Lời Nói Đầu
LỜI NÓI ĐẦU
Ngày nay nghành công nghệ thông tin đã có những bước phát triển vượt bậc.
Chỉ từ việc phát minh ra con transistor đầu tiên năm 1947, cho đến nay các sản
phẩm công nghệ thông tin đã len lỏi đến tất cả các nghành nghề trong xã hội từ
nghành ngân hàng, tài chính đến các nghành bán lẻ Không những vậy chúng cũng
đã len lỏi vào mọi gia đình từ các sản phẩm gia dụng như máy giặt, tủ lạnh đến
các thiết bị giải trí truyền thông như ipod, Trong tương lai, bên cạnh việc phát
triển công nghệ vi điện tử để chế tạo ra các thế hệ bộ vi xử lý với tốc độ xử lý ngày
càng nhanh, thì các hệ thống ứng dụng vẫn sẽ phát triển rất mạnh. Chính vì lẽ đó,
tôi đã chọn đề tài về “Tìm hiều công nghệ RFID và ứng dụng trong quản lý bệnh
nhân”. Công nghệ này đã xuất hiện khá lâu nhưng cho đến nay các ứng dụng của nó
vẫn chưa được triển khai rộng rãi. Với việc chọn đề tài này, tôi hi vọng mình sẽ góp
phần công sức bé nhỏ của mình vào công việc triển khai nó. Tuy nhiên, ở mức độ
một đồ án tốt nghiệp và cũng do thời gian có hạn, nên ở đây tôi chỉ thiết kế và thi
công hệ thống ở mức kiểm thử. Còn để có thể triển khai áp dụng nó vào thực tế thì
sẽ phải đầu tư thêm nhiều thời gian và tiền bạc. Song với việc thiết kế thành công hệ
thống này, tôi đã thu được thêm khá nhiều kinh nghiệm làm bước đệm cho tôi trở
thành kỹ sư sau khi ra trường.
Qua đây em xin chân thành cám ơn thầy giáo Tiến Sĩ Lâm Hồng Thạch, là
giảng viên hướng dẫn đã nhiệt tình giúp đỡ em trong suốt thời gian thực tập và làm
đồ án tốt nghiệp.
Em xin chân thành cảm ơn tất cả các thầy giáo, cô giáo của trường Đại Học
Bách Khoa Hà Nội đã giảng dạy và dìu dắt em trong suốt những năm học đại học để
em có được những kiến thức cơ bản trước mắt, có thể hoàn thành tốt đồ án tốt
nghiệp và tiếp đó, là nền tảng cho quá trình học tập, công tác của em sau này.
Hà Nội, ngày 28/05/2011
Snh viên: Trần Trọng Tuân
i
Tóm Tắt Đồ Án
TÓM TẮT ĐỒ ÁN

Mục Lục
MỤC LỤC
TÓM TẮT ĐỒ ÁN ii
ABSTRACT OF THESIS iii
DANH MỤC HÌNH VẼ vi
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG RFID 1
Khái niệm về hệ thống RFID 1
1.1.1. Thẻ RFID (RFID Tag) 3
1.1.2. Đầu đọc (Reader) 10
1.1.3. Cơ chế trao đổi năng lượng và dữ liệu 17
1.1.4. Các dải tần số hoạt động 22
1.1.5. Ưu nhược điểm của hệ thống RFID 25
1.2. Tình hình phát triển của công nghệ RFID hiện nay 26
1.2.1. Tình hình phát triển 26
1.2.2. Các ứng dụng RFID hiện nay 28
1.3. Mục tiêu và nhiệm vụ của Đồ án 30
1.3.1. Mục tiêu 30
1.3.2. Nhiệm vụ thiết kế 30
CHƯƠNG 2: LỰA CHỌN TÍNH TOÁN THIẾT KẾ 32
2.1. Lựa chọn linh kiện 32
2.1.1. Thẻ (Tag) RFID 32
2.1.2. IC sử dụng trong đầu đọc RFID 37
2.1.3. Vi điều kkhiển PIC 16F877A 45
2.1.4. Sơ đồ nguyên lý toàn mạch 52
CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ ANTEN CHO ĐẦU ĐỌC RFID 55
3.1. Nghiên cứu nguồn năng lượng trường điện từ nuôi thẻ RFID 55
3.1.1. Từ trường do anten tạo ra 55
3.1.2. Các yếu tố ảnh hưởng đến năng lượng nuôi thẻ RFID 59
3.1.3. Khảo sát cường độ từ trường của anten 62
3.2. Thiết kế anten cho đầu đọc ở tần số 125 kHz 68

