BÁO CÁO MÔN HỌC CƠ SỞ DỮ LIỆU đề TÀI UTC CARE

Giải pháp điều khiển, vận hành giám sát hệ thống Để đảm bảo việc kiểm tra sức khỏe của mọi người, hệ thống được tích hợp các cảm biến như cảm biến đo nhịp tim huyết áp, cảm biến đo thân

TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI

KHOA ĐIỆN - ĐIỆN TỬ

BỘ MÔN ĐIỀU KHIỂN HỌC

***********

BÁO CÁO MÔN HỌC CƠ SỞ DỮ LIỆU

ĐỀ TÀI: UTC CARE

Giáo viên hướng dẫn: Trần Ngọc Tú

Nhóm thực hiện: Trần Mạnh Thắng (171602119)

Cấn Ngọc Sơn (171600540)

Lớp: Tự động hóa K58

Hà Nội – 2020

MỤC LỤC

Lời nói đầu 1

CHƯƠNG 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2

1 Giải pháp điều khiển, vận hành giám sát hệ thống 2

2 Giới thiệu chung về công nghệ RFID 2

CHƯƠNG 2 THIẾT KẾ PHẦN CỨNG CHO HỆ THỐNG UTC CARE 4

1 Thiết kế hệ thống 4

2 Thiết kế phần cứng 4

2.1 Vi điều khiển STM32F103C8T6 Blue Pill ARM Cortex-M3 4

2.2 Module RFID RC522 13.56MHz: 10

2.3 Module mạch nguồn LM2596 11

2.4 Màn Hình Oled 1.3 Inch 12

2.5 Cảm biến nhịp tim, oxi trong máu MAX30100 13

2.6 Module đo nhiệt độ hồng ngoại GY-906 Error! Bookmark not defined.4 2.8 Adruno nano 155

CHƯƠNG 3: SƠ ĐỒ KHỐI CHỨC NĂNG VÀ MẠCH PCB 177

1 Sơ đồ khối chức năng 177

2 Mạch PCB & Mô hình thực tế 199

CHƯƠNG 4: XÂY DỰNG MÔ HÌNH HỆ THỐNG UTC CARE 233

1 Quy trình vân hành 233

2 Giao diện trên trên phần mềm Visual Studio 233

Lời nói đầu

Kể từ tháng 3/2020, việc bùng phát dịch bệnh viêm đường hô hấp cấp do chủng mới của vi-rút Corona (COVID-19) đã được tuyên bố là tình trạng y tế công cộng khẩn cấp gây quan ngại quốc tế và loại vi-rút này đã lan rộng ra nhiều quốc gia và vùng lãnh thổ Trong khi dịch COVID-19 tiếp tục có mặt tại nhiều nơi, các cộng đồng cần hành động để ngăn chặn nguy cơ lây lan trên diện rộng, giảm thiểu mức

độ ảnh hưởng của dịch bệnh và hỗ trợ các biện pháp kiểm soát Trong bối cảnh đại dịch COVID-19 có thể còn kéo dài, kinh tế thế giới còn tiềm ẩn nhiều yếu tố bất định, khó lường, chúng ta cần phải chủ động phòng ngừa, ứng phó với dịch bệnh Tránh để dịch bệnh lây lan trong cộng đồng gây mất kiểm soát tình hình dịch bệnh Nhận thấy rõ yếu tố cần thiết trong việc kiểm tra, đánh giá sức khỏe của các sinh viên, giảng viên trong nhà trường trong khi tình hình dịch bệnh còn đang diễn biến phức tạp Cùng với sự ứng dụng trong môn học CƠ SỞ DỮ LIỆU do thầy giáo Trần Ngọc Tú giảng dạy Nhóm chúng em đã phát minh ra đề tài: Nghiên cứu xây dựng hệ thống UTC CARE, giúp kiểm tra theo dõi sức khỏe của mọi người

CHƯƠNG 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

1 Giải pháp điều khiển, vận hành giám sát hệ thống

Để đảm bảo việc kiểm tra sức khỏe của mọi người, hệ thống được tích hợp các cảm biến như cảm biến đo nhịp tim huyết áp, cảm biến đo thân nhiệt với độ chính xác cao và ổn định Hệ thống có sử dụng màn hình Oled để hiển thị kết quả đến mọi người ngay lập tức Ngoài ra hệ thống thẻ từ RFID được tích hợp sẵn trong thẻ sinh viên của mọi người giúp hệ thống phân biệt, thu thập dữ liệu của từng người khi sử dụng hệ thống

2 Giới thiệu chung về công nghệ RFID

Công nghệ RFID” (Radio Frequency Identification) là công nghệ nhận dạng đối tượng bằng sóng vô tuyến, cho phép một thiết bị đọc thông tin chứa trong chip không cần tiếp xúc trực tiếp, không thực hiện bất kỳ giao tiếp vật lý nào hoặc giữa hai vật không nhìn thấy

