Tải bản đầy đủ

THIẾT KẾ, ỨNG DỤNG ĐẦU ĐỌC THẺ THÔNG MINH RFID TRÊN CƠ SỞ VI ĐIỀU KHIỂN STM8S003F3

RƯỜNG ĐẠI HỌC VINH
KHOA ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG

ĐỒ ÁN
TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
ĐỀ TÀI:
THIẾT KẾ, ỨNG DỤNG ĐẦU ĐỌC THẺ THÔNG
MINH RFID TRÊN CƠ SỞ VI ĐIỀU KHIỂN
STM8S003F3

Giảng viên hướng dẫn: ThS. Đặng Thái Sơn
Sinh viên thực hiện

: Nguyễn Song Toàn

Lớp

: 51K2 - ĐTVT

Mã số sinh viên


: 1051083841

NGHỆ AN - 2016


MỤC LỤC
Trang
LỜI MỞ ĐẦU...........................................................................................................3
TÓM TẮT ĐỒ ÁN....................................................................................................4
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ...................................................................................5
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT...........................................................................6
CHƯƠNG 1. CÔNG NGHỆ RFID VÀ ỨNG DỤNG...............................................7
1.1. Khái quát về công nghệ RFID........................................................................7
1.2. Các thành phần của một hệ thống RFID.........................................................8
1.2.1. Thẻ RFID..............................................................................................8
1.2.2. Reader.................................................................................................16
1.2.3. Database.............................................................................................23
1.3. Phương thức làm việc của RFID..................................................................23
1.4. Các điều lệ và chuẩn hóa..............................................................................25
1.5. Tần số hoạt động của RFID..........................................................................26
1.6. Các ứng dụng của RFID hiện nay................................................................27
1.7. Ưu – nhược điểm của hệ thống RFID..........................................................30
1.7.1. Ưu điểm..............................................................................................30
1.7.2. Nhược điểm........................................................................................30
CHƯƠNG 2. VI ĐIỀU KHIỂN STM8S003F3.......................................................32
2.1. Giới thiệu về vi điều khiển STM8................................................................32
2.1.1. STM8 là gì..........................................................................................32
2.1.2. Các dòng STM8 và cách lựa chọn vi điều khiển STM8......................32
2.2. Vi điều khiển STM8S003F3.........................................................................32
2.2.1 Sơ đồ chân...........................................................................................32
2.2.2. Các thông số chung.............................................................................33
2.2.3. Tổ chức bộ nhớ...................................................................................34
2.2.4.Đồng hồ điều khiển..............................................................................36
2.2.5. Quản lý điện.......................................................................................36
2.2.6. Giờ Watchdog.....................................................................................37
1


2.2.7. Auto wakeup truy cập.........................................................................38
2.2.8. BEEPER.............................................................................................38

2.2.9. TIMER................................................................................................38
2.3. Giao diện kết nối..........................................................................................40
2.2.9. Giao tiếp UART 1...............................................................................40
2.2.9. Truyền thông không đồng bộ ( UART mode).....................................40
2.2.9. SPI......................................................................................................40
2.2.9. I2C......................................................................................................40
2.3. Giao tiếp giữa PC và vi điều khiển STM8S003F3.......................................41
2.3.1. Giao tiếp UART và USART...............................................................42
CHƯƠNG 3. THIẾT KẾ ĐẦU ĐỌC THẺ THÔNG MINH RFID TRÊN CƠ SỞ VI
ĐIỀU KHIỂN STM8S003F3..................................................................................44
3.1. Thiết kế hệ thống phần cứng........................................................................44
3.1.1. Sơ đồ khối...........................................................................................44
3.1.2. Sơ đồ nguyên lí...................................................................................44
3.1.3. Các khối trong hệ thống......................................................................45
3.1.4. Sơ đồ thuật toán và chương trình........................................................48
3.2. Kết quả thiết kế............................................................................................50
KẾT LUẬN.............................................................................................................51
PHỤ LỤC................................................................................................................ 52
TÀI LIỆU THAM KHẢO.......................................................................................57

