Đại học quốc gia Hà Nội
trờng đại học công nghệ

Nguyễn Thế Anh

Nghiên cứu, thiết kế
Và mô phỏng anten rfid

Luận văn thạc sĩ

Hà Nội - 2007


Đại học quốc gia Hà Nội
trờng đại học công nghệ

Nguyễn Thế Anh

Nghiên cứu, thiết kế
Và mô phỏng anten rfid

Ngành: Kỹ thuật Điện Tử Viễn Thông
Chuyên ngành: Kỹ thuật vô tuyến điện tử và thông tin liên lạc
Mã số: 2.07.00
Luận văn thạc sĩ
Ngời hớng dẫn khoa học:

TS. TRầN MINH TUấN

Hà Nội - 2007


t chc khỏc. Chỳng cung cp cho chỳng ta cỏc thụng tin v con ngi, hng hoỏ,
ng vt trong vic di chuyn. Vớ d: mó vch, th t, v h thng RFID.

Mó
vch

Quang
hc

Th
thụng
minh

H thng
nhn dng
t ng

Võn
tay

Sinh
hc
Gin
g
núi

RFID

Hỡnh 1-1: Mụ hỡnh cỏc h thng nhn dng t ng.




-4-

Bảng 1.1. So sánh các công nghệ nhận dạng tự động (Auto-ID) chính.
Barcode

Thẻ thông

RFID thụ động

RFID tích cực

Có thể thay đổi

Có thể thay đổi

Từ mức tối thiểu tới

Ở mức cao

minh
Thay đổi dữ

Không thể

Có thể thay

liệu



Lên tới 64kB

Lến tới 8MB

Cao (hơn

Trung bình (ít hơn

Rất cao (10$ -

1$/thẻ)

25 cent/SP)

100$/thẻ)

Ổn định và

Độc quyền;

Phát triển theo một

Độc quyền và

đã được quy

không có tiêu

quy chuẩn

cách đọc

thẳng (90 –

tiếp

(Không tiếp xúc)

hơn nữa

Môi trường, địa

Hầu như không

hình ảnh hưởng tới

do tín hiệu quảng

việc truyền sóng

bá phát ra khá

RF.

mạnh.

180cm)
Nhiễu tiềm
ẩn


hết các vùng mù, nơi mà khó nhận biết được thẻ. RFID middleware là phần mềm xử
lý tất cả các quá trình trên. Edge applications là các ứng dụng bất kỳ của doanh
nghiệp. Dịch vụ thông tin RFID trình bày cơ chế lưu giữ các dữ kiện RFID và dữ
liệu liên quan.

1.1.3 Cấu trúc cơ bản của hệ thống RFID.
Cấu trúc hệ thống RFID chủ yếu bao gồm một reader và một thẻ (hay còn
gọi là label hoặc chip). Reader sẽ truy vấn thẻ, lấy thông tin, và sau đó xử lý theo
thông tin vừa nhận được đó. Có thể chỉ đơn giản là hiển thị một con số nào đó trên
một thiết bị cầm tay, hoặc chuyển thông tin đó tới một hệ thống POS , một cơ sở dữ
liệu quản lý kho, hoặc chuyển tiếp tới một hệ thống thanh toán nào đó.


-7-

1.1.3.1 Tag/ Thẻ
Thẻ được sử dụng trong hệ thống RFID có chức năng như một bộ thu phát
(transponder) [13], được thiết kế để có thể vừa có khả năng thu tín hiệu vô tuyến
vừa có khả năng tự động phát đi trả lời. Kiểu hoạt động đơn giản nhất, đó là thẻ sẽ
lắng nghe một tín hiệu vô tuyến, và sẽ gửi tín hiệu để trả lời (LBT – Listen before
talk). Các hệ thống phức tạp hơn có thể phát đi một ký tự đơn hay một con số, hoặc
có thể gửi một dãy ký tự hoặc dãy số. Và đối với những hệ thống tân tiến hơn, còn
có thể cho phép tính toán, xác nhận và mã hoá đường truyền để bảo mật thông tin.
Cấu tạo một thẻ RFID thường bao gồm: Mạch giải mã, bộ nhớ, nguồn cung
cấp, điều khiển giao tiếp và anten.
Thẻ cũng có ba loại: đó là tích cực, thụ động và bán thụ động.
Thẻ RFID thụ động bản thân không có pin hay nguồn cung cấp trong nó; do
đó, nó phải lấy nguồn cung cấp từ tín hiệu của reader. Thẻ là một mạch cộng hưởng
có khả năng hấp thụ nguồn cung cấp phát ra từ anten của reader. Để nhận năng
lượng từ reader, cần phải sử dụng một tính chất của trường điện từ gọi là trường

