Do an Tot Nghiep Ky Thuat Dien Tu He Thong Nhan Dang Bien So Xe Su Dung Cong Nghe Xu Ly Anh

BỘ GIÁO DỤC & ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH

KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ BỘ MÔN ĐIỆN TỬ-CÔNG NGHIỆP

---------------------------------

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH KỸ THUẬT ĐIỆN - ĐIỆN TỬ

ĐỀ TÀI:

HỆ THỐNG NHẬN DẠNG BIỂN SỐ XE

ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ XỬ LÝ ẢNH

GVHD : ThS. NGUYỄN VĂN NGA

SVTH : NGUYỄN THANH ĐIỀN

MSSV : 07101228

Tp. Hồ Chí Minh - 07/2012

Đồ án tốt nghiệp i

GVHD: ThS. Nguyễn Văn Nga Phần A: Giới thiệu

PHẦN A

GIỚI THIỆU

Đồ án tốt nghiệp ii


ĐỒ ÁN ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH

Cán bộ hướng dẫn: ThS. Nguyễn Văn Nga Sinh viên thực hiện: Nguyễn Thanh Điền Lợi Quốc Quang Cán bộ chấm phản biện: …………………………….. Đồ án tốt nghiệp được bảo vệ tại HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH.

Ngày 31 tháng 07 năm 2012

Đồ án tốt nghiệp iii


TRƯỜNG ĐH. SƯ PHẠM KỸ THUẬT CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TP. HỒ CHÍ MINH ĐỘC LẬP - TỰ DO - HẠNH PHÚC KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ Tp. HCM, ngày 20 tháng 7 năm 2012

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Họ tên sinh viên: Nguyễn Thanh Điền MSSV: 07101228 Lợi Quốc Quang MSSV: 07101215 Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện - Điện tử Mã ngành: 01 Hệ đào tạo: Đại học chính quy Mã hệ: 1 Khóa: 2007 Lớp: 07101BD I. TÊN ĐỀ TÀI: HỆ THỐNG NHẬN DẠNG BIỂN SỐ XE ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ

XỬ LÝ ẢNH II. NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: 1. Tìm hiểu công nghệ RFID 2. Ứng dụng công nghệ xử lý ảnh 3. Lập trình ngôn ngữ C++ III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 12/02/2012 IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 20/07/2012 V. HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: ThS. Nguyễn Văn Nga CÁN BỘ HƯỚNG DẪN BM. ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP ThS. Nguyễn Văn Nga THS.GV. NGUYỄN ĐÌNH PHÚ

Đồ án tốt nghiệp iv


LỜI CẢM ƠN

&

Sau hơn bốn tháng thực hiện, chúng em đã hoàn thành đồ án đúng thời gian quy định của nhà trường. Có được kết quả đó ngoài sự nỗ lực của nhóm thực hiện đề tài còn có sự hướng dẫn tận tình của thầy hướng dẫn, quý thầy cô trong khoa Điện-Điện tử và các bạn sinh viên trong lớp 07101BD.

Chúng em chân thành cảm ơn quý thầy cô trong khoa Điện-Điện tử đã tận tình giảng dạy và truyền đạt những kiến thức quý báu cho chúng em trong suốt những năm học qua.

Chúng em xin gởi lời chân thành cảm ơn thầy Nguyễn Văn Nga đã tận tình hướng dẫn, chỉ bảo và chia sẻ những ý kiến quý báu để chúng em có thể hoàn thành tốt đồ án này.

Đồng thời, chúng con xin cảm ơn cha mẹ và gia đình đã động viên và ở bên chúng con trong suốt thời gian học tập ở trường và tiến hành đồn án.

Cuối cùng xin gửi lời cảm ơn đến các bạn lớp 07101BD đã chia sẻ trao đổi kiến thức cũng như những kinh nghiệm quý báu trong thời gian thực hiện đề tài.

Xin chân thành cảm ơn!

Trân trọng Nhóm thực hiện đồ án

Nguyễn Thanh Điền Lợi Quốc Quang

Đồ án tốt nghiệp v


LỜI NÓI ĐẦU

Ngày nay, khoa học kỹ thuật ngày càng phát triển mà đặc biệt là công nghệ kỹ

thuật điện tử và công nghệ xử lý ảnh. Vì thế, các thế hệ vi mạch đã không ngừng cải tiến và phát triển để đáp ứng những nhu cầu phục vụ cho đời sống con người ngày càng thuận tiện hơn. Sự kết hợp giữa các thế hệ vi điều khiển cùng với công nghệ nhận dạng tự động dựa qua việc lưu trữ dữ liệu từ xa sử dụng thiết bị thẻ và đầu đọc thẻ sẽ làm cho việc quản lý dữ liệu cũng như xử lý ảnh trở nên thuận tiện hơn.

Để vận dụng những kiến thức đã học nhằm thiết kế một hệ thống ứng dụng vào đời sống, người học phải tích lũy những kỹ năng lập trình, kiến thức cơ bản và chuyên sâu. Đồng thời, người học phải nghiên cứu lý thuyết, thiết kế, thi công mạch mới có thể hiểu rõ nguyên lý hoạt động của sản phNm thi công. Đó chính những kỹ năng của sinh viên ngành kỹ thuật Điện-Điện tử.

Đồ án tốt nghiệp vi


NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN

............................................................................................................................................

............................................................................................................................................

............................................................................................................................................

............................................................................................................................................

............................................................................................................................................

............................................................................................................................................

............................................................................................................................................

............................................................................................................................................

............................................................................................................................................

............................................................................................................................................

............................................................................................................................................

............................................................................................................................................

............................................................................................................................................

............................................................................................................................................

............................................................................................................................................

............................................................................................................................................

............................................................................................................................................

............................................................................................................................................

............................................................................................................................................

............................................................................................................................................

............................................................................................................................................

............................................................................................................................................

Tp. HCM, ngày tháng năm 2012

Giáo viên phản biện

Đồ án tốt nghiệp vii


NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

............................................................................................................................................

............................................................................................................................................

............................................................................................................................................

............................................................................................................................................

............................................................................................................................................

............................................................................................................................................

............................................................................................................................................

............................................................................................................................................

............................................................................................................................................

............................................................................................................................................

............................................................................................................................................

............................................................................................................................................

............................................................................................................................................

............................................................................................................................................

............................................................................................................................................

............................................................................................................................................

............................................................................................................................................

............................................................................................................................................

............................................................................................................................................

............................................................................................................................................

............................................................................................................................................

............................................................................................................................................

Tp. HCM, ngày tháng năm 2012

Giáo viên hướng dẫn

Đồ án tốt nghiệp Trang 1

GVHD : ThS. Nguyễn Văn Nga Chương 1: Dẫn nhập

1.1 Lý do chọn đề tài Ngày nay, khoa học kỹ thuật nói chung và kỹ thuật điện tử nói riêng đang phát triển

nhanh chóng với hàng loạt các giải pháp công nghệ điện tử ra đời mà ứng dụng của nó vào đời sống là rất quan trọng. Chính vì thế, các sinh viên học ngành công nghệ điện tử không những tiếp thu các kiến thức ở đã học mà còn phải tìm hiểu và nghiên cứu thêm các công nghệ điện tử tiên tiến trên thế giới, để có thể đáp ứng được yêu cầu cao của thị trường lao động. Sự ra đời của RFID là một ý tưởng độc đáo và là một công nghệ mới, đang dần hoàn thiện và được đánh giá có nhiềm tiềm năng để thay thế công nghệ mã vạch trong tương lai không xa. Việc nhanh chóng nghiên cứu, làm chủ và đưa công nghệ này vào ứng dụng thực tiễn ở Việt Nam sẽ mang lại những lợi ích to lớn. Sự kết hợp giữa công nghệ xử lý ảnh và công nghệ RFID hứa hẹn sẽ tạo ra một trong những sản phNm công nghệ mới có hiệu quả rất cao cả về mặt khoa học lẫn thực tiễn. Một trong những điểm nổi bậc của công nghệ này chính là khả năng quản lý. Do đó, với mong muốn tăng cường khả năng quản lý xe ra, vào một cách hiện đại và hiệu quả hơn (đặc biệt là trong quá trình quản lý xe ra vào của hệ thống giữ xe), nhóm đề xuất chọn đề tài “HỆ THỐNG NHẬN DẠNG BIỂN SỐ XE ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ XỬ LÝ ẢNH” làm đề tài tốt nghiệp của nhóm.

1.2 Mục đích nghiên cứu Xây dựng được một mô hình nhận dạng biển số xe cơ bản ứng dụng công

nghệ xử lý ảnh và công nghệ RFID. Từ đó, cải tiến và hoàn chỉnh để có thể áp dụng vào thực tế.

v Tìm hiểu công nghệ RFID • Tổng quan về công nghệ RFID.

• Phân tích các thành phần của hệ thống RFID

• Tìm hiểu tình hình ứng dụng công nghệ RFID v Tìm hiểu giao thức truyền thông nối tiếp RS232 và RS485

• Khái niệm và các đặc trưng của các chuNn giao tiếp. v Tìm hiểu công nghệ xử lý ảnh.

• Tổng quan về xử lý ảnh.

• Phân tích các phương pháp xử lý ảnh.

• Tìm hiểu tình hình ứng dụng công nghệ xử lý ảnh. v Thiết kế phần cứng.

• Tìm hiểu yêu cầu thiết kế mạch đọc RFID.

• Thiết kế mạch đọc transponder và giao tiếp với máy tính.

• Thiết kế mạch chuyển đổi USB – RS232. v Thiết kế phần mềm

• Thiết kế phần mềm trung gian giao tiếp giữa mạch đọc và hệ thống máy chủ.

• Thiết kế phần mềm xử lý ảnh.


GVHD : ThS. Nguyễn Văn Nga Chương 1: Dẫn nhập

1.3 Đối tượng nghiên cứu và phạm vi nghiên cứu v Đối tượng nghiên cứu :

• Thẻ RFID, reader RFID, IC EM4095, vi điều khiển PIC16F877A

• Ngôn ngữ lập trình C++. v Phạm vi nghiên cứu

• Ứng dụng công nghệ RFID .

• Thi công KIT reader RFID sử dụng IC4095.

• Kết hợp ứng dụng công nghệ xử lý ảnh và công nghệ RFID để thi công hệ thống nhận dạng biển số xe.

• Hệ thống nhận dạng biển số xe nhận dạng được đúng biển số xe ra vào.

• Hạn chế của hệ thống là một lúc không đọc được nhiều thẻ tag.

• Điều khiển được thanh chắn khi xác nhận đúng biển số xe.

1.4 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài Quyển đồ án này ứng dụng nghiên cứu lý thuyết về công nghệ RFID của các anh chị

các khoá trước , từ đó kết hợp với công nghệ xử lý ảnh thiết kế 1 hệ thống hệ thống nhận dạng biển số xe được lập trình trên kiến thức về vi điều khiển và xử lý ảnh sử dụng ngôn ngữ C, C++. Vì vậy nhóm thực hiện đề tài hy vọng quyển đồ án này sẽ tiếp tục là nguồn tài liệu tham khảo để hoàn thiện hệ thống giữ xe thông minh.

1.5 Tình hình nghiên cứu Hiện nay một số mô hình ứng dụng RFID tại Việt Nam: Giải pháp kiểm soát vào ra,

chấm công điện tử, kiểm soát thang máy đang được áp dụng tại công ty TECHPRO Việt Nam; Trạm thu phí xa lộ Hà Nội; Hệ thống kiểm soát bãi đỗ xe tự động tại hầm đậu xe tòa nhà The Manor TP.HCM; Ngành vận chuyển hậu cần (logistics), kiểm soát toàn bộ hàng hóa từ nơi sản xuất cho đến nơi tiêu thụ cuối cùng. Hiện nay trên các diễn đàn điện tử có rất nhiều tài liệu nghiên cứu về RFID giúp cho sinh viên dễ dàng tiếp cận công nghệ này. Thông qua các diễn đàn này nhóm thực hiện đề tài nhận thấy có rất nhiều thành viên đã thực hiện thiết kế được nhiều hệ thống ứng dụng trên thực tế như quản lý thông tin sinh viên, khóa cửa,… Với những tài liệu thu thập và kiến thức tích lũy nhóm thực hiện đề tài lựa chọn ngôn ngữ C,C++ để thiết kế một ứng dụng như nhận dạng biển số xe.

1.6 Phương pháp nghiên cứu Đây là một đề tài khá hay và áp dụng được vào thực tế nhưng trong thời gian thực

hiện đồ án nhóm thực hiện đề tài gặp rất nhiều khó khăn khi thu thập nguồn tài liệu. Nhóm thực hiện đề tài sử dụng hai phương pháp chủ yếu:

v Phương pháp tham khảo tài liệu: Ø Nguồn tài liệu chủ yếu bằng cả tiếng Anh và tiếng Việt được tìm kiếm

trên mạng internet. Ø Tham khảo tài liệu nghiên cứu của các anh chị năm trước làm đồ án để lại.

v Phương pháp thực hành: Ø Thiết kế và thi công kit reader RFID để dễ dàng nắm bắt được lý thuyết. Ø Lập trình cho vi điều khiển và lập trình xử lý ảnh.


GVHD: ThS. Nguyễn Văn Nga Chương 2: Giới thiệu chung về công nghệ RFID

2.1 Hệ thống RFID ( Radio Frequency Identification) Tên thông dụng của công nghệ này là RFID (Radio Frequency Identification).

Transponder là những tấm thẻ plastic có gắn các microchip bé chỉ bằng một nửa hạt cát. Chúng bắt được các tín hiệu sóng radio và đáp ứng bằng cách phát ra mã số nhận diện tương ứng. Hầu như tất cả các transponder không dùng nguồn pin để cung cấp năng lượng hoạt động mà sử dụng năng lượng từ sóng radio kích hoạt để hoạt động.

Đây là loại phương tiện để nhận diện người hoặc vật qua việc truyền sóng vô tuyến. Hệ thống thu dữ liệu nhận diện tự động không dây này rất chú trọng đến việc đọc và ghi thông tin mà không cần tiếp xúc và là một lọai công nghệ rất hiệu quả trong môi trường sản xuất cũng như các môi trường không thân thiện khác khi mã vạch không còn phát huy tác dụng được nữa.

2.2 Tần số hoạt động và ứng dụng tương ứng của hệ thống RFID 2.2.1 Tần số hoạt động của RFID Transponder và reader giao tiếp với nhau ở cùng một tần số. Do hệ thống RFID truyền nhận với nhau thông qua sóng vô tuyến và khoảng cách cũng như khả năng truyền nhận phụ thuộc rất nhiều vào tần số chính vì vậy mà các hệ thống RFID sử dụng rất nhiều tần số khác nhau. Nhưng theo thực tiễn thì phạm vi tần số thông dụng nhất, đó là tần số thấp (LF) (khoảng 125kHz – 150 kHz), tần số cao (HF) (10 – 15 MHz) và siêu cao tần (UHF) (850 – 950 MHz). Với những tần số khác nhau thì sẽ thích hợp với những ứng dụng khác nhau. Dải tần Tần số Phạm vi đọc tối đa Tốc độ truyền dữ

liệu Giá reader

LF 125 tới 135 kHz 25cm (150cm) Hơi thấp Thấp

HF 13.56 Mhz 5cm (60cm) Cao Trung bình

UHF 868 tới 928 Mhz 3m (10m) Trung bình Rất cao

Bảng 2.1 – Các dải tần số hoạt động của hệ thống RFID

2.2.2 Ứng dụng của hệ thống RFID trong mỗi dải tần số khác nhau Các tần số khác nhau có các đặc tính cũng như sự tương thích khác nhau cho nên nó phù hợp với một số lĩnh vực ứng dụng riêng.

Ví dụ: Ở tần số thấp các thẻ sử dụng công suất ít hơn và có khả năng xuyên qua phi kim tốt hơn, nhưng chúng có nhược điểm là phạm vi đọc thẻ ngắn thường dưới 0.5m. Các thẻ làm việc ở tần số cao thì có khả năng đi qua được những vật thể làm bằng kim loại, nhưng phạm vi đọc của chúng cũng chỉ khoảng 1m.

Các tần số cao tần UHF có phạm vi đọc tốt hơn cũng như có thể truyền dữ liệu nhanh và xa hơn so với tần thấp và tần cao (LF và HF), nhưng chúng cần có công suất lớn hơn và khả năng xuyên qua kim loại kém. Vì vậy giữa reader và thẻ phải không có vật cản.



Tần số Đặc điểm Giá thành Ứng dụng

100-150 KHz

- Tốc độ đọc chậm - Xuyên qua các vật liệu phi kim

dễ dàng - Khoảng cách đọc từ ngắn đến

trung bình

- Không đắt - Điều khiển truy nhập

- Kiểm kê

10-15 MHz

- Tốc độ đọc trung bình - Khoảng cách đọc từ ngắn đến

trung bình

- Không qua đắt - Điều khiển truy nhập

850-950MHz

- Khoảng cách đọc lớn - Tốc độ đọc nhanh - Yêu cầu tầm nhìn thẳng

- Đắt - Hệ thống nhận dạng và điều khiển vào ra của xe cộ.

- Kiểm kê hàng hóa trước khi vào kho.

