HỆ THỐNG GIÁM SÁT HÀNH TRÌNH XE BUÝT BẰNG RFID ĐỂ NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG DỊCH VỤ

Đề tài đã thực hiện thành công và đạt được kết quả khả quan như xây dựng được hệ thống định vị xe buýt bằng RFID, dựa trên thuật toán nhận dạng đối tượng bằng công nghệ RFID và phát triển hệ thống theo hướng có khả năng định vị xe buýt và tính toán được thời gian dự kiến xe buýt đến trạm đón trả khách. Đây được xem là kết quả chính của đề tài. Để thực hiện tốt kết quả này thì em cũng phải thực hiện thành công quá trình xử lý định vị đối tượng dựa trên cơ sở dữ liệu được ghi ở mỗi thẻ từ RFID, xây dựng hệ thống cơ sở dữ liệu cho việc định vị xe buýt dựa vào mã thẻ đã được Reader ghi. Ngoài ra còn xây dựng cho hệ thống cơ sở dữ liệu về thời gian để phục vụ cho việc gửi nhận tin nhắn của modul sim. Thực hiện truyền nhận dữ liệu nối tiếp tốc độ cao chuẩn SPI, truyền nhận dữ liệu không dây qua sóng RF. Cũng như việc truyền nhận dữ liệu không dây giữa các modul sim trên hệ thống thông tin di động GMS.

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP

HỆ THỐNG GIÁM SÁT HÀNH TRÌNH XE BUÝT BẰNG RFID

ĐỂ NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG DỊCH VỤ

Sinh viên thực hiện : LÊ KHẢI ĐỊNH Ngành : Cơ Điện Tử Niên khóa : 2013-2017

TP Hồ Chí Minh, tháng 6 năm 2017

HỆ THỐNG GIÁM SÁT HÀNH TRÌNH XE BUÝT BẰNG

RFID ĐỂ CẢI THIỆN CHẤT LƯỢNG DỊCH VỤ

TÁC GIẢ

LÊ KHẢI ĐỊNH

Khóa luận tôt nghiệp được đệ trình đáp ứng yêu cầu

cấp bằng Kỹ sư ngành Cơ Điện Tử

Giáo viên hướng dẫn:

TH.S TRẦN THỊ KIM NGÀ

TP Hồ Chí Minh, tháng 6 năm 2017

LỜI CẢM ƠN

Em xin trân trọng cảm ơn tất cả quý thầy cô ở trường Đại học Nông Lâm TP.HồChí Minh và quý Thầy Cô trong khoa Cơ Khí - Công Nghệ đã trang bị cho em những kiếnthức quý báu cũng như đã giúp đỡ em trong suốt quá trình học tập tại trường

Em xin chân thành cảm ơn các thầy cô trong bộ môn Cơ Điện Tử đã giúp đỡchúng em nhiệt tình trong thời gian thực hiện đề tài

Em cũng xin bày tỏ sự biết ơn chân thành đối với cô Trần Thị Kim Ngà đã tậntình hướng dẫn em trong suốt quá trình làm Luận văn tốt nghiệp

Đặc biệt, em xin cảm ơn quý thầy cô trong hội đồng đã dành thời gian nhận xét

và góp ý để luận văn của em hoàn thiện hơn

Cuối cùng, em xin gửi lời cảm ơn đến những người thân cũng như bạn bè đã độngviên, ủng hộ và luôn tạo cho em mọi điều kiện thuận lợi trong suốt quá trình hoàn thànhluận văn

TPHCM, ngày tháng 06 năm 2017

Sinh viên thực hiện

LÊ KHẢI ĐỊNH

TÓM TẮT

Đề tài nghiên cứu “Hệ thống giám sát hành trình xe buýt bằngRFID để nâng cao chất lượng dịch vụ” được thực hiện tại trường Đại HọcNông Lâm Thành Phố Hồ Chí Minh, thời gian từ tháng 3 đến tháng 6năm 2017

Đề tài đã thực hiện thành công và đạt được kết quả khả quannhư xây dựng được hệ thống định vị xe buýt bằng RFID, dựa trên thuậttoán nhận dạng đối tượng bằng công nghệ RFID và phát triển hệ thốngtheo hướng có khả năng định vị xe buýt và tính toán được thời gian dựkiến xe buýt đến trạm đón trả khách Đây được xem là kết quả chínhcủa đề tài Để thực hiện tốt kết quả này thì em cũng phải thực hiệnthành công quá trình xử lý định vị đối tượng dựa trên cơ sở dữ liệu đượcghi ở mỗi thẻ từ RFID, xây dựng hệ thống cơ sở dữ liệu cho việc định vị

xe buýt dựa vào mã thẻ đã được Reader ghi Ngoài ra còn xây dựng cho

hệ thống cơ sở dữ liệu về thời gian để phục vụ cho việc gửi nhận tinnhắn của modul sim

Thực hiện truyền nhận dữ liệu nối tiếp tốc độ cao chuẩn SPI,truyền nhận dữ liệu không dây qua sóng RF Cũng như việc truyền nhận

dữ liệu không dây giữa các modul sim trên hệ thống thông tin di độngGMS

Do thời gian thực hiện còn hạn chế, cũng như mức độ rộng lớncủa đề tài, nên dù đã cố gắng hết sức nhưng phương án giải quyết bàitoán của chúng em chắc chắn không thể tránh khỏi những thiếu sót.Rất mong nhận được sự đóng góp ý kiến của quý thầy cô và bạn bè để

đề tài của em càng được hoàn thiện hơn

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN iii

TÓM TẮT iv

MỤC LỤC v

DANH SÁCH CÁC HÌNH ix

DANH SÁCH CÁC BẢNG x

DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT xi

Chương 1 ……… 1

MỞ ĐẦU ……….1

1.1 Đặt vấn đề ……… 1

1.2 Mục đích ………2

Chương 2 ……… 4

TỔNG QUAN ……… 4

2.1 Một số khái niệm cơ bản trong hệ thống RFID ……….4

2.1.1 Tag / thẻ ……… 4

2.1.2 Reader (Đầu đọc) ……… 6

2.1.3 Middleware ( phần mềm xử lí trung gian) ……… 8

2.1.4 Khoảng đọc ……… 8

2.2 Tổng quan về hệ thống nhận dạng tự động : ……….8

2.2.1 Các công nghệ nhận dạng tự động ……… 8

2.2.1.1 Khái niệm hệ thống RFID ……… 9

2.2.1.2 Phân loại hệ thống RFID ……… 10

2.2.1.3 ID của Tag/ thẻ ( Mã thẻ) ……… 13

2.3 Tổng quan về vi điều khiển Arduino ……… 15

2.4 Truyền thông nối tiếp tốc độ cao SPI ……… 17

2.4.1 Tổng quan về chuẩn truyền thông SPI ……… 17

2.4.2 Truyền dữ liệu qua truyền thông SPI ……….18

2.4.2.1 Sơ đồ kết nối board Arduino với modul RFID qua cổng SPI ….18 2.4.2.2 Cấu trúc truyền dữ liệu theo chuẩn SPI ………19

