Đề tài Thiết kế hệ thống quản lý bệnh nhân dùng công nghệ RFID

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, Thiết kế hệ thống quản lý bệnh nhân dùng công nghệ RFID. 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 tôi xin chân thành cảm ơn thầy hướng dẫn Trần Hải Lưu cùng các thầy cô khác đã giúp đỡ tận tình để tôi hoàn thành đề tài này. Hà Nội ngày 26/5/2010 Trần Phan Bình MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU..........................................................................................................3 CHƯƠNG 1.TỔNG QUAN CÔNG NGHỆ RFID...................................................13 1.1 Lịch sử công nghệ RFID.................................................................................13 1.2 Các khái niệm cơ bản......................................................................................14 1.3 Các đặc điểm của một hệ thống RFID............................................................17 1.3.1 Tần số hoạt động....................................................................................17 1.3.2 Phạm vi đọc............................................................................................17 1.3.3 Phương pháp ghép nối vật lý..................................................................18 1.4 Các thành phần hệ thống RFID.......................................................................18 1.4.1 Thành phần thẻ.......................................................................................20 1.4.1.1 Thẻ thụ động.................................................................................20 1.4.1.1.1 Thành phần vi chip.........................................................21 1.4.1.1.2 Thành phần anten...........................................................22 1.4.1.2 Thẻ tích cực..................................................................................24 1.4.1.2.1 Khối nguồn.....................................................................25 1.4.1.2.2 Các thành phần điện tử...................................................26 1.4.1.3 Thẻ bán tích cực ..........................................................................26 1.4.1.4 Thẻ chỉ đọc...................................................................................27 1.4.1.5 Thẻ ghi một lần-đọc nhiều lần......................................................28 1.4.1.6 Thẻ đọc-ghi..................................................................................28 1.4.2 Thiết bị đọc thẻ......................................................................................28 1.4.2.1 Khối truyền tín hiệu....................................................................29 1.4.2.2 Khối nhận tín hiệu.......................................................................29 1.4.2.3 Khối vi xử lý...............................................................................29 1.4.2.4 Khối bộ nhớ................................................................................29 1.4.2.5 Các kênh vào/ra cho cảm biến,bộ truyền động,bộ báo hiệu.....29 1.4.2.6 Khối điều khiển..........................................................................30 1.4.2.7 Khối giao tiếp truyền thông........................................................30 1.4.2.8 Khối nguồn.................................................................................30 1.4.2.9 Phân loại thiết bị đọc thẻ............................................................30 1.4.2.9.1 Thiết bị đọc thẻ nối tiếp...........................................................31 1.4.2.9.2 Thiết bị đọc thẻ mạng..............................................................31 1.4.2.9.3 Thiết bị đọc thẻ cố định...........................................................32 1.4.2.9.4 Thiết bị đọc thẻ cầm tay..........................................................34 1.4.3 Giao tiếp giữa thiết bị đọc thẻ và thẻ.....................................................34 1.4.3.1 Kiểu điều chế backscatter...........................................................35 1.4.3.2 Kiểu transmitter..........................................................................36 1.4.3.3 Kiểu transponder.........................................................................36 1.4.4 Anten của thiết bị đọc thẻ......................................................................37 1.4.4.1 Vùng phủ sóng của anten............................................................38 1.4.4.2 Sự phân cực của anten................................................................39 1.4.4.3 Năng lượng của