Lời Nói Đầu LỜI NÓI ĐẦU Ngày nay nghành công nghệ thông tin đã có những bước phát triển vượt bậc. Chỉ từ việc phát minh ra con transistor đầu tiên năm 1947, cho đến nay các sản phẩm công nghệ thông tin đã len lỏi đến tất cả các nghành nghề trong xã hội từ nghành ngân hàng, tài chính đến các nghành bán lẻ Không những vậy chúng cũng đã len lỏi vào mọi gia đình từ các sản phẩm gia dụng như máy giặt, tủ lạnh đến các thiết bị giải trí truyền thông như ipod, Trong tương lai, bên cạnh việc phát triển công nghệ vi điện tử để chế tạo ra các thế hệ bộ vi xử lý với tốc độ xử lý ngày càng nhanh, thì các hệ thống ứng dụng vẫn sẽ phát triển rất mạnh. Chính vì lẽ đó, tôi đã chọn đề tài về “Tìm hiều công nghệ RFID và ứng dụng trong quản lý bệnh nhân”. Công nghệ này đã xuất hiện khá lâu nhưng cho đến nay các ứng dụng của nó vẫn chưa được triển khai rộng rãi. Với việc chọn đề tài này, tôi hi vọng mình sẽ góp phần công sức bé nhỏ của mình vào công việc triển khai nó. Tuy nhiên, ở mức độ một đồ án tốt nghiệp và cũng do thời gian có hạn, nên ở đây tôi chỉ thiết kế và thi công hệ thống ở mức kiểm thử. Còn để có thể triển khai áp dụng nó vào thực tế thì sẽ phải đầu tư thêm nhiều thời gian và tiền bạc. Song với việc thiết kế thành công hệ thống này, tôi đã thu được thêm khá nhiều kinh nghiệm làm bước đệm cho tôi trở thành kỹ sư sau khi ra trường. Qua đây em xin chân thành cám ơn thầy giáo Tiến Sĩ Lâm Hồng Thạch, là giảng viên hướng dẫn đã nhiệt tình giúp đỡ em trong suốt thời gian thực tập và làm đồ án tốt nghiệp. Em xin chân thành cảm ơn tất cả các thầy giáo, cô giáo của trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội đã giảng dạy và dìu dắt em trong suốt những năm học đại học để em có được những kiến thức cơ bản trước mắt, có thể hoàn thành tốt đồ án tốt nghiệp và tiếp đó, là nền tảng cho quá trình học tập, công tác của em sau này. Hà Nội, ngày 28/05/2011 Snh viên: Trần Trọng Tuân i Tóm Tắt Đồ Án TÓM TẮT ĐỒ ÁN Đồ án tập trung nghiên cứu về công nghệ nhận dạng tự động RFID, nghiên cứu nguồn năng lượng trường điện từ nuôi thẻ RFID và ứng dụng nó trong quản lý bệnh nhân trong bệnh viện. Công nghệ này đã xuất hiện khá lâu nhưng cho đến nay các ứng dụng của nó vẫn chưa được triển khai rộng rãi tương lai nó còn phát triển rộng rãi hơn. Tuy nhiên trong khuôn khổ đồ án tốt nghiệp và do thời gian có hạn tôi chỉ xây dựng hệ thống quản lý bệnh nhân ở mức kiểm thử và phần mềm quản lý bệnh nhân còn đơn giản. Còn để có thể triển khai áp dụng nó vào thực tế thì sẽ phải đầu tư thêm nhiều thời gian và tiền bạc. Nội dung chính của đồ án bao gồm: • Chương 1: Tổng quan về hệ thống RFID • Chương 2: Lựa chọn và tính toán thiết kế • Chương 3: Thiết kế anten cho đầu đọc RFID • Chương 4: Phần mềm quản lý và hướng phát triển đồ án ii Abstract Of Thesis ABSTRACT OF THESIS Research projects