ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TÌM HIỂU VÀ THỰC THI MẬT MÃ HẠNG NHẸ TRÊN RFID

Nguyen Thanh Long

Hà Nội - 2023

i


MỤC LỤC
MỤC LỤC .........................................................................................................ii
LỜI CẢM ƠN ...................................... Lỗi! Thẻ đánh dấu không được xác định.
LỜI CAM ĐOAN ................................ Lỗi! Thẻ đánh dấu không được xác định.
CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT .................................................................. iv
DANH SÁCH BẢNG BIỂU .............................................................................. v
DANH MỤC HÌNH ẢNH ................................................................................ vi
LỜI NÓI ĐẦU ............................................................................................... viii
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CƠNG NGHỆ RFID ................................. 10
1.1

Khái qt về cơng nghệ RFID .............................................................. 10
1.1.1 Khái niệm .................................................................................... 10
1.1.2 Lịch sử phát triển ......................................................................... 11
1.1.3 Các chuẩn RFID .......................................................................... 12
1.1.4 Ứng dụng của công nghệ RFID ................................................... 14
1.1.5 Ưu nhược điểm của công nghệ RFID ........................................... 15

1.2

Hệ thống RFID ...................................................................................... 16
1.2.1 Thẻ RFID (RFID tag)................................................................... 16
1.2.2 Đầu đọc RFID (RFID reader) ...................................................... 21

1.3

Hoạt động của RFID ............................................................................. 24
1.3.1 Tần số hoạt động của RFID ......................................................... 24
1.3.2 Giao tiếp giữa đầu đọc và thẻ ...................................................... 25

1.4

Tính bảo mật của hệ thống RFID ......................................................... 28

CHƯƠNG 2: MẬT MÃ HẠNG NHẸ ............................................................ 31
2.1

Tổng quan về mật mã hạng nhẹ............................................................ 31
2.1.1 Khái niệm về mật mã hạng nhẹ .................................................... 31
2.1.2 Lịch sử hình thành ....................................................................... 33
ii


2.1.3 Tiêu chuẩn trong thiết kế mật mã hạng nhẹ.................................. 33
2.1.4 Ứng dụng của mật mã hạng nhẹ................................................... 35
2.2

Mật mã khối hạng nhẹ .......................................................................... 36

2.2.1 Giới thiệu về mã khối hạng nhẹ.................................................... 36
2.2.2 Tiêu chuẩn thiết kế ....................................................................... 37
2.2.3 Đánh giá các thuật toán ............................................................... 38

2.3

Mã khối XTEA ...................................................................................... 41
2.3.1 Giới thiệu XTEA .......................................................................... 41
2.3.2 Thuật toán XTEA ......................................................................... 41
2.3.3 Giao thức xác thực trên cơ sở thuật toán XTEA ........................... 46
2.3.4 Hiệu suất cài đặt trên hệ thống RFID .......................................... 48

CHƯƠNG 3: ỨNG DỤNG MÃ KHỐI XTEA VÀO RFID ........................... 52
3.1

Giới thiệu module RC522 ...................................................................... 52
3.1.1 Sơ đồ chân module MRFC522 ..................................................... 53
3.1.2 Thẻ MIFARE cổ điển (thẻ MIFARE classic)................................. 54

3.2

Cài đặt chương trình ............................................................................. 55
3.2.1 Cơng cụ ....................................................................................... 55
3.2.2 Cài đặt chương trình .................................................................... 56

KẾT LUẬN ...................................................................................................... 66
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................... 67
PHỤ LỤC............................................. Lỗi! Thẻ đánh dấu không được xác định.

iii



CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT
Viết tắt

Tiếng Anh

Tiếng Việt

EPC

Electronic Product Code

Mã sản phẩm điện tử

EPCIS

EPCglobal Information Services

Dịch vụ thông tin EPCglobal

ERP

Enterprise resource planning
systems

Phần mềm định nguồn lực
doanh nghiệp

ICT


Information Communication

Công nghệ thông tin và truyền

Technology

thông

IoT

Internet of things

Mạng lưới thiết bị kết nối
Internet

ISO

International Organization for
Standardization

Tổ chức tiêu chuẩn hóa quốc tế

IC

Integrated circuit

Vi mạch

LWC


Lightweight cryptography

Mật mã hạng nhẹ

ONS

Object Naming Service

Dịch vụ tên đối tượng

RFID

Radio Frequency Identification

Nhận dạng qua tần số vô tuyến

SNMP

Simple network management

Giao thức quản lý mạng đơn

protocol

giản

Unique Identifier

Định danh duy nhất


UID

iv


DANH SÁCH BẢNG BIỂU
Trang
Bảng 1.1: Các chuẩn RFID ................................................................................ 13
Bảng 1.2: Tần số hoạt động của hệ thống RFID ................................................ 25
Bảng 2.1: Một số thuật toán mật mã hạng nhẹ ................................................... 32
Bảng 2.2: Một số hệ mật phổ biến được sử dụng hiện nay ................................. 37
Bảng 2.3: Lược đồ khóa của thuật toán XTEA .................................................. 44
Bảng 2.4: So sánh các khóa liên hệ TEA và XTEA ........................................... 45
Bảng 2.5: So sánh triển khai phần cứng của TEA và XTEA .............................. 46
Bảng 3.1: Thông số kỹ thuật của đầu đọc ghi RC522 RFID .............................. 53

v


DANH MỤC HÌNH ẢNH
Trang
Hình 1.1: Mơ hình hệ thống RFID ..................................................................... 10
Hình 1.2: Cấu tạo thẻ RFID ............................................................................... 17
Hình 1.3: Đầu đọc thẻ RFID .............................................................................. 21
Hình 1.4: Sơ đồ cấu tạo của đầu đọc RFID ........................................................ 23
Hình 1.5: Điều chế Backscatter ......................................................................... 26
Hình 1.6: Điều chế kiểu transmitter ................................................................... 27
Hình 1.7: Điều chế kiểu thẻ ............................................................................... 27
Hình 1.8: Các khu vực bảo mật trên hệ thống RFID .......................................... 28