Kỹ thuật RFID sử dụng truyền thông không dây trong dải tần sóng vô tuyến để truyền dữ liệu từ các tag (thẻ) đến các reader (bộ đọc) Tag có thể được đính kèm hoặc gắn vào đối tượng được nhận dạng chẳng hạn sản phẩm, hộp hoặc giá kê Reader scan dữ liệu của tag và gửi thông tin đến cơ sở dữ liệu của tag

Thành phần cơ bản của một hệ thống RFID

Các hệ thống RFID tồn tại có nhiều dạng khác nhau, các thành phần trong nó được sản xuất bởi nhiều nhà sản xuất khác nhau nhưng một hệ thống RFID cơ bản bao gồm có các thành phần sau:

 Đầu đọc: là thành phần bắt buộc đối với mọi hệ thống RFID, được sử dụng để

đọc và ghi dữ liệu đến các thẻ RFID

 Thẻ RFID: là thành phần bắt buộc, thiết bị này dùng để truyền dữ liệu đến đầu đọc, dữ liệu này mang thông tin định dạng cho đối tượng (hoặc chỉ ra đối tượng

được nhận dạng)

 Anten: đây là thành phần bắt buộc, để thực hiện việc truyền thông giữa thẻ và

đầu đọc

 Mạch điều khiển (Controller): là thành phần bắt buộc Tuy nhiên, hầu hết các

reader mới đều có thành phần này gắn liền với chúng

 Cảm biến (sensor), cơ cấu chấp hành (actuator) và bảng tín hiệu điện báo (annunciator): những thành phần này hỗ trợ quá trình nhập và xuất của hệ

thống

 Máy chủ và hệ thống phần mềm: Về mặt lý thuyết, một hệ thống RFID có thể hoạt động độc lập không có thành phần này Thực tế, một hệ thống RFID gần

như không có ý nghĩa nếu không có thành phần này

 Cơ sở hạ tầng truyền thông: là thành phần bắt buộc, nó gồm cả hai mạng có dây và không dây và các bộ phận kết nối tuần tự để kết nối các thành phần liệt

kê ở trên với nhau để chúng liên lạc với nhau hiệu quả

Hình 1 1: Sơ đồ khối RFID

Về dải tần hoạt động của hệ thống RFID Khi phải lựa chọn một hệ thống RFID,

yêu cầu đầu tiên là chọn dải tần hoạt động của hệ thống

 Tần số thấp - Low frequency 125 KHz: Dải đọc ngắn tốc độ đọc thấp

 Dải tần cao - High frequency 13.56 MHz: Khoảng cách đọc ngắn tốc độ đọc trung bình Phần lớn thẻ Passive sử dụng dải này

 Dải tần cao hơn - High frequency: Dải đọc từ ngắn đến trung bình, tốc độ đọc trung bình đến cao Phần lớn thẻ Active sử dụng tần số này

 Dải siêu cao tần - UHF frequency 860-960 MHz Dải đọc rộng Tốc độ đọc cao Phần lớn dùng thẻ Active và một số thẻ Passive cao tần sử dụng dải này

 Dải vi sóng - Microwave 2.45-5.8 GHz: Dải đọc rộng tốc độ đọc lớn

CHƯƠNG 2 THIẾT KẾ PHẦN CỨNG CHO HỆ THỐNG UTC CARE

1 Thiết kế hệ thống

Sơ đồ khối chức năng hệ thống được mô tả như hình Hoạt động của các

khối trong sơ đồ như sau:

• Thông tin của người kiểm tra sẽ đc đọc từ bộ RFID

• Hệ thống cảm biến đọc và đưa ra số liệu

• Màn hình của hệ thống hiển thị kết quả đo của người vào kiểm tra

• Thông tin, dữ liệu đo sẽ được lưu vào hệ thống cơ sở dữ liệu

2 Thiết kế phần cứng

2.1 Vi điều khiển STM32F103C8T6 Blue Pill ARM Cortex-M3

KIT Blue Pill sử dụng chip STM32F103c8t6 là một dòng chip phổ thông nhất của STM, có đầy đủ các ngoại vi cơ bản, bộ nhớ vừa đủ và giá thành rẻ, rất phù hợp với những người mới bắt đầu

Một số ứng dụng chính: dùng cho driver để điều khiển ứng dụng, điều khiển ứng dụng thông thường, thiết bị cầm tay và thuốc, máy tính và thiết bị ngoại

vi chơi game, GPS cơ bản, các ứng dụng trong công nghiệp, thiết bị lập trình PLC, biến tần, máy in, máy quét, hệ thống cảnh báo, thiết bị liên lạc nội bộ…

