Tóm tắt đồ án Nghiên cứu và thiết kế cửa thông minh ều khiển bằng thẻ từ RFID

Nội dung text: Tóm tắt đồ án Nghiên cứu và thiết kế cửa thông minh ều khiển bằng thẻ từ RFID

1. NG O NG N H NGH I H N O N N Ệ ỆN TỬ VIỄN THÔNG TÓM TẮT Ồ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ỆN TỬ - TRUYỀN THÔNG Ề NGHIÊN CỨU VÀ THIẾT KẾ CỬA THÔNG MINH ỀU KHIỂN BẰNG THẺ TỪ RFID SVTH : Lê Văn òa Lớp : CCVT15A Niên khóa : 2015 - 2018 CBHD : TS. Nguyễn Vũ nh Quang Nẵng , tháng 6 năm 2018
2. -1- PHẦN MỞ ẦU 1. Lý do chọn đề tài Ngày nay tự động hóa và bảo mật ngày càng được ứng dụng nhiều và đặc biệt nền công nghệ tự động hóa nhận dạng đang trở nên phổ biến trong đời sống củng như trong công nghiệp. iều này đã thôi thúc các nhà thiết kế, chế tạo ra những sản phẩm đáp ứng những tiện nghi, thông minh đó. Một trong số đó cần kể tới là cửa thông minh. ới các nước phát triển thì nó được sử dụng rộng rãi và phổ biến, còn ở các nước đang phát triển trong đó có iệt Nam thì đang có xu hướng tìm cho mình tiện nghi thông minh đó. ì vậy em chọn đề tài “Nghiên cứu và thiết kế cửa thông minh điều khiển bằng thẻ từ RFID”. ới mục đích góp phần nhỏ vào việc giới thiệu về công nghệ FID tới mọi người và thiết kế một mô hình thưc tế của công nghệ FID. 2. Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu. - Mục tiêu: Nghiên cứu và thiết kế cửa thông minh điều khiển bằng thẻ từ FID. - Nhiệm vụ nghiên cứu: tìm hiểu thị trường cửa tự động và báo động để hoàn thành sản phẩm mở cửa tự động. 3. ối tƣợng và phạm vi nghiên cứu. - ối tượng: + ìm hiểu công nghệ FID. + ìm hiểu mô hình cửa thông minh. + ác thành phần và hệ thống điều khiển của mô hình. - Phạm vi nghiên cứu: + Nghiên cứu lý thuyết công nghệ FID. + Nghiên cứu lý thuyết thẻ FID.
3. -2- + Nghiên cứu lý thuyết bộ đọc FID. + hiết kế thi công module FID giao tiếp giữ vi điều khiển với máy tính. 4. Phƣơng pháp nghiên cứu. - Kết hợp giữa nghiên cứu lý thuyết và mô hình thực tế để làm rõ nội dung đề tài. ụ thể như sau: + hu thập, phân tích các tài liệu và thông tin liên quan đến đề tài. + ận dụng những kiến thức cơ bản đã học về điện tử truyền thông. + ìm hiểu qua tài liệu internet và sách báo và nhu cầu đời sống xã hội. + Sử dụng phần mềm chuyên dụng (arduino IDE) để thực hiện viết code và nạp code. + ìm hiểu các đồ án có đề tài liên quan. + Sử dụng các phần mềm vẽ mô phỏng và lập trình. 5. Dự kiến kết quả. - Hoàn thành sản phẩm đúng như lý thuyết trình bày và hoạt động được. - ác kết quả quá trình thực hiện, đánh giá chất lượng hệ thống. 6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn. - ề tài giúp người nghiên cứu có được kiến thức nền tảng về công nghệ FID. - ừ lý thuyết và kết quả nghiên cứu, người nghiên cứu có thể phát triển ý tưởng để xây dựng những mô hình cửa thông minh thực tế có tính ứng dụng cao.
4. -3- - ề tài “nghiên cứu và thiết kế cửa thông minh điều khiển bằng thẻ từ FID” mang tính thực tế và dễ dàng áp dụng vào thực tiễn.