Hình 2.1:Lịch sử phát triển mật mã hạng nhẹ .................................................... 33
Hình 2.2: Sự thỏa hiệp trong thiết kế mật mã hạng nhẹ ..................................... 34
Hình 2.3: Ước tính độ trễ................................................................................... 39
Hình 2.4: Ước tính độ trễ trung bình ................................................................. 39
Hình 2.5: Ước tính điện năng tiêu thụ................................................................ 40
Hình 2.6: Vịng mã hóa thứ n của XTEA........................................................... 42
Hình 2.7: Giao thức xác thực dựa trên mã hóa XTEA ....................................... 48
Hình 2.8: Định dạng thơng điệp cập nhật khóa ................................................. 48
Hình 3.1: Sơ đồ chân RC522 ............................................................................. 53
Hình 3.2: Lưu trữ dữ liệu trên thẻ MIFARE ...................................................... 54
Hình 3.3: Arduino Uno R3 ................................................................................ 56
Hình 3.4: Mơ hình cài đặt .................................................................................. 56
Hình 3.5: Quá trình mã hóa dữ liệu ................................................................... 57
Hình 3.6: Quá trình giải mã dữ liệu ................................................................... 57
Hình 3.7: Cài đặt thư viện hỗ trợ ....................................................................... 58
Hình 3.8: Nạp code thành cơng ......................................................................... 61
Hình 3.9: Bắt đầu chương trình ......................................................................... 62
vi


Hình 3.10: Đọc thẻ và ghi dữ liệu ...................................................................... 62
Hình 3.11: Nhập dữ liệu cần lưu ........................................................................ 63
Hình 3.12: Mã hóa và ghi dữ liệu đã mã hóa lên thẻ thành cơng........................ 63
Hình 3.13: Dữ liệu sau mã hóa được lưu trên thẻ .............................................. 64
Hình 3.14: Giải mã dữ liệu trên thẻ thành cơng ................................................. 64
Hình 3.15: Giải mã thất bại ............................................................................... 65

vii



LỜI NĨI ĐẦU
Với sự phát triển ngày càng nhanh chóng của công nghệ thông tin và các
ứng dụng điện tử trên mạng, nhu cầu bảo vệ thông tin trong hệ thống và các ứng
dụng điện tử ngày càng được quan tâm và có ý nghĩa hết sức quan trọng. Các kết
quả của khoa học mật mã ngày càng được triển khai sâu rộng trong nhiều lĩnh vực.
Các ứng dụng mã hóa thơng tin cá nhân, trao đổi thơng tin ngày càng được sử
dụng rộng rãi và trở nên quen thuộc. Sự ra đời của các hệ thống nhận dạng đáp
ứng ngày càng nhiều cho nhu cầu nhận dạng trong cuộc sống. Điển hình đó là
cơng nghệ RFID – Radio Frequency Identification, giúp nhận dạng người hoặc vật
thể sử dụng sóng vô tuyến.
Việc triển khai các thiết bị RFID ở môi trường khơng kiểm soát mà đối
phương có thể truy cập vật lý tới thiết bị hoặc điều khiển thiết bị. Vì vậy khả năng
an tồn của các thiết bị ngay từ việc cài đặt cần được hết sức chú trọng. Do các
thiết bị như RFID có tài nguyên hạn chế cho nên việc áp dụng mật mã thông
thường là quá lớn, quá chậm và tốn năng lượng. Các thuật toán mật mã hạng nhẹ
khắc phục những nhược điểm này. Mục tiêu của mật mã hạng nhẹ là ứng dụng cho
các thẻ thông minh, vi điều khiển… của các thiết bị, hệ thống giao thông thông
minh và Internet of things (IoT)…
RFID là các loại thẻ được thiết kế nhỏ gọn vì vậy việc chọn thuật toán nào
an toàn, đảm bảo độ bảo mật và có khả năng tích hợp vào hệ thống là vấn đề cần
thiết. Thuật toán mã hóa TEA (Tiny Encryption Algorithm) là một trong những
thuật toán được nghiên cứu, sau đó đã được phát triển và đề xuất thuật toán XTEA
phục vụ cho mục đích trên. Xuất phát từ lý do đó tơi chọn đề tài: “Tìm hiểu và
thực thi mật mã hạng nhẹ trên RFID”.
Đồ án gồm 3 chương cụ thể như sau:
Chương 1: Tổng quan về cơng nghệ RFID
Chương này trình bày khái quát về cơng nghệ RFID bao gồm khái niệm,
lịch sử, ứng dụng, hoạt động và tính bảo mật của cơng nghệ RFID
Chương 2: Mật mã hạng nhẹ
viii



Chương này trình bày tổng quan về mật mã hạng nhẹ, ứng dụng của mật mã
hạng nhẹ, giới thiệu về thuật toán XTEA và ứng dụng trong RFID.
Chương 3: Ứng dụng mã khối XTEA vào RFID
Chương này sẽ giới thiệu module RC522 và tiến hành mã hóa - giải mã dữ
liệu trên thẻ RFID sử dụng thuật toán XTEA.
.

ix


1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ RFID
1.1 Khái quát về công nghệ RFID
1.1.1 Khái niệm
RFID (Radio Frequency Identification) là một phương thức giao tiếp khơng
dây sử dụng sóng vô tuyến để xác định và theo dõi đối tượng, cung cấp một khả
năng ứng dụng rộng lớn cho thế giới hiện đại..

