từ tính và trường điện từ.
1.2.

Công nghệ RFID tại VIỆT NAM.
Công nghệ RFID tuy đã được ứng dụng khá lâu và phổ biến ở nhiều nước trên

thế giới nhưng đối với Việt Nam thì vẫn còn khá mới mẻ. Hiện nay chúng ta đang nắm
bắt và triển khai công nghệ mới này để tận dụng các ưu điểm nổi trội của nó. Ở Việt
Nam, công nghệ RFID đang trong bước đầu được ứng dụng trong các lĩnh vực: kiểm
soát vào-ra, chấm công điện tử, quản lý phương tiện qua trạm thu 12 phí, kiểm soát bãi
đỗ xe tự động. Điển hình có công ty TECHPRO Việt Nam, hợp tác cùng Hãng
IDTECK – Korea ứng dụng RFID trong chấm công điện tử, kiểm soát thang máy. Viện
Công nghệ Thông tin đã giới thiệu chào bán các hệ thống ứng dụng RFID như: hệ
thống kiểm xoát xâm thực AC200 sử dụng thẻ RFID, khóa điện tử RFID K400R, hệ
thống kiểm soát vô tuyến.
9


Trung tâm công nghệ cao Việt Nam, thuộc Viện điện tử- tin học- tự động hóa
đang nghiên cứu thiết kế và xây dựng hệ phần mềm cho hệ thống quản lý tự động bằng
thẻ RFID để ứng dụng thu phí cầu đường. Tại TP.HCM, công nghệ RFID cũng đang
được triển khai ứng dụng trong trạm thu phí Xa lộ Hà Nội.
Quản lý nhân sự và chấm công: Khi ra vào công ty công việc nhân viên chỉ cần
làm thẻ RFID khi đó dữ liệu của nhân viên sẽ được ghi nhận và lưu trữ trong đầu đọc
để chấm công.

Hệ thống trông giữ xe: Mô hình bãi giữ xe thông minh sử dụng công nghệ
RFID hiện đang được áp dụng phổ biến để đơn giản hóa việc vào ra các bãi đậu xe như
rút ngắn thời gian kiểm tra, tránh được các trường hợp ùn tắc…
Ưu điểm của ứng dụng là tính năng an toàn và thời gian xử lý ngắn. Không lo
lắng khi bị mất thẻ xe.
Ứng dụng RFID trong nuôi trồng thủy sản: Những con chip RFID siêu nhỏ sẽ
được gắn trên từng giai đoạn của sản phẩm nhằm ghi lại các thông số kỹ thuật của quy
trình một cánh tự động và được phần mềm chuyên dụng ghi lại kết quả nhằm làm cơ
sở đảm bảo truy xuất được sản phẩm trong chuỗi giá trị. Khi các doanh nghiệp thủy
sản Việt Nam sử dụng hệ thống này, việc xuất khẩu các sản phẩm thủy sản vào các
nước có yêu cầu khắt khe về vệ sinh an toàn thực phẩm và hàng rào kỹ thuật sẽ trở lại
nên dễ dàng và thuận lợi hơn rất nhiều.
Ứng dụng trong sản xuất và xuất khẩu nông sản: Với công nghệ RFID người
nông dân có thể biết được thông tin về cây trồng chúng đang cần tưới nước, bón phân,
hay kiểm tra sâu bệnh... và quan trọng đó là kỹ thuật truy nguyên nguồn gốc hàng hóa.
1.3.