2


LỜI MỞ ĐẦU
Ngày nay, với những ứng dụng của khoa học kỹ thuật tiên tiến, thế giới của
chúng ta đã và đang một ngày thay đổi, văn minh và hiện đại hơn. Sự phát triển của
kỹ thuật điện tử đã tạo ra hàng loạt những thiết bị với các đặc điểm nổi bật như sự
chính xác cao, tốc độ nhanh, gọn nhẹ là những yếu tố rất cần thiết góp phần cho
hoạt động của con người đạt hiệu quả.
Điện tử đang trở thành một ngành khoa học đa nhiệm vụ và được ứng dụng
nhiều trên mọi lĩnh vực của đời sống và trong đó có việc ứng dụng các công nghệ
mới để nâng cao năng suất, chất lượng dịch vụ, giảm thiểu sức lao động của con
người đang ngày càng trở nên phổ biến.... Vì vậy chúng tôi đã chọn đề tài “Thiết
kế, ứng dụng đầu đọc thẻ thông minh RFID trên cơ sở vi điều khiển
STM8S003F3” để thực hiện đồ án này.
Em xin gửi lời cám ơn đến thầy giáo ThS. Đặng Thái Sơn cũng như các thầy
cô, các anh chị, các bạn trong Khoa Điện tử Viễn thông đã giúp đỡ, động viên, tạo
mọi điều kiện để em hoàn thành đề tài này.
Tuy nhiên, trong quá trình thực hiện đề tài của mình, em chắc chắn sẽ không
tránh khỏi những thiếu sót, kính mong quý Thầy, cô thông cảm và góp ý thêm cho
em.
Em xin chân thành cảm ơn!

Sinh viên
Nguyễn Song Toàn

3


TÓM TẮT ĐỒ ÁN
Đồ án đã trình bày về lý thuyết, ưu nhược điểm và các thành phần của công
nghệ RFID và các ứng dụng thực tiễn của công nghệ này trong thực tế. Đồ án cũng
đã trình bày cấu trúc vi điều khiển STM8S003F3. Đồ án đã thiết kế, ứng dụng đầu
đọc thẻ thông minh RFID trên cơ sở vi điều khiển STM8S003F3.
ABSTRACT
This thesis was presented about theoretical, constituents of RFID technology and
the application of this technology in practice. Thesis was presented about structure
of the STM8S003F3 microcontroller . Thesis was design and applied smart card
reader RFID on the basis that application STM8S003F3 microcontroller.

4


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Trang
Hình 1.1. RFID công nghệ nhỏ - sự nghiệp lớn.........................................................7
Hình 1.2. Hệ thống RFID cơ bản...............................................................................8
Hình 1.3. Layout của thiết bị mang dữ liệu, transponder……………………….. …9
Hình 1.4. Cấu trúc của một thẻ thụ động……………………………………..

....9.

Hình 1.5. Một số loại thẻ tích cực...........................................................................12
Hình 1.6. Cấu trúc bộ nhớ của một thẻ (minh họa).................................................15
Hình 1.7. Cấu trúc cơ bản của một reader...............................................................17
Hình 1.8. Cơ chế truyền ở trường gần, trường xa giữa thẻ và reader.......................21
Hình 1.9. Cơ chế truyền modulated backscatter của thẻ thụ động..........................22
Hình 1.10. Cơ chế truyền modulated backscatter của thẻ bán thụ động..................22
Hình 1.11. Cơ chế truyền kiểu máy phát của thẻ tích cực........................................23
Hình 1.12. Quá trình làm việc của thẻ và reader.....................................................24
Hình 1.13. Quá trình truyền nhận dữ liệu giữa thẻ và reader...................................25
Hình 2.1. Sơ đồ chân vi điều khiển STM8S003F3..................................................33
Hình 2.2. Sơ đồ khối vi điều khiển STM8S003F3...................................................34
Hình 2.3. Bộ nhớ chương trình STM8S003F3........................................................35
Hình 2.4. Đồng hồ ngoại vi ...................................................................................36
Hình 2.5. Tính năng hẹn giờ TIMER.......................................................................39
Hình 3.1. Sơ đồ khối hệ thống.................................................................................44
Hình 3.2. Sơ đồ nguyên lí........................................................................................45
Hình 3.3. Khối nguồn..............................................................................................45
Hình 3.5. Khối vi điều khiển...................................................................................46
Hình 3.6. Khối giao tiếp máy tính...........................................................................46
Hình 3.7. LCD 16x02..............................................................................................46
Hình 3.8. Module RFID RC522…………………………………………………..47
Hình 3.9. Sơ đồ thuật toán.......................................................................................49
Hình 3.13. Mạch giao tiếp.......................................................................................50

