ĐỒ ÁN KHÓA ĐA NĂNG SỬ DỤNG THẺ RFID( có đính kèm file code)

Đồ án tốt nghiệp sử dụng RFID làm khóa thông minh + file code Trong hoạt động sản xuất theo dây chuyền. RFID được sử dụng để thay thế thẻ Kanban trong nhà máy. Hệ thống này giúp doanh nghiệp kiểm soát tốt hơn dây chuyền sản xuất theo thời gian thực, xác định rõ thành phẩm đang được gia công ở công đoạn nào. Việc theo dõi chặt chẽ mọi giai đoạn sản xuất sẽ giúp doanh nghiệp sớm phát hiện các lỗi phát sinh và có biện pháp xử lý kịp thời. Trong việc quản lý kho. Hệ thống RFID được sử dụng để phân loại các loại nguyên vật liệu, sản phẩm tồn kho thông qua hệ thống tag RFID được gắn lên từng đối tượng sản phẩm. Các dữ liệu thực tế trong kho sẽ được thu thập thông qua hệ thống RFID và đưa về lưu trữ tại hệ thống máy chủ của kho. Nhờ có công nghệ này, các hoạt động phân loại, sắp xếp, kiểm đếm thủ công sẽ được loại bỏ, thay vào đó là các thao tác xuất nhập kho nhanh và hiệu quả hơn.

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VÀ VIỄN THÔNG

KHOA KỸ THUẬT ĐIỆN - ĐIỆN TỬ - -

BÁO CÁO: ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG NHÚNG

ĐỀ TÀI: Khóa cửa đa năng Task 1: Mở khóa bằng RFID Task 2: Nhập PASS mở khóa

Hà Nội 2022

MỤC LỤC

DANH MỤC HÌNH ẢNH 5

LỜI NÓI ĐẦU 3

Chương 1: Nghiên cứu tổng quan 4

I Các loại khóa đa năng hiện có 4

1 Khóa cửa vân tay 4

2 Khóa cửa thẻ từ 4

3 Khóa cửa nhận diện khuôn mặt 5

Chương 2: Thiết kế ổ khóa đa năng 6

I Tổng quan 6

II Linh kiện 6

1 STM32F103C8T6 6

2 Bàn phím 4x4 8

3 Màn hình LCD 16x2 và module I2C 8

3.1 Màn hình LCD 16x2 8

3.2 Module I2C vào giao tiếp I2C với LCD 9

3.3 Quá trình truyền nhận dữ liệu: 10

4 Module RFID RC522 11

III Hệ điều hành thời gian thực FreeRTOS 16

IV Thuật toán 17

1 Thuật toán Nhập pass để mở cửa (ĐK động cơ) 17

2 Thuật toán RFID 17

Chương 3: Đánh giá kết quả 19

I Kết quả 19

II Hướng phát triển 19

III DEMO 19

KẾT LUẬN 20

BẢNG PHÂN CHIA CÔNG VIỆC VÀ ĐÁNH GIÁ 21

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1 Khóa cửa vân tay 4

Hình 2 Khóa cửa thẻ từ 5

Hình 3 Khóa cửa nhận diện khuôn mặt 5

Hình 4 Sơ đồ khối hệ thống 6

Hình 5 STM32F103C8T6 6

Hình 6 Bàn phím 4x4 8

Hình 7 Màn hình LCD 16x2 8

Hình 8 Module I2C với LCD 9

Hình 9 Hoạt động của I2C 10

Hình 10 Sơ đồ xung 10

Hình 11 RFID 12

Hình 12 Cách hoạt động FreeRTOS 17

Hình 13 Lưu đồ thuật toán 18

Hình 14 Kết quả thu được 19

LỜI NÓI ĐẦU

Qua quá trình học tập trong gần 4 năm tại Khoa Kỹ thuật Điện tử 1, Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông và qua thực tiễn thị trường công nghệ Nhóm nhận thấy hiện tại các thầy cô trong Khoa đang áp dụng chương trình giảng dạy cực

kì sát với thực tiễn với vô số các kiến thức từ cơ bản đến nâng cao để sinh viên có thể tiếp cận với thực tế

Từ mong muốn được ứng dụng các kiến thức đã học vào lập trình 1 sản phẩm

có tính ứng dụng cao, nhóm đã quyết định thực hiện đề tài: “Nghiên cứu, thiết kế

ổ khóa đa năng” sử dụng vi điều khiển STM32F103C8T6 Dưới sự hướng dẫn của

thầy Nguyễn Ngọc Minh, kết hợp với những kiến thức được thầy cô Khoa Kĩ Thuật Điện Tử 1 giảng dạy, nhóm đã hoàn thành được đề tài

