ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

Đinh Xuân Phi

NGHIÊN CỨU VỀ CÁC DẢI TẦN SỐ ỨNG DỤNG
TRONG KỸ THUẬT RFID

Ngành: Công nghệ Điện tử - Viễn thông
Mã số: 2.07.00

LUẬN VĂN THẠC SĨ

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC
TS. TRẦN MINH

Hà Nội - ...


- ii -

MỤC LỤC
Lời cam đoan ……………………………………………………………………i
Mục lục …………………………………………………………………………ii
Danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt ………………………………………...iv
Danh mục các biểu bảng ………………………………………………………..v
Danh mục các hình vẽ ………………………………………………………… vi
MỞ ĐẦU ……………………………………………………...…………… viii
CHƢƠNG 1 ............................................................................................................ 1
HỆ THỐNG RFID VÀ CÁC NGUYÊN LÝ CƠ BẢN ............................................ 1
1.1

2.1
Tần số và quy định. ................................................................................ 26


- iii -

2.1.1 Dải tần số thấp(LF). ........................................................................... 28
2.1.2 Dải tần số cao(HF). ............................................................................ 28
2.1.3 Dải tần số siêu cao tần(UHF). ............................................................ 28
2.1.4 Dải tần viba( Microwave Frequency). ................................................ 29
2.2
Thực trạng sử dụng tần số trong RFID. .................................................. 31
2.3
Các điều lệ và tiêu chuẩn ....................................................................... 34
2.3.1 Các điều lệ ......................................................................................... 34
2.3.2 Các tiêu chuẩn.................................................................................... 36
2.3.3 Các pháp chế cho RFID ..................................................................... 38
2.4
Quy định về việc sử dụng dải tần đối với hệ thống RFID ở Việt Nam. ... 39
2.4.1 Điều kiện về tần số. ............................................................................ 39
2.4.2 Điều kiện về phát xạ........................................................................... 40
2.4.2.1 Phát xạ chính: ............................................................................. 40
2.4.2.2 Phát xạ giả: ................................................................................. 40
2.4.3 Một số nhận xét đánh giá. .................................................................. 40
CHƢƠNG 3 .......................................................................................................... 45
NGHIÊN CỨU VỀ CÁC KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG CÁC DẢI TẦN CHO HỆ
THỐNG RFID ....................................................................................................... 45
3.1 Tag trƣờng-gần ............................................................................................ 45
3.1.1 Tác động của chất liệu kim loại lên anten tag ........................................ 45
3.1.2 Tác động của nƣớc lên hoạt động của anten tag.................................... 48

- vi -

DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1: Mơ hình các hệ thống nhận dạng tự động. ................................................ 1
Hình 1.2: Các bước đọc mã vạch. ............................................................................ 2
Hình 1.3: Thẻ thơng minh. ....................................................................................... 4
Hình 1.4: Bộ đọc và bộ thu phát tự động là các thành phần không thể thiếu trong
hầu hết các hệ thống RFID. ..................................................................................... 5
Hình 1.5: Mơ hình hệ thống RFID thụ động. ........................................................... 8
Hình 1.6: Các phương pháp xử lý dữ liệu. ............................................................... 9
Hình 1.7: Mơ hình cơ bản của anten. ..................................................................... 14
Hình 1.8: Đồ thị từ trường của anten. .................................................................... 14
Hình 1.9: Ảnh hưởng của góc hoạt dộng đối với điện áp cảm ứng trên anten. ........ 17
Hình 1.10: Các loại anten dùng trong hệ thống RFID. ........................................... 19
Hình 1.11: Sơ đồ nguyên lý hoạt động của anten thụ động..................................... 20
Hình 1.12: Mạch tương đương của anten trên thẻ thụ động. ................................... 20
Hình 1.13: Mơ hình năng lượng của anten. ............................................................ 22
Hình 1.14: Cấu trúc và mạch tương đương của điốt Schottky. ............................... 22
Hình 1.15: Sự phụ thuộc của năng lượng vào và điện áp ra trên anten. .................. 23
Hình 1.16: Nguyên lý điều chế . .......................................................................... 25
Hình 2.1: Dải tần chính dành cho ứng dụng RFID. ................................................ 26
Hình 2.2: Dải tần cho RFID hoạt động tại dải UHF trên thế giới. .......................... 29
Hình 2.3: Sự phân bố ước tính của thị trường tồn cầu về các bộ phát đáp ở những
dải tần số khác nhau (đơn vị: triệu cái) .................................................................. 44
Hình 3.1: Anten cuộn gần với bề mặt kim loại: (a) phân bố từ trường của anten cuộn
với một bề mặt kim loại; (b) Sử dụng hộp ferit để làm giảm tác động của kim loại.
.............................................................................................................................. 46
Hình 3.2: Sự thay đổi về độ tự cảm theo kim loại, được tính tốn bằng phần mềm
IE3D; kích thước của kim loại là 200mm x 200mm. .............................................. 48




