Chương 1 - CÔNG NGHỆ RFID VÀ CHUẨN ISO 14443 1. Công nghệ RFID 1. Giới thiệu RFID (Radio Frequency IDentification) là phương pháp định danh tự động dựa trên việc lưu trữ và duy trì dữ liệu trên các thiết bị gọi là thẻ RFID. RFID sử dụng sóng vô tuyến tần số ngắn để truyền thông tin số giữa thiết bị đầu đọc (RFID Reader) và thẻ RFID (RFID Tag).
RFID là kỹ thuật kết hợp nhiều lĩnh vực, công nghệ khác nhau như: hệ thống, phát triển phần mềm, lý thuyết mạch, lý thuyết ăng ten, truyền sóng radio, kỹ thuật vi sóng, thiết kế bộ thu, thiết kế mạch tích hợp, mã hoá, công nghệ vật liệu, thiết kế máy và các lĩnh vực liên quan khác. Hệ thống RFID thường được mô tả là một bộ thiết bị, một phía là thiết bị đơn giản, phía còn lại là thiết bị phức tạp hơn. Thiết bị đơn giản (gọi là thẻ hoặc bộ tiếp sóng) thường nhỏ gọn và rẻ, được sản xuất với số lượng lớn và đính vào các đối tượng cần quản lý, định danh tự động. Thiết bị phức tạp (gọi là đầu đọc) có nhiều tính năng hơn và thường kết nối với máy tính hoặc mạng máy tính.
Tần số vô tuyến sử dụng trong công nghệ RFID từ 100 kHz đến 10 GHz. và đặc biệt là hộ chiếu điện tử. Tiếp theo tác giả sẽ giới thiệu từng thành phần trong một hệ thống RFID và làm rõ nguyên lý hoạt động của công nghệ RFID. Trong phạm vi ứng dụng cho hộ chiếu điện tử, tác giả chỉ tập trung làm rõ công nghệ RFID với thẻ thụ động.
TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail. Đặc tả RFID 1. Đầu đọc RFID Đầu đọc RFID là thiết bị dùng để thẩm vấn thẻ có 1 ăng ten phát sóng vô tuyến. Khi thẻ vào vùng phủ sóng của đầu đọc, nó sẽ thu năng lượng từ sóng vô tuyến này và kích hoạt thẻ, sau đó thẻ sẽ phản hồi các tín hiệu này lại cho đầu đọc kèm theo dữ liệu của nó.
Cơ bản, đầu đọc bao gồm 3 chức năng chính: - Liên lạc hai chiều với thẻ. - Tiền xử lý thông tin nhận được. - Kết nối đến hệ thống máy tính quản lý thông tin. Một số thông số quan trọng của đầu đọc: - Tần số: LF, HF, UHF, một số hãng sản xuất phát triển đầu đọc đa năng có thể làm việc trên các tần số khác nhau.
- Giao thức: theo chuẩn ISO, EPC, sản phẩm của một số hãng sản xuất hỗ trợ nhiều giao thức khác nhau. - Khả năng hỗ trợ mạng: TCP/IP, Wireless LAN, Ethernet LAN, RS485 1. Ăng ten Trong hệ thống RFID, thiết kế ăng ten yêu cầu sự khéo léo, tinh tế. Với các ứng dụng làm việc trong khoảng gần (tần số LF, HF) như điều khiển truy cập, ăng ten được tích hợp trong đầu đọc nhưng với các ứng dụng làm việc tầm xa, ăng ten thường nằm độc lập và kết nối với đầu đọc bằng cáp đồng có trở kháng được bảo vệ.
Ăng ten tần số LF, HF có nguyên lý hoạt động và thiết kế khác nhiều so với UHF. Thẻ RFID Thẻ RFID thường bao gồm một bộ vi xử lý để tính toán, một bộ nhớ trong để lưu trữ và ăng ten dùng cho truyền thông. Bộ nhớ của thẻ có thể là chỉ đọc, ghi một lần- đọc nhiều lần hoặc có khả năng đọc ghi hoàn toàn. Hình 2 Mô tả mạch tích hợp phi tiếp xúc [4] TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com 11 Các thành phần cơ bản của thẻ RFID: - Ăng ten.
