Xây dựng hệ thống RFID dải tần LF

chính là khả năng tính toán trong phạm vi thẻ còn thiếu. Các kỹ thuật mật mã chuẩn yêu cầu nhiều khả năng hơn những khả năng sẵn có trong hầu hết các thiết bị RFID giá thành thấp. Bảo mật RSA đó cú bằng sáng chế một loại thiết bị cho phép phá tín hiệu RFID cục bộ bằng cách ngắt giao thức hạn chế xung đột chuẩn, điều này cho phép người dùng bảo vệ thông tin nhận dạng của mình. Nhiều cơ chế đo đã được đề xuất như đối tượng được gắn thẻ RFID với một nhãn chuẩn công nghiệp. 2.2 Ứng dụng RFID vào thực tiễn Các ứng dụng của công nghệ RFID chủ yếu dựa trên cỏc vựng tần số khác nhau. Mỗi một vùng tần số sẽ được áp dụng cho một chức năng nhất định phù hợp với thức tế.Chương III sẽ cho chúng ta thấy những ứng dụng thường gặp của công nghệ RFID, đó là những ứng dụng trong các lĩnh vực khác nhau. Ta có bảng băng tần hệ thống sử dụng trong RFID như sau : Hình 2.1 Dải tần ứng dụng. Các tần số trong khoảng 30kHz – 400kHz được coi là dải tần thấp (LF). Hệ thống RFID LF hoạt động chủ yếu ở tần số 125kHz hoặc 134.2kHz. Các hệ thống này thường sử dụng thẻ thụ động, có tốc độ truyền dữ liệu từ thẻ tới reader thấp và thích hợp cho các ứng dụng trong đó môi trường hoạt động cú cỏc 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. Băng cao tần (HF) có dải tần từ 3MHz tới 30MHz, và băng 13.56MHz là tần số tiêu biểu được sử dụng trong dải tần này cho ứng dụng RFID. Hệ thống RFID HF cũng sử dụng thẻ thụ động, cũng có tốc độ truyền dữ liệu từ thẻ tới reader thấp, và hoạt động khá tốt trong các môi trường có chứa kim loại, chất lỏng. Băng siêu cao tần (UHF) có dải tần từ 300MHz tới 1GHz. Một hệ thống RFID UHF thụ động tiêu biểu hoạt động tại tần số 915MHz ở Mỹ và 868MHz ở Châu Âu. Còn hệ thống RFID UHF 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 và có tốc độ truyền dữ liệu giữa thẻ và đầu đọc cao. Tuy nhiên, dải tần UHF cho ứng dụng RFID chưa được chấp nhận rộng rãi trên toàn thế giới. Băng tần vi ba (MWF) có dải tần trên 1GHz. Hệ thống RFID MWF hoạt động tại một trong các tần số 2.45GHz, 5.8GHz, trong đó 2.45GHz là tần số 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 và có tốc độ truyền dữ liệu giữa thẻ và reader nhanh nhất trong tất cả các hệ thống trên. 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. 2.2.1 Trong hệ thống bưu chính viễn thông Ngày nay, các hoạt động bưu chính đã triển khai RFID trên hệ thống khép kín khác nhau để đo kiểm, giám sát và nâng cao hoạt động Bưu chính. Ví dụ, RFID được sử dụng để giám sát dịch vụ bưu phẩm quốc tế giữa các trung tâm Bưu chính lớn. Cứ bưu phẩm nào có gắn nhãn được đưa vào khay chia chọn, thời gian chuyển phát có thể được tính toán. Điều này cho phép các vấn đề dịch vụ được xác định và được giải quyết tin cậy và tiết kiệm. Các hoạt động bưu chính khác là theo dõi container bưu phẩm để đánh giá việc sử dụng người theo dõi và để theo dõi các vị trí container. Các hệ thống theo dõi container bằng tay có xu hướng ít dần khi khối lượng tăng và có thời hạn chót để đáp ứng các thời điểm khởi hành. Bằng cách cho phép thông tin được lưu tự động, RFID đảm bảo và thậm chí hoạt động trong những điều kiện căng thẳng. Các giám đốc bưu chính có thể dựa trên thông tin để quyết định nõng cỏc chi phí vận tải và xác định lại các container khi cần. Cỏc túi bưu phẩm được theo dõi bằng RFID sẽ thông báo tình trạng phỏt đó được dành cho các dịch vụ bưu phẩm ưu tiên. Cỏc tỳi bưu phẩm được gắn thẻ sẽ tự động được đọc ở một số điểm cụ thể trên mạng để cung cấp khả năng định vị và theo dõi được tự động hóa. 2.2.1.1 Định vị và lưu vết các bưu gửi trong quá trình vận chuyển Hình thức ứng dụng này đang được sử dụng phổ biến ở Đức, Mĩ, Italia, Hà Lan, Nhật Bản,… Lợi ích của công nghệ RFID mang lại cho các dịch vụ bưu gửi là tăng hiệu quả và năng suất của quy trình nhận, gửi bưu gửi, cho phép cung cấp nhiều loại hình dịch vụ giá trị gia tăng có chất lượng cho khách hàng, nâng cao độ an toàn của sản phẩm. Cụ thể như sau:   - Tăng hiệu quả và năng suất của quy trình gửi và nhận bưu kiện: Hiện nay, bưu chính nhiều nước vẫn đang sử dụng hệ thống mã vạch trong quá trình gửi và nhận bưu kiện. Hệ thống mã vạch đòi hỏi nhiều lao động thủ công do các giao dịch viên phải sử dụng máy quét để quét từng bưu kiện. Các thao tác này thường mất khá nhiều thời gian trong khi đó số lượng bưu kiện được gửi nhận lại quá lớn. Vấn đề này sẽ được RFID đáp ứng. Tại mỗi bộ phận tiếp nhận bưu kiện, một bộ phận đọc RFID sẽ được cài đặt, bộ phận này sẽ tự động đọc tín hiệu truyền từ các thẻ được gắn trên bưu kiện và truyền các thông tin này vào hệ thống lưu trữ thông tin trung tâm. - Tạo ra các giá trị gia tăng cho khách hàng: Với việc áp dụng công nghệ RFID, khách hàng hoàn toàn có thể kiểm soát được tình trạng của bưu kiện mà họ gửi (bưu kiện đó đang ở tại vị trí nào, trạng thái bưu kiện ra sao….). 2.2.1.2 Kiểm soát và đánh giá chất lượng của các dịch vụ bưu chính Công nghệ RFID được Liên minh Bưu chính thế giới (UPU) sử dụng để đánh giá tốc độ vận chuyển bưu phẩm trong mỗi chặng giữa các nước. Để thực hiện điều đó, người ta gắn các thẻ RFID vào các bưu phẩm mẫu rồi gửi chúng đi như các bưu phẩm thông thường. Các điểm thu nhận tín hiệu sẽ được đặt tại cổng quốc tế và các trung tâm đầu mối bưu chính quốc tế của mỗi nước. Các điểm thu nhận tín hiệu này được kết nối với mạng dữ liệu trung tâm của IPC để thu thập và tính toán các thông tin về thời điểm gửi/nhận các bưu phẩm. Đối với VNPT, trong điều kiện Bưu chính và Viễn thông tách ra hoạt động độc lập, việc đánh giá chất lượng dịch vụ bưu chính là hết sức cần thiết để phát triển hệ thống dịch vụ bưu chính tin cậy, chất lượng cao. Việc ứng dụng công nghệ RFID sẽ cho phép đánh giá khách quan chất lượng của các dịch vụ bưu chính, từ đó có thể thực hiện những điều chỉnh cần thiết để khắc phục