Về nguyên lý, kích thước thẻ càng lớn thì thẻ càng ít có đối tượng nhận dạng có
kích thước phù hợp để gắn vào. Nhưng kích thước thẻ càng nhỏ thì khoảng đọc lại
càng ngắn.
1.1.3.2 Đầu đọc (Reader)
Thành phần thứ hai trong hệ thống RFID cơ bản đó là reader. Gọi là “reader”
thực ra cũng không đúng về mặt thuật ngữ, reader thực sự cũng là một bộ thu phát
(transceiver). Nhưng, bởi vì vai trò chủ yếu của reader là truy vấn thẻ và nhận thông
tin từ thẻ, nên chức năng chủ yếu vẫn là “đọc thẻ”; do đó, được gọi là “reader”.
Reader có thể có tích hợp anten bên trong hoặc anten rời. Còn có các thành phần
khác trong một reader như là các giao diện hệ thống như cổng nối tiếp RS-232 hay
Ethernet, các mạch mã hoá và giải mã, nguồn cung cấp, và các mạch điều khiển
giao tiếp. Anten reader có kích thước rất đa dạng, từ vài cm cho tới hàng chục, hàng
trăm cm. Mỗi reader có thể có nhiều hơn một anten tuỳ thuộc vào từng ứng dụng cụ
thể.


-9-

1.1.3.3 Middleware
Phần mềm Middleware sẽ quản lý reader và dữ liệu đến từ thẻ, chuyển nó tới
hệ thống cơ sở dữ liệu tập trung. Middleware được bố trí ở giữa reader và cơ sở dữ
liệu. Ngoài việc lấy dữ liệu từ thẻ và đưa dữ liệu vào cơ sở dữ liệu, middleware còn
thực hiện các chức năng như lọc, quản lý và phối hợp reader. Khi các hệ thống
RFID phát triển lên, middleware sẽ được bổ sung thêm các chức năng quản lý nâng
cao và cải tiến cho cả reader và thẻ, chưa kể đến các tuỳ chọn quản lý dữ liệu mở
rộng. Cơ sở dữ liệu có thể là SQL, My SQL, Oracle, Postgres...
1.1.4 Dữ liệu sử dụng trong RFID
1.1.4.1 Dữ liệu chứa trong thẻ
Phụ thuộc vào loại thẻ cụ thể, dung lượng dữ liệu chứa trong thẻ sẽ khác
nhau từ vài byte cho tới vài MB tuỳ thuộc vào ứng dụng. Dữ liệu trong thẻ có thể có


8

28

24

36

268,435,455

16,777,215

68,719,476,735

Bảng 1.2: Các trường của mã EPC
Cho phép tổng cộng 30,939,155,754,879,204,468,201,375 đối tượng sản
phẩm được mã hoá bằng hệ thống mã hoá EPC.

Hình 1-3: Mã EPC dùng cho RFID
- Header: Trường này sẽ cho reader biết tiếp theo sau sẽ là loại dữ liệu nào.
- EPC Manager: Trường quản lý EPC này sẽ nhận dạng các nhà sản xuất.
- Lớp đối tượng: Cũng tương tự như đơn vị giữ kho (SKU).
- Số sê-ri: Đây là dãy số quan trọng nhất, nó biểu thị sản phẩm, các đặc tính của sản
phẩm…
Mỗi công ty hoặc nhà sản xuất sẽ được gán một số quản lý chung từ tổ chức
EPC. Mỗi nhà sản xuất sau đó sẽ được gán một số Lớp Đối tượng cho mỗi dây
chuyền sản xuất. Mỗi đối tượng sản phẩm sẽ được nhận dạng bởi Số Sê-ri. Các nhà
sản xuất có thể gán số sản phẩm và số sê-ri bất kỳ cho sản phẩm của họ. Cũng chính
vì thế mà các nhà sản xuất có khả năng tự cung cấp cho mình những phương thức

