Tìm hiểu công nghệ rfid và ứng dụng

PHẠM VĂN TRANH

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
  

PHẠM VĂN TRANH
NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ TIN HỌC

TÌM HIỂU CƠNG NGHỆ RFID VÀ
ỨNG DỤNG

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ TIN HỌC

KHOÁ 2009 - 2011

HÀ NỘI - 2011


MỤC LỤC
Nội dung

Trang

Mục lục ..........................................................................................................2
Danh mục các hình vẽ ....................................................................................7
Danh mục các bảng biểu ...............................................................................10
Danh sách các từ viết tắt ...............................................................................11
Lời cam đoan .................................................................................................. 14

Mở đầu ...........................................................................................................15

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ NHẬN DẠNG TỰ ĐỘNG
1.1 Mã vạch (Barcode) ..................................................................................... 18
1.2 Nhận dạng ký tự quang học (OCR)............................................................... 19

1.3 Phương pháp sinh trắc học (Biometric) ..............................................20
1.3.1 Nhận dạng giọng nói ..........................................................................20
1.3.2 Nhận dạng vân tay .............................................................................21
1.4 Thẻ thơng minh (Smart card) ..................................................................... 21
1.4.1 Thẻ nhớ (memory card) ........................................................................ 22
1.4.2 Thẻ chíp (microprocessor card) ............................................................. 23
1.5 Hệ thống RFID .......................................................................................... 24
1.6 Kết luận...................................................................................................... 25

1


CHƯƠNG 2. CƠNG NGHỆ RFID .............................................................26
2.1 RFID là gì? Tần số sử dụng và các quy chuẩn ......................................... 26
2.1.1 RFID là gì? ........................................................................................... 26
2.1.2 Tần số sử dụng và các quy chuẩn trong RFID ....................................... 27
2.1.2.1 Tần số thấp (LF) ............................................................................. 27
2.1.2.2 Tần số cao (HF) .............................................................................. 27
2.1.2.3 Tần số siêu cao (UHF) .................................................................... 27
2.1.2.4 Dải tần viba .................................................................................... 29
2.1.3 Các quy chuẩn về RFID ........................................................................ 29
2.2 Các thành phần của hệ thống RFID ......................................................... 31
2.3 Phân loại và nguyên lý hoạt động của RFID ............................................ 32
2.3.1 Phân loại theo phương pháp cấp nguồn cho thẻ ..................................... 32

2.3.1.1 Thẻ thụ động (Passive tag) ............................................................. 33
2.3.1.2 Thẻ chủ động (Active tag) .............................................................. 34
2.3.1.3 Thẻ bán chủ động (Semi-active tag) ............................................... 35
2.3.2 Phân loại theo phương thức truyền dữ liệu giữa thẻ và đầu đọc ............. 36
2.3.2.1 Thẻ RFID 1 bit ............................................................................... 36
2.3.2.1.1 Thẻ 1 bit sử dụng tần số vô tuyến .............................................. 37
2.3.2.1.2 Thẻ 1 bít sử dụng sóng viba ...................................................... 39
2.3.2.1.3 Thẻ 1 bit sử dụng phương pháp chia tần ................................... 41
2.3.2.1.4 Thẻ 1 bit sử dụng phương pháp âm từ (Acoustomagnetic) ....... 42
2.3.2.2 Hệ thống RFID song công và bán song công .................................. 43
2


2.3.2.2.1 Hệ thống ghép điện cảm........................................................... 43
2.3.2.2.2 Ghép điện từ tán xạ ngược (backscatter) .................................. 47
2.3.2.2.3 Hệ thống RFID ghép gần (Close coupling)............................... 50
2.3.2.3 Hệ thống RFID tuần tự ................................................................... 52
2.3.2.3.1 Hệ thống RFID tuần tự ghép điện cảm ..................................... 52
2.3.2.3.2 Hệ thống RFID tuần tự sử dụng sóng âm bề mặt ..................... 54
2.4 Mã hóa, điều chế, bảo mật và chống đụng độ trong RFID ...................... 57
2.4.1 Mã hóa và điều chế ............................................................................... 57
2.4.1.1 Mã hóa băng cơ bản ....................................................................... 57
2.4.1.2 Điều chế số..................................................................................... 59
2.4.1.2.1 Khóa dịch biên (ASK)............................................................... 59
2.4.1.2.2 Khóa dịch tần 2FSK ................................................................. 60
2.4.1.2.3 Khóa dịch pha 2PSK ................................................................ 61
2.4.2 Bảo mật dữ liệu..................................................................................... 61
2.4.2.1 Thủ tục xác thực lẫn nhau ............................................................... 61
2.4.2.2 Bảo mật trong truyền dữ liệu .......................................................... 64
2.4.2.2.1 Mã hóa luồng (stream ciphering).............................................. 65

2.4.3 Đa truy cập, chống đụng độ .................................................................. 66
2.4.3.1 ALOHA ........................................................................................ 69
2.4.3.2 Slotted ALOHA............................................................................. 71

2.5 Ưu nhược điểm và ứng dụng của RFID ................................................... 72

3


2.5.1 Ưu điểm ................................................................................................ 72
2.5.2 Hạn chế................................................................................................. 73
2.5.3 Ứng dụng của RFID .............................................................................. 74
2.6 Kết luận...................................................................................................... 79