2.4-2.8GHz

- Khoảng cách đọc lớn - Tốc độ đọc nhanh - Yêu cầu tầm nhìn thẳng

- Đắt - Hệ thống nhận dạng và điều khiển sự vào ra của xe cộ

Bảng2.2 – Băng tần và các ứng dụng tương ứng của RFID

2.3 Ưu điểm và nhược điểm của hệ thống RFID 2.3.1 Ưu điểm của hệ thống RFID

v Ưu điểm của hệ thông RFID có thể chia ra 2 mốc thời gian như sau : • Hiện tại : những ưu điểm này có thể ứng dụng trực tiếp vào sản phNm công

nghệ ngày nay. • Tương lai : Những ưu điểm này có thể được ứng dụng trong thời gian tới

hoặc có thể tăng cường những tính năng như một công nghệ hoàn thiện cho sau này.

• Sự cách ly ( không tiếp xúc) : một tag có thể đọc mà không cần có một sự tiếp xúc nào giữa tag và đầu đọc RFID.

• Có khả năng ghi dữ liệu : có thể ghi dữ liệu lên tag RFID read-write nhiều lần.

• Không cần nhìn thấy : đầu đọc RFID có thể đọc được tag RFID mà không cần “nhìn thấy” nhau.

• Phạm vi đọc : Tag RFID có thể đọc từ vài inch đến 100 feet (30.48 m). • Dung lượng lưu trữ dữ liệu : Tag RFID có thể lưu trữ vài bytes dữ liệu từ

một dung lượng lớn dữ liệu. • Hỗ trợ đọc đa kênh : Nó cho phép sử dụng một đầu đọc để đọc được nhiều

tag trong vùng hoạt động của nó với thời gian ngắn. • Khả năng thích ứng : Tag RFID có thể duy trì hoạt động trong điều kiện

môi trường tương đối bất lợi. • Hoạt động thông minh : Tag RFID ngoài việc mang và truyền và dữ liệu, nó

còn được thiết kế để thực hiện các nhiệm vụ khác. • Độ chính xác : có thể đọc chính xác đến 100%.



2.3.2 Nhược điểm của hệ thống RFID Những nhược điểm hiện tại của hệ thống RFID bao gồm :

• Kém hiệu quả với những vật chắn sóng RF và những vật hấp thụ sóng RF: công nghệ ngày nay làm việc không hiệu quả với những vật liệu này, trong một số trường hợp còn trở nên nguy hiểm.

• Ảnh hưởng bởi các yếu tố môi trường : điều kiện môi trường xung quanh tác động mạnh đến ứng dụng RFID.

• Giới hạn đọc tag : một hạn chế là có bao nhiêu tag đươc đọc cùng lúc. • Ảnh hưởng nhiễu phần cứng : một giải pháp RFID có thể bị ảnh hưởng tiêu

cực nếu phần cứng không được lắp đặt đúng cách (như vị trí và hướng anten).

• Hạn chế khả năng chi phối năng lượng sóng RF : mặc dù RFID không cần nhìn thấy, có một giới hạn là năng lượng RF có thể tiếp cận ở độ sâu bao nhiêu mặc dù có thể xuyên qua vật “sáng” với RF.

• Công nghệ non-trẻ : mặc dù công nghệ RFID đang trải qua những thay đổi nhanh chóng nhưng những thay đổi đó báo hiệu sự bất tiện khi không cảnh giác.

2.4 Ứng dụng của hệ thống RFID

• Quản lý đối tượng, nhân sự. • Kiểm soát vào ra ,chấm công điện tử ,kiểm soát thang máy. • Quản lý hàng hóa bán lẻ trong siêu thị. • Nghiên cứu động vật học. • Quản lý hàng hóa trong xí nghịêp, nhà kho... • Quản lý xe cộ qua trạm thu phí. • Lưu trữ thông tin bệnh nhân trong y khoa(mang theo người bệnh nhân đặc biệt

là bệnh nhân tâm thần). • Làm hộ chiếu, chứng minh nhân dân ( Mỹ ). • RFID trong xử phạt. • RFID trong an ninh quốc gia.


GVHD: ThS. Nguyễn Văn Nga Chương 3: Những đặc trưng cơ bản của công nghệ RFID

3.1 Các thành phần cơ bản của hệ thống RFID

Các thành phần chính trong hệ thống RFID là thẻ, đầu đọc (reader) và cơ sở dữ liệu. Tuy nhiên, một hệ thống RFID toàn diện bao gồm 4 thành phần :

ü Thẻ RFID (RFID tag, Transponder) được lập trình điện tử với thông tin duy nhất.

ü Các đầu đọc (Reader) hoặc cảm biến (sensor) để truy vấn các thẻ. ü Anten thu, phát sóng vô tuyến. ü Host computer – server, nơi mà máy chủ và hệ thống phần mềm giao diện

với hệ thống được tải. Nó cũng có thể phân phối phần mềm trong các reader và cảm biến. Cơ sở hạ tầng truyền thông là thành phần bắt buộc, nó là một tập gồm cả hai mạng có dây và không dây và các bộ phận kết nối tuần tự để kết nối các thành phần đã liệt kê ở trên với nhau để chúng truyền với nhau hiệu quả.

Hình 3.1 – Hệ thống RFID toàn diện

3.2 Transponder 3.2.1 Giới thiệu tổng quát transponder

Thành phần của transponder bao gồm một anten dùng kết nối với reader và một con chip dùng để lưu trữ dữ liệu. Dữ liệu được đọc ghi thông qua một reader thẻ (reader RFID) mà không phụ thuộc vào hướng hay vị trí chỉ cần transponder nằm trong vùng phủ sóng (phạm vi của reader).

Hình 3.2 – Hình dạng của một transponder điển hình



Hình 3.3 – Cấu trúc bên trong một transponder

Bộ nhớ chip trong transponder có thể chứa từ 96 đến 512 bit dữ liệu nhiều gấp 64 lần mã vạch. Thông tin lưu trữ trên chip có thể thay đổi được bởi sự tương tác của reader. Dung lượng lưu trữ cao có thể cho phép ta lưu trữ nhiều thông tin đa dạng cùng một lúc.

Chip trên thẻ được gắn kèm với một anten chuyển tín hiệu đến máy đọc và máy này chuyển đổi sóng điện từ từ transponder cung cấp sang một dạng mã liên quan để xác định thông tin và xử lý cơ sở dữ liệu trên máy tính do người điều hành quản lý giám sát.

Các transponder rất mỏng và có kích cỡ vừa phải tương đương như một thẻ tín dụng bình thường vì nó đơn giản cũng chỉ cần một anten và một diode

3.2.2 Phân loại transponder

Tùy thuộc vào chức năng và các chuNn mà transponder được phân loại thành nhiều loại khác nhau :

• Thẻ thụ động ( Passive tag). • Thẻ tích cực (Active tag). • Thẻ bán thụ động (Semi-Pasive tag).

Phân loại theo khả năng ghi/ đọc dữ liệu : • Thẻ chỉ đọc ( Read Only). • Thẻ cho phép ghi một lần, đọc nhiều lần (Write once Read many, WORM). • Thẻ ghi – đọc (Write - Read)

3.2.2.1 Thẻ thụ động (Passive tag) Không có nguồn điện bên trong. Sóng vô tuyến phát ra từ reader sẽ truyền một

dòng điện nhỏ đủ để kích hoạt hệ thống mạch điện trong thẻ giúp nó gửi lại tín hiệu hồi đáp.

Có thể truyền mã số nhận dạng và lưu trữ một số thông tin về đối tượng được nhận dạng.

Có kích thước rất nhỏ và mỏng hơn một tờ giấy bình thường, do vậy nó có thể được cấy vào dưới da.

Có tuổi thọ rất cao. Tầm hoạt động : từ 10 cm đến vài mét, tùy theo tần số sử dụng. Giá thành : khoảng 0,2 đô-la.



Hình 3.4 – Sơ đồ khối của một thẻ thụ động

3.2.2.2 Thẻ chủ động (Active tag) Được tích hợp một nguồn điện giúp nó tự gửi tín hiệu đến reader. Cường độ tín

hiệu của loại thẻ này, do vậy mạnh hơn tín hiệu của thẻ thụ động, cho phép nó hoạt động có hiệu quả hơn trong môi trường nước (trong cơ thể con người hay động vật) hay kim loại (xe cộ, container).

Một số thẻ còn được tích hợp các bộ cảm biến để đo độ Nm, độ rung, độ phóng xạ, ánh sáng, nhiệt độ...

Tuổi thọ của pin lên đến 10 năm. Tầm hoạt động: vài trăm mét, tùy theo tần số sử dụng. Giá thành : 10-25 đô la.

Thẻ thụ động Thẻ tích cực

Nguồn công suất Lấy từ bên ngoài (Do reader cung cấp)

Bên trong(Pin)

Khả năng đọc thẻ Chỉ trong phạm vi bao phủ của reader, thông thường có thể lên tới 3m.

Có thể phát tín hiệu qua một khoảng cách khá xa, thường thì có thể lên tới 100m.

Năng lượng Một thẻ thụ động được cấp năng lượng chỉ khi nó nằm trong phạm vi của reader.

Một thẻ tích cực thì luôn có năng lượng.

Cường độ trường điện từ

Cao, khi thẻ từ lấy công suất từ trường điện từ được cung cấp bởi reader.

Thấp, khi thẻ cho phép tín hiệu sử dụng nguồn pin nội bộ.

Tuổi thọ Rất cao. Dưới 5 năm, vì bị giới hạn bởi tuổi thọ của pin.

Lượng dữ liệu lưu trữ

Lưu trữ dữ liệu có giới hạn, thường khoảng 128 bytes.

Có thể lưu trữ một lượng dữ liệu lớn hơn.

Bảng 3.1 – So sánh thẻ thụ động và thẻ tích cực 3.2.2.3 Thẻ bán thụ động (Semi –Passive tag)



Thẻ bán tích cực có một nguồn năng lượng bên trong (chẳng hạn là bộ pin) và điện tử học bên trong để thực thi những nhiệm vụ chuyên dụng. Nguồn bên trong cung cấp năng lượng cho thẻ hoạt động. Tuy nhiên trong quá trình truyền dữ liệu, thẻ bán tích cực sử dụng nguồn từ reader. Thẻ bán tích cực được gọi là thẻ có hỗ trợ pin (battery-assisted tag).

Hình 3.5 : Cấu trúc của thẻ bán thụ động

Đối với loại thẻ này, trong quá trình truyền giữa thẻ và reader thì reader luôn truyền trước rồi đến thẻ. Tại sao sử dụng thẻ bán tích cực mà không sử dụng thẻ thụ động ? Bởi vì thẻ bán tích cực không sử dụng tín hiệu của reader như thẻ thụ động, nó tự kích động, nó có thể đọc ở khoảng cách xa hơn thẻ thụ động. Bởi vì không cần thời gian tiếp năng lượng cho thẻ bán tích cực, thẻ có thể nằm trong phạm vi đọc của reader ít hơn thời gian đọc quy định (không giống như thẻ thụ động). Vì vậy nếu đối tượng được gắn thẻ đang di chuyển ở tốc độ cao, dữ liệu thẻ có thể vẫn được đọc nếu sử dụng thẻ bán tích cực. Thẻ bán tích cực cũng cho phép đọc tốt hơn ngay cả khi gắn thẻ bằng những vật liệu chắn tần số vô tuyến (RF-opaque và RF-absorbent). Sự có mặt của những vật liệu này có thể ngăn không cho thẻ thụ động hoạt động đúng dẫn đến việc truyền dữ liệu không thành công. Tuy nhiên, đây không phải là vấn đề khó khăn đối với thẻ bán tích cực.

Phạm vi đọc của thẻ bán tích cực có thể lên đến 100 feet (xấp xỉ 30.5 m) với điều kiện lý tưởng bằng cách sử dụng mô hình tán xạ đã được điều chế (modulated back scatter) (trong UHF và sóng vi ba). 3.2.2.4 Thẻ chỉ đọc (Read Only)

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 riêng lẻ trên vi mạch của thẻ được gắn 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 sẽ đưa dữ liệu lên thẻ và người sử dụng thẻ không thể điều chỉnh được. 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 theo yêu cầu của khác hàng dựa trên ứng dụng. Loại thẻ này được sử dụng trong các ứng dụng kinh doanh và hàng không nhỏ.

3.2.2.5 Thẻ cho phép ghi một lần, đọc nhiều lần (WORM)

Thẻ WORM có thể được ghi dữ liệu một lần, mà thường thì không phải được ghi bởi nhà sản xuất mà bởi người sử dụng thẻ ngay lúc thẻ cần được ghi. Tuy nhiên trong thực tế thì có thể ghi được vài lần (khoảng 100 lần). Nếu ghi quá số lần cho phép, thẻ có thể bị phá hỏng vĩnh viễn. Thẻ WORM được gọi là field programmable. Loại thẻ này có giá cả và hiệu suất tốt, có an toàn dữ liệu và là loại thẻ phổ biến nhất trong lĩnh vực kinh doanh ngày nay.



3.2.2.6 Thẻ đọc-ghi(Read - Write) Thẻ RW có thể ghi dữ liệu được nhiều lần, khoảng từ 10.000 đến 100.000 lần hoặc

có thể hơn nữa. Việc này đem lại lợi ích rất lớn vì dữ liệu có thể được ghi bởi reader hoặc bởi thẻ (nếu là thẻ tích cực). Thẻ RW gồm thiết bị nhớ Flash và FRAM để lưu dữ liệu. Thẻ RW được gọi là field programmable hoặc reprogrammable. Sự an toàn dữ liệu là một thách thức đối với thẻ RW. Thêm vào nữa là loại thẻ này thường đắt nhất. Thẻ RW không được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng ngày nay, trong tương lai có thể công nghệ thẻ phát triển thì chi phí thẻ giảm xuống.

3.2.3 Các dạng cấu trúc của transponder

• Dạng Disks và dạng coins Dạng cấu trúc phổ biến nhất được gọi là “disk” hoặc “coin”, một transponder tiêm vào trong một vỏ tròn, với giới hạn đường kính từ vài millimetres đến 10 centimetres . Thường có một lỗ tròn ở trung tâm để định vị.

Hình 3.6 – Các dạng cấu trúc khác nhau của disk transponder

• Dạng glass housing Dạng transponder này được ứng dụng trong các hệ thống nhận dạng động vật. Nó được tiêm vào dưới lớp da của động vật.

Hình 3.7 – Cấu trúc củatransponder thủy tinh

Chip RFID được đặt trong các ống thủy tinh, kích thước từ 12 -32 mm. Cuộn dây anten của transponder có kích thước khoảng 0.03mm và quấn quanh một lõi ferit sắt.

Hình 3.8 – Cấu trúc bên trong củatransponder thủy tinh

• Dạng plastic housing



Dạng plastic housing được phát triển trong các ứng dụng yều cầu tính cơ học cao. Dạng này có thể dễ dàng tích hợp vào trong các sản phNm khác nhau, ví dụ như chìa khóa xe ô tô .

Hình 3.9 – Dạng thẻ nhựa,sản ph:m của Philips Electronics

• Dạng key và key fobs. Các transponder được tích hợp vào trong các chìa khóa cho các hệ thống cố định

hoặc các ứng dụng khóa cửa yêu cầu độ an toàn cao. Trong các ứng dụng này, transponder đóng vai trò làm chìa khóa và reader làm nhiệm vụ khóa.

Hình 3.10 : Transponder dạng key, sản ph:m của Intermarketing

• Dạng thẻ thông minh không tiếp xúc

Hình 3.11 – Transponder dạng thẻ không tiếp xúc

Dạng thẻ thông minh được phát triển dựa trên thẻ tín dụng , thẻ điện thoại. Một ưu điểm của dạng thẻ này là diện tích cuộn dây lơn nên nó có khả năng làm tăng phạm vi hoạt động của hệ thống RFID.

• Dạng Coil-on-chip Trong các dạng cấu trúc của transponder được kể trên, các transponder có hai phần riêng biệt đó là cuộn dây của transponder đóng vai trò như là một angten, và chip transpoder. Dưới đây là dạng transponder mà chúng ta đã tích hợp chip và cuộn dây của transponder. Vì vậy mà dạng transponder này thường có kích thước rất nhỏ khoảng 3mm.

Hình 3.12 – Transponder dạng coil-on-chip

Ngoài ra còn có các dạng cấu trúc khác như: dạng smartlabel, dạng clock.



3.3 Đầu đọc (Reader)

Một reader điển hình một module tần số vô tuyến (máy phát và máy thu) là một đơn vị điều khiển và là phần tử kết nối đến bộ phát đáp. Ngoài ra, các reader còn được gắn với một giao diện bổ sung (RS232,RS485…) để chúng có thể chuyển dữ liệu đọc đến các hệ thống khác (PC, hệ thống điều khiển robot…)

Reader RFID được gọi là vật tra hỏi (interrogator), là một thiết bị đọc và ghi dữ liệu các transponder tương thích. Hoạt động ghi dữ liệu lên thẻ bằng reader được gọi là tạo thẻ. Quá trình tạo thẻ và kết nối thẻ với một đối tượng được gọi là đưa thẻ vào hoạt động (commissioning the tag).

Reader là hệ thần kinh trung ương của toàn hệ thống, phần cứng RFID thiết lập việc truyền với thành phần này và điều khiển nó, là thao tác quan trọng nhất của bất kỳ thực thể nào muốn liên kết với thực thể của phần cứng này.

Một reader có cấu trúc layout như sau:

Hình 3.13 – Cấu trúc layout cơ bản của một reader

Các thành phần chính của reader bao gồm: • Máy phát (Transmitter) • Máy thu (Recever) • Vi mạch (Microprocessor) • Bộ nhớ • Kênh vào/ra đối với các cảm biến, cơ cấu truyền động đầu từ, bảng tín hiệu báo bên

ngoài (mặc dù nói đúng ra đây là nhưng thành phần không bắt buộc, chúng hầu như luôn được cung cấp với một reader thương mại).

