Thiết kế, chế tạo hệ thống cửa tự động ứng dụng rfid

TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH
KHOA ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG

621.36

ĐỒ ÁN

TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
Đề tài:

THIẾT KẾ, CHẾ TẠO HỆ THỐNG CỬA TỰ ĐỘNG
ỨNG DỤNG RFID

Người hướng dẫn

: ThS. Hồ Sỹ Phương

Sinh viên thực hiện : Đặng Văn Linh
Lớp

: 51K1 - LT - ĐTVT

Mã số sinh viên

: 1051088475

NGHỆ AN - 01/2015


MỤC LỤC
Trang

LỜI CẢM ƠN ............................................................................................................ 4
MỞ ĐẦU .................................................................................................................... 5
1. Tinh cấp thiết của đề tài ...................................................................................... 5
2. Tình hình nghiên cứu .......................................................................................... 5
3. Mục đích nghiên cứu .......................................................................................... 5
4.Nhiệm vụ nghiên cứu ........................................................................................... 5
5. Phương pháp nghiên cứu .................................................................................... 5
6. Dự kiến kết quả nghiên cứu ................................................................................ 6
7. Kết cấu đề tài ...................................................................................................... 6
TÓM TẮT ĐỒ ÁN..................................................................................................... 7
CHƯƠNG 1 CƠ SỞ LÝ THUYẾT ......................................................................... 11
1.1. Tổng quan về công nghệ RFID ...................................................................... 11
1.1.1. Khái niệm RFID ...................................................................................... 11
1.1.2. Giới thiệu chung về nhận dạng vô tuyến RFID....................................... 11
1.1.3. Các thành phần của một hệ thống RFID ................................................. 13
1.1.4. Giao thức thẻ RFID ................................................................................. 26
1.1.5. Tần số vô tuyến hoạt động của RFID ...................................................... 27
1.1.6. Ứng dụng RFID trong hệ thống Bưu chính ............................................. 28
1.1.7. Ưu, nhược điểm của hệ thống RFID ....................................................... 29
1.2. Vi điều khiển PIC16F877A ........................................................................... 30
1.2.1. Khái niệm về PIC .................................................................................... 30
1.2.2. Sơ đồ tổng quan của vi điều khiển PIC16F877A .................................... 30
1.2.3. Đặc điểm của vi điều khiển PIC 16F877A .............................................. 32
1.2.4. Tổ chức bộ nhớ ........................................................................................ 33
Kết luận chương .................................................................................................... 35
CHƯƠNG 2 PHÂN TÍCH VÀ LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ CỬA
TỰ ĐỘNG ................................................................................................................ 36
2.1. Các hệ thống RFID cơ bản ............................................................................ 36
2.2. Yêu cầu đặt ra cho hệ thống .......................................................................... 44
2

2.3. Phân tích và lựa chọn phương án thiết kế ...................................................... 45
2.3.1. Khối điều khiển trung tâm ....................................................................... 46
2.3.2. Khối nhận dạng RFID ............................................................................. 47
2.3.3. Khối nguồn .............................................................................................. 49
Kết luận chương .................................................................................................... 49
CHƯƠNG 3 THIẾT KẾ CHẾ TẠO MẠCH ĐIỀU KHIỂN CỬA TỰ ĐỘNG ...... 50
3.1. Kết cấu cơ khí ................................................................................................ 50
3.2. Thiết kế chế tạo mạch điều khiển .................................................................. 51
3.2.1. Khối điều khiển trung tâm ....................................................................... 51
3.2.2. Khối điều khiển động cơ ......................................................................... 52
3.2.3. Khối hiển thị LCD ................................................................................... 54
3.2.4. Khối nhận dạng RFID ............................................................................. 55
3.2.5. Khối nguồn .............................................................................................. 55
3.2.6. Thi cơng mạch ......................................................................................... 57
3.3. Xây dựng chương trình điều khiển ................................................................ 58
3.3.1. Chương trình điều khiển .......................................................................... 58
3.3.2. Sơ đồ thuật toán ....................................................................................... 59
Kết luận chương:................................................................................................... 59
KẾT LUẬN .............................................................................................................. 60
TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................................................................................ 61
PHỤ LỤC ................................................................................................................. 62

3


LỜI CẢM ƠN
Trong quá trình học tập tại trường Đại học Vinh, em đã tiếp thu được rất
nhiều kiến thức phong phú và bổ ích nhờ sự giúp đỡ nhiệt tình từ các thầy giáo, cơ

giáo. Em xin được bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc trước tinh thần giảng dạy hết sức tận
tâm và có trách nhiệm của các thầy, cô trong khoa điện tử viễn thông. Đặc biệt là
thầy giáo ThS. Hồ Sỹ Phương, thầy đã giúp em định hướng đề tài, chỉ dẫn tận tình
chu đáo và dành nhiều cơng sức trong suốt q trình hồn thành đồ án.
Em xin chân thành cảm ơn sâu sắc tới quý thầy, cô giáo trong khoa Điện Tử
Viễn Thông đã tạo điều kiện cho em hồn thành khóa học.
Em xin bày tỏ lịng biết ơn đối với thầy giáo, cơ giáo trong hội đồng bảo vệ đã
có nhiều ý kiến đóng góp và chỉ dẫn quý báu để giúp em hồn thiện đồ án của mình.
Xin cảm ơn tập thể lớp K51 Điện Tử Viễn Thông đã san sẻ những vui buồn
cùng em vượt qua những khó khăn trong học tập.
Với tình cảm trân trọng e xin gửi lời chúc tới Thầy, Cô giáo cũng như các bạn
lời chúc sức khỏe, thành công trong sự nghiệp và cuộc sống.

