Tài liệu Thiết kế và chế tạo hệ thống đóng mở cửa tự động sử dụng công nghệ rfid

LỜI CẢM ƠN Trong suốt quá trình thực hiện Đồ án, em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến Cô giáo Thạc sĩ Nguyễn Thị Thu Hiền người đã hết lòng hướng dẫn và ủng hộ tinh thần cho em trong thời gian thực hiện đồ án, luôn chỉ dẫn tận tình, giúp em thực hiện có được hướng đi đúng đắn nhất. Em xin chân thành cảm ơn Cô và tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến Cô. Em cũng xin chân thành cảm ơn các Thầy giáo, cô giáo trong Khoa Công nghệ Tự động hóa – Trường Đại học Công nghệ thông tin và Truyền thông đã dạy bảo, truyền đạt lại kiến thức cho em trong suốt 5 năm học đại học, để em có được những kiến thức như ngày hôm nay và từ những kiến thức nền tảng đó, em hoàn thiện đồ án được tốt hơn. Xin cảm ơn các bạn sinh viên đã nhiệt tình giúp đỡ rất nhiều về tài liệu cũng như những kiến thức để em hoàn thành tốt đồ án này. Thái Nguyên, tháng 6 năm 2016 Sinh viên La Thị Luyến 1 Ket-noi.com kho tai lieu mien phi LỜI CAM ĐOAN Em xin cam đoan toàn bộ nội dung của báo cáo này là do em tự tìm hiểu, nghiên cứu dưới sự định hướng của Cô giáo hướng dẫn. Nội dung báo cáo này không sao chép và vi phạm bản quyền từ bất kỳ công trình nghiên cứu nào. Nếu những lời cam đoan trên không đúng, em xin chịu hoàn toàn trách nhiệm trước pháp luật. Thái Nguyên, tháng 6 năm 2016 Sinh viên La Thị Luyến 2 MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN .........................................................................................................1 LỜI CAM ĐOAN....................................................................................................2 MỤC LỤC...............................................................................................................3 DANH MỤC HÌNH ẢNH .......................................................................................5 DANH MỤC BẢNG BIỂU .....................................................................................7 LỜI NÓI ĐẦU.........................................................................................................8 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ RFID ...........................................9 1.1. Sơ lược về các hệ thống nhận dạng tự động ......................................................9 1.1.1. Hệ thống mã vạch ( Barcode System) .........................................................9 1.1.2. Nhận dạng ký tự quang học (tiếng Anh: Optical Character Recognition, viết tắt là OCR) ...........................................................................................................9 1.1.3. Phương thức sinh trắc học ( Biometric procedures)...................................10 1.1.4. Thẻ thông minh ( Smart Card) ..................................................................11 1.1.5. Hệ thống RFID .........................................................................................11 1.2. Tình hình trong nước và ngoài nước ...............................................................11 1.2.1 Tình hình trong nước .................................................................................11 1.2.2 Tình hình ngoài nước.................................................................................13 1.3. Tính cấp thiết của đề tài ..................................................................................13 1.3.1. Mục tiêu của đề tài....................................................................................14 CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT.......................................................................15 2.1. Khái niệm công nghệ RFID ............................................................................15 2.2. Thành phần của một hệ thống RFID................................................................15 2.3. Thẻ RFID (Tag) ..............................................................................................16 2.3.1. Dung lượng của thẻ RFID.........................................................................16 2.3.2. Các thành phần cơ bản của một thẻ RFID .................................................16 2.3.3. Hình dạng và