những công đoạn còn yếu, đồng thời cung cấp cho khách hàng những thông số tin cậy về các dịch vụ mà họ sử dụng. Hệ thống ứng dụng công nghệ RFID bao gồm các thành phần sau đây: - Thẻ RFID gắn ở bưu gửi, thẻ này thường có khối lượng < 12 mg, thông thường được thiết kế với vòng đời 5 năm đối với các tác động của các kỹ thuật chia chọn. - Anten nhận biết để truyền thông tin về bưu phẩm (được đặt tại mỗi địa điểm triển khai công nghệ này). - Bộ phận đọc để tổng hợp thông tin tại hệ thống tổng hợp thông tin cục bộ và truyền những thông tin này đến hệ thống quản lý thông tin trung tâm. - Hệ thống quản lý thông tin trung tâm, bao gồm máy chủ dữ liệu tập trung và các dịch vụ xử lý, thống kê dữ liệu, cho phép các hệ thống tổng hợp thông tin cục bộ kết nối tới. 2.2.1.3 Mô hình kỹ thuật ứng dụng RFID cho Bưu chính Các điểm trong quy trình khai thác bưu gửi có triển khai hệ thống RFID được gọi là “Monitoring Gate” (cổng giám sát), mỗi Monitoring Gate bao gồm các thành phần sau: - Anten: Thường có hình dạng một hình chữ nhật được gắn phía trên cửa vào của băng chuyền. Anten này có nhiệm vụ tạo ra một dải từ trường dạng sóng có tần số là 125 KHz. Dải từ trường này sẽ kích hoạt con chíp bên trong của thẻ RFID và làm cho con chíp này gửi tín hiệu UHF với tần số 433.92 MHz. Sau khi con chíp hoàn thành nhiệm vụ gửi tín hiệu, nó sẽ tự động tắt và chỉ được kích hoạt trở lại khi đi qua dải từ trường của một anten khác. Cách làm này có 2 ưu điểm: giúp có thể sử dụng thẻ trờn cỏc phương tiện vận chuyển hàng không, và tiết kiệm năng lượng pin của thẻ (có thể có thời gian sử dụng đến 5 năm). - Đầu đọc: một hộp nhỏ được gắn vào tường (hoặc một vị trí cố định nào đó) trong chu vi 10m tính từ anten. Đầu đọc này sẽ tổng hợp tín hiệu UHF từ con chíp của thẻ RFID, bổ sung thờm cỏc thông số như thời gian và địa điểm đồng thời truyền tất cả các thông tin này về hệ thống dữ liệu trung tâm (có thể truyền trực tiếp hoặc trung chuyển qua một hệ thống dữ liệu cục bộ). Mỗi cổng có thể có từ 4 hoặc 5 ăng ten với 1 đầu đọc. Khoảng cách lý tưởng giữa ăng ten và con chip là 2.5m. Các bưu gửi được gắn thẻ RFID khi đi qua Monitoring Gate sẽ được bộ đọc RFID đọc thông tin có trong thẻ và chuyển đến hệ thống thông tin trung tâm : Hình 2.2 Mô hình khai thác thông tin đối với thẻ RFID. 2.2.2 Trong hệ thống giao thông Hình 2.3 Cổng ra vào sử dụng công nghệ RFID. Ở Anh, các hệ thống trả trước cho các dịch vụ giao thông công cộng ra đời nhờ sử dụng công nghệ RFID. Thiết kế này được nhúng trong một thẻ tín dụng (giấy thông hành) và khi được quột nú sẽ cho biết thông hành có hợp lệ hay không và thời gian thông hành còn lại bao lâu. NCT là công ty ở thành phố Nottingham đầu tiên thực hiện dự án này và gọi nó là "beep card". 2.2.3 Trong kinh doanh Các thẻ RFID tần số UHF hiện được sử dụng rộng rãi trong thương mại để tỡm cỏc tủ, palột, và các container chuyển hàng và để tỡm cỏc toa hàng trong các kho hàng vận chuyển. Các thẻ RFID sóng cực ngắn được sử dụng trong việc giám sát ra vào của các xe tải trọng lớn. Hình 2.4 Ứng dụng hệ thống RFID trong dây truyền sản xuất. Hình 2.5 Ứng dụng hệ thống RFID trong quản lý kho hàng. 2.2.4 Trong hệ thống thư viện : Hình 2.6 Ứng dụng RFID trong quản lý thư viện. Các thẻ RFID được sử dụng trong các thư viện: thẻ đọc sách vuông, thẻ CD/DVD tròn và thẻ chữ nhật VHS. Các thẻ RFID tần số cao được sử dụng trong thư viện sách hoặc để tỡm sỏch trong kho, để tỡm palột, điều khiển ra vào toà nhà, tìm hành lý ở sân bay, và sử dụng để tỡm cỏc mặt hàng thuốc, trang trí. Các thẻ tần số cao được sử dụng rộng rãi trong các huy hiệu nhận dạng và thay thế cho các thẻ từ. Những huy hiệu này chỉ cần giữ trong phạm vi một khoảng cách xác định với đầu đọc để nhận dạng. Thẻ tín dụng American Express Blue hiện sử dụng một thẻ RFID tần số cao. RFID cho phép khả năng tự thanh toán , chống trộm cắp và định vị ,tìm kiếm những sách sai vị trí trong thư viện . Công nghệ RFID đã làm thay đổi 1 cách đáng kể đối với các thủ tục và hiệu quả của 1 thư viện : Sẽ không còn việc xếp hàng dài bởi người đọc có khả năng tự thanh toán sách . Với khả năng phát hiện các cuốn sách nằm trong túi, cặp hay quần áo , công nghệ RFID làm giảm tỉ lệ trộm cắp trong thư viện . Sẽ có nhiều quyển sách được cho mượn hơn bởi vì RFID giúp tìm kiếm nhung quyển sách bị thất lạc hay để sai vi trí . Công tác kiểm kê được thực hiện nhanh hơn với độ chính xác cao hơn rất nhiều . Người đọc sẽ cảm thấy tiện lợi hơn nhiều bởi họ có thể trả sách vào bất cứ thời gian nào trong ngày mà không cần phải quay lai quầy thanh toán hay trả lại đúng vị trí sách. Công nghệ RFID đơn giản, thiết thực, rẻ. Mỗi 1 nhãn RFID có 1 mã số duy nhất được lập trình để ghi 1 số thông tin cơ bản nhưng đặc đỉờm và nơi lưư trữ . Đối với thẻ Tag read-write , các thư viện không cần thay đổi thẻ tag mỗi khi thay đổi vị trí sách hoặc đặt sách trước . Với hệ thống RFID , bằng ứng dụng định vị và xác nhận , sẽ không còn trường hợp mất tài liệu . 