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

-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.

-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.

-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.

-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

-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.

-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.

-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.

-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

-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 Tần số ISM Tên số

< 135 kHz LF 30300 kHz

6.78 Mhz, 13.56 Mhz, 27.125 Mhz, HF 300 MHz 40.680 Mhz

300 Mhz-3 433.920 Mhz, 869 Mhz, 915 Mhz UHF Ghz

Vi sóng > 3 Ghz 2.45 Ghz, 5.8 Ghz, 24.125 Ghz (microware)

-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 50cm LF item đọc ở khoảng cách gần.

Cổng vào các tòa nhà 3m HF

Hộp hoặc kệ 9m UHF

Vi sóng Phân loại xe hơi > 10m (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

-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

-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

-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.

-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.

-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.

-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

-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.

-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.

-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

-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.

-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.

-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

-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

-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.