5. -4- LỜ NÓ ẦU Ngày nay, với sự phát triển mạnh mẽ của khoa học kỹ thuật. ặc biệt trong lĩnh vực tự động hóa đã tạo nên một động lực thúc đẩy và phát triển các ngành công nghiệp khác nhằm phục vụ và đáp ứng được nhu cầu của con người trong cuộc sống. on người với sự trợ giúp của máy móc, những công cụ thông minh đã không phải trực tiếp làm việc, hay những công việc mà con người không thể làm được với khả năng của minh mà chỉ việc điều khiển chúng hay chúng làm việc hoàn toàn tự động đã mang lại những lợi ích hết sức to lớn, giảm nhẹ và tối ưu hóa công việc. Với sự tiến bộ này đã đáp ứng được những nhu cầu của con người trong cuộc sống hiện đại nói chung và trong sự phát triển của khoa học kỹ thuật nói riêng. ối với những sinh viên điện tử viễn thông chúng ta thì việc nghiên cứu, tìm hiểu các đặc tính của công nghệ nhận dạng đối tượng bằng sóng vô tuyến RFID có ý nghĩa thực tế hết sức quan trọng. Nó không những trang bị cho chúng ta kỹ năng làm việc trong lĩnh vực điều khiển tự động, điện tử mà còn giúp chúng ta theo kịp với sự phát triển của khoa học kĩ thuật ngày nay khi tốt nghiệp ra trường. Sau đây em xin tìm hiểu về công nghệ nhận dạng bằng sóng vô tuyến FID cũng như thiết kế một ứng dụng thực tế là “Nghiên cứu và thiết kế cửa thông minh điều khiển bằng thẻ từ FID”. ây là cơ sở để thiết kế những hệ thống tự động hóa đơn giản, cũng như phức tạp được ứng dụng rộng rãi trong khoa học và đời sống. Nội dung báo cáo gồm 3 chương được giới thiệu sơ lược sau đây: - hương 1: ổng quan về công nghệ RFID - hương 2: Phân tích các khối module trong mạch - hương 3: Xây dựng mô hình thực tế
6. -5- Do kiến thức còn hạn chế, cộng với thời gian tích lũy chưa nhiều nên đồ án này không tránh khỏi thiếu sót và một số nội dung chưa được chi tiết, mong các thầy cô giáo góp ý và thông cảm.
7. -6- ƢƠN 1: ỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ RFID 1.1 CÔNG NGHỆ RFID VÀ QUÁ TRÌNH PHÁT TRIỂN 1.1.1 Giới thiệu về công nghệ RFID Công nghệ RFID (Radio Frequency Identification) cho phép một thiết bị đọc thông tin chứa trong chip không cần tiếp xúc trực tiếp ở khoảng cách xa, không thực hiện bất kỳ giao tiếp vật lý nào hoặc giữa hai vật không nhìn thấy. Công nghệ này cho ta phương pháp truyền, nhận dữ liệu từ một điểm đến một điểm khác. Kỹ thuật RFID sử dụng truyền thông không dây trong dải tần sóng vô tuyến để truyền dữ liệu từ các tag (thẻ) đến các reader (bộ đọc). Tag có thể được đính kèm hoặc gắn vào đối tượng được nhận dạng chẳng hạn sản phẩm, hộp hoặc giá kê (pallet). Reader scan dữ liệu của tag và gửi thông tin đến cơ sở dữ liệu có lưu trữ dữ liệu của tag. Ví dụ: các tag có thể được đặt trên kính chắn gió xe hơi để hệ thống thu phí đường có thể nhanh chóng nhận dạng và thu tiền trên các tuyến đường. 1.1.2 Lịch sử và quá trình phát triển - Năm 1897: Guglielmo Marconi phát hiện ra sóng radio, tạo nền tảng để phát triển RFID. - 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 với quân địch. - Trong suốt thập niên 50: chủ yếu dùng trong quân đội, phòng LAB nghiên cứu, doanh nghiệp lớn và những thiết bị này có giá rất cao và kích thước lớn.
