Ý kiến của giảng viên chấm phản biện Được bảo vệ Không được bảo vệ LỜI CẢM ƠN Trong thời gian thực hiện để tài này, em đã nhận được nhiều sự giúp đỡ, đónggóp ý kiến và chỉ bảo nhiệt tình
TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI
ĐẶT VẤN ĐỀ
Việt Nam đang hướng tới sự phát triển công nghiệp hóa hiện đại hóa, tạo ra nhu cầu ngày càng cao về tiện ích trong cuộc sống hàng ngày Sự gia tăng mật độ dân cư và số lượng phương tiện giao thông phản ánh sự phát triển kinh tế, tuy nhiên cũng đặt ra những thách thức lớn như ô nhiễm môi trường, tắc nghẽn giao thông và thiếu hụt bãi đỗ xe Để đối phó với các vấn đề này, việc đầu tư và phát triển hệ thống thiết bị cấp phù hợp là cần thiết nhằm đảm bảo an toàn, thuận tiện và bền vững cho đô thị.
Việt Nam còn gặp nhiều hạn chế về hệ thống bảo mật và tự động hóa trong quản lý, trong khi các nước phát triển đã tiến xa hơn trong việc ứng dụng công nghệ tự động để giảm thiểu lao động và nâng cao hiệu quả công việc Trong quản lý bãi giữ xe truyền thống, người dân phải bỏ nhiều công sức và chi phí nhân công, gây tốn kém và không tối ưu Khi xã hội ngày càng tiến bộ và kỹ thuật ngày càng phát triển, nhu cầu về các thiết bị thông minh và tự động hóa ngày càng tăng cao Chính vì vậy, việc ứng dụng công nghệ RFID và cảm biến để tự động hóa các tác vụ, tiết kiệm sức lao động và nâng cao hiệu quả quản lý bãi xe trở thành xu hướng cần thiết Do đó, tôi lựa chọn đề tài “Bãi xe tự động sử dụng công nghệ RFID” nhằm thúc đẩy ứng dụng công nghệ thông minh trong quản lý bãi xe tại Việt Nam.
NỘI DUNG NGHIÊN CỨU
- Xác định mục tiêu và giới hạn đề tài.
- Nghiên cứu tài liệu về Kit Arduino UNO R3.
- Thiết kế khối cảm biến, khối hiển thị trên LCD, khối chấp hành, khối nguồn, Reader và bộ xử lí trung tâm.
- Thiết kế, tính toán và thi công cho phần cứng.
- Viết code cho Kit Arduino Uno R3.
- Lắp rắp và kết nối giữa khối xử lí trung tâm và các khối khác.
- Hiển thị dữ liệu lên LCD.
- Chạy thử nghiệm hệ thống.
- Chỉnh sửa các lỗi điều khiển, lỗi lập trình và lỗi của các thiết bị.
- Viết báo cáo đồ án.
GIỚI HẠN
Đề tài: “Bãi xe tự động sử dụng công nghệ RFID” có những giới hạn sau:
- Sử dụng Kit Arduino Uno R3.
- Sử dụng các nền tảng đã có sẵn và thư viện mở để phát triển sản phẩm.
- Sử dụng các module có sẵn như: module relay, module LCD I2C,
PHẠM VI SỬ DỤNG
Đề tài là một mô hình nhỏ phục vụ cho việc nghiên cứu và phát triển trong quy mô phòng học và phòng thực tập.
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
GIỚI THIỆU PHẦN CỨNG
Arduino là một board mạch vi xử lý nổi tiếng dùng để lập trình xây dựng các ứng dụng tương tác với môi trường hoặc giữa các thiết bị dễ dàng hơn Ưu điểm của Arduino bao gồm ngôn ngữ lập trình rất dễ học, giống C/C++, và các cấp ngoại vi trên bo mạch đã được chuẩn hóa, giúp người dùng không cần phải am hiểu sâu về điện tử vẫn có thể lập trình thành công.
Phân cứng bao gồm một board mạch nguồn mở được thiết kế trên nền tảng vi xử lý
AVR Atmel 8bit, hoặc ARM Atmel 32-bit Những model hiện tại được trang bị gồm
1 công giao tiếp USB, 6 chân đầu vào analog, 14 chân I/O kỹ thuật số tương thích vởi nhiêu board mở rộng khác nhau.
Hình 2.1: Hình ảnh Hình 2.2: Kí hiệu Ardunio Hình 2.3: Sơ đồ chân thực tế Arduino UNO UNO R3 SMD Arduino UNO R3 SMD
Bảng 2.1: Bảng thông số kĩ thuật Arduino Uno R3
Arduino có thể được cấp nguồn dễ dàng qua cổng USB hoặc sử dụng nguồn ngoài qua jack cắm 2.1mm Ngoài ra, bạn còn có thể cấp nguồn bằng cách kết nối hai chân Vin và GND, tùy thuộc vào yêu cầu của dự án Việc chọn nguồn phù hợp giúp đảm bảo hoạt động ổn định và hiệu quả của hệ thống Arduino.
GND để cấp nguồn cho Arduino.
- Chân 5V và chân 3.3V: các chân này dùng để lấy nguồn ra tương ứng 5V và 3.3V.
- Vin: Cấp nguồn cho Arduino.
- Reset: chân thiết lập lại hoạt động từ đầu cho board khi nhận tín hiệu.
2.1.2 Công nghệ RFID và Module MFRC522
Giới thiệu công nghệ RFID
Công nghệ RFID là công nghệ nhận dạng đối tượng sử dụng sóng vô tuyến để truyền dữ liệu Nhờ vào hệ thống thu phát sóng radio, RFID cho phép xác định và theo dõi các đối tượng một cách chính xác Công nghệ này giúp giám sát và quản lý đối tượng hiệu quả, nâng cao năng suất và giảm thiểu sai sót trong quá trình vận hành RFID là một giải pháp tiên tiến được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như logistics, quản lý kho, bán lẻ và sản xuất.
Hệ thống RFID bao gồm hai thành phần chính là thiết bị đọc (reader) và thiết bị phát mã RFID có gắn chip, giúp nhận diện chính xác các vật thể Thiết bị đọc được trang bị anten để thu phát sóng điện từ, trong khi thiết bị phát mã RFID được gắn với vật cần nhận dạng và chứa mã số duy nhất Mỗi thiết bị RFID có mã số riêng biệt, đảm bảo tính chính xác trong quá trình theo dõi và quản lý.
Các tần số thường được sử dụng trong hệ thống RFID:
LF: 125 kHz – 34.2 kHz (low frequencies): ứng dụng nhiều cho hệ thống quan lý nhân sự, chấm công, cửa bào mật, bãi giữ xe
HF: 13.56 MHz (high frequencies): ứng dụng nhiều cho quản lý nguồn gốc hàng hóa, vận chuyển hàng hóa, cửa bảo mật, bãi giữ xe
UHF (tần số cực cao) dao động trong khoảng 860 MHz đến 960 MHz và được ứng dụng rộng rãi trong các hệ thống kiểm soát như thu phí đường bộ tự động, quản lý kho hàng, và kiểm soát lộ trình của hàng hóa Công nghệ UHF giúp nâng cao hiệu quả, độ chính xác trong việc quản lý và theo dõi các hoạt động kiểm soát, vận chuyển Tần số UHF phù hợp cho các hệ thống cần phạm vi truyền tải lớn và khả năng xuyên vật cản tốt, đảm bảo hoạt động liên tục và ổn định Nhờ vào đặc điểm này, UHF trở thành lựa chọn phổ biến trong các giải pháp kiểm soát an ninh, giao thông và logistics hiện đại.
Các tần số siêu cao 2.45 GHz của SHF được ứng dụng rộng rãi trong các hệ thống kiểm soát tự động như thu phí đường bộ, quản lý lưu thông hàng hóa, theo dõi kiểm soát hàng hóa và quản lý kho hàng hiệu quả.
Hình 2.4: Hình thực tế Module RFID RC522 Hình 2.5: Kí hiệu MFRC522
SDA: kết nối với chân SPI_SDA của vi điều khiển để lựa chọn chip khi giao tiếp SPI (Kích hoạt ờ mức thấp).
SCK: Kết nối với chân SPI_SDA của vi điều khiển để tạo xung trong chế độ truyền SPI.
MIS0: Kết nối với chân SPI _M1SO của vi diêu khiển có chức năng Master
Data Out- Slave In trong chế độ giao tiếp SPI.
M0SI: Kết nối với chân SPI_MOS1 của vi diều khiển có chức năng Master
Data In- Slave Out trong chế độ giao tiêp SPI.
LCD (Liquid Crystal Display) được sử dụng trong rất nhiều các ứng dụng của
Vi Điều Khiển LCD có nhiều ưu điểm nổi bật so với các dạng hiển thị khác, bao gồm khả năng hiển thị đa dạng các ký tự như chữ, số và ký tự đồ họa, giúp truyền tải thông tin trực quan và rõ ràng LCD dễ dàng tích hợp vào các mạch ứng dụng thông qua nhiều giao thức giao tiếp khác nhau, giúp linh hoạt trong thiết kế hệ thống Ngoài ra, loại màn hình này tiêu thụ ít tài nguyên hệ thống và có chi phí thấp, phù hợp với nhiều dự án và ứng dụng khác nhau.
Hình 2.6: Hình ảnh thực tế LCD 16x2 Hình 2.7: Kí hiệu LCD 16x2
Hình 2.8: Sơ đồ điều khiển LCD 16x2
Dưới dạng sóng, ta có thể nhận thấy trình tự điều khiển gồm các bước chính: điều khiển tín hiệu RS để xác định chế độ thao tác, làm cho tín hiệu R/W xuống mức thấp để chuẩn bị ghi hoặc đọc dữ liệu, điều khiển tín hiệu E lên mức cao để cho phép xuất dữ liệu D7 – DO, sau đó đưa tín hiệu E về mức thấp để hoàn tất quá trình xuất dữ liệu, và cuối cùng là điều khiển tín hiệu R/W trở lại mức cao nhằm chuẩn bị cho các thao tác tiếp theo.
Chân 1: (Vss) Chân nối đất cho LCD.
Chân 2: VDD Là chân cấp nguồn cho LCD.
Chân 3: VEE là chân điều chỉnh độ tương phản của LCD.
Chân 4: RS Là chân chọn thanh ghì (Register select) Nối chân RS với logic “0” (GND) hoặc logic “1” (VCC) để chọn thanh ghi.
+ Logic “0”: Bus DB0-DB7 sẽ nối với thanh ghi lệnh IR của LCD (ở chế độ ghi) hoặc nối với bộ đểm địa chỉ cùa LCD (ở chể độ đọc).
Trong hệ thống LCD, logic “1” quy định rằng bus dữ liệu DB0-DB7 kết nối với thanh ghi dữ liệu DR bên trong LCD Chân 5 của LCD, gọi là chân R/W, dùng để chọn chế độ đọc hoặc ghi Nối chân R/W với logic “0” để LCD hoạt động ở chế độ ghi dữ liệu, hoặc nối với logic “1” để chuyển LCD sang chế độ đọc dữ liệu, giúp điều khiển hoạt động của màn hình một cách linh hoạt và hiệu quả.