động thường được thực hiện bằng cách tự động bắt dữ liệu. Đó là cách mà các công
ty muốn nhận dạng các món đồ, bắt thông tin về chúng và bằng cách nào đó thu
nhận dữ liệu đưa vào máy tính mà không cần nhập dữ liệu bằng tay. Mục tiêu của
“ID tự động” là tăng tính hiệu quả, giảm lỗi dữ liệu đầu vào và giảm sức lao động
trong việc nhận dạng. Các công nghệ chủ được xếp dưới dạng “ID tự động” như:
mã vạch (Bar codes), nhận dạng tiếng nói, một số công nghệ sinh trắc học
(biometric), nhận dạng đặc trưng quang học (Optical character Recognition –
OCR) và nhận dạng nhãn vô tuyến (RFID).
Hình 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
1
Chương 1 : Tổng Quan Về Hệ Thống RFID
(RFID Tag) được tạo nên bằng vi chip (IC) có gắn anten và đầu đọc (Reader) có
gắn anten. Trên vi chip lưu giữ các thông tin để nhận dạng con người hoặc đồ vật
dưới dạng số theo thứ tự. Đầu đọc phát ra sóng điện từ và anten của thẻ thu các
sóng điện từ số, trong trường hợp các thẻ là thẻ thụ động thì nó hấp thụ năng lượng
từ trường điện từ do đầu đọc tạo nên và sử dụng năng lượng đó để nuôi các mạch vi
chip. 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, ).
Hình 1- 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

Anten
Substrate
Chương 1 : Tổng Quan Về Hệ Thống RFID
- Vi mạch:
o Bộ chỉnh lưu (power control/rectifier): chuyển nguồn AC từ tín
hiệu anten của reader thành nguồn DC. Nó cung cấp nguồn đến
các thành phần khác của vi mạch.
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 Bộ điều chế (Modulator): tín hiệu nhận sau khi đã mã hóa được
điều chế và trở thành đáp ứng của thẻ, sau đó nó được truyền trở
lại reader.
o Đơn vị logic (Logic unit): chịu trách nhiệm cung cấp giao thức
truyền giữa thẻ và đầu đọc.
o 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
5
AC/DC
Rectifier
Power
Control
CLOCK
EXTRACTOR
ENCODERMODULATOR
LOGIC
UNIT

1.1.1.2. Phân loại thẻ RFID
a) Phân loại theo nguồn cung cấp cho thẻ
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).
6
Chương 1 : Tổng Quan Về Hệ Thống RFID
• Thẻ thụ động (passive tag)
Thẻ thụ động là loại thẻ không có nguồn cung cấp bên trong. Nó hoạt động
nhờ năng lượng sóng vô tuyến cảm ứng thu được qua anten mà không cần nguồn
nuôi. Dòng điện xoay chiều cảm ứng này được chỉnh lưu để cung cấp nguồn điện
cho thẻ. Thẻ bắt đầu hoạt động khi dòng một chiều sau chỉnh lưu đạt được một giá
trị xác định. 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. Dòng
điện này chỉ đủ cung cấp công suất cho mạch tích hợp CMOS trong thẻ phát đi tín
hiệu đáp ứng. Hầu hết các thẻ thụ động nhận tín hiệu nhờ tín hiệu sóng mang tán xạ
ngược lại từ đầu đọc. Điều này nghĩa là anten phải được thiết kế để vừa nhận công
suất từ tín hiệu đến và truyền đi tín hiệu tán xạ. Đáp ứng của một thẻ thụ động
RFID không chỉ là một số dạng nhận dạng ID (mã ID duy nhất – Unique
Identification-UID) mà nhiều dạng dữ liệu khác do con chip của thẻ có thể chứa bộ
nhớ EEPROM để lưu trữ dữ liệu. Do không có bộ nguồn cung cấp gắn liền trên
mạch nên thẻ có kích thước khá nhỏ, ví dụ như các sản phẩm gắn dưới lớp da kích
thước chỉ khoảng 0,15mm x 0,15mm và còn mỏng hơn độ dày của một trang giấy
(7,5μm). Thêm vào đó anten cũng tạo cho thẻ có kích thước thay đổi từ kích thước
con tem bưu điện đến kích thước của một thẻ ATM. Các thẻ thụ động có khoảng
cách đọc thực tế từ 2mm (ISO 14443) lên đến vài mét (EPC và ISO 18000-6) tùy
thuộc vào tần số vô tuyến lựa chọn và kích thước/thiết kế của anten. Các thẻ thụ
động RFID không yêu cầu nguồn và có thể nhỏ hơn nữa với thời gian tồn tại không
giới hạn do nó chịu được các hóa chất ăn mòn như axít và nhiệt độ cao (xấp xỉ