RFID thụ động. Hạn chế chủ yếu của hệ thống RFID trường gần đó là giới hạn về
khoảng đọc. Đối với các hệ thống RFID ghép cảm ứng, năng lượng cảm ứng là một
hàm của khoảng cách từ cuộn anten. Từ trường giảm đi với tốc độ 1/r3, trong đó r là


- 12 -

khoảng cách giữa reader và thẻ. Khoảng đọc của một hệ thống RFID trường gần
như vậy thường ngắn hơn 1.5m. Còn một sự hạn chế khác liên quan đến hướng của
từ trường. Cùng với tầm nhìn của anten reader, cường độ trường của thành phần từ
trường trực giao với mặt phẳng anten reader thì rất mạnh, trái lại thành phần cường
độ trường song song với mặt phẳng anten reader thì lại rất yếu hoặc thậm chí bằng
không. Do đó, nếu thẻ được đặt song song với từ trường của anten reader, reader sẽ
không thể nhận biết được thẻ bởi vì không có từ thông chảy qua thẻ.
1.1.5.2 RFID trường xa
Trong các hệ thống RFID trường xa, công suất cũng như thông tin truyền từ
reader tới thẻ đều được thực hiện bằng cách phát và thu sóng EM. Reader sẽ phát ra
năng lượng qua anten, một phần năng lượng đã phát sau đó sẽ bị phản xạ trở lại từ
thẻ và reader sẽ nhận biết được. Biên độ năng lượng phản xạ từ thẻ có thể bị ảnh
hưởng bởi sự thay đổi trở kháng tải kết nối tới anten của thẻ. Bằng cách thay đổi trở
kháng tải của anten theo thời gian, thẻ có thể phản xạ nhiều hoặc ít so với tín hiệu
tới và đó cũng là cách mã hoá ID của thẻ.
Các hệ thống RFID trường xa hoạt động ở các tần số lớn hơn 100MHz, chủ
yếu là băng UHF như 868MHz, 915MHz hoặc 955MHz hay băng tần vi ba 2.4GHz
hoặc 5.8GHz. Khoảng đọc của hệ thống RFID trường xa được xác định bởi mật độ
năng lượng mà thẻ nhận được và độ nhạy của phần thu reader đối với tín hiệu phản
xạ từ thẻ. Năng lượng cần thiết để cấp cho thẻ tại một tần số cho trước sẽ ngày càng
giảm xuống (hiện giờ là khoảng vài mW). Reader đang ngày càng được cải tiến độ
nhạy sao cho chúng có thể nhận biết được tín hiệu yếu với các mức công suất
khoảng -80dBm với chi phí chấp nhận được. Khoảng đọc của hệ thống có thể dao

- 14 -

Hệ thống RFID MWF hoạt động tại tần số 2.45GHz 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. 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.
Bảng 1.3: Các hệ thống RFID trường gần và trường xa với các thống số liên quan.
RFID trường gần

RFID trường xa

LF

HF

UHF

MWF

Tần số

3-400kHz

3-30MHz

300M-3GHz

1-3GHz



Khá dài, tốc độ khá

Dài, tốc độ cao,

Dài, tốc độ cao, bị

thấp, chỉ bị

cao (bằng GSM)

bị ảnh hưởng

ảnh hưởng bởi cả

bởi cả nước và

nước và kim loại.

đọc
Tốc độ
truyền
Đặc điểm

ảnh hưởng bởi không bị ảnh hưởng
kim loại
Ứng dụng

Quản lý gia



Công nghệ

Ghi chú

Ấn Độ

OK

865 - 867

4W (ERP)

5/ 2005

Hàn Quốc

OK

908.5-910

4W (ERP)

LBT

7/ 2004

910 - 914

4W (ERP)

Tần số

Khả năng

Ưu điểm

Nhược điểm

Thế hệ 1

UHF

Thẻ chỉ đọc,

Giao thức thông

Chi phí cao và giảm

lập trình sẵn

tin dữ liệu nhanh

linh hoạt

Chỉ có thể ghi 1 lần

lớp 0

Thế hệ 1


cấu trúc dữ liệu, chỉ

khoá dữ liệu
Thế hệ 2

HF và

lớp 1

UHF

WORM

quan tâm tới giao diện
Quản lý dữ liệu
dễ dàng, được
chấp nhận rộng
rãi

Chỉ được ghi một lần

- 16 -

Các loại anten thông dụng trong hệ thống RFID đó là anten dipole (anten

được cấu tạo bởi hai phần tử bức xạ đặt đối xứng nhau. Hai phần tử bức xạ thường

có dạng hai thanh đặt đối xứng nhau), anten mạch in (anten mạch dải, còn được gọi