kích thước thẻ .....................................................................17 2.3.4. Tần số hoạt động ......................................................................................18 2.4. Đầu đọc (READER) .......................................................................................23 2.4.1. Các thành phần vật lý của một Reader RFID ............................................24 2.4.2. Phân loại READER ..................................................................................26 3 Ket-noi.com kho tai lieu mien phi 2.5. Phương thức làm việc của RFID .....................................................................27 2.5.1 Modulated backscatter ...............................................................................28 2.5.2 Kiểu máy phát ...........................................................................................29 2.6. Các ứng dụng RFID ........................................................................................29 2.7. Ưu, nhược điểm của hệ thống RFID................................................................30 CHƯƠNG 3. PHÂN TÍCH BÀI TOÁN.................................................................32 3.1. Yêu cầu bài toán .............................................................................................32 3.2. Giải pháp thiết kế............................................................................................32 3.2.1. Sơ đồ khối ................................................................................................32 3.2.2. Phân tích chức năng các khối....................................................................32 3.2.3. Nguyên lý hoạt động của hệ thống ............................................................33 3.3. Lựa chọn linh kiện ..........................................................................................34 3.3.1. Khối MCU................................................................................................34 3.3.2. Linh kiện khối hiển thị - Màn hình LCD...................................................38 3.3.3. Module RFID RC522 ...............................................................................42 3.3.4. Khối ma Trận Phím 4x4 (Keypad 4x4 SMD)............................................44 3.3.5. Một số linh kiện khác ...............................................................................44 CHƯƠNG 4. XÂY DỰNG MÔ HÌNH ..................................................................49 4.1. Thiết kế phần cứng..........................................................................................49 4.1.1. Sơ đồ nguyên lý........................................................................................49 4.2.2 Sơ đồ mạch in............................................................................................51 4.2. Thiết kế phần mềm .........................................................................................52 4.2.1. Lưu đồ thuật toán......................................................................................52 4.3. Một số hình ảnh của sản phẩm ........................................................................53 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN..............................................................55 TÀI LIỆU THAM KHẢO .....................................................................................56 PHỤ LỤC..............................................................................................................57 4 DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 2.1 Hệ thống RFID........................................................................................15 Hình 2.2 Sơ đồ khối chip CPU trong thẻ RFID ......................................................17 Hình 2.3 Một số hình dạng của thẻ RFID...............................................................18 Hình 2.4 Thẻ thụ động ...........................................................................................19 Hình 2.5 Thẻ tích cực ............................................................................................20 Hình 2.6 Thẻ bán tích