Nghiên cứu thiết kế hệ thống nhận dạng thẻ vô tuyến thông minh (RFID) ứng dụng trong quản lý nhân sự

- LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC CHUYÊN NGÀNH: ĐO LƯỜNG VÀ CÁC HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ HỆ THỐNG NHẬN DẠNG THẺ VÔ TUYẾN THÔNG MINH (RFID) ỨNG DỤNG TRONG QUẢN LÝ NHÂN SỰ NGUYỄN LINH LAN NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC PGS-TS.
- Phạm Thị Ngọc Yến Hà Nội - 2008 LỜI CẢM ƠN Sau một thời gian thực tập và nghiên cứu tại Trung tâm MICA – Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, tôi đã hoàn thành luận văn “Nghiên cứu thiết kế hệ thống nhận dạng thẻ vô tuyến RFID ứng dụng trong quản lý nhân sự” theo đúng yêu cầu khi được giao luận văn cao học.
- Một lần nữa tôi xin chân thành cảm ơn! Hà Nội, ngày 20 tháng 8 năm 2008 Thiết kế hệ thống nhận dạng thẻ vô tuyến RFID ứng dụng trong quản lý nhân sự Nguyễn Linh Lan Đo lường và các hệ thống điều khiển - 2 - CÁC THUẬT NGỮ SỬ DỤNG TRONG LUẬN VĂN STT Thuật ngữ Ý nghĩa 1.
- PSK Phase Shift Keying Thiết kế hệ thống nhận dạng thẻ vô tuyến RFID ứng dụng trong quản lý nhân sự Nguyễn Linh Lan Đo lường và các hệ thống điều khiển - 3 - MỤC LỤC LỜI MỞ ĐẦU.
- 8 - CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG RFID.
- Khái niệm về hệ thống RFID.
- Đầu đọc (Reader.
- Các thành phần của đầu đọc.
- Truyền dữ liệu từ thẻ sang đầu đọc.
- Cơ chế truyền dữ liệu từ đầu đọc sang thẻ.
- Ưu nhược điểm của hệ thống RFID.
- 43 - Thiết kế hệ thống nhận dạng thẻ vô tuyến RFID ứng dụng trong quản lý nhân sự Nguyễn Linh Lan Đo lường và các hệ thống điều khiển .
- Sơ đồ khối của hệ thống.
- 64 - CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ ANTEN CHO ĐẦU ĐỌC RFID.
- Công suất phát của anten đầu đọc.
- Thiết kế anten cho đầu đọc ở tần số 125 kHz.
- 85 - Thiết kế hệ thống nhận dạng thẻ vô tuyến RFID ứng dụng trong quản lý nhân sự Nguyễn Linh Lan Đo lường và các hệ thống điều khiển - 5 -4.3.
- 87 - CHƯƠNG 5: THỬ NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ HỆ THỐNG.
- Thử nghiệm hệ thống đầu đọc RFID.
- Đánh giá hệ thống.
- 98 - Thiết kế hệ thống nhận dạng thẻ vô tuyến RFID ứng dụng trong quản lý nhân sự Nguyễn Linh Lan Đo lường và các hệ thống điều khiển - 6 - DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1-1 Các kỹ thuật nhận dạng tự động.
- 12 - Hình 1-2 Hệ thống RFID.
- 13 - Hình 1-3 Đầu đọc và thẻ không tiếp xúc RFID trong ứng dụng thực tế.
- 22 - Hình 1-7 Các thành phần của đầu đọc.
- 24 - Hình 1-8 Sơ đồ khối của khối HF cho hệ thống RFID ghép nối cảm ứng.
- 28 - Hình 1-11 Năng lượng sinh ra từ từ trường dao động phía đầu đọc cung cấp năng lượng cho thẻ qua ghép nối cảm ứng.
- 59 - Hình 2-13 Sơ đồ khối của đầu đọc RFID.
- 66 - Thiết kế hệ thống nhận dạng thẻ vô tuyến RFID ứng dụng trong quản lý nhân sự Nguyễn Linh Lan Đo lường và các hệ thống điều khiển - 7 -Hình 3-2 Từ trường H sinh ra bởi cuộn dây.
- 69 - Hình 3-5 Vị trí của anten đầu đọc và anten thẻ tạo nên góc ϑ.
- 71 - Hình 3-6 Vùng từ trường của anten đầu đọc với các vị trí khác nhau của anten thẻ.
- 71 - Hình 3-7 Mạch tương đương đơn giản hóa của anten phía đầu đọc.
- 72 - Hình 3-8 Sơ đồ thay thế của anten phía đầu đọc.