là anten mạch vi dải vì nó có kích thước rất nhỏ, về thực chất là một kết cấu bức xạ

phần chính bên trong của cấu trúc anten, Tổn hao điện môi càng thấp thì chất liệu
điện môi có hiệu suất càng cao.
Tổn hao dẫn cũng trở thành một vấn đề với các ứng dụng RFID 915MHz,
2.45GHz và 5.8GHz. Nơi mà độ sâu bề mặt (skin depth) trở nên nông hơn khi tần
số tăng lên. FR-4 sử dụng đồng thô để duy trì sự liên kết điện môi-đồng mạnh hơn.
Sử dụng đồng thô sẽ có tổn hao cao hơn do hiệu ứng bề mặt tỷ lệ với sóng EM.
Đồng cũng được kết hợp với kim loại kẽm có tổn hao cao hơn để ngăn đồng thâm


- 18 -

nhập vào epoxy và tạo ra điện trở nhiệt cao hơn (nhiệt sinh ra khi bức xạ). Kẽm là
một kim loại có tổn hao rất cao, và lại làm tăng đáng kể tổn hao hơn nữa khi kết hợp
với đồng thô và độ sâu bề mặt sẽ nông hơn nữa. Đối với hầu hết các chất liệu, tổn
hao điện môi sẽ tỷ lệ thuận với tần số. Tuy nhiên, nó tăng nhanh hơn đối với FR-4,
điều này cũng có nghĩa là tần số thay đổi phụ thuộc vào hằng số điện môi. Epoxy
bao gồm một số các phân nhóm có cực tính (polar sub-groups) bên trong phân tử
của nó. Ở các tần số thấp, các phân nhóm này sẽ tự động sắp xếp theo điện trường
tác động. Nhưng tại các tần số cao hơn, khả năng duy trì liên kết của chúng bị phá
vỡ bởi sự va chạm bên trong và giữa các phân tử epoxy. Một số các thiết kế được
đưa ra để bù lại điều này bằng cách phát công suất cao hơn. Nhưng do các giới hạn
về mức độ bức xạ tín hiệu và sự thay đổi bên trong các chất liệu khiến cho bản thân
phương pháp này cũng bị giới hạn. Khi sử dụng công suất cao hơn cũng có nghĩa là
nhiều năng lượng hơn được chuyển đổi thành nhiệt do sự ma sát phân tử (và nhiệt
độ sẽ cao hơn). Nhiệt độ cao hơn, lại ảnh hưởng tới epoxy, làm tăng cả hằng số điện
môi lẫn tổn hao điện môi, làm cho anten hoạt động kém hiệu quả đi.
FoamClad
FoamCladR/F 100 là một họ hợp kim dát mỏng mới, cấu tạo gồm một hỗn
hợp có hằng số điện môi thấp sử dụng một thành phần tạm dịch là bọt ô-đóng, giãn
nở (expanded closed-cell foam). FoamClad là một vật liệu có thể xử lý một cách dễ

Điều này cho phép tận dụng được ưu điểm về tổn hao thấp mà không cần phải hy
sinh độ bền cơ học hay sự tiện lợi khi sản xuất.
Hydrocarbon gốm
Ở tần số trên 500MHz, sẽ ít cơ hội sử dụng mạch in chịu nhiệt hơn, do các
vật liệu phi cực (non-polar) trở nên đắt hơn và cũng không đáp ứng được các yêu
cầu về một mạch in có tổn hao thấp. Arlon 25N và 25FR là các hợp chất
hydrocarbon phủ gốm được tăng cường sợi quang dệt với nhau, được thiết kế để sử
dụng trong các bo mạch in đa lớp RFID và vi ba. Các vật liệu này cho cùng một
điểm hiệu suất với chi phí thấp hơn nhiều mạch in dựa trên PTFE hay mạch in chịu
nhiệt bằng gốm tân tiến khác.
Nói tóm lại, có rất nhiều các sự lựa chọn về chất liệu, giá thành, hiệu
suất…khác nhau cho thiết kế anten tùy thuộc vào ứng dụng của từng trường hợp.