focused on automatic identification technology RFID, studying energy electromagnetic fields adopter RFID tags and its application in the management of patients in the hospital. This technology has appeared for quite some time but until now its application has not been widely deployed it’s future development more widely. However, in the framework of graduation thesis and my time is limited by only buiding management system at the patient testing and patient management software is even simpler. Also can be deployed to apply it in practice will have to invest more time and money. The contents of the scheme include: • Chapter 1: Overviwe of RFID System. • Chapter 2: Selection and design calculations. • Chapter 3: Designing antennas for RFID reader. • Chapter 4: Software management and development projects. iii Mục Lục MỤC LỤC TÓM TẮT ĐỒ ÁN ii ABSTRACT OF THESIS iii DANH MỤC HÌNH VẼ vi CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG RFID 1 Khái niệm về hệ thống RFID 1 1.1.1. Thẻ RFID (RFID Tag) 3 1.1.2. Đầu đọc (Reader) 10 1.1.3. Cơ chế trao đổi năng lượng và dữ liệu 17 1.1.4. Các dải tần số hoạt động 22 1.1.5. Ưu nhược điểm của hệ thống RFID 25 1.2. Tình hình phát triển của công nghệ RFID hiện nay 26 1.2.1. Tình hình phát triển 26 1.2.2. Các ứng dụng RFID hiện nay 28 1.3. Mục tiêu và nhiệm vụ của Đồ án 30 1.3.1. Mục tiêu 30 1.3.2. Nhiệm vụ thiết kế 30 CHƯƠNG 2: LỰA CHỌN TÍNH TOÁN THIẾT KẾ 32 2.1. Lựa chọn linh kiện 32 2.1.1. Thẻ (Tag) RFID 32 2.1.2. IC sử dụng trong đầu đọc RFID 37 2.1.3. Vi điều kkhiển PIC 16F877A 45 2.1.4. Sơ đồ nguyên lý toàn mạch 52 CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ ANTEN CHO ĐẦU ĐỌC RFID 55 3.1. Nghiên cứu nguồn năng lượng trường điện từ nuôi thẻ RFID 55 3.1.1. Từ trường do anten tạo ra 55 3.1.2. Các yếu tố ảnh hưởng đến năng lượng nuôi thẻ RFID 59 3.1.3. Khảo sát cường độ từ trường của anten 62 3.2. Thiết kế anten cho đầu đọc ở tần số 125 kHz 68 3.3. Điều chỉnh thiết kế anten cho phù hợp 70 3.3.1. Điều chỉnh tín hiệu trên anten 70 3.3.2. Quan hệ giữa bán kính anten và khoảng cách đọc 71 CHƯƠNG 4: PHẦN MỀM QUẢN LÝ VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỒ ÁN 73 4.1. Giao diện phần mềm quản lý 73 iv Mục Lục 4.2. Đánh giá hệ thống 85 4.3. Hướng phát triển 86 4.4. Áp dụng cho quản lý bệnh nhân trong bệnh viện Thanh Nhàn Hà Nội: 87 4.4.1. Thông tin bệnh viện 87 4.4.2. Tính toán chi phí cần thiết trang bị hệ thống quản lý bệnh nhân sử dụng công nghệ RFID cho bệnh viện 88 KẾT LUẬN 90 TÀI LIỆU THAM KHẢO 91 CÁC THUẬT NGỮ SỬ DỤNG TRONG ĐỒ ÁN 93 PHỤ LỤC 95 v Mục Lục DANH MỤC HÌNH VẼ vi Chương 1 : Tổng Quan Về Hệ Thống RFID CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG RFID Khái niệm về hệ thống RFID Nhận dạng nhãn vô tuyến (Radio Frequency Identification – RFID) là một dạng của kỹ thuật nhận