4


MỞ ĐẦU
1. Tinh cấp thiết của đề tài
Với sự tiến bộ không ngừng của khoa học kỹ thuật, đặc biệt là lĩnh vực điều
khiển tự động. Từ khi công nghệ chế tạo vi mạch lập trình phát triển đã mang lại
những kỹ thuật điều khiển hiện đại có nhiều ưu điểm hơn nhiếu các mạch lắp ráp từ
các linh kiện rời như kích thước mạch nhỏ gọn, giá thành rẻ, độ chính xác cao và
hiệu suất cao...
Cửa tự động là một bài toán đã và đang được ứng dụng rất nhiều trong thực
tế hiện nay. Dùng sức người, công việc này địi hỏi sự tập trung cao và có tính lặp
lại, nên cơng nhận khó đảm bảo sự chính xác trong cơng việc. Cần phải có hệ thống
tự động nhận biết đặc điểm và tính năng của cửa tự động.
2. Tình hình nghiên cứu
Cửa tự động là một lĩnh vực khá rộng. Trong thực tế công nghiệp khá nhiều
loại cửa tự động như cửa trượt, cửa cuốn...

Qua quá trình tìm hiểu các mơ hình thực tế, các cơng trình đã được nghiên
cứu, sự chỉ dẫn nhiệt tình của các anh chị trên các diễn đàn điện tử, được sự góp ý
và hướng dẫn tạn tình của ThS. Hồ Sỹ Phương, em đã chọn và thực hiện đề tài:
“Thiết kế, chế tạo cửa tự động ứng dụng RFID”
3. Mục đích nghiên cứu
Hiểu rõ hơn về cách thiết kế và thi công một hệ thống cửa tự động cần những
khâu nào, bộ phận nào, linh kiện nào, hoạt động như thế nào, để tạo ra mơ hình nhỏ
đáp ứng nhu cầu học tập, nghiên cứu và ứng dụng của sinh viên.
4.Nhiệm vụ nghiên cứu
Nhiệm vụ cấp thiết của đề tài là nghiên cứu cách hoạt động của hệ thống cửa
trượt tự động trong thực tế, tìm hiểu và biết cách sử dụng cũng như lập trình vi điều
khiển 16F877A để điều khiển tồn bộ chương trình cho hệ thống.
5. Phương pháp nghiên cứu
5.1. Cơ sở phương pháp luận
Căn cứ vào những kiên thức đã học về vi điều khiển PIC 16F877A, về lập
trình, và về nhận dạng, tiến hành phân tích, tìm ra giải pháp mới và chế tạo một mô
5


hình đơn giản mà hiệu quả, rồi thực nghiệm. Sau đó tổng hợp và đánh giá giải pháp
đã đề ra: đã tối ưu hay chưa tối ưu,…
5.2. Các phương pháp nghiên cứu cụ thể
- Khảo sát thực tiễn: tìm hiểu về mơ hình cửa tự động trong đời sống thực tế.
- Xây dựng mơ hình – thực nghiệm: chế tạo mơ hình quay thuận và quay
nghịch, vận hành thử nghiệm.
6. Dự kiến kết quả nghiên cứu
- Lý thuyết:
+ Nắm vững kiến thức về vi điều khiển PIC 16F877A, về lập trình C, về nhận
dạng RFID, từ đó ứng dụng hiệu quả vào đề tài.
+ Bài báo cáo hoàn chỉnh các nội dung và trình bày rõ ràng, khoa học.

- Phần cứng: Thiết kế, chế tạo hồn chỉnh mơ hình cửa trượt tự động.
- Phần mềm:
+ Sử dụng được phần mềm thiết kế và vẽ mạch Proteus 8.0
+ Lập trình code ngôn ngữ Keil C bằng phần mềm Keil uVision3
+ Biết cách nạp code vào vi điều khiển bằng phầm mềm Little Programmer
Version Gold.
7. Kết cấu đề tài
Nội dung đồ án gồm 3 chương
Chương 1: Cơ sở lý thuyết.
Chương 2: Phân tích và lựa chọn phương án thiết kế cửa tự động.
Chương 3: Thiết kế, chế tạo mạch điều khiển cửa tự động.

6


TÓM TẮT ĐỜ ÁN
Đồ án này đi vào tìm hiểu tổng quan về công nghệ RFID (Radio Frequency
Identification) và ứng dụng kĩ thuật RFID để đóng mở cửa tự động. RFID dùng để
đóng mở cửa tự động là phương pháp nhận dạng tự động dựa trên khả năng lưu trữ
và nhận dữ liệu từ xa bằng các thiết bị thẻ RFID. Thẻ RFID chứa các chip silicon và
các angten cho phép nhận lệnh và đáp ứng lại bằng tần số vô tuyến RF từ một RFID
phát đáp. Đều là công cụ nhận dạng nhưng RFID đã phát triển hơn mã vạch - công
cụ dùng để chứa thông tin về sản phẩm như: nước sản xuất, tên doanh nghiệp, lô
hàng, tiêu chuẩn chất lượng đăng ký, thơng tin về kích thước sản phẩm, nơi kiểm
tra... RFID sử dụng phương pháp truyền và nhận dữ liệu từ một điểm đến các điểm
khác có khoảng cách và đầu đọc khơng nhất thiết phải thấy thẻ; khả năng giả mạo
gần như không thể (phương pháp mã vạch rất dễ giả mạo); có khả năng đọc/ghi khi
cập nhật thông tin và dung lượng dữ liệu lớn. Trong đồ án này đã trình bày đầy đủ
cách thức xây dựng thẻ RFID để đóng mở cửa tự động.