- 20 -

1.3 Nguyên lý hoạt động [23]
Như ta đã biết, cơ chế ghép nhận năng lượng giữa reader và thẻ trong các hệ
thống RFID trường-gần và trường-xa là khác nhau do đặc tính trường điện từ tại
mỗi khu là khác nhau.
1.3.1 Trường gần
Trường điện từ tại khu gần có tính chất thụ động và gần như tĩnh. Điện
trường sẽ bị thay thế bởi từ trường, và trường nào sẽ tồn tại được quyết định bởi loại
anten được sử dụng: Điện trường sẽ tồn tại khi anten dipole được sử dụng, trái lại,
với anten vòng nhỏ thì sẽ chỉ có từ trường tồn tại. Sự ghép ứng giữa anten thẻ và
reader có thể nhận được qua giao thoa với từ trường hoặc điện trường. Trong các hệ
thống RFID trường gần thì hệ thống ghép cảm ứng được dùng rộng rãi hơn cả so
với hệ thống ghép dung ứng.
1.3.1.1 Ghép cảm ứng
Trong một hệ thống RFID ghép cảm ứng, cuộn dây anten reader sẽ tạo ra

1.3.1.3 Điều chế tải
Giao tiếp giữa thẻ và reader trong cả hai hệ thống RFID ghép cảm ứng và
dung ứng đều được thực hiện nhờ thay đổi trở kháng tải của thẻ. Khi thẻ nằm trong
khoảng đọc của reader, nó sẽ nhận được năng lượng phát ra từ anten reader qua từ
trường hoặc điện trường. Kết quả phản hồi từ thẻ trên anten reader cho thấy sự thay
đổi của điện và từ trường. Sự thay đổi này sẽ được reader nhận biết. Dữ liệu được
truyền từ thẻ tới reader trong khoảng thời gian mà trở kháng tải hoặc dung kháng
được bật và tắt theo dữ liệu. Kiểu truyền dữ liệu này được gọi là điều chế tải.


- 22 -

Thẻ thay đổi trở kháng của nó bằng cách bật hoặc tắt trở kháng tải hoặc dung
kháng, từ đây đưa ra hai khái niệm điều chế tải điện kháng và điều chế tải dung
kháng. Khi điều chế tải điện kháng, trở kháng được tắt hoặc bật trong thời gian tồn
tại chuỗi dữ liệu. Tương tự đối với điều chế tải dung kháng. Reader sẽ nhận biết
được những sự thay đổi này như một kiểu điều chế kết hợp giữa biên độ và pha.
1.3.2 Trường xa
Thẻ trong hệ thống RFID trường xa sẽ nhận sóng EM bức xạ từ anten của
reader. Anten thẻ sẽ nhận năng lượng và biến đổi thành một điện áp trên hai cổng
của microchip. Một diode sẽ chỉnh lưu điện áp này và đưa tới một tụ điện, tụ này sẽ
nạp năng lượng đó nhằm cấp nguồn cho các mạch điện tử trong microchip. Thẻ có
thể nằm ở các vị trí ngoài trường khu gần của reader. Do đó, trong các hệ thống
RFID trường-xa giao tiếp giữa reader và thẻ thường được thực hiện nhờ sử dụng
một kỹ thuật gọi là tán xạ lùi (backscattering). (Reader sẽ gửi đi một sóng điện từ tại
một tần số nhất định. Sóng này sẽ được thẻ thu nhận, và thẻ sau đó sẽ phát tín hiệu
trở lại cho reader tại một tần số khác với các thông tin về microchip đã được mã hoá
trong các sóng đó)
Sự thay đổi của trở kháng tải (của microchip) sẽ gây ra mất phối hợp trở kháng giữa
anten thẻ và tải. Sự mất phối hợp trở kháng sẽ làm biến đổi tín hiệu phản xạ từ thẻ.

• Khả năng cập nhật, thay đổi dữ liệu trực tiếp: Hệ thống RFID có khả năng
đọc/ghi thông tin trên thẻ một cách dễ dàng.
• Trong khi các hệ thống khác đòi hỏi phải có nhân công trực tiếp thao tác để
có thể nhận dạng thì hệ thống RFID có thể nhận dạng mà không cần đến sự
hỗ trợ của con người. Giảm chi phí nhân công và lỗi nhân công.