1

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

VŨ MẠNH CƢỜNG

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ ĐẦU ĐỌC THẺ CÔNG NGHỆ RFID TẦN SỐ
125kHz VÀ ỨNG DỤNG TRONG LĨNH VỰC Y - DƢỢC

LUẬN VĂN THẠC SỸ: CƠ HỌC KỸ THUẬT

Hà Nội -Năm 2017


2

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

VŨ MẠNH CƢỜNG

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ ĐẦU ĐỌC THẺ CÔNG NGHỆ RFID TẦN SỐ
125kHz VÀ ỨNG DỤNG TRONG LĨNH VỰC Y - DƢỢC

Ngành: Cơ kỹ thuật
Chuyên ngành: Cơ kỹ thuật
Mã số: 60.52.01.01

LUẬN VĂN THẠC SỸ: CƠ HỌC KỸ THUẬT
NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS. TS. PHẠM MẠNH THẮNG

học hỏi đƣợc từ Thầy tính trách nhiệm và phƣơng pháp làm việc nhiệt tình, hiệu
quả.
Em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới PGS.TS. Trịnh Hoàng Hà - Giám
đốc Bệnh viện ĐHQG Hà Nội, tới ThS. Dƣơng Hải Thuận - Phòng khám đa
khoa, Bệnh viện ĐHQG Hà Nội, đã nhiệt tình hƣớng dẫn, cũng nhƣ cung cấp
cho Em những mẫu tài liệu quy chuẩn của ngành Y tế nhƣ: hồ sơ bệnh án, phiếu
xét nghiệm, đơn thuốc.
Và cuối cùng, Em luôn ghi nhớ công ơn của cha mẹ, những ngƣời đã sinh
thành ra Em, vất vả lao động để Em có đƣợc điều kiện học tập, trƣởng thành.
Em hi vọng kết quả của luận văn này sẽ đƣợc áp dụng vào thực tế tại các
bệnh viện, phòng khám. Đóng góp một phần nhỏ bé vào sự phát triển chung của
xã hội.
Em xin chân thành cám ơn!


5

MỤC LỤC
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT ......................................................... 7
DANH MỤC HÌNH VẼ ............................................................................. 8
DANH MỤC BẢNG BIỂU ...................................................................... 10
MỞ ĐẦU................................................................................................... 11
CHƢƠNG I: CƠ SỞ LÝ THUYẾT .......................................................... 13
1.1. Công nghệ RFID là gì? .................................................................. 13
1.2. Cấu trúc cơ bản của một hệ thống RFID ....................................... 13
1.2.1. Thẻ RFID (Tags) ..................................................................... 13
1.2.2. Đầu đọc thẻ (Reader) .............................................................. 15
1.2.3. RFID Server ............................................................................ 16
1.3. Ƣu nhƣợc điểm của hệ thống dùng RFID...................................... 16
1.3.1. Ưu điểm ................................................................................... 16

PHỤ LỤC 1: MỘT SỐ HÌNH ẢNH QUÁ TẢI Ở CÁC BỆNH VIỆN ... 77
PHỤ LỤC 2: MÃ CODE PHẦN MỀM NHÚNG .................................... 79


7

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT
CMOS: Complementary Metal-Oxide-Semiconductor
COM: Component Object Model
DCE: Data Communication Equipment
DTE: Data Terminal Equipment
EIA: Electronics Industry Associations
HF: High Frequency
IC: Integrated Circuit
LCD: Liquid Crystal Display
LED: Light Emitting Diode
LF: Low Frequency
MCU: Master Control Unit
MWF: Microwave Frequency
RF: Radio Frequency
RFID:Radio Frequency Identification
TTL: Transistor-Transistor-Logic
UHF: Ultra High Frequency


8

DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1: Mô hình một hệ thống RFID đơn giản


