Báo cáo bài tập lớn – hệ thống quán lý ra vào qua thẻ RFID

Báo cáo bài tập lớn – Hệ Thống Quán Lý Ra Vào Qua Thẻ RFID HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG KHOA KĨ THUẬT ĐIỆN TỬ 1 =====o0o===== BÁO CÁO BÀI TẬP LỚN ĐỀ TÀI HỆ THỐNG QUÁN LÝ RA VÀO QUA THẺ RFID.

KHOA KĨ THUẬT ĐIỆN TỬ 1

=====o0o=====

BÁO CÁO BÀI TẬP LỚN

ĐỀ TÀI :

HỆ THỐNG QUÁN LÝ RA VÀO QUA

THẺ RFID

Giảng viên hướng dẫn : TS.Nguyễn Ngọc Minh

Môn học : Đồ án thiết kế hệ thống nhúng

HÀ NỘI, 05 / 2022 -⁃⁃⁃⁃‹‹‹﴾֍﴿›››⁃⁃⁃⁃ -

NHÓM 2 2

MỤC LỤC

Phần I : Tìm hiểu và nghiên cứu hệ thống quán lý qua thẻ RFID 3

1.1 Đánh giá tổng quan 3

1.2 Các hệ thống quản lý bằng thẻ RFID 3

Phần II: Tổng quan về ngoại vi và các chuẩn được sử dụng 5

2.1 Sơ đồ hệ thống 5

2.2 Khối ngoại vi 6

2.2.1 Công nghệ RFID và Module đọc thẻ RFID - RC522 6

2.3 Khối vi điều khiển 8

2.3.1 Vi điều khiển SMT32F103C8T6 8

2.3.2 Vi điều khiển ESP8266 9

Phần III: Cách hoạt động của hệ thống 11

3.1 Tổng quan về hệ điều hành thời gian thức FreeRTOS 11

3.2 Áp dụng hệ điều hành FreeRTOS vào hệ thống quản lý ra vào sử dụng thẻ RFID 11

Phần IV: Kết quả và sản phẩm 13

4.1 Thiết kế phần cứng 13

4.2 Thiết kế giao diện App quản lý thẻ 15

Phần V : Hướng phát triển của hệ thống 17

LỜI CẢM ƠN 18

NHÓM 2 3

HỆ THỐNG QUÁN LÝ RA VÀO QUA THẺ RFID

Phần I : Tìm hiểu và nghiên cứu hệ thống quán lý qua thẻ RFID

1.1 Đánh giá tổng quan

Hiện nay trên thi trường đã và đang sử dụng rất nhiều các sản phẩm, hệ thống ứng dụng dụng công nghệ RFID đặc biệt là trong lĩnh vực quán lý, ví dụ như quản lý nhân

sự, quản lý sinh viên, quản lý kho hàng, quản lý nhà xe,… Tại sao nó lại được sử dụng trong nhiều hệ thống quản lý như vậy là vì những ưu điểm sau:

• Tính bảo mật cao

• Tiện nghi và hiện đại

• Cài đặt đễ dàng

• Đem lại tính thẩm mỹ

1.2 Các hệ thống quản lý bằng thẻ RFID

Trong các hình thức quản lý dựa trên công nghê RFID thì việc quản lý thông qua thẻ RFID đã cho thấy tính hiệu quả và tiện lợi một cách rõ rệt

a Thẻ RFID là gì ?

Hình 2.1: Các dạng thẻ RFID

Thẻ RFID là gì? Đây là loại thẻ sử dụng sóng radio để nhận dạng và có gắn một dải băng từ ở mặt sau, dải băng từ có tính từ và các thiết bị đọc ghi thẻ có thể đọc hoặc ghi

dữ liệu lên trên thẻ từ Mỗi thẻ sẽ chứa một mã số riêng, không giống nhau

 Cấu tạo của thẻ từ:

• Ăng-ten gắn trong thẻ sử dụng sóng vô tuyến (RFID) giao tiếp với đầu đọc thẻ

để truyền dữ liệu

NHÓM 2 4

• Chip tạo ra một dãy số để nhận dạng duy nhất cho 1 thẻ, dãy số không bị trùng lặp với các thẻ khác