CHƯƠNG 3. THIẾT KẾ, CHẾ TẠO HỆ THỐNG RFID CHỦ ĐỘNG HOẠT
ĐỘNG Ở TẦN SỐ 433MHz ........................................................................80
3.1 Yêu cầu kỹ thuật đặt ra của hệ thống và giải pháp thực hiện ................. 80
3.2 Giới thiệu về ADF7020-1 và Atmega88 .................................................... 81
3.2.1 ADF7020-1 ........................................................................................... 81
3.2.1.1 Tính năng chính và ứng dụng ......................................................... 82
3.2.1.1.1 Tính năng chính ....................................................................... 82
3.2.1.1.2 Ứng dụng ................................................................................. 83
3.2.1.2 Kiến trúc ADF7020-1 ..................................................................... 84
3.2.1.2.1 Khối tổng hợp tần số ................................................................ 85
3.2.1.2.2 Khối phát ................................................................................. 87
3.2.1.2.2 Khối thu ................................................................................... 90
3.2.1.3 Lập trình cho ADF 7020-1 và các phầm mềm hỗ trợ ...................... 94
3.2.2 Vi điều khiển ATmega88, ATmega128 ................................................. 97
3.2.2.1 Tính năng chính............................................................................... 97
3.2.2.2 Kiến trúc Atmega48/88/128............................................................ 99

4


3.2.2.2 .1 Khối xử lý trung tâm (CPU) .................................................... 99
3.2.2.2 .2 Tổ chức bộ nhớ ..................................................................... 103
3.2.2.3 Các chế độ tiếp kiệm năng lượng của Atmega 48/88/168.............. 105
3.2.2.3.1 Chế độ rỗi (Idle)..................................................................... 106
3.2.2.3.2 Chế độ giảm nhiễu cho ADC ................................................. 106
3.2.2.3.3 Chế độ power-down ............................................................... 106
3.2.2.3.4 Chế độ tiết kiệm năng lượng (power-save) ............................. 106
3.2.2.3.5 Chế độ chờ (stand-by) ............................................................ 106
3.3 Thiết kế hệ thống RFID hoạt động ở tần số 433MHz ............................ 106
3.3.1 Thiết kế thẻ ......................................................................................... 106
3.3.1.1 Sơ đồ khối chức năng ................................................................... 106
3.3.1.2 Sơ đồ mạch nguyên lý .................................................................. 107
3.3.2 Thiết kế đầu đọc.................................................................................. 109
3.3.2.1 Sơ đồ khối chức năng ................................................................... 109
3.3.2.2 Sơ đồ nguyên lý................................ Error! Bookmark not defined.

3.4 Kết luận..................................................................................................... 111

CHƯƠNG 4.ỨNG DỤNG RFID TRONG QUẢN LÝ KHÁCH SẠN
4.1 Phân tích .................................................................................................. 112

4.1.1 Cơ cấu hành chính của một khách sạn vừa và nhỏ............................. 112
4.1.2 Các nghiệp vụ lễ tân trong khách sạn.................................................. 113
4.1.3 Các thông tin cần quản lý ....................................................................... 115

4.1.4 Các yêu cầu chức năng của ứng dụng .............................................117

5


4.2 Thiết kế ................................................................................................118
4.2.1 Thiết kế phần cứng ...........................................................................118
4.2.1.1 Sơ đồ khối hệ thống .......................................................................118
4.2.1.2 Các khối chức năng của mạng RS485...........................................119
4.2.2 Thiết kế phần mềm ..........................................................................122
4.2.2.1 Sơ đồ chức năng – Biểu đồ tương tác – Biểu đồ tuần tự .............. 118
4.2.2.2 Thiết kế cơ sở dữ liệu……………….………………………………..

125

KẾT LUẬN CHUNG ................................................................................131
TÀI LIỆU THAM KHẢO .........................................................................132
PHỤ LỤC...................................................................................................133
Phụ lục Mô tả chân và thanh ghi của ADF7020-1............................................. 133

6


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình 1. 1 Cấu trúc mã vạch EVN [2] ..................................................................... 19
Hình 1. 2 Mã vạch ghi mã số sách (ISBN)[2]......................................................... 19
Hình 1. 3 Phơng chữ OCR [2] ................................................................................ 20
Hình 1. 4 Vân tay và các đặc điểm dùng để nhận dạng [2] ..................................... 21
Hình 1. 5 kiến trúc điển hình của thẻ nhớ [2] ......................................................... 23
Hình 1. 6 Kiến trúc điển hình của thẻ chíp [2]........................................................ 23
Hình 1. 7 Thẻ sim có khả năng lưu trữ 64kbyte dữ liệu .......................................... 24
Hình 2. 1 Các dải tần dành cho ứng dụng RFID ..................................................... 27

Hình 2. 2 Hệ thống RFID điển hình [1] .................................................................. 32
Hình 2. 3 Thẻ thụ động 2.4GHz chế tạo bởi Alien Technology [1]......................... 33
Hình 2. 4 Thẻ thụ động 915 MHz chế tạo bởi Intermec Corporation [1]................. 33
Hình 2. 5 Thẻ chủ động liên lạc theo kiểu hỏi đáp [1] ............................................ 34
Hình 2. 6 Thẻ chủ động liên lạc theo kiểu chủ động phát [1].................................. 35
Hình 2. 7 Thẻ chủ động có bộ phát hiện chuyển động chế tạo bởi RFCODE [1] .... 35
Hình 2. 8 nguyên lý hoạt động của thiết bị EAS sử dụng tần số vơ tuyến [2] ......... 38
Hình 2. 9 Ăng ten khung của đầu đọc (cao 1.20–1.60m) (trái) và thẻ (phải) [2] ..... 39
Hình 2. 10 Thẻ 1 bit sử dụng sóng viba [2] ............................................................ 40
Hình 2. 11 thẻ 1 bit sử dụng sóng viba trong vùng đọc của đầu đọc [2].................. 40
Hình 2. 12 Hệ thống EAS sử dụng phương pháp chia tần [2] ................................. 41
Hình 2. 13 hệ thống RFID sử dụng thẻ 1 bít âm từ [2] ........................................... 43
Hình 2. 14 hệ thống rfid ghép điện cảm [2] ............................................................ 43
Hình 2. 15 Các thiết kế khác nhau của thẻ ghép điện cảm [2]................................. 44
Hình 2. 16 Đầu đọc RFID ghép điện cảm hoạt động ở tần số < 135KHz [2] .......... 45
Hình 2. 17 Hệ thống RFID truyền dữ liệu bằng phương pháp điều chế tải.............. 46
Hình 2. 18 Phổ tần của tín hiệu điều chế tải với sóng mang phụ [2] ....................... 47