dạng tự động (Automatic Identification). Trước khi tìm hiểu về nhận dạng nhãn vô tuyến, chúng ta cần biết qua về nhận dạng tự động. Nhận dạng tự động (Automatic Identification) gọi tắt là “ID tự động” là một thuật ngữ chỉ các công nghệ chủ dùng để giúp các máy nhận dạng các đối tượng. Nhận dạng tự động thường được thực hiện bằng cách tự động bắt dữ liệu. Đó là cách mà các công ty muốn nhận dạng các món đồ, bắt thông tin về chúng và bằng cách nào đó thu nhận dữ liệu đưa vào máy tính mà không cần nhập dữ liệu bằng tay. Mục tiêu của “ID tự động” là tăng tính hiệu quả, giảm lỗi dữ liệu đầu vào và giảm sức lao động trong việc nhận dạng. Các công nghệ chủ được xếp dưới dạng “ID tự động” như: mã vạch (Bar codes), nhận dạng tiếng nói, một số công nghệ sinh trắc học (biometric), nhận dạng đặc trưng quang học (Optical character Recognition – OCR) và nhận dạng nhãn vô tuyến (RFID). Hình 1- Các kỹ thuật nhận dạng tự động RFID là thuật ngữ chung chỉ các công nghệ dùng sóng vô tuyến để nhận dạng tự động con người và đồ vật từ xa. Hệ thống RFID bao gồm nhãn/thẻ RFID 1 Chương 1 : Tổng Quan Về Hệ Thống RFID (RFID Tag) được tạo nên bằng vi chip (IC) có gắn anten và đầu đọc (Reader) có gắn anten. Trên vi chip lưu giữ các thông tin để nhận dạng con người hoặc đồ vật dưới dạng số theo thứ tự. Đầu đọc phát ra sóng điện từ và anten của thẻ thu các sóng điện từ số, trong trường hợp các thẻ là thẻ thụ động thì nó hấp thụ năng lượng từ trường điện từ do đầu đọc tạo nên và sử dụng năng lượng đó để nuôi các mạch vi chip. Vi chip sau đó điều chế sóng để thẻ phát lại về phía đầu đọc và đầu đọc biến đổi các sóng đó thành tín hiệu và từ đó nhận dạng đồ vật có gắn thẻ ở khoảng cách từ 5cm đến 10m tùy vào loại thẻ thẻ. Để tạo thành một hệ thống RFID hoàn chỉnh thì đầu đọc RFID cần nối với máy chủ (host computer). Sau khi thu thập được dữ liệu từ thẻ, đầu đọc sẽ truyền dữ liệu lên máy chủ nơi chứa phần mềm trung gian (middleware) để xử lý dữ liệu và nối hệ thống RFID với hệ thống kỹ thuật thông tin lớn hơn để quản lý dữ liệu (database, applications, ). Hình 1- Hệ thống RFID Thẻ RFID không cần tiếp xúc với đầu đọc để được nhận dạng mà có thể bị đọc từ khoảng cách xa tùy thuộc vào dải tần số hoạt động của thẻ và đầu đọc. Không giống với thẻ thông minh (smart card) mà ta thường thấy sử dụng trong dạng thẻ điện thoại hay thẻ ATM, nguồn năng lượng cấp cho thẻ RFID hoạt động và trao đổi dữ liệu giữa thẻ RFID và đầu đọc không thông qua kết nối điện trực tiếp 2 Chương 1 : Tổng Quan Về Hệ Thống RFID mà nhờ sự cảm ứng trường điện từ trong quá trình truyền sóng vô tuyến. Hệ thống nhận dạng RFID vì vậy còn được hiểu là hệ thống nhận dạng không tiếp xúc (contactless RFID system). Hình 1- Đầu đọc và thẻ không tiếp xúc RFID trong ứng dụng thực tế 1.1.1. Thẻ RFID (RFID Tag) 1.1.1.1. Các thành phần của