2.2.5 Hệ thống theo dõi và quản lý động vật Theo dõi động vật với RFID đã đưa công việc quản lý dữ liệu tiến lên một cấp độ mới. Những cố gắng nâng cao việc quản lý là động lực thúc đẩy kết hợp công việc theo dõi động vật với công nghệ RFID.Việc nhận thức được số lượng và địa chỉ của trang trại mọi lúc cho phép những người chủ trang trại và nhà sản xuất vật nuôi có thể đánh giá một cách khách quan hơn giá trị vật nuôi. Công nghệ RFID giúp cho những người chủ trang trại quản lý trang trại một cách có hiệu quả hơn ,cung cấp thức ăn và nước uống tại những vị trí tốt nhất khi cần thiết ,và thậm chí có thể tiến hành các công việc cơ bản như theo dõi sức khỏe và tần suất của những con vật đến trạm .Sự suy giảm tần suất có thể do dấu hiệu của bệnh. Khi vật nuôi được cung cấp thức ăn tốt và dễ dàng xác định vị trí ,giá trị của mỗi vật nuôi sẽ được tối đa nhờ vào việc xem xét chọn đúng thời điểm của thị trường và những dữ liệu kèm theo trên mỗi con vật. Công nghệ RFID thường được triển khai tại các trạm thức ăn tự động và ở những lò mổ gia nhờ vậy mà sản phẩm động vật có thể được phân phối tụt xuỗng những cửa hàng bán lẻ .Việc xuất hàng và nhập hàng có thể được xem xét một cách chặt chẽ hơn để chắc chắn với nhà chức trách về việc con vật không mang bất kỳ một căn bệnh nào. Công nghệ RFID cũng ứng dụng trong việc bảo tồn các sinh vật hoang dã quy hiếm và là công cụ giỳp cỏc nhà khoa học theo dõi tập tính di cư ,quá trình gia tăng và suy giảm, và đánh giá những nơi chúng sinh sống .Thậm chí những nuôi con vật được thuần hóa có thể trở nên dễ dàng hơn khi mang chúng về từ cuộc sống hoang dã . Theo dõi động vật là một trong những ứng dụng đầu tiên mà các nhà sản xuất tiến hành khi khiển khai công nghệ RFID.Cỏc nhà nghiên cứu đó cú ít nhất 16 năm ở lĩnh vực này .Điều này đã trở thành động lực thúc đẩy cho những chuẩn RFID sau này và những công việc liên quan đến việc theo dõi động vật. Một cơ sở sớm ra đời ,là khả năng chỉ đọc và chỉ phuc thuộc vào số lượng hạn chế cho mỗi nhãn lưu trữ trong cơ sở dữ liệu có chứa thông tin về con vật. Khi nhà sản xuất muốn làm nhiều thứ hơn với công nghệ RFID ,một tiêu chuẩn mới hơn được xây dựng cho phép người dung truy nhập thông tin nhãn thí dụ như dữ liệu về tiêm phòng …mà không cần tới các cơ sở dữ liệu tham khảo khác. Sử dụng công nghệ này ở vị trí cổng nhất đinh cho phép vật nuôi được xác định tự động thõm chớ cả khi chúng đứng thành nhóm lớn ..Các tiêu chuẩn tương thích nhau vì thế các nhà sản xuất có thể sử dụng được cả 2 loại nhãn ( chuẩn cũ và mới ). + Thẻ ID động vật là tiến bộ của ngành công nghiệp và theo dõi sức khỏe . Việc mở rộng phạm vi của công nghệ RFID để nhận dạng và theo dõi vật nuôi giúp cho người chủ trang trại theo dõi được tốc dộ tăng trưởng ,số liệu thống kê sức khỏe và đưa ra mô hình thức ăn thích hợp cho mỗi con vật nuôi trong đàn . Thông tin này có thể được sử dụng để xác định thời gian vật nuôi được gửi đến chợ hoặc ra đời . Trong nền kinh tế toàn cầu ,những sự lo lắng về sứckhỏe của động vật và khả năng ngăn cấm về thương mại khiến cho việc nhận dạng động vật sử dụng công nghệ RFID càng trở nên cần thiết hơn.Nú có khả năng cho phép cơ quan sức khỏe tìm ra nguồn gốc thực phẩm và là công cụ quý giá trong việc kiểm soát lan truyền bệnh dịch.Những nhà sản xuất cũng có thể chắc chắn với những nhà xuất khẩu rằng không con vật nào bị bệnh truyền nhiễm ,được cung cấp đầy đủ thức ăn và tiêm phòng đầy đủ. Sự nhận dạng động vật mang đến những sự thách thức đối với những nhà cung cấp công nghệ .Hầu hết những ứng dụng truy tìm dấu vết tài sản giúp cho tài sản của con người luôn trong tầm kiểm soát tại gia đình hay phạm vi quản lý .Vật nuôi và động vật hoang dã được gắn nhãn cho việc nghiên cứu cuộc sống và chúng dược tự do di chuyển qua nhiều môi trường .Thành công trong việc triển khai nhận dạng động vật đòi hỏi những công ty công nghệ có kinh nghiệm lâu năm trong lĩnh vực này. 2.3 Kết luận Qua chương này, chúng ta có thể nhận thẩy được tầm quan trong của công nghệ RFID trong mọi lĩnh vực. Nhờ có RFID, việc quản lý có thể trở nên dễ dàng và nhanh chóng hơn. Ứng dụng RFID có thể chia làm hai dạng chính, một là ứng dụng trong công nghiệp với các hệ thống dây truyền sản xuất và nhà kho, hai là ứng dụng cú tớnh xã hội với các hệ thống quản lý truy nhập và hàng hóa tại các siêu thị. Tuy nhiên, mỗi một ứng dụng đều đi kèm với những mục đích và yêu cầu bảo mật riêng do đó nhà sản xuất cần phải phân tích thiết kế và chế tạo hệ thống dựa trên những yêu cầu thực tế đưa ra. CHƯƠNG 3 XÂY DỰNG HỆ THỐNG RFID TRONG DẢI TẦN LF Trong các chương trước chúng ta đã được hiểu thêm về công nghệ RFID và nguyên lý hoạt động của hệ thống. Dựa trên nền tảng kiến thức tiếp thu được qua quá trình tìm hiểu công nghệ và kiến thức điện tử, xử lý tín hiệu số qua nhiều năm học tập, em đã mạnh dạn áp dụng vào thực tế, xây dựng hệ thống RFID trong dải tần LF. 3.1 Hệ thống RFID dải tần LF 3.1.1 Tổng quan về hệ thống Dải tần LF chạy từ tần số 30 – 300KHz, đối với dải tần này, kỹ thuật RFID thường sử dụng tần số 125Khz. Hệ thống có chức năng chính là nhận diện và đọc nội dung trờn cỏc thẻ tag RFID có sử dụng chip EM4102 làm hạt nhân giao tiếp. Nội dung thông tin của thẻ sẽ được đưa ra hiển thị trên màn hình LCD. Ngoài ra hệ thống cũng có khả năng thực hiện giao tiếp với loại thẻ tag Read/Write sử dụng chip EM4095. Hệ thống sử dụng chip PIC16F876A làm điều khiển trung tâm, thực hiện chức năng điều khiển, giao tiếp với chip EM4095-chip giao tiếp thẻ RFID, thực hiện điều khiển hiển thị lên LCD và gửi dữ liệu lên máy tính thông qua cổng giao tiếp RS232. Toàn bộ hệ thống được tích hợp trên một bo mạch nhỏ gọn và dễ dàng cho việc thay thế, nâng cấp. Hình 3.1 Tổng quan hệ thống. 3.1.2 Sơ đồ khối hệ thống Hình 3.2 Sơ đồ khối hệ thống. 3.1.2.1 Khối nguồn Nhiệm vụ chính là cung cấp nguồn cho toàn bộ hệ thống, tạo ra một nguồn 5V ổn định cung cấp cho vi điều khiển trung tâm, IC đọc RFID, LCD hiển thị… sử dụng IC ổn áp LM7805, có thể cung cấp dòng tối đa lên đến 1A. Sơ đồ nguyên lý của khối nguồn: Hình 3.3 Khối nguồn 3.1.2.2 Khối hiển thị Sử dụng màn hiển thị tinh thể lỏng (LCD) có khả năng hiển thị ký tự ASCII. Chức năng chính của khối này là hiển thị thông tin hệ thống, hiển thị mã số của thẻ (Tag) RFID sau khi mã hóa và hiển thị thông tin theo yêu cầu người lập trình. Sơ đồ nguyên lý khối hiển thị LCD: Hình 3.4 Khối hiển thị. 3.1.2.3 Khối xử lý trung tâm: Khối sử dụng vi điều khiển PIC16F876A của hãng MicroChip. Nhiệm vụ khối là điều khiển chính cho toàn hệ thống. - Điều khiển giao tiếp với IC đọc thẻ RFID EM4095, điều khiển thực hiện các chức năng đọc/ghi nội dung thẻ Tag. - Điều khiển nội dung hiển thị trên LCD - Điều khiển luồng dữ liệu giao tiếp với máy tính thông qua kết nối RS232. - Các điều khiển khác. Sơ đồ khối xử lý trung tâm: Hình 3.5 Khối xử lý trung tâm. Đặc điểm chính của PIC 16F876A Họ PIC16F87X có 4 loại : PIC16F876/PIC16F873 (28 chân) và PIC16F877/ PIC16F874 (40 chân) . Loại 28 chân không có cổng PSP. Chỉ có 35 lệnh. Tất cả các lệnh đơn thực hiện trong 1 chu kỳ lệnh ngoại trừ các lệnh rẽ nhỏnh thỡ thực hiện trong 2 chu kỳ. Tốc độ hoạt động : 20MHz và mỗi chu kỳ lệnh thực hiện trong 200ns. Có bộ nhớ chương trình FLASH (FLASH Program Memory) 8K x 14 words. Có bộ nhớ dữ liệu RAM (Data Memory) 360 x 8 bytes. Có bộ nhớ dữ liệu EEPROM (EEPROM data memory) 256 x 8 bytes. Có 14 ngắt trong và ngắt ngoài. Có 8 ngăn Stack. 