- iv -

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT

CLK

Clock

Xung nhịp

CPU

Central Processor Unit

Bộ xử lý trung tâm

DOC

Department of Communication

Bộ Viễn thông

EM

Electromagnetic

Trường điện từ


International Standards Organization

Tổ chức chuẩn quốc tế

LBT

Listen Before Talk

Nghe trước khi nói

LF

Low Frequency

Tần số thấp

MPHPT

Ministry of Public Management,

Bộ quản lý công cộng, Bộ nội

Home Affairs, Posts and

vụ, Bộ Bưu chính Viễn thơng

Telecommunication
RAM

Random Access Memory


Tổ chức quản lý chuẩn quốc

China

gia Trung Quốc

SHF

Super High Frequency

Tần số quá cao

UHF

Ultra High Frequency

Tần số siêu cao


- viii -

MỞ ĐẦU
Trong nhiều thập niên gần đây (1950- 2007), nhờ có sự phát triển của cơng
nghệ điện tử, công nghệ thông tin mà nền kinh tế (văn minh nhân loại) phát triển
mạnh mẽ như hiện nay và giúp lồi người có được nhiều sự thuận tiện trong sản
xuất, quản lý, theo dõi và kiểm tra. Trước đây sự quản lý, giám sát thường do chính
con người thực hiện. Nhưng ngày nay do nhu cầu của sự phát triển, con người muốn
thốt ra khỏi cơng việc này để nhường chỗ cho các thiết bị, máy móc khác. Chính vì
vậy hệ thống nhận dạng tự động đã ra đời.

Chương 2: Các dải tần đang sử dụng trong hệ thống RFID. Chương này
trình bày chi tiết đặc điểm của từng loại dải tần đang được sử dụng cho RFID trên
Thế Giới nói chung và ở Việt Nam nói riêng
Chương 3: Nghiên cứu về các khả năng ứng dụng các dải tần cho hệ thống
RFID. Đây được coi là chương quan trọng và có ý nghĩa nhất của luận văn. Trong
chương này trình bày ảnh hưởng của mơi trường mà thực chất là hai yếu tố quan
trọng (nước và kim loại) lên hoạt động của Tag trường gần và Tag trường xa.
Tóm lại, đề tài nghiên cứu về các dải tần số ứng dụng trong kỹ thuật RFID là
một đề tài mới. Tuy nhiên do sự áp dụng của hệ thống RFID còn hạn chế ở nước ta
nên nội dung của đề tài chưa thực sự sâu rộng. Trong nội dung của luận văn chắc sẽ
không tránh khỏi những thiếu sót, em rất mong q thầy cơ và các bạn đọc quan
tâm đóng góp ý kiến để luận văn được hoàn thiện hơn.