ABSTRACT
This project come to learn an overview of RFID (Radio Frequency
Identification) applications and RFID technology to automatically open community.
RFID is used to open automatic doors are automatic identification method based on
the ability to store and retrieve data remotely using RFID devices. RFID tags
contain silicon chips and antennas allows receiving and responding to radio
frequency RF from an RFID transceiver. Are tools to detect, but RFID has
developed over the barcode - the tool used to store information about products such
as water production, business name, shipment, quality standards, registration,
information on size products, where the test... RFID using transmit and receive data
from one point to another point about how readers and do not necessarily see the
card; ability to forge almost impossible (the method is very easy to fake bar code);
have the ability to read / write the updated information and large data storage. In
this project has shown how to build complete RFID tag to open automatic doors.

7


DANH MỤC BẢNG BIỂU
Trang
Bảng 1.1. Tóm tắt đặc điểm của VDK PIC16F877A................................................ 23
Bảng 2.1. Dải tần số của các hệ thống bảo mật khác nhau ....................................... 38
Bảng 2.2. Các thông số cơ bản của hệ thống ............................................................ 40
Bảng 2.3. Tóm tắt đặc điểm của VDK PIC16F877A................................................ 33

8


DANH MỤC HÌNH VẼ
Trang

Hình 1.1. Lịch sử phát triển RFID giai đoạn 1990-2009 .......................................... 13
Hình 1.2. Hệ thống RFID tồn diện .......................................................................... 14
Hình 1.3. Layout của thiết bị mang dữ liệu transponder........................................... 14
Hình 1.4. Cấu trúc của một thẻ thụ động .................................................................. 15
Hình 1.5. Một số loại thẻ tích cực ............................................................................. 17
Hình 1.6. Cấu trúc của một thẻ bán tích cực ............................................................. 18
Hình 1.7. Cấu trúc layout cơ bản của một reader...................................................... 20
Hình 1.8. Cơ chế truyền ở trường gần, trường xa giữa thẻ và reader ....................... 23
Hình 1.9. Cơ chế truyền modulated backscatter của thẻ thụ động ............................ 24
Hình 1.10. Cơ chế truyền modulated backscatter của thẻ bán thụ động ................... 25
Hình 1.11. Cơ chế truyền kiểu máy phát của thẻ tích cực ........................................ 25
Hình 1.12. Layout bộ nhớ của một thẻ RFID ........................................................... 27
Hình 1.13. Sơ đồ các chân của PIC16F877A............................................................ 30
Hình 2.1. Giới thiệu hoạt động của hệ thống EAS tần số vơ tuyến .......................... 37
Hình 2.2. Antenna khung của hệ thống RF (cao1.2-1.6m) của transponder............. 38
Hình 2.3. Mạch cơ bản và hình dạng cụ thể của transponder vi ba .......................... 39
Hình 2.4. Transponder vi ba nằm trong vùng truy vấn của detector ........................ 39
Hình 2.5. Sơ đồ mạch điện và hoạt động của EAS sử dụng bộ chia tần số .............. 40
Hình 2.6. Antenna của hệ thống RFID điện từ (cao1.40 m) và transponder ............ 41
Hình 2.7. Sơ đồ khối của transponder tuần tự sử dụng ghép cảm ứng ..................... 43
Hình 2.8. Sơ đồ điện áp của tụ nạp ........................................................................... 43
Hình 2.9. Sơ đồ khối của hệ thống ............................................................................ 44
Hình 2.10. Sơ đồ khối của PIC16F877A .................................................................. 46
Hình 2.11. Bộ nhớ chương trình PIC16F877A ......................................................... 34
Hình 2.12. Chân kết nối RC 522 ............................................................................... 48
Hình 3.1. Mơ hình cửa trượt tự động ........................................................................ 50
Hình 3.2. Sơ đồ khối vi điều khiển PIC16F877A ..................................................... 51
Hình 3.3. Sơ đồ nguyên lý của mạch điều khiển động cơ......................................... 52
Hình 3.4. Sơ đồ nguyên lí mạch cầu H dùng BJT..................................................... 53
9

Hình 3.5. Màn hình hiển thị và các chân của LCD1602 ........................................... 54
Hình 3.6. Động cơ điện một chiều ............................................................................ 56
Hình 3.7. Hình dạng và sơ đồ chân LM7805 ............................................................ 56
Hình 3.8. Sơ đồ mạch in ............................................................................................ 57
Hình 3.9. Mạch sau khi đã hoàn thành ...................................................................... 57

10


CHƯƠNG 1
CƠ SỞ LÝ THUYẾT

1.1. Tổng quan về công nghệ RFID
1.1.1. Khái niệm RFID
RFID Là công nghệ xác nhận dữ liệu đối tượng bằng sóng vơ tuyến để nhận
dạng, theo dõi và lưu thông tin trong một thẻ (Tag). Reader quét dữ liệu thẻ và gửi
thông tin đến cơ sở dữ liệu lưu trữ dữ liệu của thẻ.
Kỹ thuật RFID có liên quan đến hệ thống khơng dây cho phép một thiết bị đọc
thông tin được chứa trong một chip không tiếp xúc trực tiếp ở khoảng cách xa, mà
không thực hiện bất kỳ giao tiếp vật lý nào hoặc u cầu một sự nhìn thấy giữa hai cái.
Nó cho ta phương pháp truyền và nhận dữ liệu từ một điểm đến điểm khác.
Dạng đơn giản nhất được sử dụng hiện nay hệ thống RFID bị động làm việc như
sau: Một reader truyền một tín hiệu tần số vơ tuyến điện từ qua antenna của nó đến
một con chip khơng tiếp xúc. Sau đó, Reader nhận thơng tin trở lại từ chip và gửi nó
đến máy tính điều khiển đầu đọc và xử lý thơng tin tìm được từ con chip. Các con chip
khơng tiếp xúc, khơng tích điện, chúng hoạt động bằng cách sử dụng năng lượng
chúng nhận từ tín hiệu được gửi bởi một reader.
Kỹ thuật RFID sử dụng truyền thơng khơng dây trong dải tần sóng vơ tuyến để