Tính cấp thiết đề tài.
Thẻ RFID có kích thước rất nhỏ, dùng để gắn lên vật thể cần quản lý như

hàng hóa, người... Thẻ RFID chứa các chip silicon và các anten cho phép nhận lệnh
và đáp ứng lại bằng tần số vô tuyến RF từ một đầu đọc RFID. Tín hiệu được ghi
vào thẻ và được đọc không phụ thuộc vào hướng của thẻ mà chỉ cần thẻ đó nằm
trong vùng phủ sóng của thiết bị là được. Khi một thẻ RFID tiến đến gần một thiết
bị đọc ghi thẻ, năng lượng sóng điện từ đủ để cung cấp cho thẻ và từ đó quá trình
trao đổi dữ liệu giữa thẻ và thiết bị đọc ghi thẻ bắt đầu. Trong quá trình này, thiết bị
có thể đọc ghi thông tin trên thẻ, sau khi kết thúc quá trình trao đổi dữ liệu, chiếc
10

thẻ đó được chỉ thị không tiếp nhận thêm thông tin gì nữa cho đến khi được lọt vào
vùng phủ sóng tiếp theo.
Hệ thống RFID là hệ thống nhận dạng dữ liệu tự động và không dây, cho
phép việc đọc và ghi dữ liệu và không cần tiếp xúc trực tiếp với hệ thống. Chúng rất
hữu ích trong sản xuất và hoạt động được trong những điều kiện môi trường mà kỹ
thuật khác không thể làm được.
Trên thực tế, RFID được ứng dụng rất nhiều như: kiểm soát sản phẩm nhập
xuất, mã số series, nguồn gốc sản phẩm, trong thư viện... Dùng các thiết bị RFID
làm các thẻ khóa điện tử điều khiển truy nhập thay cho các khóa kim loại như trước
đây. Điểm thuận lợi của thẻ khóa này khó bị dập ép và dễ dàng hủy bỏ khi bị đánh
cắp và thất lạc chúng ta chỉ cần xóa bỏ thẻ từ cơ sở dữ liệu truy nhập hoặc tạo ra
báo động khi các thẻ này được sử dụng.
Hệ thống đóng mở cửa tự động rất tiện lợi. Nó giúp chúng ta rút ngắn thời gian
mở cửa, phải thao tác với ổ khóa, ... Bên cạnh đó, việc nghiên cứu và ứng dụng sản
phẩm này trong thực tế còn làm tăng độ bảo mật, an toàn để kiểm soát. Đó là

sản

phẩm công nghê ứng dụng theo tiến độ khoa học nên chắc chắn sẽ thể hiện các tính
năng hiện đại phù hợp với thời đại hiện nay.
Đóng mở cửa tự động dùng thẻ RFID là sự thay thế một cách thông minh nhất
cho các hệ thống khóa cửa thông thường dùng bằng chìa khóa, với sự tiện dụng,
nhanh chóng, tính thẩm mỹ cao, an toàn tuyệt đối, đó chính là ưu điểm của công
nghệ RFID.
1.4.

Mục tiêu của đề tài
+ Nâng cao năng lực nghiên cứu và tự tìm hiểu tài liệu.
+ Tìm hiểu công nghệ RFID.
+ Chuyển giao và quảng bá Arduino và công nghệ RFID.

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

tính thẩm mỹ cao.
+ Tại Việt Nam, nhu cầu sử dụng các hệ thống RFID ngày càng nhiều và mở ra
một thị trường đầy tiềm năng cho các nhà nghiên cứu và sản xuất. Tuy nhiên, để đón
nhận, vận dụng và phát triển 1 hệ thống mới này, chúng ta cần có sự hiểu biết nhất
11


định về chúng. Công nghệ RFID chưa được triển khai rộng rãi ở Việt Nam là do chi
phí còn cao và chưa khai thác được nhiều ứng dụng của công nghệ này. Nhận định
được những điều đó và thấy được tiềm năng ứng dụng của công nghệ tiên tiến em làm
đề tài: “Thiết kế và chế tạo hệ thống đóng mở cửa tự động sử dụng công nghệ
RFID”.
Kết luận: Trong chương 1, em đã hiểu được ưu điểm của RFID so với các
phương pháp nhận dạng khác.

12


CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.1.