Nội dung đề tài bao gồm 3 chương:

- Chương 1: Nghiên cứu tổng quan

- Chương 2: Thiết kế ổ khóa đa năng

- Chương 3: Đánh giá kết quả

Dưới đây nhóm xin trình bày chi tiết các phần trong nội dung của đề tài

Chương 1: Nghiên cứu tổng quan

I Các loại khóa đa năng hiện có

1 Khóa cửa vân tay

Khóa cửa vân tay là một loại khóa điện tử mà chìa khóa là vân tay Việc sử dụng vân tay để xác nhận giúp cho việc mở khóa đảm bảo an ninh không thể nào làm giả được

Vì vậy, khóa cửa vân tay là một trong các loại khóa cửa thông minh được nhiều người lựa chọn

Hình 1 Khóa cửa vân tay

2 Khóa cửa thẻ từ

Trong số các loại khóa cửa thông minh thì dòng khóa cửa thẻ từ đang được ứng dụng tương đối rộng rãi Chìa khóa của khóa thẻ là một loại thẻ có hình dạng giống như thẻ tín dụng hay thẻ ngân hàng Khi mở cửa bạn chỉ cần quẹt thẻ vào đầu đọc là cửa sẽ tự động

mở

Hình 2 Khóa cửa thẻ từ

3 Khóa cửa nhận diện khuôn mặt

Một trong những công nghệ bảo mật mới nhất hiện nay chính là nhận diện khuôn mặt 3D Đây là công nghệ cải tiến hơn so với nhận diện gương mặt 2D thông thường, cho phép máy có thể quét từng đường nét khuôn mặt, cấu trúc xương hàng để nhận diện một cách tối ưu nhất Công nghệ này được xem là tương lai của an ninh và có khả năng bảo mật tốt hơn cả nhận diện vân tay

Hình 3 Khóa cửa nhận diện khuôn mặt

Chương 2: Thiết kế ổ khóa đa năng

Ở trên kit này bao gồm có 3 Port chính:

o Thạch anh nội dùng dao động RC ở mode 8Mhz hoặc 40khz

o Sử dụng thạch anh ngoài 32.768khz được sử dụng cho RTC

• 2 bộ ADC 12bit với 9 kênh cho mỗi bộ

o Khoảng giá trị chuyển đổi từ 0 – 3.6V

o Lấy mẫu nhiều kênh hoặc 1 kênh

o 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

o 1 bộ CAN interface (2.0B Active)

o USB 2.0 full-speed interface

2 Bàn phím 4x4

Hình 6 Bàn phím 4x4

Bàn phím ma trận Mềm 4x4 Keypad được thiết kế với giao diện đơn giản giúp dễ dàng giao tiếp với bất kì vi điều khiển nào Mặt sau dính thuận tiên để gắn bàn phím trong nhiều dự án

• Dòng điện cấp nguồn: 350uA – 600uA

• 5 chân còn lại dùng để cấp nguồn và đèn nền cho LCD 16×2

• Các chân điều khiển giúp ta dễ dàng cấu hình LCD ở chế độ lệnh hoặc chế độ

dữ liệu

• Chúng còn giúp ta cấu hình ở chế độ đọc hoặc ghi

3.2 Module I2C vào giao tiếp I2C với LCD

LCD có quá nhiều nhiều chân gây khó khăn trong quá trình đấu nối và chiếm dụng nhiều chân trên vi điều khiển Sử dụng module I2C để giải quyết vấn đề này

Thay vì phải sử dụng 6 chân vi điều khiển để kết nối với LCD 16x2 (RS, EN, D7, D6, D5 và D4) thì module IC2 chỉ cần tốn 2 chân (SCL, SDA) để kết nối

Hình 8 Module I2C với LCD

Hoạt động I2C:

• I2C sử dụng 2 đường truyền tín hiệu:

o SCL - Serial Clock Line: Tạo xung nhịp đồng hồ do Master phát đi

o SDA - Serial Data Line: Đường truyền nhận dữ liệu

Hình 9 Hoạt động của I2C

• Giao tiếp I2C bao gồm quá trình truyền nhận dữ liệu giữa các thiết bị chủ tớ, hay Master - Slave