truyền dữ liệu từ các thẻ đến các reader. Thẻ có thể được đính kèm hoặc gắn vào đối
tượng được nhận dạng chẳng hạn như mơ hình, sản phẩm, hộp hoặc pallet...
1.1.2. Giới thiệu chung về nhận dạng vô tuyến RFID
Các công nghệ ngày nay luôn hướng tới sự đơn giản, tiện lợi và đặc trưng luôn
được ưu tiên hàng đầu là khả năng không dây (wireless). Thiết bị không dây càng ngày
càng phát triển rộng rãi làm cho con người được giải phóng, tự do và thoải mái hơn.
Công nghệ RFID ra đời đã tạo ra cuộc cách mạng trong môi trường tương tác hiện nay.
RFID là một trong những kỹ thuật được đánh giá cao và phát triển nhanh chóng
trong khoảng thời gian ngắn. Lần đầu tiên một cơng nghệ tương tự đó là bộ tách sóng
IFF (Identification Friendor Foe) được phát minh năm 1937 bởi người Anh và được
quân đồng minh sử dụng trong Thế Chiến lần thứ II để nhận dạng máy bay ta và địch.
Kỹ thuật này trở thành nền tảng cho hệ thống kiểm sốt khơng lưu thế giới vào thập
11


niên 50. Nhưng trong khoảng thời gian này do chi phí quá cao và kích thước quá lớn
của hệ thống nên chúng chỉ được sử dụng trong quân đội, phòng nghiên cứu và những
trung tâm thương mại lớn. Khả năng của RFID đã mở rộng theo cấp số nhân. Công
nghệ RFID đã được phát triển đến điểm mà nó có thể cung cấp nhiều loại hình doanh
nghiệp với thơng tin chính xác về tình trạng của các thành phần và các sản phẩm có giá
trị của họ. Ngồi ra, cơng nghệ RFID đã trưởng thành đến điểm mà hệ thống như vậy
có thể được thực hiện một cách khá xa, từ đó tạo hiệu quả trong quản lý và đảm bảo lợi
nhuận đáng kể về đầu tư của khách hàng.
Cuối thập niên 60 và đầu thập niên 70, bắt đầu xuất hiện những công ty giới thiệu
những ứng dụng mới cho RFID mà không quá phức tạp và đắt tiền. Ban đầu phát triển
những thiết bị giám sát điện tử(Electronic Article Surveillance-EAS) để kiểm sốt
hàng hóa chẳng hạn như quần áo hay sách trong thư viện.
Kỹ thuật RFID ngày càng được nhiều người biết đến trong những thập niên 60 và 70,
bắt đầu xuất hiện nhiều hơn ứng dụng của kỹ thuật này trong nhiều mặt của cuộc sống.
Kỹ thuật này càng được hoàn thiện, từ nhận biết trở thành nhận dạng.

Đến năm 1973, Mario Cardullo (USA) chính thức trở thành người đầu tiên hồn
thiện cơng nghệ RFID. Việc khảo sát tỉ mỉ kỹ thuật radio được đem nghiên cứu và phát
triển trong các hoạt động thương mại cho đến thập niên 1960 và tiến triển rõ vào
những năm 1970 bởi các cơng ty, học viện và chính phủ Mỹ. Chẳng hạn, Bộ năng
lượng Los aAlamos Nation Laboratory đã phát triển hệ thống theo dõi nguyên liệu hạt
nhân bằng cách đặt thẻ vào xe tải và đặt các reader tại các cổng của bộ phận bảo vệ.
Đây là hệ thống được sử dụng ngày nay trong các hệ thống trả tiền lệ phí tự động. Kỹ
thuật này cải tiến so với các kỹ thuật trước như các mã vạch trên hàng hóa và các thẻ
card viền có tính từ.
RFID tiên tiến vào đầu những năm 80, ứng dụng rộng rãi trong việc kiểm soát xe
tại Mỹ hay đánh dấu đàn gia súc tại Châu Âu. Hệ thống RFID cũng được ứng dụng
trong việc nghiên cứu đời sống hoang dã, các thẻ RFID được gắn vào trong những con
vật, nhờ đó có thể lần theo dấu vết của chúng trong mơi trường hoang dã. Đến thập
niên 90, khi mà tần số UHF được sử dụng và thể hiện được những ưu điểm của mình
về khoảng cách và tốc độ truyền dữ liệu thì cơng nghệ RFID đạt được những thành tựu
rực rỡ.
12


Hình 1.1. Lịch sử phát triển RFID giai đoạn 1990-2009
Mặc dù những nguyên lý cơ bản của kỹ thuật RFID đã tồn tại từ thời Marconi
nhưng chúng ta chỉ mới bắt đầu bàn đến những tiềm năng tolớn của nó từ cuối thế kỷ
20. Những năm đầu của thế kỷ 21 đã đánh dấu những điểm mốc chuyển biến quan
trọng của RFID. Kỹ thuật RFID hiện nay đang được sử dụng trong cả khu vực kinh tế
tư nhân và nhà nước, từ việc theo dõi sách trong thư viện đến việc xác nhận một chiếc
chìa khóa khởi động xe. Các nhà bán lẽ tầm cỡ đang yêu cầu các nhà cung cấp lớn sử
dụng thẻ RFID, cùng với những tiến bộ kỹ thuật và giảm giá cả đã thúc đẩy sự phát
triển của RFID. Tại Việt Nam, nhu cầu sử dụng RFID ngày càng nhiều và mở ra một
thị trường vô cùng tiềm năng cho các nhà nghiên cứu, sinh viên và các nhà sản xuất.
Tuy nhiên để có thể vận dụng và phát triển một hệ thống, chúng ra cũng cần phải có sự

hiểu biết nhất định về chúng.
1.1.3. Các thành phần của một hệ thống RFID
Các thành phần chính trong hệ thống RFID là thẻ, reader và cơ sở dữ liệu. Một hệ
thống RFID toàn diện bao gồm bốn thành phần:
-

Thẻ RFID (RFIDTag, Transponder-bộ phát đáp) được lập trình điện tử với

thơng tin duy nhất.
-

Các reader (đầu đọc) hoặc sensor (cái cảm biến) để truy vấn các thẻ.