Hình 1.1: Mơ hình hệ thống RFID
Cơng nghệ RFID sử dụng truyền thông không dây trong dải tần sóng vơ
tuyến để truyền dữ liệu từ các thẻ (Tag) đến các đầu đọc (Reader) ở khoảng cách
xa mà không thực hiện bất kỳ giao tiếp vật lý nào giữa thẻ và đầu đọc. Công nghệ
này cho ta phương pháp truyền, nhận dữ liệu từ một điểm này đến điểm khác. Thẻ
có thể được đính kèm hoặc gắn vào đối tượng được nhận dạng như sản phẩm, hộp
hoặc pallet. Đầu đọc sẽ quét dữ liệu của thẻ và gửi thông tin đến cơ sở dữ liệu có
lưu trữ dữ liệu của thẻ.
Hệ thống RFID có liên quan chặt chẽ với các thẻ thông minh. Giống như
các hệ thống thẻ thông minh, dữ liệu được lưu trữ trên một thiết bị mang dữ liệu
điện tử - bộ phát đáp hay thẻ. Tuy nhiên, không giống như thẻ thông minh, việc

cung cấp năng lượng cho thiết bị mang dữ liệu và trao đổi dữ liệu giữa thiết bị
mang dữ liệu và đầu đọc có thể đạt được mà khơng cần sử dụng các tiếp điểm điện,
10


thay vào đó sử dụng từ trường hoặc điện từ. Do nhiều lợi thế của hệ thống RFID
so với các hệ thống nhận dạng khác, hệ thống RFID hiện đang bắt đầu phổ biến
và được ứng dụng rộng rãi.
1.1.2 Lịch sử phát triển
Vào năm 1937 phòng thử nghiệm nghiên cứu Naval U.S phát triển hệ thống
xác định Friend-or-Foe (IFF) cho phép những đối tượng thuộc về quân ta có thể
phân biệt với máy bay địch. Kỹ thuật này trở nên phổ biến trong hệ thống điều
khiển lưu thông hàng không bắt đầu vào cuối thập niên 50. Những ứng dụng của
sóng vơ tuyến vào trong việc xác định vật thể trong suốt thập niên 50 giới hạn chủ
yếu trong quân đội, phòng lab nghiên cứu, trong các doanh nghiệp lớn bởi vì những
thiết bị này có giá rất cao và kích thước lớn.
Cuối thập kỉ 60 đầu thập kỉ 70, nhiều công ty như Sensormatic and
Checkpoint Systems giới thiệu những sản phẩm mới ít phức tạp hơn và ứng dụng
rộng rãi hơn. Những công ty này bắt đầu phát triển thiết bị giám sát điện tử EAS
để bảo vệ và kiểm kê sản phẩm như quần áo trong cửa hàng, sách trong thư viện.
Hệ thống RFID thương mại ban đầu này chỉ là hệ thống RFID thẻ một bit giá rẻ
để xây dựng, thực hiện và bảo hành.
Suốt thập kỷ 70, ngành công nghiệp sản xuất, vận chuyển bắt đầu nghiên
cứu và phát triển những dự án để tìm cách dùng IC dựa trên hệ thống RFID. Có
nhiều ứng dụng trong công nghiệp tự động, xác định thú vật, theo dõi lưu thơng.
Trong giai đoạn này thẻ có IC tiếp tục phát triển và đặc tính: bộ nhớ ghi được, tốc
độ đọc nhanh hơn và khoảng cách đọc xa hơn. Năm 1973, Mario W. Cardullo đã
được nhận bằng sáng chế cho việc chế tạo thành cơng thẻ tích cực RFID với bộ
nhớ có thể ghi được.
Đầu thập niên 80, cơng nghệ RFID được áp dụng trong nhiều ứng dụng: đặt

tại đường ray ở Mỹ, đánh dấu vật nuôi trên nông trại ở châu Âu. Hệ thống RFID
còn dùng trong nghiên cứu động vật hoang dã đánh dấu các loài nguy hiểm.
Vào năm 1991, Texas Instrument đã đi tiên phong trong hệ thống RFID ở
Mỹ, công ty đã tạo ra một hệ thống xác nhận và đăng ký Texas Instrument (TIRIS).
11


Hệ thống TI-RFID (Texas Instruments Radio Frequency Identification System) đã
trở thành nền tảng cho phát triển và thực hiện những lớp mới của ứng dụng RFID
Năm 1999 có thể coi là năm vàng của công nghệ này khi mà các tổ chức
như: Tổ chức quốc tế EAN, Gillette, Uniform Code Council và P&G đã tạo ra một
quỹ cho việc thành lập trung tâm Auto-ID tại học viện công nghệ MIT. Hai giáo
sư của MIT là Sanjay Sharma và David Brock, là những người đầu tiên nghĩ ra
việc đưa các mã số lên trên các thẻ RFID và điều này có thể làm thay đổi cách
thức ứng dụng công nghệ này trong một chuỗi cung ứng. Trong thời gian này, các
ứng dụng chủ yếu của thẻ RFID thụ động mới được ứng dụng ở tần số thấp (LF)
và tần số cao (HF). Cả LF và HF đều giới hạn khoảng cách và tốc độ truyền dữ
liệu. Việc giới hạn tốc độ ngăn cản việc đọc thẻ của bộ đọc tại một thời điểm. Cuối
thập niên 90, thẻ thụ động tần số siêu cao (UHF) được sử dụng làm cho khoảng
cách đọc xa hơn, tốc độ cao hơn, giá rẻ hơn.
Cuối những năm 1990 đầu năm 2000, EPCglobal được thành lập và hỗ trợ
hệ thống mã sản phẩm điện tử (Electronic product code network EPC) hệ thống
này đã trở thành tiêu chuẩn cho xác nhận sản phẩm tự động.
1.1.3 Các chuẩn RFID
Các tiêu chuẩn có ý nghĩa rất quan trọng với các ứng dụng RFID. Trong
nhiều thập kỷ, nhiều nghiên cứu đã được thực hiện để phát triển các tiêu chuẩn
cho các ứng dụng và tần số RFID khác nhau, tạo cơ sở để hoàn thiện hệ một thống
RFID. Các tiêu chuẩn hiện có và đề xuất cho RFID liên quan đến giao thức chế độ
truy cập (cách mà thẻ giao tiếp với đầu đọc), nội dung dữ liệu (cách tổ chức hay
định dạng dữ liệu), sự tương thích (các kiểm tra các sản phẩm đáp ứng các tiêu