• Mạch điều khiển (có thể nó được đặt bên ngoài). • Mạch truyền thông. • Nguồn năng lượng

3.3.1 Các thành phần chính của reader

v Máy phát Máy phát của reader truyền nguồn AC và chu kỳ xung đồng hồ qua anten của nó

đến thẻ trong phạm vi đọc cho phép, nó chịu trách nhiệm gửi tín hiệu của reader đến môi trường xung quanh và nhận lại đáp ứng của thẻ qua anten của reader.

v Máy thu



Máy thu nhận tín hiệu tương tự từ thẻ qua anten của mạch đọc để nó truyền thông với thẻ tương thích với nó. Nó thực hiện việc giải mã và kiểm tra lỗi tín hiệu nhận tương tự nhận từ máy thu.

v Bộ nhớ Bộ nhớ dùng lưu trữ dữ liệu như các tham số cấu hình reader và một bản kê khai

các lần đọc. Vì vậy nếu việc kết nối giữa reader và hệ thống mạch điều khiển/phần mềm bị hỏng thì tất cả dữ liệu thẻ đã đọc không bị mất.

v Các kênh nhập/xuất của các cảm biến, cơ cấu truyền động đầu từ và bảng tín hiệu điện báo bên ngoài

Các reader không cần bật suốt. Các thẻ có thể chỉ xuất hiện lúc nào đó và rời khỏi mạch đọc mãi cho nen việc bật reader suốt sẽ gây lãng phí năng lượng. Thêm nữa là giới hạn vừa đề cập ở trên cũng ảnh hưởng đến chu kỳ làm việc của reader. Thành phần này cung cấp một cơ chế bật và tắt reader tùy thuộc vào các sự kiện bên ngoài. Có một số loại cảm biến như cảm biến về ánh sáng hoặc sự chuyển động để phát hiện các đối tượng được gắn thẻ trong phạm vi đọc của reader. Cảm biến này cho phép reader bật lên để đọc thẻ. Thành phần này cũng cho phép reader cung cấp xuất cục bộ tùy thuộc vào một số điều kiện qua một bảng tín hiệu điện báo (chẳng hạn, báo bằng âm thanh) hoặc cơ cấu truyền động đầu từ (chẳng hạn, mở hoặc đóng van an toàn, di chuyển một cánh tay robot,…)

v Mạch điều khiển Mạch điều khiển là một thực thể cho phép thực thể bên ngoài là con người hoặc

chương trình máy tính giao tiếp, điều khiển các chức năng của reader, điều khiển bảng tín hiệu điện báo và cơ cấu truyền động đầu từ kết hợp với reader này. Thường thì các nhà sản xuất hợp nhất thành phần này vào reader (như phần mềm hệ thống (firm ware)).

v Giao diện truyền thông Thành phần giao diện truyền thông cung cấp các lệnh truyền đến reader, nó cho

phép tương tác với các thực thể bên ngoài qua mạch điều khiển, để truyền dữ liệu của nó, nhận lệnh và gởi lại đáp ứng. Thành phần giao diện này cũng có thể xem là một phần của mạch điều khiển hoặc là phương tiện truyền giữa mạch điều khiển và các thực thể bên ngoài. Thực thể này có những đặc điểm quan trọng cần xem nó như một thành phần độc lập. Reader có thể có một giao diện tuần tự. Giao diện tuần tự là loại giao diện phổ biến nhất nhưng các reader thế hệ sau sẽ được phát triển giao diện mạng thành một tính năng chuNn. Các reader phức tạp có các tính năng như tự phát hiện bằng chương trình ứng dụng, có gắn các web server cho phép reader nhận lệnh và trình bày kết quả dùng một trình duyệt web chuNn.

v Nguồn năng lượng

Thành phần này cung cấp nguồn năng lượng cho các thành phần của reader. Nguồn năng lượng được cung cấp cho các thành phần này qua một dây dẫn điện được kết nối với một ngõ ra bên ngoài thích hợp. 3.3.2 Phân loại mạch đọc

Reader được phân loại chủ yếu theo tiêu chuNn là giao diện mà reader cung cấp cho việc truyền thông. Trong tiêu chuNn này, reader có thể được phân loại ra như sau:

• Serial reader • Network reader v Serial reader– Reader nối tiếp

Serial reader sử dụng liên kết serial để truyền với một ứng dụng. Reader kết nối đến cổng serial của máy tính dùng kết nối tuần tự RS232 hoặc RS485. Cả hai loại kết nối này đều có giới hạn trên về chiều dài cáp sử dụng kết nối reader với máy tính. ChuNn RS485 cho phép cáp dài hơn chuNn RS232.



Ưu điểm của serial reader là có độ tin cậy cao hơn network reader. Vì vậy sử dụng reader loại này được khuyến khích nhằm làm tối thiểu sự phụ thuộc vào một kênh truyền.

Nhược điểm của serial reader là phụ thuộc vào chiều dài tối đa của cáp sử dụng để kết nối một reader với máy tính. Thêm nữa, thường thì trên một máy chủ thì số cổng serial bị hạn chế. Tốc độ truyền dữ liệu serial thường thấp hơn tốc độ truyền dữ liệu mạng. Những nhân tố này dẫn đến chi phí bảo dưỡng cao hơn và thời gian chết đáng kể.

v Network reader – Reader mạng Network reader kết nối với máy tính sử dụng cả mạng dây và không dây. Thực tế,

reader hoạt động như thiết bị mạng. Ưu điểm của network reader là không phụ thuộc vào chiều dài tối đa của cáp kết

nối reader và máy tính. Sử dụng ít máy chủ hơn so với serial reader. Thêm nữa là phần mềm hệ thống của reader có thể được cập nhật từ xa qua mạng.

Nhược điểm của network reader là việc truyền không đáng tin cậy bằng serial reader. 3.3.3 Cơ chế truyền cơ bản giữa thẻ và reader

Tùy thuộc vào loại thẻ, việc truyền giữa reader và thẻ có thể theo một trong những cách sau:

• Modulate backscatter. – tán xạ điều chế • Kiểu máy phát (transmitter type)

Trước khi nghiên cứu sâu vào loại truyền thông, ta phải hiểu được khái niệm near field (trường gần) và far field (trường xa).

Phạm vi giữa anten của reader và một bước sóng của sóng RF được phát bởi anten được gọi là near field. Phạm vi ngoài bước sóng của sóng RF đã phát ra từ anten của reader gọi là far field. Các hệ thống RFID thụ động hoạt động ở băng tần LF và HF sử dụng việc truyền thông near field trong khi băng tần UHF và sóng vi ba sử dụng far field. Cường độ tín hiệu trong truyền thông near field yếu đi lập phương khoảng cách từ anten của reader. Trong far field, nó giảm đi bình phương khoảng cách từ anten của reader. Cho nên truyền thông far field được kết hợp với phạm vi đọc dài hơn truyền thông near field.

Hình 3.14 – Cơ chế truyền ở trường gần, trường xa giữa thẻ và reader

Tiếp theo so sánh việc đọc thẻ và ghi thẻ. Việc ghi thẻ mất nhiều thời gian hơn việc đọc thẻ trong cùng điều kiện vì hoạt động ghi gồm nhiều bước, bao gồm việc xác minh ban đầu, xóa dữ liệu còn tồn tại trên thẻ, ghi dữ liệu mới lên thẻ. Và giai đoạn xác minh lần cuối. Thêm nữa là dữ liệu được ghi trên thẻ theo khối bằng nhiều bước. Vì vậy việc ghi thẻ có thể mất cả trăm giây mới hoàn thành cùng với việc tăng kích thước dữ liệu. Ngược lại, có một số thẻ có thể được đọc trong khoảng thời gian này với cùng reader. Việc ghi thẻ là



quá trình dễ bị ảnh hưởng cần đặt thẻ gần anten của reader hơn khoảng cách đọc tương ứng. Việc đặt gần nhằm cho phép anten của thẻ có thể nhận được đủ năng lượng từ tín hiệu anten của reader để cấp nguồn cho vi mạch của nó giúp nó có thể thực thi các lệnh ghi. Nhu cầu năng lượng đối với quá trình ghi thường cao hơn quá trình đọc.

v Modulated backscatter – điều chế tán xạ Việc truyền modulater áp dụng cho cả thẻ thụ động và bán tích cực. Trong kiểu

truyền thông này, reader gửi đi tín hiệu RF sóng liên tục (continuos wave – CW) gồm có nguồn AC và tín hiệu xung cho thẻ cùng tần số sóng mang (carrier frequency – tần số mà reader hoạt động). Nhờ việc kết nối (nghĩa là cơ chế truyền năng lượng giữa reader và thẻ) mà anten của thẻ cung cấp nguồn điện cho vi mạch. Từ kích thích thường ám chỉ việc vi mạch của thẻ thụ động nhận năng lượng từ tín hiệu của reader để tự tiếp sinh lực. Vi mạch cần khoảng 1.2V từ tín hiệu của reader để tiếp sinh lực đối với việc đọc. Còn đối với việc ghi thì vi mạch thường cần khoảng 2.2V từ tín hiệu của reader. Hiện nay, vi mạch điều chỉnh thay đổi tín hiệu nhập thành một chuỗi mô hình mở, tắt trình bày dữ liệu của nó và truyền nó trở lại. Khi reader nhận tín hiệu đã điều chế, nó giải mã mô hình và thu được dữ liệu thẻ.

Vì vậy trong mô hình truyền modulated backscatter, reader luôn “talks” trước sau đó mới tới thẻ. Thẻ sử dụng mô hình này không thể truyền khi không có mặt reader vì nó phụ thuộc hoàn toàn vào năng lượng của reader để truyền dữ liệu của nó.

Hình 3.15 – Cơ chế truyền modulated backscatter của thẻ thụ động

Hình 3.16 : Cơ chế truyền modulated backscatter của thẻ bán thụ động

v Kiểu máy phát Kiểu truyền này chỉ áp dụng cho thẻ tích cực. Trong kiểu truyền này, thẻ phát tán

thông điệp xung quanh môi trường với khoảng cách theo quy định, bất kể reader có hay không có mặt ở đó. Vì vậy trong kiểu truyền này, thẻ luôn luôn “talks” trước reader.



Hình 3.17 – Cơ chế truyền kiểu máy phát của thẻ tích cực

3.4 Database Database là hệ thống thông tin phụ trợ để theo dõi và chứa thông tin về item có

đính thẻ. Thông tin được lưu trong database bao gồm item, phần mô tả, nhà sản xuất, hoạt động của item, vị trí. Kiểu thông tin chứa trong database sẽ biến đổi tùy theo ứng dụng. Chẳng hạn dữ liệu được lưu trữ trong hệ thống thu lệ phí đường sẽ khác với dữ liệu được lưu cho một dây chuyền cung cấp cũng như khác với quản lý nhân viên trong một công ty. Các database cũng có thể được kết nối đến các mạng khác như mạng LAN để đưa database lên Internet. Việc kết nối này cho phép dữ liệu chia sẻ với một database cục bộ mà thông tin được thu thập trước tiên từ nó.

3.5 Phương thức làm việc của RFID Một hệ thống RFID đơn giản nhất có ba thành phần cơ bản: thẻ, reader, và một máy chủ. Transponder gồm chip bán dẫn nhỏ và anten được thu nhỏ trong một số hình thức đóng gói. Mỗi thẻ được lập trình với một nhận dạng duy nhất cho phép theo dõi không dây đối tượng hoặc con người đang gắn thẻ đó. Bởi vì các chip được sử dụng trong transponder có thể giữ một số lượng lớn dữ liệu, chúng có thể chứa thông tin như chuỗi số, thời dấu, hướng dẫn cấu hình, dữ liệu kỹ thuật, sổ sách y học, và lịch trình.

Hình 3.18 : Quá trình làm việc của thẻ và reader

Các thẻ có thể được cấp nguồn bởi một bộ pin thu nhỏ trong thẻ (các thẻ tíchcực) hoặc bởi reader mà nó “wake up” thẻ để yêu cầu trả lời khi thẻ đang trong phạm vi (thẻ passive).

Thẻ tích cực đọc xa 100 feet tính từ reader và có thể là thẻ “thông minh” (với bộ nhớ được viết lên và xóa như một ổ cứng máy tính) hoặc là thẻ RO. Thẻ thụ động có thể được đọc xa reader 20 feet và có bộ nhớ RO. Kích thước thẻ và giá cả, dải đọc, độ chính xác đọc/ghi, tốc độ dữ liệu và chức năng hệ thống thay đổi theo đặc điểm nêu ra



trong thiết kế và dải tần hệ thống RFID sử dụng. Thẻ nhận sóng truyền từreader và nhờ bộ chuyển đổi sang DC và nhờ bộ điều chế để nhận chuỗi bit từ reader truyền tới. Tiếp đến thẻ gửi sóng mang chứa dữ liệu phát đến reader. Sau đó được điều chế (giả sử dùng QAM) là một số phức và được xếp vào biểu đồ chòm sao theo quy luật mã Gray trên 2 trục Re (thực) và Im(ảo). Vị trí của mỗi điểm tín hiệu (số phức) trên biểu đồ chòm sao phản ánh thông tin về biên độ và pha của các sóng mang. Quá trình biến đổi FFT sẽ biến đổi các số phức biểu diễn các sóng mang trong miền tần số thành các số phức biểu diễn các sóng mang trong miền thời gian rời rạc. Trong thực tế các thành phần Re và Im được biểu diễn bằng chuỗi nhị phân được bộ điều chế IQ sử dụng đểđiều chế sóng mang cũng được biểu diễn bằng một chuỗi nhị phân. Chuỗi nhị phân sau điều chế IQ được biến đổi DA để nhận được tín hiệu trong băng tần cơ bản. Quá trình xử lý ở phía thẻ sẽ thực hiện biển đổi FFT để tạo các điểm điều chế phức của từng sóng mang phụ trong symbol OFDM (bản chất của quá trình tạo tín hiệu OFDM là phân tích chuỗi bit đầu vào thành các sóng mang đã được điều chế theo một kiểu nào đó trong miền thời gian liên tục), sau khi giải định vị (Demapping) xác định biểu đồ bit tương ứng các tổ hợp bit được cộng lại để khôi phục dòng dữ liệu đã truyền.

Hình 3.19 – Quá trình truyền nhận dữ liệu giữa thẻ và reader

Reader gồm một anten liên lạc với thẻ và một đơn vị đo điện tử học đã được nối mạng với máy chủ. Đơn vị đo tiếp sóng giữa máy chủ và tất cả các thẻ trong phạm vi đọc của anten, cho phép một reader liên lạc với hàng trăm thẻ đồng thời. Nó cũng thực thi các chức năng bảo mật như mã hóa/ giải mã và xác thực người dùng.

Reader có thể phát hiện thẻ ngay cả khi không nhìn thấy chúng. Hầu hết các mạng RFID gồm nhiều thẻ và nhiều reader được nối mạng với nhau bởi một máy tính trung tâm, hầu như thường là một trạm làm việc gọn để bàn. Máy chủ xử lý dữ liệu mà các reader thu thập từ các thẻ và dịch nó giữa mạng RFID và các hệ thống công nghệ thông tin lớn hơn, mà nơi đó quản lý dây chuyền hoặc cơ sở dữ liệu quản lý có thể thực thi. “Middleware” phần mềm nối hệ thống RFID với một hệ thống quản lý luồng dữ liệu.

3.6 Nguyên lý Master – Slave giữa phần mềm ứng dụng, reader,

transponder Một phần mềm ứng dụng được thiết kế để đọc dữ liệu từ một bộ mang dữ liệu không tiếp xúc (transponder) hoặc ghi dữ liệu lên một bộ mang dữ liệu không tiếp xúc, yêu cầu một reader không tiếp xúc như là một giao diện. Sự ghi /đọc dữ liệu bao gồm một bộ mang dữ liệu không tiếp xúc hoạt động dựa trên nguyên lý Master – Slave. Điều này có nghĩa là tất cả các hoạt động của transponder, reader đều được khởi tạo bằng phần mềm ứng dụng. Trong một hệ thống cấu trúc có thứ bậc thì phần mềm ứng dụng đóng vai trò là



trạm chủ, trong khi reader đóng vai trò như là trạm tớ, chỉ hoạt động khi lệnh ghi/đọc nhận được từ phần mềm ứng dụng.

Hình 3.20 – Nguyên lý Master – Slave giữa phần mềm ứng dụng, reader,

transponder

Để thực hiện một lệnh từ phần mềm ứng dụng, đầu tiên reader thực hiện việc giao tiếp với một transponder. Lúc này reader đóng vai trò là trạm chủ đối với transponder. Do đó các transponder chỉ thực hiện những lệnh từ reader và không bao giờ hoạt động độc lập. Một lệnh đọc đơn giản gửi từ phần mềm ứng dụng đến reader có thể khởi tạo một chuỗi các bước truyền thông giữa reader và transponder .

3.7 Tiêu chunn để lựa chọn hệ thống RFID 3.7.1 Tần số hoạt động

RFID 125kHz – 13,56 Mhz: Sử dụng cho các hệ thống đăng nhập ra/vào, thông thường gọi là công nghệ cảm ứng (proximity), khoảng cách đọc rất ngắn (khoảng 10 cm). Khoảng cách đọc rất ngắn nên nếu có nhiều thiết bị reader gắn cạnh nhau vẫn không xảy ra hiện tượng nhiễu điện từ.