-

Antenna thu, phát sóng vơ tuyến.
Hostcomputer-server, nơi mà máy chủ và hệ thống phần mềm giao diện với hệ

thống được tải. Nó cũng có thể phân phối phần mềm trong các reader và cảm biến. Cơ
sở hạ tầng truyền thông: Là thành phần bắt buộc, nó là một tập gồm cả hai mạng có

13


dây và không dây và các bộ phận kết nối tuần tự để kết nối các thành phần đã liệt kê ở
trên với nhau để chúng truyền với nhau hiệu quả.

Hình 1.2. Hệ thống RFID tồn diện
 Thẻ RFID
Thẻ RFID (bộ phát đáp), thiết bị lưu trữ dữ liệu thực tế của một hệ thống RFID,

thường bao gồm một phần tử kết nối (Couplingelement) và một vi chíp điện tử.

Hình 1.3. Layout của thiết bị mang dữ liệu transponder
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-once-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.
Các thẻ RFID được phân loại dựa trên việc thẻ có chứa một cung cấp nguồn
gắn bên trong hay là được cung cấp bởi thiết bị chuyên dụng:
- Thụ động (Passive)
- Tích cực (Active)
- Bán tích cực (Semi-active, cịn gọi bán thụ động - semi-passive)
14


 Thẻ thụ động

Hình 1.4. Cấu trúc của một thẻ thụ động
Loại thẻ này khơng 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 choreader.
Thẻ thụ động có cấu trúc đơn giản và khơng có các thành phần động.Thẻ như thế có
một thời gian sống dài và thường có sức chịu đựng với điều kiện môi trường khắc
nghiệt. Đối với loại thẻ này, khi thẻ và reader truyền thơng với nhau thì reader luôn
truyền trước rồi mới đến thẻ. Cho nên bắt buộc phải có reader để có thể truyền dữ liệu
của nó. Thẻ thụ động được đo cở khoảng cách từ 11cm ở trường gần (ISO14443), đến
10m ở trường xa (ISO 18000-6), và có thể lên đến 183m khi kết hợp với ma trận.
Thẻ thụ động nhỏ hơn và cũng rẻ hơn thẻ tích cực hoặc bán tích cực. Các thẻ thụ
động có thể thực thiở tần số low, high, ultrahigh, hoặc microwave. Thẻ thụ động bao
gồm những thành phần chính sau:

 Vi mạch (microchip)
Vi mạch thơng thường gồm có:
- Bộ chỉnh lưu (powercontrol/rectifier): chuyển nguồn AC từ tín hiệu antenna
của reader thành nguồn DC. Nó cung cấp nguồn đến các thành phần khác của vi mạch.
 Antenna
Antenna của thẻ được dùng để lấy năng lượng từ tín hiệu của reader để làm tăng
sinh lực cho thẻ hoạt động, gửi hoặc nhận dữ liệu từ reader. Antenna này được gắn vào
vi mạch, antenna là trung tâm đối với hoạt động của thẻ.
Có thể có nhiều dạng antenna, nhất là UHF, chiều dài antenna tương ứng với
bước sóng hoạt động của thẻ. Một antenna lưỡng cực bao gồm một dây dẫn điện
(chẳng hạn đồng) mà nó bị ngắt ở trung tâm. Chiều dài tổng cộng của một antenna
15


lưỡng cực bằng nửa bước sóng tần số được dùng nhằm tối ưu năng lượng truyền từ tín
hiệu antenna của reader đến thẻ. Reader có thể đọc thẻ này ở nhiều hướng khác nhau.
Chiều dài antenna của thẻ thường lớn hơn nhiều so với vi mạch của thẻ vì vậy nó
quyết định kích cỡ vật lý của thẻ. Một antenna có thể được thiết kế dựa trên một số
nhân tố sau đây:
- Khoảng cách đọc của thẻ với reader.
- Hướng cố định của thẻ đối với reader.
- Hướng tùy ý của thẻ đối với reader.
- Loại sản phẩm riêng biệt.
- Vận tốc của đối tượng được gắn thẻ.
- Độ phân cực antenna củareader.
Những điểm kết nối giữa vi mạch của thẻ và antenna là những kết nối yếu nhất
của thẻ. Nếu có bất kỳ điểm kết nối nào bị hỏng thì xem như thẻ khơng làm việc được
hoặc có thể hiệu suất làm việc giảm đáng kể.
Hiện tại, antenna của thẻ được xây dựng bằng một mảnh kim loại mỏng (chẳng hạn
đồng, bạc hoặc nhôm). Tuy nhiên, trong tương lai có thể sẽ in trực tiếp antenna lên