- 77 - Hình 3-12 Mạch anten của đầu đọc.
- 78 - Hình 3-13 Công thức tính giá trị điện cảm của cuộn cảm anten đầu đọc.
- 89 - Hình 5-1 Mạch cứng của đầu đọc RFID.
- 91 - Hình 5-2 Đầu đọc RFID hoàn chỉnh.
- 93 - Thiết kế hệ thống nhận dạng thẻ vô tuyến RFID ứng dụng trong quản lý nhân sự Nguyễn Linh Lan Đo lường và các hệ thống điều khiển - 8 -LỜI MỞ ĐẦU Càng ngày các công nghệ mới càng hướng đến sự đơn giản, tiện lợi và một đặc trưng quan trọng nữa là khả năng không dây (wireless).
- Một thiết bị chủ yếu trong hướng phát triển này là “Hệ thống nhận dạng bằng tần số vô tuyến.
- RFID (Radio Frequency Identification), đây là thiết bị di động thụ động (Passive Mobile Device), được coi là một cuộc cách mạng trong các hệ thống nhúng và trong môi trường tương tác hiện nay.
- Mặc dù ở Việt Nam khái niệm RFID còn mới mẻ nhưng đã có một số trung tâm khoa học nghiên cứu về công nghệ này như Viện Khoa học Công nghệ thông tin thuộc Viện Khoa học Công nghệ Việt Nam nghiên cứu thiết kế hệ thống khóa từ đầu tiên Thiết kế hệ thống nhận dạng thẻ vô tuyến RFID ứng dụng trong quản lý nhân sự Nguyễn Linh Lan Đo lường và các hệ thống điều khiển - 9 -dùng RFID hay Trung tâm công nghệ cao thuộc Viện Điện tử-Tin học-Tự động hóa đã thiết kế và xây dựng hệ thống quản lý tự động bằng thẻ RFID để ứng dụng trong hệ thống thu phí cầu đường.
- Với mục đích bước đầu nghiên cứu và triển khai ứng dụng công nghệ RFID vào thực tế, luận văn cao học “Nghiên cứu thiết kế hệ thống nhận dạng thẻ vô tuyến RFID ứng dụng trong quản lý nhân sự” chọn hướng nghiên cứu RFID ở dải tần số thấp và xây dựng một hệ thống nhận dạng RFID hoàn chỉnh dùng trong công việc quản lý nhân sự tại các văn phòng cơ quan, một cách tiếp cận công nghệ dễ dàng nhưng vẫn mang lại hiệu quả cao.
- Đây là hệ thống RFID có khả năng theo dõi, giám sát truy nhập với nhân viên trong văn phòng và có thể lưu lại các dữ liệu truy nhập đó phục vụ cho các mục đích về sau như chấm công.
- Nghiên cứu công nghệ nhận dạng sóng vô tuyến RFID - Nghiên cứu cơ chế trao đổi năng lượng giữa nhãn và đầu đọc RFID - Thiết kế chế tạo thử nghiệm hệ thống đầu đọc nhãn RFID ở tần số thấp - Xây dựng cơ sở dữ liệu - Lập trình các chương trình quản lý hệ thống Nhằm thực hiện đầy đủ các nội dung đã đặt ra ở trên, cuốn luận văn này được sắp xếp và chia thành 5 chương chính.
- Chương 1: Tổng quan về hệ thống RFID Thiết kế hệ thống nhận dạng thẻ vô tuyến RFID ứng dụng trong quản lý nhân sự Nguyễn Linh Lan Đo lường và các hệ thống điều khiển - 10.
- Chương 2: Lựa chọn tính toán thiết hế - Chương 3: Thiết kế anten cho đầu đọc RFID - Chương 4: Phần mềm ứng dụng - Chương 5: Thử nghiệm và đánh giá hệ thống Trong quá trình thực hiện đề tài này tôi đã học hỏi và thu nhận được rất nhiều kiến thức mới mẻ, điều này làm tôi cảm thấy hăng hái hơn trong việc học tập và nghiên cứu sau này.
- Do hiểu biết của bản thân còn hạn chế khi lần đầu nghiên cứu công nghệ mới nên chắc chắn luận văn còn nhiều thiếu sót, tôi rất mong nhận được sự chỉ bảo góp ý của các thày cô giáo, các anh chị đồng nghiệp và các bạn học cùng khóa học Cao học Đo lường & các hệ thống điều khiển 2006-2008.
- Tôi xin chân thành cảm ơn! Học viên thực hiện Thiết kế hệ thống nhận dạng thẻ vô tuyến RFID ứng dụng trong quản lý nhân sự Nguyễn Linh Lan Đo lường và các hệ thống điều khiển - 11 -CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG RFID 1.1.