cực......................................................................................21 Hình 2.7 Vai trò của đầu đọc RFID theo nguyên lí chủ tớ......................................24 Hình 2.8 Các thành phần của một Reader ..............................................................24 Hình 2.9 Cơ chế truyền ở trường gần, trường xa giữa thẻ và reader .......................28 Hình 2.10 Cơ chế truyền thông Modulation Backscatter của thẻ thụ động .............28 Hình 3.1 Sơ đồ khối hệ thống đóng mở cửa tự động dùng thẻ từ............................32 Hình 3.2 Arduino UNO .........................................................................................35 Hình 3.3 Màn hình LCD 16x2 ...............................................................................38 Hình 3.4 Module RFID-RC522..............................................................................42 Hình 3.5 Chân kết nối RC522 ................................................................................43 Hình 3.6 Ma trận phím...........................................................................................44 Hình 3.7 Động cơ bước..........................................................................................44 Hình 3.8 Thạch anh ...............................................................................................45 Hình 3.9 Modul ULN2003.....................................................................................47 Hình 3.10 LED ......................................................................................................47 Hình 3.11 Hình ảnh điện trở ..................................................................................48 Hình 3.12 Kí hiệu trên các sơ đồ nguyên lý ...........................................................48 Hình 3.13 Modul I2C.............................................................................................48 Hình 4.1 Sơ đồ nguyên lý ......................................................................................49 Hình 4.2 Khối nguồn. ............................................................................................50 Hình 4.3 Khối MCU ..............................................................................................50 Hình 4.4 Khối on/off..............................................................................................50 Hình 4.5 Khối hiển thị ...........................................................................................50 Hình 4.6 Khối bàn phím ........................................................................................51 Hình 4.7 Khối RFID ..............................................................................................51 5 Ket-noi.com kho tai lieu mien phi Hình 4.8 Sơ đồ mạch in .........................................................................................51 Hình 4.9 Hình ảnh của sản phẩm khi khởi động.....................................................53 Hình 4.10 Hiển thị dòng chữ “Nhập password” .....................................................53 Hình 4.11 Hiển thị dòng chữ “Mời vào” ................................................................54 6 DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 2.1 Khoảng tần số RFID. ..............................................................................18 Bảng 2.2 Khoảng đọc của tần số ............................................................................19 Bảng 3.1 Đặc điểm kỹ thuật Arduino Uno R3.......................................................36 Bảng 3.2 Mô tả về các chân của Màn hình LCD 16x2 ...........................................39 Bảng 3.3 Bảng mã lệnh của LCD...........................................................................41 7 Ket-noi.com kho tai lieu mien phi LỜI NÓI ĐẦU Ngày nay, với sự phát triển mạnh mẽ của khoa học kỹ thuật. Đặc biệt trong lĩnh vực tự động hóa đã tạo nên một động lực thức đẩy và phát triển các ngành công nghiệp khác nhằm phục vụ và đáp ứng được nhu cầu của con người trong cuộc sống. Con người với sự trợ giúp của máy móc, những công cụ thông minh đã không phải trực tiếp làm việc, hay những công việc mà con người không thể làm được với khả năng của minh mà chỉ việc điều khiển chúng hay