nhãn thẻ, hộp và sản phẩm đóng gói bằng cách sử dụng một loại mực dẫn có chứa
đồng, cacbon và niken.
 Thẻ tích cực
Thẻ tích cực có một nguồn năng lượng bên trong (chẳng hạn một bộ pin, hoặc có
thể là những nguồn năng lượng khác như sử dụng nguồn năng lượng mặt trời) và điện
tử học để thực thi những nhiệm vụ chuyên dụng. Thẻ tích cực sử dụng nguồn năng
lượng bên trong để truyền dữ liệu cho reader. Nó khơng cần nguồn năng lượng từ
reader để truyền dữ liệu. Điện tử học bên trong gồm bộ vi mạch, cảm biến và các cổng
vào/ra được cấp nguồn bởi nguồn năng lượng bên trong nó.
Đối với loại thẻ này, trong q trình truyền giữa thẻ và reader, thẻ luôn truyền
trước, rồi mới đến reader.Vì sự hiện diện của reader khơng cần thiết cho việc truyền dữ
liệu nên thẻ tích cực có thể phát dữ liệu của nó cho những vùng lân cận nó thậm chí
trong cả trường hợp reader khơng có ở nơi đó.
Khoảng cách đọc của thẻ tích cực là 100feet (xấp xỉ30.5m) hoặc hơn nữa khi
máy phát tích cực của loại thẻ này được dùng đến.
16


Thẻ tích cực bao gồm 4 thành phần chính sau:
- Vi mạch: kích cỡ và khả năng làm việc vi mạch thường lớn hơn vi mạch
trong thẻ thụ động.
- Antenna: có thể truyền tín hiệu của thẻ và nhận tín hiệu reader. Đối với thẻ
bán tích cực, gồm một hoặc nhiều mảnh kim loại như đồng, tương tự như thẻ thụ động.
Cung cấp nguồn bên trong.
Hai thành phần đầu tiên (vi mạch, antenna) đã được mô tả trong phần trước. Sau
đây, hai thành phần sau sẽ được được trình bày:
 Điện tử học bên trong.
Điện tử học bên trong cho phép thẻ hoạt động như một máy phát và cho phép nó
thực thi những nhiệm vụ chun dụng như tính tốn, hiển thị giá trị các tham số động
nào đó, hoặc hoạt động như một cảm biến, v.v… Thành phần này cũng có thể cho

phép chọn lựa kết nối với các cảm biến bên ngồi. Vì vậy thẻ có thể thực thi nhiều
nhiệm vụ thông minh, tùy thuộc vào loại cảm biến được gắn vào.
 Nguồn năng lượng bên trong.
Tất cả các thẻ tích cực đều mang một nguồn năng lượng bên trong để cung cấp
nguồn cho điện tử học bên trong và truyền dữ liệu. Nếu sử dụng bộ pin thì thẻ tích cực
thường kéo dài tuổi thọ từ 2 đến 7 năm tùy thuộc vào thời gian sống của bộ pin. Một
trong những nhân tố quyết định thời gian sống của bộ pin là tốc độ truyền dữ liệu của
thẻ. Nếu khoảng cách đó càng rộng thì bộ pin càng tồn tại lâu và vì thế thời gian sống
của thẻ cũng dài hơn.

Hình 1.5. Một số loại thẻ tích cực
17


 Thẻ bán tích cực (bán thụ động).
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 cung
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).

Hình 1.6. Cấu trúc của một thẻ bán tích cực
Đối với loại thẻ này, trong q trình truyền giữa thẻ và reader thì reader ln truyền
trước rồi đến thẻ. Tại sao sử dụng thẻ bán tích cực mà khơng sử dụng thẻ thụ động.
Bởi vì thẻ bán tích cực khơng sử dụng tín hiệu của reader như thẻ thụ động, nó
tự kích động, nó có thể đọc ở khoảng cách xa hơn thẻ thụ động. Bởi vì khơng cần
thời gian tiếp sinh lực cho thẻ bán tích cực, thẻ có thể nằm trong phạm vi đọc của
reader ít hơn thời gian đọc quy định (khơng giống như thẻ thụ động). Vì vậy nếu đối
tượng được gắn thẻ đang di chuyển ở tốc độ cao, dữ liệu thẻ có thể vẫn được đọc nếu
sử dụng thẻ bán tích cực. Thẻ bán tích cực cũng cho phép đọc tốt hơn ngay cả khi
gắn thẻ bằng những vật liệu chắn tần số vơ tuyến (RF-opaque và RF-absorbent). Sự

có mặt của những vật liệu này có thể ngăn khơng 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 đối với thẻ bán tích cực. Phạm vi đọc của thẻ bán tích cực có thể lên đến
100feet (xấp xỉ 30.5m) với điều kiện lý. Việc phân loại tiếp theo dựa trên khả năng
hỗ trợ ghi chép dữ liệu:
- Chỉ đọc (RO)
- Ghi một lần, đọc nhiều lần (WORM)
- Đọc - Ghi (RW)
18


 Thẻ chỉ đọc (read only)
Thẻ RO có thể được lập trình (tức là ghi dữ liệu lên thẻ RO) chỉ một lần. Dữ liệu
có thể được lưu vào thẻ tại xí nghiệp trong lúc sản xuất. Việc này được thực hiện như
sau: các fuse riêng lẻ trên vi mạch của thẻ được lưu cố định bằng cách sử dụng chùm
tialaser. Sau khi thực hiện xong, không thể ghi đè dữ liệu lên thẻ được nữa. Thẻ này
được gọi là factory programmed. Nhà sản xuất loại thẻ này sẽ đưa dữ liệu lên thẻ và
người sử dụng thẻ không thể điều chỉnh được. Loại thẻ này chỉ tốt đối với những ứng
dụng nhỏ mà không thực tế đối với quy mô sản xuất lớn hoặc khi dữ liệu của thẻ cần
được làm theo yêu cầu của khác hàng dựa trên ứng dụng. Loại thẻ này được sử dụng
trong các ứng dụng kinh doanh và hàng không nhỏ.
 Thẻ ghi một lần, đọc nhiều lần (worm)
Thẻ WORM có thể được ghi dữ liệu một lần, mà thường thì khơng phải được ghi
bởi nhà sản xuất mà bởi người sử dụng thẻ ngay lúc thẻ cần được ghi. Tuy nhiên trong
thực tế thì có thể ghi được vài lần (khoảng100 lần). Nếu ghi quá số lần cho phép, thẻ
có thể bị phá hỏng vĩnh viễn. Thẻ WORM được gọi là field programmable.
Loại thẻ này có giá cả và hiệu suất tốt, có an toàn dữ liệu và là loại thẻ phổ biến nhất
trong lĩnh vực kinh doanh ngày nay.
 Thẻ đọc ghi (RW)
Thẻ RW có thể ghi dữ liệu được nhiều lần, khoảng từ 10.000 đến 100.000 lần