2.5 Truyền tín hiệu không dây sử dụng cặp modul sim 900A ……… 20

2.5.1 Tổng quan về modul sim 900A ……….20

2.5.2 Truyền nhận giữa hai modul sim ……… 22

2.6 Truyền tín hiệu không dây sử dụng cặp module thu phát RF của hệ thống RFID……… 22

2.6.1 Tổng quan sóng RF ……… 22

2.6.1.1 Biên độ và bước sóng ………23

2.6.1.2 Bức xạ điện từ ……… 23

2.6.1.3 Pha ………23

2.6.2 Các phương thức điều chế sóng RF ………23

2.6.2.1 Điều biên ……… 23

2.6.2.2 Điều tần ……….24

2.6.2.3 Điều pha ………24

2.6.3 Mã hóa dữ liệu ………25

2.6.3.1 Các phương pháp mã hoá dữ liệu ……….25

2.6.3.2 Các dạng mã hóa phổ biến ………25

2.6.4 Hoạt động của sóng vô tuyến ………26

2.7 Modul RFID RC522 ………27

2.8 Mạch giảm áp L2596 ……… 28

2.9 Thiết bị hiển thị LCD 16.2 ………30

Chương 3 ……… 31

PHƯƠNG TIỆN VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ……… 32

3.1 Thời gian trí thực hiện đề tài ………32

3.2 Đối tượng và các thiết bị nghiên cứu ……… 32

3.2.1 Đối tượng nghiên cứu ……….32

3.2.2 Thiết bị nghiên cứu ……….32

3.3 Phương pháp nghiên cứu ……… 32

3.3.1 Mô hình trạm giám sát hành trình xe buýt bằng công nghệ RFID thực tế …33 Chương 4 ……… 34

KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ……… 34

4.1 Thiết kế sơ đồ khối toàn bộ hệ thống ……… 34

4.4.1 Khối nguồn ………35

4.4.2 Khối xử lý ……… 35

4.4.3 Khối nhận dạng ……….36

4.1.4 Khối truyền dẫn ……….36

4.1.5 Khối hiển thị ……….37

4.2 Bản vẽ 3D mô hình định vị xe buýt và cách bố trí các trạm xe buýt ………… 37

4.3 Khung mô hình hoàn chỉnh ……… 38

4.4 Truy vấn, xử lý số liệu, nhận dạng xe ……… 38

4.5 Thuật toán giám sát hành trình xe buýt và tính toán thời gian ………39

4.6 Giao tiếp với người dùng qua tin nhắn SMS ……… 40

4.7 Khảo nghiệm ………41

Chương 5 ……… 53

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI ……… 53

5.1 Kết luận ……… 53

5.2 Đề nghị và hướng phát triển đề tài ……… 53

TÀI LIỆU THAM KHẢO ……… 1

PHỤ LỤC……….2

DANH SÁCH CÁC

Hình 2 1 Tag/thẻ ……….4

Hình 2 2 Thẻ thụ động ………5

Hình 2 3 Thẻ thụ động ………6

Hình 2 4 Sơ đồ hệ thông nhận dạng tự động ……… 8

Hình 2 5 Mô hình các hệ thống nhận dạng tự động ……… 9

Hình 2 6 Hệ thông RFID cơ bản ……… 10

Hình 2 7 Dải tần chính dùng cho ứng dụng RFID ……… 11

Hình 2 8 Hoạt động của RFID dùng thẻ tích cực ……….12

Hình 2 9 Hoạt động của RFID dùng thẻ thụ động ………12

Hình 2 10 Cấu trúc vật lí của một tag/thẻ ……….13

Hình 2 11 Một số loại vi điều khiển AVR ………15

Hình 2 12 Boar Arduino UNO ……….16

Hình 2 13 Giao diện 4 dây của chuẩn SPI ………18

Hình 2 14 Sơ đồ kết nối giữa board Arduino với modul RFID ………18

Hình 2 15 Khung truyền dữ liệu qua cổng SPI ……….19

Hình 2 16 Truyền dữ liệu song song qua cổng SPI ……… 19

Hình 2 17 Truyền thông SPI giữa vi điều khiển với nhiều thiết bị ……… 20

Hình 2 18 Sơ đồ nguyên lí sim 900A ……… 20

Hình 2 19 Sơ đồ chân module sim 900A ……… 21

Hình 2 20 Điều biên ……… 24

Hình 2 21 Điều tần ………24

Hình 2 22 Điều pha ……… 25

Hình 2 23 Các dạng mã hóa phổ biến ……… 26

Hình 2 24 Hoạt động của sóng vô tuyến ……… 27

Hình 2 25 Modul RFID RC522 và sơ dồ nối chân với ARDUINO Uno R3 ………27

Hình 2 26 Sơ đồ chân Mạch nguồn LM 2596 ……… 29

Hình 2 27 Sơ đồ nguyên lý Mạch nguồn LM 2596 ……… 29

Hình 2 28 Màn hình LCD 16.2 và sơ đồ chân của LCD ……… 30

YHình 3 1 Mô hình trạm giám sát hành trình xe buýt bằng RFID thực tế ……….33Y Hình 4 1 Sơ đồ khối mô hình ………34

Hình 4 2 Mạch nguồn ……… 35

Hình 4 3 Khối xử lí ……… 35

Hình 4 4 Khối nhận dạng ……… 36

Hình 4 5 Khối truyền dẫn ……….36

Hình 4 6 Khối hiển thị ……… 37

Hình 4 7 Bản vẽ 3D mô hình …… ……… 37

Hình 4 8 Mô hình hệ thống giám sát hành trình sau khi hoàn thành ………38

Hình 4 9 Sơ đồ các bước nhận dạng ……….39

Hình 4 10 Sơ đồ thuật toán giám sát hành trình và tính toán thời gian ………40

Hình 4 11 Sơ đồ qua trình tương tác với người dùng dịch vụ bằng SMS ………41

Hình 4 12 Người dùng tương tác với hệ thống qua SMS ……….41

DANH SÁCH CÁC BẢ

Bảng 2 1: Bảng các từ định danh và ứng dụng ……….14Bảng 2 2: Nối dây giữa Module Sim 900A với Arduino Uno R3 ………21Bảng 2 3 Sơ đô nối chân LCD 16.2 với Arduino Uno R3 ………31Y

Bảng 4 1 Bảng so sánh thời gian giữa thực tế từ mô hình và thời gian ước tính ……….52Bảng 4 2 Biểu đồ so sánh giữa thời gian thực tế từ mô hình và thời gian ước tính …….52

DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT

RFID : Radio Frequency Identification

LCD : Liquid Crystal Display

SPI : Sereal Peripheral Interface

GPS : Global Positioning System

CRC : Cyclic Redundancy Check

EPC : Electronic Product Code

GMS: Global Mobile System

RS232: Recommended Standard 232

USB : Universal Serial Bus

LAN : Local Area Network

RTLS : Real Time Local System

UHF : Ultra High Frequency

PWM: Pulse Width Modulation

AT : Attension

ID : Identification

MISO : Master In Slave OnMOSI : Master On Slave In

SS : Slave Select

SCK : Serial Clock

Qua tìm hiểu thực tế tôi đã thấy trong những năm gần đây, các hệ thống nhận dạng

tự động (Auto Identification) ngày càng phát triển mạnh mẽ và được ứng dụng trong rấtnhiều các lĩnh vực Nhưng phát triển mạnh nhất hiện nay chính là công nghệ nhận dạng tựđộng sử dụng tần số sóng radio, đó chính là công nghệ RFID (Radio FrequencyIdentification) Cùng với sự phát triển của công nghệ sản xuất chip và công nghệ khôngdây, hệ thống RFID ngày càng phát triển và hoàn thiện hơn về mọi mặt Việc tìm hiểu,nghiên cứu công nghệ này giúp chúng ta tiếp cận và tiến đến làm chủ công nghệ, từ đóchúng ta có thể triển khai các ứng dụng trong thực tế như:

-Hệ thống nhận dạng sản phẩm qua mã vạch ở các Siêu thị

-Hệ thống nhận dạng sinh học trong đó chủ yếu nhận dạng các sinh vậtsống,nhưng chủ yếu là nhận dạng con người Trong các hệ thống nhận dạng thì nhận dạngsinh học có độ chính xác cao hơn nhờ nhận dạng các đặc điểm riêng của mỗi người như:nhận dạng vân tay, nhận dạng giọng nói, nhận dạng võng mạc …

-Hệ thống nhận dạng thẻ thông minh : Thẻ thông minh là thiết bị lưu trữ dữ liệuđiện tử, có loại có thêm một chip để xử lý thông tin Chúng thường được thiết kế trongmột thẻ nhựa có kích thước như thẻ điện thoại Để hoạt động, thẻ thông minh phải đượcđưa vào đầu đọc thẻ, thẻ được kết nối với đầu đọc thông qua các tiếp xúc điện Thẻ đượccung cấp năng lượng và xung đồng bộ bởi đầu đọc thông qua tiếpxúc điện đó Dữ liệutruyền giữa đầu đọc và thẻ được truyền theo dạng nối tiếp hai chiều

Qua đặc điểm của các hệ thống nhận dạng tự động trên, chúng ta có thể thấy rằnghầu hết các hệ thống nhận dạng tự động trên đều yêu cầu kết nối vật lý tiếp xúc vớikhoảng cách gần Điều này gây rất nhiều bất tiện cho người sử dụng trong sử dụng hoặcquản lý Với hệ thống RIFD, việc kết nối không dây giữa thiết bị mang thông tin và thiết

bị đọc sẽ đem lại nhiều ứng dụng và tiện lợi hơn Trong thực tế, chúng ta còn có thể

truyền năng lượng từ đầu đọc cho thiết bị di động thông qua việc sử dụng công nghệkhông dây này.