Chân 6: E Là chân cho phép (Enable) Sau khi các tín hiệu được đặt lên bus DB0-DB7, các lệnh chỉ được chấp nhận khi có 1 xung cho phép cua chân E.
Trong chế độ ghi, dữ liệu trên bus sẽ được LCD chuyên vào thanh ghi bên trong khi phát hiện một xung chuyển từ mức cao xuống thấp của tín hiệu chân E, đảm bảo quá trình ghi diễn ra chính xác và hiệu quả.
Trong chế độ đọc, dữ liệu được LCD xuất ra qua các chân DB0 đến DB7 khi phát hiện cạnh lên (căng cao) tại chân E, đảm bảo dữ liệu được truyền chính xác Quá trình này diễn ra cho đến khi chân E chuyển sang mức thấp, giúp giữ dữ liệu trên bus và đảm bảo hoạt động ổn định của màn hình LCD.
Chân 7 - 14: DBO - DB7 tám đường của bus dữ liệu dùng để trao đôi thông tin với MPU Có 2 chế dộ sử dụng 8 dường bus này:
+ Chế độ 8 bít: Dữ liệu được truyền trên cà 8 đường, với bit MSB là bitDB7.
+ Chế độ 4 bít: Dữ liệu được truyền trên 4 đường từ DB4 tới DB7, bit MSB là DB7.
Chân 15: Nguồn dương cho đèn nền.
Chân 16: GND cho đèn nền.
Sử dụng giao tiếp I2C giúp điều khiển màn hình trực tiếp thông qua IC xử lý trên mạch, tối ưu hóa hiệu suất hoạt động của vi điều khiển Việc gửi mã lệnh và nội dung hiển thị đơn giản hơn, giúp giảm tải công việc cho vi điều khiển, từ đó dành nhiều thời gian hơn cho các tiến trình xử lý phức tạp khác Đây là giải pháp hiệu quả để nâng cao hiệu suất và độ ổn định của hệ thống điều khiển màn hình trong các dự án điện tử.
I2C sử dụng hai đường truyền tín hiệu chính là SCL (đường xung nhịp đồng hồ) và SDA (đường dữ liệu), giúp truyền dữ liệu hiệu quả giữa các thiết bị Cả hai đường này luôn được kéo lên nguồn thông qua điện trở kéo lên có trị số khoảng 4.7 KΩ, đảm bảo tín hiệu ổn định và đáng tin cậy trong quá trình truyền dữ liệu.
Các chế độ hoạt động cùa I2C bao gồm:
Chế độ chuẩn (standard mode) hoạt động ở tốc độ 100 Kbit/s.
Chế độ tần số thấp (low speed mode) hoạt động ớ tốc độ 10 Kbit/s
Ngoài ra I2C còn có chế độ 10 bit đia chỉ tương đương với 1024 địa chỉ.
Hình 2.9: Hình thực tế Hình 2.10: Sơ đồ các chân I2C Hình 2.11: Kí hiệu module I2C
Ưu điểm của việc sử dụng giao tiếp I2C
Giao tiếp I2C chỉ sử dụng duy nhất 2 dây tín hiệu: SDA và SCL giúp tiết kiệm chân trên vi điều khiển.
Tốc độ truyền dữ liệu lên đến 400Kbps.
Dữ liệu truyền nhận đảm bảo tính toàn vẹn vì sử dụng cơ chế phản hồi (ACK) trên mỗi byte dữ liệu.
Module có khả năng kết nối nhiều thiết bị cùng lúc nhờ các mối hàn sẵn có trên mạch Các chân A0, A1, A2 cho phép thay đổi địa chỉ của module, giúp phân biệt và quản lý nhiều thiết bị trên cùng một hệ thống Địa chỉ mặc định của module là 0x27, và có thể kết nối tối đa 8 module qua I2C bus để mở rộng chức năng một cách dễ dàng và hiệu quả.
PHẦN MỀM ARDUINO IDE
Với mục tiêu của đề tài là sử dụng Arduino Uno R3 nên phần mềm để viết chương trình điều khiển là phần mềm Arduino IDE.
Arduino IDE (Arduino Integrated Development Environment) is a text editor designed for writing and uploading code to Arduino boards It supports multiple operating systems, including Windows, macOS, and Linux, making it accessible to a wide range of users The IDE simplifies the programming process, enabling users to easily develop and upload their projects to Arduino hardware.
Một chương trình viết bởi Arduino IDE được gọi là sketch, sketch được lưu dưới định dạng ino.
Sau khi khơi động Arđuino IDE, ta được giao diện như hình sau:
Hình 2.30: Giao diện lập trình Arduino IDE
Chương trình Arduino được lập trình bằng ngôn ngữ C hoặc C++, giúp người dùng dễ dàng viết mã và điều khiển các thiết bị điện tử Arduino IDE đi kèm với thư viện phần mềm "Wiring", hỗ trợ lập trình dễ dàng và tối ưu Để tạo một chương trình Arduino, người dùng chỉ cần định nghĩa hai hàm cơ bản: setup() để cấu hình ban đầu và loop() để lặp lại các nhiệm vụ liên tục Các hàm này giúp quản lý các hoạt động của hệ thống một cách hiệu quả và rõ ràng.
- Setup () : hàm chạy một lần duy nhất vào lúc bắt đầu của một chương trình dùng đê khởi tạo các thiết lập.
Hàm Loop () trong Arduino hoạt động liên tục cho đến khi bo mạch bị tắt, cho phép thực thi các lệnh lặp đi lặp lại để điều khiển thiết bị hiệu quả Arduino IDE, nền tảng lập trình phổ biến, được phát triển để hỗ trợ người dùng trên nhiều hệ điều hành như Windows, MAC OS X và Linux, giúp dễ dàng viết mã, tải chương trình và quản lý dự án Arduino một cách thuận tiện.