hoặc có thể hơn nữa. Việc này đem lại lợi ích rất lớn vì dữ liệu có thể được ghi bởi
reader hoặc bởi thẻ (nếu là thẻ tích cực). Thẻ RW gồm thiết bị nhớ Flash và FRAM để
lưu dữ liệu. Thẻ RW được gọi là field programmable hoặc reprogrammable. Sự an toàn
dữ liệu là một thách thức đối với thẻ RW. Thêm vào nữa là loại thẻ này thường đắt
nhất. Thẻ RW không được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng ngày nay, trong tương
lai có thể cơng nghệ thẻ phát triển thì chi phí thẻ giảm xuống.
 READER.
Một reader điển hình chứa một Module tần số vô tuyến (máy phát và máy thu) là
một đơn vị điều khiển và là phần tử kết nối đến bộ phát đáp. Ngoài ra các reader còn
được gắn với một giao diện bổ sung (RS232, RS485…) để chúng có thể chuyển tiếp
dữ liệu đọc được đến một hệ thống khác (PC, hệ thống điều khiển robot…)
Reader RFID được gọi là vật tra hỏi (interrogator), là một thiết bị đọc và ghi dữ
19


liệu các thẻ RFID tương thích. 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).
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.

Hình 1.7. Cấu trúc layout cơ bản của một reader
Các thành phần chính của reader bao gồm:
- Máy phát (Transmitter).
- Máy thu (Receiver).
- Vi mạch (Microprocessor).
- Bộ nhớ.
- Kênh vào/ra đối với các cảm biến, cơ cấu truyền động đầu từ, bảng tín hiệu
điện báo bên ngồi(mặc dù nói đúng ra đây là những thành phần không bắt buộc,

chúng hầu như luôn được cung cấp với một reader thương mại).
- Mạch điều khiển (có thể nó được đặt ở bên ngồi).
- Mạch truyền thơng.
- Nguồn năng lượng.
 Máy phát
Máy phát của reader 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 mơi trường xung quanh và nhận lại đáp ứng của thẻ qua antenna của reader.
20


 Máy thu
Máy thu nhận tín hiệu tương tự từ thẻ qua antenna của reader. Sau đó nó gửi
những tín hiệu này cho vi mạch của reader, tại đâu nó được chuyển thành tín hiệu số
tương đương (nghĩa là dữ liệu mà thẻ đã truyền cho reader được biểu diễn ở dạng số).
 Vi mạch
Thành phần này chịu trách nhiệm cung cấp giao thức cho reader để nó truyền
thơng 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.
 Các kênh nhập/xuất của các cảm biến, cơ cấu truyền động đầu từ và bảng tín
hiệu điện báo bên ngồi
Các reader khơng 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 đến chu kỳ làm việc của reader. Thành phần này
cung cấp một cơ chế bật và tắt reader tùy thuộc vào các sự kiện bên ngồi. Có một số
loại cảm biến như cảm biến về ánh sáng hoặc sự chuyển động để phát hiện các đối

tượng được gắn thẻ trong phạm vi đọc của reader. Cảm biến này cho phép reader bật
lên để đọc thẻ. Thành phần này cũng cho phép reader cung cấp xuất cục bộ tùy thuộc
vào một số điều kiện qua một bảng tín hiệu điện báo (chẳng hạn, báo bằng âm thanh)
hoặc cơ cấu truyền động đầu từ (chẳng hạn, mở hoặc đóng vẫn an tồn, di chủn một
cánh tay robot,v.v…).
 Mạch điều khiển
Mạch điều khiển 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. Thường thì các
nhà sản xuất hợp nhất thành phần này vào reader (như phần mềm hệ thống (firmware)
chẳng hạn).

21


 Giao diện truyền thông
Thành phần giao diện 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 giao diện này cũng có thể xem là một
phần của mạch điều khiển hoặc là phương tiện truyền giữa mạch điều khiển và các
thực thể bên ngồi. Thực thể này có những đặc điểm quan trọng cần xem nó như một
thành phần độc lập. Reader có thể có một giao diện tuần tự. Giao diện tuần tự là loại
giao diện phổ biến nhất nhưng các reader thế hệ sau sẽ được phát triển giao diện mạng
thành một tính năng chuẩn. Các reader phức tạp có các tính năng như tự phát hiện bằng
chương trình ứng dụng, có gắn các Web server cho phép reader nhận lệnh và trình bày
kết quả dùng một trình duyệt Web chuẩn.
 Nguồn năng lượng
Thành phần này cung cấp nguồn năng lượng cho các thành phần của reader.
Nguồn năng lượng được cung cấp cho các thành phần này qua một dây dẫn điện
được kết nối với một ngõ ra bên ngoài thích hợp.