- Khái niệm về hệ thống RFID Nhận dạng nhãn vô tuyến (Radio Frequency Identification – RFID) là một dạng của kỹ thuật nhận dạng tự động (Automatic Identification).
- Thiết kế hệ thống nhận dạng thẻ vô tuyến RFID ứng dụng trong quản lý nhân sự Nguyễn Linh Lan Đo lường và các hệ thống điều khiển - 12 - Hình 1-1 Các kỹ thuật nhận dạng tự động RFID là thuật ngữ chung chỉ các công nghệ dùng sóng vô tuyến để nhận dạng tự động con người và đồ vật từ xa.
- Hệ thống RFID bao gồm nhãn/thẻ RFID (RFID Tag) được tạo nên bằng vi chip (IC) có gắn anten và đầu đọc (Reader) có gắn anten.
- Vi chip sau đó điều chế sóng để thẻ phát lại về phía đầu đọc và đầu đọc biến đổi các sóng đó thành tín hiệu và từ đó nhận dạng đồ vật có gắn thẻ ở khoảng cách từ 5cm đến 10m tùy vào loại thẻ thẻ.
- Để tạo thành một hệ thống RFID hoàn chỉnh thì đầu đọc RFID cần nối với máy chủ (host computer).
- Sau khi thu thập được dữ liệu từ thẻ, đầu đọc sẽ truyền dữ liệu lên máy chủ nơi chứa phần mềm trung gian (middleware) để xử lý dữ liệu và nối hệ thống RFID với hệ thống kỹ thuật thông tin lớn hơn để quản lý dữ liệu (database, applications.
- Thiết kế hệ thống nhận dạng thẻ vô tuyến RFID ứng dụng trong quản lý nhân sự Nguyễn Linh Lan Đo lường và các hệ thống điều khiển - 13 - Hình 1-2 Hệ thống RFID Thẻ RFID không cần tiếp xúc với đầu đọc để được nhận dạng mà có thể bị đọc từ khoảng cách xa tùy thuộc vào dải tần số hoạt động của thẻ và đầu đọc.
- Không giống với thẻ thông minh (smart card) mà ta thường thấy sử dụng trong dạng thẻ điện thoại hay thẻ ATM, nguồn năng lượng cấp cho thẻ RFID hoạt động và trao đổi dữ liệu giữa thẻ RFID và đầu đọc không thông qua kết nối điện trực tiếp mà nhờ sự cảm ứng trường điện từ trong quá trình truyền sóng vô tuyến.
- Hệ thống nhận dạng RFID vì vậy còn được hiểu là hệ thống nhận dạng không tiếp xúc (contactless RFID system).
- Thiết kế hệ thống nhận dạng thẻ vô tuyến RFID ứng dụng trong quản lý nhân sự Nguyễn Linh Lan Đo lường và các hệ thống điều khiển - 14 - Hình 1-3 Đầu đọc và thẻ không tiếp xúc RFID trong ứng dụng thực tế 1.1.1.
- Thiết kế hệ thống nhận dạng thẻ vô tuyến RFID ứng dụng trong quản lý nhân sự Nguyễn Linh Lan Đo lường và các hệ thống điều khiển - 15 - Hình 1-4 Các thành phần của Tag RFID Sơ đồ khối của 2 thành phần vi mạch (Tag IC) và anten trong thẻ RFID như sau: Tag IC Anten Substrate Thiết kế hệ thống nhận dạng thẻ vô tuyến RFID ứng dụng trong quản lý nhân sự Nguyễn Linh Lan Đo lường và các hệ thống điều khiển - 16 - Hình 1-5 Sơ đồ khối vi mạch của Tag RFID thụ động - Vi mạch: o Bộ chỉnh lưu (power control/rectifier): chuyển nguồn AC từ tín hiệu anten của reader thành nguồn DC.
- o Máy tách xung (Clock extractor): rút tín hiệu xung từ tín hiệu anten của đầu đọc.
- o Bộ mã hóa (Encoder): mã hóa tín hiệu từ bộ nhớ và từ đầu đọc để chuyển sang điều chế.
- o Đơn vị logic (Logic unit): chịu trách nhiệm cung cấp giao thức truyền giữa thẻ và đầu đọc.
- Một block AC/DC Rectifier Power Control CLOCK EXTRACTOR ENCODER MODULATOR LOGIC UNIT MEMORY Tag anten Thiết kế hệ thống nhận dạng thẻ vô tuyến RFID ứng dụng trong quản lý nhân sự Nguyễn Linh Lan Đo lường và các hệ thống điều khiển - 17 -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 (0,3mm2).