5


DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
RFID

Radio Frequency Identification

Nhận dạng bằng sóng vô tuyến

UHF

Ultra high frequency

Siêu cao tần

CRC

Cyclic Redundancy Check

Xác minh khối dữ liệu

RO

read only

Chỉ đọc

WORM

write once, read many

Ghi một lần, đọc nhiều lần

RW

read write

Ghi - đọc

ID

Identification

Địa chỉ

PIC

Programmable Intelligent Computer Máy tính khả trình thông minh

I/O

Input/Output

Đầu vào – đầu ra

UART

Universal Asynchronous

Bộ truyền – nhận dữ liệu không

Receiver – Transmitter

đồng bộ.

Universal Synchronous &

Bộ truyền – nhận dữ liệu đồng

USART
bộ

Asynchronous Receiver/Transmitter
PWM

Pulse wide modulation

Điều chế độ rộng xung

ADC

Analog digital convert

chuyển đổi tương tự - số

6


Chương 1
CÔNG NGHỆ RFID VÀ ỨNG DỤNG
Trong chương này trình bày tổng quát về công nghệ RFID, các thành phần cơ
bản của một hệ thống RFID, phương thức làm việc của hệ thống RFID, các ứng
dụng của công nghệ RFID, các ưu – nhược điểm của công nghệ này.
1.1. Khái quát về công nghệ RFID
Khái niệm RFID

Hình 1.1. RFID công nghệ nhỏ - sự nghiệp lớn
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.
Thẻ RFID có thể thay thế cho các mã vạch trên các sản phẩm có bán tại các
siêu thị bán lẻ. Thay vì phải đưa thiết bị vào sát mã vạch để quét, RFID cho phép
thông tin có thể được truyền qua những khoảng cách nhỏ mà không cần một tiếp
xúc vật lý nào cả.
Thẻ RFID được đưa vào sử dụng trong rất nhiều lĩnh vực như: quản lý nhân
sự, quản lý hàng hóa vào/ra siêu thị, nhà kho, … theo dõi động vật, quản lý xe cộ
qua trạm thu phí, làm thẻ hộ chiếu…
Dải tần hoạt động của hệ thống RFID :
- Tần số thấp – Low frequency 125 KHz: dải đọc ngắn, tốc độ đọc thấp.
- Dải tần cao – High frequency 13.56 MHz: khoảng cách đọc ngắn, tốc độ đọc
trung bình.
- Dải siêu cao tần – UHF 868-928 MHz: Dải đọc rộng,tốc độ đọc cao.
7


- Dải vi sóng – Microwave 2.45-5.8 GHz: Dải đọc rộng, tốc độ đọc lớn.
Tương lai của công nghệ RFID
Sự ra đời của thẻ RFID là một ý tưởng độc đáo: thẻ RFID có thể thay thế cho
các mã vạch trên các sản phẩm có bán tại các siêu thị bán lẻ và thay thế công nghệ
tìm dấu vết bằng những máy phát vô tuyến nhỏ và khá rẻ. Thông tin có thể được
truyền qua những khoảng cách nhỏ mà không cần một tiếp xúc vật lý nào cả. Đó là
những điều mà RFID (công nghệ nhận dạng đối tượng bằng sóng vô tuyến) có thể
mang lại.
1.2.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 các thành phần:
- Thẻ RFID (RFID Tag, Transponder - bộ phát đáp) được lập trình điện tử với
thông tin duy nhất.
- Các reader (đầu đọc) hoặc sensor (cảm biến) để truy vấn các thẻ.
- Host computer – server: máy chủ, hệ thống phần mềm và cơ sở hạ tầng
truyền thông. Cơ sở hạ tầng truyền thông: là thành phần bắt buộc, là một tập gồm
mạng có dây, không dây và các bộ phận kết nối tuần tự để kết nối các thành phần ở
trên với nhau.

