Tài liệu Nghiên cứu, thiết kế và mô phỏng anten rfid

§¹i häc quèc gia Hµ Néi tr−êng ®¹i häc c«ng nghÖ NguyÔn ThÕ Anh Nghiªn cøu, thiÕt kÕ Vµ m« pháng anten rfid LuËn v¨n th¹c sÜ Hµ Néi - 2007 §¹i häc quèc gia Hµ Néi tr−êng ®¹i häc c«ng nghÖ NguyÔn ThÕ Anh Nghiªn cøu, thiÕt kÕ Vµ m« pháng anten rfid Ngµnh: Kü thuËt §iÖn Tö – ViÔn Th«ng Chuyªn ngµnh: Kü thuËt v« tuyÕn ®iÖn tö vµ th«ng tin liªn l¹c M· sè: 2.07.00 LuËn v¨n th¹c sÜ Ng−êi h−íng dÉn khoa häc: TS. TRÇN MINH TUÊN Hµ Néi - 2007 -1- Më §ÇU Trong những năm gần đây, các hệ thống nhận dạng tự động (Auto Identification) ngày càng phát triển mạnh mẽ và được ứng dụng trong rất nhiều các lĩnh vực. Nhưng phát triển mạnh nhất hiện nay chính là công nghệ nhận dạng tự động sử dụng tần số sóng radio, đó chính là công nghệ RFID (Radio Frequency Identification). Cùng với sự phát triển của công nghệ sản xuất chip và công nghệ không dây, hệ thống RFID ngày càng phát triển và hoàn thiện hơn về mọi mặt. Việc nghiên cứu công nghệ này là bước đầu để chúng ta tìm hiểu và tiến đến làm chủ công nghệ, từ đó chúng ta có thể triển khai các ứng dụng trong thực tế tại Việt Nam. Nội dung của khoá luận tập trung nghiên cứu về lý thuyết anten và thử nghiệm thiết kế anten cho hệ thống RFID thụ động. Trên cơ sở đó luận văn được chia thành bốn chương: Chương 1: Hệ thống RFID và các nguyên lý cơ bản Chương 2: Thiết kế anten cho thẻ RFID Chương 3: Mô phỏng và thiết kế anten trên máy tính. Chương 4: Kết luận và hướng nghiên cứu tiếp -2- CH¦¥NG 1 HÖ THèNG RFID Vµ C¸C NGUY£N Lý C¥ B¶n 1.1 Hệ thống RFID. 1.1.1 Hệ thống nhận dạng tự động (Auto Identification-Auto ID): Trong vài năm gần đây, các hệ thống nhận dạng tự động ngày càng phát triển và trở nên khá phổ biến trong các ngành như công nghiệp dịch vụ, mua sắm, phân phối, quản lý và được sử dụng tại rất nhiều các cơ quan, nhà máy, bệnh viện và các tổ chức khác. Chúng cung cấp cho chúng ta các thông tin về con người, hàng hoá, động vật trong việc di chuyển. Ví dụ: mã vạch, thẻ từ, …và hệ thống RFID. Mã vạch Quang học Thẻ thông minh Hệ thống nhận dạng tự động Vân tay Sinh học Giọn g nói RFID Hình 1-1: Mô hình các hệ thống nhận dạng tự động. -3- a) Hệ thống nhận dạng mã vạch (Barcode): Hệ thống nhận dạng tự động bằng mã vạch đã đạt được nhiều thành công và được ứng dụng, phát triển mạnh mẽ nhất. Mã vạch là hệ thống mã nhị phân được tạo nên bởi các vạch và khoảng trống xắp xếp song song với nhau. Chúng được xắp xếp theo một quy ước định trước, các phần của mã vạch đại diện cho dữ liệu cần mã hóa. Mã vạch có thể được đọc bởi đầu đọc laser thông qua sự phản xạ khác nhau của dòng laser đối với các vạch đen và khoảng trống màu trắng. b) Hệ thống nhận dạng sinh học: Hệ thống nhận dạng sinh học thường dùng để nhận dạng các sinh vật sống trong đó nhận dạng con người là chủ yếu. Trong hệ thống nhận dạng tự động, nhận dạng sinh học có độ chính xác khá cao qua việc so sánh các đặc điểm riêng của mỗi người. Trong thực tế, có rất nhiều các hệ thống nhận dạng sinh học như: nhận dạng vân tay, nhận dạng giọng nói và nhận dạng võng mạc. c) Hệ thống nhận dạng thẻ thông minh(smart card): Thẻ thông minh là thiết bị lưu trữ dữ liệu điện tử, có loại có thêm một chip để xử lý thông tin. Chúng thường được thiết kế trong một thẻ nhựa có kích thước như thẻ điện thoại. Để hoạt động, thẻ thông minh phải được đưa vào đầu đọc thẻ, thẻ được kết nối với đầu đọc thông qua các tiếp xúc điện. Thẻ được cung cấp năng lượng và xung đồng bộ bởi đầu đọc thông qua tiếp xúc điện đó. Dữ liệu truyền giữa đầu đọc và thẻ được truyền theo dạng nối tiếp hai chiều. Qua đặc điểm của các hệ thống nhận dạng tự động trên, chúng ta có thể thấy rằng hầu hết các hệ thống nhận dạng tự động trên đều yêu cầu kết nối vật lý tiếp xúc với khoảng cách gần. Điều này gây rất nhiều bất tiện cho người sử dụng trong sử dụng hoặc quản lý. Với hệ thống RIFD, việc kết nối không dây giữa thiết bị mang thông tin và thiết bị đọc sẽ đem lại nhiều ứng dụng và tiện lợi hơn. Trong thực tế, chúng ta còn có thể truyền năng lượng từ đầu đọc cho thiết bị di động thông qua việc sử dụng công nghệ không dây này. -4- Bảng 1.1. So sánh các công nghệ nhận dạng tự động (Auto-ID) chính. Barcode Thẻ thông RFID thụ động RFID tích cực Có thể thay đổi Có thể thay đổi Từ mức tối thiểu tới Ở mức cao minh Thay đổi dữ Không thể Có thể thay liệu thay đổi đổi An toàn dữ Ở mức tối Ở mức cao liệu thiểu Dữ liệu 8 – 30 ký tự truyền tải đến 7,200 số Chi phí Thấp Tiêu chuẩn mức cao Lến tới 8MB Lên tới 64kB Lến tới 8MB Cao (hơn Trung bình (ít hơn Rất cao (10$ - 1$/thẻ) 25 cent/SP) 100$/thẻ) Ổn định và Độc quyền; Phát triển theo một Độc quyền và đã được quy không có tiêu quy chuẩn phát triển theo ước chuẩn. một quy chuẩn mở. Tuổi thọ Ngắn Dài Không giới hạn 3 – 5 năm (pin) Khoảng Tầm nhìn Tiếp xúc trực Lên tới 1524cm Lên tới 100m và cách đọc thẳng (90 – tiếp (Không tiếp xúc) hơn nữa Môi trường, địa Hầu như không hình ảnh hưởng tới do tín hiệu quảng việc truyền sóng bá phát ra khá RF. mạnh. 180cm) Nhiễu tiềm ẩn Bụi hoặc vật Tiếp xúc mòn, cản giữa thẻ và đầu đọc bẩn. -5- Hình 1-2: Sơ đồ khối hệ thống RFID ứng dụng hoàn chỉnh 1.1.2 Khái niệm về hệ thống RFID. Hệ thống nhận dạng tự động RFID cũng tương tự như hệ thống nhận dạng bằng thẻ thông minh trên. Nó cũng là thiết bị lưu trữ dữ liệu rất thuật tiện, có thể mang theo được, đó chính là thẻ RFID. Tuy nhiên, điểm khác biệt của hệ thống RFID đó chính là năng lượng cung cấp cho thẻ và việc truyền dữ liệu giữa đầu đọc và thẻ không phải thông qua các kết nối vật lý hay quang học mà thông qua điện trường do đầu đọc phát ra. Hệ thống RFID lấy năng lượng từ trường điện từ của -6- sóng radio, và nhận dạng dựa vào tần số sóng radio mang thông tin đó. Do những đặc tính ưu việt của công nghệ của hệ thống RFID so với các hệ thống nhận dạng tự động khác, hệ thống RFID ngày nay được ứng dụng trong rất nhiều các lĩnh vực và ngày càng phát triển. Hình trên cho thấy các thành phần một hệ thống RFID hoàn chỉnh [3], được ứng dụng tại các cửa hàng bán lẻ lớn. Phía dưới góc bên trái của hình là một tập hợp các thẻ RFID minh hoạ cơ chế nhận dạng của chúng. Reader được đặt bên trong và tại các dây chuyền đầu ra. Các reader có thể đọc thẻ hàng trăm tới hàng ngàn lần một phút. Reader cũng phải được cấu hình và quản lý sao cho nó có thể phủ sóng hết các vùng mù, nơi mà khó nhận biết được thẻ. RFID middleware là phần mềm xử lý tất cả các quá trình trên. Edge applications là các ứng dụng bất kỳ của doanh nghiệp. Dịch vụ thông tin RFID trình bày cơ chế lưu giữ các dữ kiện RFID và dữ liệu liên quan. 1.1.3 Cấu trúc cơ bản của hệ thống RFID. Cấu trúc hệ thống RFID chủ yếu bao