Phần mềm lập trình: có khá nhiều trình biên dịch cho STM32 như IAR

Embedded Workbench, Keil C… Ở đây mình sử dụng Keil C nên các bài viết sau mình chỉ đề cập đến Keil C

Thư viện lập trình: có nhiều loại thư viện lập trình cho STM32 như:

STM32snippets, STM32Cube LL, STM32Cube HAL, Standard Peripheral Libraries, Mbed core Mỗi thư viện đều có ưu và khuyết điểm riêng, ở đây mình xin phép sử dụng Standard Peripheral Libraries vì nó ra đời khá lâu và khá thông dụng, hỗ trợ nhiều ngoại vi và cũng dễ hiểu rõ bản chất của lập trình

Mạch nạp: có khá nhiều loại mạch nạp như : ULINK, J-LINK , CMSIS-DAP, STLINK… ở đây mình sử dụng Stlink vì giá thành khá rả và debug lỗi cũng tốt

Board để lập trình: các bạn có thể mua sẵn 1 số kit ra chân đã có sẵn trên thị trường hoặc thiết kế 1 cái board dành riêng cho bản thân mình Ở đây mình

đã thiết kế 1 board đã tích hợp sẵn mạch nạp, mình cũng đã test và chạy khá

ổn, debug bằng Keil C khá giống với phiên bản STlink V2 trên thị trường Nói chung là sử dụng đồ tự làm khá thú vị Đây là board của mình:

 1 cổng Mini USB dùng để cấp nguồn, nạp cũng như debug

 2 MCU bao gồm 1 MCU nạp và 1 MCU dùng để lập trình

 Có chân Output riêng cho các chân mạch nạp trên MCU1

 Có chân Output đầy đủ cho các chân MCU2

 Chân cấp nguồn ngoài riêng cho MCU2 nếu không sử dụng nguồn từ USB

 Thạch anh 32,768khz dùng cho RTC và Backup

 Chân nạp dùng cho chế độ nạp boot loader

 Nút Reset ngoài và 1 led hiển thị trên chân PB9, 1 led báo nguồn cho

MCU2

Cấu hình chi tiết của STM32F103C8T6:

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

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

 Trong trường hợp điện áp thấp:

o Có các mode: ngủ, ngừng hoạt động hoặc hoạt động ở chế độ chờ

o Cấp nguồn ở chân Vbat bằng pin để hoạt động bộ RTC và sử dụng lưu trữ data khi mất nguồn cấp chính

 2 bộ ADC 12 bit 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 7 kênh DMA

o Hỗ trợ DMA cho ADC, I2C, SPI, UART

 7 timer

o 3 timer 16 bit hỗ trợ các mode IC/OC/PWM

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

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

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

 Hỗ trợ 9 kênh giao tiếp bao gồm:

o 2 bộ I2C(SMBus/PMBus)

o 3 bộ USART (ISO 7816 interface, LIN, IrDA capability, modem control)

o 2 SPIs (18 Mbit/s)

o 1 bộ CAN interface (2.0B Active)

o USB 2.0 full-speed interface

 Kiểm tra lỗi CRC và 96-bit ID

Thông số của KIT STM32F103C8T6 Blue Pill như sau:

 Điện áp hoạt động: 3.3V – 5V

 Tích hợp thạch anh ngoại 8Mhz

 Tích hợp cổng USB để nạp Bootloader hoặc sử dụng ngoại vi USB

 Led tích hợp vào chân PC13

 Sử dụng chuẩn mạch nạp: SWD cho các loại mạch nạp ST-link, J-link

thể loại Tên chân Chi tiết

Điện áp 3.3V, 5V, GND  3.3V - Điện áp đầu ra được điều chỉnh từ bộ điều chỉnh trên bo

mạch (không khuyến nghị dòng điện vẽ), cũng có thể được sử dụng để cung cấp cho chip

 5V từ USB hoặc bộ điều chỉnh tích hợp có thể được sử dụng để cung cấp cho bộ điều chỉnh 3.3V trên bo mạch

 GND - Chân nối đất

Chân tương

tự

PA0 - PA7 PB0 - PB1

Các ghim hoạt động như ADC với độ phân giải 12-bit

Chân đầu

vào / đầu ra

PA0 - PA15 PB0 - PB15 PC13 - PC15

37 Chân I / O mục đích chung

Truyền

thông

TX1, RX1 TX2, RX2 TX3, RX3

UART với chân RTS và CTS

Ngắt ngoài PA0 - PA15

PB0 - PB15 PC13 - PC15

Tất cả các chân số đều có khả năng ngắt

PWM PA0 - PA3

PA6 - PA10 PB0 - PB1 PB6 - PB9

Tổng cộng 15 chân PWM

SPI MISO0, MOSI0,

SCK0, CS0 MISO1, MOSI1, SCK1, CS0

2 SPI

LED có sẵn PC13 Đèn LED hoạt động như một chỉ báo GPIO cho mục đích chung

Module RFID RC522

Sơ đồ đấu nối

2.3 Module mạch nguồn LM2596

Thông số kỹ thuật:

 Điện áp đầu vào: Từ 3V đến 30V

 Điện áp đầu ra: Điều chỉnh được trong khoảng 1.5V đến 30V

 Dòng đáp ứng tối đa là 3A

 Hiệu suất : 92%

 Công suất : 15W

 Kích thước: 45 (dài) * 20 (rộng) * 14 (cao) mm

2.4 Màn Hình Oled 1.3 Inch

Màn hình OLED SSD1306 với kích thước 1.3 inch, cho khả năng hiển thị hình ảnh tốt với khung hình 128x64 pixel Ngoài ra, màn hình còn tương thích với hầu hết các vi điều khiển hiện nay thông qua giao tiếp I2C Màn hình sử dụng driver

SSD1306 cùng thiết kế nhỏ gọn sẽ giúp bạn phát triển các sản phẩm DIY hoặc các ứng dụng một cách nhanh chóng

Thông số kĩ thuật

 Driver: SSD1306

 Tương thích với Arduino, 51 Series, MSP430 Series, STM32 / 2, CSR IC,…

 Tiêu thụ điện năng thấp: 0.08W (fullscreen)

 Có thể điều chỉnh độ sáng và độ tương phản

 Chuẩn giao tiếp: I2C (thông qua 2 chân SCL, SDA)

 Điện áp hoạt động: 3V-5V DC

 Nhiệt đô hoạt động: -30℃-70℃

 Kích thước màn hình: 1.3 inch (128x64 pixel)

2.5 Cảm biến nhịp tim, oxi trong máu MAX30100

Cảm biến nhịp tim MAX30100 được tích hợp 16-bit sigma delta ADC và bộ xử lý tín hiệu tương tự với độ nhiễu thấp giúp cảm biến hoạt động chính xác và ổn định cao Đồng thời được thiết kế nhỏ gọn có thể sử dụng làm thiết bị đeo tay và dễ dàng giao tiếp với các MCU, Arduino và Raspberry Pi

Thông số kỹ thuật

 IC: MAX30100

 Điện áp hoạt động: 1.8V - 3.3V (DC)

 Ultra-Low Shutdown Current (0.7µA)

 16-deep FIFO được tích hợp bên trong thiết bị

 16-bit sigma delta ADC

 Tốc độ đọc dữ liệu 50Hz to 1kHz

 Cảm biến quang: IR, led hồng ngoại & bộ tách sóng quang

 Hổ trợ giao tiếp I2C với chân INT

 Nhiệt độ hoạt động: -40°C đến +85°C

2.6 Module đo nhiệt độ hồng ngoại GY-906

 Điện áp hoạt động: 3~5VDC

 Giao tiếp I2C

 Góc rộng: 40 góc + 125 ° C cho nhiệt độ cảm biến và -70, + 380 ° C cho nhiệt

độ đối tượng đo

 Giao diện kỹ thuật số tương thích SMBus

 Đầu ra PWM có thể tùy chỉnh để đọc liên tục

 Kích thước: 11.5x16.5mm

2.7 Adruno nano

Thông số kỹ thuật Arduino Nano

Điện áp khuyên dùng 7 - 12 VDC

CHƯƠNG 3: SƠ ĐỒ KHỐI CHỨC NĂNG VÀ MẠCH PCB

1 Sơ đồ khối chức năng

2 Mạch PCB & Mô hình thực tế

Mạch mô phỏng 3D

Mạch PCB

Mạch in

Hình ảnh mô hình thực tế

CHƯƠNG 4 : XÂY DỰNG MÔ HÌNH HỆ THỐNG UTC CARE

1 Quy trình vân hành

Người dùng hệ thống UTC CARE sử dụng thẻ RFID được tích hợp trên thẻ sinh viên để xác minh danh tính Sau khi quét người dung đưa chán lại gần cảm biến nhiệt độ trong 5 giây để tiến hành đo nhiệt độ, sau đó đặt ngón tay vào cảm biến đo huyết áp Các thông số đo được sẽ hiển thị trên màn hình Oled để người dùng có thể biết được

2 Giao diện trên trên phần mềm Visual Studio

Giao diện chính

Giao diện đăng nhập

Giao diện đăng kí thẻ

Giao diện quản lý dữ liệu

Giao diện quản lý người dùng