3 chế độ địa chỉ : Trực tiếp, gián tiếp và tương đối. Có sẵn PRO (Power-up Timer), PWRT (Power-up Timer), OST (Oscillator Start-up Timer) và WDT (Watchdog Timer). Có chế độ SLEEP tiết kiệm năng lượng. Cú các chọn lựa cho bộ phát sóng. Cú các cổng ghép nối nối tiếp và song song. Có dải điện áp làm việc 2.0V đến 5.5V. Bộ Timer0 8bits Timer/Counter với 8bits Prescaler. Bộ Timer1 16bits Timer/Counter với Prescaler. Bộ Timer2 8bits Timer/Counter với 8bits thanh ghi đoạn, Prescaler và Postscaler. Các chế độ Capture (16bits, 12.5ns) , Compare (16bits, 200ns) và PWM (10bits) [CCP]. Bộ biến đổi AD nhiều khênh 10 bits. Cổng truyền tin nối tiếp đồng bộ với 2 chế độ SPI và I2C. Có USART/SCI với 9bits địa chỉ. Có cổng PSP (Parallel Slave Port) 8bits với cỏc chõn điều khiển ngoài RD, WR và CS nhưng chỉ có ở các CHIP 40/44 chân. BOR (Brown-out Reset). 3.1.2.4 Khối giao tiếp máy tính: Thực hiện nhiệm vụ chuyển đổi mức tín hiệu, truyền dữ liệu lên máy tính thông qua cổng giao tiếp RS232. Sử dụng IC MAX23 Sơ đồ nguyên lý: Hình 3.6 Khối giao tiếp máy tính. 3.1.2.5 Khối rơle Khối điều khiển các hoạt động cơ của hệ thống bao gồm hệ thống chip nhạc, cửa và hệ thống led báo hiệu. Sơ đồ khối : Hình 3.7 Khối rơle. 3.1.4 Thẻ (Tag) RFID Do yêu cầu của hệ thống RFID là dùng trong quản lý nhân sự ở tần số thấp 125 KHz nên ta chọn loại thẻ thụ động Read-Only với giá thành thấp (khoảng 0,5USD/chiếc) chứa IC EM4102 của hãng Emmicroelectronic-Marin SA của Thụy Sĩ. Mô tả chung EM4102 là chip CMOS dùng trong các thẻ RFID thụ động dạng Read-Only tức là thẻ này không có nguồn pin bên trong mà nó hoạt động dựa vào năng lượng do anten gắn trên thẻ thu về khi đặt trong trường điện từ của anten phía đầu đọc phát ra. Đặc điểm: - Bộ nhớ 64 bit laser programmable - Có một số lựa chọn về tốc độ truyền dữ liệu (16/32/64 chu kỳ của tần số sóng mang trên 1 bit dữ liệu) và dạng mã hóa dữ liệu (Manchester, Biphase hoặc PSK) - Có tụ cộng hưởng trên chip (79pF) - Có bộ giới hạn điện áp trên chip - Có bộ chỉnh lưu trên chip - Tần số hoạt động: 100 ữ 150 kHz - Kích cỡ chip rất nhỏ tiện để gắn lờn cỏc loại thẻ - Tốn rất ít năng lượng - Nguồn cấp (Vdd): - 0.3 ữ 7(V) - Dòng 1 chiều trên cuộn dây anten trong tag (Icoil): -10 ữ 10 (mA) - Nhiệt độ hoạt động (Top): - 40 ± 85 (oC) Sơ đồ: Hình 3.8 Sơ đồ chip EM4102. Các khối chức năng: Hình 3.9 Sơ đồ khối của IC EM4102. IC EM4102 được cung cấp năng lượng bởi trường điện từ cảm ứng trên cuộn dây anten. Điện áp xoay chiều cảm ứng được chỉnh lưu để tạo nguồn 1 chiều cung cấp cho các thiết bị bên trong tag hoạt động. Khi bit cuối cùng được truyền đi thì tag lại gửi tiếp tục bit đầu tiên cho đến khi hết năng lượng. - Khối chỉnh lưu (Full Wave Rectifier): điện áp xoay chiều cảm ứng trên anten được chỉnh lưu bởi mạch cầu Graetz. Mạch cầu sẽ giới hạn điện áp một chiều được chỉnh lưu để tránh sự cố khi điện áp quá cao. - Khối tạo xung clock (Clock Extractor): đầu COIL1 được dùng để tạo xung clock logic để đưa vào khối Sequencer. - Khối sắp xếp dãy (Sequencer): cung cấp tất cả các tín hiệu cần thiết để định địa chỉ trong mảng bộ nhớ và để mã hóa chuỗi dữ liệu đầu ra. Có thể sử dụng 3 phiên bản mã hóa logic: Manchester, Biphase (tốc độ truyền là 32/64 chu kỳ của tần số hoạt động) và PSK (tốc độ truyền là 16 chu kỳ của tần số hoạt động). - Khối điều chế dữ liệu (Data Modulator): được điều khiển bởi tín hiệu Modulation Control để cảm ứng dòng điện cao trên cuộn dây anten. Transitor ở đầu COIL2 điều khiển dòng điện cao này gây ảnh hưởng đến từ trường tùy theo dữ liệu được lưu trong mảng bộ nhớ. - Bộ nhớ (Memory Array): EM4102 bao gồm 64 bits chia làm 5 nhóm thông tin. 9 bits được sử dùng làm header luôn được lập trình ở mức 1, 10 bits (P0-P9) làm bit parity hàng, 4 bits (PC0-PC3) làm bit parity cột, 40 bits dữ liệu (D00-D93) và 1 stop bit luôn để ở mức logic 0. Vì cấu trúc dữ liệu và bit parity như vậy nên sự sắp xếp cỏc dóy như thế này không thể lập trình lại. Các bit từ D00 đến D03 và từ D10 đến D13 là đặc điểm nhận dạng của khách hàng (Customer Identification). 64 bits này được xuất ra liên tiếp để điều khiển bộ điều chế. Khi chuỗi 64 bits được xuất ra thì thứ tự lại lặp lại cho đến khi hết năng lượng. Hình 3.10 Phân chia 64 bits trong bộ nhớ của EM4102. Khối mã hóa dữ liệu (Data Encoder): lựa chọn phương thức mã hóa Manchester. Đây là phương thức luụn cú một sự chuyển đổi từ ON sang OFF hoặc từ OFF sang ON ở giữa chu kỳ bit tại thời điểm chuyển đổi từ bit logic 1 sang bit logic 0 hoặc từ bit logic 0 sang bit logic 1. Giá trị ở mức cao của chuỗi dữ liệu thể hiện trạng thái OFF, mức thấp của dữ liệu thể hiện trạng thái ON. Hình 3.11 Mã hóa dữ liệu dạng mã Manchester. 