7


Hình 2. 19 Thẻ RFID tán xạ ngược có pin cấp nguồn cho vi chíp [2] ..................... 49
Hình 2. 20 Nguyên lý hoạt động của thẻ RFID tán xạ ngược [2] ............................ 50
Hình 2. 21 Đầu đọc và thẻ trong hệ thống ghép gần [2].......................................... 51
Hình 2. 22 ghép điện dung giữa đầu đọc và thẻ trong hệ thống ghép gần [2].......... 52
Hình 2. 23 Sơ đồ khối của thẻ trong hệ thống RFID tuần tự [2] ............................. 54
Hình 2. 24 điện áp của tụ tích điện trên thẻ trong một chu kỳ phát dữ liệu [2] ........ 54
Hình 2. 25 Layout vủa thẻ SAW [2]....................................................................... 55
Hình 2. 26 Các kiểu mã hóa băng cơ bản sư dụng trong RFID [2] ......................... 58
Hình 2. 27 Tín hiệu điều chế ASK [2].................................................................... 60

Hình 2. 28 điều chế 2FSK [2] ................................................................................ 60
Hình 2. 29 Điều chế 2PSK [2]................................................................................ 61
Hình 2. 30 Thủ tục xác thực lẫn nhau giữa đầu đọc và thẻ [2] ................................ 62
Hình 2. 31 Thủ tục xác thực lẫn nhau[2] ................................................................ 63
Hình 2. 32 Sự tấn cơng vào q trình truyền dữ liệu [2] ......................................... 64
Hình 2. 33 Dữ liệu phát được bảo vệ hiệu quả nhờ mã hóa [2] ............................... 65
Hình 2. 34 Trong thủ tục one-time pad, khóa mã [2] .............................................. 66
Hình 2. 35 Phát khóa mã bằng bộ tạo mã giả ngẫu nhiên [2] .................................. 66
Hình 2. 36 Phát quảng bá từ đầu đọc tới thẻ [2] ..................................................... 67
Hình 2. 37 Đa truy cập [2] ..................................................................................... 68
Hình 2. 38 Giao thức ALOHA [2].......................................................................... 70
Hình 2. 39 So sánh lưu lượng trong hai giao thức ALOHA và Slotted ALOHA [2] 71
Hình 2. 40 Một thẻ HF chế tạo bởi tập đồn Maxell [2] ......................................... 73
Hình 2. 41 Trạm thu phí giao thơng tự động ở Singapore [2] ................................. 75
Hình 2. 42 Vé máy bay của hãng Lufthansa (Đức) [2] ........................................... 75
Hình 2. 43 Vé xe buýt sử dụng công nghệ RFID ở Hàn Quốc (Bus Card) [2]......... 75
Hình 2. 44 Hệ thống RFID được gắn vào đường ray và đầu máy quản lý tàu [2].... 76
Hình 2. 45 Thẻ RFID (thẻ EPC) sử dụng bởi Wal-Mart [9] .................................... 76
Hình 2. 46 Máy in thẻ (kiêm đầu đọc) và thẻ RFID được gắn vào hang hóa [2] ..... 77
8


Hình 2. 47 chìa khóa xe ơ tơ được tích hợp thẻ RFID chống trơm [2] ................... 77
Hình 2. 48 Thẻ ra vào cửa được tích hợp vào trong đồng hồ đeo tay [2] ................ 78
Hình 2. 49 Thẻ RFID được cấy vào gia súc [2] ...................................................... 78
Hình 2. 50 Hệ thống tự động vắt sữa bò với sự hỗ trợ của RFID [2] ...................... 69
Hình 2. 51 Chíp RFID được cấy dưới da [2] .......................................................... 79
Hình 3. 1 Cấu trúc chân của ADF 7020-1 [3] ......................................................... 84
Hình 3. 2 Sơ đồ khối chứa năng của ADF7020-1 [3] ............................................. 84
Hình 3. 3 Mạch tạo dao động tham chiếu [3] ......................................................... 85