gồm một reader và một thẻ (hay còn gọi là label hoặc chip). Reader sẽ truy vấn thẻ, lấy thông tin, và sau đó xử lý theo thông tin vừa nhận được đó. Có thể chỉ đơn giản là hiển thị một con số nào đó trên một thiết bị cầm tay, hoặc chuyển thông tin đó tới một hệ thống POS , một cơ sở dữ liệu quản lý kho, hoặc chuyển tiếp tới một hệ thống thanh toán nào đó. -7- 1.1.3.1 Tag/ Thẻ Thẻ được sử dụng trong hệ thống RFID có chức năng như một bộ thu phát (transponder) [13], được thiết kế để có thể vừa có khả năng thu tín hiệu vô tuyến vừa có khả năng tự động phát đi trả lời. Kiểu hoạt động đơn giản nhất, đó là thẻ sẽ lắng nghe một tín hiệu vô tuyến, và sẽ gửi tín hiệu để trả lời (LBT – Listen before talk). Các hệ thống phức tạp hơn có thể phát đi một ký tự đơn hay một con số, hoặc có thể gửi một dãy ký tự hoặc dãy số. Và đối với những hệ thống tân tiến hơn, còn có thể cho phép tính toán, xác nhận và mã hoá đường truyền để bảo mật thông tin. Cấu tạo một thẻ RFID thường bao gồm: Mạch giải mã, bộ nhớ, nguồn cung cấp, điều khiển giao tiếp và anten. Thẻ cũng có ba loại: đó là tích cực, thụ động và bán thụ động. Thẻ RFID thụ động bản thân không có pin hay nguồn cung cấp trong nó; do đó, nó phải lấy nguồn cung cấp từ tín hiệu của reader. Thẻ là một mạch cộng hưởng có khả năng hấp thụ nguồn cung cấp phát ra từ anten của reader. Để nhận năng lượng từ reader, cần phải sử dụng một tính chất của trường điện từ gọi là trường gần. Tức là thẻ phải ở khoảng cách tương đối gần so với reader để có thể nhận được năng lượng từ reader. Năng lượng trường gần sẽ đảm bảo cung cấp đủ năng lượng cho thẻ sao cho ít nhất nó cũng có thể gửi được một đáp ứng cho reader. Ngược với thẻ thụ động là thẻ tích cực. Thẻ tích cực bản thân đã có nguồn cung cấp bên trong, pin. Vì có năng lượng để cung cấp cho chính mạch điện tử của nó, nên nó có thể phát và thu độc lập mà không cần nguồn cung cấp từ trường gần của anten reader. Và cũng bởi vì nó không phụ thuộc vào nguồn cung cấp từ reader, nên chúng cũng không bị giới hạn hoạt động trong phạm vi trường gần. Nó có thể tương tác với reader ở khoảng cách xa hơn. Một trong những lý do khiến thẻ tích cực ít được ứng dụng rộng rãi trên toàn thế giới đó là do còn chưa có một tiêu chuẩn toàn cầu hoàn thiện dành cho nó. Thẻ bán thụ động cũng có pin để cung cấp năng lượng nhưng vẫn phụ thuộc vào trường gần để cấp nguồn cho mạch vô tuyến hoạt động trong quá trình phát và nhận dữ liệu. -8- Một thẻ bao gồm hai thành phần chính bên trong: ASIC hay microchip và anten. Microchip là chip vi xử lý nhỏ lưu giữ một dãy số nhận dạng duy nhất cho chip đó. Microchip còn có khả năng xử lý các tình huống khi thẻ giao tiếp với reader. Anten sẽ cấp năng lượng thu được cho microchip và microchip có thể trao đổi dữ liệu với reader. Thẻ cũng được chia ra thành các lớp và các thế hệ: Lớp 0, Lớp 1 và Thế hệ 1 (Gen 1), Thế hệ 2 (Gen 2) (Nhằm phân biệt so với thẻ của các công nghệ nhận dạng khác, và cũng như phân loại thẻ theo các tuỳ chọn riêng của chúng). • Thẻ lớp 0: Là loại thẻ chỉ-đọc, tức là dữ liệu trên thẻ được ghi bởi nhà sản xuất là không thể thay đổi được. • Thẻ lớp 1: Thẻ có thể ghi/đọc, có thể ghi bất kỳ thông tin gì lên chúng theo mục đích của từng ứng dụng cụ thể và có thể đọc dữ liệu ra vô hạn định. Viết một lần, đọc nhiều lần (WORM). Về nguyên