-1-

CHƢƠNG 1
HỆ THỐNG RFID VÀ CÁC NGUYÊN LÝ CƠ BẢN
1.1 Hệ thống RFID.
1.1.1 Hệ thống nhận dạng tự động (Auto Identification-Auto ID).
Trong những năm gần đây, các hệ thống nhận dạng tự động ngày càng phát
triển và trở nên khá phổ biến trong các ngành như công nghiệp dịch vụ, mua sắm,
phân phối, quản lý và được sử dụng tại rất nhiều các cơ quan, nhà máy, bệnh viện
và các tổ chức khác. Chúng cung cấp cho chúng ta các thơng tin về con người, hàng
hố, động vật trong việc di chuyển. Ví dụ: mã vạch, thẻ từ, …và hệ thống RFID. [9]

Mã
vạch

Vân


hóa. Mã vạch có thể được đọc bởi đầu đọc laser thơng qua sự phản xạ khác nhau
của dịng laser đối với các vạch đen và khoảng trống màu trắng.
Hướng quét
Mã vạch

Chùm sáng
Mã vạch được quét bởi máy quét

Tín hiệu tương tự đã được mã hố

Tín hiệu số đã được mã hố để tạo ra
dữ liệu mã vạch
Hình 1.2: Các bước đọc mã vạch.
Bộ đọc mã vạch hay còn được gọi là máy quét sẽ đọc các mã vạch. Bộ quét
mã vạch thường sử dụng chùm sáng để quét ngang qua mã vạch. Thông thường việc
quét trực tiếp là không thích hợp. Tuy nhiên, trong suốt q trình qt chùm ánh
sáng khơng được dịch chuyển khỏi vùng có mã vạch. Vì thế nếu muốn tăng độ dài
mã vạch thì phải tăng độ rộng của chùm sáng để vùng mã vạch khơng nằm ngồi


-3-

chùm sáng trong quá trình quét. Trong suốt quá trình xử lý quét, bộ đọc sẽ đọc độ
lớn mật độ phản xạ ánh sáng bởi các vùn đen trắng của mã vạch. Vạch đen hấp thụ
ánh sáng, vùng trắng phản xạ ánh sáng. Một linh kiện điện tử được gọi là
photodiode hoặc photocell sẽ chuyển đổi giá trị chùm sáng này thành dịng điện
(cịn được gọi là tín hiệu tương tự). Sau đó mạch điện tử sẽ giải mã dịng điện này ra
dữ liệu số. Dữ liệu này được biểu diễn dưới dạng mã ASCII. Một bộ đọc mã vạch
đơn có thể đọc được vài ký hiệu. Hình 1.2 chỉ ra q trình mơ tả ở trên. [5]

thông qua việc sử dụng công nghệ không dây này. Các thiết bị sử dụng công nghệ
không dây để truyền đạt năng lượng và dữ liệu được gọi là hệ thống RFID (Radio
frequency identification - hệ thống nhận dạng dùng sóng radio).
1.1.2 Khái niệm về hệ thống RFID.
Hệ thống nhận dạng tự động RFID cũng tương tự như hệ thống nhận dạng
bằng thẻ thơng minh trên. Nó cũng là thiết bị lưu trữ dữ liệu rất thuật tiện, có thể
mang theo được, đó chính là thẻ RFID. Tuy nhiên, điểm khác biệt của hệ thống
RFID đó chính là năng lượng cung cấp cho thẻ và việc truyền dữ liệu giữa đầu đọc
và thẻ không phải thông qua các kết nối vật lý hay quang học mà thông qua điện
trường do đầu đọc phát ra.
Hệ thống RFID lấy năng lượng từ trường điện từ của sóng radio, và nhận
dạng dựa vào tần số sóng radio mang thơng tin đó. Do những đặc tính ưu việt của
cơng nghệ của hệ thống RFID so với các hệ thống nhận dạng tự động khác, hệ


-5-

thống RFID ngày nay được ứng dụng trong rất nhiều các lĩnh vực và ngày càng phát
triển.
1.1.3 Cấu tạo chung của hệ thống RFID.
Một hệ thống RFID bao giờ cũng gồm có hai thành phần chính đó là: Bộ đọc
và bộ thu phát tự động (Hình 1.4).
 Bộ thu phát tự động (còn gọi là thiết bị nhận và phát lại sóng_
Transponder-tag): thường gọi là thẻ được gắn trên đối tượng cần nhận dạng.
Thẻ cấu tạo bởi một anten và một chip có cấu trúc bao gồm các mạch điều
chế cơ bản và một bộ nhớ.