8. -7- 1.2 THÀNH PHẦN CỦA MỘT HỆ THỐNG RFID Hình 1.1 Sơ đồ khối của một hệ thống RFID Một hệ thống RFID là một tập hợp các thành phần mà nó thực thi giải pháp RFID. Một hệ thống RFID bao gồm các thành phần sau: - Thẻ (Tags) - ầu đọc (Reader) - Ăngten ( ntena) - Mạch điều khiển (Controller) - Cảm biến (sensor), cơ cấu chấp hành (actuator) và bảng tín hiệu điện báo (annunciator) - Máy chủ và hệ thống phần mềm - ơ sở hạ tầng truyền thông 1.2.1 Thẻ RFID (Tag) Thẻ RFID là một thiết bị có thể lưu trữ và truyền dữ liệu đến một Reader trong một môi trường không tiếp xúc bằng sóng vô tuyến. Thẻ RFID mang dữ liệu về một vật, một sản phẩm (item) nào đó và gắn lên sản phẩm đó. Mỗi Tag có các bộ phận lưu trữ dữ liệu bên trong và cách giao tiếp với dữ liệu đó.
9. -8- 1.2.1.1. Dung lượng của thẻ RFID Dung lượng thông tin của thẻ RFID có thể lưu trữ được phụ thuộc nhà cung cấp và loại ứng dụng, thông thường nó có thể mạng thông tin không lớn hơn 2Kb- đủ để lưu trữ dữ liệu về đối tượng nằm trong diện cần quản lý. ác công ty đáng nỗ lực tìm kiếm sử dụng thẻ đơn giản 96 bit các số thứ tự riêng, các chip này đơn giản, dễ chế tạo và rẻ, thuận tiện cho các ứng dụng cần đóng gói. 1.2.1.2. Các thành phần cơ bản của một thẻ RFID - Antenna - Vi mạch (CPU) Hình 1.2 Sơ đồ khối chip CPU trong thẻ RFID - Bộ điều khiển nguồn - Bộ điều chế / giải điều chế - ơn vị Logic - Bộ nhớ 1.2.1.3. Hình dạng và kích thước thẻ Thẻ RFID có nhiều kiến trúc và định dạng khác nhau chẳng hạn như là loại nhãn, loại card, loại đồng xu, loại hình que v.v , phụ thuộc và các ứng dụng và môi trường mà thẻ loại nào được sử dụng, nó có thể nhỏ như là 1 cái que rất ngắn và có thể mỏng như 1 tờ giấy. Sự tiến bộ của kỹ thuật cho phép kích thước của vi mạch nhỏ đến
10. -9- mức nhỏ hơn hạt cát. uy nhiên kích thước của thẻ không xác định bởi kích thước của vi mạch mà bởi chiều dài antenna của nó. Hình 1.3 Một số hình dạng của thẻ RFID 1.2.1.4. Tần số hoạt động Bảng 1.1 Khoảng tần số RFID Khoảng tần Tên Tần số ISM số LF 30300 kHz 3 Ghz 2.45 Ghz, 5.8 Ghz, 24.125 Ghz (microware)
11. -10- 2. 1.4.1. Khoảng đọc của thẻ Bảng 1.2 Khoảng đọc của tần số Khoảng cánh đọc Tần số lớn nhất của Tag Các ứng dụng thụ động Xác định thú nuôi và những LF 50cm item đọc ở khoảng cách gần. HF 3m Cổng vào các tòa nhà UHF 9m Hộp hoặc kệ Vi sóng > 10m Phân loại xe hơi (microware) 2. 1.4.2. Phân loại thẻ Thẻ gồm có 2 phần chính: Chip Antenna * Phân loại thẻ RFID dựa trên nguồn cung cấp cho thẻ - Passive tag (tag thụ động): Hình 1.4 Thẻ thụ động