• Thiết bị Master là 1 vi điều khiển, nó có nhiệm vụ điều khiển đường tín hiệu SCL

và gửi nhận dữ liệu hay lệnh thông qua đường SDA đến các thiết bị khác

• Các thiết bị nhận các dữ liệu lệnh và tín hiệu từ thiết bị Master được gọi là các thiết

bị Slave Các thiết bị Slave thường là các IC, hoặc thậm chí là vi điều khiển

• Master và Slave được kết nối với nhau như hình trên Hai đường bus SCL và SDA đều hoạt động ở chế độ Open Drain, nghĩa là bất cứ thiết bị nào kết nối với mạng I2C này cũng chỉ có thể kéo 2 đường bus này xuống mức thấp (LOW), nhưng lại không thể kéo được lên mức cao Vì để tránh trường hợp bus vừa bị 1 thiết bị kéo lên mức cao vừa bị 1 thiết bị khác kéo xuống mức thấp gây hiện tượng ngắn mạch

Do đó cần có 1 điện trờ (từ 1 – 4,7 kΩ) để giữ mặc định ở mức cao

3.3 Quá trình truyền nhận dữ liệu:

• Bắt đầu: Thiết bị Master sẽ gửi đi 1 xung Start bằng cách kéo lần lượt các đường SDA, SCL từ mức 1 xuống 0

Hình 10 Sơ đồ xung

• Tiếp theo đó, Master gửi đi 7bit địa chỉ tới Slave muốn giao tiếp cùng với bit Read/Write

• Slave sẽ so sánh địa chỉ vật lý với địa chỉ vừa được gửi tới Nếu trùng khớp, Slave sẽ xác nhận bằng cách kéo đường SDA xuống 0 và set bit ACK/NACK bằng ‘0’ Nếu không trùng khớp thì SDA và bit ACK/NACK đều mặc định bằng

4 Module RFID RC522

4.1 Khái niệm về RFID là gì?

RFID là cụm ký tự viết tắt từ Radio Frequency Identification, hay còn được gọi là nhận dạng qua tần số vô tuyến Nói một cách đơn giản hơn, RFID là kỹ thuật nhận dạng sóng vô tuyến từ xa, cho phép dữ liệu từ trên một con chíp được đọc thông qua đường dẫn sóng vô tuyến Khoảng cách truyền thông tin giữa hai vật thể thường từ 50cm tới 10 mét Một thiết bị hay một hệ thống RFID được cấu tạo bởi hai thành phần chính là thiết bị đọc RFID và thiết bị phát mã RFID có gắn chip hay còn gọi là tag Thiết bị đọc được gắn anten để thu và phát sóng điện từ, trong khi đó thiết bị phát mã RFID được gắn với vật cần nhận dạng Mỗi thiết bị RFID tag chứa một mã số nhất định và không trùng nhau

Hình 11 RFID

4.2 Đặc điểm của hệ thống RFID là gì

Một thiết bị hay hệ thống RFID có những đặc điểm đáng lưu ý như sau:

• Các tần số thường được sử dụng là 125Khz hoặc 900 Mhz

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

• Thông tin được truyền mà không cần bất kỳ các tiếp xúc vật lý nào

Thiết bị có thể đọc thông tin xuyên qua các môi trường, không gian có vật cản như tường, sương, mưa mà mã vạch và các công nghệ thông thường khác không thể được sử dụng hiệu quả

4.3 Ứng dụng của công nghệ RFID trong lĩnh vực sản xuất

Trong hoạt động sản xuất theo dây chuyền RFID được sử dụng để thay thế thẻ Kanban trong nhà máy Hệ thống này giúp doanh nghiệp kiểm soát tốt hơn dây chuyền sản xuất theo thời gian thực, xác định rõ thành phẩm đang được gia công ở công đoạn nào Việc theo dõi chặt chẽ mọi giai đoạn sản xuất sẽ giúp doanh nghiệp sớm phát hiện các lỗi phát sinh và có biện pháp xử lý kịp thời

Trong việc quản lý kho Hệ thống RFID được sử dụng để phân loại các loại nguyên vật liệu, sản phẩm tồn kho thông qua hệ thống tag RFID được gắn lên từng đối tượng sản phẩm Các dữ liệu thực tế trong kho sẽ được thu thập thông qua hệ thống RFID và đưa về lưu trữ tại hệ thống máy chủ của kho Nhờ có công nghệ này, các hoạt động phân loại, sắp xếp, kiểm đếm thủ công sẽ được loại bỏ, thay vào đó là các thao tác xuất nhập kho nhanh

và hiệu quả hơn

Trong công đoạn theo dõi và đánh giá sản phẩm Tại giai đoạn này, hệ thống RFID được sử dụng để hỗ trợ doanh nghiệp theo dõi nhiệt độ, độ ẩm tại môi trường nơi lưu trữ thành phẩm trước khi đưa đến tay người tiêu dùng Các thông số này sẽ được truyền về

về trung tâm kiểm soát giúp doanh nghiệp kiểm soát các sản phẩm tốt hơn ở điều kiện tối