lý, kích thước thẻ càng lớn thì thẻ càng ít có đối tượng nhận dạng có kích thước phù hợp để gắn vào. Nhưng kích thước thẻ càng nhỏ thì khoảng đọc lại càng ngắn. 1.1.3.2 Đầu đọc (Reader) Thành phần thứ hai trong hệ thống RFID cơ bản đó là reader. Gọi là “reader” thực ra cũng không đúng về mặt thuật ngữ, reader thực sự cũng là một bộ thu phát (transceiver). Nhưng, bởi vì vai trò chủ yếu của reader là truy vấn thẻ và nhận thông tin từ thẻ, nên chức năng chủ yếu vẫn là “đọc thẻ”; do đó, được gọi là “reader”. Reader có thể có tích hợp anten bên trong hoặc anten rời. Còn có các thành phần khác trong một reader như là các giao diện hệ thống như cổng nối tiếp RS-232 hay Ethernet, các mạch mã hoá và giải mã, nguồn cung cấp, và các mạch điều khiển giao tiếp. Anten reader có kích thước rất đa dạng, từ vài cm cho tới hàng chục, hàng trăm cm. Mỗi reader có thể có nhiều hơn một anten tuỳ thuộc vào từng ứng dụng cụ thể. -9- 1.1.3.3 Middleware Phần mềm Middleware sẽ quản lý reader và dữ liệu đến từ thẻ, chuyển nó tới hệ thống cơ sở dữ liệu tập trung. Middleware được bố trí ở giữa reader và cơ sở dữ liệu. Ngoài việc lấy dữ liệu từ thẻ và đưa dữ liệu vào cơ sở dữ liệu, middleware còn thực hiện các chức năng như lọc, quản lý và phối hợp reader. Khi các hệ thống RFID phát triển lên, middleware sẽ được bổ sung thêm các chức năng quản lý nâng cao và cải tiến cho cả reader và thẻ, chưa kể đến các tuỳ chọn quản lý dữ liệu mở rộng. Cơ sở dữ liệu có thể là SQL, My SQL, Oracle, Postgres... 1.1.4 Dữ liệu sử dụng trong RFID 1.1.4.1 Dữ liệu chứa trong thẻ Phụ thuộc vào loại thẻ cụ thể, dung lượng dữ liệu chứa trong thẻ sẽ khác nhau từ vài byte cho tới vài MB tuỳ thuộc vào ứng dụng. Dữ liệu trong thẻ có thể có rất nhiều các định dạng khác nhau, tất nhiên là phải tương thích với cả reader và thẻ. Hiện tồn tại khá nhiều các định dạng, song các tiêu chuẩn đang xây dựng sẽ dần dần hợp nhất. Mã UPC (bar code) đã được coi là phương tiện thanh toán tại các POS trong các siêu thị bán lẻ kể từ những năm 1970. Mã UPC chứa các thông tin về hệ thống bar code, nhà sản xuất, loại sản phẩm, và số kiểm tra. Vì chỉ có 5 con số được sử dụng để mã hoá cho cả nhà sản xuất và sản phẩm, nên tổng số nhà sản xuất sẽ là 100,000, mỗi nhà sản xuất sẽ có 100,000 sản phẩm. Tổng cộng số sản phẩm mà mã UPC có thể mã hoá là 10,000,000,000. Rõ ràng thấy rằng mã UPC sẽ sớm bị cạn kiệt tài nguyên mã hoá cho sản phẩm. 1.1.4.2 Mã sản phẩm điện tử Mã sản phẩm điện tử mới (EPC) sử dụng định dạng Nhận dạng chung (GID96) của tổ chức EPC toàn cầu. GID-96 có 96 bit (12 byte) dữ liệu. Theo chuẩn GID96, mỗi EPC sẽ bao gồm 3 trường: Số quản lý chung 28 bit sẽ dành cho nhận dạng tổ chức hoặc công ty; Lớp đối tượng 24 bit chia sản phẩm thành các nhóm; Số sê-ri - 10 - 36 bit là duy nhất đối với từng đối tượng và dành cho nhận dạng sản phẩm. Trường thứ tư bao gồm một header 8 bit được sử dụng để đảm bảo sự duy nhất của mã EPC. Số bit Tổng số Header Số quản lý chung Lớp đối tượng Số Se-ri 8 28 24 36 268,435,455 16,777,215 68,719,476,735 Bảng 1.2: Các trường của mã EPC Cho phép tổng cộng 30,939,155,754,879,204,468,201,375 đối tượng sản phẩm được mã hoá bằng hệ thống mã hoá EPC. Hình 1-3: Mã EPC dùng cho RFID - Header: Trường này sẽ cho reader biết tiếp theo sau sẽ là loại dữ liệu nào. - EPC Manager: Trường quản lý