Khái niệm công nghệ RFID.
Công nghệ RFID (Radio Frequency Identification- nhận dạng bằng sóng vô

tuyến) là một phương pháp nhận dạng tự động dựa trên việc lưu trữ dữ liệu từ xa, sử
dụng thiết bị thẻ RFID và một đầu đọc RFID cho phép một thiết bị đọc thông tin chứa
trong chip không cần tiếp xúc trực tiếp ở khoảng cách xa, không thực hiện bất kỳ giao
tiếp vật lý nào hoặc giữa hai vật không nhìn thấy. Công nghệ này cho ta phương pháp

truyền, nhận dữ liệu từ điểm này đến điểm khác.
Kỹ thuật RFID sử dụng truyền thông không dây trong dải tần sóng vô tuyến để
truyền dữ liệu từ các Tag (thẻ) đến các Reader (bộ đọc). Tag có thể được đính kèm
hoặc gắn vào đối tượng được nhận dạng chẳng hạn sản phẩm, hộp hoặc giá kệ (pallet).
Reader scan dữ liệu của Tag và gửi thông tin đến cơ sở dữ liệu có lưu trữ dữ liệu của
Tag. Chẳng hạn, các Tag có thể được đặt trên kính chắn gió xe hơi để hệ thống thu phí
đường nhận dạng và thu tiền trên các tuyến đường.
Dạng đơn giản nhất được sử dụng hiện nay là hệ thống RFID bị động làm việc
như sau: Reader truyền một tín hiệu tần số vô tuyến điện từ qua anten của nó đến một
con chip. Reader nhận thông tin trở lại từ chip và gửi nó đến máy tính điều khiển đầu
đọc và xử lý thông tin lấy được từ chip. Các chip không tiếp xúc, không tích điện,
chúng hoạt động bằng cách sử dụng năng lượng nhận từ tín hiệu được gửi bởi Reader.
2.2.

Thành phần của một hệ thống RFID.

Hình 4: Hệ thống RFID

Một hệ thống RFID có ba thành phần cơ bản: Tag, đầu đọc, và một máy chủ.
13


Nguyên lý hoạt động: Thiết bị RFID reader phát ra sóng điện từ ở một tần số
nhất định, khi thiết bị RFID tag trong vùng hoạt động sẽ cảm nhận được sóng điện từ
này và thu nhận năng lượng từ đó phát lại cho thiết bị RFID Reader biết mã số của
mình. Từ đó thiết bị RFID reader nhận biết được tag nào đang trong vùng hoạt động
1.3.

Thẻ RFID (Tag)
Thẻ RFID là một thiết bị có thể lưu trữ và truyền dữ liệu đến một Reader trong

một môi trường không tiếp xúc bằng sóng vô tuyến. Thẻ RFID mang dữ liệu về một
vật, một sản phẩm (item) nào đó và gắn lên sản phẩm đó. Mỗi Tag có các bộ phận lưu
trữ dữ liệu bên trong và cách giao tiếp với dữ liệu đó.
Thẻ RFID gồm chip bán dẫn nhỏ (bộ nhớ của chip có thể chứa tới 96 bit đến
512 bit dữ liệu nhiều gấp 64 lần so với mã vạch) và anten được thu nhỏ trong một số
hình thức đóng gói. Mỗi thẻ được lập trình với một nhận dạng duy nhất cho phép theo
dõi không dây đối tượng gắn thẻ đó.
2.3.1. Dung lượng của thẻ.
Dung lượng thông tin của thẻ RFID có thể lưu trữ được phụ thuộc nhà cung cấp
và loại ứng dụng, thông thường nó có thể mạng thông tin không lớn hơn 2Kb đủ để
lưu trữ dữ liệu về đối tượng nằm trong diện cần quản lý. Các công ty đáng nỗ lực tìm
kiếm sử dụng thẻ đơn giản 96 bit các số thứ tự riêng, các chip này đơn giản, dễ chế tạo
và rẻ, thuận tiện cho các ứng dụng cần đóng gói.
2.3.2. Các thành phần cơ bản của thẻ.
- Antenna : Có nhiệm vụ nhận và truyền dữ liệu với reader, ngoài ra nó còn
nhận năng lượng để kích hoạt thẻ thụ động. Thông thường các thành phần này được in
bằng mực đồng hoặc được cho vào một thẻ plastic nhỏ.Có nhiều dạng antenna, nhất là
UHF, chiều dài của antenna tương ứng với phạm vi đọc của thẻ. Antenna càng lớn thì
phạm vi đọc càng lớn. Những điểm kết nối giữa antenna và vi mạch của thẻ là những
điểm kết nối yếu nhất của thẻ. Nếu có bất kỳ một điểm kết nối nào bị hỏng thì hiệu
suất của thẻ sẽ bị giảm đáng kể hoặc thậm chí thẻ có thể bị hỏng, không thể làm việc
được.
- Vi mạch (CPU) : Lưu trữ thông tin của thẻ, đồng thời nó còn tích hợp một số
đơn vị chức năng khác để đảm bảo cho quá trình trao đổi thông tin.
14