chúng làm việc hoàn toàn tự động đã mang lại những lợi ích hết sức to lớn, giảm nhẹ và tối ưu hóa công việc. Với sự tiến bộ này đã đáp ứng được những nhu cầu của con người trong cuộc sống hiện đại nói chung và trong sự phát triển của khoa học kỹ thuật nói riêng. Đối với những sinh viên tự động hóa chúng ta thì việc nghiên cứu, tìm hiểu các đặc tính của công nghệ nhận dạng đối tượng bằng sóng vô tuyến RFID có ý nghĩa thực tế hết sức quan trọng. Nó không những trang bị cho chúng ta kỹ năng làm việc trong lĩnh vực điều khiển tự động, điện tử mà còn giúp chúng ta theo kịp với sự phát triển của khoa học kĩ thuật ngày nay khi tốt nghiệp ra trường. Sau đây em xin tìm hiểu và khảo sát các đặc tính của công nghệ nhận dạng bằng sóng vô tuyến RFID cũng như thiết kế một ứng dụng thực tế là “Thiết kế và chế tạo hệ thống đóng mở cửa tự động sử dụng công nghệ RFID”. Đây là cơ sở để thiết kế những hệ thống tự động hóa đơn giản, cũng như phức tạp được ứng dụng rộng rãi trong khoa học và đời sống.Nội dung báo cáo gồm 4 chương được giới thiệu sơ lược sau đây: - Chương 1: Tổng quan về công nghệ RFID. - Chương 2: Cơ sở lý thuyết - Chương 3: Phân tích bài toán - Chương 4: Thiết kế và thực thi Do kiến thức còn hạn chế, cộng với thời gian tích lũy chưa nhiều nên báo cáo này không tránh khỏi thiếu sót và một số nội dung chưa được chi tiết, mong các thầy cô giáo góp ý và thông cảm. 8 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ RFID 1.1. Sơ lược về các hệ thống nhận dạng tự động 1.1.1. Hệ thống mã vạch ( Barcode System) Mã vạch (Barcode) theo định nghĩa là phương pháp lưu trữ và truyền tải thông tin bằng một lọai ký hiệu gọi là ký mã vạch (Barcode symbology). Ký mã vạch hay gọi tắt cũng là mã vạch, là 1 ký hiệu tổ hợp các khoảng trắng và vạch thẳng để biểu diễn các mẫu tự, ký hiệu và các con số. Sự thay đổi trong độ rộng của vạch và khoảng trắng biểu diễn thông tin số hay chữ số dưới dạng mà máy có thể đọc được. Mã số mã vạch được thu nhận bằng một máy quét mã vạch, là một máy thu nhận hình ảnh của mã vạch in trên các bề mặt và chuyển thông tin chứa trong mã vạch đến máy tính hay các thiết bị cần thông tin này. Nó thường có một nguồn sáng kèm theo thấu kính, để hội tụ ánh sáng lên mã vạch, rồi thu ánh sáng phản xạ về một cảm quang chuyển hóa tín hiệu ánh sáng thành tín hiệu điện. Ngoài ra, nhiều máy quét mã vạch còn có thêm mạch điện tử xử lý tín hiệu thu được từ cảm quang để chuyển thành tín hiệu phù hợp cho kết nối với máy tính. Hình 1.1 Mã vạch 1.1.2. Nhận dạng ký tự quang học (tiếng Anh: Optical Character Recognition, viết tắt là OCR) Nhận dạng ký tự bằng quang học là loại phần mềm máy tính được tạo ra để chuyển các hình ảnh của chữ viết tay hoặc chữ đánh máy (thường được quét bằng 9 Ket-noi.com kho tai lieu mien phi máy scanner) thành các văn bản tài liệu.. Bằng phần mềm ORC các máy quét có thể quét trên một trang chữ in, và các ký tự sẽ được biến thành các văn bản theo qui cách tài liệu của chương trình xử lý. Hình 1.2 Nhận dạng kí tự quang học 1.1.3. Phương thức sinh trắc học ( Biometric procedures) Phương thức sinh trắc học là công nghệ sử dụng những thuộc tính vật lý, đặc điểm sinh học riêng của mỗi cá nhân như vân tay, mống mắt, khuôn mặt... để nhận diện. Nhận dạng giọng nói: Là phương thức được thực hiện bằng cách kiểm tra các đặc trưng của giọng nói của người nói với một mẫu tham khảo có trước, nếu tương ứng thì đáp ứng thực hiện theo yêu cầu của người nói. Nhận dạng dấu vân tay: Tiến trình này dựa trên sự so sánh mẫu nhú và lớp da trên đầu ngón tay. Hệ thống sẽ phân tích dữ liệu từ các mẫu nó đọc đượng và đem so sánh với mẫu tham khảo đã được lưu trữ. Nhận dạng khuôn mặt: Hệ thống nhận dạng khuôn mặt là một ứng dụng máy tính tự động xác định hoặc nhận dạng một người nào đó từ một bức hình ảnh kỹ thuật số hoặc một khung hình video từ một nguồn video. Một trong những cách để thực hiện điều này là so sánh các đặc điểm khuôn mặt chọn trước từ hình ảnh và một cơ sở dữ liệu về khuôn mặt. Nhận dạng tròng mắt: Công nghệ nhận dạng tròng mắt (Iris Recognition) là phương pháp sử dụng thuật toán hình ảnh để nhận dạng một người nào đó dựa vào cấu trúc phức tạp và 10 độc nhất của tròng mắt, thậm chí ngay cả khi họ đang đeo kính hoặc