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 chí
trong cả trường hợp đầu đọc không có ở nơi đó. Nhờ có nguồn cung cấp onboard
nên các thẻ tích cực có thể phát công suất cao hơn các thẻ thụ động, cho phép chúng
hoạt động hiệu quả hơn trong các môi trường có "tần số vô tuyến thay đổi" (người,
gia xúc) như nước, kim loại nặng (xe tải, container trở hàng) hoặc ở các khoảng
cách xa hơn. Nhiều thẻ tích cực có khoảng cách hoạt động vài trăm mét và thời gian
pin nên tới 10 năm. Một số thẻ tích cực còn bao gồm các bộ cảm biến (sensor) như
8
Chương 1 : Tổng Quan Về Hệ Thống RFID
cảm biến nhiệt độ dùng để giám sát độ chín hoặc giám sát nhiệt độ của các sản phẩn
dễ bị hỏng. Các cảm biến khác cũng được gắn với thẻ RFID tích cực như: độ ẩm,
va đập/biến động, ánh sáng, phóng xạ, nhiệt độ và không khí như etylen. Các thẻ
tích cực cũng thường có dải hoạt động dài hơn (xấp xỉ khoảng 30,5 m) và bộ nhớ
lớn hơn các thẻ thụ động và do đó có thể lưu trữ thêm các thông tin từ bộ phát đáp.
Hiện tại, thẻ tích cực nhỏ nhất có kích thước tương đương một đồng xu và được bán
với giá khá đắt khoảng 20USD nên loại thẻ này chỉ được sử dụng trong trường hợp
thật cần thiết.
b) Phân loại theo khả năng hỗ trợ ghi dữ liệu của thẻ
Theo cách phân loại này thẻ RFID phân ra làm 3 loại: thẻ chỉ đọc (Read
Only-RO), thẻ ghi một lần-đọc nhiều lần (Write Once Read Many-WORM), thẻ đọc-
ghi (Read Write-RW).
• 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 xí nghiệp trong lúc sản xuất. Việc này được thực
hiện như sau: các cầu chì (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

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 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
10
Chương 1 : Tổng Quan Về Hệ Thống RFID
đầu đọc đóng vai trò là master trong mối quan hệ với thẻ. Sau đó thẻ sẽ trả lời các
lệnh của đầu đọc.
Hình 1- Thủ tục master-slave giữa Application software, reader và tag
Một lệnh đọc đơn giản từ Application software gửi đến đầu đọc có thể bắt
đầu từ một chuỗi các bước giao tiếp giữa đầu đọc và thẻ. Trong bảng 1.1, một lệnh
đọc đầu tiên được bắt đầu bởi việc kích hoạt thẻ theo sau đó là thủ tục xác thực và
cuối cùng là truyền các dữ liệu yêu cầu.
11
Chương 1 : Tổng Quan Về Hệ Thống RFID
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

o Giao tiếp tuần tự (HDX, FDX hoặc SEQ): thường ở dải sóng cực
ngắn (Microwave 2,45GHz)
- MoDem (2 đường truyền tín hiệu độc lập):
o Bộ phát (Transmitter)
o Bộ thu (Receiver)
14
Control Unit
(giao thức mã
hóa tín hiệu)
HF interface
Nhận dữ
liệu
Truyền dữ
liệu
Application
software
(PC với các
phần mềm
ứng dụng)
Anten
Tag
Các lệnh điều khiển từ PC
Hình 1- Các thành phần của đầu đọc
Chương 1 : Tổng Quan Về Hệ Thống RFID
• Sơ đồ khối
Hệ thống RFID thiết kế trong đồ án hoạt động ở dải tần số thấp (125KHz)
dựa trên nguyên lý ghép nối cảm ứng (inductively coupled system) có sơ đồ khối
của khối HF như sau:
Hình 1- Sơ đồ khối của khối HF cho hệ thống RFID ghép nối cảm ứng
Tín hiệu được truyền tới thẻ đi theo đường truyền dữ liệu (tranmission data),