Hình 5: Sơ đồ khối chip CPU trong thẻ RFID
- Bộ điều khiển nguồn: Phần này có chức năng chuyển năng lượng nhận từ tín

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

15


Hình 6: Một số hình dạng của thẻ RFID
2.3.4. Tần số hoạt động
Tần số hoạt động là tần số điện từ mà thẻ dùng để giao tiếp hoặc thu được năng
lượng. Các thẻ và đầu đọc phải được chỉnh về cùng một tần số để liên lạc vớ nhau vì
vậy cần phải chọn tần số đúng cho các ứng dụng cần triển khai. Phổ điện từ mà RFID
thường hoạt động là tần số thấp (LF), tần số cao (HF), siêu cao tần (UHF) và vi sóng
(Microwave) bảng 2-1. Các tần số khác nhau có đặc tính khác nhau nên thích hợp với
các ứng dụng khác nhau.

16

Tên

Khoảng tần

Tần số

số

ISM

LF

30300 kHz

HF

300 MHz

< 135 kHz
6.78 Mhz, 13.56 Mhz, 27.125 Mhz,
40.680 Mhz

UHF

300 Mhz- 3

433.920 Mhz, 869 Mhz, 915 Mhz

Ghz
Vi sóng

> 3 Ghz

2.45 Ghz, 5.8 Ghz, 24.125 Ghz

(microware)

Bảng 1: Khoảng tần số RFID
Trong hoạt động, tần số RFID thực tế bị giới hạn bởi những mức tần số nằm
bên phần Industrial Scientific Medical (ISM). Tần số thấp hơn 135kHz không phải
là tần số ISM, nhưng trong khoảng này hệ thống RFID dùng nguồn năng lượng từ
trường và hoạt động ở khoảng cách ngắn vì vậy nhiễu phát ra ít hơn tại tần số khác.
2.3.5. Khoảng đọc của thẻ.
Khoảng đọc của các thẻ thụ động trên thực tế phụ thuộc vào rất nhiều tham số
như: tần số làm việc, công suất bộ đọc, nhiễu từ các thiết bị vô tuyến khác... thông
thường các thẻ làm việc ở tần số thấp đọc được 50cm hoặc ngắn hơn thế nữa.
Ở những nơi cần đọc ở khoảng cách dài hơn ví dụ toa xe lửa cần sử dụng thẻ tích
cực có nguồn riêng, khoảng cách đọc 100m hoặc xa hơn nữa.

17


Tần số
LF

Khoảng cách đọc lớn nhất của Tag
thụ động
50 cm

HF

UHF
Vi sóng

3m
9m
>10m

Các ứng dụng
Xác định thú nuôi khoảng cách
gần
Cổng vào các tòa nhà
Hộp hoặc kệ
Phân loại xe hơi

Bảng 2: Khoảng đọc của tần số
2.3.6. Phân loại thẻ.
Thẻ gồm có 2 phần chính:
Chip: lưu trữ một số thứ tự duy nhất hoặc thông tin khác dựa trên loại thẻ:
read-only, read-write, hoặc write-one-read-many.
Antenna được gắn với vi mạch truyền thông tin từ chip đến reader. Antenna
càng lớn cho biết phạm vi đọc càng lớn.