Bộ thu phát
tự động


Thẻ thụ động là thẻ mà cấu tạo của nó khơng có nguồn năng lượng đi kèm.
Thẻ thụ động hoạt động dựa vào nguồn năng lượng từ năng lượng cảm ứng thơng
qua sóng mang do đầu đọc phát ra.
Thơng tin lưu trữ trên thẻ có thể chỉ được đọc hoặc vừa đọc vừa ghi lại tuỳ
thuộc vào thiết kế của thẻ.
 Bộ đọc (Reader): Các đầu đọc RFID dùng để kích hoạt các thẻ thụ động
với năng lượng từ sóng radio và lấy thơng tin từ thẻ đó.
Để thực hiện chức năng này, đầu đọc bao gồm các khối cơ bản như bộ phận
phát và thu sóng radio và bộ phận mã hố/giải mã tín hiệu dữ liệu. Ngồi ra, đầu
đọc cịn phải có cả bộ phận giao tiếp với máy tính (COM hoặc USB). Dựa vào độ
phức tạp và mục đích ứng dụng, đầu đọc có thể có thêm nhiều các bộ phận khác.
Bộ phận truyền dẫn sóng bao gồm một bộ tạo sóng mang, anten và một mạch
điều chỉnh. Anten và mạch điều chỉnh phải được thiết kế và điều chỉnh sao cho hoạt
động tốt nhất.
Tín hiệu sau khi nhận sẽ được giải mã và hồn thiện bởi bộ vi xử lý. Bằng
thuật tốn mã hoá, bộ vi xử lý sẽ xử lý và giải mã tín hiệu, sau đó dữ liệu có thể
được truyền tới máy tính.
1.1.4 Phân loại hệ thống RFID.
Hệ thống RFID có thể được phân loại theo hai cách sau:
 Theo chức năng đọc, ghi của thẻ:
Theo chức năng trên, hệ thống RFID được chia làm hai loại đó là: Hệ thống
RFID chỉ có thể đọc nội dung trên thẻ và hệ thống RFID có khả năng vừa đọc vừa
ghi nội dung trên thẻ.
 Theo nguồn năng lượng cung cấp cho thẻ:


-7-

Hệ thống được chia làm hai loại đó là hệ thống RFID tích cực và hệ thống
RFID thụ động tương ứng với thẻ tích cực và thẻ thụ động.


thiết kế như tần số, mức năng lượng, khả năng cảm nhận của đầu đọc, kích thước
của anten, tỷ số truyền dữ liệu, giao thức truyền, dòng tiêu thụ của chip, v.v…
Trong vài năm gần đây, các ứng dụng sử dụng tần số cao (4-20Mhz) và sóng
viba (2.45GHz) đã bắt đầu phát triển bởi sự tiến bộ của công nghệ chế tạo chip. Đối
với mỗi giải tần số đều có ưu điểm và nhược điểm riêng. Nhưng dải tần số cao (420Mhz) có nhiều ưu điểm hơn hẳn so với dải tần số thấp và sóng vi ba. Do đó, dải
tần này ngày nay được sử dụng nhiều trong các ứng dung của hệ thống RFID.
Một ví dụ cơ bản về hệ thống RFID thụ động:
Máy tính

Kích hoạt và
đáp ứng
Anten thẻ
Vi chíp
Bộ đọc

Anten đọc

Thẻ

Error!
Hình 1.5: Mơ hình hệ thống RFID thụ động.
1.1.6 Ƣu điểm, nhƣợc điểm và ứng dụng của hệ thống RFID.
1.1.6.1 Ưu điểm:
 Khả năng xử lý đồng thời: RFID có khả năng xử lý đồng thời nhiều đối
tượng cùng một lúc trong khi các hệ thống nhận dạng tự động khác xử lý đơn hoặc
xử lý theo chuỗi. Điều này làm tăng đáng kể tốc độ kiểm tra và giảm lượng ách tắc
hơn các hệ thống khác.