ưu

4.4 Ưu điểm của công nghệ RFID

Tăng cường khả năng hiển thị chuỗi cung ứng Hoạt động quét mã vạch thông thường cần đến các thao tác thủ công của con người để cung cấp cập nhật vị trí nguyên vật liệu trong dây chuyền Hơn nữa, những hoạt động giám sát này không thể diễn ra liên tục do hạn chế về con người Tuy nhiên, với công nghệ RFID, việc theo dõi có thể được tự động hóa và diễn ra thường xuyên hơn Điều này cung cấp khả năng hiển thị các thông tin chi tiết hơn theo thời gian thực trên dây chuyền sản xuất

Theo dõi các loại tài sản sát sao Các công ty thường sử dụng RFID để theo dõi các container, pallet và các tài sản đáng giá khác Chính vì vậy, doanh nghiệp hoàn toàn có thể kiểm soát chặt chẽ các tài sản thuộc sở hữu của mình đồng thời cung cấp khả năng truy nguyên nguồn gốc của các loại tài sản đó ĐIều này giúp doanh nghiệp có thể tính các bài toán chi tiêu và đầu tư sản xuất sát sao với tình hình thực tế hơn

Kiểm soát số lượng hàng tồn kho dễ dàng hơn Hệ thống RFID trong sản xuất giúp tự động hóa các thao tác kiểm soát hàng hóa trong kho, từ đó giúp giảm chi phí lao động Việc kiểm đếm và theo dõi số lượng hàng hóa, vật tư trong kho có thể được hoàn thành trong vài phút với độ chính xác cao cùng với lượng nhân viên tối thiểu

4.5 Hạn chế của công nghệ RFID là gì

Đầu tư vào RFID tốn kém hơn hệ thống mã vạch thông thường Việc gắn thẻ RFID cho các vật phẩm thường rất tốn kém, đặc biệt nếu đó là các sản phẩm giá rẻ Chi phí đầu tư công nghệ này cho các sản phẩm đôi khi còn vượt lên giá trị của sản phẩm đó Không phải công nghệ RFID đều đã được áp dụng tại hầu hết các doanh nghiệp sản xuất hay đối tác của họ hiện nay Trong khi đó, để có được lợi ích đầy đủ nhất từ RFID trong sản xuất, các nhà cung cấp và tiêu dùng cần phải gắn thẻ hàng hóa hoặc đọc thẻ RFID trong các cơ sở của cả hai bên

Công nghệ RFID phức tạp hơn mã vạch thông thường Thẻ đọc RFID phải được cấu hình cẩn thận để đảm bảo có thể quét thành công 100 phần trăm các thẻ Do đó, việc đầu

tư thời gian và công sức trong quá trình thử nghiệm cũng như xây dựng hệ thống dữ liệu

từ RFID cũng tốn kém hơn quét mã Barcode nhiều lần

Quản lý dữ liệu từ trình đọc thẻ RFID Các dữ liệu được thu thập từ công nghệ tân tiến này lớn hơn rất nhiều so với mã vạch Việc dữ liệu đó được khai thác sử dụng hiệu quả tới đâu lại phụ thuộc vào khả năng của từng doanh nghiệp

Thông số kĩ thuật

• Nguồn: 3.3VDC, 13 – 26mA

• Dòng ở chế độ chờ: 10-13mA

• Dòng ở chế độ nghỉ: <80uA

• Tải tối đa: 30mA

• Tần số sóng mang: 13.56MHz

• Khoảng cách hoạt động: 0～60mm（mifare1 card）

• Giao tiếp: SPI

• Tốc độ truyền dữ liệu: tối đa 10Mbit/s

• Các loại card RFID hỗ trợ: mifare1 S50, mifare1 S70, mifare UltraLight,

mifare Pro, mifare Desfire

• Hỗ trợ: ISO / IEC 14443A /MIFAR

4.6 Chức năng các chân thẻ từ RFID

• SDA(SS) chân chọn lọc chip khi giao thiệp SPI (kích hoạt mức thấp)