Hình 3. 4 Mạch lọc [3] ........................................................................................... 86
Hình 3. 5 VCO, mạch lọc và bộ chia N [3]............................................................. 86
Hình 3. 6 quan hệ giữa tần số hoạt động với tổng cảm kháng [3] ........................... 87
Hình 3. 7 Bộ dao động điều khiển bởi điện áp (VCO) [3] ...................................... 87
Hình 3. 8 Cấu hình của bộ PA trong chế độ điều chế FSK/GFSK [3] ..................... 88
Hình 3. 9 Cấu hình bộ PA trong chế độ điều chế ASK/OOK [3] ............................ 88
Hình 3. 10 Thực hiện điều chế FSK [3].................................................................. 89
Hình 3. 11 Bộ khuếch đại tạp âm thấp và bộ trộn tần [3]........................................ 91
Hình 3. 12 Khối đo RSSI [3].................................................................................. 91
Hình 3. 13 Giải điều chế FSK tương quan [3] ........................................................ 94
Hình 3. 14 Giải điều chế FSK tuyến tính [3] .......................................................... 94
Hình 3. 15 Sơ đồ thời gian của giao diện nối tiếp ................................................... 95
Hình 3. 16 Sơ đồ thời gian của tín hiệu readback [3] .............................................. 95
Hình 3. 17 Sơ đồ thời gian của dữ liệu thu ............................................................. 96
Hình 3. 18 Sơ đồ thời gian của dữ liệu phát [3] ...................................................... 96
Hình 3. 19 Cấu hình chân của Atmega88 với kiểu đóng gói TQFP [5] ................... 99
Hình 3. 20 Sơ đồ khối của AVR [5] ..................................................................... 101
Hình 3. 21 Kiến trúc khối xử lý trung tâm (CPU) [5] ........................................... 102
Hình 3. 22 Cấu trúc thực hiện lệnh song song [5]................................................. 102
Hình 3. 23 Sơ đồ thời gian thực hiện phép tính của ALU [5] ............................... 103
9


Hình 3. 24 Tổ chức tộ nhớ chương trình trong atmega88/128 [5] ......................... 104
Hình 3. 25 Tổ chức bộ nhớ dữ liệu [5] ................................................................. 104
Hình 3. 26 Sơ đồ khối chức năng của thẻ ............................................................. 107
Hình 3. 27 Sơ đồ mạch nguyên lý của thẻ ............................................................ 108
Hình 3. 28 Sơ đồ khối của đầu đọc....................................................................... 109
Hình 3. 29 Sơ đồ mạch nguyên lý ....................................................................... 110
Hình 4.1 Cơ cấu của một khách sạn .................................................................... 113

Hình 4.2 Sơ đồ khối hệ thống .............................................................................. 118
Hình 4.3 Sơ đồ khối mạng RS485 ........................................................................ 119
Hình 4.4 Sơ đồ nguyên lý bộ điều khiển mạng ..................................................... 119
Hình 4.5 Sơ đồ ngun lý khối nguồn của khóa ................................................... 120
Hình 4.6 Sơ đồ nguyên lý của mạch hiển thị và mạch cơng suất .......................... 121
Hình 4.7 Sơ đồ chức năng của khách sạn ............................................................. 122
Hình 4.8 Biểu đồ tương tác xem thơng tin............................................................ 122
Hình 4.9 Biểu đồ tương tác cập nhật thơng tin ..................................................... 123
Hình 4.10 Biểu đồ tương tác tra cứu thơng tin...................................................... 123
Hình 4.11 Biểu đồ tuần tự xem thơng tin ............................................................. 124
Hình 4.12 Biểu đồ tuần tự cập nhật thơng tin ....................................................... 124
Hình 4.13 Biểu đồ tuần tự tra cứu thơng tin ......................................................... 125
Hình 4.14 Sơ đồ ERD của cơ sở dữ liệu ............................................................... 129

Danh sách các bảng biểu
Bảng 1. 1 So sánh các hệ phương pháp nhận dạng ................................................. 24
Bảng 2. 1 Quy định về tần số sử dụng cho RFID trên thế giới ................................ 28
Bảng 4. 1 Danh sách các thuộc tính ..................................................................... 125

10


DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT
A
AFC

Automatic Friquency Control

Bộ tự động điều chỉnh tần số

ALU

Arithmetic and Logic Unit

Đơn vị toán học- logic

ASK

Amplitude Shift Keying

Khóa dịch biên

ADC

Analog to Degital Converter

Chuyển đổi tương tự - số

AGC

Automatic Gain Control

Bộ tự động điều chỉnh độ lợi

Bit rate

Tốc độ bit

CP

Charge Pump

Bộ bơm điện

CPU

Central Processing Unit

Khối xử lý trung tâm

B

C

CDMA Code Division Multiple Access

Đa truy cập phân chia theo mã

D
Giao diện 2 dây trong đó tín hiệu trên

Differential

2 dây bù nhau
Deviation

Tần số lệch

Frequency Shift Keying

Khóa dịch tần

F
FSK

FDMA Frequency Division Multiple Acces Đa truy nhập phân chia theo tần số
G
GFSK Gaussian Frequency Shift Keying