anten.................................................................41 2 1.4.5 Máy chủ và hệ thống phần mềm.............................................................41 1.4.6 Cơ sở hạ tầng truyền thông...................................................................44 1.4.7 Các thành phần phụ khác......................................................................44 1.5 Các tiêu chuẩn công nghệ RFID.....................................................................45 1.5.1 Tiêu chuẩn ANSI...................................................................................46 1.5.2 Tiêu chuẩn EPCglobal...........................................................................46 1.5.3 Tiêu chuẩn ISO......................................................................................47 1.6 Quyền riêng tư và tính bảo mật trong công nghệ RFID.................................48 1.6.1 Quyền riêng tư.......................................................................................48 1.6.1.1 Các biện pháp bảo vệ quyền riêng tư dựa trên luật pháp...........48 1.6.1.2 Các biện pháp bảo vệ quyền riêng tư dựa trên việc cải tiến công nghệ.............................................................................49 1.6.2 Tính bảo mật..........................................................................................49 1.6.2.1 Vùng một : Các thẻ RF................................................................50 1.6.2.2 Vùng hai : Thiết bị đọc thẻ RFID................................................51 1.6.2.3 Vùng ba : Kênh dịch vụ RFID.....................................................51 1.6.2.4 Vùng bốn : Các hệ thống thông tin doanh nghiệp.......................51 1.7 So sánh giữa công nghệ RFID và công nghệ mã vạch..................................52 1.8 Kết luận.........................................................................................................56 CHƯƠNG 2.THIẾT KẾ HỆ THỐNG QUẢN LÝ BỆNH NHÂN..........................57 2.1 Giao tiếp giữa thẻ thụ động EM4100 và chip EM4095.................................57 2.1.1 Hoạt động của chip EM4095.................................................................57 2.1.2 Hoạt động của thẻ thụ động EM4100....................................................62 2.1.2.1 Sơ đồ các khối của chip EM4100................................................63 2.1.2.2 Tổ chức bộ nhớ của chip EM4100...............................................64 2.1.2.3 Mã hóa dữ liệu trên thẻ................................................................64 2.1.2.3.1 Mã hóa Manchester..........................................................65 2.1.2.3.2 Mã hóa hai pha.................................................................65 2.1.2.3.3 Mã hóa PSK.....................................................................65 2.1.3 Sơ đồ khối mạch RF và tính toán các thông số......................................66 2.1.4 Thiết kế anten cho reader.......................................................................68 2.1.5 Phương pháp điều chế sóng mang OOK...............................................74 2.2 Giao tiếp chuẩn USB giữa reader và máy vi tính..........................................77 2.2.1 Chuẩn giao tiếp USB............................................................................77 2.2.1.1 Quy trình làm việc trong giao tiếp USB.....................................78 2.2.1.2 Các đặc trưng của giao tiếp USB................................................78 2.2.1.3 Chuẩn giao tiếp USB 2.0............................................................79 2.2.1.4 Chuẩn giao tiếp USB 3.0............................................................79 2.2.2 Lớp định nghĩa HID..............................................................................80 2.2.2.1 Tổng quan về quản lý chung của lớp HID..................................81 2.2.2.2 Mô hình hoạt động......................................................................82 2.2.3 Vi điều khiển PIC18F2550 và sơ đồ khối mạch điều khiển.................83 2.3 Thiết kế phần mềm quản lý............................................................................86 2.3.1 Xây dựng giao diện...............................................................................86 2.3.2 Xây dựng cơ sở dữ liệu.........................................................................91 2.3.3 Giao tiếp với cơ sở dữ liệu....................................................................93 3 2.3.4 Quản lý kết nối USB giữa reader và máy tính......................................95 2.4 Kết