PHẦN MỀM MICROSOFT EXCEL VÀ CÔNG CỤ PARALLAX DATA
Microsoft Excel là phần mềm bảng tính của bộ Microsoft Office, giúp người dùng thực hiện tính toán nhanh chóng và chính xác với khối lượng dữ liệu lớn Excel có cấu trúc gồm các hàng và cột kết hợp tạo thành bảng tính lớn, trong đó các hàng thường được ký hiệu bằng các chữ cái như A, B, C, giúp tối ưu công việc xử lý dữ liệu và phân tích thông tin.
C, D, E,… còn các cột thì được ký hiệu bằng các con số từ 1, 2, 3 cho đến n… Một cột và một hàng gộp lại với nhau sẽ trở thành một ô tính Địa chỉ của ô sẽ được xác định bởi chữ cái đại diện cho cột và số đại diện cho hàng.
Bảng tính – Sheet: Sheet là bảng tính trong Excel Mỗi bảng tính có tới hơn
4 triệu ô dữ liệu, người dùng có thể thoải mái sử dụng chúng để tính toán, lập biểu mẫu, phân tích dữ liệu…
Sổ tay - Workbook trong Excel thường gồm từ 1 đến 255 sheet riêng biệt, giúp tổ chức và quản lý các bảng tính, đồ thị liên quan một cách linh hoạt Workbook đóng vai trò là tập hợp các loại dữ liệu liên kết với nhau để dễ dàng thao tác và phân tích Mặc dù Excel không giới hạn số lượng Workbook có thể mở, nhưng số lượng tối đa phụ thuộc vào bộ nhớ của máy tính người dùng Việc sử dụng nhiều Workbook hiệu quả sẽ giúp tối ưu công việc và nâng cao năng suất làm việc với dữ liệu.
Trong bảng tính Excel, cột là tập hợp các ô tính theo chiều dọc, với độ rộng mặc định là 9 ký tự và có thể điều chỉnh từ 0 đến 255 ký tự Một bảng tính Excel có thể chứa tới 256 cột, mỗi cột được đặt tên bằng các chữ cái khác nhau như A, B, C, D, , giúp tổ chức dữ liệu hiệu quả và dễ dàng quản lý.
Dòng trong Excel là tập hợp các ô tính được sắp xếp theo chiều ngang, với chiều cao mặc định là 12.75 điểm, có thể điều chỉnh từ 0 đến 409 điểm Một bảng tính Excel phổ biến có ít nhất 16.384 dòng, mỗi dòng được đánh số thứ tự bắt đầu từ 1 trở đi, giúp người dùng dễ dàng quản lý và tổ chức dữ liệu hiệu quả.
Ô trong bảng tính là điểm giao nhau giữa hàng và cột, giúp xác định vị trí chính xác của dữ liệu Tọa độ của một ô được xác định bằng số thứ tự của hàng và chữ cái biểu thị cột, ví dụ như ô A1 nằm ở cột A và hàng 1 Việc hiểu rõ cách định vị ô là yếu tố quan trọng để thao tác và quản lý dữ liệu hiệu quả trong các công cụ bảng tính như Excel.
Vùng trong bảng tính là tập hợp của nhiều ô liền kề nhau, thường được xác định bởi toạ độ của ô đầu và ô cuối Vùng có thể là một ô duy nhất, một nhóm ô, hoặc toàn bộ bảng tính, cho phép người dùng dễ dàng làm việc với nhiều vùng cùng lúc Việc xác định rõ vùng dữ liệu giúp quản lý và thao tác trên dữ liệu một cách hiệu quả hơn.
2.3.2 Công cụ Parallax Data Acquisltion
PLX-DAQ là công cụ bổ trợ giúp thu thập dữ liệu từ vi điều khiển Parallax và gửi trực tiếp vào Microsoft Excel, phù hợp với mọi bộ vi điều khiển kết nối cảm biến qua cổng nối tiếp của máy tính Phần mềm này có khả năng thu thập lên đến 26 kênh dữ liệu từ bất kỳ bộ vi điều khiển nào, tự động đưa các số liệu vào các cột phù hợp khi dữ liệu đến, giúp dễ dàng phân tích dữ liệu trong bảng tính PLX-DAQ hỗ trợ phân tích dữ liệu từ cảm biến trong phòng thí nghiệm, giám sát thiết bị theo thời gian thực và thu thập dữ liệu từ hiện trường, nâng cao hiệu quả trong các ứng dụng kỹ thuật và nghiên cứu.
PLX-DAQ có các tính năng sau:
Dữ liệu đồ thị hoặc đồ thị khi nó đến trong thời gian thực bằng Microsoft Excel
Trong quá trình làm việc với trang tính, bạn có thể ghi lên đến 26 cột dữ liệu để xử lý thông tin hiệu quả Chức năng đánh dấu dữ liệu theo thời gian thực (hh: mm: ss) hoặc theo giây kể từ khi đặt lại giúp theo dõi và quản lý dữ liệu chính xác hơn Ngoài ra, người dùng có thể dễ dàng đọc hoặc ghi dữ liệu vào bất kỳ ô nào trên trang tính, đảm bảo tính linh hoạt trong quá trình xử lý Hơn nữa, các thao tác này có thể thực hiện thông qua 4 hộp kiểm trên giao diện điều khiển, mang lại trải nghiệm trực quan và thuận tiện cho người dùng.