12. -11- - Active tag (tag tích cực): Hình 1.5 Thẻ tích cực - Thẻ bán tích cực (Semi-active, còn gọi là bán thụ động semi-passive) * Phân loại thẻ RFID dựa trên khả năng hỗ trợ ghi chép dữ liệu Thẻ read only (RO) Thẻ write once, read many (WORM) Thẻ read write (RW) 2. 1.4.3. Lựa chọn thẻ phụ thuộc vào yếu tố sau Dải đọc yêu cầu Chất liệu và đóng gói Hệ số kích thước Chấp nhận các chuẩn Chi phí
13. -12- 1.2.2. Đầu đọc (READER) Hình 1.6 Vai trò của đầu đọc RFID theo nguyên lí chủ tớ 1.2.2.1. Các thành phần vật lý của một Reader RFID Hình 1.7 Các thành phần của một Reader - Máy phát (Transmitter) - Máy thu (Receiver) -Vi mạch (Microprocessor) - Bộ nhớ - ênh v o/ra đối với các cảm biến, cơ cấu truyền động đầu từ, bảng tín hiệu điện báo bên ngoài - Mạch điều khiển (có thể nó đƣợc đặt ở bên ngoài) - Mạch truyền thông - Nguồn năng lƣợng 1.2.2.2. Phân loại READER * Phân loại theo giao diện của Reader
14. -13- Serial Reader (Reader nối tiếp) Network Reader (Reader hệ thống) * Phân loại dựa trên tính chuyển động của Reader: - Cố định một chỗ (stationary). - Cầm tay (hand-held). 1.2.3. Phương thức làm việc của RFID Hình 1.8 Hoạt động giữa tag và reader RFID 1.2.4. Các ứng dụng RFID FID được ứng dụng trong các lĩnh vực: - Bảo mật, an ninh: + iều khiển truy nhập: Khóa và các thiết bị cố định + Quy trình quản lý + Chống trộm: trong việc kinh doanh mua bán. + RFID trong việc xử phạt - Giám sát: + Dây chuyền cung cấp: điều khiển cung cấp trong các nhà kho.
15. -14- + Người hoặc súc vật: vận động viên, trẻ em, bệnh nhân, gia súc, thú kiểng. + Tài sản: hành lý trên máy bay, thiết bị, hàng hóa - Hệ thống thanh toán điện tử: + Lưu thông: hệ thống thu phí tự động Fastrak, EZ-pass + Vé: vào cổng công viên, nhà hát, + Thẻ tín dụng. 1.2.5. Ưu, nhược điểm của hệ thống RFID * Ƣu điểm: * Nhược điểm: 1.3 Kết luận chƣơng Ở chương này, đã tìm hiểu về nguyên lý hoạt động của công nghệ RFID, phân loại được loại thẻ và đầu đọc. Biết được ưu nhược điểm của hệ thống RFID và ứng dụng.
16. -15- ƢƠN 2: P ÂN Í Á MODULE RON MẠCH 2.1. Yêu cầu đề tài Dùng các thiết bị RFID làm các thẻ nhận diện mở cửa. iểm thuận lợi của thẻ khóa này khó bị dập ép và dể dàng hủy bỏ khi bị đánh cắp và thất lạc người dùng chỉ cần xóa bỏ thẻ từ cơ sở dữ liệu truy nhập hoặc tạo ra báo động khi các thẻ này được sử dụng. 2.2. Giải pháp thiết kế 2.2.1. Sơ đồ khối ể thực hiện được thiết kế và chế tạo hệ thống đóng mở cửa tự động sử dụng công nghệ FID em đưa ra sơ đồ thiết kế như sau: Hình 2.1 Sơ đồ khối hệ thống đóng mở cửa tự động dùng thẻ từ 2.2.2. Phân tích chức năng các khối - Khối cấp nguồn - Khối RFID CAR - Khối điều khiển - Khối hiển thị dữ liệu - Khối MỞ/ĐÓNG 2.2.3. Nguyên lý hoạt động của hệ thống Khi muốn mở cửa ta quét thẻ RFID.
17. -16- Khi quét thẻ, thiết bị FID reader phát ra sóng điện từ ở một tần số nhất định, khi thiết bị RFID tag (thẻ RFID) trong vùng hoạt động sẽ cảm nhận được sóng điện từ này và thu nhận năng lượng từ đó phát lại cho thiết bị RFID Reader biết mã số của mình. Từ đó thiết bị RFID reader nhận biết được tag nào đang trong vùng hoạt động. Thiết bị RFID reader gửi dữ liệu về bộ vi xử lý: - Nếu thẻ đúng cho phép mở cửa. - Nếu thẻ quá tầm quét, sai, hỏng cho phép quét lại. 2.3. Lựa chọn linh kiện 2.3.1. Khối điều khiển 2.3.1.1. Giới thiệu chung Arduino 2.3.1.2. Bo mạch Arduino Uno R3 Hình 2.2 Arduino UNO R3 Bảng 2.1 Đặc điểm kỹ thuật Arduino Uno R3 i điều khiển Atmega328 (họ 8bit) iện áp hoạt động 5V – DC (chỉ được cấp qua cổng USB) Tần số hoạt động 16 MHz Dòng tiêu thụ 30mA
18. -17- iện áp vào khuyên 7-12V – DC dùng iện áp vào giới hạn 6-20V – DC Số chân Digital I/O 14 (6 chân PWM) Số chân Analog 6 (độ phân giải 10bit) Dòng tối đa trên mỗi 30 mA chân I/O Dòng ra tối đa (5 ) 500 mA Dòng ra tối đa (3.3 ) 50 mA 32 KB (Atmega328) với 0.5KB dùng bởi Bộ nhớ flash bootloader SRAM 2 KB (Atmega328) EEPROM 1 KB (Atmega328) 2.3.2. Module RFID RC522 Module RFID RC522 sử dụng IC MFRC522 của Phillip dùng để đọc và ghi dữ liệu cho thẻ NFC tần số 13.56mhz, với mức giá rẻ thiết kế nhỏ gọn, module này là sự lựa chọn hàng đầu cho các ứng dụng về ghi đọc thẻ RFID.
19. -18- 2.3.2.1. Đặc điểm của module RFID-RC522 Hình 2.3 Module RFID-RC522 - iện áp hoạt động: DC 3.3V 13-26mA. - Dòng tiêu thụ ở chế độ Stand by: 3.3V; 10-13mA. - Sleep-mode: < 80uA. - Tải tối đa: 30m . - Tần số hoạt động: 13.56Mhz. - Khoảng cách đọc: 0 – 60mm. - Giao thức truyền thông: SPI. - Tốc độ dữ liệu tối đa: 10Mbit / s. - Kích thước: 40 x 60 mm. - Nhiệt độ hoạt động: -20 đến 80 ° C. - ộ ẩm hoạt động: 5% -95%. - Tốc độ cao SPI: 10Mbit / s. - Hỗ trợ ISO / IEC 14443A /MIFARE. - Phụ kiện: móc khóa và thẻ.
20. -19- 2.3.2.2. Chân kết nối RC522 Hình 2.4 Chân kết nối RC522 Chân kết nối module RFIF RC522: 1: SDA (CS) - Chân lựa chọn chip khi giao tiếp SPI (kích hoạt ở mức thấp) 2: SCK- Chân xung trong chế độ SPI 3: MOSI (SDI) - Master Data Out - Slave In trong chế độ giao tiếp SPI 4: MISO (SDO) - Master Data In - Slave Out trong chế độ giao tiếp SPI 5: IRQ – Chân ngắt 6: GND – Chân mass 7: RST – Chân reset module 8: 3V3
21. -20- 2.3.3. Động cơ servo Hình 2.5 Động cơ servo 2.3.3.1. Giới thiệu động cơ servo Servo là một dạng động cơ điện đặc biệt. Không giống như động cơ thông thường cứ cắm điện vào là quay liên tục, servo chỉ quay khi được điều khiển (bằng xung PPM) với góc quay nằm trong khoảng bất kì từ 0o - 180o. Mỗi loại servo có kích thước, khối lượng và cấu tạo khác nhau. Có loại thì nặng chỉ 9g (chủ yếu dùng trên máy bay mô mình), có loại thì sở hữu một momen lực bá đạo (vài chục Newton/m), hoặc có loại thì khỏe và nhông sắc chắc chắn, 2.3.3.2. Nguyên lý hoạt động của servo Xung PPM (Pulse Position Modulation) được sử dụng để điều khiển servo. ần số thông thường có giá trị trong khoảng 50Hz (20 mili giây). hời gian xung ở mức cao chỉ từ 1ms đến 2ms.