thẻ RFID Thẻ RFID (thường gọi là Tag hay Transponder) là những thẻ điện tử nhỏ có thể dùng độc lập hoặc được dán lên đồ vật. Mỗi thẻ có một mã nhận dạng duy nhất và có thể gắn kèm theo bộ nhớ để lưu trữ thêm dữ liệu, cảm biến môi trường hoặc các cơ cấu bảo vệ. Thẻ RFID là loại thẻ không tiếp xúc (contactless card) gồm có 2 thành phần: - Vi mạch (Tag IC): Lưu giữ một số thứ tự duy nhất hoặc thông tin khác dựa trên loại thẻ: Read-Only (RO), Read-Write (RW) hoặc Write Once Read Many (WORM). - Anten: được gắn với vi mạch truyền thông từ chip đến đầu đọc, Anten càng lớn cho biết phạm vi đọc càng lớn. 3 Chương 1 : Tổng Quan Về Hệ Thống RFID Hai thành phần này được gắn lên trên lớp nền (Substrate) và sau đó sẽ được đóng gói dưới nhiều hình dạng khác nhau tùy thuộc vào kích thước và ứng dụng. Hình 1- Các thành phần của Tag RFID Sơ đồ khối của 2 thành phần vi mạch (Tag IC) và anten trong thẻ RFID như sau: 4 Tag IC Anten Substrate [...]... hiệu độc lập): o Bộ phát (Transmitter) o Bộ thu (Receiver) 14 Chương 1 : Tổng Quan Về Hệ Thống RFID • Sơ đồ khối Hệ thống RFID thiết kế trong đồ án hoạt động ở dải tần số thấp (125KHz) dựa trên nguyên lý ghép nối cảm ứng (inductively coupled system) có sơ đồ khối của khối HF như sau: Hình 1- Sơ đồ khối của khối HF cho hệ thống RFID ghép nối cảm ứng Tín hiệu được truyền tới thẻ đi theo đường truyền dữ... Đồ án này được thực hiện với các mục tiêu sau: • Nghiên cứu công nghệ nhận dạng tự động RFID • Nghiên cứu nguồn năng lượng trường điện từ nuôi thẻ RFID • Ứng dụng công nghệ RFID vào công tác quản lý bệnh nhân 1.3.2 Nhiệm vụ thiết kế • Thiết kế chế tạo thử nghiệm hệ thống đầu đọc thẻ ứng dụng trong quản lý bệnh nhân Lựa chọn giải pháp công nghệ thích hợp 30 ... (antenna box) 15 Chương 1 : Tổng Quan Về Hệ Thống RFID Đường nhận dữ liệu bắt đầu từ khối anten với thành phần đầu tiên là bộ lọc giải thông (bandpass filter) hoặc một bộ lọc notch Trong hệ thống truyền song công/ bán song công (FDX/HDX) bộ lọc này có nhiệm vụ chặn phần lớn các tín hiệu mạnh từ đường truyền qua khối output module và chỉ lọc lấy các tín hiệu đáp ứng từ thẻ Trong các hệ thống tần số thấp LF... lý của hành khách - Trong công nghiệp: RFID rất thích hợp cho việc xác định sản phẩm có giá trị đơn vị cao thông qua quá trình lắp ráp chặt chẽ Hệ thống RFID rất bền vững trong môi trường thời tiết khắc nghiệt nên thích hợp để định danh các vật chứa, lưu giữ sản phẩm lâu dài như container, cần cẩu, xe kéo v.v… Một mặt, các thẻ RFID cho phép 28 Chương 1 : Tổng Quan Về Hệ Thống RFID xác định sản phẩm mà... thể chứa lượng thông tin lớn hơn nhiều so với mã vạch 25 Chương 1 : Tổng Quan Về Hệ Thống RFID - Việc đọc mã vạch yêu cầu tác động của con người còn thẻ RFID thì không - Tiết kiệm năng lượng 1.1.5.2 Nhược điểm Bên cạnh những lợi thế trên, công nghệ RFID cũng có nhiều