Khóa dịch tần- Gaussian

H
Kiến trúc tổ chức bộ nhớ chương trình

Harvard architecture

tách biệt với bộ nhớ dữ liệu
I

11


I2 C

Giao diện 2 dây

InterSymbol Interference

Nhiễu liên ký tự

Low Noise Amplifier

Bộ khuếch đại tạp âm thấp

Layout

Bố trí linh kiên và đi dây trên mạch in

Million Instructions Per Second

Triệu lệnh trên một giây

Multiplexer

Bộ ghép kênh

Mixer

Bộ trộn tần

On-Off keying

Khóa tắt – bật

PA

Power Amplifier

Khuếch đại cơng suất

PLL

Phase locked loop

Vịng khóa pha

PFD

Phase Fryquency Detector

Bộ phát hiện sai pha

PI

Proportional-Integral controller

Điều khiển tỷ lệ tích phân

Preamble

Chuỗi đầu của luồng dữ liệu

PWM

Pulse Width Modulation

Điều chế độ rộng xung

PC

Program Counter

Bộ đếm chương trình

Radio Fryquency Identification

Tự động nhận dạng sử dụng sóng vơ

P

ISI

P

L
LNA

M
MIPS

O
OOK
P

R
RFID

tuyến
Tín hiệu số phản hồi

Readbach
RSSI

RISC

Received Signal Strength Indication Chỉ thị mức tín hiệu thu
Regulator

Bộ điều khiển điện áp

Run-length

Số lần lặp lại của 1 bit trong luồng bit

Reduced instruction set computer

Máy tính dùng tập lệnh rút gọn

12


Reset

Khởi động lại

Single-ended

Giao diện 2 dây trong đó một dây tín

S

hiệu và 1 dây đất
SPI

Stream Ciphering

Mã hóa luồng

Serial Peripheral Interface Bus

Giao diện bus ngoại vi nối tiếp

SDMA Space Division Multiple Access

Đa truy cập phân chia theo không gian

T
TDMA Time Division Multiple Access

Đa truy cập phân chia theo thời gian

U
UHF

Ultra-High Frequency

Tần số siêu cao

Voltage-controlled oscillator

Bộ dao động điều khiển bởi điện áp

V
VCO

13


CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM.
Độc lập – Tự do – Hạnh phúc
------------------------------------LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan luận văn này là do tôi tự thiết kế dưới sự hướng dẫn của Thầy
giáo TS. Phạm Ngọc Nam. Các số liệu, kết quả trong luận văn là hoàn toàn trung thực.
Để hồn thành bài luận văn này, tơi chỉ sử dụng những tài liệu tham khảo đã được
liệt kê trong bảng Các tài liệu tham khảo, không sử dụng tài liệu khác không ghi trong
bảng liệt kê.
Học viên

Phạm Văn Tranh

14


MỞ ĐẦU
Trong những năm gần đây, phương pháp tự động nhận dạng (Auto-ID) trở nên rất
phổ biến trong rất nhiều lĩnh vực trong cuộc sống và sản xuất. Thủ tục tự động nhận dạng
xuất hiện sẽ phục vụ việc cung cấp thông tin, nhận diện, theo dõi, bám sát người, động
vật, hay sản phẩm hàng hóa trong lưu thơng.
Mã vạch có mặt ở khắp mọi nơi là sự khởi đầu cho công nghệ nhận dạng tự động,
được xuất hiện từ khá lâu và đang thể hiện sự hạn chế của nó. Mã vạch có thể rất rẻ,
nhưng hạn chế lớn của nó là dung lượng lưu trữ thơng tin thấp không đáp ứng nhu cầu về

lưu trữ thông tin (thông tinh về nhận dạnh, thông tin về đối tượng được gắn nhãn…)
trong nền sản xuất và thương mại hiện đại.
Một giải pháp cơng nghệ tối ưu hơn sẽ có khả năng lưu trữ dữ liệu vào chíp
silicon. Thiết bị thơng dụng nhất thuộc loại có thể lưu trữ thơng tin được sử dụng trong
cuộc sống hằng ngày là thẻ thông minh tiếp xúc (smart card) ( như thẻ điện thoại, thẻ
ngân hàng). Tuy nhiên, cơ chế tiếp xúc sử dụng trong loại thẻ thơng minh này đơi khi
khơng thích hợp trong thực tế. Sự truyền dữ liệu theo cách không tiếp xúc giữa thiết bị
mang dữ liệu và đầu đọc của nó sẽ trở nên mềm dẻo hơn nhiều! Trong trường hợp lý
tưởng, năng lượng cung cấp cho hoạt động của thiết bị cũng có thể truyền từ đầu đọc
thơng qua công nghệ không tiếp xúc. Bởi do công nghệ được sử dụng để truyền năng
lượng và dữ liệu, một hệ thống nhận dạng không tiếp xúc như vậy được gọi là hệ thống
nhận dạng nhờ sóng vơ tuyến (RFID-Radio Frequency Identification).
Số lượng lớn các cơng ty trên tồn thế giới về cả phát triển lẫn kinh doanh trong
lĩnh vực RFID đã chỉ ra rằng thị trường RFID là rất đáng chú ý. Trong khi doanh số kinh
doanh trong lĩnh vực liên quan đến RFID xấp xỉ 900 triệu USD trong năm 2000, con số
này được dự đoán là 2650 triệu USD trong năm 2005 và 9,7 tỷ USD trong năm 2013. Thị
trường RFID như vậy trở thành khu vực tăng trưởng nhanh nhất trong công nghiệp vô
tuyến. Những điều này phần nào thể hiện sức hút lớn và tiềm năng phát triển của cơng
nghệ RFID. Ngồi ra, trong những năm gần đây, nhận dạng không tiếp xúc đang phát

15


triển như một lĩnh vực nghiên cứu độc lập. Nó là sự kết hợp của nhiều lĩnh vực khác nhau
như: công nghệ vô tuyến, công nghệ bán dẫn, bảo vệ và mã hóa dữ liệu, truyền thơng,
cơng nghệ chế tạo và nhiều lĩnh vực liên quan khác.
Ở Việt Nam, là nước đang phát triển và đang từng bước hội nhập, đầu tư phát triển
về khoa học công nghệ, từng bước tiếp thu và làm chủ nền công nghệ tiên tiến của nhân
loại là một hướng đi cần thiết và đúng đắn để đưa đất nước ta tiến lên thành một nước
cơng nghiệp hiện đại. Khơng đứng ngồi xu thế phát triển của thế giới, công nghệ RFID