Tốc độ truyền dữ liệu đạt đến 128K, hỗ trợ từ Com1 đến Com15 theo yêu cầu của hệ thống Khi mở trang tính Excel có PLX-DAQ đã được kích hoạt, cửa sổ Data Acquisition for Excel sẽ xuất hiện như hình minh họa bên dưới, giúp quản lý dữ liệu truyền vào một cách hiệu quả và dễ dàng hơn.
Hình 2.31: Giao diện kết nối giữa Arduino và Excel
Để bắt đầu hoạt động với PLX-DAQ, cần lựa chọn đúng cổng giao tiếp (Port) và tốc độ truyền (Baud) phù hợp với kết nối của Arduino Sau khi thiết lập các thiết lập này, bạn tiến hành kết nối (Connect) để phần mềm bắt đầu nhận dữ liệu từ Arduino một cách chính xác và hiệu quả.
Dữ liệu sau khi hoàn tất sẽ tự động cập nhật vào các ô tương ứng được Arduino định sẵn trong sheet đầu tiên của file Excel Việc hiển thị dữ liệu này dưới dạng biểu đồ hoặc sơ đồ rất đơn giản, phù hợp với ý đồ và trình Excel của từng người dùng.
THIẾT KẾ VÀ XÂY DỰNG HỆ THỐNG
YÊU CẦU VÀ SƠ ĐỒ KHỐI HỆ THỐNG
3.1.1 Yêu cầu của hệ thống
Hệ thống có các chức năng sau:
Hiển thị LCD trạng thái vị trí bãi xe còn trống, hiển thị lời chào ra vào Dùng thẻ RFID để kích hoạt đóng mở cổng.
Báo hiệu bằng còi, cửa tự mở, khi phát hiện thẻ hoặc có lửa, cháy.
Bật đèn tự động khi trời tối.
Lưu thời gian, thông tin người dùng, trạng thái ra vào bãi xe ở file Excel.
3.1.2 Sơ đồ khối và chức năng mỗi khối
Hình 3.1: Sơ đồ khối của hệ thống
Khối xử lý trung tâm chịu trách nhiệm truyền dữ liệu để cập nhật cơ sở dữ liệu hiển thị trên màn hình LCD, đồng thời gửi lệnh đến các khối chấp hành và nhận tín hiệu từ các cảm biến cùng đầu đọc reader Hệ thống cho phép truyền dữ liệu liên tục tới máy tính để đảm bảo quá trình vận hành diễn ra chính xác và hiệu quả.
Khối hiển thị: Nhận dữ liệu từ khối xử lý trung tâm để hiển thị ra LCD lời chào, vị trí bãi xe còn trống.
Khối cảm biến: Truyền dữ liệu thu thập từ cảm biến đến khối xử lý trung tâm.
Khối nguồn: Cung cấp nguồn cho các khối: hiển thị LCD, chuông báo, trung tâm xử lý…
Khối chấp hành: Nhận dữ liệu từ khối xử lý trung tâm, thực thi các yêu cầu được giao như servo, loa, đèn.
Khối Reader: Đọc dữ liệu thừ thẻ RFID, truyền dữ liệu đến bộ xử lí trung tâm.
Giao diện Excel trên máy tính: Nhận thông tin ID, tên, thời gian, trạng thái ra vào từ khối xử lí trung tâm qua cổng USB.
3.1.3 Hoạt động của hệ thống
Khi hệ thống được cấp nguồn hệ thống sẽ hoạt động theo trình tự như sau:
Khi hệ thống được cấp nguồn, các thành phần chính như khối hiển thị và khối chấp hành sẽ khởi động và chờ tín hiệu từ khối xử lý trung tâm Đồng thời, khối cảm biến bắt đầu thực hiện chức năng thu thập dữ liệu để đảm bảo hoạt động chính xác của toàn bộ hệ thống.
Bước 2: Khối xử lý trung tâm sẽ bắt đầu nhận dữ liệu từ khối cảm biến và reader sau khi được cấp nguồn hoạt động.
Bước 3 trong hệ thống cảm biến là tín hiệu từ khối cảm biến và reader (MFRC522, cảm biến hồng ngoại, cảm biến ánh sáng, cảm biến lửa) sẽ truyền tới bộ xử lý trung tâm để xử lý dữ liệu Sau đó, dữ liệu được gửi đến máy tính và gửi yêu cầu thực thi cho các khối chấp hành để thực hiện các hành động cần thiết.
TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG PHẦN CỨNG
Trên thị trường hiện nay có nhiều loại cảm biến lửa với mức giá đa dạng để phù hợp với các ngân sách khác nhau Do hệ thống của tôi chỉ yêu cầu đơn giản là phát hiện lửa, tôi đã chọn mua cảm biến lửa có giá thành phải chăng Loại cảm biến này không chỉ tiết kiệm chi phí mà còn đáp ứng đầy đủ các yêu cầu kỹ thuật của hệ thống của tôi Việc lựa chọn cảm biến phù hợp giúp tối ưu hóa hiệu quả vận hành và đảm bảo an toàn khi phát hiện cháy nhanh chóng.
Sơ đồ kết nối cảm biến lửa với board ArduinoUno được kết nối như sau:
Hình 3.2: Kết nối cảm biến lửa với Arduino Uno
Kết nối cảm biến lửa với Ardunio:
Chân VCC: kết nối nguồn 5V
Chân GND: nối mass chung.
Chân Output Digital: kết nối với chân số 7 của Arduino R3 (U1).
Khi không phát hiện ngọn lửa tín hiệu ở chân DO ở mức cao (5V), khi phát hiện có tia lửa tín hiệu ở chân DO ở mức thấp (0V).
Khi module hoạt động các chân tín hiệu sẽ báo tín hiệu về thiết bị điều khiển Lúc đó tín hiệu chân DO:
+ Tín hiệu mức cao là không có lửa.