3.1.5 IC RFID Để phù hợp với lựa chọn Tag RFID ở trên và thỏa mãn yêu cầu của ứng dụng truy nhập, ta cũng chọn IC RFID phía bên đầu đọc cựng hóng Emmicroelectronic là EM4095. Đây là IC nằm trong khối HF trong cấu trúc xây dựng đầu đọc hoạt động ở tần số 125 kHz có giá thành tương đối rẻ (7 USD/chiếc) thường được ứng dụng trong nhiều đầu đọc ở tần số này. Mô tả chung EM4095 là một chip CMOS dùng trong khối HF của đầu đọc RFID cú cỏc chức năng: Điều khiển anten với tần số sóng mang Điều chế AM (biên độ) tín hiệu để ghi vào thẻ Giải điều chế AM các tín hiệu nhận về từ thẻ Kết nối với một vi điều khiển làm nhiệm vụ điều khiển truy xuất dữ liệu thông qua giao diện đơn giản Đặc điểm: Hệ thống tích hợp vũng khúa pha (Phase Locked Loop – PLL) để tự nhận tần số sóng mang thích hợp với tần số cộng hưởng của anten - Không cần khối quartz tạo xung bên ngoài - Dải tần số hoạt động: 100 ữ 150 kHz - Điều khiển anten trực tiếp sử dụng các cầu điều khiển - Truyền dữ liệu bằng phương thức OOK (Điều chế biên độ 100% ) - Phù hợp với nhiều dạng Tag RFID (EM400x, EM4102, EM 4050, EM4150, …). - Chế độ sleep tiêu tốn 1μA - Nguồn cung cấp có thể dùng giao diện USB Ứng dụng: giám sát xe cộ, các đầu đọc cầm tay, các đầu đọc giá thành rẻ. Cấu hình hoạt động: Sơ đồ bố trí cỏc chõn: Hình 3.12 Sơ đồ bố trí cỏc chõn của EM4095. EM4095 gồm 16 chân được dùng với một anten gắn ngoài và một vi điều khiển. Hoạt động của IC này được điều khiển bởi đầu vào logic SHD và MOD. Khi chân SHD ở mức cao thì EM4095 ở trạng thái sleep, công suất tiêu thụ được tối thiểu hóa. Trước khi hoạt động thỡ chõn SHD luôn ở mức cao để có quá trình khởi tạo đúng. Khi chân SHD ở mức thấp thì mạch điện có thể phát ra trường sóng vô tuyến, giải điều chế bất kỳ một tín hiệu điều chế biên độ (AM) nào mà nó phát hiện trên anten. Tín hiệu số từ khối giải điều chế AM được đưa vào chân DEMOD_OUT để chuyển sang vi điều khiển thực hiện giải mã và xử lý. Khi chân MOD ở mức cao, bắt buộc các khối điều khiển chính của anten phải ở 3 trạng thái đồng bộ với sóng mang vô tuyến. Khi chân MOD ở mức cao thì khối tạo dao động điện áp điều khiển (Voltage Controlled Oscillator – VCO) và giải điều chế AM được giữ ở trạng thái trước khi chân MOD ở mức cao. Điều này đảm bảo cho việc khôi phục nhanh sau khi chân MOD được giải phóng. Việc chuyển lên trạng thái hoạt động của khối VCO và khối giải điều chế AM bị trễ khoảng 41 chu kỳ clock sau khi chuyển mức ở chân MOD. Theo cách này khối VCO và giải điều chế AM hoạt động tại các thời điểm không bị xáo trộn bởi việc bắt đầu quá trình cộng hưởng của anten. Khối tương tự (Analog Block): có 2 chức năng là truyền và nhận tín hiệu. Quá trình truyền bao gồm việc điều khiển anten và khối điều chế AM trong trường sóng vô tuyến. Khối điều khiển anten phát ra một dòng điện vào anten bên ngoài để sinh ra từ trường. Quá trình nhận bao gồm khối giải điều chế AM các tín hiệu nhận được từ anten thông qua cảm ứng với Tag. Quá trình truyền: quá trình này được thực hiện bởi vũng khúa pha PLL và các khối điều khiển anten. Vũng khóa pha (Phase Locked Loop): được hình thành bởi vòng lọc, bộ tạo điện áp điều khiển VCO và các khối so sánh pha. Bằng cách sử dụng một bộ chia dung kháng ngoài, chân DEMOD_IN lấy thông tin về tín hiệu áp cao thực tế trên anten. Pha của tín hiệu này được so sánh với tín hiệu từ bộ điều khiển anten. Vì thế vũng khúa pha có thể giữ tần số sóng mang bằng với tần số cộng hưởng của anten. Phụ thuộc vào cách thiết kế anten mà tần số cộng hưởng của hệ thống là một giá trị nằm trong khoảng từ 100 đến 150 kHz. Trong mọi trường hợp khi tần số cộng hưởng nằm trong dải tần số này nó sẽ được duy trì bởi vũng khúa pha. Quá trình nhận: Tín hiệu giải điều chế vào khối nhận là điện áp lấy từ anten. Chân DEMOD_IN được coi như là đầu vào của quá trình nhận tín hiệu. Mức tín hiệu trờn chõn đầu vào DEMOD_IN phải thấp hơn VDD -0,5 V và cao hơn VSS + 0,5 V. Mức điện áp đầu vào được điều chỉnh bởi bộ chia dung kháng bên ngoài. Bộ chia dung kháng được bù bởi tụ cộng hưởng phù hợp nhỏ hơn. Phương thức giải điều chế biên độ dựa trên kỹ thuật giải điều chế đồng bộ biên độ. Trong quá trình nhận bao gồm các khối trích và giữ mẫu, xóa offset một chiều, lọc giải thông và bộ so sánh. Điện áp 1 chiều của tín hiệu trờn chõn DEMOD_IN được đặt ở mức AGND bởi điện trở trong. Tín hiệu điều chế biên độ được lấy mẫu, việc lấy mẫu được đồng bộ hóa bởi xung clock từ VCO. Mọi thành phần một chiều bị lọc ra khỏi tín hiệu này bởi tụ CDEC. Các bộ lọc thông cao bậc hai và tụ CDC2 để loại tín hiệu sóng mang còn lại, các nhiều tần số cao và thấp. Tín hiệu nhận được sau khi được khuếch đại và lọc được vào bộ so sánh không đồng bộ. Tín hiệu ra của bộ so sánh là tín hiệu trờn chõn đầu ra DEMOD_OUT. Tín hiệu RDY/CLK: tín hiệu này cung cấp cho vi xử lý bên ngoài với tín hiệu clock đồng bộ với tín hiệu trờn chõn ANT1 và với thông tin về trạng thái bên trong EM4095. Xung clock đồng bộ với tín hiệu trờn chõn ANT1 cho thấy vũng khúa pha đó đúng và điểm hoạt động của quá trình nhận được đặt. Khi chân SHD ở mức cao thì tín hiệu RDY/CLK bị buộc ở mức thấp. Sau sự chuyển đổi từ cao sang thấp trờn chõn SHD thỡ vũng khúa pha PLL bắt đầu và quá trình nhận được khởi động. Sau thời gian TSET vũng khóa pha đóng lại và điểm hoạt động của quá trình nhận được hình thành. Tại thời điểm này tín hiệu được chuyển tới chân ANT1 cũng được đưa vào chân RDY/CLK để chuyển sang vi xử lý nhờ đó vi xử lý bắt đầu quan sát tín hiệu trờn chõn DEMOD_OUT và đồng thời đưa ra xung clock tham chiếu. Xung clock trờn chõn RDY/CLK là liên tục, nó cũng xuất hiện trong thời gian các khối ANT nghỉ vỡ chõn MOD ở mức cao. Trong thời gian TSET chân SHD chuyển từ cao xuống thấp thỡ chõn RDY/CLK cũng bị kéo xuống bởi điện trở kéo 100 kΩ. Lí do là bởi chức năng phụ của chân RDY/CLK trong trường hợp điều chế AM với chỉ số nhỏ hơn 100%. Trong trường hợp đú nú thường dùng như khối điều khiển phụ trợ duy trì biên độ thấp trên cuộn cảm trong quá trình điều chế. Chế độ Read-Only: Hình 3.13 Cấu hình EM4095 dùng trong chế độ Read Only. Chế độ Read-Write: Hình 3.14 Cấu hình EM4095 dùng trong chế độ Read Write. Các thông số kỹ thuật: - Nhiệt độ hoạt động: -40o ữ 100oC - Nguồn