EPC này sẽ nhận dạng các nhà sản xuất. - Lớp đối tượng: Cũng tương tự như đơn vị giữ kho (SKU). - Số sê-ri: Đây là dãy số quan trọng nhất, nó biểu thị sản phẩm, các đặc tính của sản phẩm… Mỗi công ty hoặc nhà sản xuất sẽ được gán một số quản lý chung từ tổ chức EPC. Mỗi nhà sản xuất sau đó sẽ được gán một số Lớp Đối tượng cho mỗi dây chuyền sản xuất. Mỗi đối tượng sản phẩm sẽ được nhận dạng bởi Số Sê-ri. Các nhà sản xuất có thể gán số sản phẩm và số sê-ri bất kỳ cho sản phẩm của họ. Cũng chính vì thế mà các nhà sản xuất có khả năng tự cung cấp cho mình những phương thức nhận dạng duy nhất cho mỗi sản phẩm của họ. - 11 - 1.1.5 Phân loại hệ thống RFID. Qua nhiều giai đoạn phát triển khác nhau, rất nhiều mođun của hệ thống RFID đã được tích hợp lại. Hệ thống RFID có thể được phân loại dựa theo tần số hoạt động, khoảng đọc, nguồn cung cấp cho thẻ, và giao thức truyền dữ liệu giữa thẻ và reader…Nhưng từ quan điểm thiết kế anten, Hệ thống RFID có thể được phân loại thành hai phạm trù [23]: RFID trường gần và RFID trường xa liên quan đến phương pháp phát công suất từ reader tới thẻ. Còn với quan điểm về phưong pháp cấp nguồn cho thẻ thì có thể phân loại thành hệ thống RFID thụ động, tích cực và bán tích cực. Trong phạm vi của giáo trình này mặc định chỉ đề cập tới hệ thống RFID thụ động nên sẽ không dựa trên cách phân loại này. RFID trường gần và trường xa: Có hai phương pháp để truyền công suất từ reader tới thẻ, đó là ghép dung/cảm ứng và thu/phát sóng điện từ (EM). Cả hai phương pháp này đều khai thác các tính chất của điện từ trường đối với một anten RF - Trường khu gần và trường khu xa. Cả hai phương pháp này đều cung cấp đủ năng lượng cho thẻ đảm bảo hoạt động trong khoảng từ 10µW tới 1mW, phụ thuộc vào từng loại thẻ. 1.1.5.1 RFID trường gần Trường gần là một hiện tượng xảy ra trong truyền sóng vô tuyến, trong đó cường độ trường của trường điện từ đủ lớn để cảm ứng tạo ra một điện trường trên cuộn dây anten của thẻ. Độ lớn của trường gần phụ thuộc vào bước sóng của tín hiệu vô tuyến được sử dụng (r = λ/2π). Trong các hệ thống RFID trường gần, công suất cũng như thông tin cần truyền từ reader tới thẻ đều có thể thực hiện được bằng cách ghép cảm ứng qua tương tác với từ trường, hoặc ghép dung ứng qua tương tác với điện trường. Hệ thống RFID trường gần là phương pháp đơn giản nhất để thực hiện một hệ thống RFID thụ động. Hạn chế chủ yếu của hệ thống RFID trường gần đó là giới hạn về khoảng đọc. Đối với các hệ thống RFID ghép cảm ứng, năng lượng cảm ứng là một hàm của khoảng cách từ cuộn anten. Từ trường giảm đi với tốc độ 1/r3, trong đó r là - 12 - khoảng cách giữa reader và thẻ. Khoảng đọc của một hệ thống RFID trường gần như vậy thường ngắn hơn 1.5m. Còn một sự hạn chế khác liên quan đến hướng của từ trường. Cùng với tầm nhìn của anten reader, cường độ trường của thành phần từ trường trực giao với mặt phẳng anten reader thì rất mạnh, trái lại thành phần cường độ trường song song với mặt phẳng anten reader thì lại rất yếu hoặc thậm chí bằng không. Do đó, nếu thẻ được đặt song song với từ trường của anten reader, reader sẽ không thể nhận biết được thẻ bởi vì không có từ thông chảy qua thẻ. 1.1.5.2 RFID trường xa Trong các hệ thống RFID trường xa, công suất cũng như thông tin truyền từ reader tới thẻ đều được thực hiện bằng cách phát