- 10 -

 Ứng dụng trong hệ thống bảo vệ, cảnh báo.
- Ơ tơ, xe máy.
 Ứng dụng trong giao thơng
- Xác định vị trí của tàu
- Xác định lưu lượng xe
 Ứng dụng trong thể thao.
- Điền kinh
- Bóng đá
1.2 Anten trong hệ thống RFID.
1.2.1 Lý thuyết anten trong hệ thống RFID. [9]
Hầu hết các hệ thống RFID hoạt động dựa trên nguyên lý cảm ứng lai ghép.
Do đó, để hiểu được cách năng lượng và dữ liệu truyền như thế nào chúng ta cần
phải hiểu rõ về các nguyên lý vật lý của hiện tượng từ trường. Phần này sẽ trình bày
về các nguyên lý của trường điện từ theo quan điểm của RFID.
1.2.1.1 Độ lớn của từ trường:
Mọi điện tích chuyển động hay dịng điện chạy trong vật dẫn đều kèm theo
nó một điện trường xung quanh nó. Cường độ của từ trường có thể được chứng
minh bằng thực nghiệm bởi lực tác động lên một cái kim từ hay dòng điện thứ hai.
Cường độ của từ trường được xác định bởi độ lớn H của từ trường khơng phụ thuộc
vào tính chất của mơi trường xung quanh.

 

 I   H  ds (1.45)
Chúng ta có thể dùng cơng thức trên để tính độ lớn H của từ trường đối với
các loại vật dẫn khác nhau.



Điều kiện giới hạn của phương trình là: d
từ trường xung quanh dây dẫn đó. Từ trường đó được tạo ra bởi các dịng điện tích,
đối với dây dẫn trịn và có chiều dài khơng lớn ta có:
 

0 I
(cos  2  cos 1 ) Weber m2  Trong đó:
4. .r

I: dịng điện
r: khoảng cách đến tâm của dây

μ 0 : hệ số từ thẩm của môi trường
( μ 0  4  10 7 (H/m) )
Trong trường hợp đặc biệt với dây có độ dài khơng hạn chế ta có:

1  180 0
 2  00
Phương trình trên có thể viết lại là:  

0
2. .r

( Weber m 2 )

(1.46)


- 14 -

Hình 1.7: Mơ hình cơ bản của anten.

Nó có biên độ cực đại trong mặt phẳng của vòng và tỷ lệ trực tiếp với dòng
điện và số vịng N của anten.
Phương trình trên thường được dùng để tính tốn dịng điện cần thiết trong
mỗi vịng cho khoảng cách đọc.
1.2.1.4 Điện áp cảm ứng trong vòng anten:
Hình vẽ trên chỉ cho chung ta thấy một dạng đơn giản của ứng dụng RFID.
Khi anten của thẻ và bộ đọc ở gần nhau thì từ trường biến thiên B được tạo bởi
anten của đầu đọc sẽ tạo ra một điện áp tại anten của thẻ đặt gần đó. Điện áp cảm
ứng đó sẽ sinh ra dịng điện cảm ứng chạy trong vịng dây anten ở thẻ. Đây chính là
định luật Faraday. Dòng điện cảm ứng trong vòng anten ở thẻ có giá trị bằng tỷ lệ
thay đổi của mật độ từ trường  trên thời gian.
V  N

d
dt

(1.48)

Trong đó:
N= số vịng của cuộn anten

 = mật độ từ trường.
Dấu âm chỉ ra rằng điện áp cảm ứng ngược chiều với dịng từ trường tạo ra
nó.
Mật độ từ trường  trong phương trình trên là tổng của từ trường B xuyên
qua bề mặt của cuộn anten và được tính bởi:
   B  dS

Trong đó:



dS

3
dt  2(a 2  r 2 ) 2


 0 N1N 2a 2  di1
 
2
2 32
 2(a  r )  dt
 M

di1
dt

(1.50)

Trong đó:
V: điện áp trong lõi thẻ
i1: dịng điện trong lõi đầu đọc
a: bán kính của lõi đầu đọc
b: bán kính của lõi thẻ
r: khoảng cách giữa hai cuộn
M: hỗ cảm giữa hai cuộn, được tính bởi:

 0N1N 2 (ab)2 
M 
2