cung cấp (VDD) : 4,1 (VSS = -0,3V) ữ 5,5 (V) (VSS = 6V) - Tần số cộng hưởng của anten (FRES): 125 kHz - Biên độ đỉnh của dòng xoay chiều tại các đầu ANT1 và ANT2 (IANT): 250mA - CFCAP = 10 nF - CDEC = 100 nF - CDC2 = 6,8 nF - CAGND = 100 ữ 220 nF - Thời gian set-up sau 1 chu kỳ sleep: 35 ms - Trong điều chế AM, thời gian trễ từ đầu vào đến đầu ra: 40 μs Sơ đồ khối: Hình 3.15 Sơ đồ khối của EM4095. Chế độ hoạt động Read Only: Hình 3.16 Chế độ hoạt động Read Only. Chân MOD không được sử dụng. Trong trường hợp này nó sẽ được nối với đất. Chế độ hoạt động Read Write: Hình 3.17 Chế độ hoạt động Read Write. Ở chế độ hoạt động Read Write đầu đọc kết nối với thẻ qua giao thức OOK 3.2 Thiết kế anten cho hệ thống 3.2.1 Nghiên cứu nguồn năng lượng trường điện từ nuôi thẻ RFID Hệ thống RFID hoạt động ở tần số 125 KHz cú nghuyờn lý hoạt động dựa trên nguyên tắc ghép nối cảm ứng giữa anten và đầu đọc và anten thẻ. Vì vậy để hiểu được cơ chế truyền năng lượng và dữ liệu giữa đầu đọc và thẻ qua ghép nối càm ứng các anten cần hiểu nguyên tắc vật của từ trường tao ra bởi anten. 3.2.1.1 Từ trường do anten tạo ra Cường độ từ trường H: Về cơ bản khi có một dòng điện chuyển động trong một dây dẫn thỡ nú sẽ sinh ra một từ trường H xung quanh dây dẫn theo chiều nhất định và tuân theo quy luật (3.1) Hình 0.18 Từ trường H sinh ra bởi dòng điện I Dọc theo một đường sức từ cách dây dẫn 1 khoảng cách r thì cường độ từ trường được tính theo công thức: (3.2) Nếu thay dây dẫn bằng một cuộn dây (hình tròn) nhiều vòng của đầu đọc thì từ trường sinh ra do dòng điện qua cuộn dây sẽ là một từ trường dao động trong không gian giữa hai thiết bị đầu đọc và thẻ của hệ thống RFID. Hình 0.19 Từ trường H sinh ra bởi cuộn dây Dọc theo trục x từ trường H càng giảm nếu càng ra xa tâm của cuộn dây. Cường độ từ trường H của cuộn cảm phía đầu đọc (bờn phỏt) trong hệ ghép nối cảm ứng RFID được tính theo công thức sau: (3.3) Trong đó: I- dòng điện đi qua cuộn dây anten N - số vòng dây R: bán kính vòng dây x: khoảng cách từ đường sức từ tới tâm cuộn dây Từ thông Φ và cảm ứng từ B: Tổng các đường sức từ đi qua một vòng dây sẽ tạo nên một từ thông Φ. Từ thông Φ được tính qua cảm ứng từ B trong một tiết diện S theo công thức: (3.4) Trong đó cảm ứng từ B được tính qua cường độ từ trường H: (3.5) Với μ là độ từ thẩm. Độ tự cảm L: Cuộn dây có N vòng dây sẽ tạo ra từ thông tổng ψ và độ tự cảm L của cuộn dây sẽ được tính theo tỉ số giữa từ thông tổng và dòng điện sinh ra nó: (3.6) Nếu bán kính của dây dẫn ro rất nhỏ so với bán kính của cuộn dây R (r/R < 0.0001) thì độ tự cảm L của cuộn dây sẽ được tính xấp xỉ theo công thức: (3.7) Với μo là độ từ thẩm của không khí; . Hiện tượng hỗ cảm: Khi cú thờm cuộn dây anten của thẻ RFID nằm trong phạm vi từ trường do cuộn dây anten của đầu đọc phát ra thì sẽ có hiện tượng hỗ cảm từ cuộn dây phỏt (bờn đầu đọc) sang cuộn dây thu (bên thẻ). Trên diện tích mỗi vòng dây của cuộn dây thu sẽ có một phần đường sức từ của cuộn dây phát kia đi qua. Từ thông do cuộn dây phát (cuộn dây 1 cú dũng I1) gửi qua cuộn dây thu (cuộn dây 2) là Φ12 = M12.I1 (3.8) Trong đó M12 hệ số hỗ cảm của mạch 1 và 2. Hình 0.20 Mạch điện mô tả hiện tượng cảm ứng từ Hệ số hỗ cảm giữa hai cuộn dây: (3.9) Từ thông hỗ cảm sẽ sinh ra dòng điện I2 trên cuộn dây phía thu. Cuộn dây phía thu có độ tự cảm L2, trở kháng cuộn dây R2, tổn hao dòng điện của phần vi xử lý phía sau anten của thẻ được đặc trưng bởi điện trở RL. Nhờ có hiện tượng hỗ cảm này trên hai đầu cuộn dây L2 sẽ có một điện áp cảm ứng u2: (3.10) Hiện tượng cộng hưởng: Điện áp cảm ứng u2 trên cuộn dây anten phía thẻ sẽ cung cấp năng lượng nuôi vi xử lý của thẻ thụ động. Để tăng cương hiệu suất hoạt động ở trên mạch của thẻ, tụ C2 sẽ được mắc song song với cuộn cảm L2 để tạo ra mạch cộng hưởng song song với tần số cộng hưởng tương ứng với tần số hoạt động của hệ thống RFID. Tần số cộng hưởng của mạch cộng hưởng song song L2 – C2 được tính theo công thức Thompson: (3.11) Trong thực tế thì tụ C2 được ghép song song bởi tụ C2’ (20 ữ 200 pF) và tụ Cp . Hình 0.21 Mạch điện tương đương của thẻ RFID 3.2.1.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến năng lượng nuôi thẻ RFID A. Điện áp cảm ứng trên thẻ Trong thẻ bị động, thành phần sóng mang chứa dữ liệu phải nhận được năng lượng từ điện áp u2. Để đạt được điều này, điện áp u2 được chỉnh lưu bởi mạch cầu và sau đó được san phẳng bởi các tụ. Điện áp cảm ứng u2 đạt đến giá trị cao rất nhanh do bước nhảy cộng hưởng trong mạch cộng hưởng. Nếu ta tăng hệ số hỗ cảm k (0 < k <1) thì điện áp u2 có thể đạt đến mức lớn hơn 100V mà sóng mang chỉ cần cấp điện áp từ 3 ữ 5V (sau khi đã chỉnh lưu). Vì vậy để điện áp u2 không bị ảnh hưởng bởi hệ số hỗ cảm k và giữ nó không đổi trong thực tế thì một điện trở shunt Rs được mắc song song với tải RL. B. vị trí của hai anten Một yếu tố nữa ảnh hưởng đến năng lượng nuôi thẻ RFID hay ảnh hưởng đến điện áp cảm ứng trên thẻ đó là vị trí của hai anten với nhau. Gọi x là trục vuông góc với mặt phẳng cuộn dây anten phía đầu đọc và góc là góc tạo bởi mặt phẳng cuộn dây anten của thẻ và mặt phẳng cuộn dây anten của đầu đọc. Hình chiếu của điện áp cảm ứng u2 lên trục x là: (3.12) Hình 0.22 Vị trí của anten đầu đọc và anten thẻ tạo nên góc Khi đó nếu = 90o hay cuộn dây anten của thẻ nằm vuông góc với cuộn dây anten của đầu đọc thì sẽ không có điện áp cảm ứng trên thẻ. Như vậy nếu các đường sức từ chạy song song với mặt phẳng cuộn dây anten của đầu đọc thì năng lượng cảm ứng lên thẻ là lớn nhất hay phạm vi đọc của hệ thống RFID là lớn nhất. Hình 0.23 Vùng từ trường của anten đầu đọc với các vị trí khác nhau của anten thẻ C. Công suất phát của anten đầu đọc Công suất của anten phỏt phớa đầu đọc cũng ảnh hưởng trực tiếp đến năng lượng cung cấp cho thẻ. Công suất của anten phát phụ thuộc chủ yếu vào hệ số chất lượng Q (Qualify Factor). Hệ số chất lượng Q là phép đo bước nhảy cộng hưởng điện áp và dòng điện trong mạch cộng hưởng tại tần số cộng hưởng. Trong mạch tương đương của anten phía đầu đọc thì hệ số chất lượng của anten được tính toán đơn giản qua công thức: (3.13) Hình 0.24 Mạch tương đương đơn giản hóa của anten phía đầu đọc Trong thực tế, để đạt được hệ số Q mong muốn thì người ta mắc thêm điện trở ngoài Rint song song với anten. Khi đó hệ số Q được tính theo công thức: (3.14) Trong đó: ω: là tần số góc của mạch cộng hưởng () L2: điện cảm của cuộn dây anten phía đầu đọc R2: điện trở nối tiếp của cuộn dây anten phía đầu đọc Công suất phát của anten khi có dòng điện I đi qua: (3.15) Vậy để có dòng điện qua anten đầu đọc lớn nhất cần tính toán hệ số chất lượng Q và lựa chọn các thiết kế anten cho phù hợp. 3.2.1.3 Khảo sát cường độ từ trường của anten cường độ từ trường của anten được tính theo công thức (3.3): Trước khi khảo sát ta cần tỡm cỏc thông số có thể tính toán được trước: Tính dòng điện I qua anten: Hình 0.25 Sơ đồ thay thế của anten phía đầu đọc Trong đó: L2 – cuộn dây anten C2 – tụ cộng hưởng – điện trở nối tiếp anten Ta có: (3.16) Với tần số hoạt động là f = 125 kHz , chọn tụ C2 là 2.24 nF → Chọn hệ số chất lượng Q = 40 thì điện trở của anten có thể tính theo công thức: Từ datasheet của IC EM4095 ta có dòng điện giới hạn là IANTmax = 300 mA, điện áp đỉnh trên anten là VANT(Vpp) = 191 V, để đảm bảo hiệu điện thế trên anten không vượt quá giới hạn đặt ra, chắc chắn cần dùng một điện trở nối tiếp RSER để tránh sự quỏ ỏp trờn IC. Chọn để tính toán. Với điện trở của khối điều khiển anten trong chip EM4095 là thì dòng điện qua anten được tính theo công thức: Trong thực tế ta có thể điều chỉnh dòng điện qua anten bằng việc điều chỉnh biến trở RSER. Tính N: Từ công thức (3.7), với điện cảm L = 725 μH thì số vòng dây của anten được tính thông qua bán kính R của vòng dây anten và bán kính r của dây đồng như sau: (3.17) → Thay (4.18) vào (4.3) ta có cường độ từ trường của anten: (3.18) Do bán kính của dây đồng rất nhỏ (thường từ 0.1 ữ 1 mm) so với bán kính của vòng dây anten và khoảng cách từ thẻ đến anten đầu đọc (thường từ 1 ữ 10 cm) nên có thể coi bán kính r của dây đồng là đại lượng không đổi. Chọn r = 0,1 mm, ta có: (3.19) Như vậy cường độ từ trường của anten phụ thuộc vào 2 yếu tố: R : bán kính của vòng dây anten x : khoảng cách từ thẻ đến anten đầu đọc Khảo sát cường độ từ trường H dựa trên 2 thông số R và x ta có đồ thị không gian 3-D sau : Hình 0.26 Khảo sát sự phụ thuộc của cường độ từ trường H vào các yếu tố R và x Từ đồ thị ta thấy trong phạm vi xung quanh không gian R từ 10 mm đến 30 mm và khoảng cách x từ 0 đến 30 mm ta luụn cú cường độ từ trường mạnh nhất. Ngoài phạm vi này cường độ từ trường rất nhỏ, càng ra xa trục R và trục x thì cường độ từ trường càng gần 0. Khảo sát cường độ từ trường H phụ thuộc vào bán kính anten R: Nếu ta chọn trước khoảng cách từ thẻ đến anten đầu đọc, sự phụ thuộc của cường độ từ trường vào bán kính vòng dây anten được biểu diễn qua đồ thị hình 3-10. So sánh cường độ từ trường ứng với 5 giá trị khoảng cách x = 10 mm, x = 20 mm, x = 30 mm, x = 40 mm, x = 50 mm ta thấy khoảng cách x càng nhỏ thì cường độ từ trường càng lớn (tức là thẻ càng gần anten của đầu đọc thì càng dễ nhận dạng). Trong đó, với bán kính anten R < 30 mm thì cường độ từ trường là lớn nhất ứng với từng khoảng cách đọc x. Hình 0.27 Sự phụ thuộc của cường độ từ trường vào bán kính vòng dây anten của đầu đọc Khảo sát cường độ từ trường H phụ thuộc vào khoảng cách x : Tương tự, nếu ta chọn trước bán kính của anten thì ta có thể khảo sát sự phụ thuộc của cường độ từ trường H vào khoảng cách từ thẻ đến anten. Nhận thấy phạm vi đọc thẻ phổ biến trong ứng dụng quản lý nhân sự là trong khoảng từ 2 - 5 cm nên ta sẽ dựa trên phạm vi này để đánh giá các đường đặc tính cường độ từ trường phụ thuộc vào khoảng cách x. Trên đồ thị hình 3-11, ta vẽ 5 đường cong ứng với 5 giá trị của bán kính anten là 10mm, 20mm, 25 mm, 35 mm và 50 mm. Hình 0.28 Sự phụ thuộc của cường độ từ trường vào khoảng cách từ thẻ đến anten đầu đọc Từ đồ thị trên ta thấy bán kính anten tăng dần từ 10 đến 25 mm thì cường độ từ trường tăng, tăng tiếp từ 25 mm đến 50 mm thì cường độ từ trường giảm. Vậy nếu lấy trung bình trong khoảng cách từ 2 đến 5 cm thì bán kính anten là 2,5 cm có cường độ từ trường xấp xỉ là lớn nhất. Kết luận: Để đạt được cường độ từ trường lớn nhất ta nên chọn bán kính anten của đầu đọc R < 30 mm. Hệ thống RFID sử dụng chip EM4095 hoạt động ở dải tần thấp 125KHz. Trong dải tần hoạt động này, anten cho hệ đọc RFID có thể là loại anten trên mạch in hay anten ngoài sử dụng vòng dây đồng cuốn nhiều vòng. Để tăng tính linh động trong thiết kế, ta sẽ lựa chọn kiểu thiết kế anten ngoài sử dụng vòng dây cuốn. Mạch dưới đây là sơ đồ tổng quát mạch cộng hưởng. Hình 3.29 Mạch dao động LC. Mạch trờn cú sử dụng một điện trở RL có nhiệm vụ chính là hạn dòng đi qua vòng dây anten và phối hợp trở kháng. Cuộn dây LR cũng chính là anten. Việc thiết kế anten khá đơn giản, ta chỉ việc cuốn tròn liên tiếp nhiều vòng dây đồng lại với nhau. Khi thiết kế cần đảm bảo các thông số sau: Loại dây sử dụng: dây đồng có đường kính dưới 0.2 mm Đường kính cuụn dõy anten: >= 2.7mm Giá trị điện cảm cuộn dây: 350 μH ~ 800 μH Điện trở nối tiếp với cuộn dây: 22Ω ~ 50Ω Điện áp lớn nhất đặt lên anten: VANT(Vpp) = 191 V Tính toán giá trị điện cảm cho cuộn dây: Với anten của hệ, để đơn giản cho việc thiết kế ngoài việc tuân theo các thông số thiết kế đã đưa ra ở trên, vì sử dụng anten cuốn dây bên ngoài nên số vòng dây quấn cũng phải phù hợp với giá trị L, R của anten. Sau đây là hướng dẫn thiết kế cho anten. Dây đồng: Loại dây cách điện có đường kính dưới φ0.2 mm Lõi cuốn dõy: Lừi trũn có đường