đang được phát triển, ứng dụng và từng bước xâm nhập vào nền sản xuất cũng như đời
sống của nước ta, tuy nhiên, phải thừa nhận rằng so với thế giới và những lợi ích tuyệt
vời mà RFID có thể mang lại thì có thể nói chúng ta đang biết về RFID q ít. Nhận thức
được những lợi ích to lớn của RFID, xu hướng phát triển của nó cũng như thực trạng ứng
dụng RFID ở nước ta, trong đề luận văn tốt nghiệp này tơi tập trung vào tìm hiểu cơng
nghệ tiên tiến này. Ngồi tìm hiểu về lý thuyết RFID tơi cũng cố gắng thiết kế một hệ
thống RFID chủ động hoạt động ở tần số 433MHz. Nội dung chi tiết sẽ được lần lượt giới
thiệu ở các chương tiếp theo của luận văn, cụ thể:
Chương 1: Tổng quan về các công nghệ nhận dạng- chương này giới thiệu
sơ lược về các công nghệ nhận dạng đã và đang được sử dụng như mã vạch, nhận dạng
bằng ký tự quang, nhận dạng vân tay…, đồng thời cũng trình bày các ưu nhược điểm của
các hệ thống này để quá đó thấy được ưu điểm vượt trội của công nghệ RFID.
Chương 2: Công nghệ RFID- chương này tập trung trình bày các vấn đề
liên quan đến RFID như: RFID là gì, hoạt động như thế nào, phân loại hệ thống RFID,
giao thức và phương thức bảo mật, tần số được sử dụng và các quy định cần quan tâm khi
thiết kế hệ thống RFID. Tuy nhiên, RFID là một công nghệ nên đi kèm với nó là rất nhiều
vấn đề liên quan, trong khuôn khổ luận văn tốp nghiệp em chỉ xin giới thiệu một số vấn
đề chính để có thể có được cái nhìn khái quát nhất về RFID.
Chương 3: Thiết kế hệ thống RFID chủ động hoạt động ở tần số 433MHzchương này tôi dành để giới thiệu về IC thu phát cao tần ADF7020-1, vi điều khiển

16


Atmega88 và tính tốn, thiết kế hệ thống RFID chủ động (gồm đầu đọc và thẻ) hoạt động
ở tần số 433MHz dựa trên việc sử dụng kết hợp hai IC này.
Chương 4: Ứng dụng RFID trong quản lý khách sạn - chương này trình bày
việc ứng dụng hệ thống RFID thiết kế trong chương trước vào việc quản lý khách sạn.

17

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ NHẬN DẠNG TỰ
ĐỘNG
Chương đầu này được dành để giới thiệu tổng quan về các công nghệ nhận dạng tự
động được sử dụng trên thế giới. Từ công nghệ nhận dạng đã chiếm vị trí “thống tri”
trong một thời gian dài như mã vạch tới các công nghệ cao như nhận dạng vân tay, giọng
nói và cuối cùng là cơng nghệ RFID sẽ được lần lượt trình bày trong chương này. Một sự
so sánh mang tính tổng kết cũng sẽ được trình bày ở phần cuối của chương.
1.1 Mã vạch (Barcode)
Mã vạch đã giữ vị trí thống trị của nó so với các hệ thống nhận dạng khác trong
vòng hơn 20 năm qua. Người ta đã thống kê rằng tổng doanh thu của của hệ thống mã
vạch vào đầu những năm 1990 là khoảng 3 tỷ đô la Mỹ.
Mã vạch là một loại mã nhị phân bao gồm một trường các vạch (bar) và các khe
hở (gap) được sắp xếp song song với nhau. Chúng được sắp xếp theo các mẫu xác định
trước và thể hiện các phần tử dữ liệu tương ứng với các ký tự. Chuỗi hình được tạo ra từ
các vạch rộng – hẹp, các khe hở có thể được hiểu dưới dạng số hoặc dạng chữ số
(alphanumerical). Mã vạch có thể được đọc bởi các máy quét laze bằng cách phát hiện sự
khác nhau của chùm tia laze phản xạ từ các vạch màu đen và các khe hở màu trắng. Tuy
nhiên, mặc dù đồng dạng về thiết kế vật lý, vẫn có sự khác biệt đáng kể về mặt sắp xếp
mã trong khoảng 10 loại mã vạch khác nhau đang được sử dụng ngày nay.
Mã vạch thông dụng nhất là mã EAN (European Article Number), nó được thiết
kế một cách chuyên biệt để đáp ứng yêu cầu của ngành công nghiệp thực phẩm vào năm
1976. Mã vạch EVN là một sự phát triển của mã UPC (Universal Product Code), đã được
giới thiệu ở Mỹ vào đầu năm 1973. Ngày nay, mã UPC là tập con của mã EVN do đó nó
hồn tồn tương thích với mã EVN.
Mã EVN được tạo ra từ 13 chữ số, gồm : mã nhận diện quốc gia, mã nhận diện
công ty, số hiệu của sản phẩm và một số dùng để kiểm tra mã (Hình 1.2).

18

Ngồi mã EVN, cịn có các mã thơng dụng trong các lĩnh vực khác nhau như (hình
1.3):
- Mã Codabar: sử dụng trong ngành dược phẩm và y tế; trong các lĩnh vực yêu cầu
độ an toàn cao.
- Mã 2/5 xen kẽ: sử dụng trong cơng nghiệp tự động hóa, lưu trữ hàng hóa, các
cơng-tê-nơ vận chuyển hàng và ngành cơng nghiệp nặng.
- Mã 39: sử dụng trong công nghiệp chế biến thực phẩm, sản xuất hàng tiêu dùng,
trong các trường học và thư viện.