Hình 2.3: Mạch ứng dụng EM5095 chế độ đọc – ghi

23

Hình 2.4: Vi điều khiển PIC 16F886

24

Hình 2.5: Sơ đồ khối PIC16F886

25

Hình 2.6: Sơ đồ nguyên lý đầu đọc thẻ RFID

27

Hình 2.7: Mạch layout đầu đọc thẻ RFID

28

Hình 2.8: Bo mạch đầu đọc thẻ RFID khi đã lắp ráp linh kiện

28

Hình 2.8: Bo mạch đầu đọc thẻ RFID khi đã lắp ráp linh kiện

29

Hình 2.10: Giao tiếp giữa thẻ và đầu đọc RFID ghép cảm ứng


Hình 3.6: Ví dụ tín hiệu truyền của ký tự „A‟

44

Hình 3.7: Sơ đồ chân cổng nối tiếp

45

Hình 3.8: Kết nối đơn giản trong truyền thông nối tiếp

45

Hình 3.9: Kết nối trong truyền thông nối tiếp dùng tín hiệu bắt tay

46


9

Hình 3.10: Sơ đồ nguyên lý bộ điều khiển trung tâm

47

Hình 3.11: Mạch Layout bộ điều khiển trung tâm

48

Hình 3.12 : Bộ điều khiển trung tâm sau khi đã lắp ráp bo mạch

49


56

Hình 3.21: Namespace trong C#

57

Hình 3.22: Giao diện phần mềm khi Load Cơ sở dữ liệu

58

Hình 3.23: Các tác vụ quản lý Hồ sơ

58

Hình 3.24: Liên hệ giữa dữ liệu gốc và chƣơng trình

59

Hình 3.25: Các bƣớc lƣu ảnh cho hồ sơ

62

Hình 3.26: Chức năng lựa chọn cổng COM

64

Hình 3.27: Giao diện mô phỏng truyền dữ liệu qua cổng COM ảo

65


77

Hình PL1.3: Chờ đợi đến lƣợt khám

78


10

DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 2.1: Chức năng các chân IC EM 4095

21

Bảng 2.2. Chức năng các Pins của VĐK PIC16F886

27

Bảng 2.3: Tính toán thông số Antenna

34

Bảng 3.1: Chức năng các chân của PORT A

38

Bảng 3.2: Chức năng các chân của PORTB

39

ô nhiễm. Số bệnh nhân nhập viện ngày càng tăng.Ở Việt Nam, các bệnh viện
thƣờng xảy ra tình trạng quá tải bệnh nhân, mỗi lần đi khám bệnh và điều trị,
bệnh nhân phải chuẩn bị một khoảng thời gian khá dài(Phụ lục 1: Một số hình
ảnh về tình trạng quá tải tại bệnh viện hiện nay – trang 76).
Theo đề tài nghiên cứu “Đánh giá tình hình quá tải của một số bệnh viện
tại Hà Nội và Thành phố Hồ Chí Minh và đề xuất giải pháp khắc phục” của
TS. Khƣơng Anh Tuấn và cộng sự tại Khoa nghiên cứu Quản lý hệ thống cung
ứng dịch vụ y tế, thuộc Viện chiến lƣợc và Chính sách Y tế, đã nêu rõ:“Ngoài
những nguyên nhân nhƣ: tình trạng vƣợt tuyến, tâm lý bệnh nhân, uy tín của các
bệnh viện. Một nguyên nhân quan trọng đƣợc đề cập đó là: Thủ tục hành chính
quá rƣờm rà và chƣa áp dụng nhiều công nghệ vào trong quản lý, khám-xét
nghiệm và điều trị”.
Đối với các nƣớc phát triển, việc nghiên cứu và triển khai ứng dụng công
nghệ nhận dạng đối tƣợng bằng sóng vô tuyến (RFID - Radio Frequency
Identification)để ứng dụng trong các bệnh viện nhằm tối ƣu hóa trong việc khám
chữa bệnh và cấp phát thuốc khá phổ biến. Tại Việt Nam, mặc dù đã có những
xu hƣớng tự động hóa quá trình điều khiển các thiết bị nhận dạng sử dụng công
nghệ RFID, xong cho tới thời điểm này, việcthiết kế và làm chủ công nghệ thiết
kế đầu đọc thẻ RFID, đặc biệt ứng dụng trong lĩnh vực y học vẫn là lĩnh vực mới
và cần thiết phải triển khai.
Với những luận cứ trên, tác giả đã lựa chọn thực hiện đề tài này với mục
đích thiết kế, chế tạo đầu đọc thẻ công nghệ RFID tần số 125kHz và ứng dụng
trong lĩnh vực y dƣợcnhằm đáp ứng nhu cầu khám chữa bệnh và cấp phát thuốc.
Việc ứng dụng công nghệ RFID trong y học sẽ giảm đƣợc rất nhiều thời gian và
chi phí quản lý. Ngoài ra, sản phẩm của đề tài này có tính mở, có thể áp dụng
cho nhiều đối tƣợng thuộc các lĩnh vực khác nhau trong xã hội.
Mục tiêu và phƣơng pháp nghiên cứu:
Luận văn đƣợc thực hiện với mục đích thiết kế đầu đọc thẻ công nghệ
RFID tần số 125kHz và ứng dụng trong y dƣợcvới mong muốn giải quyết nhu