RFID 400 – 900 Mhz: Sử dụng cho ứng dụng quản lý kho. Vùng phủ sóng của thiết bị đọc là vô hướng nên nhiều reader gắn cạnh nhau sẽ xảy ra hiện tương nhiễu điện từ, 2 reader không hoạt động được cùng lúc khi lắp đặt gần nhau.

RFID 2.45 Ghz – 5.8Ghz: Hoàn toàn khác với RFID tần số thấp nêu trên, khoảng cách đọc lên đến 10m, vận tốc di chuyển của thẻ (ID-Tag) cao (120km/h) vẫn đọc tốt, giới hạn và định hướng được vùng giao tiếp của thiết bị đọc (Reader), không nhiễu điện từ (hiện tương giao thoa sóng) khi có hơn 2 Reader lắp đặt gần nhau, không trả phí sử dụng tần số, không trùng với sóng GSM, ID-Tag tiết kiệm pin với thời gian sử dụng là 6 năm. 3.7.2 Phạm vi hoạt động

Phạm vi hoạt động phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố điển hình : - Vị trí của transponder - Phạm vi hoạt động của transponder và reader ảnh hưởng của môi trường xung

quanh - Tốc độ di chuyển của transponder trong phạm vi của reader

Trong các ứng dụng khi đưa thẻ vào khu vực nhận biết thì những yếu tố khoảng cách và tốc độ là cần thiết .

3.7.3 Yêu cầu tính bảo mật

Các hệ thống nhận dạng luôn đòi hỏi phải có tính bảo mật cao, đặc biệt hệ thống RFID đó là điều kiện bắt buộc, ví dụ sự mã hóa, sự xác nhận, phải được giải quyết rất cNn thận để loại bỏ được nhiễu xuất hiện trong quá trình hệ thống hoạt động. Do yêu cầu bảo mật mà hệ thống RFID được chia làm hai nhóm:

- Các ứng dụng trong công nghiệp hay các ứng dụng trong chu trình kín. - Các ứng dụng trong công cộng có liên quan đến tài sản/tiền.



3.7.4 Yêu cầu về khả năng bộ nhớ Kích cỡ của dữ liệu được quyết định bởi khả năng lưu trữ của bộ nhớ. Dung lượng

bộ nhớ ảnh hưởng đến yêu cầu về lượng thông tin. Dữ liệu chủ yếu được lưu trữ trong cơ sở dữ liệu của máy tính điều khiển. Nếu dữ liệu cần ghi lên transponder thì ta cần có bộ nhớ EEPROM hoặc RAM.

Các bộ nhớ EEPROM chủ yếu được sử dụng trong các hệ thống kết nối cảm ứng, dung lượng bộ nhớ khoảng 16 byte đến 8 Kbyte.

Bộ nhớ RAM với pin hỗ trợ chủ yếu dùng cho sóng ngắn dung lượng nằm trong khoảng 256 byte đến 64 Kbyte. 3.8 Sự mã hóa (coding) và sự điều biến (Modulation)

Hình 3.21 – Dữ liệu và dòng dữ liệu trong hệ thống truyền thông số

Tương tự, sự trao đổi dữ liệu giữa reader và transponder trong một hệ thống RFID yêu cầu ba khối chức năng chính. Từ reader đến transponder – chiều trao đổi dữ liệu, gồm có: khối mã hóa tín hiệu và “điều biến” trong reader, khối trao đổi trung gian (transmission medium), khối “giải điều biến” và giải mã tín hiệu trong transponder.

Một hệ thống mã hóa tín hiệu mang thông tin được truyền và tín hiệu tương ứng của nó và làm cho nó phù hợp nhất với các đặc điểm của khối truyền phát trung gian. Quá trình này cung cấp thông tin có độ bảo vệ để chống lại nhiễu hoặc sự xung đột và chống lại sự thay đổi đặc điểm của một tín hiệu nào đó. Sự mã hóa tín hiệu không được nhầm lẫn với sự “điều biến”, và vì vậy nó mã hóa dựa trên dải cơ bản.

- “ Điều biến ” là quá trình làm thay đổi các thông số của tín hiệu của bộ mang tần số ví dụ như biên độ, tần số, và pha của nó trong mối quan hệ với tín hiệu “ điều biến “ và dải tín hiệu cơ bản.

- Sự truyền trung gian một thông tin trên một khoảng cách định trước. Trong các hệ thống RFID, từ trường và sóng điện từ được sử dụng làm phương tiện truyền tin.

- Sự “giải điều biến “ là một thủ tục “ điều biến “ thêm vào để phục hồi lại tín hiệu ở giải cơ bản. Như là thông tin nguồn ( tín hiệu đầu ) trong cả transponder và reader, và vì vậy thông tin được truyền lần lượt theo cả hai chiều “điều biến” và “giải điều biến”.

- Chức năng của giải mã tín hiệu là khôi phục lại thông tin nguồn ở dạng mã cơ bản và để phát hiện ra lỗi truyền và sự mất mát của tín hiệu.

Các dạng mã hóa: Trong mã vạch sử dụng các số “0” và “1” để biểu diễn. Trong các hệ thống RFID

thường sử dụng các thủ tục mã hóa sau: NRZ, Manchester, Unipolar RZ, DBP, Miller… + Mã NRZ, một số “1” nhị phân đại diện cho một tín hiệu mức cao, và một số “0”

đại diện cho một tín hiệu ở mức thấp. Mã NRZ được sử dụng hầu như không phù hợp với sự điều biến FSK hay PSK.

Hình 3.22 – Mã NRZ

+ Mã Manchester, một số nhị phân “1” đại diện cho sự chuyển đổi tín hiệu từ mức cao sang mức thấp và một số nhị phân “0” đại diện cho sự chuyển đổi tín hiệu từ mức thấp



sang mức cao. Mã Manchester thường được sử dụng để truyền dữ liệu từ transponder đến reader.

Hình 3.23 : Mã Manchester

+ Mã RZ đơn cực, một số “1” nhị phân đại diện cho một tín hiệu ở mức cao trong thời gian nửa chu kỳ đầu tiên, và một số “0” nhị phân đại diện cho một tín hiệu ở mức thấp trong toàn bộ thời gian còn lại của chu kỳ.

Hình 3.24 – Mã RZ đơn cực

+ Mã DBP, một số “0” nhị phân được mã hóa bởi sự chuyển đổi tín hiệu từ mức này sang mức khác trong một nửa chu kỳ, và một số “1” nhị phân được mã hóa bởi phần còn lại của chuyển đổi. Hơn nữa, mức tín hiệu bị đảo ngược ở thời điểm ban đầu của mỗi khoảng thời gian trích mẫu, vì vậy tín hiệu mẫu có thể dễ dàng được khôi phục ở bộ nhận.

Hình 3.25 – Mã DBP

+ Mã Miller, một số “1” nhị phân đại diện bởi một sự chuyển đổi mức tín hiệu trong một nửa thời gian trích mẫu, một số “0” nhị phân đại diện bởi sự kéo dài của mức “1” sang khoảng thời gian trích mẫu tiếp theo. Một chuổi các con số “0” tạo nên một sự chuyển đổi ở thời điểm bắt đầu của một thời gian trích mẫu, vì vậy mà tín hiệu mẫu có thể dễ dàng được khôi phục ở bộ nhận.

Hình 3.26 – Mã Miller

+ Mã Miller biến thể, trong dạng biển thể này của mã Miller mỗi sự chuyển đổi được thay bằng một xung “tiêu cực”.Dạng mã này rất phù hợp với các hệ thống RFID kết nối cảm ứng để truyền dữ liệu từ reader tới transponder.

Hình 3.27 – Mã Miller (dạng biến thể)


GVHD : ThS. Nguyễn Văn Nga Chương 5 : Giao thức truyền thông qua RS232 và RS485

5.1 Chunn RS232 Ghép nối qua cổng nối tíếp RS-232 là một trong những kỹ thuật được sử dụng rộng rãi nhất để ghép nối các thiết bị ngoại vi với máy tính. Qua cổng nối tiếp có thể ghép nối chuột, modem, thậm chí cả máy in (ví dụ các loại máy in Apple), bộ biến đổi A/D, các thiết bị đo lường… Số lượng và chủng loại các thiết bị ngoại vi ghép nối qua cổng nối tiếp đứng hàng đầu trong số các khả năng ghép nối với máy tính. Cách ghép nối này sử dụng phương pháp truyền thông theo kiểu nối tiếp, nghĩa là trong một thời điểm chỉ có một bit được gửi đi dọc theo một đường truyền. ChuNn RS-232 dùng một đường dẫn để truyền dữ liệu và một đường dẫn khác để nhận dữ liệu. 5.1.1 Vài nét về nguồn gốc: ChuNn RS-232 (RS = Recommended Standard) khi mới chỉ là chuNn không chính thức đã được nhiều công ty máy tính và thiết bị đo lường chấp nhận. Sau đó, Hiệp hội Các nhà công nghiệp Điện tử (EIA: The Electronic Industries Association) đã xây dựng thành một tiêu chuNn chính thức vào năm 1962. Đáng tiếc là tiêu chuNn này chỉ cho phép sử dụng đường truyền ngắn với tốc độ bit thấp, thí dụ như tốc độ bit là 19600 bps (bits per second) và khoảng cách cực đại là 20 mét. Các tiêu chuNn truyền thông nối tiếp ra đời sau như RS- 422, RS-449 và RS-485 cho phép truyền trên đường cáp rất dài với tốc độ bit cao. Chẳng hạn RS-422 cho phép truyền với tốc độ lên đến 10 Mbps và khoảng cách hơn 1000 mét, đồng thời có thể sử dụng cáp xoắn 2 sợi, cáp đồng trục và cáp quang. Có hai phiên bản RS-232 được lưu hành trong thời gian tương đối dài là RS-232B và RS-232C. Cho đến nay, RS-232B là phiên bản đã cũ, nay đã ít được sử dụng. Còn RS-232C hiện vẫn còn tồn tại và thường được gọi ngắn gọn là chuNn RS-232 (nhưng đây không phải là phiên bản ban đầu năm 1962). Ở một số nước Tây Âu, người ta còn gọi chuNn ghép nối RS-232 là chuNn V24. EIA đã công bố tiêu chuNn RS-232C với nỗ lực nhằm tạo ra khả năng ghép nối các thiết bị do nhiều nhà sản xuất làm ra mà không đòi hỏi có một tiêu chuNn đặc biệt cho từng trường hợp. Ngày nay, hầu hết các máy tính đều được trang bị một hay vài cổng nối tiếp RS-232, có thể là loại 9 chân hoặc 25 chân tùy đời máy và tùy mainboard hỗ trợ. Việc thiết kế giao tiếp với cổng RS-232 cũng tương đối dễ dàng, đặc biệt khi chọn chế độ hoạt động là không đồng bộ và dốc độ truyền dữ liệu thấp. Các mạch điện tích hợp cả bộ phát và bộ nhận RS-232 đã được các nhà sản xuất khác nhau thiết kế và chế tạo rất thành công, ví dụ như Motorola, National Semiconductor…

Các chip bộ phát RS-232 tiếp nhận mức điện áp TTL ở lối vào và biến đổi chúng thành các mức dành riêng cho RS-232 để truyền. Các chip bộ nhận thì làm việc ngược lại: tiếp nhận tín hiệu lối vào theo chuNn RS-232 và biến đổi sang các mức TTL tương ứng. Các bộ phận này đều nằm trên bản mạch chính hoặc trên một card vào/ra.

5.1.2 Các đặc trưng điện 5.1.2.1 Các mức điện áp đường truyền Tiêu chuNn RS-232 đầu tiên ngay từ khi ra đời đã mang vẻ lỗi thời của các chuNn TTL. Lý do là chuNn RS-232 vẫn sử dụng các mức điện áp tương thích TTL để mô tả các mức logic 0 và 1, giống như trường hợp cổng máy in (cổng song song). Ngoài mức điện áp, tiêu chuNn cũng cố định các giá trị trở kháng tải được đấu vào bus của bộ nhận và các trở kháng ra của bộ phát. Các mức điện áp của hai tiêu chuNn RS-232 cải tiến là RS-232B và RS-232C được mô tả trong bảng sau:



ChuNn Mức logic 0 Mức logic 1 RS-232B +5V đến +25V -25V đến -5V RS-232C +3V đến +12V -12V đến -3V

Bảng 5.1 – Chu:n điện áp RS-232 Ghi chú: Các mức điện áp trong phạm vi từ -3V ... +3V là trạng thái chuyển tiếp, còn trong các phạm vi -5V ... -3V và +3V ... +5V không được xác định và sẽ dẫn đến các kết quả không thể dự tính trước (đối với chuNn RS-232B). 5.1.2.2 Các đặc trưng khác (dùng cho chunn RS-232C là chunn thông

dụng nhất ngày nay) Ngoài đặc trưng về mức điện áp đường truyền, chuNn RS-232C còn có các đặc trưng khác như sau:

• Trở kháng tải về phía bộ nhận của mạch phải nằm trong khoảng từ 3000Ωđến 7000Ω. • Tốc độ truyền / nhận dữ liệu cực đại là 100 Kbps. • Các lối vào của bộ nhận phải có điện dung nhỏ hơn 2500 pF. • Độ dài của cáp nối giữa máy tính và thiết bị ghép nối qua cổng nối tiếp không thể vượt

quá 15 m nếu không sử dụng modem. • Các giá trị tốc độ Baud chuNn là: 50, 75, 110, 150, 300, 600, 1200, 2400, 4800, 9600,

19200, 28800, 38400, 56000, 115200 …

5.1.3 Đầu nối trên máy tính PC Hầu hết các máy tính cá nhân hiện nay đều được trang bị ít nhất là một cổng nối tiếp RS-232. Số lượng cổng có thể là 2, 3 hoặc thậm chí lên tới 4. Khi đó người ta quy ước đánh số thứ tự các cổng là COM1, COM2, COM3 và COM4 (nếu có). Có hai kiểu đầu nối được sử dụng cho cổng nối tiếp RS-232 là loại 9 chân (DB9) hoặc 25 chân (DB25). Tuy có cùng số chân với cổng song song (còn gọi là cổng máy in LPT) là 25 chân, nhưng cổng nối tiếp 25 chân trên máy tính là cổng đực (male) còn cổng song song là cổng cái (female). Nhờ đặc điểm này mà ta có thể phân biệt 2 loại cổng với nhau. Sơ đồ chân của cổng nối tiếp 9 chân và 25 chân như sau:

Hình 5.1 – Sơ đồ chân của cổng nối tiếp 9 chân



Hình 5.2 – Sơ đồ chân của cổng nối tiếp 25 chân

D25 D9 Tín hiệu Hướng truyền Mô tả 1 - - - Nối đất bảo vệ 2 3 TxD DTE à DCE Dữ liệu truyền 3 2 RxD DCE à DTE Dữ liệu nhận 4 7 RTS DTE à DCE DTE yêu cầu truyền dữ liệu 5 8 CTS DCE à DTE DCE sẵn sàng nhận dữ liệu 6 6 DSR DCE à DTE DCE sẵn sàng làm việc 7 5 GND - Nối đất 8 1 DCD DCE à DTE DCE phát hiện sóng mang 20 4 DTR DTE à DCE DTE sẵn sàng làm việc 22 9 RI DCE à DTE Báo chuông 23 - DSRD DCE à DTE Dò tốc độ truyền 24 - TSET DTE à DCE Tín hiệu định thời truyền đi từ DTE 15 - TSET DCE à DTE Tín hiệu định thời truyền từ DCE để

truyền dữ liệu 17 - RSET DCE à DTE Tín hiệu định thời truyền từ DCE để

nhận dữ liệu 18 - LL Kiểm tra cổng 21 - RL DCE à DTE Tạo ra bởi DCE khi tín hiệu nhận từ

DCE lỗi 14 - STxD DTE à DCE Dữ liệu truyền thứ 2 16 - SRxD DCE à DTE Dữ liệu nhận thứ 2 19 - SRTS DTE à DCE Yêu cầu gởi thứ 2 13 - SCTS DCE à DTE Xóa để gởi thứ 2 12 - SDSRD DCE à DTE Dò tốc độ truyền thứ 2 25 - TM Chế độ Test 9 - Dành riêng cho chế độ Test 10 - Dành riêng cho chế độ Test 11 - Không dùng

Bảng 5.2 – Chức năng các chân của RS232

5.1.4 Quá trình truyền dữ liệu 5.1.4.1 Quá trình truyền dữ liệu Việc truyền dữ liệu qua cổng nối tiếp RS-232 được thực hiện theo kiểu không đồng bộ. Vì thế, tại một thời điểm chỉ có một bit được truyền. Bộ truyền gửi một bit bắt đầu (start bit) để thông báo cho bộ nhận biết một ký tự sẽ được gửi đến trong lần truyền bit tiếp theo.