- Chất liệu bao bọc chip. - Nguồn nuôi (chỉ có với thẻ chủ động và bán thụ động) Thẻ RFID được chia ra làm 3 loại: Thẻ chủ động: Thẻ có nguồn năng lượng. Lợi điểm của loại này là khả năng liên lạc tầm xa do nó có thể nhận biết tín hiệu rất yếu đến từ đầu đọc. Hạn chế của loại này là giới hạn về thời gian sử dụng (khoảng 5 năm).
Hơn thế nữa, các thẻ này có giá thành cao, kích thước lớn và cần chi phí bảo trì như thay pin. Thẻ thụ động: Thẻ RFID thụ động không có nguồn năng lượng, năng lượng cung cấp bởi đầu đọc thông qua ăng ten. Nhược điểm chính của loại thẻ này là làm việc trong khoảng cách gần (khoảng vài feet). Tuy nhiên, lợi điểm của nó là không cần nguồn nuôi, thời gian sử dụng lên đến 20 năm, giá thành rẻ và kích thước nhỏ.
Thẻ bán thụ động: Giống như thẻ thụ động, thẻ bán thụ động phản hồi (không phải truyền) năng lượng sóng vô tuyến ngược lại đầu đọc. Tuy nhiên, chúng cũng có nguồn nuôi các mạch tích hợp trong thẻ. Loại này kết hợp ưu điểm và hạn chế nhược điểm của hai loại trên. Ngoài cách phân chia như trên, người ta cũng phân loại thẻ theo khả năng đọc ghi bộ nhớ của thẻ.
Theo cách tiếp cận này, thẻ chia thành một số loại: Chỉ đọc; Ghi một lần-chỉ đọc; Đọc/Ghi; Đọc/Ghi tích hợp bộ cảm biến và Đọc/Ghi tích hợp bộ phát. [4] Thẻ RFID có thể làm việc trên các dải tần số khác nhau LF, HF và UHF. Tần số LF và HF: Loại thẻ này sử dụng bộ đôi cảm ứng giữa hai cuộn dây xoắn (ăng ten) của thẻ và đầu đọc để cung cấp năng lượng và gửi thông tin. Các cuộn dâ y này thực sự là các mạch LC tuned, khi đặt đúng tần số (ví dụ như 13.56MHz) thì chúng cực đạt hoá việc truyền năng lượng.
Tần số UHF: Thẻ thụ động làm việc ở tần số UHF và HF sử dụng kỹ thuật điều chế tương tự như thẻ LF (AM) tuy nhiên khác biệt ở cách thức truyền năng lượng và thiết kế ăng ten. Nguyên lý hoạt động của RFID Nguyên lý hoạt động của RFID dựa trên cơ sở lý thuyết điện từ. TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com 12 Trong hệ thống thông thường, các thẻ RFID được gắn vào các đối tượng, mỗi thẻ có một lượng bộ nhớ trong nhất định (EEPROM) chứa thông tin về đối tượng mang nó. Thông tin này tuỳ thuộc mục đích sử dụng của thẻ, có thể chỉ là một số định danh duy nhất, có thể là các thông tin khác, thậm chí là ảnh khuân mặt hoặc vân tay.
Khi thẻ này đi qua vùng từ trường của đầu đọc, chúng sẽ trao đổi thông tin với đầu đọc. Từ thông tin này mà đầu đọc nhận ra đối tượng và các thông tin cần thiết khác. Hiện nay các hệ thống RFID luôn gắn với hệ thống tin học để trở thành một hệ thống hoàn thiện. Hệ thống tin học được gọi là phần backend.
(Hình 1) Hình 3: Nguyên lý hoạt động RFID [4] Năng lượng cung cấp cho thẻ bị động vận hành ở tần số lên tới 100MHz thông qua cảm ứng từ. Tương tự nguyên lý vận hành của máy biến thế household. Một dòng điện một chiều trong cuộn dây của đầu đọc tạo cảm ứng từ sinh ra dòng điện trong cuộn dây (ăng ten) của thẻ, dòng điện này nạp điện cho các tụ điện từ đó tạo ra năng lượng cung cấp cho các phần điện tử của thẻ. Thông tin trong thẻ gửi ngược lại đầu đọc bằng cách nạp cuộn dây của thẻ theo dạng thay đổi theo thời gian và làm ảnh hưởng đến dòng tạo ra bởi cuộn dây của đầu đọc, quá trình này gọi là điều biến nạp.