• Chất nền – vật liệu lót (thường sẽ là thẻ nhựa ) và ăng ten

• Chíp từ được gắn cố định bên trong chất nền hoặc vật liệu lót (gọi là thẻ)

b Các hệ thống quản lý sử dụng thẻ RFID

Hệ thống quản lý bãi gửi xe sử dụng thẻ RFID

Hình 2.2: Sơ đồ hệ thống quản lý bãi gửi xe sử dụng thẻ RFID

Theo cách truyền thống gửi và trả xe thường ghi vé cho từng xe, điều này thực sự không an toàn, rất dễ bị ùn tắc giao thông do tốc độ làm việc Nếu trường hợp gửi xe lâu ngày hoặc giả mạo thì rất khó kiểm soát Vì vậy cần một biện pháp tự động hóa thông minh giúp nhằm đem đến cho các bãi giữ xe tại các siêu thị, bến xe, cơ quan Giải pháp tối ưu giúp tiết kiệm thời gian nhất Do đó ATPro đã cho ra HỆ THỐNG GIỮ XE BẰNG THẺ RFID có độ an toàn cao và thuận tiện cho khách tại bãi giữ xe

Hệ thống kiểm soát ra vào cửa bằng thẻ RFID

Hình 2.3: Hệ thống kiểm soát ra vào cửa bằng thẻ RFID

NHÓM 2 5

Nhu cầu sử dụng các thiết bị kiểm soát cửa ngày một gia tăng Chúng có tính ứng dụng cao cho các cơ quan, văn phòng, chung cư, căn hộ… Đặc biệt việc quản lý sinh viên thông qua thẻ RFID đang là vấn đề rất được sự quan tâm từ các doanh nghiệp phát triển công nghệ Đối với các văn phòng công ty tránh hoàn toàn việc người lạ tự do ra vào nơi làm việc Ngoài ra nó giúp việc quản lý nhân viên trở nên dễ dàng hơn Trong việc giám sát thời gian làm việc một cách hiệu quả và tự động Với những ưu điểm trên cùng mong muốn học hỏi và phát triển các hệ thống ứng dụng công nghệ RFID cũng như đưa ra các ý tưởng làm nền tảng cho việc ứng dụng công nghê RFID cho môi trường

đại học nhóm em xin phép được chọn đề tài ‘‘Phát triển hệ thống quản lý ra vào sử

dụng thẻ RFID’’ làm đề tài nghiên cứu của môn học này

Phần II: Tổng quan về ngoại vi và các chuẩn được sử dụng

2.1 Sơ đồ hệ thống

Hình 2.4: Sơ đồ tổng quan hệ thống

 Như sơ đồ khối thì hệ thống bao gồm các thành phần sau:

• Khối ngoại vi, bao gồm module đọc thẻ RFID - RC522, màn hình hiển thị LCD

320x240 TFT ILI9481, các ngoại vi giao tiếp với vi điều khiển thông chuẩn giao thức SPI

• Khối điều khiển trung tâm, bao gồm 2 vi điều khiển là STM32F103C8T6 và

ESP8266 Dữ liệu thẻ từ STM32 được chuẩn hóa bằng chuẩn dữu liệu Json và được gửi đến ESP8266 thông qua chuẩn giao tiếp UART

• Khối giám sát và quản lý dữ liệu(database) thực hiện lưu trữ và xử lý dữ liệu gửi lên từ ESP8266 thông qua giao thức MQTT cùng các API hỗ trợ

NHÓM 2 6

2.2 Khối ngoại vi

2.2.1 Công nghệ RFID và Module đọc thẻ RFID - RC522

a Tổng quan về công nghệ RFID

RFID chính là viết tắt của thuật ngữ Radio Frequency Identification, ta có thể hiểu đây chính là việc nhận dạng qua tần số vô tuyến RFID là một công nghệ dùng kết nối sóng vô tuyến để tự động xác định và theo dõi các thẻ nhận dạng gắn vào vật thể Công nghệ này cho phép nhận biết các đối tượng thông qua hệ thống thu phát sóng radio, từ

đó có thể giám sát, quản lý từng đối tượng Công nghệ thẻ RFID cho phép các nhà quản

lý tổ chức xác định và quản lý các thiết bị, tài sản Nó áp dụng cho việc gắn thẻ mục trong các cửa hàng bán lẻ, sử dụng trong hệ thống kiểm kê, khóa thẻ từ trong khách sạn, resort Các sản phẩm thương mại như ô tô, máy móc hay cả quần áo, hàng tiêu dùng

có thể theo dõi từ nhà máy đến khách hàng

Cấu tạo hệ thống RFID :