Hình 1.2. Hệ thống RFID cơ bản
1.2.1. Thẻ RFID

8


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 (Coupling element) và một vi mạch
(chip).

a, transponder ghép cảm ứng

b, transponder ghép viba

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
như sau: 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 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, còn gọi bán thụ động semi-passive).
Thẻ thụ động

Hình 1.4.Cấu trúc của một thẻ thụ động

9


Loại thẻ này không có nguồn bên trong (on-board), sử dụng nguồn nhận được
từ reader để hoạt động và truyền dữ liệu được lưu trữ trong nó cho reader. Thẻ thụ
động có cấu trúc đơn giản và không có các thành phần động. Thẻ thụ động 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 thông với nhau thì reader luôn
truyền trước rồi mới đến thẻ. Cho nên bắt buộc phải có reader để thẻ có thể truyền
dữ liệu của nó. Thẻ thụ động có khoảng cách đọc thực tế khoảng 2 mm lên đến một
vài mét tùy thuộc vào tần số vô tuyến và kích thước thiết kế của antenna.
Thẻ thụ động nhỏ hơn và cũng rẻ hơn thẻ tích cực hoặc bán tích cực. Các thẻ
thụ động có thể thực thi ở tần số low, high, ultrahigh, hoặc microwave. Thẻ thụ
động bao gồm những thành phần chính sau:
- Vi mạch (microchip).
- Antenna.
Vi mạch
Vi mạch thông thường gồm có:
- Bộ chỉnh lưu (power control/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.
- Máy tách xung (Clock extractor): tách tín hiệu xung từ tín hiệu antenna.
- Bộ điều chế (Modulator): điều chỉnh tín hiệu nhận được từ reader. Đáp ứng
của thẻ được gắn trong tín hiệu đã điều chế, sau đó nó được truyền trở lại reader.
- Đơn vị logic (Logic unit): chịu trách nhiệm cung cấp giao thức truyền giữa
thẻ và reader.
- Bộ nhớ vi mạch (memory): được dùng lưu trữ dữ liệu, bộ nhớ này thường
được phân đoạn (gồm vài block hoặc field). Một block nhớ của thẻ có thể giữ nhiều
loại dữ liệu khác nhau, ví dụ như một phần của dữ liệu nhận dạng đối tượng được
gắn thẻ, các bit checksum (chẳng hạn kiểm tra lỗi CRC) kiểm tra độ chính xác của
dữ liệu được truyền v.v…. Sự tiến bộ của kỹ thuật cho phép kích thước của vi mạch
nhỏ đến mức nhỏ hơn hạt cát. Tuy nhiên, kích cỡ của thẻ được xác định bởi kích
thước antenna của nó.
10


Antenna
Antenna của thẻ được dùng để lấy năng lượng từ tín hiệu của reader để làm
tăng năng lượng cho thẻ hoạt động, gửi hoặc nhận dữ liệu từ reader. Antenna này
được gắn vào vi mạch, antenna là trung tâm đối với mọi 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
(đồng) mà nó bị ngắt ở trung tâm. Chiều dài tổng cộng của một antenna 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 của reader.
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 không 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 (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

11


Hình 1.5. Một số loại thẻ tích cực
Thẻ tích cực có một nguồn năng lượng bên trong (pin hoặc có thể là những
nguồn năng lượng khác như sử dụng nguồn năng lượng mặt trời) và thành phần điện
tử 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 không cần nguồn năng lượng từ
reader để truyền dữ liệu. Thành phần 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 quá trình truyền giữa thẻ và reader, thẻ luôn truyền
trước, rồi mới đến reader. Vì sự hiện diện của reader không 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 không có ở nơi đó
Khoảng cách đọc của thẻ tích cực là 100 feet (xấp xỉ 30.5 m) hoặc hơn nữa khi
máy phát tích cực của loại thẻ này được dùng đến.
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.
- Nguồn cung cấp năng lượng.
- Điện tử học bên trong
Hai thành phần vi mạch, antenna tương tự với thẻ thụ động.
Nguồn cung cấp năng lượng
12