+ Tín hiệu mức thấp là có lửa
AO cho ra tín hiệu tương tự.
Với mức giá thành thấp và hoạt động ổn định, cảm biến này là lựa chọn phù hợp cho nhiều hệ thống Nó còn cho phép điều chỉnh độ nhạy để phù hợp với yêu cầu của từng ứng dụng Không yêu cầu độ chính xác cao về cường độ ánh sáng, do đó, cảm biến này đáp ứng tốt các tiêu chí về chi phí và hiệu suất.
Hình 3.3: Kết nối cảm biến ánh sáng với Arduino Uno
Kết nối cảm biến ánh sáng với Ardunio:
Chân VCC: kết nối nguồn 5V.
Chân GND: nối mass chung.
Chân DO: kết nối với chân số 8 của Arduino.
Tại chân DO, mạch trả về mức HIGH (5V) khi trời tối (cường độ ánh sáng chiếu vào thấp) và LOW (0V) nếu ngược lại.
Tại chân AO cho ra tín hiệu tương tự của cường độ ánh sáng đo được.
Hiện nay trên thị trường có nhiều loại module phát hiện vật cản như E18-D80NK, IR Infrared Obstacle Avoidance, XCK-TD100, với khoảng cách làm việc hiệu quả từ 2 đến 5cm và điện áp hoạt động từ 3.3V đến 5V Cảm biến hồng ngoại này có độ nhạy sáng điều chỉnh dễ dàng bằng biến trở, đồng thời dễ lắp ráp và sử dụng Nhóm em đã chọn module IR Infrared Obstacle Avoidance phù hợp với thiết kế hệ thống nhờ vào nhiều tính năng ưu việt.
Hình 3.4: Kết nối cảm biến hồng ngoại (vật cản) với Arduino Uno
Kết nối cảm biến ánh sáng với Ardunio:
Chân VCC: kết nối nguồn 5V.
Chân DO: kết nối với chân A0, A1, A2, A3 của Arduino UNO R3 (U1)
Khi có vật cản, tín hiệu chân DO ở mức thấp (0V), đèn LED trên module sáng để báo hiệu hoạt động Ngược lại, khi không có vật cản, tín hiệu chân DO ở mức cao (5V), đèn LED tắt, thể hiện không có sự kiện detected Đây là cách đơn giản để theo dõi trạng thái cảm biến và kiểm soát hệ thống một cách dễ dàng.
3.2.2.1 Động cơ Servo SG-90 Động cơ RC Servo 90 là động phổ biến dùng trong các mô hình điều khiển nhỏ và đơn giản như cánh tay robot hay các cơ cấu chấp hành dơn giản Động cơ có tốc độ phản ứng nhanh, được tích hợp sẵn driver điều khiển động cơ, dễ dàng điều khiển góc quay bằng phương pháp điều độ rộng xung PWM.
Hình 3.5: Kết nối động cơ Servo SG-9G với Arduino Uno
Kết nối cảm động cơ với Ardunio:
Chân VCC: kết nối nguồn 5V.
Chân PWM: kết nối với chân số 6 của 2 board Arduino UNO R3.
Động cơ RC servo hoạt động dựa trên việc điều khiển bằng tín hiệu PWM với tần số chuẩn là 50 Hz Góc quay của động cơ phụ thuộc vào độ rộng của xung PWM, giúp điều chỉnh chính xác vị trí của servo Loại động cơ này có giới hạn về góc quay tối đa là 180 độ, phù hợp cho các ứng dụng yêu cầu điều khiển góc chính xác.
Khi có tín hiệu PWM từ Ardunio gửi đến thì Servo thực hiện xoay động cơ đóng/mở cửa.
Module 1 relay 5V gồm 1 rơ le hoạt động tại điện áp 5VDC, chịu được hiệu điện thế lên đến 250VAC 10A Module relay 1 kênh được thiết kế chắc chắn, khả năng cách điện tốt Trên module đã có sẵn mạch kích relay sử dụng transistor và IC cách ly quang giúp cách ly hoàn toàn mạch điều khiển (vi điều khiển) với rơ le bảo đảm vi điều khiển hoạt động ổn định Có sẵn header rất tiện dụng khi kết nối với vi điều khiển.
Module 1 relay 5V sử dụng chân kịch mức thấp (0V), khi có tín hiệu 0V vào chân IN thì relay sẽ nhảy qua thường hở của Relay Ứng dụng với relay module khá nhiều bao gồm cả điện DC hay AC Vì những thuận lợi về đặc tính trên, em nên em đã chọn module này.
Hình 3.6: Kết nối module Relay 5V với Arduino Uno
Module 1 Relay 5V hoạt động bằng cách sử dụng chân kịch mức thấp (0V), khi tín hiệu 0V được gửi vào chân IN thì relay sẽ chuyển sang trạng thái thường hở Chân IN của module được kết nối trực tiếp vào chân số 4 của board Arduino Uno R3 (U1), đảm bảo điều khiển đúng chức năng của relay.
Buzzer là thiết bị tạo ra tiếng còi hoặc tiếng bíp, trong đó loại buzzer áp điện là phổ biến nhất với cấu tạo gồm một miếng vật liệu áp điện phẳng có hai cực điện Loại buzzer này yêu cầu bộ dao động để điều khiển, mang lại hiệu suất ổn định và tuổi thọ cao Với ưu điểm chất lượng tốt, thiết kế nhỏ gọn, buzzer áp điện phù hợp để tích hợp vào các mạch báo động và hệ thống còi nhỏ gọn, đáp ứng yêu cầu của các thiết bị điện tử hiện đại.