• Một hệ thống hay một thiết bị RFID được cấu tạo từ hai thành phần cơ bản không thể thiếu đó chính là thiết bị phát mã RFID thường hay được nhắc đến với cái tên thẻ RFID và phần thiết bị đọc Thiết bị đọc này sẽ được gắn antenna phát sóng điện từ, thiết bị phát RFID sẽ được gắn với vật cần nhận dạng, mỗi thiết bị RFID tag chứa một mã số nhất định và không trùng nhau

Đặc điểm :

• Hệ thống RFID sử dụng hệ thống không dây thu phát sóng radio, không sử dụng tia sáng như mã vạch

• Các tần số thường được sử dụng trong hệ thống RFID là 125Khz hoặc 900Mhz

• Thông tin có thể được truyền qua những khoảng cách nhỏ mà không cần một tiếp xúc vật lý nào

• Có thể đọc được thông tin xuyên qua các môi trường, vật liệu như: bê tông, tuyết, sương mù, băng đá, sơn và các điều kiện môi trường thách thức khác

mà mã vạch và các công nghệ khác không thể phát huy hiệu quả

Nguyên lí hoạt động :

• Thiết bị RFID reader phát ra sóng điện từ ở một tần số nhất định, khi thiết bị RFID tag 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

NHÓM 2 7

Tính bảo mật :

Thẻ chip RFID chứa rất nhiều mã nhận dạng khác nhau, thông thường là 32bit tương ứng với hơn 4 tỷ mã số khác nhau Ngoài ra khi xuất xưởng mỗi thẻ chip RFID được gán một mã số khác nhau Do vậy khi một vật được gắn chip RFID thì khả năng nhận dạng nhầm vật đó với 1 thẻ chip RFID khác là rất thấp, xác suất là 1 phần 4 tỷ

b Module đọc thẻ RFID - RC522

RC522 là Module RFID đa giao tiếp với Arduino và Vi điều khiển RC522 còn gọi

là MFRC-522 sản xuất bởi hãng vi điều khiển bán dẫn NFX Module cho phép các nhà phát triển giao tiếp với các vi điều khiển dựa trên giao thức SPI, I2C và UART

Module RC522 hoạt động ở tần số 13.56 MHz và đọc và ghi thẻ UID / RFID Các thẻ RFID giao tiếp được với module ở khoảng cách ngắn với tần số vô tuyến nhờ cảm ứng điện từ lẫn nhau

Trong các thiết bị bảo mật và thương mại, module rất phù hợp vì có thể phát hiện được các trạng thái và thông tin của thẻ RFID

Hình 2.5: Module đọc thẻ RFID - RC522

Các đặc tính RC522 :

• RFID RC522 sử dụng cảm ứng điện từ để kích hoạt thẻ và có tần số 13,56MHz

để truyền dữ liệu

• Thẻ RFID có thể sử dụng được với cả hai mặt của module khoảng cách tối đa 5cm

• Điện áp 3.3V được yêu cầu để hoạt động

• Chế độ ngủ tự động giúp module tiêu thụ ít điện năng hơn

• Module có ba loại giao tiếp (UART, SPI, I2C) Do đó, có thể sử dụng được với hầu hết mọi vi điều khiển

• Có thể truyền dữ liệu lên đến 10Mb/s

NHÓM 2 8

Ứng dụng module RFID RC522 :

• RFID sử dụng như một thiết bị bảo mật

• Ở một số công ty, các thiết bị được sử dụng trong các mặt hàng mua sắm

• Một số sân bay cũng bắt đầu sử dụng RFID để xác định và kiểm tra túi xách

và các vật dụng khác

• Hệ thống chấm công hoặc bãi đậu xe cũng sử dụng RFID

2.3 Khối vi điều khiển

2.3.1 Vi điều khiển SMT32F103C8T6

Giới thiệu sơ lược :

STM32 là một trong những dòng chip phổ biến của ST với nhiều họ thông dụng như F0,F1,F2,F3,F4… STMF103C8T6 thuộc họ F1 với lõi là ARM COTEX M3 STM32F103C8T6 là vi điều khiển 32 bit, tốc độ tối đa là 72Mhz Giá thành cũng khá rẻ

so với các loại vi điều khiển có chức năng tương tự Mạch nạp cũng như công cụ lập trình khá đa dạng và dễ sử dụng