Tất cả các thẻ tích cực đều mang một nguồn năng lượng bên trong để cung cấp
nguồn cho thành phần điện tử 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.
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 chuyên dụng như tính toán, 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 ngoài.
Vì vậy thẻ có thể thực thi nhiều nhiệm vụ thông minh, tùy thuộc vào loại cảm
biến được gắn vào.
Thẻ bán tích cực (bán thụ động)
Thẻ bán tích cực có một nguồn năng lượng bên trong (pin) và điện tử học bên
trong để thực thi những nhiệm vụ chuyên dụng. Nguồn bên trong cung cấp năng
lượng 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).
Đối với loại thẻ này, trong quá trình truyền giữa thẻ và reader thì reader luôn
truyền trước rồi đến thẻ. Tại sao sử dụng thẻ bán tích cực mà không sử dụng thẻ thụ
động? Bởi vì thẻ bán tích cực không sử dụng tín hiệu của reader như thẻ thụ động,
nó tự kích hoạt, nó có thể đọc ở khoảng cách xa hơn thẻ thụ động. Bởi vì không 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 (không 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 vô tuyến (RF-opaque và RF-absorbent).
Sự có mặt của những vật liệu này có thể ngăn không cho thẻ thụ động hoạt động

13


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 100 feet (xấp xỉ 30.5 m) với
điều kiện lý tưởng.
Phân loại dựa trên khả năng hỗ trợ ghi chép dữ liệu:
- Chỉ đọc (Read only).
- Ghi một lần, đọc nhiều lần (Write once – Read many).
- Đọc-Ghi (Read – Write).
Thẻ read only (RO)
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 nhà máy 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 tia laser. 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 làmtheo 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 write once, read many (WORM)
Thẻ WORM có thể được ghi dữ liệu một lần, mà thường thì không 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 (khoảng 100 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 read write (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
14


reader hoặc bởi thẻ (nếu là thẻ tích cực). Thẻ RW gồm thiết bị nhớ Flash 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 công nghệ thẻ phát triển thì chi phí thẻ giảm xuống.
Phân loại dựa trên tần số:
- Thẻ Mircowave: dải tần 2,45 và 5,8 GHZ.
- Thẻ LF (Low Frequency):dải tần 125 – 135 KHZ.
- Thẻ HF (High Frequency):dải tần 13.56 MHZ.
- Thẻ UHF (Ultrahigh Frequency): dải tần 900 MHZ.
Phân loại dựa trên môi trường hoạt động:
- Môi trường làm việc bình thường.
- Môi trường nước.
- Môi trường chất lỏng.
Phương thức lưu trữ dữ liệu trên thẻ
Giao thức truyền thông thẻ cấp cao hiểu được các loại ID và phương thức lưu
trữ liệu trên thẻ. Tuy nhiên vì một reader chỉ liên lạc với một thẻ nên layout về mặt
vật lý thực tế của bộ nhớ trên thẻ tùy thuộc vào nhà sản xuất. Bộ nhớ trên thẻ có cấu
trúc logic như hình vẽ:

Hình 1.6. Cấu trúc bộ nhớ của một thẻ (minh họa)
Trong đó:
- CRC là một checksum (xem chi tiết trong CCITT-CRC).
15


- EPC là ID của thẻ.
- Password là một mã chết để làm mất khả năng hoạt động của thẻ.
- CCITT-CRC:CRC (Cyclic Redundancy Check) là một phương pháp xác
minh một khối dữ liệu không thích hợp do đã bị sửa đổi. Người gửi khối dữ liệu này
sẽ tính một giá trị bằng cách xử lý toàn khối thành một số lớn và chia nó bởi một số
được gọi là đa thức CRC. Số dư của phép toán này là CRC. Người gửi sẽ gửi CRC
này cùng với dữ liệu và người nhận dùng phương pháp tương tự để tính CRC qua
khối dữ liệu để so sánh. Nếu CRC từ người gửi không giống với CRC đã được tính
bởi người nhận thì người nhận yêu cầu dữ liệu được gửi lại. Để phát sinh CRC, các
giao thức EPC sử dụng đa thức CCITT-CRC. Giao thức này dùng chuỗi 16 bit CRC
sử dụng đa thức x16+x12+x5+1. Nó có thể bắt được 99.998% lỗi.
- Thuật toán tính CRC: Đầu tiên tính giá trị hex cho đa thức. Thực hiện bằng
cách tính từ 15 xuống (vì đây là chuỗi CRC 16 bit) và đánh dấu 1 cho mỗi lũy thừa
xuất hiện trong đa thức. Đối với mỗi lũy thừa không có trong đa thức ta đánh dấu 0.
Điều này có nghĩa số đó là số 0001000000100001 hoặc số hex 1021(số này là
CCITT). Lấy đa thức khối dữ liệu chia cho đa thức này, số dư là CRC.
1.2.2. 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 1 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 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.
Một reader có cấu trúc như hình 1.7 dưới đây:
16