Đặc biệt, hiện nay việc ứng dụng công nghệ RFID để định vị xe trong các hệthống vận tải đã được nghiên cứu và đưa vào sử dụng rộng rãi như : Hệ thống kiểm soát

xe tải, ra vào kho hàng hóa, hệ thống kiểm soát các phương tiện vận tải ra vào cảng, hệthống nhận dạng và xác định vị trí container,…góp phần vào việc đảm bảo an ninh chohàng hóa, kiểm soát được vị trí của các phương tiện vận tải cũng như nhận dạng ra chúngmột cách có hiệu quả từ đó có thể dễ dàng quản lý các hoạt động tại tại kho bãi hoặc cảngbiển

1.2 Mục đích

Thực tế hiện nay có rất nhiều người sử dụng các phương tiện vận tải công cộng,nhất là xe buýt, không nắm bắt được thời gian đón trả khách tại các trạm chỉ dựa vào suyđoán mơ hồ dựa vào tần số đón trả khách của một tuyến xe buýt hay sử dụng Dođó,không nắm bắt được chính xác thời gian để thuận tiện trong việc sắp xếp lịch trình dichuyển phù hợp với cồn việc Hiểu rõ được nhu cầu cần nắm bắt chính xác thời gian đóntrả khách của xe buýt tôi đã tiến hành nghiên cứu và thực hiện đề tài: “Giám sát hànhtrình xe tải bằng công nghệ RFID để cải thiện chất lượng dịch vụ” Với mục đích nhậndạng và định vị xe buýt từ đó tính toán được thời gian dự kiến các xe buýt sẽ đến mộttrạm cố định nào đó để đón trả khách Giúp người sử dụng dịch vụ công cộng này nắmđược gần như chính xác thời gian hoạt động của xe tại trạm mà người dùng quan tâmthông qua màn hình LCD đặt tại các trạm hoặc bằng cách gửi tin nhắn đến một số điệnthoại được công bố Còn đối với các nhà quản lý là giúp nâng cao chất lượng dịch vụ do

họ cung cấp, cũng như kiểm soát được thời gian hoạt động của các xe buýt do đơn vịmình quản lý

Vì thời gian thực hiện đề tài có hạn với những hạn chế về quy mô đề tài nên tôichỉ thực hiện nghiên cứu một số vấn đề cơ bản như sau:

-Dùng modul RFID RC522 làm trạm phát (Reader) để nhận tín hiệu từ thẻ từđược gắn trên mô hình xe buýt sau đó so sánh với dữ liệu lưu trữ để nhận diện xe buýt.Nếu đúng định vị được xe buýt( đúng mã số thẻ) thì truyền tín hiệu cho Arduino để điềukhiển modul sim 900A gửi tin nhắn cho các trạm kế tiếp sau nó

-Sử dụng chuẩn truyền thông nối tiếp tốc đọ cao SPI (Serial Peripheral Bus) đểtruyền nhận dữ liệu giữa modul RFID RC522 và modul vi điều khiển Arduino

-Sử dụng modul sim 900A để truyền nhận tín hiệu điều khiển không dây giữa cáctrạm phát và trạm xe buýt Trả lời bằng tin nhắn cho người dùng khi nhận được tin nhắnđúng cú pháp

- Sử dụng LCD 16.2 để hiển thị tín hiệu điều khiển từ vi điều khiển Arduino

- Ứng dụng công nghệ RFID vào hệ thống để giám sát hành trình xe buýt từ đótính toán thời gian dự kiến xe buýt đến các trạm đón trả khách.

Cấu tạo một thẻ RFID thường bao gồm các thành phần sau: Mạch giải mã, bộnhớ, nguồn cung cấp, điều khiển giao tiếp, anten

Thẻ có ba loại: tích cực, bán thụ động và thụ động

Hình 2 1 Tag/thẻ

Thẻ thụ động : Loại thẻ này không có nguồn bên trong (onboard) mà sử dụngnguồn năng lượng nhận được từ Reader để tự tiếp sinh lực hoạt động và truyền tín hiệu về

dữ liệu được lưu trữ trong nó cho Reader Thẻ thụ động có thời gian sống dài và thường

có sức chịu đựng rất tốt với điều kiện môi trường khắc nghiệt bên ngoài Chẳng hạn, trongcác môi trường có hóa chất ăn mòn và nhiệt độ lên tới 4000F hoặc ở nhiệt độ cao hơnnữa

-Đối với loại thẻ này, khi thẻ và Reader truyền thông với nhau thì Reader luôntruyền trước rồi mới đến thẻ Cho nên bắt buộc phải có Reader để thẻ kích hoạt nănglượng và truyền dữ liệu của nó.

-Thẻ thụ động có nhiều phạm vi đọc, tùy vào mục đích sử dụng mà khoảng đọc từ

ít hơn 1inch đến khoảng 30 feet (xấp xỉ 9 m)

Hình 2 2 Thẻ thụ động

Thẻ tích cực: Thẻ tích cực có một nguồn năng lượng bên trong ( pin hoặc nguồnnăng lượng khác như năng lượng mặt trời) và điện tử học để thực thi những nhiệm vụchuyên dụng Sử dụng nguồn năng lượng bên trong để truyền dữ liệu cho Reader Điện tửhọc bên trong gồm bộ vi mạch, cảm biến và các cổng vào/ra Những thành phần này có thể

đo được nhiệt độ vây quanh và phát ra dữ liệu nhiệt độ chuẩn và sử dụng dữ liệu này đểxác định các tham số khác như hạn sử dụng của item được gắn thẻ Thẻ có thể truyềnthông tin này cho Reader (cùng với từ định danh duy nhất của nó)

Đối với loại thẻ này, trong quá trình truyền giữa thẻ và Reader, thẻ luôn truyềntrước Nhờ vào nguồn năng lượng bên trong mà loại thẻ này tự kích hoạt hoạt động của

nó mà không cần nhờ vào năng lượng của Reader Vì vậy, sự hiện diện của Reader khôngcần thiết cho việc truyền dữ liệu nên thẻ tích cực có thể phát dữ liệu của nó cho nhữngvùng lân cận kể cả trong cả trường hợp Reader không có ở nơi đó

Khoảng cách đọc của thẻ tích cực là 100 feet (xấp xỉ 30.5 m) hoặc hơn nữa khimáy phát tích cực của thẻ được dùng đến Tuổi thọ khi dùng pin của loại thẻ tích cực này

là từ 2 đến 7 năm tùy thuộc vào thời gian sống của nguồn năng lượng bên trong (pin) vàtần số phát tín hiệu của thẻ.