Một số ứng dụng chính: dùng cho driver để điều khiển ứng dụng, điều khiển ứng dụng thông thường, thiết bị cầm tay và thuốc, máy tính và thiết bị ngoại vi chơi game, GPS cơ bản, các ứng dụng trong công nghiệp, thiết bị lập trình PLC, biến tần, máy in, máy quét, hệ thống cảnh báo, thiết bị liên lạc nội bộ…

Cấu hình chi tiết của STM32F103C8T6:

Hình 2.8 : Chip STM32F103C8T6

NHÓM 2 9

 ARM 32-bit Cortex M3 với clock max là 72Mhz

 Bộ nhớ:

 64 kbytes bộ nhớ Flash(bộ nhớ lập trình)

 20kbytes SRAM

 3 bộ ADC 12 bit với 9 kênh cho mỗi bộ

 Khoảng giá trị chuyển đổi từ 0 – 3.6V

 Lấy mẫu nhiều kênh hoặc 1 kênh

 Có cảm biến nhiệt độ nội

 DMA: bộ chuyển đổi này giúp tăng tốc độ xử lý do không có sự can thiệp quá sâu của CPU với 7 kênh DMA Hỗ trợ DMA cho ADC, I2C, SPI, UART

 7 timer

 timer 16 bit hỗ trợ các mode IC/OC/PWM

 1 timer 16 bit hỗ trợ để điều khiển động cơ với các mode bảo vệ như ngắt input, dead-time

 2 watdog timer dùng để bảo vệ và kiểm tra lỗi

 1 sysTick timer 24 bit đếm xuống dùng cho các ứng dụng như hàm Delay…

 Hỗ trợ 9 kênh giao tiếp bao gồm:

 2 bộ I2C(SMBus/PMBus)

 bộ USART(ISO 7816 interface, LIN, IrDA capability, modem control)

 2 SPIs (18 Mbit/s)

 1 bộ CAN interface (2.0B Active)

 USB 2.0 full-speed interface

2.3.2 Vi điều khiển ESP8266

ESP8266 là một chip của Espressif Systems có tích hợp công nghệ Wi-Fi với đặc tính giá rẻ, tương thích với nhiều nền tảng Nó có 11 chân GPIO (Chân đầu vào / đầu ra

đa dụng) và một đầu vào analog, có nghĩa là bạn có thể lập trình nó giống như với Arduino hoặc vi điều khiển khác Bản thân chip ESP8266 có 17 chân GPIO, nhưng 6 trong số các chân này (6-11) được sử dụng để giao tiếp với chip nhớ flash trên bo mạch Ngoài ra nó có kết nối Wi-Fi, vì vậy có thể sử dụng nó để kết nối với mạng Wi-Fi, kết nối Internet, lưu trữ máy chủ web với các trang web thực, để điện thoại thông minh của bạn kết nối với nó Khả năng của esp8266 là vô tận! Không có gì lạ khi con chip này đã trở thành thiết bị IoT phổ biến nhất hiện có

NHÓM 2 10

Hình 2.9 : Vi điều khiển ESP8266

 Thông số của ESP8266

chân D0)