Phân loại thẻ RFID dựa trên nguồn cung cấp cho thẻ

Trên cơ sở phân loại thẻ RFID dựa theo nguồn cung cấp cho thẻ, chúng ta có
thể phân ra làm 3 loại chính: Thẻ tích cực, thẻ thụ động và thẻ bán tích cực (bán thụ
động).
- Passive tag (tag thụ động):

Hình 7: Thẻ thụ động
Loại thẻ này không có nguồn bên trong (on-board), sử dụng nguồn nhận được
từ Reader để tự tiếp sinh lực hoạt động và truyền dữ liệu được lưu trữ trong nó cho
Reader. Đây là loại tag được sử dụng rộng rãi hiện nay, giá thành rẻ.
18


+ Phương thức hoạt động: Bộ phận đọc tag sẽ truyền sóng radio đến passive
tag và kích hoạt tag. Sau đó tag sẽ tự động truyền thông tin được mã hóa của nó đến
bộ phận đọc.
Hạn chế: tầm hoạt động hạn chế.
+ Ưu điểm: passive tag không đòi hỏi phải có pin để hoạt động, có vòng đời sử
dụng rất lâu, kích thước nhỏ và rẻ, có thể tái sử dụng. Vì thế phần lớn thẻ RFID hiện
nay là thẻ thụ động.
-Active tag (tag tích cực):

Hình 8: Thẻ tích cực
Là loại tag có gắn pin (một loại gắn pin cố định, một loại có thể thay thế). Thẻ
tích cực sử dụng nguồn năng lượng bên trong để truyên dữ liệu cho reader. Điện tử học
bên trong gồm bộ vi mạch, cảm biến và các cổng vào/ra được cấp nguồn bởi năng
lượng bên trong nó.
+ Phương thức hoạt động: active tag sẽ tự động phát ra tín hiệu trong một bán
kính khoảng100m đến các bộ phận đọc và truyền thông tin được mã hóa.
+ Hạn chế: tag không thể hoạt động nếu không có pin, đắt và có kích thước
tương đối lớn.
+ Ưu điểm: tầm phủ sóng lớn (hơn 100m), có thể sử dụng các nguồn điện để
hoạt động. Trong tương lai gần, các active tag có thể sẽ mang nhưng chức năng sau:


Khả năng tư kiểm soát và theo dõi sản phẩm nó gắn vào.



Có dung lượng thông tin lớn nhất.

 Có thể được gắn với bộ phận tìm kiếm mạng lưới tự động, cho phép nó

19


lựa chọn kênh truyền thông tốt nhất.
Ngoài ra còn có loại thẻ bán thụ động là sự kết hợp giữa thẻ thụ động và chủ
động. Thẻ bán thụ động có sử dụng nguồn pin, khoảng cách đọc thẻ ngắn hơn thẻ
chủ động nhưng xa hơn so với thẻ thụ động.
 Thẻ bán tích cực (Semi-active, còn gọi là bán thụ động semi-passive)

Hình 9: Thẻ bán tích cực
Thẻ bán tích cực có một nguồn năng lượng bên trong (chẳng hạn là bộ pin)
và điện tử học bên trong để thực thi những nhiệm vụ chuyên dụng. Nguồn bên trong
cấp sinh lực cho thẻ hoạt động. Tuy nhiên trong quá trình truyền dữ liệu, thẻ bán
tích cực sử dụng nguồn từ reader. Thẻ bán tích cực được gọi là thẻ có hỗ trợ pin
(Batteryassisted Tag).
Thẻ bán tích cực cũng cho phép đọc tốt hơn ngay cả khi gắn thẻ bằng những
vật liệu chắn tần số vô tuyến (RF-opaque và RF-absorbent). Sự có mặt của những
vật liệu này có thể ngăn không cho thẻ thụ động hoạt động đúng dẫn đến việc truyền
dữ liệu không thành công. Tuy nhiên, đây không phải là vấn đề khó khăn với thẻ
bán tích cực.
Phạm vi hoạt động của thẻ bán tích cực có thể lên tới 100feet (xấp xỉ
30.5m) với điều kiện lý tưởng.