kính 2.7 mm hoắc lõi hình chữ nhật với kích thước tương đương. Đường kính lõi có thể lớn hơn, cần có kiểm nghiệm thực tế về khả năng đọc thẻ của hệ thống. Chất liệu lõi cuộn dây: Lõi không khí Số vòng dây: Tùy vào yêu cầu về khoảng cách đọc thẻ mà cuốn số vòng dây phù hợp. Thông thường cuốn với số vòng dao động từ 100 ~ 400 vòng dây. Số vòng dây càng nhiều thì càng tăng khả năng đọc được thẻ RFID ở khoảng cách xa. 3.3 Kết luận Chương 3 trình bày về cách tính toán cũng như kỹ thuật xây dựng một hệ thống RFID cơ bản dựa trên nền tảng công nghệ của cỏc hóng sản xuất Emmicroelectronic-Marin SA của Thụy Sĩ. Em đã đưa ra được sản phẩm hoàn chỉnh của công nghệ ở dải tần số LF. Qua đây, em đã học tập được rất nhiều kinh nghiệm trong kỹ thuật sử lý số và tính toán chế tạo anten ở dải tần thấp. Đây cũng sẽ là bước đầu của quá trình nghiên cứu công nghệ RFID để đưa nó vào áp dụng thực tiễn tại Việt Nam sau này của em . CHƯƠNG 4 TỔNG KẾT Kết quả thu được - Thiết kế chế tạo thử nghiệm thành công hệ thống đầu đọc thẻ ứng. Lựa chọn giải pháp công nghệ thích hợp . Tính toán hiệu quả phạm vi của đầu đọc trên hệ thống. - Tần số hoạt động của đầu đọc RFID: 125 KHz - Giới hạn sử dụng thẻ RFID: thẻ thụ động, Read-Only, 64 bits - Phương thức điều chế: ASK - Phạm vi đọc thẻ: < 10 cm - Thiết kế anten cho đầu đọc, nghiên cứu trường điện từ cung cấp năng lượng cho anten đầu đọc. - Xác định các yếu tố ảnh hưởng đến trong toàn bộ hệ thống thông tin. - Lắp đặt thử nghiệm hệ thống. 4.2 Hướng phát triển Sau khi chế tạo thành công công nghệ RFID ở dải tần LF, em đã đưa ra hướng phát triển của hệ thống gồm có : - Nghiờn cứu và chinh phục công nghệ của hãng TI ( Mỹ ) với dải tần HF, phạm vi của bộ reader là 5m xa hơn rất nhiều so với công nghệ Emmicroelectronic-Marin SA của Thụy Sĩ. - Xây dựng và phát triển hệ thống trên nền IP : kết nối hệ thống cơ sở dữ liệu với internet từ đó có thể quản lý và quan sát từ xa. Đồng thời thông báo các thông số hay đưa ra các lệnh xử lý thích hợp khi cú cỏc điểm bất thường xảy ra. Đây sẽ là một máy chủ và tập hợp các hệ thống thông minh ở các vị trí khác nhau, máy chủ sẽ hiển thị và điều khiển hoạt động từ xa. 4.3 Kết luận chung Đồ án với 4 chương, trong đó có ba chương chính và một chương kết luận. Hai chương đầu là tổng quan về mặt công nghệ và kỹ thuật RFID, chương sau trình bày công nghệ xây dựng một hệ thống RFID ở dải tần LF. Có được kết quả nghiên cứu thành công như trên, ngoài sự nỗ lực của bản thõn em cũn cú sự giúp đỡ của cô giáo TS. Nguyễn Thúy Anh và thầy giáo TS. Nguyễn Hữu Trung. Một lần nữa em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến thầy và cụ đó tận tình hướng dẫn và giúp đỡ em trong suốt thời gian nghiên cứu. Em xin chân thành cảm ơn ! TÀI LIỆU THAM KHẢO Klaus Finkenzeller, RFID Handbook: Fundamentals and Applications in Contactless Smart Cards and Identification, Second Edition. New York: Wiley, 2003. Tan Phu Vuong, Identification et Tracabilitộ par Radio Frộquence, Maitre de confộrences de l’INPG. AppNote 403: Frequently Asked Questions about EM4095, EM Microelectronic, 2002. AppNote 404: EM4095 Application Note, EM Microelectronic, 2002. AppNote 411: RFID Made Easy, EM Microelectronic, 2002. Datasheet: EM4095 – Read/Write analog front end for 125 kHz RFID basestation, EM Microelectronic, 2008. Datasheet: EM4102 – Read Only Contactless Identification Device, EM Microelectronic, 2002. Datasheet: PIC 16F87XA, Microchip, 2007. Các trang web trên mạng: BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO CỘNG HÒA XÃ HÔI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI -------------------------------------------------- Độc lập - Tự do - Hạnh phúc --------------------------------- NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Họ và tên sinh viên: Đỗ Quang Minh Số hiệu sinh viên: 20041979 Khoá: K49 Khoa: Điện tử - Viễn thông. Ngành: Viễn Thông Đầu đề đồ án: Thiết kế hệ thống RFID trong dải tần LF Các số liệu và dữ liệu ban đầu:…………………………..……..…………………………………………. ……………………………………………………………………………………………………………………………….…..………………………..…………………………………………………………………………………………………… Nội dung các phần thuyết minh và tính toán: Phần thuyết minh bao gồm 3 phần Phần 1 : Kỹ thuật RFID………………………………………………………………….. Phần 2 : Các chuẩn RFID ứng dụng trong các dải tần ………………………………….. Phần 3 : Xây dựng hệ thống RFID ………….…………………………………………... Các bản vẽ, đồ thị ( ghi rõ các loại và kích thước bản vẽ ): ………………………………………………………………………………………………………………………..….…………………………………………………………………………………………………………………………..……….……………………………………………………………………………………………………………….………………… Họ tên giảng viên hướng dẫn: TS Nguyễn Thúy Anh …...…………………..…………………… Ngày giao nhiệm vụ đồ án: …………………………………………………………….. Ngày hoàn thành đồ án: ……...…………………………………………….……………..………………….. Ngày tháng năm Chủ nhiệm Bộ môn Giảng viên hướng dẫn Sinh viên đã hoàn thành và nộp đồ án tốt nghiệp ngày … tháng … năm … Cán bộ phản biện BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI --------------------------------------------------- BẢN NHẬN XÉT ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Họ và tên sinh viên: Đỗ Quang Minh Số hiệu sinh viên: 20041979 Ngành: Viễn thông . Khoá: K49 Giảng viên hướng dẫn: TS Nguyễn Thúy Anh ............................................................................................... Cán bộ phản biện: ........................................................................................................................................................... Nội dung thiết kế tốt nghiệp: ............................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................ Nhận xét của cán bộ phản biện: ........................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................ Ngày ... tháng .... năm ... Cán bộ phản biện ( Ký, ghi rõ họ và tên )