22. -21- Hình 2.6 Thời gian xung ở mức cao quy định góc quay của RC servo. ới thời gian 1ms mức cao, góc quay của servo là 0, 1.5ms góc quay 90 và 2ms góc quay là 180. ác góc khác từ 0-180 được xác định trong khoảng thời gian 1 2ms. 2.3.4. LED (Light Emitting Diode) 2.3.5. Còi báo động 2.3.6 Cảm biến ánh sáng 2.3.7 Nguồn Adapter 12V2A 2.4 Kết luận chƣơng hương này đưa ra các yêu cầu và giải pháp thiết kế mạch đóng mở cửa tự động bằng RFID. Từ đó có cơ sở để lựa chọn các linh kiện cần dùng trong quá trình làm đồ án.
23. -22- ƢƠN 3: XÂY DỰNG MÔ HÌNH THỰC TẾ 3.1. Thiết kế phần cứng Sơ đồ nguyên lý Hình 3.1 Sơ đồ nguyên lý 3.2 Mô phỏng bằng phần mềm 3.2.1 Mô phỏng bằng phần mềm Fritzing Hình 3.2 Mô phỏng
24. -23- 3.2.2 Giao tiếp module RC522 với Arduino UNO R3 Bảng 3.1 Sơ đồ nối chân module RC522 với Arduino Module RC522 Module Arduino UNO R3 RST 9 SS 10 MOSI 11 MISO 12 SCK 13 GND GND 3.3V 3.3V 3.2 Kết quả - ã hoàn thành xong: + Cửa đã đóng mở được khi cho quét thẻ đúng. + èn sáng khi trời tối và tắt khi trời sáng. 3.3 Mô hình thực tế Hình 3.3 Mô hình thực tế
25. -24- KẾT LUẬN V ƢỚNG PHÁT TRIỂN Trong kỹ thuật RFID, mỗi ứng dụng đều có những thách thức khác nhau. Việc truyền tin đang tăng lên từng ngày trong thế giới ngày nay. Nhu cầu thu nhận và lưu trữ thêm thông tin đòi hỏi tốc độ và khả năng lưu trữ cao hơn. Do đó đòi hỏi phát triền các chip có độ nhạy, tầm đọc lớn hơn và khả năng lưu trữ lớn hơn. Bên cạnh đó công nghệ FID đang trở lên phổ biến nhưng giá thành còn cao nên hướng phát triển thẻ đơn giản, đảm bảo yêu cầu và giá thành hợp lý cũng là hướng nghiên cứu đáng quan tâm. - Những vấn đề đã làm được: + Tìm hiểu tổng quan về công nghệ RFID. + Thiết kế và chế tạo mô hình đóng mở cửa tự động sử dụng công nghệ RFI. + Dùng được cảm biến ánh sáng để tắt mở đèn - Những tồn tại của đề tài: + hưa làm được mạch đếm số người ra vào cửa. + Khoảng cách giao tiếp thẻ còn hạn chế. + hưa tích hợp được mở khóa bằng mật khẩu. Trong thời gian tới nếu có cơ hội em sẽ phát triển thêm những vấn đề chưa làm được như đã nói ở trên và khắc phục những tồn tại của đề tài, hy vọng có thể ứng dụng công nghệ RFID trong việc thiết kế khóa bảo mật, ứng dụng rộng rãi ngay trong đời sống hàng ngày chứ không đơn thuần chỉ là trên mô hình.