20


2.4.

Đầu đọc (READER).
Đầu đọc thẻ RFID là một thiết bị điện tử tích hợp. Nó gồm các module như:

Module giao tiếp vô tuyến sử dụng Antenna, Module mã hoá và giải mã, Module xử lý
tín hiệu từ thẻ, Module truyền thông ( Hỗ trợ kết nối RS232, USB, LAN…), các
antenna có thể gắn trong đầu đọc hoặc gắn rời. Chúng có nhiệm vụ thu và phát tín hiệu
sóng radio giao tiếp với thẻ.
Đầu đọc RFID có trách nhiệm đọc, ghi và truyền dữ liệu đến thẻ RFID mà
không cần sự liên hệ trực tiếp nào, hoạt động ghi dữ liệu lên thẻ bằng reader được gọi
là tạo thẻ. Quá trình tạo thẻ và kết hợp thẻ với một đối tượng được gọi là đưa thẻ vào
hoạt động (commissioning the tag). Decommissioning thẻ có nghĩa là tách thẻ ra khỏi
đối tượng được gắn thẻ và tùy ý làm mất hiệu lực hoạt động của thẻ. Thời gian mà
reader có thể phát năng lượng RF để đọc thẻ được gọi là chu kỳ làm việc của reader.
Ngoài ra trong một số trường hợp đầu đọc còn cung cấp năng lượng 24 hoạt động cho
các thẻ nếu các thẻ RFID đó là các thẻ thụ động. Các hoạt động ghi đọc được dựa trên
nguyên lí chủ – tớ (Master- Slave). Vai trò của đầu đọc có thể là master hoặc là slave
dựa trên đối tượng truyền thông của đầu đọc là gì. Trong hình dưới phần mềm ứng
dụng đang điều khiển và kích hoạt đầu đọc bằng cách gửi các lệnh ghi đọc. Trong
trường hợp này đầu đọc đóng vai trò là slave cho các chương trình ứng dụng. Mặt khác
đầu đọc bắt đầu truyền thông với lệnh truyền thông từ các chỉ thị của các chương trình
ứng dụng trước đó, nó sẽ thông tin với các thẻ RFID trong phạm vi truy vấn của nó và
trong trường hợp này đầu đọc đóng vai trò là master.
Reader là hệ thần kinh trung ương của toàn hệ thống phần cứng RFID thiết lập
việc truyền với thành phần này và điều khiển nó, là thao tác quan trọng nhất của bất kỳ

thực thể nào muốn liên kết với thực thể phần cứng này.

21


2.4.1. Các thành phần vật lý của một Reader RFID

Hình 10: Các thành phần của một Reader
- Máy phát (Transmitter): Truyền nguồn AC và chu kỳ xung đồng hồ qua
antenna của nó đến thẻ trong phạm vi đọc cho phép, nó chịu trách nhiệm gửi tín hiệu
của reader đến môi trường xung quanh và nhận lại đáp ứng của thẻ qua antenna của
reader.
- Máy thu (Receiver): Nhận tín hiệu tương tự từ thẻ qua antenne của reader.
Sau đó nó gửi những tín hiệu này cho vi mạch của reader, tại nơi này nó được chuyển
thành tín hiệu số tương đương (có nghĩa là dữ liệu mà thẻ đã truyền cho reader được
biểu diễn ở dạng số).
- Vi mạch (Microprocessor): Thành phần này chịu trách nhiệm cung cấp giao
thức cho reader để nó truyền thông với thẻ tương thích với nó. Nó thực hiện việc giải
mã và kiểm tra lỗi tín hiệu tương tự nhận từ máy thu.
- Bộ nhớ: Bộ nhớ dùng lưu trữ dữ liệu như các tham số cấu hình reader và một
bản kê khai các lần đọc thẻ. Vì vậy nếu việc kết nối giữa reader và hệ thống mạch điều
khiển/phần mềm bị hỏng thì tất cả dữ liệu thẻ đã được đọc không bị mất.
- Kênh vào/ra đối với các cảm biến, cơ cấu truyền động đầu từ, bảng tín
hiệu điện báo bên ngoài: Các reader không cần bật suốt. Các thẻ có thể chỉ xuất hiện
lúc nào đó và rời khỏi reader mãi cho nên việc bật reader suốt sẽ gây lãng phí năng
lượng. Thêm nữa là giới hạn vừa đề cập ở trên cũng ảnh hưởng tới chu kỳ làm việc của
22