bất lợi về mặt kỹ thuật và tài chính: - Xử lý tín hiệu: Tín hiệu RFID dễ bị ngăn cản bởi các vật nhỏ bằng kim loại trong khoảng cách... quanh các vật kim loại; phạm vi đọc kém hơn dải tần UHF; thẻ và đầu đọc đắt nhất - Phạm vi ứng dụng: o Kiểm soát hành lý tại sân bay (Airline Baggage) o Thu phí giao thông điện tử trên đường cao tốc (Electronic toll collection) 1.1.5 Ưu nhược điểm của hệ thống RFID 1.1.5.1 Ưu điểm So với các công nghệ cùng loại (nhận dạng tự động) như mã vạch thì RFID có nhiều ưu điểm nổi trội như: - RFID là công nghệ. .. phần: - Khối HF (HF Interface): bao gồm bộ phát (transmitter) và bộ thu (receiver) - Khối điều khiển (Control Unit): bao gồm khối ASIC và vi điều khiển 12 Chương 1 : Tổng Quan Về Hệ Thống RFID - Anten 13 Chương 1 : Tổng Quan Về Hệ Thống RFID Control Unit (giao thức mã hóa tín hiệu) Các lệnh điều khiển từ PC Application software (PC với các phần mềm ứng dụng) Nhận dữ Truyền dữ liệu liệu HF interface... xử lý các chu trình tính toán chuyên sâu Khối ASIC thường được truy nhập thông qua đường bus của vi điều khiển • Sơ đồ khối: Hình 1- Sơ đồ khối của khối điều khiển 16 Chương 1 : Tổng Quan Về Hệ Thống RFID Dữ liệu trao đổi giữa phần mềm ứng dụng (application software) và khối điều khiển của đầu đọc được thực hiện qua giao diện truyền thông nối tiếp RS-232 hoặc RS-485 Truyền thông giữa khối HF và khối... viên nào hết hạn hợp đồng lao động; bảo hiểm xã hội, bảo hiểm y tế - Trong y tế, giáo dục, vui chơi giải trí: công nghệ RFID có thể sử dụng cho người cũng như đồ vật Vì vậy, một số bệnh viện đang sử dụng vòng đeo tay RFID cho trẻ mới sinh và bệnh nhân cao tuổi mất trí Ngoài ra còn ứng dụng trong việc quản lý hồ sơ bệnh án 1.3 Mục tiêu và nhiệm vụ của Đồ án 1.3.1 Mục tiêu Đồ án này được thực hiện... pha = 90 o cho bit 0, pha = -90o cho bit 1 Hình 1- Tín hiệu điều pha PSK • Các cơ chế truyền thông: 21 Chương 1 : Tổng Quan Về Hệ Thống RFID - Truyền song công (FDX): tín hiệu truyền theo hai chiều đồng thời: thẻ và bộ đọc nói cùng lúc - Truyền bán song công (HDX): tín hiệu truyền theo hai hướng nhưng không đồng thời, ở chế độ phát thì phần thu bị vô hiệu hóa và ngược lại Trong cả hai cơ chế truyền . THUẬT NGỮ SỬ DỤNG TRONG ĐỒ ÁN 93 PHỤ LỤC 95 v Mục Lục DANH MỤC HÌNH VẼ vi Chương 1 : Tổng Quan Về Hệ Thống RFID CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG RFID Khái niệm về hệ thống RFID Nhận dạng nhãn vô. projects. iii Mục Lục MỤC LỤC TÓM TẮT ĐỒ ÁN ii ABSTRACT OF THESIS iii DANH MỤC HÌNH VẼ vi CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG RFID 1 Khái niệm về hệ thống RFID 1 1.1.1. Thẻ RFID (RFID Tag) 3 1.1.2. Đầu đọc. (Control Unit): bao gồm khối ASIC và vi điều khiển 12 Chương 1 : Tổng Quan Về Hệ Thống RFID - Anten 13 Chương 1 : Tổng Quan Về Hệ Thống RFID a) Khối HF (HF Interface) • Chức năng: - Sản sinh năng