Hình 2 3 Thẻ thụ động

Thẻ bán thụ động ( bán tích cực): Thẻ bán thụ động có một nguồn năng lượng bêntrong (chẳng hạn là bộ pin) và điện tử học bên trong để thực thi những nhiệm vụ chuyêndụng Nguồn bên trong cung cấp năng lượng cho thẻ hoạt động Tuy nhiên trong quá trìnhtruyền dữ liệu, thẻ bán tích cực lại sử dụng nguồn năng lượng từ Reader Thẻ bán tích cựchay còn được gọi là thẻ có hỗ trợ pin ( battery-assisted tag )

Đối với loại thẻ này, trong quá trình truyền tín hiệu giữa Tag/thẻ và Reader thìReader luôn truyền trước rồi mới đến Tag/thẻ

Phạm vi đọc (khoảng đọc) của thẻ bán thụ động lên đến 100 feet ( xấp xỉ 30,5m)

2.1.2 Reader (Đầu đọc)

Reader (Đầu đọc) thẻ RFID là một thiết bị điện tử tích hợp Nó gồm các modulenhư: Module giao tiếp vô tuyến sử dụng Anten, Module mã hoá và giải mã, Module xử lýtín hiệu từ thẻ, Module truyền thông ( Hỗ trợ kết nối RS232, SPI, USB, LAN…) Cácanten có thể gắn trong đầu đọc hoặc gắn rời Chúng có nhiệm vụ thu và phát tín hiệu sóngradio giao tiếp với thẻ

Reader RFID được gọi là vật tra hỏi (interrogator), là một thiết bị đọc và ghi dữliệu các thẻ RFID tương thích Hoạt động ghi dữ liệu lên thẻ bằng Reader được gọi là tạothẻ Quá trình tạo thẻ và kết hợp thẻ với một đối tượng được gọi là đưa thẻ vào hoạt động(commissioning the tag) Muốn đối tượng được gắn thẻ mất hiệu lực hoạt động ta tách thẻ

ra khỏi đối tượng được gắn thẻ hoặc làm mất hiệu lực hoạt động của thẻ ( vô hiệu hóa

thẻ) Thời gian mà Rreader có thể phát năng lượng RF để đọc thẻ được gọi là chu kỳ làmviệc của Reader.

Reader là hệ thần kinh trung ương của toàn hệ thống phần cứng RFID thiết lậpviệc truyền dữ liệu với thành phần này và điều khiển nó, là thao tác quan trọng nhất củabất kỳ thực thể nào muốn liên kết với thực thể phần cứng này Một reader có các thànhphần chính sau:

Máy phát (Transmitter): Truyền nguồn AC và chu kỳ xung qua anten của nó đếnthẻ trong phạm vi đọc cho phép, chịu trách nhiệm gửi tín hiệu của Reader đến môi trườngxung quanh và nhận lại đáp ứng của thẻ qua anten Số cổng anten của Reader được kếtnối với thành phần máy phát của nó Hiện tại thì một số Reader có thể hỗ trợ đến 4 cổnganten

Máy thu: Là một phần của máy thu phát, nhận tín hiệu tương tự từ thẻ qua anten.Sau đó nó gởi những tín hiệu này cho vi mạch của Reader chuyển thành tín hiệu số tươngđương

Vi mạch: Thành phần này chịu trách nhiệm cung cấp giao thức cho Reader đểtruyền thông với thẻ tương thích Có nhiệm vụ thực hiện việc giải mã và kiểm tra lỗi tínhiệu tương tự nhận từ máy thu Thêm nữa là vi mạch có thể chứa luận lý để thực hiện việclọc và xử lý dữ liệu đọc được từ thẻ

Bộ nhớ: Dùng lưu trữ dữ liệu như các tham số cấu hình Reader và một bản kêkhai các lần đọc thẻ Vì vậy nếu việc kết nối giữa Reader và hệ thống mạch điềukhiển/phần mềm bị hỏng thì tất cả dữ liệu thẻ đã được đọc không bị mất Tuy nhiên, tùythuộc vào dung lượng của bộ nhớ,có một giới hạn liên quan đến việc nhiều lần đọc thẻnhư thế có thể được lưu trữ như thế nào vào lúc đó Nếu việc kết nối xuống vượt quá thờigian mở rộng cho phép thì một phần dữ liệu đã lưu bị mất (bị ghi đè bởi các thẻ khácđược đọc sau đó)

Các kênh nhập/xuất của các cảm biến, cơ cấu truyền động đầu từ và bảng tín hiệu

điện báo bên ngoài: Thành phần này cung cấp một cơ chế bật và tắt Reader tùy thuộc vàocác sự kiện bên ngoài Sử dụng một số cảm biến quang hoặc cảm biến siêu âm để pháthiện các đối tượng được gắn thẻ trong phạm vi đọc của Reader, các cảm biến này chophép Reader bật lên để đọc thẻ Ngoài ra các kênh này cũng cho phép Reader cung cấpxuất cục bộ tùy thuộc vào một số điều kiện qua một bảng tín hiệu điện báo (chẳng hạn,báo bằng âm thanh) hoặc cơ cấu truyền động đầu từ (chẳng hạn, mở hoặc đóng van antoàn, di chuyển một cánh tay robot, v.v…)

Mạch điều khiển: Mạch điều khiển cho phép con người hoặc chương trình máy

tính giao tiếp, điều khiển các chức năng của Reader, điều khiển bảng tín hiệu điện báovà

cơ cấu truyền động đầu từ kết hợp với Reader này Thường thì hợp nhất thành phần này

vào Reader (như phần mềm hệ thống (firmware) chẳng hạn) Tuy nhiên, có thể tách làmmột thành phần phần cứng/phần mềm riêng

Giao diện truyền thông :Giao diện truyền thông cho phép tương tác với bên ngoàiqua mạch điều khiển, để truyền dữ liệu’ nhận lệnh và gửi lại đáp ứng Có thể xem là mộtphần của mạch điều khiển hoặc là phương tiện truyền giữa mạch điều khiển và các thựcthể bên ngoài

Nguồn năng lượng:Cung cấp nguồn năng lượng cho các thành phần của Reader.Nguồn năng lượng được cung cấp cho các thành phần này qua một dây dẫn điện được kếtnối với một ngõ ra bên ngoài thích hợp

2.1.3 Middleware ( phần mềm xử lí trung gian)

Phần mềm Middleware sẽ quản lý đầu và dữ liệu đến từ thẻ, chuyển nó tới hệthống cơ sở dữ liệu tập trung Middleware được bố trí ở giữa đầu đọc và cơ sở dữ liệu.Ngoài việc lấy dữ liệu từ thẻ và đưa dữ liệu vào cơ sở dữ liệu, Middleware còn thực hiệncác chức năng như lọc, quản lý và phối hợp đầu đọc Khi các hệ thống RFID phát triển

lên, Middleware sẽ được bổ sung thêm các chức năng quản lý nâng cao và cải tiến cho cả

đầu đọc và thẻ, chưa kể đến các tuỳ chọn quản lý dữ liệu mở rộng

2.1.4 Khoảng đọc

Là khoảng cách giữa đầu đọc và thẻ Đối với các hệ thống RFID ghép cảm ứng,

năng lượng cảm ứng là một hàm của khoảng cách từ cuộn anten Từ trường giảm đi vớitốc độ 1 / r3, với r là khoảng cách giữa đầu đọc và thẻ.