và thu sóng EM. Reader sẽ phát ra năng lượng qua anten, một phần năng lượng đã phát sau đó sẽ bị phản xạ trở lại từ thẻ và reader sẽ nhận biết được. Biên độ năng lượng phản xạ từ thẻ có thể bị ảnh hưởng bởi sự thay đổi trở kháng tải kết nối tới anten của thẻ. Bằng cách thay đổi trở kháng tải của anten theo thời gian, thẻ có thể phản xạ nhiều hoặc ít so với tín hiệu tới và đó cũng là cách mã hoá ID của thẻ. Các hệ thống RFID trường xa hoạt động ở các tần số lớn hơn 100MHz, chủ yếu là băng UHF như 868MHz, 915MHz hoặc 955MHz hay băng tần vi ba 2.4GHz hoặc 5.8GHz. Khoảng đọc của hệ thống RFID trường xa được xác định bởi mật độ năng lượng mà thẻ nhận được và độ nhạy của phần thu reader đối với tín hiệu phản xạ từ thẻ. Năng lượng cần thiết để cấp cho thẻ tại một tần số cho trước sẽ ngày càng giảm xuống (hiện giờ là khoảng vài mW). Reader đang ngày càng được cải tiến độ nhạy sao cho chúng có thể nhận biết được tín hiệu yếu với các mức công suất khoảng -80dBm với chi phí chấp nhận được. Khoảng đọc của hệ thống có thể dao động từ 3 – 5m. Khi lớn nhất có thể lên tới 10m hoặc hơn. - 13 - 1.1.6 Tần số, tiêu chuẩn và giao thức được sử dụng trong hệ thống RFID: 1.1.6.1 Tần số và quy định Hoạt động của một hệ thống RFID phụ thuộc rất nhiều vào tần số hoạt động mà hệ thống sử dụng. Tần số hoạt động sẽ ảnh hưởng lớn tới khoảng đọc, tốc độ trao đổi dữ liệu, hoạt động, kích thước, loại anten, và tính hấp thụ bề mặt. Do phải đảm bảo hệ thống RFID cùng tồn tại được với các hệ thống thông tin khác như là thông tin di động, thông tin vệ tinh…mà tần số hoạt động của hệ thống RFID bị giới hạn; Chỉ được phép hoạt động với dải tần ISM. Ngoài dải tần ISM ra, toàn bộ dải tần dưới 135kHz (ở Bắc và Nam Mỹ) và 400kHz (ở Nhật) cũng được dành cho ứng dụng RFID. Hình 1.4: Dải tần chính dành cho ứng dụng RFID Hệ thống RFID LF thường sử dụng thẻ thụ động, thích hợp cho các ứng dụng trong đó môi trường hoạt động có các đối tượng cần nhận dạng chủ yếu là kim loại, chất lỏng…(một tính chất rất quan trọng của các hệ LF). Thẻ LF tích cực cũng có mặt trong một số các ứng dụng RFID khác. Hệ thống RFID HF cũng sử dụng thẻ thụ động và hoạt động khá tốt trong các môi trường có chứa kim loại, chất lỏng. Hệ thống RFID UHF thụ động tiêu biểu hoạt động tại tần số 915MHz ở Mỹ và 868MHz ở Châu Âu. Còn hệ thống tích cực thì hoạt động tại tần số 315MHz hoặc 433MHz. Hệ thống RFID UHF có thể sử dụng cả thẻ tích cực lẫn thụ động. Tuy nhiên, dải tần UHF cho ứng dụng RFID chưa được chấp nhận rộng rãi trên toàn thế giới. - 14 - Hệ thống RFID MWF hoạt động tại tần số 2.45GHz được sử dụng phổ biến nhất và được chấp nhận rộng rãi. Hệ thống RFID MWF cũng có thể sử dụng cả thẻ tích cực lẫn thụ động. Do kích thước của anten tỷ lệ nghịch với tần số, nên anten của thẻ thụ động hoạt động trong dải tần MWF có kích thước nhỏ hơn rất nhiều so với các hệ thống RFID khác hoạt động ở dải tần khác thấp hơn. Bảng 1.3: Các hệ thống RFID trường gần và trường xa với các thống số liên quan. RFID trường gần RFID trường xa LF HF UHF MWF Tần số 3-400kHz 3-30MHz 300M-3GHz 1-3GHz Tiêu biểu 125-134kHz 13.56MHz 433MHz, 2.45GHz 865M-956MHz Khoảng < 0.5m 1.5m Lên tới 100m Lên tới 10m 1kb/s 25kb/s 30kb/s 100kb/s Ngắn, tốc độ Khá dài, tốc độ khá Dài, tốc độ cao, Dài, tốc độ cao, bị thấp, chỉ bị cao (bằng GSM) bị ảnh hưởng