Hình 1.1: Mô hình một hệ thống RFID đơn giản
Cấu trúc cơ bản của một hệ thống RFID bao gồm:
+ Thẻ chíp (Tag) đƣợc gắn vào vật cần nhận dạng (hàng hoá, sách vở, thƣ
tín…)
+ Đầu đọc (Reader) là một thiết bị điện tử tích hợp với các chức năng giao
tiếp và xử lý thông tin nhận đƣợc từ thẻ và gửi về Server.
+ Server là một máy tính cá nhân hoặc máy chủ lớn để lƣu trữ Cơ sở dữ
liệu cũng nhƣ quản lý hệ thống nhờ các phần mềm.
1.2.1. Thẻ RFID (Tags)
Thẻ RFID phải đƣợc thiết kế sao cho nó có chức năng nhƣ một bộ thu
phát (transponder), vừa thu tín hiệu vô tuyến từ đầu đọc, vừa tự động phát đi tín
hiệu trả lời.


14

Cấu tạo của thẻ thƣờng bao gồm các thành phần:
- Mạch giải mã
- Bộ nhớ
- Nguồn cung cấp
- Điều khiển giao tiếp
- Antenna
Thẻ RFID đƣợc chia thành 3 loại: Thẻ thụ động, thẻ bán thụ động và thẻ
tích cực.
1.2.1.1. Thẻ thụ động (passive Tags)
Các thẻ RFID thụ động không có nguồn cung cấp bên trong. Do vậy, nó
phải lấy nguồn cung cấp từ tín hiệu sóng vô tuyến mà đầu đọc gửi đến. Trong
thẻ cần có một mạch cộng hƣởng có khả năng hấp thụ năng lƣợng từ đầu đọc
phát ra.
Để thu đƣợc năng lƣợng này, thẻ phải có một khoảng cách gần nhất định

Hệ thống RFID hoạt động tốt hay xấu phụ thuộc vào dải tần số tƣơng ứng
với cấu tạo của chúng (Tần số hoạt động). Tần số hoạt động sẽ ảnh hƣởng tới
khoảng đọc, tốc độ trao đổi dữ liệu,…Vì hệ thống RFID cùng tồn tại và hoạt
động với các hệ thống thông tin khác nhƣ: Hệ thống di động, truyền hình, thông
tin vệ tinh... nên tần số của nó bị giới hạn.
400kHz

3MHz 30MHz

300MHz

1GHz

10GHz

LFHFUHFMicroware

125KHz

13.56MHz

800-960Mhz 2.45GHz 5.8GHz

Hình 1.4: Dải tần hoạt động của hệ thống RFID


16

Các tần số từ 30kHz – 400kHz đƣợc coi là dải tần thấp (LF). Hệ thống LF
RFID hoạt động chủ yếu ở tần số 125kHz hoặc 134.2kHz. Các hệ thống này

là thời gian để đếm các đối tƣợng đã giảm thực sự.