Hình 3.7: Kết nối buzzer (loa) với Arduino Uno
Kết nối loa với Ardunio:
Chân dương (+) nối với VCC
Chân âm (-) nối với chân tín hiệu số 5 của 2 board Arduino UNO R3.
Nguyên tắc hoạt động của thiết bị rất đơn giản, phát ra âm thanh khi chân tín hiệu được bật sang mức LOW và tự tắt khi chân tín hiệu chuyển về mức HIGH Điều này giúp dễ dàng kiểm soát và sử dụng trong các thiết bị điện tử, đảm bảo sự chính xác trong quá trình hoạt động Hiểu rõ nguyên tắc này là quan trọng để tối ưu hóa hiệu suất và đảm bảo tính ổn định của hệ thống.
Module I2C giúp giảm số chân kết nối với LCD, từ 6 chân xuống còn chỉ 2 chân (SCL, SDA), tối ưu hóa không gian và tiết kiệm chân trên vi điều khiển Nó phù hợp với các loại LCD sử dụng driver HD44780 như LCD 16x2, 20x4 và tương thích với hầu hết các dòng vi điều khiển hiện nay, giúp dễ dàng tích hợp và cài đặt trong các dự án điện tử Do đó, tôi đã chọn sử dụng module I2C để thực hiện đề tài của mình nhằm nâng cao hiệu quả và giảm khó khăn trong quá trình kết nối.
Sơ đồ kết nối khối hiển thị với khối xử lí trung tâm:
Hình 3.8: Sơ đồ kết nối khối hiển thị với khối xử lí trung tâm
Kết nối module I2C LCD với Ardunio:
Chân VCC: kết nối nguồn 5V.
Chân SDA: kết nối với chân A4 của 2 board Arduino.
Chân SCL: kết nối với chân số A5 của 2 board Arduino.
Khối hiển thị kết nối với Arduino Uno để nhận dữ liệu và hiển thị thông báo chào mừng cùng với tình trạng bãi gửi xe, giúp người dùng dễ dàng theo dõi và quản lý tình hình gửi xe một cách hiệu quả.
Trên thị trường hiện nay, có nhiều loại đầu đọc thẻ RFID với đa dạng mức giá và chất lượng khác nhau Với yêu cầu đơn giản của hệ thống, cùng khả năng phù hợp của module với board xử lý, dễ dàng phát triển, nhóm đã chọn sử dụng module MFRC522 để đáp ứng nhu cầu đọc, ghi và phát hiện thẻ RFID một cách tối ưu.
Hình 3.9: Kết nối khối Reader (MFRC522) với Arduino Uno
Bảng 3.1: Sơ đồ kết nối chân MFRC522 với Arduino
Khi thẻ được quét vào module MFRC522, dữ liệu ID của thẻ sẽ được bộ đọc đọc và gửi về khối xử lý trung tâm để tiến hành so sánh Quá trình này đảm bảo xác thực chính xác và nhanh chóng, giúp hệ thống hoạt động hiệu quả trong các ứng dụng kiểm soát truy cập.
ID dữ liệu trong code và tiếp tục thực thi.
3.2.5 Khối xử lý trung tâm:
LƯU ĐỒ GIẢI THUẬT HỆ THỐNG
- Đầu tiên khởi tạo các cổng kết nối UART, khởi tạo các thư viện các biến sử dụng trong chương trình.
- Sau đó thực hiện đọc dữ liệu từ các cảm biến gửi về khối xử lí trung tâm.
- Tiếp theo thực hiện chương trình phát hiện, đọc thẻ RFID.
Hình 3.11: Lưu đồ giải thuật chương trình chính
Hình 3.12: Lưu đồ giải thuật chương trình con cảm biến
Giải thích chương trình con cảm biến:
- Đọc kiểm tra vị trí trạng thái bãi xe từ module cảm biến hồng ngoại gửi về, sau đó cập nhật dữ liệu cho LCD.
- Kiểm tra cháy từ module cảm biến lửa gửi về:
+ Nếu có cháy: thực hiện mở 2 cửa ra vào, bật loa báo cháy, LCD 2 ngõ hiển thị cảnh báo có cháy.
+ Nếu không có cháy: tắt loa báo cháy, LCD hiển thị lời chào bình thường
- Kiểm tra trời tối: module cảm biến ánh sáng cảm biến cường độ ánh sáng
+ Nếu trời sáng: Tắt đèn.
+ Nếu trời tối: Bật đèn.
- Đầu tiên, kiểm tra có thẻ quét vào đầu đọc hay không Nếu không thì kết thúc chương trình, nếu có thì thực hiện bước kế tiếp.
Hệ thống đọc dữ liệu ID từ đầu đọc gửi về khối xử lý trung tâm, sau đó so sánh với ID lưu trong mã nguồn Khi ID khớp, hệ thống sẽ mở cửa và LCD hiển thị trạng thái bãi xe hoặc lời chào, đồng thời cảnh báo thẻ đúng bằng tiếng kêu và giữ nguyên trạng thái trong 4 giây để người dùng biết đã xác nhận thành công.
+ Nếu sai: Đóng cửa, LCD hiển thị báo sai thẻ, chông báo thẻ sai kêu, giữ trạng thái 4 giây.
- Tiếp theo sẽ gửi dữ liệu ngày giờ, ID thẻ, tên người dùng, trạng thái ra vào lên máy tính.
Hình 3.13: Lưu đồ chương trình con RFID
THI CÔNG
Sau khi hoàn thiện thiết kế sơ đồ khối và sơ đồ nguyên lý toàn mạch, bước tiếp theo là vẽ mạch in đã thiết kế Mạch in bao gồm các kết nối chính xác giữa các khối chức năng, đảm bảo tính khả thi và hoạt động ổn định của toàn bộ hệ thống điện tử Việc vẽ mạch in đúng quy trình giúp tối ưu hóa không gian, giảm nhiễu và tăng độ bền của sản phẩm cuối cùng.