ảnh hưởng bởi cả bởi cả nước và nước và kim loại. đọc Tốc độ truyền Đặc điểm ảnh hưởng bởi không bị ảnh hưởng kim loại Ứng dụng Quản lý gia bởi nước. kim loại. Nhãn thông minh súc, ôtô. Logistics và tìm Thu lệ phí cầu gia súc. đường đối với ôtô Bảng 1.4: Hệ thống RFID UHF tại một số các quốc gia khác nhau Quốc gia Trạng thái Trung Quốc IP Tần số Công suất 917 - 922 2W (ERP) Công nghệ Ghi chú Ấn Độ OK 865 - 867 4W (ERP) 5/ 2005 Hàn Quốc OK 908.5-910 4W (ERP) LBT 7/ 2004 910 - 914 4W (ERP) FHSS 7/ 2004 - 15 - 1.1.6.2 Các tiêu chuẩn Hiện còn tồn tại rất nhiều các tiêu chuẩn khác nhau cho công nghệ RFID trên thế giới, các nỗ lực đưa về một tiêu chuẩn duy nhất vẫn tiếp tục được tiến hành. Các tiêu chuẩn đang tồn tại được đưa ra nhằm hỗ trợ bốn khía cạnh chủ yếu sau đây của RFID: tiêu chuẩn về giao diện (truyền dữ liệu từ thẻ tới reader), nội dung và mã hoá dữ liệu, sự tương thích giữa các ứng dụng và hệ thống RFID. Một số tổ chức về tiêu chuẩn đã tham gia vào quá trình phát triển và định nghĩa các công nghệ RFID, bao gồm ISO, EPCglobal, ETSI và FCC. 1.1.6.3 Giao thức Hệ thống RFID hoạt động khi anten đầu đọc phát đi tín hiệu vô tuyến. Các tín hiệu này sẽ được thẻ nhận, và trả lời bằng một tín hiệu vô tuyến đáp ứng. Tín hiệu sau đó sẽ được đọc bởi bộ thu của reader. Hình 1.5 Giao tiếp giữa thẻ và reader 1.2 Anten trong hệ thống RFID: 1.2.1 Các loại anten thông dụng: Giao thức Tần số Khả năng Ưu điểm Nhược điểm Thế hệ 1 UHF Thẻ chỉ đọc, Giao thức thông Chi phí cao và giảm lập trình sẵn tin dữ liệu nhanh linh hoạt Chỉ có thể ghi 1 lần lớp 0 Thế hệ 1 UHF, Ghi 1, đọc Quản lý dữ liệu lớp 1 HF nhiều lần dễ dàng Chuẩn LF, HF Có khả năng Quản lý dữ liệu Không quan tâm tới ISO và UHF đọc, ghi, và dễ dàng cấu trúc dữ liệu, chỉ khoá dữ liệu Thế hệ 2 HF và lớp 1 UHF WORM quan tâm tới giao diện Quản lý dữ liệu dễ dàng, được chấp nhận rộng rãi Chỉ được ghi một lần - 16 - Các loại anten thông dụng trong hệ thống RFID đó là anten dipole (anten được cấu tạo bởi hai phần tử bức xạ đặt đối xứng nhau. Hai phần tử bức xạ thường có dạng hai thanh đặt đối xứng nhau), anten mạch in (anten mạch dải, còn được gọi là anten mạch vi dải vì nó có kích thước rất nhỏ, về thực chất là một kết cấu bức xạ kiểu khe. Về cấu tạo, mỗi phần tử anten mạch dải gồm có các phần chính là phiến Giao thức giao diện RFID - 17 - kim loại, lớp đế điện môi, màn chắn kim loại và bộ phận tiếp điện. Phiến kim loại được gắn lên đế điện môi, tạo nên một kết cấu tương tự một mảng của mạch in, do vậy anten được gọi là anten mạch in),… 1.2.2 Chất liệu cho anten RFID [15] Một trong những yếu tố vô cùng quan trọng trong thiết kế anten RFID nói riêng và anten mạch dải nói chung đó là vấn đề chọn chất liệu làm anten. Chất liệu được chọn làm anten quyết định rất lớn đến hiệu suất hoạt động, kích thước và giá thành của anten. Với mỗi chất liệu anten sẽ có một hằng số điện môi (các đế có hằng số điện môi thấp là chân không, không khí, Heli...Các đế có hằng số điện môi trung bình như là sứ, nước cất, giấy, mica, polyethilen, kính…Muốn các đế có hằng số điện môi cao thì thông thường sử dụng oxit kim loại), tổn hao điện môi, độ từ thẩm, trở kháng,…và chi phí khác nhau. Tất cả những tham số này đều là các tác nhân quan trọng trong quá trình thiết kế ra được một anten RFID tối ưu cho từng ứng dụng cụ thể. Dưới đây tôi xin được trình bày một số các chất liệu đang được sử dụng làm anten RFID tân tiến và phổ biến nhất. FR-4 FR-4 (fiberglass-reinforced, flame-retardant epoxy), tạm dịch là epoxi được làm chậm lại quá trình cháy và tăng cường sợi thủy tinh. Hằng số điện môi và tổn hao điện môi của vật liệu này cho kết quả tốt ở các tần số thấp hơn so với rất nhiều ứng dụng đang hoạt động thực tế. Tuy nhiên, RFID hoạt động ở cả tần số gần 1GHz, mà tại đó tổn hao điện môi của FR-4 về căn bản lại tăng. Hơn nữa, tổn hao điện môi là một thông số quan trọng, do đế (substrate) được sử dụng làm thành phần chính bên trong của cấu trúc anten, Tổn hao điện môi càng thấp thì chất liệu điện môi có hiệu suất càng cao. Tổn hao dẫn cũng trở thành một vấn đề với các ứng dụng RFID 915MHz, 2.45GHz và 5.8GHz. Nơi mà độ sâu bề mặt (skin depth) trở nên nông hơn khi tần số tăng lên. FR-4 sử dụng đồng thô để duy trì sự liên kết điện môi-đồng mạnh hơn. Sử dụng đồng thô sẽ có tổn hao cao hơn do hiệu ứng bề mặt tỷ lệ với sóng EM. Đồng cũng được kết hợp với kim loại kẽm có tổn hao cao hơn để ngăn đồng thâm - 18 - nhập vào epoxy và tạo ra điện trở nhiệt cao hơn (nhiệt sinh ra khi bức xạ). Kẽm là một kim loại có tổn hao rất cao, và lại làm tăng đáng kể tổn hao hơn nữa khi kết hợp với đồng thô và độ sâu bề mặt sẽ nông hơn nữa. Đối với hầu hết các chất liệu, tổn hao điện môi sẽ tỷ lệ thuận với tần số. Tuy nhiên, nó tăng nhanh hơn đối với FR-4, điều này cũng có nghĩa là tần số thay đổi phụ thuộc vào hằng số điện môi. Epoxy bao gồm một số các phân nhóm có cực tính (polar sub-groups) bên trong phân tử của nó. Ở các tần số thấp, các phân nhóm này sẽ tự động sắp xếp theo điện trường tác động. Nhưng tại các tần số cao hơn, khả năng duy trì liên kết của chúng bị phá vỡ bởi sự va chạm bên trong và giữa các phân tử epoxy. Một số các thiết kế được đưa ra để bù lại điều này bằng cách phát công suất cao hơn. Nhưng do các giới hạn về mức độ bức xạ tín hiệu và sự thay đổi bên trong các chất liệu khiến cho bản thân phương pháp này cũng bị giới hạn. Khi sử dụng công suất cao hơn cũng có nghĩa là nhiều năng lượng hơn được chuyển đổi thành nhiệt do sự ma sát phân tử (và nhiệt độ sẽ cao hơn). Nhiệt độ cao hơn, lại ảnh hưởng tới epoxy, làm tăng cả hằng số điện môi lẫn tổn hao điện môi, làm cho anten hoạt động kém hiệu quả đi. FoamClad FoamCladR/F 100 là một họ hợp kim dát mỏng mới, cấu tạo gồm một hỗn hợp có hằng số điện môi thấp sử dụng một thành phần tạm dịch là bọt ô-đóng, giãn nở (expanded closed-cell foam). FoamClad là một vật liệu có thể xử lý một cách dễ dàng để sản xuất hàng loạt anten mạch in có trọng lượng nhẹ và chi phí thấp. Hằng số điện môi thấp (1.15 – 1.30), chi phí thấp và hệ số tổn hao (loss tangent) thấp (0.002 – 0.004) khiến nó trở nên lý tưởng đối với các ứng dụng RFID băng rộng có khả năng truyền tải dữ liệu tốc độ cao. Độ dày đa dạng (từ 0.1cm đến 0.7cm) cho phép việc thiết kế anten có được một ưu điểm hoàn toàn về chi phí, điều mà các vật liệu tổn hao thấp đắt tiền hay FR-4 chưa thể nào có được. PTFE chi phí thấp hay PTFE/ vật liệu gốm Arlon, công ty chế tạo ra vật liệu này gọi đó là dòng sản phẩm AD, hướng mục tiêu tới các ứng dụng RFID. Tên của sản phẩm chính là hằng số điện môi. Ví dụ với AD250 thì sẽ có hằng số điện môi là 2.50. Tương tự, AD350 là 3.00. Dòng