Để nhận ra thông tin phản hồi từ thẻ, đầu đọc giải mã sự thay đổi dòng do sự thay đổi điện thế qua một điện trở. Khác với biến thế, cuộn dây của đầu đọc và thẻ tách biệt về mặt không gian và chỉ nối với nhau trong dòng từ trường của đầu đọc phân cắt với cuộn dây của thẻ ở phạm vi ngắn. Truyền thông Dữ liệu số là dãy các bit thể hiện trong hệ nhị phân bằng các số 1 và số 0, dữ liệu này cần được truyền giữa các thẻ và đầu đọc theo cách đáng tin cậy. Có hai bước cần thiết để truyền thông tin cậy, mã hóa dữ liệu và truyền dữ liệu đã mã hóa, quá trình truyền dữ liệu còn gọi là điều biến tín hiệu truyền thông.
TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com 13 Mã hoá tín hiệu Có hai cách phân loại mã hóa sử dụng trong RFID theo nghĩa rộng: mã hóa mức và mã hóa chuyển tiếp. Các mã hóa mức thể hiện bit bằng mức điện áp, bit 0 và 1 ứng với một mức điện áp tương ứng nào đó. Các mã hóa chuyển tiếp nhận biết các bit thông qua việc có sự thay đổi mức điện áp hay không?. Các mã hóa mức như Non- Return-to-Zero (NRZ) và Return-to-Zero (RZ) có xu hướng độc lập với các dữ liệu phía trước vì vậy chúng thường không mạnh.
Các mã hóa chuyển tiếp có thể phụ thuộc vào dữ liệu phía trước và chúng rất mạnh. Hình 4 mô tả một số lược đồ mã hóa. Một số lược đồ mã hóa Loại mã hóa đơn giản nhất là Pulse Pause Modulation (PPM) trong đó độ dài giữa các xung được sử dụng để chuyển các bit. Mã hóa PPM cung cấp tốc độ bit thấp nhưng chỉ chiếm một phần nhỏ băng thông và rất dễ cài đặt.
Thêm vào đó, những loại mã hóa này có thể được sửa đổi một cách dễ dàng để đảm bảo nguồn năng lượng liên tục vì tín hiệu không thay đổi trong các khoảng thời gian dài. Mã hóa Manchester là một loại mã hóa chuyển tiếp băng thông cao thể hiện các bit 1 thông qua một chuyển tiếp âm ở khoảng chính giữa và bit 0 thông qua một chuyển tiếp dương ở khoảng chính giữa. Mã hóa Manchester cung cấp truyền thông hiệu quả vì tốc độ bit bằng với băng thông của truyền thông. Trong RFID, kỹ thuật mã hóa phải được lựa chọn với những cân nhắc sau: Mã hóa phải duy trì năng lượng tới thẻ nhiều nhất có thể.
TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com 14 Mã hóa phải không tiêu tốn quá nhiều băng thông. Mã hóa phải cho phép phát hiện các xung đột. Tùy thuộc vào băng thông mà các hệ thống sử dụng PPM hay PWM để truyền thông từ đầu đọc tới thẻ, việc truyền thông từ thẻ tới đầu đọc có thể theo mã Manchester hoặc NRZ. Điều biến Lược đồ mã hóa dữ liệu xác định dữ liệu thể hiện theo chuỗi liên tục các bit.
Cách các chuỗi bit truyền thông giữa thẻ và đầu đọc được xác định bởi lược đồ điều biến. Truyền thông tần số sóng radio thường điều biến một tín hiệu mang tần số cao để truyền mã tần số cơ bản. Ba lớp điều biến tín hiệu số là Amplitude Shift Keying (ASK), Frequency Shift Keying (FSK) and Phase Shift Keying (PSK). Việc chọn phương pháp điều biến dựa vào việc tiêu thụ năng lượng, các yêu cầu tin cậy và các yêu cầu về băng thông.