Xây dựng ăng ten Logo ứng dụng trong hệ thống nhận dạng bằng sóng vô tuyến

g được ứng dụng phổ biến trong nhiều hệ thống nhằm cung cấp thông tin về con người, động vật, hàng hóa,.. trong quá trình di chuyển. Giống như tên gọi, công nghệ được sử dụng trong các hệ thống RFID được phát triển dựa trên truyền dẫn sóng vô tuyến. Giao tiếp giữa thiết bị mang thông tin và thiết bị đọc thông qua sóng vô tuyến thay vì được thực hiện không qua cơ chế tiếp xúc, khi đó vai trò của ăng ten trong các hệ thống này đặc biệt quan trọng. Trong bài báo này, nhóm tác giả thiết kế và chế tạo một ăng ten Logo có thể tích hợp trên phù hiệu hay đồng phục của nhân viên nhằm tăng tính linh hoạt cho hệ thống quản lí nhân sự bằng RFID. Từ khóa: Nhận dạng tự động, nhận dạng dùng sóng vô tuyến, ăng ten, logo. Abstract Radio Frequency Identification (RFID) has been widely applied in many systems to provide information of people, animals, cargo,... in transportation processes. As the name indicated, technologies in RFID systems were developed based on radio frequency transmission. Communication between a data carrier and a reader is contactless, through radio environment. In this scenario, antenna plays the most important role. In this paper the authors present a method for designing and developing a Logo antenna which can be attached on the badge or uniform of staffs to enhance the flexibility of human resource management system using RFID. Keywords: Auto-Identification, RFID, logo, logo Antenna. 1. Mở đầu Tự động nhận dạng (Auto-Identification) đã và đang được ứng dụng phổ biến trong nhiều hệ thống như: hệ thống công nghiệp, phân phối bán hàng, các hệ thống, công ty sản xuất,... nhằm cung cấp thông tin về con người, động vật, hàng hóa trong quá trình di chuyển. Khởi đầu cho cuộc cách mạng về nhận dạng phải kể đến đó là các hệ thống mã vạch, tuy nhiên các hệ thống này hiện tại đã bộc lộ nhiều hạn chế như bộ nhớ lưu trữ thấp và không thể lập trình lại được [1-3]. Dạng chung của thiết bị điện tử lưu trữ dữ liệu ngày nay đó là các thẻ thông minh dựa trên một trường thông tin liên lạc (thẻ thông minh telephone, thẻ ngân hàng) và sử dụng phương pháp tiếp xúc cơ khí để đọc dữ liệu. Tuy nhiên, việc lưu trữ và đọc thông tin trên thẻ thông minh là không thực tế đòi hỏi phải có các giải pháp truyền dữ liệu không tiếp xúc giữa thiết bị mang dữ liệu và thiết bị đọc. Khi đó, nhận dạng dùng sóng vô tuyến RFID được xem là giải pháp ưu tiên hàng đầu. Giống như tên gọi, công nghệ được sử dụng trong các hệ thống RFID được phát triển dựa trên truyền dẫn sóng vô tuyến. Giao tiếp giữa thiết bị mang thông tin và thiết bị đọc thông qua sóng vô tuyến thay vì được thực hiện không qua cơ chế tiếp xúc, khi đó vai trò của ăng ten trong các hệ thống này đặc biệt quan trọng. Trong bài báo này, nhóm tác giả thiết kế và chế tạo một ăng ten Logo [4] có thể tích hợp trên phù hiệu hay đồng phục của nhân viên nhằm tăng tính linh hoạt cho hệ thống quản lí nhân sự bằng RFID. Nội dung bài báo bao gồm 4 mục. Mục 1 - Mở đầu, mục 2 - Hệ thống RFID, tập trung vào việc phân tích hoạt động của hệ thống RFID, đặc tính của ăng ten sử dụng trong các hệ thống này. THE INTERNATIONAL CONFERENCE ON MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY 2016 HỘI NGHỊ QUỐC TẾ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ HÀNG HẢI 2016 436 Mục 3 - Thiết kế ăng ten, trên cơ sở phân tích trên, ăng ten logo VMU được thiết kế và chế tạo. Mục 4 là những kết luận và hướng phát triển tiếp theo của nhóm nghiên cứu. 2. Hệ thống RFID 2.1. Kiến trúc hệ thống Hình 1 chỉ ra kiến trúc của một hệ thống RFID. Hình 1. Hệ thống RFID Hệ thống bao gồm hai thành phần chính: Thiết bị đọc (reader) bao gồm mộ đun truyền/nhận sóng vô tuyến, đơn vị điều khiển và thành phần kết nối đến thiết bị thu phát. Ngoài ra, rất nhiều bộ đọc hỗ trợ các chuẩn giao tiếp khác nhau như RS232, RS485,... để có thể giúp hệ thống truyền dữ liệu nhận được đến các hệ thống khác như PC, hệ thống điều khiển robot, Thiết bị thu phát (transponder): thành phần mang dữ liệu của hệ thống RFID, bao gồm thành phần kết nối đến thiết bị đọc (ăng ten) và một microchip (hình 2). Hình 2. Kiến trúc chung của thiết bị thu phát 2.2. Hoạt động của hệ thống Khi transponder là thiết bị thông thường (không ở trong vùng hoạt động của thiết bị đọc) transponder ở chế độ thụ động hoàn toàn. Transponder chỉ được kích hoạt khi đi vào vùng phủ sóng của reader. Năng lượng để transponder hoạt động được truyền nhờ đơn vị liên kết coupling sử dụng công nghệ không tiếp xúc. Đơn vị liên kết này cũng được dùng để chuyển xung thời gian và dữ liệu. Tần số hoạt động của transponder: tần số mà các ăng ten trên transponder dùng để thu phát tín hiệu. Các dải tần phổ biến được sử dụng trong các hệ thống RFID: LF (Low Frequency), HF (High Frequency), UHF (Ultra High Frequency) và SHF (Super High Frequency). Bảng 1 chỉ ra các dải tần phổ biến và đặc tính của ăng ten khi hoạt động trong các dải tần này. THE INTERNATIONAL CONFERENCE ON MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY 2016 HỘI NGHỊ QUỐC TẾ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ HÀNG HẢI 2016 437 Bảng 1. Các dải tần phổ biến được sử dụng trong các hệ thống RFID Tên Khoảng tần số Khoảng cách đọc LF 30 - 300 KHz 50 cm HF 3 - 30 MHz 300 cm UHF 300 - 3000 MHz 900 cm SHF 3 - 30 GHz 1000 cm Khoảng cách đọc được của các transponder phụ thuộc vào nhiều yếu tố: tần số làm việc, công suất đầu đọc, can nhiễu, Trong khuôn khổ của bài báo, do thiết bị transponder là thụ động (chỉ được kích hoạt khi người dùng mặc đồng phục và đeo thẻ của Nhà trường) nên các ăng ten được thiết kế là các ăng ten thụ động, hoạt động trong dải tần UHF, SHF. Ăng ten có hình dạng là Logo của Trường Đại học Hàng hải Việt Nam (hình 5a). 3. Thiết kế ăng ten 3.1. Cấu trúc hình học của ăng ten Ăng ten được thiết kế là ăng ten vi dải [5] hoạt động ở băng tần 2.4GHz (WLAN, WiMAX, Bluetooth,...). Hình 3 chỉ ra cấu trúc hình học của ăng ten, các thông số của ăng ten (sau khi tối ưu) được chỉ ra trong bảng 2. Bảng 2. Các tham số của ăng ten Tham số Kích thước (mm) wg 45 hg 45 h 1.6 r 13.5 wf 1.8 hch 13 wch 8.2 wpin 12.5 h1 5 h2 8 hpin 15 Hình 3. Cấu trúc hình học của ăng ten logo VMU Tấm phát xạ: dạng hình học được cách điệu từ logo của trường Đại học Hàng hải Việt Nam, sử dụng tấm dẫn điện PEC (Perfect Electrical Conductor). Tấm điện môi: sử dụng chất điện môi FR4 có Ɛ = 4.4. Tấm bức xạ, mặt phẳng đất: sử dụng tấm dẫn điện PEC. 02 