Hình 1.7. Cấu trúc 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 ngoài (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 ngoài).
- Mạch truyền thông.
- Nguồn năng lượng.
Máy phát
Máy phát của reader truyền nguồn AC và chu kỳ xung clock qua antenna của
nó đến thẻ trong phạm vi đọc cho phép, nó chịu trách nhiệm gửi tín hiệu của reader
đến môi trường xung quanh và nhận lại đáp ứng của thẻ qua antenna của reader.
Máy thu
Máy thu nhận tín hiệu tương tự từ thẻ qua antenna của reader. Sau đó nó gởi
những tín hiệu này cho vi mạch của reader, tại nơi này nó được chuyển thành tín
hiệu số tương đương (có nghĩa là dữ liệu mà thẻ đã truyền cho reader được biểu
diễn ở dạng số).
17


Vi mạch
Thành phần này chịu trách nhiệm cung cấp giao thức cho reader để nó truyền
thông với thẻ tương thích với nó. Nó thực hiện việc giải mã và kiểm tra lỗi tín hiệu
tương tự nhận từ máy thu.
Bộ nhớ
Bộ nhớ dùng lưu trữ dữ liệu như các tham số cấu hình reader và một bản kê
khai các lần đọc thẻ. Vì vậy nếu việc kết nối giữa reader và hệ thống mạch điều
khiển, phần mềm bị hỏng thì tất cả dữ liệu thẻ đã được đọc không bị mất.
Các kênh nhập/xuất của các cảm biến, cơ cấu truyền động đầu từ và bảng tín
hiệu điện báo bên ngoài
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 ngoài. 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 van an toàn, di chuyển 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).
Mạch truyền thông
Thành phần mạch truyền thông cung cấp các lệnh truyền đến reader, nó cho
phép tương tác với các thực thể bên ngoài qua mạch điều khiển, để truyền dữ liệu
18


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 ngoài. 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 thông. 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.
Ưu điểm của serial reader là có độ tin cậy cao hơn network reader. Vì vậy sử
dụng reader loại này được khuyến khích nhằm làm tối thiểu sự phụ thuộc vào một
kênh truyền.
Nhược điểm của serial reader là phụ thuộc vào chiều dài tối đa của cáp sử
dụng để kết nối một reader với một máy tính. Thêm nữa, thường thì trên một máy
chủ thì số cổng serial bị hạn chế. Tốc độ truyền dữ liệu serial thường thấp hơn tốc

19


độ truyền dữ liệu mạng. Những nhân tố này dẫn đến chi phí bảo dưỡng cao hơn và
thời gian chết đáng kể.
Network reader
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
serialreader.
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 ngoài 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 vi ba sử dụng far field. Cường độ tín hiệu trong truyền thông 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 thông near field.

20


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 theo khối bằng nhiều
bước. Vì vậy việc ghi thẻ có thể mất cả trăm giây mới hoàn 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 backscatter
Việc truyền modulated backscatter áp dụng cho cả thẻ thụ động và bán tích
cực. Trong kiểu truyền thông này, reader gửi đi tín hiệu RF sóng liên tục (continuos
wave- CW) gồm có nguồn AC và tín hiệu xung cho thẻ cùng tần số mang (carrier
frequency- tần 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 năng lượng. Vi mạch cần khoảng 1.2V từ tín hiệu
của reader để tiếp năng lượng đối với việc đọc. Còn đối với việc ghi thì vi mạch
21


thường cần khoảng 2.2V từ tín hiệu của reader. Hiện nay vi mạch điều chỉnh, thay
đổi tín hiệu nhập thành một chuỗi mô 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 mô hình và thu
được dữ liệu thẻ.
Vì vậy trong mô hình truyền modulated backscatter, reader luôn phát trước sau
đó mới tới thẻ. Thẻ sử dụng mô hình này không thể truyền khi không có mặt reader
vì nó phụ thuộc hoàn toàn vào năng lượng của reader để truyền dữ liệu của nó.