17

Khả năng đọc ghi dữ liệu nhiều lần: Một số loại thẻ cho phép ghi và ghi
lại nhiều lần. Trong trƣờng hợp tái sử dụng thẻ RFID đây là cơ hội để tiết kiệm
chi phí.
Thẻ RFID hoạt động đáng tốt trong môi trƣờng không thuận lợi (ví dụ
nóng, ẩm, bụi, bẩn, môi trƣờng ăn mòn hay có sự va chạm…)
Triển khai hệ thống RFID sẽ tăng năng suất lao động, tự động hóa nhiều
quá trình sản xuất, tăng sự thỏa mãn khách hàng và tăng lợi nhuận.
- Tốn ít nhân lực quản lý và vận hành hệ thống
- Thích ứng cho nhiều môi trƣờng khác nhau
- Khả năng lƣu trữ lớn, độ chính xác cao.
- Tuổi thọ của hệ thống cũng dài hơn, đối với thẻ thụ động thì không cần
nguồn nuôi.
1.3.2. Nhược điểm
- Chi phí triển khai cao: giá thành của hệ thống RFID hiện nay vẫn rất
cao, chƣa thể đáp ứng rộng rãi trong các lĩnh vực của cuộc sống.
- Khả năng kiểm soát thiết bị còn hạn chế: các chuẩn của công nghệ RFID
chƣa đƣợc thống nhất chung trên toàn thế giới.
- Thẻ dễ bị nhiễu sóng trong môi trƣờng nƣớc và kim loại, phụ thuộc vào
các yếu tố môi trƣờng nhƣ nhiệt độ, độ ẩm...
- Các đầu đọc có thể đọc chồng lấn lên nhau.
- Tính bảo mật thông tin trên thẻ chƣa cao.
1.4. Ứng dụng và xu hướng phát triển của công nghệ RFID
1.4.1. Ứng dụng
Các ứng dụng tƣơng ứng với các tần số của công nghệ RFID
► LF: 125 kHz - 134,2 kHz: low frequencies, ứng dụng nhiều cho hệ thống

nhiều thất thoát.

Hình 1.5: Ứng dụng công nghệ RFID trong các lĩnh vực
+ Một trong những ứng dụng quan trọng, thiết thực đó là trong Y học.


19

Hình 1.6: Ứng dụng công nghệ RFID trong quản lý bệnh nhân
1.4.2. Xu hướng phát triển
Về lâu dài các chuyên gia đều đánh giá công nghệ RFID là công nghệ của
tƣơng lai, thay thế cho công nghệ mã vạch bởi tính năng vƣợt trội nhƣ an toàn,
chính xác, lƣu trữ đƣợc lƣợng thông tin lớn, ít bị nhiễu ngoại cảnh… và tin
tƣởng công nghệ RFID sẽ phổ biến nhƣ việc sử dụng các máy tính cá nhân trong
kinh doanh ngày nay.
Tuy nhiên vì giá thành còn cao và các tiêu chuẩn chƣa đƣợc thống nhất
nên sự phát triển theo chiều rộng của công nghệ này còn chậm nhƣng có thể
thấy, quyết định ứng dụng RFID trong các công ty chỉ còn phụ thuộc vào vấn đề
thời gian. Và, dù thế nào đi nữa, RFID vẫn là một khoản đầu tƣ về thời gian và
tiền bạc rất mới mẻ cũng nhƣ là một công nghệ hết sức tiềm năng.
Trên thế giới hiện nay, Mỹ và Trung Quốc là hai nƣớc ứng dụng công
nghệ này nhiều nhất.Ở Việt Nam, RFID chƣa đƣợc biết đến nhiều, song cũng đã
có những công ty kinh doanh trong lĩnh vực này nhƣ Trung tâm ứng dụng RFID
Minh Đức; Công ty TNHH Thƣơng mại &Đầu tƣ phát triển công nghệ TECHPRO; các đơn vị nghiên cứu ứng dụng nhƣ Viện hàn lâm Khoa học công
nghệ Việt Nam, Trƣờng Đại học Bách khoa Hà Nội, Trƣờng Đại học Công
nghệ, ĐHQG Hà Nội. Việc ứng dụng công nghệ RFID vào Y học là một hƣớng
đi rất mới, hứa hẹn nhiều thành công trong tƣơng lai.