reader. Thành phần này cung cấp một cơ chế bật và tắt reader tùy thuộc vào các sự

kiện bên ngoài.
- Mạch điều khiển (có thể nó được đặt ở bên ngoài): Là một thực thể cho
phép thực thể bên ngoài là con người hoặc chương trình máy tính giao tiếp, điều khiển
các chức năng của reader, điều khiển bảng tín hiệu điện báo và cơ cấu truyền động đầu
từ kết hợp với reader này.
- Mạch truyền thông: Cung cấp các lệnh truyền đến reader, nó cho phép tương
tác với các thực thể bên ngoài qua mạch điều khiển, để truyền dữ liệu của nó, nhận
lệnh và gửi lại đáp ứng. Thành phần này cũng có thể xem như là một phần của mạch
điều khiển hoặc là phương tiện truyền giữa mạch điều khiển và các thực thể bên ngoài.
- Nguồn năng lượng: Thành phần này cung cấp năng lượng cho các thành phần
của reader. Nguồn năng lượng được được cung cấp cho các thành phần này qua một
dây dẫn điện được kết nối với một ngỏ ra bên ngoài thích hợp.
2.4.2. Phân loại READER.
* Phân loại theo giao diện của Reader
Cũng như Tag, Reader cũng có thể được phân loại bằng hai tiêu chuẩn khác
nhau. Tiêu chuẩn đầu tiên là giao diện mà Reader cung cấp cho việc truyền thông.
Trong tiêu chuẩn này, Reader có thể được phân loại ra như sau:
- Serial
- Network
Serial Reader (Reader nối tiếp) Serial Reader sử dụng liên kết nối tiếp để truyền
trong một ứng dụng. Reader kết nối đến cổng nối tiếp của máy tính dùng kết nối RS232 hoặc RS-485. Cả hai loại kết nối này đều có giới hạn về chiều dài cáp sử dụng kết
nối Reader với máy tính. RS- 485 cho phép cáp dài hơn RS-232.
Ưu điểm của serial Reader là có độ tin cậy hơn network Reader. Vì vậy sử dụng
Reader loại này được khuyến khích nhằm làm tối thiểu sự phụ thuộc vào một kênh
truyền.
Nhược điểm của serial Reader là phụ thuộc vào chiều dài tối đa của cáp sử dụng
để kết nối một Reader với một máy tính. Thêm nữa là thường thì trên một máy chủ thì
số cổng nối tiếp bị hạn chế, có thể phải cần nhiều máy chủ (nhiều hơn số máy chủ đối
23