Thẻ (Mã số,

mã vạch,)

Reader (Đầu đọc)

Cơ sở dữ liệu

Hình 2 4 Sơ đồ hệ thông nhận dạng tự động

2.2.1 Các công nghệ nhận dạng tự động

Hiện nay việc nhận dạng tự động có thể sử dụng bằng nhiều phương pháp, côngnghệ khác nhau như bằng công nghệ GPS, sử dụng sóng RF, công nghệ RFID,…và mỗicông nghệ, phương pháp lại có nhiều cách khác nhau Và ở hiện tại, RFID đang là côngnghệ có nhiều tính ưu việt được sử dụng rộng rãi và phổ biến trông cuộc sống

Hình 2 5 Mô hình các hệ thống nhận dạng tự động

2.2.1.1 Khái niệm hệ thống RFID

RFID (Radio Frequency Identification) là phương pháp nhận dạng tự động dựatrên khả năng lưu trữ và nhận dữ liệu từ xa bằng các thiết bị thẻ RFID Thẻ RFID có kíchthước nhỏ vàcó thể gắn vào sản phẩm, gắn trên người, động vật Thẻ RFID chứa các chipsilicon và các anten cho phép nhận lệnh và đáp ứng lại bằng tần số vô tuyến RF từ mộtRFID phát đáp Các thẻ thụ động không yêu cầu nguồn công suất nội bộ còn các thẻ tíchcực yêu cầu một nguồn công suất

Hệ thống RFID lấy năng lượng từ trường điện từ của sóng radio và nhận dạngdựa vào tần số sóng radio mang thông tin đó Có khả năng nhận diện các đối tượng từkhoảng cách từ vài inch cho đến hàng trăm mét tùy vào nhu cầu sử dụng Do những đặctính ưu việt về công nghệ của hệ thống RFID so với các hệ thống nhận dạng tự động khácnên hầu hết các hệ thống cần tính bảo mật và an ninh cao thường chọn công nghệ này Hệthống RFID ngày nay được ứng dụng trong rất nhiều các lĩnh vực và ngày càng phát triểnvượt bậc hơn

Cấu trúc cơ bản của một hệ thống RFID bao gồm Reader (đầu đọc), Tag ( thẻ )

và Middleware (phần mềm xử lý trung gian) Đầu đọc sẽ phát tín hiệu truy vấn thẻ, lấythông tin từ tín hiệu thẻ gửi về và sau đó xử lý theo thông tin vừa nhận được bằng cácmạch giải mã,các phần mềm xử lí trung gian

Hình 2 6 Hệ thông RFID cơ bản

2.2.1.2 Phân loại hệ thống RFID

Hệ thống RFID có thể được phân loại dựa theo nhiều tiêu chí khác nhau như: tần

số hoạt động, khoảng đọc, nguồn cung cấp cho thẻ, và giao thức truyền dữ liệu giữa thẻ

và đầu đọc…

Theo thiết kế anten, hệ thống RFID có thể được phân loại thành RFID trường gần

và RFID trường xa

RFID trường gần: Trường gần là một hiện tượng xảy ra trong truyền sóng vô

tuyến, trong đó cường độ trường của trường điện từ đủ lớn để cảm ứng tạo ra một điệntrường trên cuộn dây anten của thẻ.Độ lớn của trường gần phụ thuộc vào bước sóng củatín hiệu vô tuyến được sử dụng (r = λ/2π)

-Trong các hệ thống RFID trường gần, công suất cũng như thông tin cần truyền từđầu đọctới thẻ đều có thể thực hiện được bằng cách ghép cảm ứng qua tương tác với từtrường, hoặcghép dung ứng qua tương tác với điện trường Hệ thống RFID trường gần làphương pháp đơn giản nhất để thực hiện một hệ thống RFID thụ động.Hạn chế chủ yếu

của nó là giới hạn về khoảng đọc (thường ngắn hơn 1.5m) Ngoài ra,cùng với tầm nhìncủa anten đầu đọc, cường độ trường trực giao với mặt phẳng anten đầu đọc thì rất mạnh,trái lại cường độ từ trường song song với mặt phẳng anten đầu đọc thì lại rất yếu hoặcthậm chí bằng không Do đó, nếu thẻ được đặt song song với từ trường của anten đầu đọc,đầu đọc sẽ không nhận biết được thẻ vì không có từ thông chảy qua thẻ RFID trườnggần thông thường hoạt động ở băng tần HF với tần số 13,56 MHz

RFID trường xa: Đối với hệ thống này, thông tin truyền từ đầu đọc tới thẻ đượcthực hiện bằng cách phát và thu sóng EM Đầu đọc sẽ phát ra năng lượng qua anten, mộtphần năng lượng đã phát sau đó sẽ bị phản xạ trở lại từ thẻ và đầu đọc sẽ nhận biết được.Biên độ năng lượng phản xạ từ thẻ có thể bị ảnh hưởng bởi sự thay đổi trở kháng tải kếtnối tới anten của thẻ Bằng cách thay đổi trở kháng tải của anten theo thời gian, thẻ có thểphảnxạ nhiều hoặc ít so với tín hiệu tới và đó cũng là cách mã hoá ID của thẻ

-Hoạt động ở các tần số lớn hơn 100MHz, chủ yếu là băng tần UHF như868MHz, 915MHz hoặc 955MHz hay băng tần vi ba như 2.45GHz hoặc 5.8GHz Khoảngđọc của hệ thống RFID trường xa được xác định bởi mật độ năng lượng mà thẻ nhận được

và độ nhạy của phần thu đầu đọc đối với tín hiệu phản xạ từ thẻ

Hình 2 7 Dải tần chính dùng cho ứng dụng RFID

Theo phưong pháp cấp nguồn cho thẻ thì có thể phân loại hệ thống RFID thành

hệ thống RFID thụ động, tích cực và bán tích cực tương ứng với việc dùng các loại thẻ đãđược đề cập ở phần 2.1 Tag / thẻ

Hệ thống RFID tích cực: Trong các hệ thống RFID tích cực, các thẻ điện tử đều

có máy phát điện và nguồn năng lượng vận hành của mình (dưới dạng pin) Các thẻ điện

từ khi hoạt động sẽ phát sóng tín hiệu riêng của mình để truyền tải các dữ liệu, thông tinđược lưu trữ trên các vi mạch Hệ thống RFID tích cực, thông thường là loại UHF, cóbăng tần số siêu cao và cung cấp một phạm vi quét khổng lồ có thể lên tới 100m Nóichung, các thẻ từ trong hệ thống RFID chủ động được sử dụng trong các trường hợp mà

đối tượng cần nhận dạng có kích cỡ lớn, ví dụ như xe hơi, container, đầu máy…và các đốitượng có chiều dài hay cần theo dõi trong một phạm vi lớn Đối với thẻ từ của hệ thốngRFID tích cực gồm có 2 bộ phận: bộ phát đáp tín hiệu sóng vô tuyến ( transponder) và ra

đa Bộ phát đáp sẽ “hoạt động ” khi chúng nhận được tín hiệu vô tuyến truyền từ đầu đọccủa hệ thống RFID tích cực Sau đó, bộ máy sẽ hoạt động và kết thúc bằng việc phát mộttín hiệu phản hồi lại tới bộ phận đầu đọc của hệ thống

Hình 2 8 Hoạt động của RFID dùng thẻ tích cực

Bộ phát tín hiệu của thẻ từ không chủ động phát tín hiệu liên tục, mà chúng chỉphát tín hiệu bằng sóng vô tuyến khi và chỉ khi chúng nhận được yêu cầu phát ra từ đầuđọc Cơ chế này, giúp tiết kiệm tối đa năng lượng của thẻ từ Ngoài ra, anten của hệ thốngkhông giống như một bộ phận dò tín hiệu thông thường mà được sử dụng như một hệthống định vị đồng thời xác định thời gian thực (RTLS), nhằm liên tục theo dõi vị tríchính xác của đối tượng mà người dùng muốn kiểm soát Không giống bộ phận phát đáp

dữ liệu, anten của thẻ không hỗ trợ việc thu, quét tín hiệu của đầu đọc Thay vào đó,chúng sẽ phát ra tín hiệu trong một khoảng thời gian định trước Tùy thuộc vào mức yêucầu, anten có thể được người dùng xác lập để phát tín hiệu vài giây/lần hay một ngày/lần.Mỗi lượt tín hiệu để định vị đối tượng phát ra sẽ được anten của đầu đọc thu nhận, kiểmđịnh rồi truyền tải thông tin của thẻ đến đầu đọc của hệ thống

Hệ thống RFID thụ động: Trong hệ thống RFID thụ động thì đầu đọc và anten

đọc sẽ tự động gửi tín hiệu vô tuyến đến các thẻ từ Thẻ từ RFID sẽ sử dụng chính các tínhiệu này để khởi động thẻ và gửi thông tin lại cho đầu đọc