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

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 không có mặt ở đó. Vì vậy, trong kiểu truyền này, thẻ luôn luôn phát trước
reader.

22


Hình 1.11. Cơ chế truyền kiểu máy phát của thẻ tích cực
1.2.3.Database
Database là hệ thống thông tin phụ trợ để theo dõi và chứa thông tin về item
có đính thẻ.
Thông 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 nhân viên trong một công ty. Các database cũng có thể được kết nối đến các
mạng khác như mạng LAN để kết nối database qua Internet. Việc kết nối này cho
phép dữ liệu chia sẻ với một database cục bộ mà thông tin được thu thập trước tiên
từ nó.
1.3. Phương thức làm việc của RFID
Một hệ thống RFID đơn giản nhất có ba thành phần cơ bản: thẻ, đầu đọc, và
một máy chủ. Thẻ RFID gồm chip bán dẫn nhỏ và antenna 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 hoặc con người đang gắn thẻ đó. Bởi vì các chip được
sử dụng trong thẻ RFID có thể giữ một số lượng lớn dữ liệu, chúng có thể chứa
thông tin như chuỗi số, thời dấu, hướng dẫn cấu hình, dữ liệu kỹ thuật, sổ sách y
học và lịch trình.

23


Hình 1.12. Quá trình làm việc của thẻ và reader
Các thẻ có thể được cấp nguồn bởi một bộ pin thu nhỏ trong thẻ (các thẻ tích
cực) hoặc bởi reader mà nó wake up thẻ để yêu cầu trả lời khi thẻ đang trong phạm
vi (thẻ passive).
Thẻ tích cực đọc xa 100 feet tính từ reader và có thể là thẻ thông minh (với bộ
nhớ được viết lên và xóa như một ổ cứng máy tính) hoặc là thẻ RO. Thẻ thụ động
có thể được đọc cách xa reader 20 feet. Kích thước thẻ, giá cả, dải đọc, độ chính xác
đọc/ghi, tốc độ dữ liệu và chức năng hệ thống thay đổi theo đặc điểm nêu ra trong
thiết kế và dải tần hệ thống RFID sử dụng. Thẻ nhận sóng truyền từ reader và nhờ
bộ chuyển đổi sang DC và nhờ bộ điều chế để nhận chuỗi bit từ reader truyền tới.
Tiếp đến thẻ gửi sóng mang chứa dữ liệu phát đến reader. Sau đó được điều chế (giả
sử dùng QAM) là một số phức và được xếp vào biểu đồ chòm sao theo quy luật mã
Gray trên 2 trục Re (thực) và Im(ảo). Vị trí của mỗi điểm tín hiệu (số phức) trên
biểu đồ chòm sao phản ánh thông tin về biên độ và pha của các sóng mang.
Quá trình biến đổi IFFT sẽ biến đổi các số phức biễu diễn các sóng mang
trong miền tần số thành các số phức biểu diễn các sóng mang trong miền thời gian
rời rạc. Trong thực tế các thành phần Re và Im được biểu diễn bằng chuỗi nhị phân
được bộ điều chế IQ sử dụng để điều chế sóng mang cũng được biểu diễn bằng một
chuỗi nhị phân. Chuỗi nhị phân sau điều chế IQ được biến đổi DAC để nhận được
tín hiệu trong băng tần cơ bản. Quá trình xử lý ở phía thẻ sẽ thực hiện biển đổi FFT
để tạo các điểm điều chế phức của từng sóng mang phụ trong symbol OFDM (bản
chất của quá trình tạo tín hiệu OFDM là phân tích chuỗi bit đầu vào thành các sóng
mang đã được điều chế theo một kiểu nào đó trong miền thời gian liên tục), sau khi
24


Tài liệu bạn tìm kiếm đã sẵn sàng tải về

Tải bản đầy đủ ngay

×