Bit này luôn bắt đấu ở mức 0. Tiếp theo là các bit dữ liệu (data bits) được gửi dưới dạng mã ASCII (có thể là 4, 5, 6, 7 hoặc 8 bit dữ liệu). Sau đó là một bit chẵn lẻ (parity bit, có thể có hoặc không) và cuối cùng là bit dừng (stop bit, có thể là 1, 1.5 hoặc 2 bit dừng). 5.1.4.2 Tốc độ Baud Một trong các tham số đặc trưng cho quá trình truyền dữ liệu qua cổng nối tiếp RS-232 là tốc độ truyền nhận dữ liệu, còn gọi là tốc độ bit. Tốc độ bít được định nghĩa là số bít truyền trong 1 giây. Cả bộ truyền và bộ nhận phải thiết lập để hoạt động cùng với tốc độ bit này. Ngoài tốc độ bit còn có một thuật ngữ khác được sử dụng để mô tả tốc độ truyền, đó là tốc độ Baud. Tốc độ bit phản ánh tốc độ thực tế mà các bit được truyền, còn tốc độ Baud liên quan đến tốc độ mà các phần tử mã hóa dữ liệu được sử dụng để diễn tả các bit được truyền. Bởi vì một phần tử báo hiệu sự mã hóa một bit, nên khi đó hai tốc độ là đồng nhất. Chỉ trong các odem, do có thêm quá trình biến đổi nên tốc độ bit mới khác tốc độ Baud. Một số tốc độ Baud thường dùng: 50, 75, 110, 150, 300, 600, 1200, 2400, 4800, 9600, 19200, 28800, 38400, 56000, 115200 … Một trong những yêu cầu quan trọng khi sử dụng chuNn truyền thông nối tiếp RS-232 là thời gian chuyển mức logic không được vượt quá 4% thời gian truyền 1 bit. Vì thế, nếu tốc độ bit càng cao, thời gian truyền 1 bit càng nhỏ, thì thời gian chuyển mức logic phải càng nhỏ. Vấn đề này làm giới hạn tốc độ Baud và khoảng cách truyền. Ví dụ, với tốc độ Baud là 19200, ta có thể truyền xa nhất là 50 feet (khoảng 15,24 m). 5.1.4.3 Bit chẵn lẻ (parity bit) Thực chất của quá trình kiểm tra lỗi khi truyền dữ liệu là bổ sung thêm dữ liệu vào dòng dữ liệu được truyền để tìm ra hoặc sửa chữa một lỗi trong quá trình truyền. ChuNn RS-232 sử dụng một kỹ thuật đơn giản được gọi là kiểm tra chẵn lẻ (parity checking). Một bit chẵn lẻ (parity bit) được bổ sung vào dữ liệu được truyền để cho thấy số lượng các bit “1” được gửi trong một khung truyền là chẵn (parity chẵn) hoặc lẻ (parity lẻ). Đây là một phương pháp đơn giản để mã hóa lỗi và chỉ cần một cổng XOR để tạo ra parity bit. Parity bit được bổ sung vào dữ liệu được truyền bằng cách chèn nó vào một vị trí chính xác của bit trong thanh ghi dịch.sau khi đã đếm xem có bao nhiêu bit “1” được gửi. Một parity bit chỉ có thể tìm ra một số lẻ các lỗi, chẳng hạn như 1, 3, 5, 7, … Nếu như có một số chẵn các bit mắc lỗi thì parity bit sẽ trùng giá trị với trường hợp không mắc lỗi và không thể phát hiện ra lỗi. Vì thế, kỹ thuật mã hóa lỗi này thường không được sử dụng trong trường hợp có khả năng một vài bit bị mắc lỗi. 5.1.5 Bắt tay (Hand –shaking) Việc truyền dữ liệu có thể tiến hành theo 3 cách: không có bắt tay, bắt tay bằng phần cứng và bắt tay bằng phần mềm. 5.1.5.1 Truyền dữ liệu không bắt tay Trong cách truyền dữ liệu này, người ta giả thiết rằng bộ nhận (receiver) có thể đọc dữ liệu từ bộ đệm nhận (receive buffer) trước khi ký tự khác được nhận về. Dữ liệu được gửi từ vị trí kết nối với chân TxD của bộ truyền (transmitter) và được nhận ở vị trí nối với chân RxD của bộ nhận. Khi DTE (chẳng hạn như một máy tính) nối với DTE khác thì TxD của thiết bị này sẽ nối với với RxD của thiết bị kia và ngược lại. Đồng thời các chân DTR và DSR được nối nhau, RTS và CTS được nối nhau trên cùng một thiết bị.



Hình 5.2 – Sơ đồ nối chân giữa DTE và DCE

5.1.5.2 Bắt tay bằng phần cứng

Bắt tay phần cứng làm dừng các ký tự trong bộ đệm nhận để khỏi bị ghi đè lên. Các đường dẫn được sử dụng đều được kích hoạt ở mức cao. Khi bộ truyền muốn truyền dữ liệu, nó cho đường dẫn RTS ở trạng thái hoạt động, rồi giám sát đường dẫn CTS cho tới khi đường dẫn này chuyển sang trạng thái hoạt động. Nếu CTS vẫn còn đang ở trạng thái chưa hoạt động nghĩa là bộ nhận đang bận, không thể nhận dữ liệu. Khi bộ nhận đọc từ bộ đệm nhận xong, đường dẫn RTS sẽ tự động chuyển sang trạng thái kích hoạt động để báo cho bộ truyền là nó đã sẵn sàng nhận dữ liệu. Việc nhận dữ liệu cũng diễn ra tương tự với việc truyền dữ liệu, khi đó các đường dẫn DSR và DTR được sử dụng.

5.2 Chunn RS-232 và RS-485 RS-232 và RS-485 là 2 chuNn truyền thông nối tiếp thông dụng nhất. Trong khi RS-

232 được sử dụng rất rộng rãi vì được tích hợp trong mọi máy tính cá nhân thì chuNn RS-485 được ra đời để áp dụng trong công nghiệp, nơi tồn tại những yêu cầu mà RS-232 không đáp ứng được. Giới hạn của chuNn RS-232 là ở tốc độ truyền thấp, khoảng cách truyền ngắn, khả năng chống nhiễu kém và chỉ có thể giao tiếp 2 thiết bị với nhau. Trong khi đó chuNn RS-485 có thể đáp ứng được tất cả các yêu cầu này:

• Tốc độ truyền cao tới hơn 100 kbps ở khoảng cách 1200m. • Giao tiếp được nhiều DTE với nhau cùng trên một đường truyền. • Khả năng triệt nhiễu cao.

ChuNn RS-232 sử dụng 3 chân Phát, Thu và Đất chung và quy định mức logic theo chuNn điện áp TTL. Vì mức logic được xác định bằng điện áp chênh lệch tuyệt đối so với đất nên rất dễ bị nhiễu can thiệp. Còn chuNn RS-485 sử dụng 2 chân truyền tín hiệu cho kênh phát hoặc thu và mức logic được xác định bởi điện áp chênh lệch tương đối giữa 2 chân này. Điện áp chênh lệch này lên tới vài chục volt và 2 đường dây truyền riêng biệt nên khi xuất hiện nhiễu chúng cùng 1 tác động như nhau nên RS-485 triệt nhiễu cực kỳ tốt. Vì mỗi kênh truyền có 2 đường dây nên có thể xoắn 2 đường dây này lại để tăng khả năng chống nhiễu.



Hình 5.3 - Ảnh hưởng của từ nhiễu lên dây truyền sóng

Sau đây là bảng tóm tắt các đặc tính khi so sánh 2 chuNn truyền RS232 và RS285. RS232 RS485 Số bộ phát tối đa 1 32 Số bộ thu tối đa 1 32 Chế độ hoạt động Song công toàn phần Song công bán phần Cấu trúc mạng Điểm – Điểm Đa điểm Khoảng cách truyền tối đa 15m 1200m Tốc độ truyền tối đa ở 15m 20Kbs 35Mbs Tốc độ truyền tối đa ở 1200m 100Kbs

Bảng 5.3 - So sánh RS232 và RS485


GVHD: ThS. Nguyễn Văn Nga Chương 4 : Các hệ thống RFID

Trong phần này, chúng ta sẽ tìm hiểu các hệ thống RFID cơ bản, cách thức hoạt động cũng như mối liên hệ giữa transponder và reader. Chúng ta quan tâm đến 2 vấn đề chính: năng lượng cung cấp cho transponder và phương thức truyền dữ liệu giữa transponder và reader. Trong thực tế hệ thống RFID có thể chia làm 3 loại cơ bản đó là: hệ thống 1 bit, hệ thống song công và bán song công và hệ thống tuần tự.

- Hệ thống 1 bit. - Hệ thống n bit:

+ Hệ thống song công và bán song công. + Hệ thống tuần tự.

Hình 4.1 – Các hệ thống RFID khác nhau

4.1 Hệ thống 1 bit

Một bit là đại lượng nhỏ nhất của thông tin, nó có 2 trạng thái: 1 hay 0. Điều này có nghĩa là chỉ có 2 trạng thái được trình bày bởi transponder 1 bit: “transponder trong vùng thNm vấn” và “không có transponder trong vùng thNm vấn”. Mặc dù bị giới hạn, các transponder 1 bit vẫn rất phổ biến, ứng dụng chính của chúng là các thiết bị chống trộm trong các cửa hàng (EAS, giám sát hàng hoá điện tử).

Một hệ thống EAS được làm bởi các linh kiện sau: anten của reader hay bộ dò hỏi, phần tử bảo mật hay thẻ bảo mật và một thiết bị vô hiệu hoá hệ thống sau khi kết thúc giao dịch. Trong các hệ thống hiện đại, việc vô hiệu hoá được thực hiện khi mã của món hàng được đăng kí tại quầy tính tiền. Một vài hệ thống cũng đặt thêm bộ kích hoạt để kích hoạt lại phần tử bảo mật sau khi vô hiệu hoá hệ thống. Một đặc điểm quan trọng của hệ thống là tốc độ phát hiện phụ thuộc vào độ rộng của cổng (khoảng cách lớn nhất giữa transponder và anten của reader).

Transponder 1 bit gồm 5 thành phần: - Tần số vô tuyến - Sóng vi ba



- Bộ chia tần số - Điện từ - Acoustomagnetic

4.1.1 Tần số vô tuyến Tần số vô tuyến dựa trên mạch cộng hưởng (LC) được chỉnh tại tần số cộng

hưởng xác định fR. Ở những phiên bản cũ, cuộn cảm làm từ các cuộn dây đồng tráng men nối với một tụ điện và được gắn vào một miếng plastic (hard tag). Trong các hệ thống hiện đại thì cuộn cảm được khắc vào một tấm kim loại trên thẻ.

Reader phát ra một trường từ với fG ± 10% trong dải tần số vô tuyến. Nếu mạch LC đi vào vùng lân cận của trường từ, năng lượng của trường từ này sẽ cảm ứng vào mạch cộng hưởng thông qua cuộn dây (Định luật Faraday). Nếu tần số fG của trường bằng với tần số cộng hưởng fR thì mạch LC sẽ sinh ra một dao động cộng hưởng. Dòng điện cảm ứng được sinh ra trong mạch cộng hưởng chống lại sự biến thiên của trường từ đã sinh ra nó, do đó gây ra một sụt áp trong cuộn phát, dẫn đến làm suy yếu trường từ. Sự thay đổi của điện áp cảm ứng được nhận biết nhờ vào một cuộn dây cảm biến. Vì vậy mà reader phát hiện có một mạch cộng hưởng đi vào từ trường của nó.

Hình 4.2 – Giới thiệu hoạt động của hệ thống EAS tần số vô tuyến

Sự thay đổi điện áp ở phía phát và các cuộn dây cảm ứng nói chung là rất thấp nên rất khó nhận biết. Tuy nhiên, sự thay đổi nhỏ này cũng đủ để cho reader có thể nhận dạng transponder một cách tin cậy. Điều này đạt được bằng cách sử dụng: tần số của trường từ được phát ra không phải là hằng số mà nó là tần số “quét”. Điều này có nghĩa là tần số của bộ phát liên tục thay đổi từ min tới max. Khoảng tần số này thường là 8,2MHz ± 10%.

Bất cứ khi nào tần số “quét” bằng đúng tần số cộng hưởng của mạch cộng hưởng trên transponder. Transponder bắt đầu dao động, từ đó sinh ra một sụt áp ở phía phát và cuộn dây cảm biến. Dung sai tần số của transponder phụ thuộc vào dung sai của nhà sản xuất và sự thay đổi của môi trường kim loại, không đóng vai trò như là kết quả của quá trình quét toàn bộ khoảng tần số.

Bởi vì transponder không được phép di chuyển qua quầy tính tiền cho nên chúng cần phải bị vô hiệu hoá để không kích hoạt hệ thống chống trộm. Việc này được thực hiện như sau: thiết bị vô hiệu hoá đặt tại quầy thu ngân sẽ phát ra một trường từ đủ mạnh để điện áp cảm ứng đánh thủng tụ điện của transponder. Tụ điện được thiết kế sao cho việc đánh thủng không thể thay đổi ngược lại và làm cho mạch cộng hưởng không thể hoạt động được dưới tác động của tín hiệu quét.



Các anten khung diện tích lớn dùng để phát ra trường từ cần thiết trong vùng truy vấn. Anten khung được tích hợp vào cột và được nối với cổng. Nếu cổng có bề rộng dưới 2m thì ta có thể sử dụng hệ thống RFID tần số vô tuyến.

Hình 4.3 – Anten khung của hệ thống RF (cao 1.2 – 1.6 m) và transponder

Hệ số phNm chất Q của phần tử bảo mật >60 – 80 Cường độ trường vô hiệu hóa cực tiểu HD 1.5 (A/m) Cường độ trường cực đại trong tầm vô hiệu hóa 0.9 (A/m)

Bảng 4.1 –Các tham số hệ thống cho các hệ thống RF

Hệ thống 1 Hệ thống 2 Hệ thống 3 Hệ thống 4 Tần số (MHz) 1.86 – 2.18 7.44 – 8.73 7.30 – 8.70 7.40 – 8.60 Tần số quét (Hz)

141 141 85 85

Bảng 4.2 – Dải tần số của các hệ thống bảo mật khác nhau

4.1.2 Sóng viba

Các hệ thống EAS trong dải viba sử dụng việc tạo ra các hài bằng các linh kiện có đặc tuyến phi tuyến (ví dụ: diode). Hài của một điện áp hình sin A có tần số fA là một điện áp hình sin B với tần số fB là số nguyên lần tần số fA. Các hài bậc cao của tần số fA là 2fA, 3fA, 4fA.

Mạch của transponder 1 bit để tạo ra các hài rất đơn giản: một diode điện dung được nối với một anten dipole được chỉnh ở tần số sóng mang (Hình 4.4). Anten dipole tần số 2,45GHz có chiều dài tổng cộng là 6cm. Các tần số sóng mang được dùng là 915MHz, 2,45GHz, 5,6GHz. Nếu transponder nằm trong tầm của anten phát, dòng điện trong diode sẽ tạo ra hài của sóng mang, đặc biệt là các hài bậc 2 hay bậc 3, tuỳ thuộc vào loại diode được chọn.



Hình 4.4 – Mạch cơ bản và hình dạng cụ thể của transponder viba

Hình 4.5 biểu diễn transponder được đặt trong tầm của anten phát hoạt động ở tần số 2,45GHz. Hài bậc 2 của sóng mang có tần số 4,9GHz được phát lại và được tách bởi bộ thu. Sự xuất hiện hài bậc 2 của tín hiệu có thể kích hoạt hệ thống báo động.

Hình 4.5 – Transponder viba nằm trong vùng truy vấn của detector

Nếu sóng mang được điều chế ASK hay FSK thì tất cả các hài cũng sẽ có cùng

một dạng điều chế như vậy. Điều này giúp cho hệ thống phân biệt tín hiệu nhiễu và tín hiệu có ích, ngăn chặn báo động sai do các tín hiệu bên ngoài tác động vào.

Ở ví dụ trên, sóng mang được điều chế ASK với tín hiệu 1kHz tín hiệu nhận được ở bộ thu được giải điều chế rồi đưa đến bộ tách sóng 1kHz. Tín hiệu nhiễu xuất hiện ở tần số 4,9GHz không thể kích hoạt báo động sai vì chúng thường không được điều chế và nếu có thì chúng sẽ có một cách điều chế khác.

4.1.3 Bộ chia tần số

Hệ thống này hoạt động với bước sóng dài từ 100 -135,5kHz. Transponder gồm có một vi mạch và một cuộn dây cộng hưởng bằng đồng tráng men. Mạch cộng hưởng được hàn với tụ để cộng hưởng tại tần số hoạt động của hệ thống. Những transponder này có thể làm bằng plastic và có thể lấy đi khi hàng hóa được mua.

Hình 4.6 – Sơ đồ mạch điện và hoạt động của EAS sử dụng bộ chia tần số

Vi mạch trong transponder nhận năng lượng từ trường từ của thiết bị an ninh (Security device). Tần số ở cuộn tự cảm được chia 2 bằng vi mạch và được gửi ngược trở lại thiết bị an ninh. Tín hiệu này hồi tiếp về bằng một dây rẽ nhánh đến cuộn dây.

Tần số 130 KHz Kiểu điều chế 100% ASK Tần số điều chế/tín hiệu điều chế 12.5 Hz hay 25 Hz

Bảng 4.3 – Các thông số cơ bản của hệ thống



Trường từ của transponder xung ở một tần số thấp (điều chế ASK) để cải thiện tốc độ nhận dạng. Tương tự như nhận dạng bằng các hài, việc điều chế sóng mang (ASK hay FSK) được duy trì ở phân nửa tần số phát (subharmics). Nó được dùng để phân biệt giữa nhiễu và tín hiệu có ích. Anten khung được dùng làm anten cảm biến.