luận..........................................................................................................96 TÀI LIỆU THAM KHẢO.........................................................................................98 BẢNG ĐỐI CHIẾU THUẬT NGỮ VIỆT – ANH...................................................99 PHỤ LỤC A............................................................................................................102 PHỤ LỤC B............................................................................................................110 PHỤ LỤC C............................................................................................................112 4 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN CÔNG NGHỆ RFID Khoảng chục năm trở lại đây chúng ta đã bắt đầu bắt gặp nhiều ứng dụng công nghệ RFID trong thực tiễn cuộc sống hàng ngày. Đơn giản nhất có thể thấy, mỗi khi chúng ta vào chuỗi siêu thị của Walmart để mua hàng,khi ra ta chỉ cần đưa từng sản phẩm lại gần một thiết bị đọc và sau đó thực hiện trả tiền.Đó chính là một hệ thống RFID điển hình mà đã được Walmart triển khai cho chuỗi siêu thị của họ trên khắp thế giới.Từ đây chúng ta có thể thấy một điều rằng, công nghệ RFID đã giúp chúng ta tiện lợi hơn rất nhiều trong cuộc sống hằng ngày. Bây giờ chúng ta hãy cùng đi tìm hiểu một hệ thống RFID nói chung để hiểu rõ hơn hoạt động của nó. 1.1Lịch sử công nghệ RFID RFID không phải là một khái niệm mới ,mà lịch sử của nó đã bắt đầu từ thế chiến thứ II. Thời đó các nước như Mỹ, Anh, Đức và Nhật Bản đã sử dụng radar để xác định máy bay đi vào lãnh thổ của họ bởi vậy việc nhận dạng máy bay đối phương đã trở thành một nhiệm vụ tối quan trọng. Nhận thức được vấn đề này, người Đức đã tìm ra được rằng nếu như các phi công lộn vòng máy bay của họ trong khi quay trở lại căn cứ thì nó sẽ thay đổi tín hiệu phản xạ trở lại và cái này có thể coi như là hệ thống RFID thụ động đầu tiên. Bên cạnh đó ,Watson-Watt đã phát triển được việc nhận dạng tích cực đối tượng bạn/kẻ thù đầu tiên hay còn được gọi là hệ thống IFF cho nước Anh trong cùng thời gian đó. Năm 1973 Mario W. Cardullo đã được nhận bằng sáng chế cho việc chế tạo thành công thẻ tích cực RFID với bộ nhớ có thể ghi được. Và cũng trong năm đặc biệt đó ở California, một doanh nhân có tên là Charles Walton đã được nhận giải thưởng nhờ việc sáng chế ra các transponder thụ động để mở cửa mà không cần sử dụng tới chìa khóa. Thời kỳ này chứng kiến các công ty phát triển các hệ thống tần số thấp với các transponder nhỏ và nó vẫn còn được sử dụng trong ngành chăn nuôi gia súc cho tới ngày nay. Các hệ thống 125 kHz đã được thương mại hóa trong khoảng thời gian đó và từ đó các công ty bắt đầu tiến tới các tần số cao hơn để có thể sử dụng được tại một vài vùng trên thế giới. Các công ty lớn bắt đầu nhận thấy tầm quan trọng của RFID là vào những năm chín mươi của thế kỷ trước,cụ thể là IBM đã phát triển và sáng chế ra các hệ thống UHF RFID. Tuy nhiên nửa đầu những năm chín mươi có thể được coi là quá trình học tập công nghệ bởi các sản phẩm sản xuất ra có giá thành rất cao và không có các tiêu chuẩn cụ thể nào. 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 để cho biết giá trị của chúng và điều này có thể làm thay đổi cách thức ứng dụng công nghệ này trong một chuỗi cung ứng. Trong khoảng giữa những năm từ 1999 tới 2003 trung tâm Auto-ID đã nhận được sự trợ giúp từ hơn một ngàn công ty , các nhà cung cấp RFID chính và Bộ 5 Quốc Phòng Hoa Kỳ. Các phòng nghiên cứu được mở ra ở nhiều nước và sau đó không lâu công nghệ đã được cấp phép cho Uniform Code Council vào năm 2003 để thực hiện thương mại hóa . Đi đầu trong việc ứng dụng công nghệ này trong thực tế có thể kể đến các tên tuổi lớn như Wal-Mart,Metro. Ngày nay công nghệ này đã được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như ứng dụng vào việc chấm công tại các công ty, hay ứng dụng vào việc ghi nhớ nguồn gốc thủy sản đông lạnh xuất khẩu,...Và theo nhận định của nhiều chuyên gia thì trong tương lai gần công nghệ này vẫn luôn là một lựa chọn tối ưu. 1.2Các khái niệm cơ bản Sóng là một dao động vận chuyển năng lượng từ một điểm này tới điểm khác. Sóng điện từ là sóng được tạo ra bởi các electron chuyển động và dao động điện từ trường. Các sóng này có thể đi xuyên qua một số kiểu chất liệu khác nhau. Điểm có vị trí cao nhất trên một sóng được gọi là một đỉnh sóng, và điểm thấp nhất được gọi là một lõm sóng. Khoảng cách giữa hai đỉnh sóng liên tiếp hoặc hai lõm sóng liên tiếp thì được gọi là một bước sóng. Một bước sóng hoàn chỉnh của một dao động sóng được gọi là chu