(Application Specific Intergrated Circuit) để giúp xử lý các chu trình tính toán
chuyên sâu. Khối ASIC thường được truy nhập thông qua đường bus của vi điều
khiển.
• Sơ đồ khối:
Hình 1- Sơ đồ khối của khối điều khiển
16
Chương 1 : Tổng Quan Về Hệ Thống RFID
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. Truyền thông giữa khối HF và khối điều khiển biểu diễn trạng thái
của khối HF như một số nhị phân. 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”.
1.1.3. Cơ chế trao đổi năng lượng và dữ liệu.
1.1.3.1. 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. Có thể chia ra làm 4 cơ chế như sau:
- Ghép nối cảm ứng (Inductive Coupling): thường dùng ở dải tần số thấp
LF (<135Khz) và tần số cao HF (13.56 MHz)
- Ghép nối tán xạ điện từ (Electromagnetic Backscatter Coupling): thường
dùng ở dải siêu cao tần UHF (868÷915MHz) và sóng vi ba microwave
(2.5 GHz)
- Ghép nối gần (Close Coupling): phạm vi đọc rất nhỏ (< 1 cm) thường
dùng ở dải tần 1÷10MHz
- Ghép nối điện (Electrical Coupling)
Ở đây chúng ta chỉ tập trung nghiên cứu hệ thống ghép nối cảm ứng do dải
tần hoạt động ở tần số thấp 125 KHz. Hệ thống này thường áp dụng với thẻ thụ
động luôn cần cấp năng lượng từ đầu đọc. Ghép nối cảm ứng tức là cơ chế hoạt
động dựa trên nguyên lý cộng hưởng điện từ do mạch LC trên 2 thành phần thẻ và
đầu đọc tạo ra. Như đã trình bày ở phần thẻ RFID (1.1.1), thẻ thụ động là một thiết

của tụ điện được lựa chọn sao cho nó cùng với điện cảm của cuộn dây tạo thành
một mạch cộng hưởng song song với tần số cộng hưởng tương ứng với tần số
truyền của đầu đọc. Phía thẻ có tụ điện C
1
hợp với cuộn dây anten tạo thành một
mạch cộng hưởng được điều chỉnh theo tần số truyền của đầu đọc. Điện áp U
i
trên
cuộn dây anten phía thẻ đạt được cực đại phụ thuộc vào mức tăng cộng hưởng trên
mạch cộng hưởng song song.
18
Chương 1 : Tổng Quan Về Hệ Thống RFID
Hình 1- Năng lượng sinh ra từ từ trường dao động phía đầu đọc cung cấp năng lượng cho thẻ qua
ghép nối cảm ứng
Hiệu suất truyền năng lượng giữa hai cuộn dây anten phía đầu đọc và phía
thẻ tỉ lệ với tần số hoạt động f, số vòng dây cuốn n, góc đặt giữa hai cuộn dây và
khoảng cách giữa chúng. Khi tần số f tăng thì điện cảm của cuộn dây trên thẻ và số
vòng dây quấn giảm (<135 KHz: 100 ÷ 1000 vòng, 13.56 KHz: 3 ÷10 vòng). Vì
điện áp cảm ứng trên cuộn dây phía thẻ cũng tỉ lệ với tần số f nên giảm số vòng dây
cũng ít ảnh hưởng đến hiệu suất truyền năng lượng ở các tần số cao hơn.
1.1.3.2. Truyền dữ liệu từ thẻ sang đầu đọc
Như đã miêu tả ở trên, hệ thống ghép nối cảm ứng hoạt động dựa trên
nguyên tắc kiểu máy biến áp với cuộn sơ cấp phía đầu đọc và cuộn thứ cấp phía thẻ,
khi khoảng cách giữa hai cuộn dây này không vượt quá 0,16λ (384m) thì thẻ sẽ nằm
trong trường gần (near field) của anten phát của đầu đọc. Kết quả trả lời của thẻ
trên anten đầu đọc được thể hiện thông qua trở tháng biến đổi Z
T
của cuộn dây
anten đầu đọc. Đóng và ngắt điện trở tải trên cuộn dây anten của thẻ sẽ làm thay đổi
trở kháng Z