• SCK: chân xung trong chế độ SPI

• MOSI(SDI): Master Data Out – Slave In trong chế độ giao thiệp SPI

• MISO(SDO): Master Data In – Slave Out trong chế độ giao thiệp SPI

• IRQ: chân ngắt

• GND: chân nối mass

• RST: chân reset lại module

• VCC: nguồn 3.3V

❖ Giao tiếp với module RC522

Module RFID mặc định ra chân SPI nên chúng ta sẽ sử dụng bộ SPI2 để giao tiếp với

❖ Các hàm đọc ghi module RFID

Quá trình giao tiếp về cơ bản là đọc và ghi giá trị vào các thanh ghi của module RFID,

để đọc và ghi thì chúng ta cần biết địa chỉ của thanh ghi tương ứng cũng như chức năng tương ứng của thanh ghi đó Nói chung, quá trình giao tiếp luôn bắt đầu bằng việc gửi đi

địa chỉ của 1 thanh ghi nào đó Địa chỉ thanh ghi được mã hóa bằng 6 bits

❖ Quá trình đọc

Do trong giao thức SPI, byte dữ liệu trả về luôn muộn hơn byte gửi đi nên byte đọc

về thứ 1 sẽ là byte rác Và để đọc được byte cuối cùng thì gửi nhét thêm 1 byte rác (mặc định là 0x00)

❖ Quá trình ghi

Để ghi dữ liệu vào thanh ghi nào đó, ta gửi địa chỉ của nó đi sau đó gửi kèm theo dữ liệu Tùy thuộc vào địa chỉ đó yêu cầu mấy byte dữ liệu ta gửi đúng số byte dữ liệu tương ứng

Module RFID phân biệt lệnh đọc hay ghi bằng bit 0 của địa chỉ thanh ghi, do địa chỉ thanh ghi chỉ chiếm 6 bis nên vẫn còn thừa 2 bits, module này yêu cầu chúng ta phải dịch trái địa chỉ thanh ghi lên cao, chừa lại bit cao nhất (bit 7) để nó phân biệt lệnh này là đọc hay ghi và bit cuối (bits 0) nó bắt phải là 0

Cụ thể: bit 0 là 1 thì đây là đọc, ngược lại bit 0 là 0 thì đây là ghi

❖ Hàm ghi dữ liệu 1 thanh ghi

void RFID_write(unsigned char reg, unsigned char data) {

III Hệ điều hành thời gian thực FreeRTOS

FreeRTOS là hệ điều hành nguồn mở thời gian thực dành cho các bộ vi điều khiển, cho phép dễ dàng lập trình, triển khai, bảo mật, kết nối và quản lý các thiết bị ngoại biên nhỏ, công suất thấp Được phân phối miễn phí theo giấy phép nguồn mở MIT,

FreeRTOS bao gồm một nhân và một bộ thư viện phần mềm đang phát triển phù hợp để

sử dụng trong nhiều lĩnh vực và ứng dụng công nghiệp Việc sử dụng bao gồm cả kết

nối bảo mật thiết bị nhỏ, công suất thấp của bạn với các dịch vụ Đám mây AWS

FreeRTOS được xây dựng chú trọng vào độ tin cậy và khả năng sử dụng dễ dàng, đồng thời cam kết các bản phát hành hỗ trợ lâu dài

Lợi ích của hệ điều hành freeRTOS

• Mã nguồn mở

• Hỗ trợ nhiều đối tác APN

• Kết nối , lập trình , triển khai và quản lý các thiết bị công xuất thấp một cách bảo mật

Cách hoạt động của RTOS

RTOS là một phân đoạn hoặc một phần của chương trình, trong đó nó giải quyết việc điều phối các task, lập lịch và phân mức ưu tiên cho task, nắm bắt các thông điệp gửi đi từ task

Hình 12 Cách hoạt động FreeRTOS

IV Thuật toán

1 Thuật toán Nhập pass để mở cửa (ĐK động cơ)

Sử dụng hàm so sánh chuỗi Để so sánh pass nhập vào với pass mình cấu hình

Cách thức đưa từng cái phím nhấn vào thành 1 số trong pass

Khai báo 1 biến char s[8] Mỗi lần nhấn thì s[i] nhận 1 key

Cứ như thế đến khi I = 8 thì ko nhận nữa và đem nó đi so sánh với pass đã cấu hình trên đó

2 Thuật toán RFID

Lập trình và sử dụng phương pháp SPI để đọc nội dung của thẻ và lưu vào một

mảng Sử dụng giao thức SPI để đọc ID của thẻ sau đó so sánh với ID ban đầu đã được lưu vào mảng

• Nếu trùng khớp thì mở khóa hiện OK lên LCD