Hình 2 9 Hoạt động của RFID dùng thẻ thụ động

-Hệ thống RFID thụ động có thể hoạt động ở tần số thấp trong LF, tần số cao HFhay thậm chí cả tần số cực cao ở loại RFID UHF Vì phạm vi hoạt động của dạng hệthống thụ động này bị giới hạn bởi khả năng tán xạ ngược các tín hiệu vô tuyến của thẻ

từ đến đầu đọc, cho nên, phạm vi đọc của hệ thống thụ động này thưởng chỉ giới hạn tối

đa là 10m Ưu điểm của loại hệ thống RFID này, đó là các thẻ từ, chúng không đòi hỏiphải có nguồn điện hay máy phát, pin mà chỉ cần bộ vi xử lý và anten Do đó, so với cácthẻ từ hệ thống RFID tích cực, loại thẻ từ này rẻ hơn, kích thước nhỏ hơn và dễ sản xuấthơn

-Thẻ thụ động có thể được thiết kế dưới nhiều hình thái khác nhau, tùy thuộc vàoyêu cầu ứng cụ thể của loại RFID mà nó ứng dụng vào Thẻ có thể được gắn trên một chấtnền, hoặc kẹp giữa một lớp keo dính và một nhãn giấy để tạo thành một nhãn RFID thôngminh Ngoài ra, thẻ thụ động cũng có thể được bao bọc bởi các hóa chất hay vật thể, baobì nhằm làm thẻ tăng độ bền và khả năng chống nhiệt đối với môi trường nhiệt độ caohay có các hóa chất ăn mòn mạnh

Hệ thống RFID bán thụ động (bán tích cực): Là hệ thống RFID kết hợp giữa hai

hệ thống trên Loại thẻ RFID thụ động nhưng có sử dụng pin (BAP) cũng là một loại thẻ

từ trong hệ thống RFID thụ động nhưng được tích hợp thêm tính năng của thẻ từ RFIDchủ động, đó là có nguồn năng lượng bằng pin để vận hành Hầu hết các thẻ RFID thụđộng thông thường chỉ thu nhận, sử dụng năng lượng của tín hiệu mà đầu đọc hệ thốngRFID phát ra rồi tán xạ ngược lại đến đầu đọc, còn thẻ BAP thì lại sử dụng một nguồnđiện tích hợp ( thường là pin) có trên chip, vì thế thẻ không cần lấy tín hiệu vô tuyến từđầu đọc RFID làm năng lượng nữa, mà có thể trực tiếp tán xạ tín hiệu thẳng tới đầu đọcRFID thụ động Tuy nhiên, không giống như như thẻ RFID trong hệ thống tích cực, thẻBAP không có bộ phận phát đáp tín hiệu sóng

2.2.1.3 ID của Tag/ thẻ ( Mã thẻ)

Đối với Tag/ thẻ RFID có hai hoạt động cơ bản là:

- Gắn Tag/ thẻ : bất kì tag nào cũng được gắn lên item theo nhiều cách

- Đọc Tag/ thẻ :tag RFID phải có khả năng giao tiếp thông tin qua sóng radio theonhiều các.

Một tag/thẻ về mặt vật lý thực tế có bộ nhớ trên tag/thẻ tùy nhà sản xuất và có cấutrúc logic như sau:

CRC (Cyclic Redundancy Check): là một phương pháp xác minh một khối dữ

liệu không thích hợp do đã bị sửa đổi Người gửi khối dữ liệu này sẽ tính một giá trị bằngcách xử lý toàn khối thành một số lớn và chia nó bởi một số được gọi là đa thức CRC Số

dư của phép toán này là CRC Người gửi sẽ gửi CRC này cùng với dữ liệu và người nhậndùng phương pháp tương tự để tính CRC qua khối dữ liệu để so sánh Nếu CRC từ ngườigửi không thỏa với CRC đã được tính bởi người nhận thì người nhận yêu cầu dữ liệuđược gửi lại Giao thức này dùng chuỗi 16 bit CRC sử dụng đa thức x16+x12+x5+1 Nó cóthể bắt được 99.998% lỗi

-Thuật toán tính CRC: Đầu tiên tính giá trị hex cho đa thức Thực hiện bằng cáchtính từ 15 xuống (vì đây là chuỗi CRC 16 bit) và đánh dấu 1 cho mỗi lũy thừa xuất hiệntrong đa thức Đối với mỗi lũy thừa không có trong đa thức ta đánh dấu 0 Điều này cónghĩa là ta có 1 ở vị trí 212 và 1 ở vị trí 25 Vì đa thức kết thúc là 1, ta cộng 1 vào cuối số,

số đó là một số 0001000000100001 hoặc số hex 1021 Lấy đa thức khối dữ liệu chia cho

đa thức này, số dư là CRC

Dưới đây là bảng các từ định danh ứng dụng và ví dụ về ứng dụng của chúng.Định danh

ứng dụng

Địnhdanh

(21) SGTIN Serialized Global Trade Item Number Đánh dấu item

(00) SSCC Serial Shipping Container Code Thùng chứa hàng hóa(414) GLN Global Location Number Đánh dấu vị trí

(8003) GRAI Global Returnable Asset Identifie Sản phẩm cho thuê hoặc

trong thư viện

(8004) GIAI Global Individual Asset Identifier Đánh dấu tài sản cá nhân

Bảng 2 1: Bảng các từ định danh và ứng dụng

EPC ( Electronic Product Code ) : Mã sản phẩm điện tử (EPC) được lưu trữ trong

bộ nhớ chip của thẻ được ghi vào thẻ bằng một máy in RFID và có hình dạng của mộtchuỗi 96-bit của dữ liệu 8 bit đầu tiên là một tiêu đề trong đó xác định các phiên bản củagiao thức 28 bit tiếp theo xác định các tổ chức quản lý dữ liệu cho thẻ nhớ; 24 bit tiếptheo là một hệ dữ liệu ghi nhớ các đặc trưng của đối tượng, xác định các loại sản phẩm;

36 bit cuối cùng dành để ghi nhớ mã số đặc biệt của thẻ Tổng số mã sản phẩm điện tử cóthể được sử dụng như một chìa khóa mà chúng ta có thể dùng nó để xác định duy nhấtmột loại sản phẩm, đối tượng cụ thể trong toàn bộ cơ sở dữ liệu toàn cầu

Nhận dạng Tag/ thẻ: Khi một tag/ thẻ có trong vùng quét dữ liệu của Reader thì

Reader sẽ truy xuất mã thẻ (ID) khi đó thẻ sẽ gửi tín hiệu phúc đáp và Reader sẽ thu được

mã thẻ ở dạng tín hiệu tương tự Nhờ các vi mạch chuyển đổi thành tín hiệu số và so sánhvới cơ sở dữ liệu của Reader, do mỗi thẻ có một mã số duy nhất trên hệ thống toàn cầunên sẽ được nhận dạng nếu có trong bộ nhớ lưu trữ của Reader

2.3 Tổng quan về vi điều khiển Arduino

Arduino là một bo mạch vi xử, gồm một Vi điều khiển AVR kết hợp với nhiềulinh kiện bổ sung, được dùng để lập trình tương tác với các thiết bị phần cứng như cảmbiến, động cơ, đèn hoặc các thiết bị khác Vi điều khiển AVR do Viện thiết kế tương tácIvrea, Italia phát triển đầu tiên còn phần cứng được đóng góp bởi Herrando Barraganngười Colombia Phần cứng Arduino gốc được sản xuất bởi công ty Italy tên là SmartProjects Một vài board dẫn xuất từ Arduino cũng được thiết kế bởi công ty của Mỹ tên làSparkFun Electronics Hiện nay các sản phẩm board Arduino rất phong phú và đa dạnggồm rất nhiều loại Arduino như: Uno R3, Mega, Mega 2560 R3, Nano, Leonardo, Due,Duemilanove, Lily pad, Diecimila,…

Hình 2 11 Một số loại vi điều khiển AVR

Đặc điểm nổi bật của Arduino là môi trường phát triển ứng dụng cực kỳ dễ sửdụng, với một ngôn ngữ lập trình có thể học một cách nhanh chóng ngay cả với người ít

am hiểu về điện tử và lập trình Board Arduino được sử dụng phổ biến hiện nay là loạiUno R3 và Mega 2560 dưới đây là Board Arduino Uno R3 sử dụng IC Atmega328 :

a) Sơ đồ nguyên lý IC Atmega328 b) Boar Arduino UNO

Hình 2 12 Boar Arduino UNO

Các thông số kỹ thuật của Aruino Uno R3:

-Điện áp vào (giới hạn) 6V-20V-Cường độ dòng điện trên mỗi I/O pin 30 mA-Flash Memory 32KB, 0.5KB dùng bởi Bootloader

Các chân Digital và chân Analog:

-Có 14 chân digital dùng để đọc hoặc xuất tín hiệu Có 2 mức điện áp là0V và 5V với dòng vào và ra tối đa trên mỗi chân là 40mA Ở mỗi chân đều cócác điện trở pull-up từ được cài đặt ngay trong vi điều khiển ATmega328

-Có 1 cổng Serial giao tiếp với phần cứng: 2 chân Serial: 0 (RX) và 1(TX): dùng để gửi (transmit – TX) và nhận (receive– RX) dữ liệu TTL Serial

-Có 6 chân vào Analog từ chân A0 đến chân A5, để đọc giá trị điện áptrong khoảng 0V → 5V Ngoài ra Arduino UNO có 2 chân A4 (SDA) và A5(SCL) hỗ trợ giao tiếp I2C/TWI với các thiết bị khác

-Chân giao tiếp SPI: 10 (SS), 11 (MOSI), 12 (MISO), 13 (SCK) ngoài cácchức năng thông thường ra còn dùng để truyền phát dữ liệu bằng giao thức SPIvới các thiết bị khác

-Chân PWM (~): 3, 5, 6, 9, 10, và 11: cho phép xuất ra xung PWM ( giátrị 0 – 255 tương ứng với 0V → 5V) bằng hàm analogWrite()

-LED 13: trên Arduino Uno R3 có 1 đèn led màu cam (kí hiệu chữ L).Khi bấm nút (Reset) sẽ thấy đèn này nhấp nháy để báo hiệu Nó được nối vớichân số 13 Khi chân này được sử dụng, LED sẽ sáng

Ngoài ra còn có:

-1 cổng kết nối với máy tính qua cổng USB

-1 thạch anh với tần số dao động 16 MHz-1 cổng cấp nguồn sử dụng jack 2.1 mm-1 đầu ICSP.

-1 nút reset

2.4 Truyền thông nối tiếp tốc độ cao SPI

2.4.1 Tổng quan về chuẩn truyền thông SPI

SPI ( Serial Peripheral Interface) là một chuẩn đồng bộ nối tiếp để truyền dữ liệu

ở chế độ song công toàn phần full-duplex (hai chiều, hai phía), do công ty Motorola thiết

kế nhằm đảm bảo sự liên hợp giữa các vi điều khiển và thiết bị ngoại vi một cách đơngiản Đôi khi SPI còn được gọi là giao diện bốn dây ( four-wire)

Khác với cổng nối tiếp chuẩn (Standard serial port), SPI là giao diện đồng bộ,trong đó bất cứ quá trình truyền nào cũng được đồng bộ hóa với tín hiệu đồng hồcontactor chung, tín hiệu này sinh ra bởi thiết bị chủ động (bộ vi xử lý) Thiết bị ngoại vibên phía nhận (bị động) làm đồng bộ quá trình nhận chuỗi bit với tín hiệu đồng hồcontactor Có thể kết nối một số vi mạch vào mỗi giao diện ngoại vi nối tiếp của vi mạchthiết bị chủ động Thiết bị chủ động chọn thiết bị động để truyền dữ liệu bằng cách kíchhoạt tín hiệu "chọn chip" (chip select) trên vi mạch bị động Thiết bị ngoại vi nếu khôngđược chọn bởi bộ vi xử lý sẽ không tham gia vào quá trình truyền theo giao diện SPI

Hình 2 13 Giao diện 4 dây của chuẩn SPI

Trong giao diện SPI có sử dụng bốn tín hiệu số:

-MOSI hay SI : cổng ra của bên chủ động, cổng vào của bên bị động( Master Out Slave In), dành cho việc truyền dữ liệu từ thiết bị chủ độngđến thiết bị động

-MISO hay SO : cổng vào của bên chủ động, cổng ra của bên bị động( Master In Slave Out), dành cho việc truyền dữ liệu từ thiết bị động đếnthiết bị chủ động

-SCLK hay SCK : tín hiệu đồng hồ contactor nối tiếp (Serial Clock), dànhcho việc truyền tín hiệu đồng hồ contactor dành cho thiết bị động.

-CS hay SS :chọn vi mạch, chọn bên bị động ( Chip Select, Slave Select)

2.4.2 Truyền dữ liệu qua truyền thông SPI

2.4.2.1 Sơ đồ kết nối board Arduino với modul RFID qua cổng SPI

Hình 2 14 Sơ đồ kết nối giữa board Arduino với modul RFID 2.4.2.2 Cấu trúc truyền dữ liệu theo chuẩn SPI

Hình 2 15 Khung truyền dữ liệu qua cổng SPI

Để bắt đầu hoạt động thì kéo chân SS xuống thấp và kích hoạt clock ở cả Master

và Slave.Mỗi chip Master hay Slave có một thanh ghi dữ liệu 8bit Cứ mỗi xung nhịp doMaster tạo ra trên đường giữ nhịp SCK, một bit trong thanh ghi dữ liệu của Master đượctruyền qua Slave trên đường MOSI, đồng thời một bit trong thanh ghi dữ liệu của chipSlave cũng được truyền qua Master trên đương MISO Do hai gói dữ liệu trên hai chipđược gửi qua lại đồng thời nên quá trình truyền dữ liệu này được gọi là song công

Hình 2 16 Truyền dữ liệu song song qua cổng SPI

Giao tiếp SPI là chuẩn giao tiếp đồng bộ, có thể kết nối giữa một Master với mộtSlave hoặc với nhiều Slave tùy vào mục đích thiết kế của người sử dụng Khoảng cáchkết nối hiệu quả nhỏ hơn 3m, tốc độ truyền cao khoảng vài Mbits/s Trong cùng một thờiđiểm có thể truyền tín hiẹu song công, nghĩa là vừa gửi vừa nhận được tín hiệu

SS là đường chọn Slave cần giao tiếp, nếu hệ thống có nhiều Slave thì Master sẽtạo ra các tín hiệu tách biệt để chọn Slave nhờ các chân tín hiệu Logic đa chức năng Cáctín hiệu này được điều khiển và đảm bảo ổn định để tránh trường hợp tín hiệu bị thay đổitrong quá trình truyền dữ liệu

Hình 2 17 Truyền thông SPI giữa vi điều khiển với nhiều thiết bị

2.5 Truyền tín hiệu không dây sử dụng cặp modul sim 900A

2.5.1 Tổng quan về modul sim 900A

Module Sim 900A là một module GSM/GPRS cực kỳ nhỏ gọn, hoạt động được ở 2băng tần GSM EGSM 900MHz, DCS 1800MHz như là một loại thiết bị đầu cuối với mộtChip xử lý đơn nhân đầy sức mạnh, tăng cường các tính năng quan trọng dựa trên nền vi

xử lý ARM926EJ-S, nhiều lợi ích từ kích thước nhỏ gọn (24x24 mm), đáp ứng những yêucầu về không gian trong các ứng dụng

Thông số kỹ thuật:

Hình 2 18 Sơ đồ nguyên lí sim 900A

Hình 2 19 Sơ đồ chân module sim 900A

-Chíp xử lí: Module GSM GPRS Sim 900A

-Tích hợp khe Micro Sim

-Tích hợp led báo trạng thái Module Sim

-Tích hợp tụ bù điện dung cao và Diod giảm áp để có thể cấp 5V DC và nguồndòng thấp