sử dụng áp tròng từ một khoảng cách nhất định 1.1.4. Thẻ thông minh ( Smart Card) Thẻ thông minh là một hệ thống lưu trữ dữ liệu điện tử. Nó có kích thước khoảng bằng thẻ tín dụng có thể chứa thông tin và trong hầu hết các trường hợp thì nó chứa cả một bộ vi xử lý điều khiển nhiều chức năng đáp ứng nhu cầu người sử dụng. Không giống như thẻ từ có những sọc từ ngoài mặt thẻ, thẻ thông minh giữ thông tin bên trong nó vì thế mà độ an toàn cao hơn. Thẻ thông minh thường được dùng cho những thiết bị cần xác minh chủ quyền của người sử dụng, và nó tạo ra những mã truy cập cho hệ thống bảo an. Thẻ thông minh đầu tiên là thẻ thông minh điện thoại trả trước được đưa vào sử dụng năm 1984. Có hai loại thẻ thông minh là : thẻ nhớ và thẻ vi xử lý - Thẻ nhớ (memory card) thường chỉ gồm một bộ nhớ chỉ đọc (EEPROM) có thể lập trình, xóa được bằng tín hiệu điện. - Thẻ vi xử lý: là thẻ có gắn một bộ vi xử lý, bộ vi xử lý này có kích thước rất nhỏ nhưng có cấu tạo gồm bộ nhớ EEPROM, bộ nhớ chỉ đọc (ROM), bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên (RAM), CPU. Các các chi tiết của nó có vai trò giống như vai trò của các bộ phận tương tự trong một máy tính. 1.1.5. Hệ thống RFID Hệ thống RFID liên hệ rất gần với thẻ thông minh. Cũng như trên hệ thống thẻ thông minh, dữ liệu được lưu trữ trên thiết bị mang dữ liệu điện tử là bộ phận phát đáp. Tuy nhiên, không giống như thẻ thông minh, năng lượng cung cấp cho thiết bị mang dữ liệu và cho việc trao đổi dữ liệu giữa nó và đầu đọc/phát tín hiệu không dựa trên sự tiếp xúc điện mà thay vào đó là sử dụng từ tính và trường điện từ. 1.2. Tình hình trong nước và ngoài nước 1.2.1 Tình hình trong nước Công nghệ RFID tuy đã được ứng dụng khá lâu và phổ biến ở nhiều nước trên thế giới nhưng đối với Việt Nam thì vẫn còn khá mới mẻ. Hiện nay chúng ta đang nắm bắt và triển khai công nghệ mới này để tận dụng các ưu điểm nổi trội của nó. Ở Việt Nam, công nghệ RFID đang trong bước đầu được ứng dụng trong các lĩnh vực: kiểm soát vào-ra, chấm công điện tử, quản lý phương tiện qua trạm thu 11 Ket-noi.com kho tai lieu mien phi phí, kiểm soát bãi đỗ xe tự động. Điển hình có công ty TECHPRO Việt Nam, hợp tác cùng Hãng IDTECK – Korea ứng dụng RFID trong chấm công điện tử, kiểm soát thang máy. Viện Công nghệ Thông tin đã giới thiệu chào bán các hệ thống ứng dụng RFID như: hệ thống kiểm xoát xâm thực AC200 sử dụng thẻ RFID, khóa điện tử RFID K400R, hệ thống kiểm soát vô tuyến. Trung tâm công nghệ cao Việt Nam, thuộc Viện điện tử- tin học- tự động hóa đang nghiên cứu thiết kế và xây dựng hệ phần mềm cho hệ thống quản lý tự động bằng thẻ RFID để ứng dụng thu phí cầu đường. Tại TP.HCM, công nghệ RFID cũng đang được triển khai ứng dụng trong trạm thu phí Xa lộ Hà Nội. Quản lý nhân sự và chấm công: Khi ra vào công ty công việc nhân viên chỉ cần làm thẻ RFID khi đó dữ liệu của nhân viên sẽ được ghi nhận và lưu trữ trong đầu đọc để chấm công. Hệ thống trông giữ xe: Mô hình bãi giữ xe thông minh sử dụng công nghệ RFID hiện đang được áp dụng phổ biến để đơn giản hóa việc vào ra các bãi đậu xe như rút ngắn thời gian kiểm tra, tránh được các trường hợp ùn tắc… Ưu điểm của ứng dụng là tính năng an toàn và thời gian xử lý ngắn. Không lo lắng khi bị mất thẻ xe Úng dụng RFID trong nuôi trồng thủy sản: Những con chip RFID siêu nhỏ sẽ được gắn trên từng giai đoạn của sản phẩm nhằm ghi lại các thông số kỹ thuật của quy trình một cánh tự động và được phần mềm chuyên dụng ghi lại kết quả nhằm làm cơ sở đảm bảo truy xuất được sản phẩm trong chuỗi giá trị. Khi các doanh nghiệp thủy sản Việt Nam sử dụng hệ thống này, việc xuất khẩu các sản phẩm thủy sản vào các nước có yêu cầu khắt khe về vệ sinh an toàn thực phẩm và hàng rào kỹ thuật sẽ trở lại nên dễ dàng và thuận lợi hơn rất nhiều. Ứng dụng trong sản xuất và xuất khẩu nông sản: Với công nghệ RFID người nông dân có thể biết được thông tin về cây trồng chúng đang cần tưới nước, bón phân, hay kiểm tra sâu bệnh... và quan trọng đó là kỹ thuật truy nguyên nguồn gốc hàng hóa. 12 1.2.2 Tình hình ngoài nước Trên thế giới thì việc phát triển và ứng dụng của công nghệ RFID được ra đời khá lâu và được sử dụng rộng rãi trong một số lĩnh vực trong đời sống. Và được tiêu chuẩn hóa bằng