- Anten: o Anten của thẻ được dùng để lấy năng lượng từ tín hiệu của đầu đọc để làm tăng sinh lực cho thẻ hoạt động, gửi hoặc nhận dữ liệu từ đầu đọc.
- Khoảng cách đọc của thẻ với đầu đọc.
- Hướng cố định của thẻ đối với đầu đọc.
- Hướng tùy ý của thẻ đối với đầu đọc.
- Độ phân cực anten của đầu đọc.
- Phân loại thẻ RFID a) Phân loại theo nguồn cung cấp cho thẻ Thiết kế hệ thống nhận dạng thẻ vô tuyến RFID ứng dụng trong quản lý nhân sự Nguyễn Linh Lan Đo lường và các hệ thống điều khiển - 18 -Theo cách phân loại này thẻ RFID có 3 loại thẻ khác nhau: thẻ thụ động (passive tag), thẻ bán thụ động (semi-passive tag) và thẻ tích cực (active tag.
- Đối với loại thẻ này, trong quá trình truyền giữa thẻ và đầu đọc, thì đầu đọc luôn truyền trước rồi đến thẻ.
- Cho nên bắt buộc phải có đầu đọc để thẻ có thể truyền dữ liệu của nó.
- Bằng việc cung cấp một tín hiệu sóng vô tuyến mang năng lượng, đầu đọc có thể giao tiếp từ xa với một thiết bị không có nguồn nuôi.
- Hầu hết các thẻ thụ động nhận tín hiệu nhờ tín hiệu sóng mang tán xạ ngược lại từ đầu đọc.
- Thiết kế hệ thống nhận dạng thẻ vô tuyến RFID ứng dụng trong quản lý nhân sự Nguyễn Linh Lan Đo lường và các hệ thống điều khiển - 19.
- Loại pin này cho phép IC của thẻ được cung cấp nguồn năng lượng không đổi và loại bỏ nhu cầu thiết kế anten để lấy nguồn từ tín hiệu đầu đọc đưa đến.
- Ưu điểm của thẻ bán thụ động so với thẻ thụ động là thẻ bán thụ động không sử dụng tín hiệu của đầu đọc như thẻ thụ đông mà nó tự kích hoạt, nó có thể đọc ở khoảng cách xa hơn thẻ thụ động.
- Vì không cần thời gian tiếp năng lượng cho thẻ bán thụ động, thẻ có thể nằm trong phạm vi đọc của đầu đọc ít hơn thời gian đọc quy định (không giống như thẻ thụ động), nên nếu đối tượng gắn thẻ bán thụ động đang di chuyển ở tốc độ cao, dữ liệu thẻ vẫn có thể đọc được.
- Các thẻ tích cực thường ổn định hơn (ít lỗi hơn) các thẻ thụ động do khả năng kết nối "phiên" với đầu đọc.
- Đối với loại thẻ này, trong quá trình truyền giữa thẻ và đầu đọc, thẻ luôn truyền trước, rồi mới đến đầu đọc.
- Vì sự hiện diện của đầu đọc 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 Thiết kế hệ thống nhận dạng thẻ vô tuyến RFID ứng dụng trong quản lý nhân sự Nguyễn Linh Lan Đo lường và các hệ thống điều khiển - 20 -chí trong cả trường hợp đầu đọc không có ở nơi đó.
- 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 làm Thiết kế hệ thống nhận dạng thẻ vô tuyến RFID ứng dụng trong quản lý nhân sự Nguyễn Linh Lan Đo lường và các hệ thống điều khiển - 21 -theo yêu cầu của khách hàng dựa trên ứng dụng.
- Do ứng dụng đơn giản trên qui mô nhỏ nên hệ thống RFID được thiết kế trong luận văn này bước đầu thực hiện trên thẻ RO.
- Đầu đọc (Reader) 1.1.2.1.
- Nhiệm vụ và chức năng Đầu đọc (Reader) là thiết bị kết nối không dây với thẻ RFID để nhận dạng các đồ vật/đối tượng được gắn thẻ RFID.
- Đầu đọc có nhiệm vụ kích hoạt thẻ RFID, truyền và nhận dữ liệu bằng sóng vô tuyến với thẻ, thực hiện giải điều chế và giải mã tín hiệu nhận được từ thẻ ra dạng tín hiệu cần thiết để truyền về máy Thiết kế hệ thống nhận dạng thẻ vô tuyến RFID ứng dụng trong quản lý nhân sự Nguyễn Linh Lan Đo lường và các hệ thống điều khiển - 22 -chủ, đồng thời cũng nhận lệnh từ máy chủ để thực hiện các yêu cầu truy vấn hay đọc/ghi thẻ.