chuẩn) và ứng dụng. Các tiêu chuẩn tiêu biểu có thể kể đến là ISO 11784 và ISO
11785.
ISO 11784 là chuẩn xác định cấu trúc dữ liệu trên thẻ, cách lưu trữ và sắp
xếp thông tin. ISO 11785 xác định giao thức giao tiếp giữa đầu đọc và đầu ghi, tần
số được sử dụng là 134.2KHz. ISO đã xác định một tiêu chuẩn mới cho giao thức
giao tiếp cho các thẻ RFID sử dụng trong các hệ thống thanh toán và thẻ thông
minh không tiếp xúc (ISO 14443) và thẻ vicinity (ISO 15693). Tổ chức này cũng
12


công bố thêm các tiêu chuẩn để kiểm tra sự tương thích của thẻ và đầu đọc RFID
theo tiêu chuẩn ISO 18047, và kiểm tra hiệu suất của thẻ và đầu đọc theo chuẩn
ISO 18046. Các chuẩn dùng để nhận dạng các vật thể bao gồm ISO 18000 hay
EPCGlobal. Ngoài ISO 18000-6 dành cho dải siêu cao tần cịn có ISO 18000-3
dành cho dải cao tần.
Bảng 1.1: Các chuẩn RFID
Tên chuẩn

Mô tả

ISO 18000-1

Giao tiếp Air Interface cho tần số được chấp nhận
trên toàn cầu

ISO 18000-2

Giao tiếp Air Interface cho tần số dưới 135KHz

ISO 18000-3


Giao tiếp Air Interface tần số 13.56MHz

ISO 18000-4

Giao tiếp Air Interface tần số 2.45GHz

ISO 18000-5

Giao tiếp Air Interface tần số 5.8GHz

ISO 18000-6 (dự định

Giao tiếp Air Interface tần số 860-930MHz

tên sẽ được thay đổi)
ISO 18000-7 (chuẩn
mới dự kiến)

Giao tiếp Air Interface tần số 433.92MHz

Trung tâm Auto-ID được thành lập vào năm 1999 với mục đích phát triển
mã sản phẩm điện tử và các công nghệ liên quan có thể được dùng để xác định sản
phẩm và theo dõi chúng thơng qua chuỗi cung ứng tồn cầu. Nhiệm vụ của nó là
phát triển hệ thống RFID chi phí thấp, đồng thời phát triển nó trên tồn cầu và dựa
trên các tiêu chuẩn mở. Trung tâm Auto-ID đã phát triển giao thức riêng và cấp
phép cho EPCglobal với điều kiện cung cấp miễn phí cho người sản xuất và người
dùng cuối. Trung tâm Auto-ID cũng đã phát triển giao thức UHF của riêng mình.
Ban đầu, trung tâm dự định có một giao thức có thể được sử dụng để giao tiếp với
13



các loại thẻ khác nhau. Mỗi lớp thẻ liên tiếp sẽ phức tạp hơn lớp bên dưới nó. Các
lớp được thay đổi liên tục theo thời gian, có thể kể đến:
• Lớp 1: thẻ tán xạ ngược, đơn giản, chỉ đọc với bộ nhớ điện tĩnh.
• Lớp 2: thẻ tán xạ ngược thụ động với bộ nhớ đọc - ghi lên tới 65KB.
• Lớp 3: thẻ tán xạ ngược bán thụ động, với bộ nhớ đọc – ghi lên tới 65KB;
về cơ bản, là một thẻ lớp 2 được tích hợp pin để tăng khả năng hỗ trợ đọc.
• Lớp 4: thẻ chủ động sử dụng pin tích hợp để chạy mạch của vi mạch và cấp
nguồn cho máy phát tín hiệu đến đầu đọc.
• Lớp 5: thẻ RFID chủ động có thể giao tiếp với các thẻ lớp 5 khác hoặc các
thiết bị khác.
Tháng 12-2004 thì chuẩn Gen2 ra đời thay thế cho Lớp 1 và Lớp 0. Gen2
được thiết kế để làm việc mang tính chất quốc tế, có thể được sử dụng ở bất cứ nơi
nào trên thế giới, cải thiện khả năng của đầu đọc và ngăn chặn những tín hiệu
nhiễu từ những đầu đọc khác khi có quá nhiều đầu đọc cùng hoạt động trong một
phạm vi hẹp. Giá rẻ hơn và khả năng làm việc của thẻ tốt hơn đã khiến Gen2 được
chấp nhận rộng rãi.
1.1.4 Ứng dụng của công nghệ RFID
Các lĩnh vực ứng dụng RFID có thể kể đến như:
− Bảo mật, an ninh:
• Điều khiển truy cập: khóa và các thiết bị cố định.
• Quy trình quản lý: như thẻ thư viện, thẻ sinh viên...
• Chống trộm: trong kinh doanh và mua bán.
• RFID trong xử phạt.
− Giám sát:
• Dây chuyền cung cấp: điều khiển kiểm soát trong nhà kho.
• Người như trẻ em, nhân viên, ... hoặc động vật.
• Tài sản: hành lý trên máy bay, thiết bị, hàng hóa.
− Hệ thống thanh toán điện tử:

• Lưu thơng: thu phí tự động...
14


• Vé, thẻ tín dụng.
1.1.5 Ưu nhược điểm của cơng nghệ RFID
− Ưu điểm:
• RFID là cơng nghệ nhận dạng tự động (thực sự) duy nhất: hệ thống này có
thể tự động thu thập thông tin mà không cần sự can thiệp của con người.
Điều đó có nghĩa là sử dụng RFID thường rẻ hơn quét mã vạch và quy trình
thủ cơng khác.
• RFID nếu được triển khai đúng cách, chúng thường có độ chính xác cao, dữ
liệu được lưu trữ hoặc quản lý tốt thì sẽ ln chính xác và tin cậy.
• Triển khai và hoạt động trong nhiều mơi trường khơng thuận lợi như nóng,
bụi bẩn, mơi trường ăn mịn hay có sự va chạm,...
• Khả năng đọc ghi nhiều lần trên thẻ, tạo điều kiện tiết kiệm, giảm một phần
chi phí sử dụng.
− Nhược điểm:
• Giá cao: Nhược điểm chính của cơng nghệ RFID là giá cao.
• Dễ bị ảnh hưởng: có thể làm tổn hại hệ thống RFID bằng việc phủ vật liệu
bảo vệ từ 2 đến 3 lớp kim loại thông thường để ngăn chặn tín hiệu radio.
• Việc “thủ tiêu” các thẻ: các thẻ RFID được dán bên trong bao bì và được
phơ ra thường dễ bị “thủ tiêu”. Điều này có nghĩa là sẽ có nhiều vấn đề khi
người sử dụng biết rõ hơn về vai trị của thẻ.
• Những liên quan riêng tới người sử dụng: Vấn đề với hệ thống RFID thư
viện ngày nay là các thẻ chứa thông tin tĩnh mà nó có thể được đọc dễ dàng
bằng các đầu đọc thẻ trái phép.
• Đụng độ đầu đọc: Tín hiệu từ một đầu đọc có thể giao tiếp với tín hiệu từ
nơi khác mà nơi đó tin tức chồng chéo nhau. Điều này được gọi là đụng độ
đầu đọc. Một phương pháp tránh vấn đề này là sử dụng kỹ thuật phân chia

thời gian đa truy cập.
• Đụng độ thẻ, thiếu chuẩn.

15


1.2 Hệ thống RFID
Công nghệ RFID hay nhận dạng tần số vơ tuyến, là cơng nghệ dùng kết nối
sóng vơ tuyến để tự động xác định và theo dõi các thẻ nhận dạng gắn vào vật thể.
Một hệ thống RFID đầy đủ bao gồm các thành phần cơ bản như sau:
• Bộ phát đáp hay thẻ, được đặt trên đối tượng cần xác định.
• Bộ dị tín hiệu hoặc đầu đọc, tùy thuộc vào thiết kế và công nghệ được sử
dụng, có thể là thiết bị bắt đầu hoặc ghi/đọc (thiết bị thu thập dữ liệu luôn được
gọi là đầu đọc).
• Backend server hay hệ thống máy chủ.
1.2.1 Thẻ RFID (RFID tag)
Một hệ thống nhận dạng tần số vô tuyến sử dụng các thẻ hay bộ phát đáp.
Thẻ RFID là một thiết bị có thể lưu trữ và truyền dữ liệu đến một đầu đọc trong
môi trường không tiếp xúc bằng sóng vơ tuyến. Thẻ RFID mang dữ liệu về một
vật, một sản phẩm nào đó và gắn lên sản phẩm đó. Mỗi thẻ có các bộ phận lưu trữ
dữ liệu bên trong và cách giao tiếp với dữ liệu đó.
Các khả năng cơ bản của thẻ:
• Gắn thẻ: bất kì thẻ nào cũng có thể được gắn lên vật thể hay người theo
nhiều cách.
• Đọc thẻ: thẻ RFID phải có khả năng giao tiếp thơng tin qua sóng radio theo
nhiều cách.
• Kill/disable: Nhiều thẻ cho phép đầu đọc ra lệnh cho nó ngưng các chức
năng. Sau khi thẻ nhận chính xác “kill code”, thẻ sẽ khơng đáp ứng lại đầu
đọc.
• Ghi một lần (write once): Với thẻ được sản x́t có dữ liệu cố định thì các

dữ liệu này được thiết lập tại nhà máy, nhưng dữ liệu của thẻ cũng có thể
được thiết lập bởi người dùng tuy nhiên sau đó dữ liệu này khơng thể thay
đổi.
• Ghi nhiều lần (write many): nhiều kiểu thẻ có thể được ghi dữ liệu nhiều
lần.
16


• Chống va chạm (Anti-collision): Khi nhiều thẻ đặt cạnh nhau, bộ đọc sẽ gặp
khó khăn để nhận biết khi nào đáp ứng của một thẻ kết thúc và khi nào bắt
đầu một đáp ứng khác. Với thẻ anti-collision sẽ nhận biết được thời gian
đáp ứng đến bộ đọc.
• Mã hóa và bảo mật (Security and encryption): Nhiều thẻ có thể tham gia
vào các giao tiếp có mật mã, khi đó thẻ chỉ đáp ứng lại bộ đọc chỉ khi cung
cấp đúng mật khẩu.
1.2.1.1 Cấu tạo thẻ RFID
Thẻ RFID mang dữ liệu được gắn lên nhiều sản phẩm có hình dạng và kích
thước khác và đặt trong mơi trường làm việc khác nhau. Tuy nhiên, về cơ bản, thẻ
luôn gồm hai thành phần chính là Anten và vi mạch tích hợp.