4.1.4 Transponder trường điện từ

Transponder trường điện từ sử dụng từ trường mạch trong khoảng NF từ 10Hz đến 20Hz. Transponder chứa một dải kim loại từ tính dễ biến dạng dưới tác động của ngoại lực. Sự từ hoá của những dải kim loại này thường được lặp lại theo chu kỳ và chúng sẽ bị bảo hoà của trường từ nhờ vào một từ trường mạnh. Mối quan hệ không tuyến tính của cường độ trường H và thông lượng cảm ứng từ B gần bảo hoà cộng với sự thay đổi của cảm ứng từ B ở lân cận của điểm zero của cường độ trường từ H, phát sinh ra các hài ở tần số cơ bản của transponder. Những hài này có thể được nhận và được ước luợng bởi transponder.

Transponder trường điện từ được tối ưu hoá bằng cách thên vào những thành phần tín hiệu có tần số cao hơn tín hiệu chính. Ngoài những hài của tần số chính, còn có thêm các tần số tổng hay hiệu của các tín hiệu đã cung cấp. Giả sử tín hiệu chính có tần số fS = 20Hz và các tín hiệu thêm vào f1 = 3,5kHz và f2 = 5,3kHz thì những tín hiệu sau đây được phát ra:

f1 + f2 = f1+2 = 8,8kHz (4.1) f1 – f2 = f1-2 = 1,8kHz (4.2) fS + f1 = fS-1 = 3,52kHz (4.3) Transponder không phản ứng lại với hài của tần số cơ bản nhưng lại bị tác động

bởi tần số tổng hay hiệu của các tín hiệu thêm vào. Các transponder này ở dạng các dải băng dính có chiều dài khoảng cách từ vài cm đến 20cm. Do tần số hoạt động cực thấp, các hệ thống trường điện từ chỉ thích hợp với những sản phNm có chứa kim loại. Tuy nhiên, những hệ thống này có khuyết điểm là hoạt động của transponder phụ thuộc vào vị trí: để quá trình nhận dạng là tin cậy thì trường từ của transponder phải nằm dọc xuyên qua các dải kim loại.

Hình 4.7 – Anten của hệ thống RFID điện từ (cao 1.40 m) và transponder

Để vô hiệu hoá, transponder được khoác lên hay phủ một phần bằng những tấm kim loại từ cứng. Ở quầy thu ngân, người nhân viên chạy một nam châm vĩnh cửu dọc theo tấm kim loại để vô hiệu hoá transponder. Việc làm này sẽ từ hoá những tấm kim loại che phủ. Các dải kim loại được thiết kế sao cho độ từ dư của những tấm kim loại



thuận tiện cho những dải kim loại dễ biến dạng này ở điểm bảo hào nhằm làm cho trường từ của hệ thống an ninh không thể bị kích hoạt được nữa.

Transponder có thể kích hoạt trở lại ở bất cứ thời điểm nào bằng quá trình tái từ hoá. Quá trình này có thể thực hiện với số lần không hạn chế. Do những transponder nhỏ và rẻ tiền, những hệ thống này bây giờ được sử dụng ngày càng nhiều trong công nghiệp.

Để đạt được độ mạnh trường cần thiết cho quá trình tái từ hoá các dải kim loại, trường được phát ra bằng hệ thống 2 cuộn dây trên các cột ở lối đi. Vài cuộn dây riêng, thường là từ 9 đến 12, nằm trên 2 cột và chúng phát ra trường từ yếu ở trung tâm và mạnh hơn đối với trường từ ở bên ngoài. Độ rộng của cổng lên đến 1,5m có thể thực hiện bằng cách này trong khi tốc độ nhận dạng đạt được bằng 70%. 4.2 Hệ thống song công và bán song công

Trái với các transponder 1 bit thường khai thác những hiệu ứng vật lý đơn giản cho quá trình nhận dạng, các transponder dưới đây sử dụng một vi mạch làm thiết bị mang dữ liệu. Nó có một vùng lưu trữ dữ liệu lên tới vài kByte. Để đọc hay ghi dữ liệu vào thiết bị mang dữ liệu này thì phải thực hiện việc truyền dữ liệu giữa transponder và reader. Việc truyền dữ liệu này có thể là song công hoặc bán song công hay tuần tự.

- Trong truyền bán song công: dữ liệu từ transponder đến reader được truyền xen kẽ với dữ liệu từ reader đến transponder. Ở tần số dưới 30MHz, hệ thống thường sử dụng phương pháp load modulator có hay không có sóng mang phụ để điều chế dữ liệu.

- Trong truyền song công: dữ liệu từ transponder và reader có thể truyền cùng một lúc.

Tuy nhiên, cả 2 phương pháp đều phải truyền năng lượng liên tục từ reader đến transponder và độc lập với hướng truyền luồng dữ liệu. Trái lại trong các hệ thống tuần tự (SEQ: Sequential system), việc truyền năng lượng từ transponder đến reader được giới hạn trong một chu kỳ thời gian. Dữ liệu truyền từ transponder đến reader xuất hiện trong những khoảng dừng của năng lượng cung cấp cho transponder.

Hình 4.8 – Truyền dữ liệu trong hệ thống song công, bán song công và tuần tự

Trong Hình 4.8, dữ liệu được truyền từ reader đến transponder theo đường

downlink. Ngược lại, dữ liệu truyền từ transponder đến reader theo đường uplink. 4.2.1 Ghép cảm ứng

v Cung cấp năng lượng cho transponder thụ động



Một transponder ghép cảm ứng bao gồm một thiết bị mang dữ liệu, thường là một vi mạch và một cuộn cảm đóng vai trò của một anten.

Các transponder ghép cảm ứng hầu như đều hoạt động thụ động có nghĩa là tất cả các năng lượng cần thiết cho hoạt động của vi mạch được cung cấp từ reader. Vì vậy mà cuộn dây anten của reader phát ra một điện trường cao tần và mạnh để lọt vào mặt cắt và diện tích xung quanh cuộn dây transponder. Do bước sóng của tần số sử dụng (<135kHz: 2.540 m, 13,56MHz: 22,1 m) trong một số trường hợp có thể lớn hơn khoảng cách giữa anten của reader và transponder, trường điện từ có thể được xem như một trường từ.

Hình 4.9 – Năng lượng cung cấp cho transponder thông qua từ trường phát ra của

reader

Một phần nhỏ năng lượng này lọt vào anten của transponder sinh ra một điện thế cảm ứng Ui. Điện thế này được chỉnh lưu và sử dụng như là nguồn cung cấp cho vi mạch. Tụ Cr cùng với cuộn cảm của anten phát tạo thành mạch cộng hưởng, quyết định tần số hoạt động của reader.

Cuộn dây anten và tụ C1 của transponder cũng tạo thành một mạch cộng hưởng tương ứng với tần số phát ra của reader. Điện thế U của transponder đạt cực đại nhờ vào sự gia tăng cộng hưởng của mạch cộng hưởng. Hai cuộn dây có thể được xem như là như là một biến áp mà trong trường hợp mà chỉ có một liên kết rất yếu giữa chúng.

v Truyền dữ liệu từ transponder đến reader Load moudulation: các hệ thống ghép cảm ứng đều dựa trên một loại ghép biến

áp (Transformer-type coupling) giữa cuộn sơ cấp trong reader và cuộn thứ cấp trong transponder nằm trong trường gần của anten phát.

Nếu một transponder cộng hưởng (chẳng hạn như một transponder có một mạch cộng hưởng ứng với tần số truyền đi của reader) nằm trong trường từ của reader thì transponder sẽ lấy năng lượng từ thông từ đó. Kết quả hồi tiếp của transponder trên anten của reader có thể tượng trưng cho trở kháng ZT của biến áp trong cuộn dây của reader. Đóng mở một điện trở tải tại anten của transponder sẽ gây ra sự thay đổi trở kháng của ZT và như vậy sẽ làm thay đổi điện áp ở anten của reader. Điều này có tác dụng như là điều chế biên độ của điện áp UL của anten reader bởi một transponder ở xa.

Nếu việc đóng ở khoá được điều khiển bởi luồng dữ liệu thì dữ liệu này có thể được truyền đi từ transponder đến reader. Loại truyền dữ liệu như vậy có thể gọi là Load modulation.

Để khôi phục dữ liệu của reader, điện áp ở anten của reader được chỉnh lưu.Việc này giống như giải điều chế một tín hiệu điều biên.



Hình 4.10 – Truyền dữ liệu bằng load modulation từ transponder đến reader

Load modulation sóng mang phụ: do liên kết yếu giữa anten của reader và

transponder, điện áp dao động trên anten của reader được xem như là tín hiệu có ích có biên độ nhỏ hơn điện áp ở ngõ ra của reader.

Trong thực tế, với hệ thống 13,56MHz, giả sử anten có điện áp xấp xỉ 100V (điện áp tăng theo cộng hưởng), một tín hiệu có ích thay đổi trong khoảng 10mV được mong đợi (S/N=80 dB). Do việc nhận biết sự thay đổi điện áp nhỏ này cần một mạch điện vô cùng phức tạp nên phổ của tín hiệu điều chế được tạo ra bởi quá trình điều biên điện áp của anten được sử dụng.

Nếu điện trở tải trên transponder được đóng mở ở tần số fS rất cao thì 2 vạch phổ được tạo ra ở khoảng cách ± fS xung quanh tần số truyền fReader của reader và chúng có thể tách ra dễ dàng (tuy nhiên fS phải nhỏ hơn fReader). Trong thuật ngữ của kỹ thuật vô tuyến, những thành phần này của tần số được gọi là sóng mang phụ (Subcarrier).

Load moulation với sóng mang phụ tạo ra 2 phổ ở anten của reader. Những phổ này có thể được tách ra từ một tín hiệu mạnh hơn của reader bằng bộ lọc thông dải. Một khi nó được khuếch đại, tín hiệu sóng mang phụ được giải điều chế hết sức đơn giản.

Do độ rộng của băng thông cần thiết để truyền một sóng mang phụ, phương pháp này chỉ dùng trong khoảng tần số ISM (thường là 6,78MHz, 13,56MHz, 27,125MHz).

Hình 4.11 – Phổ của điều chế sóng mang phụ



Phương pháp hài phụ (Subharmonic): hài phụ của một tín hiệu hình sin biên độ A có tần số là fA là một tín hiệu hình sin có biên độ B, tần số fB bằng với một trong những giá trị sau : fA/2, fA/3, fA/4.

Trong những phương pháp hài phụ, tần số fB có được bằng cách lấy tần số fA do reader phát đi chia cho 2. Tín hiệu ngõ ra fB của một bộ chia nhị phân được điều chế với luồng dữ liệu từ transponder. Tín hiệu đã điều chế sau đó được hồi tiếp về anten của transponder thông qua một bộ lái. Thường người ta sử dụng tần số fA = 128kHz và tần số fB = 64kHz.

Hình 4.12 – Sơ đồ mạch của transponder hài phụ

Anten của transponder gồm có một cuộn dây với một van trung tâm. Đây cũng là nơi năng lượng được cung cấp lấy từ điểm cuối. Tín hiệu quay về của transponder được hồi tiếp vào cuộn thứ 2. 4.2.2 Ghép điện từ tán xạ lùi

v Cung cấp năng lượng cho transponder Các hệ thống RFID có khoảng cách giữa reader và transponder lớn hơn 1 m

được gọi là hệ thống có khoảng cách dài (long range). Những hệ thống này hoạt động ở tần số 868MHz (Europe) và 915MHz (USA), ở tần số vi ba 2,5GHz và 5,8GHz. Bước sóng ngắn của những dải tần này phù hợp với cấu trúc của anten có kích thước nhỏ và hiệu suất cao hơn khi sử dụng ở tần số dưới 30MHz.

Để có thể truy xuất năng lượng có sẵn cho hoạt động của một transponder chúng ta phải tính suy hao đường truyền trong không gian tự do F :

!F = - 146.7 + 20 log(r) + 20log(f) – 10log(GT) – 10log(GR) (4.4) Trong đó:

r : khoảng cách từ reader đến transponder. GT,GR : độ lợi của anten transponder và reader. f : tần số phát của reader.

Khoảng cách r 868 MHz 915 MHz 2.45 HGz 0.3 m 18.6 dB 19.0 dB 274.6 dB 1 m 29.0 dB 29.5 dB 38.0 dB 3 m 38.6 dB 39.0 dB 47.6 dB 10m 49.0 dB 49.5 dB 58.0 dB



Bảng 4.4 – Suy hao đường truyền trong không gian tự do ứng với những tần số khác

nhau (độ lợi của anten transponder là 1.64, của anten reader là 1)

Với kỹ thuật sản xuất hiện nay, những con chip trong transponder chỉ tiêu thụ

một luợng công suất không lớn 5∀W. Để hoạt động được ở khoảng cách 15m, transponder tán xạ lùi thường có một nguồn pin để cung cấp năng lượng cho chip. Để tiết kiệm pin, vi mạch thường có chế độ “power down” hay “stand by”. Nếu di chuyển ra khỏi vùng truy vấn của reader thì chip tự động chuyển sang chế độ “power down”. Ở trạng thái này dòng điện trong mạch khoảng vài #A. Chip không kích hoạt trở lại cho đến khi một tín hiệu đủ mạnh được nhận trong khoảng đọc của reader. Lúc này nó sẽ chuyển khoá sang chế độ hoạt động bình thường. Tuy nhiên, pin của một transponder chủ động không bao giờ cung cấp năng lượng để truyền dữ liệu giữa transponder và reader nhưng chỉ cung cấp năng lượng riêng cho chip. Dữ liệu truyền đi giữa transponder và reader chỉ sử dụng duy nhất vào năng lượng của trường điện từ phát ra từ reader.

v Truyền dữ liệu đến reader Modulated reflection cross-section: chúng ta biết là sóng điện từ phản xạ lại với những vật thể có kích thước lớn hơn một nữa chiều dài bước sóng. Hiệu suất phản xạ sóng điện từ của một vật thể được gọi là sự phản xạ mặt cắt ngang (reflection cross-section). Các vật thể cộng hưởng với sóng tác động vào bề mặt của chúng giống như trường hợp của anten ở tần số tương ứng.

Hình 4.13 – Hoạt động của transponder tán xạ lùi

Gọi P1 là công suất phát ra từ anten của reader, một lượng nhỏ công suất này sẽ đến được anten của transponder. P1 là công suất cung cấp cho anten dưới dạng điện áp HF, sau khi được chỉnh lưu bằng diode D1 và D2 thì nó thể được sử dụng như là điện áp turn-on cho việc vô hiệu hoá hay kích hoạt chế độ “power down”. Các diode ở đây là các diode Schottky có ngưỡng điện áp thấp. Điện áp có được đủ để cung cấp năng lượng cho khoảng cách ngắn.

Gọi P2 là công suất phản xạ lại tại anten ứng với công suất đến anten là P1. Đặc tính phản xạ của anten có thể bị tác động do sự thay đổi tải kết nối với anten. Để phát dữ liệu từ transponder đến reader, điện trở RL mắc song song với anten được đóng mở đúng lúc với luồng dữ liệu. Biên độ của tín hiệu phản xạ tại transponder có thể được điều chế (điều chế tán xạ lùi).

4.2.3 Ghép gần

v Cung cấp năng lượng cho transponder



Hệ thống ghép gần được thiết kế cho khoảng cách từ 0,1cm đến tối đa là 1cm. transponder được chèn vào trong reader hoặc đặt vào trong bề mặt đánh dấu để hoạt động.

Hình 4.14 – Transponder ghép gần được đưa vào trong reader

Đưa transponder vào trong reader sao cho cuộn cảm của nó nằm đúng vị trí trong khe không khí. Reader là cuộn sơ cấp và transponder là cuộn thứ cấp tạo thành một biến áp. Một dòng điện cao tần biến thiên trong cuộn sơ cấp phát ra một trường từ cao tần trong lõi, khe không khí cuộn cảm của transponder. Tín hiệu này được chỉnh lưu rồi dùng để cung cấp năng lượng cho chip.

Do điện áp cảm ứng U trong cuộn cảm của transponder tỉ lệ với tần số f của dòng điện kích thích nên tần số được chọn để truyền năng lượng càng cao càng tốt. Trong thực tế, tần số trong khoảng từ 1-10MHz thường được sử dụng. Để giữ cho suy hao trong biến áp thấp thì lõi ferrite phải phù hợp với tần số được chọn.

Khác với hệ thống ghép cảm ứng hay viba, hiệu suất truyền từ reader đến transponder rất cao. Do đó hệ thống ghép gần là một lựa chọn rất tốt cho những chip tiêu thụ năng lượng nhiều. Chính vì lý do này mà những thẻ ghép gần đều có chứa vi xử lý.

v Truyền dữ liệu từ transponder đến reader Ghép từ: load modulation với sóng mang phụ cũng được dùng để truyền dữ liệu

trong ghép từ từ transponder đến reader trong hệ thống ghép gần. Tần số sóng mang phụ và quá trình điều chế được qui định trong ISO 10536. 4.2.4 Ghép điện

v Cung cấp năng lượng cho transponder thụ động Với các hệ thống ghép điện, reader phát ra một trường điện cao tần khá mạnh.

Anten của reader có một bản kim loại diện tích lớn và dẫn điện (điện cực). Nếu một điện thế cao tần được đặt vào điện cực, một điện trường cao tần được hình thành giữa điện cực và điểm đất. Điện thế này trong khoảng vài trăm đến vài ngàn volt được phát ra từ reader bằng cách tăng điện thế trong mạch cộng hưởng làm từ cuộn L1 mắc song song với tụ C1 và tụ kích hoạt CR-GND giữa điện cực và đất. Tần số cộng hưởng của mạch cộng hưởng bằng với tần số truyền của reader.