- Tất cả các đặc điểm của truyền thông không dây như tạo kết nối, thực hiện chống xung đột và các thủ tục xác thực quyền đều được thực thi bởi đầu đọc.
- Đầu đọc thực hiện được những nhiệm vụ này là do phần mềm ứng dụng (Application software) nằm trên máy chủ (PC) chỉ huy các lệnh đến đầu đọc theo thủ tục master-slave, điều đó có nghĩa là trong cấu trúc phân cấp của hệ thống thì Application software đóng vai trò là master còn đầu đọc đóng vai trò là slave chỉ hoạt động khi có lệnh từ Application software.
- Để thực hiện một lệnh từ Application software thì trước tiên đầu đọc phải thực hiện kết nối với thẻ.
- Lúc này đầu đọc đóng vai trò là master trong mối quan hệ với thẻ.
- Sau đó thẻ sẽ trả lời các lệnh của đầu đọc.
- Thiết kế hệ thống nhận dạng thẻ vô tuyến RFID ứng dụng trong quản lý nhân sự Nguyễn Linh Lan Đo lường và các hệ thống điều khiển - 23 - Application software ↔ Reader Reader ↔ Tag Nội dung Đọc địa chỉ bộ nhớ của tag Hỏi tag có trong vùng phủ sóng ? Tag hoạt động với serial number Bắt đầu xác thực Xác thực thành công Lệnh đọc (địa chỉ) Dữ liệu nhận từ tag Dữ liệu truyền đến aplication software Bảng 1-1 Ví dụ về thực thi một lệnh đọc bởi aplication software, reader và tag 1.1.2.2.
- Các thành phần của đầu đọc Đầu đọc gồm có 3 thành phần.
- Đầu tiên, tần số hoạt động của hệ thống (125KHz) được phát ra theo đường truyền dữ liệu bởi một khối thạch anh tạo dao động ổn định (quartz oscillator).
- Tín hiệu do oscillator tạo ra được đưa vào khối điều chế (modulator) được điều khiển bởi tín hiệu dải tần cơ bản (baseband signal) của hệ thống mã hóa tín hiệu.
- Thiết kế hệ thống nhận dạng thẻ vô tuyến RFID ứng dụng trong quản lý nhân sự Nguyễn Linh Lan Đo lường và các hệ thống điều khiển - 26 -Đường nhận dữ liệu bắt đầu từ khối anten với thành phần đầu tiên là bộ lọc giải thông (bandpass filter) hoặc một bộ lọc notch.
- Trong hệ thống truyền song công/bán song công (FDX/HDX) bộ lọc này có nhiệm vụ chặn phần lớn các tín hiệu mạnh từ đường truyền qua khối output module và chỉ lọc lấy các tín hiệu đáp ứng từ thẻ.
- Trong các hệ thống tần số thấp LF với điều biến tải và không có tín hiệu mang phụ (subcarrier) sử dụng một bộ lọc notch (notch filter) để tăng chiều sâu điều chế (hệ số công suất).
- Thực thi thuật toán chống xung đột: cho phép nhiều thẻ cùng hoạt động trong vùng phủ sóng của đầu đọc - Mã hóa và giải mã dữ liệu trao đổi giữa thẻ và đầu đọc: tăng khả năng bảo mật đường truyền - Thực hiện xác thực giữa thẻ và đầu đọc Để thực hiện các chức năng phức tạp này khối điều khiển thường dựa trên một vi điều khiển.
- Sơ đồ khối: Thiết kế hệ thống nhận dạng thẻ vô tuyến RFID ứng dụng trong quản lý nhân sự Nguyễn Linh Lan Đo lường và các hệ thống điều khiển - 27 - Hình 1-9 Sơ đồ khối của khối điều khiển Dữ liệu trao đổi giữa phần mềm ứng dụng (application software) và khối điều khiển của đầu đọc được thực hiện qua giao diện truyền thông nối tiếp RS-232 hoặc RS-485.
- Trong hệ thống dùng điều chế ASK số logic “1” ở đầu vào điều chế khối HF thể hiện trạng thái “HF signal on”, số logic ”0” tương ứng với trạng thái “HF signal off”.
- Cơ chế trao đổi năng lượng Có nhiều cơ chế trao đổi năng lượng tùy thuộc vào nguyên tắc ghép nối giữa đầu đọc và thẻ và dải tần số hoạt động

Xem thử không khả dụng, vui lòng xem tại trang nguồn
hoặc xem Tóm tắt