NHÓM 2 11

Phần III: Cách hoạt động của hệ thống

3.1 Tổng quan về hệ điều hành thời gian thức FreeRTOS

Hệ thống được vận hành dựa trên hệ điều hành thời gian thực Free-RTOS FreeRTOS

là một hệ điều hành nhúng thời gian thực (Real Time Operating System) mã nguồn mở được phát triển bởi Real Time Engineers Ltd, sáng lập và sở hữu bởi Richard Barry FreeRTOS được thiết kế phù hợp cho nhiều hệ nhúng nhỏ gọn vì nó chỉ triển khai rất ít các chức năng như: cơ chế quản lý bộ nhớ và tác vụ cơ bản, các hàm API quan trọng cho cơ chế đồng bộ Nó không cung cấp sẵn các giao tiếp mạng, drivers, hay hệ thống quản lý tệp (file system) như những hệ điều hành nhúng cao cấp khác Tuy vậy, FreeRTOS có nhiều ưu điểm, hỗ trợ nhiều kiến trúc vi điều khiển khác nhau, kích thước nhỏ gọn (4.3 Kbytes sau khi biên dịch trên ARM7), được viết bằng ngôn ngữ C và có thể sử dụng, phát triển với nhiều trình biên dịch C khác nhau (GCC, OpenWatcom, Keil, IAR, Eclipse, …), cho phép không giới hạn các tác vụ chạy đồng thời, không hạn chế quyền ưu tiên thực thi, khả năng khai thác phần cứng Ngoài ra, nó cũng cho phép triển khai các cơ chế điều độ giữa các tiến trình như: queues, counting semaphore, mutexes FreeRTOS là một hệ điều hành nhúng rất phù hợp cho nghiên cứu, học tập về các kỹ thuật, công nghệ trong viết hệ điều hành nói chung và hệ điều hành nhúng thời gian thực nói riêng, cũng như việc phát triển mở rộng tiếp các thành phần cho hệ điều hành hành (bổ sung modules, driver, thực hiện porting)

3.2 Áp dụng hệ điều hành FreeRTOS vào hệ thống quản lý ra vào sử dụng thẻ RFID Phân chia tác vụ cho hệ thống quản lý ra vào sử dụng thẻ RFID

Sơ đồ hệ thống cùng các tác vụ như sau :

Hình 2.11 : Các tác vụ trong hệ thống quản lý ra vào sử dụng thẻ RFID

NHÓM 2 12

Như hình 3.1 ta thấy về cơ bản hệ thống được chia làm 4 tác vụ và STM32 trong khối điều khiển trung tâm là vi xử lí chính điều khiển toàn bộ các tác vụ Các tác vụ trong hệ thống như sau :

• Thứ nhất, đọc tín từ module RFID Bất kể khi nào có thẻ từ được đập vào module, thông tin thẻ(mã thẻ) sẽ ngay lập tức được gửi về vi điều khiển

• Sau khi có được thông tin thẻ, tác vụ thực hiện chuẩn hóa thông tin dưới dạng Json rồi gửi đến ESP8266 thông qua giao thức UART

Ví dụ : mã thẻ nhận được là abc1234xyz sau khi chuẩn hóa ta được một chuối json có dạng "ID" : " abc1234xyz "

Khi nhận được thông tin thẻ từ STM32, ESP8266 sẽ tiếp tục gửi thông tin lên trên database để thực hiện quá trình truy xuất dữ liệu Nếu dữ liệu người dùng

đã có sẵn, dữ liệu sẽ được đẩy về ESP Như vậy ESP trong hệ thống được coi như một trạm trung chuyển dữ liệu

dùng được gửi về từ ESP8266 hay không Dữ liệu được gửi về dưới dạng Json bao gồm nhiều trường thông tin như : Họ tên, ngày sinh, địa chỉ, số điện thoại v.v…Tác

vụ sẽ thực hiện tách các thông tin cần thiết ra và lưu vào các biến để cho các công việc tiếp theo

lưu lại ở tác vụ 2 và hiển thị lên màn hình LCD(TFT)

xem có tín hiệu thẻ hợp lệ nào được xuất ra từ tác vụ trên hay không Nếu có sẽ xuất tín hiệu điều khiển hệ thống khóa cửa

Ngoài ra, để có thể theo dõi cũng như thêm, sửa hay xóa thông tin người dùng trên database, nhóm đã thiết các giao diện bao gồm cả app và web giúp người giám sát dễ dàng quản lý

Quá trình vận hành của cả hệ thống có thể biểu diễn qua sơ đồ sau đây :

NHÓM 2 13

Hình 2.12 : Quá trình vận hành của hệ thống quản lý ra vào sử dụng thẻ RFID

Phần IV: Kết quả và sản phẩm

4.1 Thiết kế phần cứng

 Thiết kế PCP

Hình 2.13: Hình ảnh 2D PCP hoàn thiện

NHÓM 2 14

Hình 2.14 : Hình ảnh 3D PCP hoàn thiện

Hình 2.15 :Bo mạch hoàn thiện trong thực tế

NHÓM 2 15

Hình 2.16: Sản phẩm hoàn thiện sau khi đóng hộp

Hình 2.17: Thông tin người dùng hiển thị trên màn hình LCD

4.2 Thiết kế giao diện App quản lý thẻ