20

21

Bảng 2.1: Chức năng các chân IC EM 4095
Chân

Tên chân

Chức năng

Phân
loại

1

Vss

Nối đất

2

RDY/CLK

Đọc cờ và xung ra, gửi cảnh báo cho vi xử Output
lý

3

ANT1

Nối antenna


Nối nguồn (+5V)

PWR

8

DEMOD_IN

Cảm biến thế ra trên antenna

Analog

9

CDEC_OUT

Kết nối tụ 1 chiều lối ra

Analog

10

CDEC_IN

Kết nối tụ 1 chiều lối vào

Analog

11


16

DC2

Tụ tách sóng DC

Analog

GND: Ground

PWR: Power

GND

IPD
Output
Input

IPD: Input with internal Pull Down


22

Hình 2.2: Cấu trúc EM4095
 Hoạt động
Hoạt động của chip đƣợc điều khiển bởi tín hiệu lôgic ở đầu vào chân
SHD và chân MOD. Khi SHD ở mức cao, EM4095 sẽ ở trạng thái “ngủ”, dòng
tiêu thụ cực tiểu. Khi SHD ở mức thấp, mạch cho phép phát sóng RF, và bắt đầu
tách các tín hiệu AM nhận đƣợc từ antenna. Tín hiệu số sẽ đƣợc xuất ra chân

Hoạt động của bộ thu bao gồm việc trích và giữ mẫu, cắt bỏ khoảng thừa,
lọc dải thông và so sánh. Thế một chiều của tín hiệu trên chân DEMOD_IN
đƣợc kéo về đất bởi điện trở nội. Tín hiệu AM đƣợc trích mẫu, mẫu này sẽ đƣợc
đồng bộ bởi một đồng hồ xung. Một vài thành phần sẽ bị loại bỏ bởi tụ CDEC.
Bộ lọc sẽ tiến hành loại bỏ tín hiệu sóng mang, các tần số nhiễu tần số cao và
thấp. Tín hiệu nhận đƣợc đã qua khuếch đại và lọc sẽ đƣợc đồng bộ nhờ bộ so
sánh.Việc cuối cùng đó là gửi tín hiệu này ra chân DEMOD_OUT để truyền về
vi xử lý. Sau đây là nguyên lý một số mạch ứng dụng cụ thể của IC EM 4095:


24

Hình 2.3: Mạch ứng dụng EM5095 chế độ đọc – ghi
Trong quá trình thiết kế đầu đọc thẻ, IC 4095 đƣợc Vi điều khiển PIC16F886 hãng Microchip với các đặc tính nhƣ sau:
Vi điều khiển PIC 16F886 sử dụng công nghệ CMOS, nano-Watt có bộ nhớ
Flash-8 bit. Chi tiết kỹ thuật của chip đƣợc cho trong các tài liệu có sẵn của hãng
MicroChip. Dƣới đây chỉ liệt kê một số đặc điểm chính của chip.
 PIC-16F886 là vi xử lý RISC chất lƣợng cao, do đó tất cả các lệnh (trừ
lệnh rẽ nhánh) trong số 35 lệnh đƣợc thực hiện chỉ trong 1 chu kỳ nhịp
đồng hồ.
 Tốc độ hoạt động từ DC-20 MHz, chu kỳ nhịp từ DC-200 ns.
Vi điều khiển có những vài đặc điểm ghép nối với ngoại vi đáng chú ý nhƣ
sau:
 Có nguồn dòng cao cho phép ghép nối trực tiếp các đèn LED.
 Có 2 bộ mô-đun so sánh analog.
 Có bộ biến đổi A/D 10 bit, 14/16 kênh.
 Có Timer-0 là bộ đếm 8 bit khả trình, Timer-1 là bộ đếm 16 bit,
Timer-3 là bộ đếm 8 bit.