Anten của transponder là 2 dây dẫn nằm trên điện cực. Nếu transponder nằm trong điện trường của reader thì một điện thế sẽ sinh ra giữa 2 cực của nó. Điện thế này được dùng để cung cấp cho chip của transponder.



Hình 4.15 – Hệ thống ghép điện sử dụng điện trường để truyền năng lượng và

dữ liệu

Khi một tụ điện được kích hoạt thì cả tụ CR-T giữa transponder và anten phát với tụ CT-GND giữa anten của transponder và điểm đất tương đương với sơ đồ mạch của một liên kết điện và có thể được xem như là một bộ chia thế đơn giản. Dòng điện chạy trên bề mặt điện cực của transponder là rất nhỏ.

Hình 4.16 – Sơ đồ mạch tương đương của hệ thống RFID ghép điện

v Truyền dữ liệu từ transponder đến reader Nếu một transponder liên kết điện nằm trong vùng truy vấn của reader, điện trở

vào RL của nó hoạt động nhờ vào mạch cộng hưởng của reader thông qua tụ kích hoạt CR-T giữa reader và điện cực của transponder, làm suy giảm mạch cộng hưởng từ từ. Sự suy giảm này có thể được chuyển mạch giữa 2 giá trị bằng cách tắt mở tải điều chế Rmod của transponder. Từ đó, một tín hiệu điều biên được phát ra ở mạch L1 và C1 bởi transponder ở xa đồng thời dữ liệu sẽ được truyền đến reader.

4.2.5 Truyền dữ liệu từ reader đến transponder

Nói chung thì tất cả những kỹ thuật điều chế số đều được sử dụng để truyền dữ liệu từ reader đến transponder với hệ thống song công và bán song công. Bất chấp tần số hoạt động hay phương pháp liên kết. Do tính đơn giản của quá trình giải điều chế, đa phần các hệ thống đều sử dụng kỹ thuật điều chế ASK.



4.3 Hệ thống tuần tự Nếu truyền dữ liệu và năng lượng từ reader đến thiết bị mang dữ liệu rồi sau đó

dữ liệu sẽ được truyền ngược từ transponder đến reader thì chúng ta gọi đây là hệ thống tuần tự SEQ. 4.3.1 Ghép cảm ứng

v Cung cấp năng lượng cho transponder Các hệ thống tuần tự sử dụng liên kết từ hoạt động riêng ở tần số dưới 135kHz.

Một máy biến thế loại liên kết được tạo ra giữa cuộn dây của reader và cuộn dây của transponder. Điện áp cảm ứng phát ra trong cuộn cảm của transponder do tác động của trường biến thiên từ reader được chỉnh lưu và sử dụng trong mạch.

Để nâng cao hiệu suất truyền dữ liệu, tần số hoạt động của transponder phải chính xác với reader và chất lượng của cuộn cảm của transponder phải thật phù hợp. Vì lý do này mà transponder có một tụ điện trên chip để bù cho dung sai của mạch cộng hưởng.

Tuy nhiên, không giống như hệ thống song công và bán song công, ở hệ thống tuần tự, bộ phát của reader không hoạt động một cách liên tục. Năng lượng truyền đến máy phát trong suốt quá trình nạp cho tụ để cung cấp một năng lượng lưu trữ. Chip của transponder được chuyển sang chế độ hoạt động tiết kiệm năng lượng trong suốt quá trình hoạt động. Hầu như năng lượng nhận được đều sử dụng để nạp cho tụ nạp. Sau một chu kỳ cố định, máy phát của reader được tắt.

Năng lượng tích trữ trong transponder được dùng để gửi một thông điệp đáp lại cho reader. Điện dung nhỏ nhất của tụ nạp có thể được tính từ công thức:

∃ =%

&=

∋.(

[)∗+,−./01] (4.5)

Trong đó :

Vmin, Vmax : là những giá trị giới hạn cho điện áp hoạt động không quá mức cho phép.

I: là dòng tiêu thụ của chip trong suốt thời gian hoạt động. t: thời gian cần thiết để truyền dữ liệu từ transponder đến reader.

v Truyền dữ liệu từ transponder đến reader Trong các hệ thống tuần tự, một chu kỳ đọc gồm có 2 pha, pha nạp và pha đọc.

Hình 4.17 – Sơ đồ khối của transponder tuần tự sử dụng ghép cảm ứng



Hình 4.18 – Sơ đồ điện áp của tụ nạp

Cuối pha nạp được tách bởi một bộ end of burts detector. Bộ này giám sát sự

thay đổi điện áp trên cuộn cảm của transponder, từ đó nhận biết ngay khi từ trường của reader bị tắt. Ở cuối pha nạp, một bộ dao động on chip được kích hoạt. Bộ dao động này sử dụng mạch cộng hưởng nhờ vào cuộn cảm của transponder như là thành phần nhận dạng tần số. Cuộn cảm của transponder phát ra một trường từ yếu. Reader có thể nhận được trường từ này. Trường này cải thiện tỉ số S/N tăng lên một lượng khoảng 20 dB so với hệ thống song công/ bán song công.

Tần số truyền của transponder bằng với tần số cộng hưởng của cuộn cảm của transponder. Tần số này được hiệu chỉnh lại cho giống với tần số truyền đi của reader khi nó được phát.

Để có thể điều chế tín hiệu HF phát ra trong khi không có năng lượng cung cấp, một tục điện được mắc song song với mạch cộng hưởng đúng lúc với luồng dữ liệu. Kết quả là tạo ra được 2 tín hiệu FSK.

Sau khi toàn bộ dữ liệu được phát, chế độ xả được kích hoạt để xả toàn bộ tụ nạp. Điều đó đảm bảo an toàn cho quá trình reset nguồn ở đầu chu kỳ nạp kế tiếp.


GVHD : ThS. Nguyễn Văn Nga Chương 6 : Cơ sở lý thuyết về xử lý ảnh

6.1 Giới thiệu 6.1.1 Xử lý ảnh là gì?

Con người thu nhận thông tin qua các giác quan, trong đó thị giác đóng vai trò quan trọng nhất. Những năm trở lại đây với sự phát triển của phần cứng máy tính, xử lý ảnh và đồ hoạ đó phát triển một cách mạnh mẽ và có nhiều ứng dụng trong cuộc sống. Xử lý ảnh và đồ hoạ đóng một vai trò quan trọng trong tương tác người máy. Quá trình xử lý ảnh được xem như là quá trình thao tác ảnh đầu vào nhằm cho ra kết quả mong muốn. Kết quả đầu ra của một quá trình xử lý ảnh có thể là một ảnh “tốt hơn” hoặc một kết luận.

Hình 6.1 – Quá trình xử lý ảnh

Ảnh có thể xem là tập hợp các điểm ảnh và mỗi điểm ảnh được xem như là đặc trưng

cường độ sáng hay một dấu hiệu nào đó tại một vị trí nào đó của đối tượng trong không gian và nó có thể xem như một hàm n biến P(c1, c2,..., cn). Do đó, ảnh trong xử lý ảnh có thể xem như ảnh n chiều. Sơ đồ tổng quát của một hệ thống xử lý ảnh:

Hình 6.2 – Các bước cơ bản trong một hệ thống xử lý ảnh

6.1.2 Các vấn đề cơ bản trong xử lý ảnh 6.1.2.1 Một số khái niệm cơ bản * Ảnh và điểm ảnh:

Điểm ảnh được xem như là dấu hiệu hay cường độ sáng tại 1 toạ độ trong không gian của đối tượng và ảnh được xem như là 1 tập hợp các điểm ảnh. * Mức xám, màu

Là số các giá trị có thể có của các điểm ảnh của ảnh.

6.1.2.2 Chỉnh mức xám Nhằm khắc phục tính không đồng đều của hệ thống gây ra. Thông thường có 2 hướng

tiếp cận: • Giảm số mức xám: Thực hiện bằng cách nhóm các mức xám gần nhau thành một bó. Trường hợp chỉ có 2 mức xám thì chính là chuyển về ảnh đen trắng. Ứng dụng: In ảnh màu ra máy in đen trắng.



• Tăng số mức xám: Thực hiện nội suy ra các mức xám trung gian bằng kỹ thuật nội suy. Kỹ thuật này nhằm tăng cường độ mịn cho ảnh. 6.1.2.3 Trích chọn đặc điểm

Các đặc điểm của đối tượng được trích chọn tuỳ theo mục đích nhận dạng trong quá trình xử lý ảnh. Có thể nêu ra một số đặc điểm của ảnh sau đây: Đặc điểm không gian: Phân bố mức xám, phân bố xác suất, biên độ, điểm uốn v.v.. Đặc điểm biến đổi: Các đặc điểm loại này được trích chọn bằng việcthực hiện lọc vùng (zonal filtering). Các bộ vùng được gọi là “mặt nạ đặc 10 điểm” (feature mask) thường là các khe hẹp với hình dạng khác nhau (chữ nhật, tam giác, cung tròn v.v..) Đặc điểm biên và đường biên: Đặc trưng cho đường biên của đối tượng và do vậy rất hữu ích trong việc trích trọn các thuộc tính bất biến được dùng khi nhận dạng đối tượng. Các đặc điểm này có thể được trích chọn nhờ toán tử gradient, toán tử la bàn, toán tử Laplace, toán tử “chéo không” (zero crossing) v.v.. Việc trích chọn hiệu quả các đặc điểm giúp cho việc nhận dạng các đối tượng ảnh chính xác, với tốc độ tính toán cao và dung lượng nhớ lưu trữ giảm xuống. 6.1.2.4 Nhận dạng

Nhận dạng tự động (automatic recognition), mô tả đối tượng, phân loại và phân nhóm các mẫu là những vấn đề quan trọng trong thị giác máy, được ứng dụng trong nhiều ngành khoa học khác nhau. Tuy nhiên, một câu hỏi đặt ra là: mẫu (pattern) là gì? Watanabe, một trong những người đi đầu trong lĩnh vực này đã định nghĩa: “Ngược lại với hỗn loạn (chaos), mẫu là một thực thể (entity), được xác định một cách ang áng (vaguely defined) và có thể gán cho nó một tên gọi nào đó”. Ví dụ mẫu có thể là ảnh của vân tay, ảnh của một vật nào đó được chụp, một chữ viết, khuôn mặt người hoặc một ký đồ tín hiệu tiếng nói. Khi biết một mẫu nào đó, để nhận dạng hoặc phân loại mẫu đó có thể: Hoặc phân loại có mẫu (supervised classification), chẳng hạn phân tích phân biệt (discriminant analyis), trong đó mẫu đầu vào được định danh như một thành phần của một lớp đã xác định. Hoặc phân loại không có mẫu (unsupervised classification hay clustering) trong đó các mẫu được gán vào các lớp khác nhau dựa trên một tiêu chuNn đồng dạng nào đó. Các lớp này cho đến thời điểm phân loại vẫn chưa biết hay chưa được định danh. Hệ thống nhận dạng tự động bao gồm ba khâu tương ứng với ba giai đoạn chủ yếu sau đây:

• Thu nhận dữ liệu và tiền xử lý. • Biểu diễn dữ liệu. • Nhận dạng, ra quyết định.

Bốn cách tiếp cận khác nhau trong lý thuyết nhận dạng là: • Đối sánh mẫu dựa trên các đặc trưng được trích chọn. • Phân loại thống kê. • Đối sánh cấu trúc. Trong các ứng dụng rõ ràng là không thể chỉ dùng có một cách tiếp cận đơn lẻ để phân

loại “tối ưu” do vậy cần sử dụng cùng một lúc nhiều phương pháp và cách tiếp cận khác nhau. Do vậy, các phương thức phân loại tổ hợp hay được sử dụng khi nhận dạng và nay đã có những kết quả có triển vọng dựa trên thiết kế các hệ thống lai (hybrid system) bao gồm nhiều mô hình kết hợp. Việc giải quyết bài toán nhận dạng trong những ứng dụng mới, nảy sinh trong cuộc sống không chỉ tạo ra những thách thức về thuật giải, mà còn đặt ra những yêu cầu về tốc độ tính toán. Đặc điểm chung của tất cả những ứng dụng đó là những đặc điểm đặc trưng cần thiết thường là nhiều, không thể do chuyên gia đề xuất, mà phải được trích chọn dựa trên các thủ tục phân tích dữ liệu.



6.2 Thu nhận và biểu diễn ảnh 6.2.1 Thu nhận và các thiết bị thu nhận ảnh

Các thiết bị thu nhận ảnh bao gồm camera, scanner các thiết bị thu nhận này có thể cho ảnh đen trắng

Các thiết bị thu nhận ảnh có 2 loại chính ứng với 2 loại ảnh thông dụng Raster, Vector. Các thiết bị thu nhận ảnh thông thường Raster là camera các thiết bị thu nhận ảnh

thông thường. Vector là sensor hoặc bàn số hoá Digitalizer hoặc được chuyển đổi từ ảnh Raster.

Nhìn chung các hệ thống thu nhận ảnh thực hiện 1 quá trình • Cảm biến: biến đổi năng lượng quang học thành năng lượng điện. • Tổng hợp năng lượng điện thành ảnh.

6.2.2 Biểu diễn ảnh

Ảnh trên máy tính là kết quả thu nhận theo các phương pháp số hoá được nhúng trong các thiết bị kỹ thuật khác nhau. Quá trình lưu trữ ảnh nhằm 2 mục đích:

• Tiết kiệm bộ nhớ. • Giảm thời gian xử lý.

Việc lưu trữ thông tin trong bộ nhớ có ảnh hưởng rất lớn đến việc hiển thị, in ấn và xử lý ảnh được xem như là 1 tập hợp các điểm với cùng kích thước nếu sử dụng càng nhiều điểm ảnh thì bức ảnh càng đẹp, càng mịn và càng thể hiện rõ hơn chi tiết của ảnh người ta gọi đặc điểm này là độ phân giải.


GVHD : ThS. Nguyễn Văn Nga Chương 7: Lựa chọn tiêu chí thiết kế hệ thống

7.1 Giới thiệu hệ thống Hệ thống nhận dạng biển số xe ra, vào có chức năng so sánh biển số xe ra và vào nếu

đúng thẻ. Sau đó cho phép hoặc không cho phép xe đi qua hệ thống cần gạt. Hệ thống gồm một reader được lắp đặt ở cửa chính. Reader này được kết nối tới máy

tính. Sơ đồ tổng quát của hệ thống được mô tả như sau:

Hình 7.1 – Sơ đồ khối tổng quát của hệ thống

7.2 Nguyên tắc hoạt động của hệ thống Hoạt động của hệ thống này được tóm tắt như sau: Xe vào đúng vị trí sao cho camera sẵn

sàng chụp biển số xe. Sau đó, người kiểm soát xe sẽ cho quét thẻ tag thông qua đầu đọc thẻ tag. Khi đó ảnh tự động được chụp từ camera và được lưu ảnh trên máy tính để xử lý. Tiếp theo, biển số xe sẽ được phân tích và đưa ra đúng với biển số xe thực tế. Cùng với đó là mã thẻ sẽ hiển thị cùng lúc với ảnh của biển số xe. Khi xe ra thì thao tác tương tự lúc vào và máy tính tự động so sánh hai dữ liệu gồm biển số xe và mã thẻ có trùng khớp lúc vào không, nếu có thì cho xe ra.

7.3 Các tiêu chí và các lựa chọn phương án thiết kế

Hình 7.2 – Sơ đồ khối thiết kế hệ thống vào ra RFID



Hệ thống gồm 2 phần :

Ø Phần cứng : Reader RFID và khối giao tiếp. Ø Phần mềm : Xử lý ảnh viết trên máy tính.

KHỞI TẠO BIẾN TOÀN

CỤC,WINDOWS, NGẮT RS232

TÍN HIỀU TỪ VDK

HIỂN THN ID TAG,CHỤP ẢNH VÀ XỬ LÝ ẢNH

XÁM HÓA ẢNH,NHỰ PHÂN

ẢNH

TRÍCH VÙNG CHỨA BIỂN SỐ

CÁCH LY KÍ TỰ TRONG BIỂN SỐ

LƯU DỮ LIỆU NHẬN DẠNG

SO SÁNH VỚI DỮ LIỆU CÓ

SẴN

GỬI DỮ LIỆU SBUFF = B XUỐNG

VDK

NHẬN DẠNG KÍ TỰ ĐƯỢC CÁCH

LY

BEGIN

GỬI DỮ LIỆU SBUFF = B

XUỐNG VDK

END

Đ

Đ

S

S



7.3.1 Phần cứng Thiết kế một hệ thống RFID đơn giản co khả năng:

• Đọc và hiển thị dữ liệu từ tag RFID rồi hiển thị ra LCD. • Có thể truyền dữ liệu lên máy tính và ngược lại. • Khi có tín hiệu nhận từ mạch trung tâm thì điều khiển động cơ để nâng và hạ

cần gạt. Với yêu cầu như trên, phần cứng sẽ gồm 3 khối: khối xử lý trung tâm, khối đọc

transponder và khối giao tiếp máy tính. v Khối xử lý trung tâm

Yêu cầu thiết kế: tốc độ cao, nhiều tính năng, giá thành hợp lý, có ngôn ngữ lập trình hỗ trợ người dùng.

Ø Phương án 1: Họ vi điều khiển 8051.

• Phổ biến, giá thành thấp, tốc độ thấp, ít tính năng, khả năng chống nhiễu thấp.