Hình 3.14: Mạch in của hệ thống
KẾT QUẢ
KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM
Trong quá trình nghiên cứu thiết kế, lập trình và kiểm thử, tôi đã hoàn thành mô hình đề tài Tuy nhiên, do tình hình dịch bệnh hiện tại và hạn chế về điều kiện đi lại, tôi chỉ có thể hoàn thiện đồ án ở dạng testboard Ngoài ra, dự án còn một số thiếu sót liên quan đến thiết bị cần được khắc phục trong thời gian tới.
Hình 4.1: Mô hình mạch testboard của đề tài
Khi khởi tạo bắt đầu hệ thống màn hình LCD ở ngõ vào sẽ hiển thị
“Welcome Check your Card”, ngõ ra “Please Check your card” đồng thời hai thanh barie ở vị trí đóng.
Hình 4.2: trạng thái LCD và thanh barie Hình 4.3: Trạng thái LCD và thanh lúc khởi tạo ở ngõ vào barie lúc khởi tạo ở ngõ ra
Khi quét thẻ RFID vào đầu đọc tại ngõ vào, hệ thống sẽ gửi mã ID của thẻ về bộ xử lý trung tâm để kiểm tra tính hợp lệ Nếu mã ID thẻ đúng và được xác thực, cửa sẽ tự động mở rộng, đảm bảo an toàn và thuận tiện cho người dùng Quá trình này giúp nâng cao bảo mật cho hệ thống kiểm soát truy cập và giảm thiểu rủi ro đột nhập trái phép Việc sử dụng công nghệ RFID trong kiểm soát ra vào mang lại hiệu quả cao và tiết kiệm thời gian so với phương pháp truyền thống.
502 Bad GatewayUnable to reach the origin service The service may be down or it may not be responding to traffic from cloudflared
502 Bad GatewayUnable to reach the origin service The service may be down or it may not be responding to traffic from cloudflared
502 Bad GatewayUnable to reach the origin service The service may be down or it may not be responding to traffic from cloudflared
502 Bad GatewayUnable to reach the origin service The service may be down or it may not be responding to traffic from cloudflared
Khi thẻ sai, màn hình LCD hiển thị thông báo “Wrong Card Check again”, thanh barie sẽ đóng lại và còi báo sẽ phát ra âm thanh cảnh báo Sau 4 giây, thiết bị sẽ tự động quay trở về trạng thái ban đầu như lúc khởi tạo (Hình 4.7)
Hình 4.6: Trạng thái LCD và thanh barie Hình 4.7: Trạng thái LCD và thanh khi quét ID thẻ đúng ở ngõ ra barie khi quét ID thẻ sai ở ngõ ra
Để kết nối với công cụ PLX-DAQ trên Excel, bạn cần mở file Excel đã cài đặt và chọn kết nối với cổng COM của máy tính Tiếp theo, thiết lập tốc độ baud phù hợp để đảm bảo truyền dữ liệu ổn định Bạn cũng nên chọn trang tính lưu trữ thông tin, sau đó bấm nút "Connect" để thiết lập kết nối thành công Ngoài ra, bạn có thể tùy chỉnh các thuộc tính phụ của trang tính nhằm tối ưu hóa quá trình ghi nhận dữ liệu.
Hình 4.8: Bảng thiết lập kết nối giữa bộ xử lí trung tâm và file Excel trên máy tính
Thông tin về ngày, giờ, mã ID thẻ, tên người dùng và trạng thái vào/ra sẽ được hiển thị rõ ràng trên file Excel Các thẻ đúng đã được lưu trong hệ thống sẽ hiển thị tên người dùng tương ứng, trong khi các thẻ sai chưa có trong hệ thống sẽ xuất hiện cảnh báo “Warning Wrong Card” tại mục USER Bản ghi này giúp dễ dàng kiểm tra trạng thái truy cập và đảm bảo an ninh cho hệ thống kiểm soát ra vào.
Hình 4.9: Giao diện hiển thị trên file Excel
Khi cảm biến ánh sáng nhận biết cường độ ánh sáng yếu (trời tối) thì bật đèn, khi trời sáng thì tắt đèn.
Hình 4.10: Bật đèn khi trời tối
Khi cảm biến lửa phát hiện lửa, hai màn hình LCD sẽ hiển thị cảnh báo
Hệ thống cảnh báo cháy sẽ phát loa với tín hiệu "***Warning*** Canh bao co chay" để thông báo nguy hiểm, đồng thời hai thanh barrier sẽ mở ra nhằm đảm bảo an toàn Khi không còn phát hiện lửa, hệ thống tự động trở về trạng thái ban đầu, đảm bảo hoạt động hiệu quả và an toàn cho khu vực.
Hình 4.11: Hệ thống khi phát hiện có cháy
NHẬN XÉT - ĐÁNH GIÁ
Sau khi hoàn thiện, chúng tôi tiến hành chạy thử toàn bộ hệ thống để kiểm tra độ ổn định, tính chính xác và độ trễ trong điều khiển Sản phẩm đảm bảo đáp ứng các tiêu chí đề ra trong quá trình lên ý tưởng và thiết kế, với các thiết bị và module hoạt động hiệu quả Tuy nhiên, trong quá trình chạy thử kéo dài, hệ thống vẫn gặp vấn đề về ổn định và dễ bị nhiễu nguồn, cần tiếp tục tối ưu hóa để nâng cao hiệu suất.