ngắn mạch bằng kim loại có đường kính 0.5 mm. Ăng ten được tiếp điện bằng SMA có trở kháng đặc trưng 50 Ω. Hình 4 chỉ ra mô hình 3D của ăng ten được thiết kế và mô phỏng trên phần mềm CST Microwave Studio version 2014. THE INTERNATIONAL CONFERENCE ON MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY 2016 HỘI NGHỊ QUỐC TẾ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ HÀNG HẢI 2016 438 Hình 4. Giao diện thiết kế Hình dạng ăng ten (logo) và hệ số tổn hao ngược S11 của ăng ten được chỉ ra trong hình 5 và 6. Hình 5. Ăng ten logo VMU: a) Logo, b) Top view, c) Back view Ăng ten hoạt động với tần số hội tụ tại 2.4GHz, hệ số tổn hao ngược S11= -29.05 dB, băng thông tại -10 dB là 321 MHz (12.9%) và tỷ số sóng đứng VSMR < 2 (1.08). Hình 6. Hệ số tổn hao ngược S11 THE INTERNATIONAL CONFERENCE ON MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY 2016 HỘI NGHỊ QUỐC TẾ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ HÀNG HẢI 2016 439 Hình 7 chỉ ra đồ thị bức xạ (3D) của ăng ten đạt được, độ tăng ích của ăng ten tại tần số 2.4GHz là 3.012 dBi. Hình 7. Đồ thị bức xạ của ăng ten logo VMU 3.2. Chế tạo ăng ten Ăng ten được in trên tấm nền là chất điện môi FR4 có ε = 4.4, chiều dày h = 1.6 mm. Các tham số của ăng ten như trong bảng 2. Hình 8 chỉ ra hình ảnh của ăng ten được chế tạo. Hình 8. Hình ảnh của ăng ten được chế tạo Tần số của ăng ten đo được có sự sai khác đôi chút (58 MHz) so với kết quả mô phỏng, các sai số này có thể được giải thích do độ chính xác khi chế tạo. Tuy nhiên ăng ten vẫn hội tụ tại tần số 2.4 GHz với băng thông 400 MHz. Hình 9. Tần số hoạt động của ăng ten mô phỏng và thực nghiệm THE INTERNATIONAL CONFERENCE ON MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY 2016 HỘI NGHỊ QUỐC TẾ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ HÀNG HẢI 2016 440 4. Kết luận Nhóm tác giả đã thiết kế và chế tạo thành công ăng ten Logo VMU hoạt động tại băng tần 2.4 GHz. Các tham số mô phỏng cũng như thực nghiệm của ăng ten đạt được khẳng định ăng ten có thể đáp ứng tốt trong môi trường truyền thông không dây. Bên cạnh đó, cấu trúc cũng như kích thước của ăng ten hoàn toàn phù hợp cho việc tích hợp ăng ten trên phù hiệu, đồng phục nhân viên, làm tiền đề cho hướng phát triển tiếp theo của nhóm nghiên cứu trong việc phát triển hệ thống nhận dạng nhân sự bằng công nghệ RFID. Tài liệu tham khảo [1]. LiYang, Amin Rida, and Manos M.Tentzeris. Design and Development of Radio Frequency Identification (RFID) and RFID-Enabled Sensorson Flexible Low Cost Substrates, Morgan & Claypool. 2009. [2]. Klaus Finkenzeller, RFID Handbook. Fundamentals and Applications in Contactless Smart Cards and Identification, John Wiley & Sons. 2003. [3]. Nguyễn Trọng Đức. Xây dựng ăng ten Logo dùng trong nhận dạng bằng sóng vô tuyến. Đề tài NCKH cấp Trường. Đại học Hàng hải Việt Nam. 2016. [4]. Md. Shaad Mahmud, Shuvashis Dey, Design. Performance and Implementation of UWB Wearable Logo Textile Antenna. 15th International Symposium on Antenna Technology and Applied Electromagnetics (ANTEM). 2012. [5]. Trong Duc, N., et al. Optimization Of PIFA Antenna Using An Auto-embedded Genetic Algorithm. International Conference on Communications and Electronics (ICCE 2010). 2010.