Hình 1.2: Cấu tạo thẻ RFID
Anten
Anten của thẻ thơng thường là bộ phận gửi hoặc nhận dữ liệu từ đầu đọc.
Anten này được gắn vào vi mạch. Anten là trung tâm đối với hoạt động của thẻ.
Chiều dài anten của thẻ thường lớn hơn nhiều so với vi mạch của thẻ vì vậy nó
quyết định kích cỡ vật lý của thẻ. Một anten có thể được thiết kế dựa trên một số
yếu tố sau đây:
• Khoảng cách đọc của thẻ với đầu đọc.
• Hướng cố định của thẻ đối với đầu đọc.
17



• Hướng tùy ý của thẻ đối với đầu đọc.
• Loại sản phẩm riêng biệt
• Vận tốc của đối tượng được gắn thẻ.
• Độ phân cực anten của đầu đọc.
Anten trong vi chip thường được sử dụng là anten lưỡng cực (dipole), nó có
thể là một đoạn dây điện thẳng, chất liệu bằng đồng bị đứt quãng tại điểm giữa.
Chiều dài tổng cộng của một anten lưỡng cực bằng một bước sóng của tần số được
sử dụng để tối ưu hóa năng lượng chuyển từ tín hiệu của anten đầu đọc tới thẻ.
Ngồi ra, cịn có thể sử dụng anten lưỡng cực kép (dual dipole) bao gồm hai lưỡng
cực, khi đó đầu đọc có thể đọc thẻ tại nhiều hướng khác nhau; hoặc sử dụng anten
lưỡng cực gấp (folded dipole) bao gồm hai hoặc nhiều dây điện thẳng kết nối song
song và mỗi cái có chiều dài bằng nửa chiều dài bước sóng (của tần số được sử
dụng). Những điểm kết nối giữa vi mạch của thẻ và anten là những kết nối yếu
nhất của thẻ. Nếu có bất kỳ điểm kết nối nào bị hỏng thì xem như thẻ khơng làm
việc được hoặc có thể hiệu śt làm việc giảm đáng kể. Việc thay đổi hình dáng
anten một cách tự động có thể làm mất điều hướng thẻ, đưa đến hiệu suất cũng
giảm theo. Hiện tại, anten của thẻ được xây dựng bằng một mảnh kim loại mỏng
(chẳng hạn đồng, bạc hoặc nhơm). Tuy nhiên, trong tương lai có thể sẽ in trực tiếp
anten lên nhãn thẻ, hộp và sản phẩm đóng gói bằng cách sử dụng một loại mực
dẫn có chứa đồng, cacbon và niken.
Vi mạch tích hợp (IC)
Vi mạch tích hợp hay cịn gọi là chip RFID được sử dụng để xử lý và lưu
trữ dữ liệu cũng như điều chế, giải điều chế sóng vơ tuyến được truyền – nhận bởi
Anten. Thành phần cơ bản của vi mạch tích hợp bao gồm:
• Bộ chỉnh lưu (power control/rectifier): chuyển nguồn AC từ tín hiệu anten
của đầu đọc thành nguồn DC. Nó cung cấp nguồn đến các thành phần khác
của vi mạch.
• Máy tách xung (Clock extractor): rút tín hiệu xung từ tín hiệu anten của đầu

đọc.

18


• Bộ điều chế (Modulator): điều chỉnh tín hiệu nhận được từ đầu đọc. Đáp
ứng của thẻ được gắn trong tín hiệu đã điều chế, sau đó nó được truyền trở
lại đầu đọc.
• Đơn vị luận lý (Logic unit): chịu trách nhiệm cung cấp giao thức truyền giữa
thẻ và đầu đọc
• Bộ nhớ vi mạch (memory): được dùng lưu trữ dữ liệu. Bộ nhớ này thường
được phân đoạn (gồm vài khối hoặc trường). Addressability có nghĩa là có
khả năng phân tích (đọc hoặc ghi) vào bộ nhớ riêng của một vi mạch của
thẻ. Một khối nhớ của thẻ có thể giữ nhiều loại dữ liệu khác nhau, ví dụ như
một phần của dữ liệu nhận dạng đối tượng được gắn thẻ, các bit checksum
(chẳng hạn kiểm tra lỗi CRC) kiểm tra độ chính xác của dữ liệu được truyền.
1.2.1.2 Phân loại thẻ
Thẻ RFID có thể được phân loại theo nhiều cách khác nhau. Các loại thẻ
dưới đây được phân loại dựa trên việc tag có chứa nguồn cung cấp gắn bên trong
hay là được cung cấp bởi đầu đọc.
Thẻ thụ động (Passive tag)
Loại thẻ này khơng có nguồn bên trong, sử dụng nguồn nhận được từ đầu
đọc, nơi phát sóng điện từ, để tạo ra dòng điện trong anten của thẻ để hoạt động
và truyền dữ liệu được lưu trữ trong nó cho đầu đọc. Thẻ thụ động có cấu trúc đơn
giản và khơng có các thành phần động. Thẻ như thế có thời gian sống dài và thường
có sức chịu đựng trong điều kiện môi trường khắc nghiệt. Chẳng hạn, một số thẻ
thụ động có thể chịu đựng các hóa chất ăn mịn như axit, nhiệt độ lên tới 204 độ C
và cao hơn nữa. Đối với loại thẻ này, khi thẻ và đầu đọc giao tiếp với nhau thì đầu
đọc ln truyền đến trước rồi mới đến thẻ. Phạm vi đọc có thể từ 1cm đến xấp xỉ
9m trong điều kiện thuận lợi. Thẻ thông minh là một loại thẻ RFID thụ động, ngày

nay nó được sử dụng rộng rãi trong các lĩnh vực khác nhau. Dữ liệu trên thẻ được
đọc khi nó đến gần đầu đọc, thẻ khơng cần tiếp xúc với đầu đọc trong quá trình
đọc.
Thẻ thụ động chỉ bao gồm hai thành phần chính là vi mạch và anten.
19


Thẻ chủ động (Active Tag)
Đây là loại thẻ có một nguồn năng lượng bên trong (chẳng hạn như pin hoặc
các năng lượng khác như năng lượng mặt trời) và điện tử học để thực thi những
nhiệm vụ chuyên dụng. Thẻ sử dụng năng lượng bên trong để truyền dữ liệu cho
đầu đọc và không cần nguồn năng lượng từ đầu đọc để truyền dữ liệu. Đối với loại
thẻ này, trong quá trình giao tiếp giữa thẻ và đầu đọc, thẻ ln truyền trước rồi
mới đến đầu đọc. Vì sự x́t hiện của đầu đọc là không cần thiết cho việc truyền
dữ liệu nên thẻ tích cực có thể phát dữ liệu ở những nơi lân cận, do đó, thẻ tích
cực cịn được gọi là máy phát (transmitter). Ngồi ra, cịn có loại thẻ tích cực ở
trạng thái ngủ hoặc nguồn yếu khi khơng có đầu đọc. Đầu đọc đánh thức thẻ bằng
một lệnh thích hợp. Trạng thái này tiết kiệm năng lượng nên thời gian sống dài
hơn loại thẻ kể trên. Khoảng cách đọc của thẻ tích cực có thể lên tới xấp xỉ 30m
hoặc hơn.
Thẻ tích cực ngồi hai thành phần là vi mạch và anten cịn có thêm hai thành
phần là nguồn cung cấp bên trong và điện tử học bên trong.
Thẻ bán thụ động (Semi-passive)
Thẻ bán thụ động RFID tương đối giống với thẻ thụ động trừ việc có thêm
một pin nhỏ. Pin này cho phép IC của thẻ được cấp nguồn liên tục, giảm bớt sự
cần thiết trong thiết kế anten thu năng lượng từ tín hiệu quay lại. Đối với loại thẻ
này, trong quá trình truyền giữa thẻ và đầu đọc thì đầu đọc ln truyền trước rồi
đến thẻ. Các thẻ bán thụ động không chủ động truyền tín hiệu vơ tuyến về đầu đọc,
mà nó nằm im bảo tồn năng lương cho tới khi nó nhận được tín hiệu vơ tuyến từ
đầu đọc nó sẽ kích hoạt hệ thống hoạt động. Do đó khoảng cách đọc của nó cũng

xa hơn so với thẻ thụ động. Nhờ đó, khi thẻ được gắn trên đối tượng đang di
chuyển ở tốc độ cao, dữ liệu thẻ vẫn có thể được đọc nếu sử dụng thẻ bán thụ động.
Phạm vi đọc của thẻ bán thụ động có thể lên tới xấp xỉ 30m với điều kiện lý tưởng
bằng cách sử dụng mơ hình tán xạ đã được điều chế trong UHF và sóng vi ba.
Bên cạnh cách phân loại trên, có thể phân loại thẻ theo khả năng hỗ trợ ghi
chép dữ liệu, bao gồm Read only (RO), Write once-Read many (WORM), Read
write (RW).
20


1.2.2 Đầu đọc RFID (RFID reader)
Đầu đọc RFID được gọi là vật truy vấn, là thiết bị đọc và ghi dữ liệu thẻ
RFID tương thích. Hoạt động ghi dữ liệu lên thẻ bằng đầu đọc được gọi là quá
trình tạo thẻ. Quá trình tạo thẻ và kết hợp thẻ với một số đối tượng được gọi là đưa
thẻ vào hoạt động. Thời gian mà đầu đọc của thẻ có thể phát năng lượng sóng vơ
tuyến được gọi là chu kỳ làm việc của đầu đọc.
Đầu đọc 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 phần cứng này.

Hình 1.3: Đầu đọc thẻ RFID
1.2.2.1 Thành phần cấu tạo của đầu đọc RFID
Về cấu tạo vật lý, một đầu đọc RFID bao gồm các thành phần chính như
sau:
• Máy phát (Transmitter): có nhiệm vụ truyền nguồn AC và chu kỳ xung đồng
hồ qua anten của nó đến thẻ trong phạm vi đầu đọc cho phép. Đây là một
phần của máy thu phát, chịu trách nhiệm gửi tín hiệu của đầu đọc đến môi
trường xung quanh và nhận lại hồi đáp của thẻ qua anten của đầu đọc. Hiện
tại thì một số đầu đọc hỗ trợ lên đến 4 cổng anten.
21



• Máy thu (Receiver): là một phần của máy thu phát. Nó nhận tín hiệu tương
tự từ thẻ qua anten đến đầu đọc. Sau đó, nó gửi tín hiệu này cho vi mạch
của đầu đọc và chuyển dữ liệu thành dữ liệu được biểu diễn dưới dạng số.
• Vi mạch: Cung cấp giao thức cho đầu đọc để nó kết nối với thẻ tương thích
của nó. Nó thực hiện giải mã và kiểm tra lỗi tín hiệu tương tự nhận từ máy
thu. Ngồi ra vi mạch cịn có chứa bộ xử lý để thực hiện việc lọc và xử lý
dữ liệu đọc được từ thẻ.
• Bộ nhớ: Bộ nhớ dùng lưu dữ liệu như các tham số cấu hình đầu đọc và hệ
thống kê khai số lần đọc thẻ. Vì vậy nếu kết nối giữa đầu đọc và hệ thống
vi mạch bị hỏng thì dữ liệu cũng khơng bị mất. Tuy nhiên, dung lượng của
bộ nhớ sẽ giới hạn số thẻ đọc được trong một khoảng thời gian. Nếu trong
quá trình đọc mà việc kết nối bị hỏng thì một phần dữ liệu đã lưu sẽ bị mất
(có nghĩa là bị ghi đè bởi các thẻ khác được đọc sau đó).
• Các kênh nhập/x́t của cảm biến, cơ cấu chấp hành và bảng tín hiệu điện
báo bên ngồi: là thành phần cung cấp một cơ chế bật và tắt tùy thuộc vào
điều kiện bên ngoài. Một số cảm biến như cảm biến về ánh sáng hoặc
chuyển động được gắn vào thẻ để phát hiện đối tượng trong phạm vi đọc
thẻ.
• Mạch điều khiển: Cho phép thành phần bên ngoài là con người hoặc chương
trình máy tính giao tiếp, điều khiển với đầu đọc này. Nó có thể đi liền với
đầu đọc (như phần mềm hệ thống firmware) hoặc được tách riêng thành một
phần mềm hoặc phần cứng và phải mua chung với đầu đọc.
• Giao diện truyền thơng: Cung cấp các lệnh cho đầu đọc, nó cho phép tương
tác với các thành phần bên ngoài qua mạch điều khiển, để truyền dữ liệu
của nó, nhận lệnh và gửi lại phản hồi. Có thể xem nó là một phần của mạch
điều khiển.
• Nguồn năng lượng: Thành phần này cung cấp nguồn năng lượng cho các
thành phần của đầu đọc. Nguồn năng lượng được cung cấp cho các thành