các tiêu chuẩn quốc tế. Việc phát triển của công nghệ RFID được đánh dấu một số cột mốc quan trọng như: Năm 1969, sáng chế đầu tiên liên quan tới công nghệ RFID được Mario Cardullo đăng ký đầu tiên ở Mỹ.Mỹ cũng là quốc gia chiếm đa số các sáng chế về RFID. Năm 1976-2008 số sáng chế RFID ở Mỹ là 2.822 sáng chế, ở Nhật 244 . +Technologies, IBM và Symboy là những công ty dẫn đầu về các sáng chế trong công nghệ RFID. Ứng dụng RFID đầu tiên: Người Đức phát hiện ra rằng nếu phi công của họ khi trở về căn cứ, họ sẽ thay đổi các tín hiệu vô tuyến phản xạ trở lại. Phương pháp thô sơ này cảnh báo phi hành đoàn radar trên mặt đất rằng đây là những máy bay Đức và Đồng Minh chứ không phải là máy bay của địch. 1.3. Tính cấp thiết của đề tài Thẻ RFID có kích thước rất nhỏ, dùng để gắn lên vật thể cần quản lý như hàng hóa, người... Thẻ RFID chứa các chip silicon và các anten cho phép nhận lệnh và đáp ứng lại bằng tần số vô tuyến RF từ một đầu đọc RFID. Tín hiệu được ghi vào thẻ và được đọc không phụ thuộc vào hướng của thẻ mà chỉ cần thẻ đó nằm trong vùng phủ sóng của thiết bị là được. Khi một thẻ RFID tiến đến gần một thiết bị đọc ghi thẻ, năng lượng sóng điện từ đủ để cung cấp cho thẻ và từ đó quá trình trao đổi dữ liệu giữa thẻ và thiết bị đọc ghi thẻ bắt đầu. Trong quá trình này, thiết bị có thể đọc ghi thông tin trên thẻ, sau khi kết thúc quá trình trao đổi dữ liệu, chiếc thẻ đó được chỉ thị không tiếp nhận thêm thông tin gì nữa cho đến khi được lọt vào vùng phủ sóng tiếp theo. Hệ thống RFID là hệ thống nhận dạng dữ liệu tự động và không dây, cho phép việc đọc và ghi dữ liệu và không cần tiếp xúc trực tiếp với hệ thống. Chúng rất hữu ích trong sản xuất và hoạt động được trong những điều kiện môi trường mà kỹ thuật khác không thể làm được. 13 Ket-noi.com kho tai lieu mien phi Trên thực tế, RFID được ứng dụng rất nhiều như: kiểm soát sản phẩm nhập xuất, mã số series, nguồn gốc sản phẩm, trong thư viện... Dùng các thiết bị RFID làm các thẻ khóa điện tử điều khiển truy nhập thay cho các khóa kim loại như trước đây. Điểm thuận lợi của thẻ khóa này khó bị dập ép và dễ dàng hủy bỏ khi bị đánh cắp và thất lạc chúng ta chỉ cần xóa bỏ thẻ từ cơ sở dữ liệu truy nhập hoặc tạo ra báo động khi các thẻ này được sử dụng. Hệ thống đóng mở cửa tự động rất tiện lợi. Nó giúp chúng ta rút ngắn thời gian mở cửa, phải thao tác với ổ khóa, ... Bên cạnh đó, việc nghiên cứu và ứng dụng sản phẩm này trong thực tế còn làm tăng độ bảo mật, an toàn để kiểm soát. Đó là sản phẩm công nghê ứng dụng theo tiến độ khoa học nên chắc chắn sẽ thể hiện các tính năng hiện đại phù hợp với thời đại hiện nay. Đóng mở cửa tự động dùng thẻ RFID là sự thay thế một cách thông minh nhất cho các hệ thống khóa cửa thông thường dùng bằng chìa khóa, với sự tiện dụng, nhanh chóng, tính thẩm mỹ cao, an toàn tuyệt đối, đó chính là ưu điểm của công nghệ RFID. 1.3.1. Mục tiêu của đề tài + Nâng + Tìm cao năng lực nghiên cứu và tự tìm hiểu tài liệu. hiểu công nghệ RFID. + Chuyển + Thiết giao và quảng bá Arduino và công nghệ RFID. kế và chế tạo ra hệ thống mở cửa tự động tiện lợi, có độ bảo mật tốt, có tính thẩm mỹ cao. + Tại Việt Nam, nhu cầu sử dụng các hệ thống RFID ngày càng nhiều và mở ra một thị trường đầy tiềm năng cho các nhà nghiên cứu và sản xuất. Tuy nhiên, để đón nhận, vận dụng và phát triển 1 hệ thống mới này, chúng ta cần có sự hiểu biết nhất định về chúng. Công nghệ RFID chưa được triển khai rộng rãi ở Việt Nam là do chi phí còn cao và chưa khai thác được nhiều ứng dụng của công nghệ này. Nhận định được những điều đó và thấy được tiềm năng ứng dụng của công nghệ tiên tiến em làm đề tài: “Thiết kế và chế tạo hệ thống đóng mở cửa tự động sử dụng công nghệ RFID”. Kết luận: Trong chương 1, em đã hiểu được ưu điểm của RFID so với các phương pháp nhận dạng khác. Chi tiết về công nghệ RFID em sẽ trình bày ở chương 2. 