Phân loại reader:
Reader được phân loại chủ yếu theo tiêu chuẩn là giao diện mà reader cung cấp
cho việc truyền thơng. Trong tiêu chuẩn này, reader có thể được phân loại ra như sau:
+ Serial.
+ Network.
 Serial reader
Serial reader sử dụng liên kết serial để truyền với một ứng dụng. Reader kết nối
đến cổng serial của máy tính dùng kết nối tuần tự RS232 hoặc RS485. Cả hai loại kết
nối này đều có giới hạn trên về chiều dài cáp sử dụng kết nối reader với máy tính.
Chuẩn RS485 cho phép cáp dài hơn chuẩn RS232.
 Network reader
Network reader kết nối với máy tính sử dụng cả mạng dây và không dây. Thực tế,
reader hoạt động như thiết bị mạng. 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. Nhược điểm của network reader là việc truyền không đáng tin cậy bằng
serial reader.
22


Cơ chế truyền cơ bản giữa thẻ và reader:
Tùy thuộc vào loại thẻ, việc truyền giữa reader và thẻ có thể theo một trong
những cách sau đây:
-

Modulated backscatter.

-

Kiểu máy phát (transmitter type).

Trước khi nghiên cứu sâu vào loại truyền thông, ta phải hiểu được khái niệm near
field và far field.
Phạm vi giữa antenna của reader và một bước sóng của sóng RF được phát bởi
antenna được gọi là near field. Phạm vi ngồi bước sóng của sóng RF đã phát từ
antenna của reader được gọi là far field. Các hệ thống RFID thụ động hoạt động ở băng
tần LF và HF sử dụng việc truyền thông near field trong khi trong băng tần UHF và
sóng viba sử dụng far field. Cường độ tín hiệu trong truyền thơng near field yếu đi lập
phương khoảng cách từ antenna của reader. Trong far field, nó giảm đi bình phương
khoảng cách từ antenna của reader. Cho nên truyền thông far field được kết hợp với
phạm vi đọc dài hơn truyền thơng near field.

Hình 1.8. Cơ chế truyền ở trường gần, trường xa giữa thẻ và reader
Tiếp theo so sánh việc đọc thẻ và ghi thẻ. Việc ghi thẻ mất nhiều thời gian hơn
việc đọc thẻ trong cùng điều kiện vì hoạt động ghi gồm nhiều bước, bao gồm việc xác
minh ban đầu, xóa dữ liệu còn tồn tại trên thẻ, ghi dữ liệu mới lên thẻ, và giai đoạn xác
minh lần cuối. Thêm nữa là dữ liệu được ghi trên thẻ theokhối bằng nhiều bước. Vì
23


vậy việc ghi thẻ có thể mất cả trăm giây mới hồn thành cùng với việc tăng kích thước
dữ liệu. Ngược lại, có một số thẻ có thể được đọc trong khoảng thời gian này với cùng
reader. Việc ghi thẻ là một quá trình dễ bị ảnh hưởng cần đặt thẻ gần antenna của
reader hơn khoảng cách đọc tương ứng. Việc đặt gần nhằm cho phép antenna của thẻ
có thể nhận được đủ năng lượng từ tín hiệu antenna của reader để cấp nguồn cho vi
mạch của nó giúp nó có thể thực thi các lệnh ghi. Nhu cầu năng lượng đối với quá
trình ghi thường cao hơn quá trình đọc.
 Modulated backscatte
Việc truyền modulated backscatter áp dụng cho cả thẻ thụ động và bán tích cực.
Trong kiểu truyền thơng này, reader gửi đi tín hiệu RF sóng liên tục (continuos waveCW) gồm có nguồn AC và tín hiệu xung cho thẻ cùng tần số mang (carrierfre quencytần số mà reader hoạt động). Nhờ việc kết nối (nghĩa là cơ chế truyền năng lượng giữa

reader và thẻ) mà antenna của thẻ cung cấp nguồn điện cho vi mạch. Từ kích thích
thường ám chỉ việc vi mạch của thẻ thụ động nhận năng lượng từ tín hiệu của reader để
tự tiếp sinh lực.Vi mạch cần khoảng 1.2V từ tín hiệu của reader để tiếp sinh lực đối với
việc đọc. Còn đối với việc ghi thì vi mạch thường cần khoảng 2.2V từ tín hiệu của
reader. Hiện nay vi mạch điều chỉnh, thay đổi tín hiệu nhập thành một chuỗi mơ hình
mở, tắt trình bày dữ liệu của nó và truyền nó trở lại. Khi reader nhận tín hiệu đã điều
chế, nó giải mã mơ hình và thu được dữ liệu thẻ.

Hình 1.9. Cơ chế truyền modulated backscatter của thẻ thụ động

24


Hình 1.10. Cơ chế truyền modulated backscatter của thẻ bán thụ động
 Kiểu máy phát
Kiểu truyền này chỉ áp dụng cho thẻ tích cực. Trong kiểu truyền này, thẻ phát tán
thông điệp xung quanh môi trường với khoảng cách theo qui định, bất kể reader có hay
khơng có mặt ở đó. Vì vậy, trong kiểu truyền này, thẻ ln ln‚ talks‛ trước reader.

Hình 1.11. Cơ chế truyền kiểu máy phát của thẻ tích cực
 Cơ sở dữ liệu (Database)
Database là hệ thống dữ liệu phụ trợ để theo dõi và chứa thơng tin về item có
đính thẻ. Thơng tin được lưu trong database bao gồm định danh item, phần mô tả, nhà
sản xuất, hoạt động của item, vị trí. Kiểu thông tin chứa trong database sẽ biến đổi tùy
theo ứng dụng. Chẳng hạn dữ liệu được lưu trữ trong hệ thống thu lệ phí đường sẽ
khác với dữ liệu được lưu trữ cho một dây chuyền cung cấp cũng như khác với quản lý
25