Hình 1. 1 Cấu trúc mã vạch EVN [2]

Hình 1. 2 Mã vạch ghi mã số sách (ISBN)[2]
1.2 Nhận dạng ký tự quang học (OCR)
Nhận dạng ký tự quang học (OCR-Optical character recognition) được sử dụng
lần đầu tiên vào năm 1960. Một loại phông chữ đặc biệt đã được phát triển riêng cho ứng
dụng này, chúng đã được biến điệu để có thể được đọc theo cách thông thường bởi con
người hoặc được đọc tự động bởi máy. Một ưu điểm quan trọng nhất của hệ thống mã
OCR là lưu trữ được thông tin với mật độ cao và khả năng đọc bằng mắt thường trong
19


trường hợp dự phòng (hoặc đơn giản là để kiểm tra). Ngày nay, mã OCR được sử dụng
trong ngành sản xuất, dịch vụ, trong lĩnh vực hành chính hay trong lĩnh vực ngân hàng
(như sử dụng trong tờ sec: các dữ liệu cá nhân như tên, số tài khoản được in trên tờ séc
dưới dạng mã OCR ).

Hình 1. 3 Phơng chữ OCR [2]
Tuy nhiên, mã OCR có một nhược điểm dẫn đến chúng không được sử dụng rộng
rãi là giá thành cao và đầu đọc phức tạp.

1.3 Phương pháp sinh trắc học (Biometric)
Sinh trắc học (Biometric) được đinh nghĩa là ngành khoa học tính tốn và đo đạc
các đặc tính của cơ thể sống. Khi xét về khía cạnh nhận dạng, sinh trắc học là khái niệm
chung cho tất cả các phương pháp nhận dạng con người bằng cách so sánh những đặc
điểm vật lý riêng biệt không thể nhầm lẫn của các cá nhân khác nhau. Trong thực tế, có
các phương pháp sinh trắc học là: nhận dạng vân tay, nhận dạng giọng nói, nhận dạng
võng mạc.
1.3.1 Nhận dạng giọng nói
Gần đây, đã có các hệ thống chuyên dụng nhận dạng người bằng giọng nói. Trong
hệ thống như vậy, người sử dụng (người cần được nhận dạng) nói vào một micorophone
được kết nối với máy tính. Thiết bị này sẽ chuyển đổi giọng nói thành tín hiệu số, sau đó
tín hiệu số sẽ được phân tích bởi một phần mềm nhận dạng.
Mục đích của nhận dạng bằng giọng nói là kiểm tra nhận dạng của một người dựa
trên giọng nói của người đó. Điều này đạt được bằng cách kiểm tra đặc tính giọng nói
dựa vào các mẫu tham chiếu có sẵn.

20


1.3.2 Nhận dạng vân tay
Ngành tội phạm học đã sử dụng phương pháp nhận dạng vân tay để nhận dạng tội
phạm từ đầu thế kỷ XX. Quá trình này dựa trên sự so sánh các nhú và các đường vân trên
đầu ngón tay, được thực hiện khơng chỉ trực tiếp trên các ngón tay mà cịn có thể thơng
qua các đồ vật mà người cần nhận dạng chạm vào (ví dụ nhận dạng đối tượng nghi vấn
thông qua các dấu vân tay thu được từ hiện trường các vụ án).
Khi nhận dạng vân tay được sử dụng cho nhận người, thường trong các thủ tục
nhận dạng ra vào cửa, đầu ngón tay của người cần nhận dạng phải được đặt trên một đầu
đọc chun dụng. Hệ thống sẽ tính tốn dữ liệu thu được từ mẫu vân tay đọc được và so
sánh nó với các mẫu tham chiếu được lưu trữ. Các hệ thống nhận dạng vân tay hiện đại
yêu cầu ít hơn nửa giây để nhận dạng một vân tay. Để chống lại sự giả mạo, hệ thống

nhận dạng vân tay thậm chí cịn được phát triển để có thể phát hiện được ngón tay đang
đặt trên đầu đọc có phải là của người đang sống hay khơng.

Hình 1. 4 Vân tay và các đặc điểm dùng để nhận dạng[2]
1.4 Thẻ thông minh (Smart card)
Thẻ thông minh (smart card) là thiết bị điện tử có khả năng lưu trữ dữ liệu và có
thể có khả năng tính tốn (như thẻ chíp- microprocessor card), thường được gắn vào
trong các thẻ plastic có kích thước bằng thẻ tín dụng. Thẻ thơng minh dưới dạng thẻ điện
thoại trả trước được đưa ra vào năm 1984. Thẻ thông minh được đặt vào một đầu đọc,
đầu đọc tạo ra một kết nối điện với các điểm tiếp xúc của thẻ. Thẻ được cung cấp năng
lượng và xung nhịp từ đầu đọc thông qua các điểm tiếp xúc (điểm tiếp điện). Dữ liệu
21