• Ngôn ngữ lập trình: sử dụng ngôn ngữ Assembly, C, Bascom. Ø Phương án 2: Vi điều khiển PIC

• Tốc độ cao, giá thành hợp lý.

• Có tích hợp sẵn ADC, PWM … đồng thời hỗ trợ các chuNn giao tiếp thông dụng như: UART, I2C.

• Ngôn ngữ lập trình: Assembly, C. ð Chọn vi xử lý PIC vì tốc độ đọc nhanh, giá thành vừa phải, có thể sử dụng

ngôn ngữ C dùng phần mềm CCS, trình biên dịch này có hàm hỗ trợ cho việc đọc và ghi RFID, có các hàm để giao tiếp máy tính.

v Khối đọc RFID(Reader) Yêu cầu thiết kế: có thể đọc dữ liệu từ tag ở khoảng cach gần ( nhỏ hơn 10

cm), giá cả hợp ly. Ø Phương án 1: dùng chip EM4095 của hãng EM Microelectronic

• Là loại chip có thể ghi/đọc tag. • Giá thành thấp. • Tần số từ 100 đến 150 kHz. • Khoảng cách đọc gần.

Ø Phương án 2: dùng chip U2270B của hãng Atmel. • Là loại chip có thể ghi/đọc. • Hoạt động ở tần số từ 100 kHz đến 150 kHz. • Giá thành đắt hơn so với EM4095.

ð Chọn chip EM4095 vì giá thành vừa phải, phù hợp với yêu cầu thiết kế.

7.3.2 Phần mềm Yêu cầu thiết kế chương trinh xử lý ảnh :

Ø Đơn giản, dễ sử dụng. Ø Thực hiện đầy đủ các tính năng của phần mềm xử lý ảnh.

ð Lựa chọn ngôn ngữ lập trình C++.


GVHD : ThS. Nguyễn Văn Nga Chương 8 : Nhận diện biển số xe dùng tương quan

8.1 Tổng quan v Tương quan chéo

Tương quan chéo là một phương pháp tiêu chuNn đánh giá mức độ các mối tương quan. Hãy xem xét hai chuỗi x (i) và y(i) khi i = 0,1,2 ... N-1. tương quan R được định nghĩa là :

Trường hợp mx và my là những phương tiện của chuỗi tương ứng. Nếu ở trên được tính cho tất cả các sự chậm trễ d = 0,1,2, ... N-1 sau đó kết quả trong một loạt các mối tương quan chéo của hai lần chiều dài như chuỗi ban đầu.

Phạm vi của tương quan r và chiều dài của chuỗi tương quan chéo có thể là ít hơn so với N, ví dụ như các mục tiêu có thể là chuNn hóa sự tương quan sự thời gian ngắn. Các mẫu số trong biểu thức trên phục vụ chuNn hóa các hệ số tương quan như vậy mà -1 <= r (d) <= 1, giới hạn chỉ ra mối tương quan tối đa và 0 cho thấy không có mối tương quan. Một mối tương quan tiêu cực cao cho thấy một mối tương quan cao nhưng nghịch đảo của một trong những chuỗi.

8.2 Giới thiệu Hệ thống giữ xe ứng dụng kỹ thuật nhận dạng biển số xe, lưu trữ biển số xe. Dù có nhiều thuật toán để nhận dạng vùng chứa biển số xe. Nhóm thực hiện dùng phương pháp tương quan chéo để nhận dạng biển số xe, nhận dạng các ký tự trên biển số xe. Yêu cầu đưa ra là: Phải tìm vùng chứa biển số xe, trích rút vùng biển số xe, cách li các ký tự trên biển số, từ đó xử lý và nhận dạng. Quy trình nhận dạng biển số xe như sau:

Hình 8.1 – Quy trình nhận dạng biển số xe



8.3 Quy trình nhận dạng biển số xe 8.3.1 Thu nhận ảnh. Quá trình thu nhận ảnh trong hệ thống được thực hiện tự động thông qua một camera giám sát, ảnh thu được có thể chia làm 2 dạng là chỉ chụp vùng biển và bao gồm biển cùng một phần của đuôi xe. Ảnh cần được xử lý trước khi nhận dạng bằng cách đưa ảnh về ảnh xám sau đó tăng độ tương phản bằng cân bằng xám.

8.3.2 Trích chọn vùng chứa biển số xe. Mục đích: Từ bức ảnh chụp được trong bước thu nhận ảnh, áp dụng các thuật toán

trích ra được vùng ảnh nhỏ nhất chứa biển số. Các phương pháp: có nhiều phương pháp khác nhau để thực hiện nhiệm vụ này

nhưng tất cả đều có thể qui về 3 phương pháp chính sau đây: - Phương pháp dùng chuyển đổi Hough: dựa vào đặc trưng cạnh biên trích được, áp

dụng các phương pháp xác định đường thẳng như phép biến đổi Hough để phát hiện các cặp đường thẳng gần song song ghép thành một ảnh biển số.

- Phương pháp hình thái học: dựa vào đặc trưng hình thái của biển số xe như màu sắc, độ sáng, sự đối xứng… để xác định và trích ra ảnh biển số.

- Phương pháp khớp mẫu: xem biển số là một đối tượng có khung nền riêng và sử dụng các cửa sổ dò để trích từng đối tượng đưa qua mạng noron (neural network), trí tuệ nhân tạo (artificial intelligence) chẳng hạn để phân loại có phải là vùng biển số hay không. Nghiên cứu này sẽ sử dụng phương pháp hình thái học.

8.3.2.1 Phương pháp hình thái học Nội dung của phương pháp: Dựa vào đặc trưng quan trọng là biển số xe máy có độ

sáng (tức mức xám khi chuyển bức ảnh về dạng xám) là tương đối khác so với các vùng khác trong bức ảnh, cũng như sự phân bố mức xám là khá đồng đều trên biển số và vì vậy khi được nhị phân hoá, vùng biển số là một đối tượng có đặc thù hình thái, có thể phân biệt được với các vùng khác . Như vậy các bước thực hiện ở đây là:

- Xác định ngưỡng xám. Thực chất là không có phương pháp nào chọn cho đúng ngưỡng xám để thực hiện. Thay vào đó, ngưỡng xám sẽ được quét trong một khoảng nào đó. Thông qua lược đồ xám ta nhận thấy vùng biển số thường sẽ có độ sáng tương đối lớn (từ 130-200) vì vậy ta sẽ xác định lược đồ xám lớn nhất trong khoảng này và ngưỡng xám cần chọn sẽ thuộc vùng này nhờ đó ta sẽ giảm được thời gian lặp tìm ngưỡng xám.

Hình 8.2 – Ảnh xám đầu vào Hình 8.3 – Lược đồ xám của bức ảnh xám



- Lọc các nhiễu (salt and pepper noise) gây ảnh hưởng xấu tới đối tượng biển số. - Gắn nhãn cho các đối tượng còn lại trong ảnh nhị phân thu đươc. - Trích ra các đối tượng ứng viên biển số theo tiêu chí cụ thể của biển số xe về chiều

cao, chiều rộng, tỉ lệ các cạnh, diện tích, trọng tâm …Cụ thể nghiên cứu đã chọn: 12000 pixel ≤ diện tích ≤ 350000 pixel 0,5 ≤ chiều cao/chiều rộng ≤ 2.2.

• Ưu điểm: - Đơn giản - Chọn ra chính xác vùng biển số.

• Nhược điểm : - Thời gian xử lý lớn.

8.3.2.2 Phương pháp chuyển đổi Hough Nội dung của phương pháp: gồm các bước: - Dò đặc trưng biên ngang, dọc: làm nổi bật các viền bao của tất cả các đối tượng

trong ảnh trong đó có viền bao biển số. Phương pháp là sử dụng các bộ lọc gradient để trích được các đặc trưng cạnh biên này. Nghiên cứu này sử dụng bộ lọc Sobel để tiến hành dò.

- Dùng chuyển đổi Hough tìm các đoạn thẳng ngang dọc trên cở sở của ảnh nhị phân biên cạnh thu được từ bước trên. Ở đây sẽ chọn các đường thẳng cách đều nhau 5 pixel để dò đường, và loại bỏ các đoạn thẳng nhỏ hơn ngưỡng, cụ thể là có ít hơn 30 pixel thuộc nó.

- Tách các đoạn thẳng ngang, dọc có thể là cạnh của biển số. - Trích ứng viên biển số: thành lập các hình chữ nhật là ứng viên cho biển số với tiêu

chí cụ thể là: các bộ 4 đoạn thẳng thu được sẽ qua đánh giá về kích thước: 80< chiều rộng <400 63< chiều cao <350 0.63< chiều cao/ chiều rộng <0.8

• Ưu điểm: không phụ thuộc vào màu sắc của biển số xe.

• Nhược điểm: phụ thuộc rất lớn vào bước trích đặc trứng biên cạnh dẫn đến là các đoạn thẳng ứng viên thu được thường ngắn hơn nhiều so với chiều dọc cũng như chiều ngang của biển số.

8.3.2.3 Thuật toán trích vùng biển số xe • Bước 1 : Tìm khung biên của vật thể trong ảnh.

• Bước 2 : Tìm và vẽ những hình chữ nhật có kích cỡ bằng biên của vật thể trong ảnh.

• Bước 3 : Tìm những hình chữ nhật có tỷ lệ rộng/dài phù hợp.

• Bước 4 : Cắt những hình chữ nhật thỏa điều kiện trên.

8.4 Cách ly các ký tự Mục đích : Tách thành 8 ảnh đơn chứa các kí tự từ ảnh vùng biển số đã thu được. Phương pháp: Cũng có nhiều phương pháp để thực hiện nhiệm vụ này. Có thể kể ra ở đây như tách tĩnh, lượng tử hóa vector (vector quantization), lược đồ chiếu ngang và dọc (vertical and horizontal projection), mạng noron (neural network), trí tuệ nhân tạo (AI), hình thái học (Morphology)...Nghiên cứu này đã lựa chọn phương pháp hình thái học để thực hiện.

Thuật toán :



• Bước 1 : Tìm khung biên của vật thể trong ảnh.

• Bước 2 : Tìm và vẽ những hình chữ nhật có kích cỡ bằng biên của vật thể trong ảnh.

• Bước 3 : Tìm và vẽ các hình chữ nhật có chiều cao > ảnh đầu vào/3, chiều rộng < ảnh đầu vào/2.

• Bước 4 : Khi tồn tại những hình chữ nhật ở bước 3 xét tiếp tỉ lệ pixel trắng/đen thỏa : 0.2<= pixel trắng/đen <= 6

• Bước 5 : Cắt những hình chữ nhật thỏa điều kiện trên.

• Bước 6 : Sắp xếp các ký tự thành 2 hàng - Tìm những hình chữ nhật có tọa độ y < chiều cao ảnh gốc/3 gán cho nó là hàng

dưới. - Tìm những hình chữ nhật có tọa độ y > chiều cao ảnh gốc/3 gán cho nó là hàng

trên.


GVHD : ThS. Nguyễn Văn Nga Chương 9 : Thiết kế phần cứng

9.1 Khối RFID Reader 9.1.1 Lựa chọn phương án thiết kế

Thiết kế và thi công mạch đọc RFID được sử dụng ở đây ở tần số thấp sử dụng IC chuyên dụng EM4095 của hãng EM Microelectronic là loại chip có thể ghi/đọc tag, giá thành thấp, tần số từ 100 đến 150 kHz, khoảng cách đọc gần. Mạch đọc này vừa giải quyết được vấn đề khó khăn về giá thành, vừa đáp ứng được yêu cầu đối với một hệ thống RFID nói chung.

Về thẻ tag, vì phải phù hợp với IC Reader nên mạch đọc ta chọn chip EM4095 thì khi chọn tag nên cùng một nhà sản xuất. Ở đây ta chọn tag EM4100, EM4102 có hình dạng Key

Fob và dạng thẻ, đây là loại tag chỉ đọc, có giá thành thấp. Mặt khác trên thị trường Việt Nam hai loại thẻ này tương đối dễ kiếm.

9.1.2 Sơ đồ nguyên lý

Hình 9.1 – Sơ đồ nguyên lý mạch đọc RFID EM4095

Các thông số tính toán tham khảo từ đồ án: "Hệ thống quản lý thư viện dùng

công nghệ RFID - Bùi Văn Vượng"

9.2 Khối xử lý

9.2.1 Yêu cầu Khối xử lý đảm nhận các chức năng sau đây:

§ Giao tiếp với IC EM4095, đọc và xử lý dữ liệu của thẻ.

§ Truyền dữ liệu lên xuống với máy tính.



9.2.2 Sơ đồ nguyên lý khối xử lý

Hình 9.2 – Sơ đồ nguyên lý khối xử lý sử dụng PIC16F877A

Giải thích sơ đồ nguyên lý: • Nguồn nuôi cho mạch được lấy từ nguồn USB của máy tính

• 2 chân RB1và RB2 để điều khiển chip EM4095 hoạt động. Còn 2 chân RC0 và RC2 để nhận dữ liệu từ reader.

• 2 chân TX (RC6) và RX (RC7) để truyền dữ liệu lên máy tính và ngược lại.

• 3 đèn Led dùng để thông báo trạng thái của mạch

• Chân Reset của PIC được nối với mạch giao tiếp máy tính thông qua Port kết nối để thực hiện chức năng Bootloader.

9.3 Khối giao tiếp máy tính 9.3.1 Yêu cầu

• Chuyển từ USB sang RS232

• Giao tiếp với vi điều khiển PIC16F877A bằng chuNn RS232

• Cấp nguồn cho hệ thống

• Vi điều khiển có thể truyền nhận dữ liệu với máy tính

• Nạp chương trình cho vi điều khiển thông qua chức năng Bootloader



9.3.2 Sơ đồ nguyên lý mạch chuyển USB sang RS232

Hình 9.3 – Sơ đồ nguyên lý mạch chuyển USB sang RS232 sử dụng PL2303

9.3.3 Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển động cơ bước

Hình 9.4 – Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển động cơ bước



9.4 Thi công mạch 9.4.1 Sơ đồ nguyên lý tổng hợp

Hình 9.5 – Sơ đồ nguyên lý mạch đọc và xử lý

9.4.2 Mạch in

Hình 9.6 – Mạch in mạch PL2303



Hình 9.7 – Mạch in lớp top mạch đọc và xử lý

Hình 9.8 – Mạch in lớp bottom mạch đọc và xử lý



9.5 Anten của reader Tần số cộng hưởng

fo = 2

34567 89 =125 KHz (7.1)

Co phụ thuộc vào C17, C19, C20 tính bằng công thức sau:

Co = C17’ + :;<=>?≅ΑΒΧ∆ΕΦΓ

(7.2)

Với C17’ = C17 + C18 = 2nF C19 = 47pF, C20 = 1nF

Co = C17 + ΗΙϑ=ΚΛΜΝΟΠΘΡΣΤ

= 2*10-9 + (47*10-12 *1*10-9)/(47*10-12 +(1*10-9)

= 2.0448*10-9 (F)

(7.1) => LA = Υ

(ςΩΞΨ)Ζ[∴ =

](⊥_=αβχδ=ε=φ.γη)ι=ϕ.κλµν=οπθρ

= 0.8*10-3 (H) = 0.8 (mH)

Nhiệm vụ của ta là phải thiết kế được anten có L = 0.8 (mH) Ta có công thức sau:

L = K1στυϖωξψζ|∼

(H) (7.3)

Với : K1 = 2.09 K2 = 3.3, ! = 4∀.10-3 n là số vòng dây dout : đường kính ngoài (m) din : đường kính trong (m) davg = (dout + din)/2 (m)

# = ∃%&∋( )∗+,−./0 123 (m) (7.4)

Trong công thức trên ta biết được L = 0.8 (mH) và chưa biết n, dout, din. Giả sử ta có: dout = 7(cm) = 0.07 (m) din = 6.5 (cm) = 0.065 (m) davg = (0.07 + 0.065)/2 = 0.0675 (m)

4 = 5.6789.:;<=.>?≅ Α.ΒΧ∆ = 0.037 (m)

Từ đó ta tìm được số vòng dây n của cuộn dây

n = ΕΦ(ΓΗΙϑΚ)

ΛΜΝΟΠΘΡΣ = ΤΥ.ς=ΩΞΨΖ([∴].⊥_=.αβχ)

δ.εφ=γη=ιϕκλ=µ.νοπθ = 71 (vòng) (7.5)

Vậy cuộn dây có n = 71 vòng dout = 7 cm din = 6.5 cm



9.6 Mạch thực tế

Hình 9.10 – Mạch đọc RFID mặt trên

Hình 9.11 – Mạch đọc RFID mặt dưới

Hình 9.12 – Mạch giao tiếp PL2303 mặt trên



Hình 9.13 – Mạch giao tiếp PL2303dưới

Hình 9.14 – Anten hệ thống

Hình 7.24 – Hệ thống đầu đọc và khối giao tiếp

9.7 Lưu đồ chương trình và code cho vi điều khiển PIC16F877A

9.7.1 Lưu đồ chương trình





9.7.2 Code Xem phần phụ lục

SBUFF = C SBUFF= B

DELAY TS

INT_RDA

RET

SBUFF

ĐỘNG CƠ QUAYTHUẬN

ĐÈN XANH SÁNG

ĐÈN ĐỎ SÁNG

ĐỘNG CƠ QUAY NGHNCH

ĐÈN XANH SÁNG

S

Đ Đ

S

Documents

Do an Tot Nghiep Ky Thuat Dien Tu He Thong Nhan Dang Bien So Xe Su Dung Cong Nghe Xu Ly Anh