14 CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1. Khái niệm công nghệ RFID Công nghệ RFID (Radio Frequency Identification- nhận dạng bằng sóng vô tuyến) là một phương pháp nhận dạng tự động dựa trên việc lưu trữ dữ liệu từ xa, sử dụng thiết bị thẻ RFID và một đầu đọc RFID cho phép một thiết bị đọc thông tin chứa trong chip không cần tiếp xúc trực tiếp ở khoảng cách xa, không thực hiện bất kỳ giao tiếp vật lý nào hoặc giữa hai vật không nhìn thấy. Công nghệ này cho ta phương pháp truyền, nhận dữ liệu từ điểm này đến điểm khác. Kỹ thuật RFID sử dụng truyền thông không dây trong dải tần sóng vô tuyến để truyền dữ liệu từ các Tag (thẻ) đến các Reader (bộ đọc). Tag có thể được đính kèm hoặc gắn vào đối tượng được nhận dạng chẳng hạn sản phẩm, hộp hoặc giá kệ (pallet). Reader scan dữ liệu của Tag và gửi thông tin đến cơ sở dữ liệu có lưu trữ dữ liệu của Tag. Chẳng hạn, các Tag có thể được đặt trên kính chắn gió xe hơi để hệ thống thu phí đường nhận dạng và thu tiền trên các tuyến đường. Dạng đơn giản nhất được sử dụng hiện nay là hệ thống RFID bị động làm việc như sau: Reader truyền một tín hiệu tần số vô tuyến điện từ qua anten của nó đến một con chip. Reader nhận thông tin trở lại từ chip và gửi nó đến máy tính điều khiển đầu đọc và xử lý thông tin lấy được từ chip. Các chip không tiếp xúc, không tích điện, chúng hoạt động bằng cách sử dụng năng lượng nhận từ tín hiệu được gửi bởi Reader. 2.2. Thành phần của một hệ thống RFID Hình 2.1 Hệ thống RFID Một hệ thống RFID có ba thành phần cơ bản: Tag, đầu đọc, và một máy chủ. Nguyên lý hoạt động: Đầu đọc phát ra sóng điện từ, thẻ chứa đựng một hệ thống tiếp sóng với một chip nhớ kĩ thuật số lưu giữ một mã sản phẩm điện tử duy 15 Ket-noi.com kho tai lieu mien phi nhất và anten của thẻ được đóng gói với một thiết bị truyền tiếp, và thiết bị giải mã phát ra một tín hiệu kích hoạt thẻ RFID. Vì vậy nó có thể đọc và viết dữ liệu lên nó. Khi một thẻ RFID đi xuyên qua một vùng điện từ, nó tìm ra các tín hiệu kích hoạt của đầu đọc; các thẻ RFID thụ động hấp thụ năng lượng từ trường điện từ do đầu đọc tạo nên và sử dụng năng lượng đó nuôi các mạch vi chíp, vi chíp sau đó điều chế sóng để thẻ phát lại về phía đầu đọc và đầu đọc biến đổi các sóng đó thành tín hiệu số và từ đó nhận dạng món đồ có gắn thẻ RFID. 2.3. Thẻ RFID (Tag) Thẻ RFID là một thiết bị có thể lưu trữ và truyền dữ liệu đến một Reader trong một môi trường không tiếp xúc bằng sóng vô tuyến. Thẻ RFID mang dữ liệu về một vật, một sản phẩm (item) nào đó và gắn lên sản phẩm đó. Mỗi Tag có các bộ phận lưu trữ dữ liệu bên trong và cách giao tiếp với dữ liệu đó. Thẻ RFID gồm chip bán dẫn nhỏ (bộ nhớ của chip có thể chứa tới 96 bit đến 512 bit dữ liệu nhiều gấp 64 lần so với mã vạch) và anten được thu nhỏ trong một số hình thức đóng gói. Mỗi thẻ được lập trình với một nhận dạng duy nhất cho phép theo dõi không dây đối tượng gắn thẻ đó. 2.3.1. Dung lượng của thẻ RFID Dung lượng thông tin của thẻ RFID có thể lưu trữ được phụ thuộc nhà cung cấp và loại ứng dụng, thông thường nó có thể mạng thông tin không lớn hơn 2Kbđủ để lưu trữ dữ liệu về đối tượng nằm trong diện cần quản lý. Các công ty đáng nỗ lực tìm kiếm sử dụng thẻ đơn giản 96 bit các số thứ tự riêng, các chip này đơn giản, dễ chế tạo và rẻ, thuận tiện cho các ứng dụng cần đóng gói. 2.3.2. Các thành phần cơ bản của một thẻ RFID - Antenna : Có nhiệm vụ nhận và truyền dữ liệu với reader, ngoài ra nó còn nhận năng lượng để kích hoạt thẻ thụ động. Thông thường các thành phần này được in bằng mực đồng hoặc được cho vào một thẻ plastic nhỏ.Có nhiều dạng antenna, nhất là UHF, chiều dài của antenna tương ứng với phạm vi đọc của thẻ. Antenna càng lớn thì phạm vi đọc càng lớn. Những điểm kết nối giữa antenna và vi mạch của thẻ là những điểm kết nối yếu nhất của thẻ. Nếu có bất kỳ một điểm kết nối nào bị hỏng thì hiệu suất của thẻ sẽ bị giảm đáng kể hoặc thậm chí thẻ có thể bị hỏng, không thể làm việc được. 16 - Vi mạch (CPU) : Lưu trữ thông tin của thẻ, đồng thời nó còn tích hợp một số đơn vị chức năng khác để đảm bảo cho quá trình trao đổi thông tin. Hình 2.2 Sơ đồ khối chip CPU trong thẻ RFID - Bộ điều khiển nguồn: Phần này có chức năng chuyển năng lượng nhận từ tín hiệu của đầu đọc gửi tới thành nguồn cung cấp cho thẻ RFID hoạt động. - Mạch tách xung: Tách tín hiệu xung từ tín hiệu nhận được phát bởi đầu đọc. - Bộ điều chế / giải điều chế: Bộ này có chức năng điều chế tín hiệu và phát đi đồng thời giải điều chế tín hiệu nhận được từ đầu đọc. - Đơn vị Logic: Khối này chịu trách nhiệm cung cấp giao thức truyền giữa thẻ và đầu đọc. - Bộ nhớ: Được dùng để lưu trữ dữ liệu. 2.3.3. Hình dạng và kích thước thẻ Thẻ RFID có nhiều kiến trúc và định dạng khác nhau chẳng hạn như là loại nhãn, loại card, loại đồng xu, loại hình que v.v..., phụ thuộc và các ứng dụng và môi trường mà thẻ loại nào được sử dụng, nó có thể nhỏ như là 1 cái que rất ngắn và có thể mỏng như 1 tờ giấy. Sự tiến bộ của kỹ thuật cho phép kích thước của vi mạch nhỏ đến mức nhỏ hơn hạt cát. Tuy nhiên kích thước của thẻ không xác định bởi kích thước của vi mạch mà bởi chiều dài antenna của nó. 17 Ket-noi.com kho tai lieu mien phi Hình 2.3 Một số hình dạng của thẻ RFID 2.3.4. Tần số hoạt động Tần số hoạt động là tần số điện từ mà thẻ dùng để giao tiếp hoặc thu được năng lượng. Các thẻ và đầu đọc phải được chỉnh về cùng một tần số để liên lạc vớ nhau vì vậy cần phải chọn tần số đúng cho các ứng dụng cần triển khai. Phổ điện từ mà RFID thường hoạt động là tần số thấp (LF), tần số cao (HF), siêu cao tần (UHF) và vi sóng (Microwave) bảng 3-1. Các tần số khác nhau có đặc tính khác nhau nên thích hợp với các ứng dụng khác nhau Bảng 2.1 Khoảng tần số RFID. Tên Khoảng tần số LF 30300 kHz HF 300 MHz Tần số ISM < 135 kHz 6.78 Mhz, 13.56 Mhz, 27.125 Mhz, 40.680 Mhz UHF 300 Mhz- 3 Ghz Vi sóng > 3 Ghz 433.920 Mhz, 869 Mhz, 915 Mhz 2.45 Ghz, 5.8 Ghz, 24.125 Ghz (microware) Trong hoạt động, tần số RFID thực tế bị giới hạn bởi những mức tần số nằm bên phần Industrial Scientific Medical (ISM). Tần số thấp hơn 135kHz không phải là tần số ISM, nhưng trong khoảng này hệ thống RFID dùng nguồn năng lượng từ trường và hoạt động ở khoảng cách ngắn vì vậy nhiễu phát ra ít hơn tại tần số khác. 2.3.4.1. Khoảng đọc của thẻ Khoảng đọc của các thẻ thụ động trên thực tế phụ thuộc vào rất nhiều tham số như: tần số làm việc, công suất bộ đọc, nhiễu từ các thiết bị vô tuyến khác... thông thường các thẻ làm việc ở tần số thấp đọc được 50cm hoặc ngắn hơn thế nữa. 18 Ở những nơi cần đọc ở khoảng cách dài hơn ví dụ toa xe lửa cần sử dụng thẻ tích cực có nguồn riêng, khoảng cách đọc 100m hoặc xa hơn nữa. Bảng 2.2 Khoảng đọc của tần số Tần số Khoảng cánh đọc lớn nhất Các ứng dụng của Tag thụ động LF 50cm HF 3m Xác định thú nuôi và những item đọc ở khoảng cách gần. Cổng vào các tòa nhà UHF 9m Hộp hoặc kệ Vi sóng (microware) > 10m Phân loại xe hơi 2.3.4.2. Phân loại thẻ Thẻ gồm có 2 phần chính: Chip: lưu trữ một số thứ tự duy nhất hoặc thông tin khác dựa trên loại thẻ: read-only, read-write, hoặc write-one-read-many. Antenna được gắn với vi mạch truyền thông tin từ chip đến reader. Antenna càng lớn cho biết phạm vi đọc càng lớn.  Phân loại thẻ RFID dựa trên nguồn cung cấp cho thẻ Trên cơ sở phân loại thẻ RFID dựa theo nguồn cung cấp cho thẻ, chúng ta có thể phân ra làm 3 loại chính: Thẻ tích cực, thẻ thụ động và thẻ bán tích cực (bán thụ động). - Passive tag (tag thụ động): Hình 2.4 Thẻ thụ động 19 Ket-noi.com kho tai lieu mien phi Loại thẻ này không có nguồn bên trong (on-board), sử dụng nguồn nhận được từ Reader để tự tiếp sinh lực hoạt động và truyền dữ liệu được lưu trữ trong nó cho Reader. Đây là loại tag được sử dụng rộng rãi hiện nay, giá thành rẻ. + Phương thức hoạt động: Bộ phận đọc tag sẽ truyền sóng radio đến passive tag và kích hoạt tag. Sau đó tag sẽ tự động truyền thông tin được mã hóa của nó đến bộ phận đọc. Hạn chế: tầm hoạt động hạn chế. + Ưu điểm: passive tag không đòi hỏi phải có pin để hoạt động, có vòng đời sử dụng rất lâu, kích thước nhỏ và rẻ, có thể tái sử dụng. Vì thế phần lớn thẻ RFID hiện nay là thẻ thụ động. - Active tag (tag tích cực): Hình 2.5 Thẻ tích cực Là loại tag có gắn pin (một loại gắn pin cố định, một loại có thể thay thế). Thẻ tích cực sử dụng nguồn năng lượng bên trong để truyên dữ liệu cho reader. Điện tử học bên trong gồm bộ vi mạch, cảm biến và các cổng vào/ra được cấp nguồn bởi năng lượng bên trong nó. + Phương thức hoạt động: active tag sẽ tự động phát ra tín hiệu trong một bán kính khoảng100m đến các bộ phận đọc và truyền thông tin được mã hóa. + Hạn chế: tag không thể hoạt động nếu không có pin, đắt và có kích thước tương đối lớn + Ưu điểm: tầm phủ sóng lớn (hơn 100m), có thể sử dụng các nguồn điện để hoạt động. Trong tương lai gần, các active tag có thể sẽ mang nhưng chức năng sau: 20