với các network Reader) để kết nối tất cả các serial Reader. Một vấn đề nữa là việc bảo
dưỡng nếu phần mềm hệ thống cần được cập nhật chẳng hạn, nhân viên bảo dưỡng
phải xử lý mỗi Reader. Tốc độ truyền dữ liệu nối tiếp thường thấp hơn tốc độ truyền
dữ liệu mạng. Những nhân tố này dẫn đến chi phí bảo dưỡng cao hơn và thời gian chết
đáng kể.
Network Reader (Reader hệ thống) kết nối máy tính sử dụng cả mạng có dây
và không dây. Thực tế, Reader hoạt động như thiết bị mạng. Tuy nhiên, chức năng
giám sát SNMP (Simple Network Management Protocol) chỉ sẵn có đối với một vài
loại network Reader. Vì vậy, đa số Reader loại này không thể được giám sát như các
thiết bị mạng chuẩn.
Ưu điểm của network Reader là không phụ thuộc vào chiều dài tối đa của cáp
kết nối Reader với máy tính. Sử dụng ít máy chủ hơn so với serial Reader. Thêm nữa
là phần mềm hệ thống của Reader có thể được cập nhật từ xa qua mạng. Do đó có thể
giảm nhẹ khâu bảo dưỡng và chi phí sở hữu hệ thống RFID loại này sẽ thấp hơn.
Nhược điểm của network Reader là việc truyền không đáng tin cậy bằng serial
Reader. Khi việc truyền bị rớt, chương trình phụ trợ không thể được xử lý. Vì vậy hệ
thống RFID có thể ngừng lại hoàn toàn. Nói chung, Reader có bộ nhớ trong lưu trữ các
lần đọc Tag. Chức năng này có thể làm cho việc chết mạng trong thời gian ngắn đỡ
hơn một ít.
* Phân loại dựa trên tính chuyển động của Reader:
- Cố định một chỗ (stationary).
- Cầm tay (hand-held).
2.5.

Các ứng dụng RFID.

Một số ứng dụng như :
-

Ứng dụng công nghệ RFID trong quản lý và tự động hóa thư viện.
Xây dựng hệ thống quản lý nhân sự ứng dụng công nghệ RFID.
Xây dựng hệ thống quản lý bán hàng ứng dụng công nghệ RFID.

Cũng cùng những khả năng làm cho ý tưởng RFID quản lý dây chuyền có thế
mạnh trong an ninh quốc gia, và luật pháp. Các ứng dụng gồm đặc tính kiểm tra(chẳng
hạn súng cầm tay, thiết bị liên lạc, máy tính), kiểm tra bằng chứng, kiểm tra visa, kiểm
tra cán bộ trong các tiện nghi và xâm nhập hệ thống điều khiển trong các tòa nhà hoặc
24


các phòng (chẳng hạn như các thiết bị ra vào không khóa). Công nghệ RFID được xây
dựng trong việc xử phạt và an ninh quốc gia rộng hơn trong luật pháp.
RFID được ứng dụng trong các lĩnh vực:
- Bảo mật, an ninh:
 Điều khiển truy nhập: Khóa và các thiết bị cố định
 Quy trình quản lý
 Chống trộm: trong việc kinh doanh mua bán.
 RFID trong việc xử phạt
- Giám sát:
 Dây chuyền cung cấp: điều khiển cung cấp trong các nhà kho.
 Người hoặc súc vật: vận động viên, trẻ em, bệnh nhân, gia súc, thú kiểng.
 Tài sản: hành lý trên máy bay, thiết bị, hàng hóa
- Hệ thống thanh toán điện tử:
 Lưu thông: hệ thống thu phí tự động Fastrak, EZ-pass
 Vé: vào cổng công viên, nhà hát, …
 Thẻ tín dụng.
2.6.

Ưu, nhược điểm của hệ thống RFID.

Ưu điểm:
- Không phải sắp xếp: lưu dấu, kiểm soát các đối tượng mà không cần phải sắp

xếp cùng. Điều này tiết kiệm thời gian xử lý rất nhiều.
- Kiểm kê với tốc độ cao: Nhiều đối tượng có thể được quét tại cùng một thời
điểm. Kết quả là, thời gian để đếm các đối tượng đã giảm thực sự.
- Lưu vết đối tượng: thẻ RFID 96 bit cung cấp khả năng nhận dạng hàng tỉ đối
tượng.
- Khả năng ghi lại (ghi đè) thông tin: một số loại thẻ cho phép ghi và ghi lại
nhiều lần. Trong trường hợp tái sử dụng các bao bì, đây là một thuận lợi lớn.
25