2.5.2 Truyền nhận giữa hai modul sim

Modul sim 900A hỗ trợ giao thức TCP/IP, rất hữu ích cho việc truyền dữ liệu trênInternet Modul sim 900A được thiết kế với công nghệ tiết kiệm năng lượng vì vậy mứctiêu thụ chỉ ở mức 1.5mA ở trong chế độ Sleep

Để hiện thực việc nhắn tin qua modul sim 900A thì chỉ cần Serial port của sim900A để gửi và nhận các AT command Việc điều khiển sim 900A được thực hiện thôngqua việc truyền các lệnh AT (các lệnh này thường bắt đầu bằng “AT”) dùng để điều khiểncác thiết bị tương tác với mạng

Ví dụ:

Lệnh AT để gửi một tin nhắn :

Bảng 2 2: Nối dây giữa Module Sim 900A với Arduino Uno R3

Module Sim 900A Board Arduino Uno R3

Trong một phiên truyền thông, vì tận cùng bản chất của dữ liệu

là bao gồm các bit 0 và 1, bên phát dữ liệu cần có một cách thức để gửicác bit 0 và 1 để gửi cho bên nhận Một tín hiệu xoay chiều hay mộtchiều tự nó sẽ không thực hiện tác vụ này Tuy nhiên, nếu một tín hiệu

có thay đổi và dao động dù chỉ một ít, sự thay đổi này sẽ giúp phân biệtbit 0 và bit 1 Lúc đó, dữ liệu cần truyền sẽ có thể gửi và nhận thànhcông dựa vào chính sự thay đổi của tín hiệu Dạng tín hiệu đã điều chếnày còn được gọi là sóng mang (carrier signal)

Có ba thành phần của dạng sóng có thể thay đổi để tạo ra sóngmang, đó là biên độ, tần số và pha

2.6.1.1 Biên độ và bước sóng

Truyền thông vô tuyến bắt đầu khi các sóng vô tuyến được tạo ra từ một máy phát

và gửi đến máy nhận ở một vị trí khác Sóng có hai thành phần chính: biên độ và bướcsóng Biên độ là chiều cao, độ mạnh hoặc công suất của sóng

Bước sóng là khoảng cách giữa hai điểm tương tự trên hai đỉnh sóng liên tiếp.Biên độ và bước sóng cả hai đều là các thuộc tính của sóng

2.6.1.2 Bức xạ điện từ

Đầu tiên ta xét đến sóng điện từ Bức xạ điện từ bao gồm sóng radio, vi ba, hồngngoại, ánh sáng khả kiến, tia cực tím, tia X, và tia gamma Tất cả chúng đều truyền đi vớivận tốc ánh sáng là c = 3x108 m/s và tạo ra phổ điện từ Sự khác nhau giữa các loại sóng

điện từ này phụ thuộc vào bước sóng của mỗi loại và chính bước sóng này liên quan trựctiếp đến năng lượng của sóng (bước sóng càng nhỏ thì năng lượng càng cao).

2.6.1.3 Pha

Pha là một thuật ngữ mang tính tương đối Nó chỉ ra mối quan hệ giữa hai sóng

có cùng tần số Để xác định pha, bước sóng được chia thành 360 phần, được gọi là độ

2.6.2 Các phương thức điều chế sóng RF

Để dữ liệu tryền được thì tín hiệu phải xử lý sao cho bên thiết bị nhận có thể phânbiệt được bit 0 và 1 Phương pháp xử lý tín hiệu sao cho nó tượng trưng cho nhiều mẫu dữliệu được gọi là điều chế, phuơng thức này sẽ lồng tín hiệu vào sóng mang và mã hóa dữliệu sao cho sóng mang tín hiệu có thể truyền đươc

Có ba kiểu điều chế: điều biên (Amplitude Shift Keying – ASK), điều tần(Frequency Shift Keying – FSK) và điều pha (Phase Shift Keying – PSK)

2.6.2.1 Điều biên

Điều biên là thay đổi biên độ của tín hiệu để mô tả dữ liệu nhị phân Điều biêndùng kỹ thuật trạng thái hiện hành, trong đó một mức biên độ được dùng để tượng trưngmức 0 và một mức được dùng để tượng trưng mức 1 Chính biên độ của sóng sẽ xác định

dữ liệu đang được truyền Khi giải mã dữ liệu, thiết bị nhận đầu tiên sẽ nhận chia tín hiệunhận được ra thành những khoảng thời gian được gọi là thời gian lấy mẫu Thiết bị thusau đó sẽ kiểm tra sóng để tìm ra biên độ, tùy thuộc vào giá trị biên độ của sóng mà máynhận sẽ xác định giá trị là 1 hay 0

Hình 2 20 Điều biên

2.6.2.2 Điều tần

Điều tần là thay đổi tần số tín hiệu để mô tả dữ liệu nhị phân Điều tần sử dụng kỹthuật trạng thái hiện hành, trong đó một mức tần số tượng trưng cho mức 0 và một tần sốkhác tượng trưng cho mức 1 Sự thay đổi tần số sẽ xác định dữ liệu đang được truyền

Hình 2 21 Điều tần

2.6.2.3 Điều pha

Kỹ thuật điều pha sẽ thay đổi pha của tín hiệu để mô tả dữ liệu nhị phân Điềupha dùng kỹ thuật thay đổi trạng thái, trong đó một pha dùng để mô tả bit 0 và một phakhác dùng để mô tả mức 1

Hình 2 22 Điều pha

2.6.3 Mã hóa dữ liệu

Mã hóa dữ liệu là quá trình chuyển đổi dãy bit (1- 0) sang một tín hiệu thích hợp

để có thể truyền dẫn trong môi trường vật lý Việc chuyển đổi này chính là sử dụng mộttham số thông tin thích hợp để mã hóa dãy bit cần truyền tải Các tham số thông tin có thểđược chứa đựng trong biên độ, tần số, pha hoặc sườn xung

2.6.3.1 Các phương pháp mã hoá dữ liệu

Việc tạo mã để có tín hiệu trên các hệ thống số có thể thực hiện một cách đơngiản là gán một giá trị điện thế cho một trạng thái logic và một giá trị khác cho mức logic

còn lại Tuy nhiên để sử dụng mã một cách có hiệu quả, việc tạo mã phải dựa vào một sốtính chất sau: Phổ tần của tín hiệu, sự đồng bộ, khả năng dò sai, tính miễn nhiễu và giao

thoa, mức độ phức tạp và giá thành của hệ thống.

2.6.3.2 Các dạng mã hóa phổ biến

Hình 2 23 Các dạng mã hóa phổ biến

2.6.4 Hoạt động của sóng vô tuyến

Truyền thông vô tuyến bắt đầu bằng các tín hiệu dao động được truyền từ mộtthiết bị đến một hoặc nhiều thiết bị khác Tín hiệu dao động này được dựa trên một tần số

cố định và biết trước Bởi vì bên phát tín hiệu dùng một tín hiệu được thiết lập, bên nhận

có thể điều chỉnh đến cùng tần số và nhận cùng một tín hiệu Bên bộ phát sẽ có một antentạo ra tín hiệu vô tuyến Bên nhận cũng có thiết bị tương tự, ngoại trừ nó nhận tín hiệuthông qua anten

Hình 2 24 Hoạt động của sóng vô tuyến 2.7 Modul RFID RC522

Module RFID RC522 sử dụng IC MFRC522 của Phillip dùng để đọc và ghi dữ liệucho thẻ NFC tần số 13.56MHz Được sử dụng trong rất nhiều ứng dụng định vị, nhậndạng hiện nay Modul RFID RC522 là modul RFID trường gần hoạt động như một đầuđọc ( Reader) phát ra tín hiệu radio với tần số 13,56mhz có tác dụng nhận dạng các vật,thiết bị có gắn thẻ từ cùng tần số

Hình 2 25 Modul RFID RC522 và sơ dồ nối chân với ARDUINO Uno R3

Thông số kĩ thuật :

- Điện áp hoạt động: 3.3V 13-26mA

- Dòng tiêu thụ ở chế độ Stand by: 3.3V 10-13mA

- Sleep-mode: <80uA