truyền giữa đầu đọc và thẻ sử dụng giao diện nối tiếp hai chiều (cổng vào/ra). Có thể
phân biệt hai loại cơ bản của thẻ thông minh dựa trên chức năng của chúng: thẻ nhớ
(memory card) và thẻ chíp (microprocessor card).
Một trong những ưu điểm chính của thẻ thơng minh là dữ liệu lưu trữ có thể được
bảo vệ chống lại các truy nhập không mong muốn. Thẻ thông minh làm cho tất cả các
dịch vụ liên quan đến thông tin, các giao dịch tài chính trở nên đơn giản hơn, an tồn và
chi phí rẻ hơn. Vì lý do đó, khoảng 200 triệu thẻ thơng minh đã được phát hành trên toàn
thế giới vào năm 1992. Năm 1995 con số đó đã tăng lên 600 triệu trong đó 500 triệu thẻ
nhớ và 100 triệu thẻ chíp. Vì vậy, thị trương thẻ thông minh thể hiện là thị trường lớn
mạnh nhanh nhất trong ngành công nghiệp vi điện tử.
Một nhược điểm của thẻ thơng minh là tính dễ hỏng do các tiếp xúc điện trên thẻ
dễ bị mòn hoặc bẩn. Đầu đọc được sử dụng thường tốn nhiều chi phí bảo dưỡng do nó
hay bị lỗi. Thêm vào đó, những đầu đọc cho phép truy cập công cộng (như box điện thoại
thẻ) không được bảo vệ chống lại các hành động phá hoại.
1.4.1 Thẻ nhớ (memory card)
Trong thẻ nhớ, bộ nhớ- thường là một eeprom- được truy cập bằng việc sử dụng

logic tuần tự (máy trạng thái) (hình 1.5). Nó cũng có thể được kết hợp với một thuật tốn
bảo mật, như thuật tốn mã hóa luồng. Chức năng của thẻ nhớ thường được tối ưu hóa
cho các ứng dụng riêng biệt. Tính mềm dẻo của thẻ nhớ là cực kỳ hạn chế nhưng đổi lại
nó rất hiệu quả về kinh tế. Vì lý do đó, thẻ nhớ chủ yếu được sử dụng trong các ứng dụng
nhạy cảm về giá thành và cho phép kích thước lớn.Một ví dụ của ứng dụng này là thẻ bảo
hiểm được sử dụng cho việc thanh tốn tiền trợ cấp hưu trí ở nước Đức.

22


Hình 1. 5 Kiến trúc điển hình của thẻ nhớ [ 2]
1.4.2 Thẻ chíp (microprocessor card)
Như gợi ý của tên thẻ, thẻ chíp bao gồm một chíp được nối với các bộ nhớ (RAM.
ROM, EEPROM). ROM được ghi sẵn kết hợp với một hệ điều hành cho chíp được cài
vào chíp trong q trình sản xuất. Nội dụng của ROM được xác định trong quá trình chế
tạo, giống nhau cho tất cả các thẻ chíp của cùng một loại sản phẩm và giá trị của nó
khơng thể ghi đè. EEPROM chứa dữ liệu và mã chương trình. Đọc hoặc ghi từ eeprom
được điều khiển từ hệ điều hành. RAM là bộ nhớ làm việc tạm thời của thẻ chíp. Dữ liệu
được lưu trong RAM bị mất khi mất nguồn (Hình 1.6). Thẻ chíp rất linh hoạt. Trong hệ
thống thẻ thơng minh hiện đại, có thể tích hợp nhiều ứng dụng khác nhau trong cùng một
thẻ chíp. Trong loại thẻ đó, các ứng dụng khác nhau sẽ được tải vào EFprom thơng qua
hệ điều hành.
Thẻ chíp được sử dụng trong các ứng dụng yêu cầu bảo mật cao. Ví dụ thẻ thông
minh cho điện thoại di động GSM (thẻ SIM) hay thẻ thanh toán điện tử (EC - electronic
cash). Khả năng có thể lập trình và chạy nhiều ứng dụng khác nhau làm cho thẻ thích
nghi nhanh với các ứng dụng mới.

Hình 1. 6 Kiến trúc điển hình của thẻ chíp [2]
23

Hình 1. 7 Thẻ sim (thuộc thẻ thơng minh tiếp xúc)[2]
có khả năng lưu trữ 64kbyte dữ liệu
1.5 Hệ thống RFID
Hệ thơng RFID có quan hệ gần gũi với thẻ thông minh. Giống như thẻ thông
minh, dữ liệu được lưu trữ trong một thiết bị gọi là thẻ (hay bộ phát đáp- transponder).
Tuy nhiên, không giống với thẻ thông minh, dữ liệu truyền giữa thẻ RFID và đầu đọc và
thậm chí cả nguồn cung cấp (như trong thẻ thụ động) thực hiện khơng cần kết nối điện
mà thay vào đó là trường điện từ. Phương pháp kỹ thuật cơ bản được sử dụng trong hệ
thống RFID dựa trên lĩnh vực vô tuyến điện và kỹ thuật ra-đa. Chi tiết về công nghệ
RFID sẽ được giới thiệu ở chương sau. Bảng 1.1 thể hiện sự so sánh giữa các phương
pháp nhận dạng khác nhau và qua đó có thể thấy được tính vượt trội của RFID.
Bảng 1. 1 So sánh các hệ phương pháp nhận dạng [2]

Khả năng
mang thông
tin (theo byte)
Mật độ dữ
liệu
Khả năng
nhận dạng
của máy
Khả năng
nhận dạng
của người
Chịu ảnh
hưởng của bụi
bẩn, ẩm ướt
ảnh hưởng
bởi vật chắn

Nhận dạng
giọng nói

Thẻ thơng
minh

RFID

16-64k

16-64k

Cao

Rất cao

Rất cao

Cần đầu đọc
phức tạp, đắt
tiền

Cần đầu
đọc phức
tạp, đắt tiền

Tốt

Tốt

Đơn giản

khó

Khơng thể

Khơng thể

Có thể

Khơng ảnh
hưởng

Barcod
e

OCR

1-100

1-100

Thấp

Thấp

Cao

Tốt

Tốt

Hạn chế

Đơn
giản

Rất cao

Rất cao

Hồn
tồn

Hồn
tồn

Nhận dạng
vân tay

Có thể

24

Khơng ảnh
hưởng