phần này qua một dây dẫn điện được kết nối với một ngõ ra bên ngồi thích
hợp.
22


Nguồn

Bộ thu phát

Mạch mã
hóa

Mạch giải
mã
Bộ
nhớ

Máy thu
Mạch
logic

Máy phát

Vi mạch
Giao diện truyền thơng
Kết nối nối tiếp

Kết nối mạng

Hình 1.4: Sơ đồ cấu tạo của đầu đọc RFID

1.2.2.2 Phân loại đầu đọc RFID
Tương tự như thẻ, đầu đọc cũng có thể được phân loại theo các tiêu chuẩn
khác nhau. Các loại đầu đọc dưới đây được phân loại dựa vào giao diện mà đầu
đọc cung cấp cho việc truyền thông.
Đầu đọc nối tiếp (Đầu đọc nối tiếp)
Đầu đọc này sử dụng liên kết nối tiếp để truyền trong một ứng dụng. Đầu
đọc kết nối đến cổng nối tiếp của máy tính dùng kết nối RS-232 và RS-485. Cả
hai loại kết nối này đều có giới hạn về chiều dài cáp sử dụng kết nối đầu đọc với
máy tính. RS-485 cho phép cáp dài hơn RS-232.
Ưu điểm của đầu đọc nối tiếp là có độ tin cậy hơn đầu đọc hệ thống. Vì vậy
sử dụng đầu đọc loại này được khuyến khích nhằm làm tối thiểu sự phụ thuộc vào
một kênh truyền. Nhược điểm của đầu đọc nối tiếp là phụ thuộc vào chiều dài tối
đa của cáp sử dụng để kết nối một đầu đọc với một máy tính. Thêm nữa là thường
thì trên một máy chủ thì số cổng nối tiếp bị hạn chế, có thể phải cần nhiều máy
chủ (nhiều hơn số máy chủ đối với các đầu đọc hệ thống) để kết nối tất cả các đầu
đọc nối tiếp. Một vấn đề nữa là việc bảo dưỡng nếu phần mềm hệ thống cần được
cập nhật chẳng hạn, nhân viên bảo dưỡng phải xử lý mỗi đầu đọc. Tốc độ truyền
23


dữ liệu nối tiếp 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.
Đầu đọc hệ thống (Network reader)
Đầu đọc hệ thống kết nối với máy tính sử dụng cả mạng có dây và không
dây. Thực tế, đầu đọc hoạt động như thiết bị mạng. Tuy nhiên chức năng giám sát
SNMP chỉ sẵn có đối với một số loại đầu đọc hệ thống. Vì vậy đa số loại đầu đọc
này không thể được giám sát như các thiết bị mạng chuẩn.
Ưu điểm của đầu đọc này là không phụ thuộc vào chiều dài tối đa của cáp
kết nối của cáp kết nối đầu đọc với máy tính. Sử dụng ít máy chủ hơn so với đầu
đọc nối tiếp. Ngoài ra, phần mềm hệ thống của đầu đọc có thể cập nhật từ xa qua

mạng, do đó, giảm được chi phí bảo dưỡng và chi phí sở hữu hệ thống. Nhược
điểm của đầu đọc này là không tin cậy bằng đầu đọc kết nối, phụ thuộc nhiều vào
đường truyền.
1.3 Hoạt động của RFID
1.3.1 Tần số hoạt động của RFID
Tần số hoạt động của thẻ là tần số điện từ mà thẻ dùng để giao tiếp hoặc thu
được năng lượng. Phổ điện từ mà RFID thường hoạt động là tần số thấp (LF), tần
số cao (HF), siêu cao tần (UHF) và vi sóng (Microwave).

24


Bảng 1.2: Tần số hoạt động của hệ thống RFID
Tên

Khoảng tần số

Tần số sử dụng
trong RFID

Khoảng
cách đọc

Các ứng
dụng

tối đa
LF

30 – 300 kHz


125 kHz và 134
KHz

50 cm

Xác định thú
nuôi và đọc
item
ở
khoảng cách
gần

HF

3 - 330 MHz

13.56 MHz

3m

Cổng vào các
tòa nhà

UHF

300 Mhz – 3 Ghz

433.920 MHz,
833 – 960 MHz


9m

Hộp hoặc kệ

Vi sóng
(Microwave)

> 3 GHz

2.45 GHz

>10 m

Phân loại xe
hơi

Trong hoạt động, tần số RFID thực tế bị giới hạn bởi những mức tần số nằm
bên phần tần số vô tuyến điện trong công nghiệp, khoa học và y tế (ISM). Tần số
thấp hơn 135 kHz không phải tần số ISM nhưng trong khoảng cách này hệ thống
RFID dùng nguồn năng lượng từ trường và hoạt động ở khoảng cách ngắn vì vậy
nhiễu phát ra ít hơn tại tần số khác.
Gần đây thẻ UHF giảm giá dẫn đến việc sử dụng thẻ trong các ứng dụng
tăng lên khi trước đó tag LF và HF được dùng chủ yếu. Tuy nhiên thẻ UHF không
được dùng thay thế cho thẻ LF trong thẻ cấy hoặc thẻ vi sóng trong các ứng dụng
khoảng cách lớn (khoảng cách đọc hơn 10m).
1.3.2 Giao tiếp giữa đầu đọc và thẻ
Tùy thuộc vào kiểu thẻ sử dụng, giao tiếp truyền thông tin giữa một đầu đọc
và một thẻ, điều chế dữ liệu trên đường truyền vơ tuyến, có thể là một trong các
cách dưới đây.

25