kỳ. Và thời gian cần thiết để một sóng hoàn thành một chu kỳ,được gọi là chu kỳ dao động . Số các chu kỳ trong một giây được gọi là tần số của sóng. Tần số có đơn vị là hertz (ký hiệu Hz). Và nếu như tần số của một sóng là 1 Hz,thì có nghĩa là sóng đang dao động với tốc độ một chu kỳ trên giây. Các đơn vị khác thường được dùng là KHz (= 1,000 Hz), MHz (= 1,000,000 Hz), hoặc GHz (= 1,000,000,000 Hz). Hình dưới đây chỉ ra một vài bộ phận của một sóng. Hình 1.1 Các thành phần của sóng Các sóng vô tuyến hay các sóng có tần số vô tuyến (RF) là các sóng điện từ với chiều dài bước sóng ở giữa khoảng 0.1 cm và 1,000 km hoặc là có tần số nằm trong khoảng giữa 30 Hz và 300 GHz.Ngoài ra còn có nhiều kiểu sóng điện từ khác như : tia hồng ngoại, tia tử ngoại, tia gamma, tia x, và các tia vũ trụ. Điều chế là quá trình thay đổi các đặc tính của một sóng vô tuyến để mã hóa một vài tín hiệu thông tin mang theo . 6 Công nghệ RFID chủ yếu dùng ba loại tần số là : tần số thấp LF, tần số cao HF, tần số siêu cao UHF .Còn loại tần số rất cao VHF thì chưa thấy có hệ thống RFID sử dụng, do vậy tôi không đề cập đến ở đây. Tần số thấp LF: là các tần số nằm trong khoảng giữa 30 KHz đến 300 KHz ,hệ thống RFID thông thường chỉ sử dụng các tần số trong phạm vi từ 125 KHz tới 134 KHz.Còn với một hệ thống LF RFID điển hình thì thường hoạt động tại tần số là 125 KHz hoặc là 134.2 KHz. Hệ thống RFID hoạt động tại tần số thấp thường sử dụng các thẻ thụ động, nên tốc độ truyền dữ liệu từ thẻ tới thiết bị đọc thẻ là rất thấp. Song tuy nhiên, các thẻ tích cực LF cũng có thể được sử dụng bởi các nhà cung cấp. Ngày nay phạm vi tần số LF được chấp nhận sử dụng ở khắp mọi nơi trên thế giới. Tần số cao HF:là các tần số nằm trong phạm vi từ 3 MHz tới 30 MHz, trong đó 13.56 MHz là tần số điển hình thường được sử dụng cho các hệ thống RFID. Hệ thống HF RFID thường sử dụng các thẻ thụ động,nên có tốc độ truyền dữ liệu khá thấp từ thẻ tới thiết bị đọc thẻ. Ngày nay các hệ thống HF được sử dụng rộng rãi, đặc biệt là trong các bệnh viện (vì ở đó nó không gây nhiễu cho các thiết bị y tế đang hoạt động khác). Và có lẽ do vậy mà phạm vi tần số HF đã được chấp nhận sử dụng hầu như khắp thế giới. Tần số siêu cao UHF: là các tần số nằm trong khoảng từ 300 MHz tới 1 GHz .Hệ thống UHF RFID thụ động thường hoạt động tại tần số 915 MHz tại Hoa Kỳ và tại 868 MHz ở các nước Châu Âu. Còn hệ thống UHF RFID tích cực hoạt động tại tần số 315 MHz và 433 MHz.Và vì vậy hệ thống UHF có thể sử dụng được cả hai loại thẻ tích cực và thụ động và có thể đạt được một tốc độ truyền dữ liệu khá nhanh giữa thẻ và thiết bị đọc thẻ. Các hệ thống UHF RFID hiện tại đã bắt đầu được triển khai rộng rãi trong các tổ chức chính phủ các nước như bộ quốc phòng Mỹ và các tổ chức quốc tế, ... Tuy nhiên phạm vi tần số UHF vẫn không được chấp nhận sử dụng trên toàn thế giới. Dưới đây hình ảnh minh họa phạm vi các tần số mà ta đã nói ở trên Hình 1.2 Phổ tần số vô tuyến Bây giờ ta sẽ nói thêm về các nguyên nhân gây nhiễu cho sóng điện từ.Nói chung, sóng điện từ thường bị nhiễu từ nhiều nguồn khác nhau, song chủ yếu là các nguồn dưới đây: 7 • Các điều kiện thời tiết như mưa ,tuyết, ... Tuy nhiên, như đã nói trước đó,nguồn nhiễu này ít ảnh hưởng với các phạm vi tần số LF và HF. • Sự có mặt của một vài nguồn sóng vô tuyến khác chẳng hạn như cell phone, mobile radio,... • Các dòng tĩnh điện (ESD). ESD là một luồng dòng điện bất ngờ đi qua một chất liệu trong tình huống chất liệu đó có sự cách điện ở dưới mức chuẩn. Nếu như có một sự khác nhau lớn về điện áp tồn tại giữa hai điểm trên chất liệu, thì các nguyên tử ở giữa hai điểm này có thể trở thành các điện tích và tạo thành dòng điện. Ngoài ra chúng ta cũng cần biết thêm các khái niệm khác dưới đây có liên quan đến hệ thống RFID. Sự xung đột thẻ : Một reader chỉ có thể liên lạc được với một thẻ tại một thời điểm. Khi có nhiều hơn một thẻ cố gắng liên lạc với reader, thì lúc đó xuất hiện hiện tượng có tên gọi là “sự xung đột thẻ”. Trong trường hợp này, để đáp lại truy vấn từ reader, nhiều thẻ sẽ phản hồi các tín hiệu của chúng tới reader tại cùng một thời điểm. Reader cần thiết phải liên lạc sau đó với các thẻ bằng cách sử dụng một giao thức có ứng dụng một thuật toán đặc biệt. Thuật toán mà được sử dụng để hòa giải các xung đột thẻ thì được gọi với cái tên là “các thuật toán chống xung đột”. Hiện tại, hai kiểu thuật toán chống xung đột dưới đây là được sử dụng rộng rãi nhất: • ALOHA cho các kiểu tần số HF • Tree Walking cho các kiểu tần số UHF Bằng cách sử dụng một trong các thuật toán chống xung đột ở trên, một reader