Đồ án thiết kế hệ thống nhúng (1)

HỌC VIỆN CƠNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THƠNG KHOA KĨ THUẬT ĐIỆN TỬ =====o0o===== BÁO CÁO BÀI TẬP LỚN ĐỀ TÀI : HỆ THỐNG QUÁN LÝ RA VÀO QUA THẺ RFID Giảng viên hướng dẫn : TS.Nguyễn Ngọc Minh Môn học : Đồ án thiết kế hệ thống nhúng Nhóm mơn học : 03 Nhóm tập lớn : 02 Sinh viên thực : Lê Phương Nam Nguyễn Hải Long B18DCDT163 B18DCDT131 Nguyễn Đức Hùng B18DCDT090 Ngô Thị Liên HÀ NỘI, 05 / 2022 -⁃⁃⁃⁃‹‹‹﴾֍﴿›››⁃⁃⁃⁃ - B18DCDT120 Báo cáo tập lớn – Hệ Thống Quán Lý Ra Vào Qua Thẻ RFID MỤC LỤC Phần I : Tìm hiểu nghiên cứu hệ thống quán lý qua thẻ RFID 1.1 Đánh giá tổng quan 1.2 Các hệ thống quản lý thẻ RFID .3 Phần II: Tổng quan ngoại vi chuẩn sử dụng 2.1 Sơ đồ hệ thống 2.2 Khối ngoại vi .6 2.2.1 2.3 Công nghệ RFID Module đọc thẻ RFID - RC522 .6 Khối vi điều khiển 2.3.1 Vi điều khiển SMT32F103C8T6 2.3.2 Vi điều khiển ESP8266 Phần III: Cách hoạt động hệ thống 11 3.1 Tổng quan hệ điều hành thời gian thức FreeRTOS 11 3.2 Áp dụng hệ điều hành FreeRTOS vào hệ thống quản lý vào sử dụng thẻ RFID 11 Phần IV: Kết sản phẩm 13 4.1 Thiết kế phần cứng 13 4.2 Thiết kế giao diện App quản lý thẻ 15 Phần V : Hướng phát triển hệ thống 17 LỜI CẢM ƠN 18 NHÓM 2 Báo cáo tập lớn – Hệ Thống Quán Lý Ra Vào Qua Thẻ RFID HỆ THỐNG QUÁN LÝ RA VÀO QUA THẺ RFID Phần I : Tìm hiểu nghiên cứu hệ thống quán lý qua thẻ RFID 1.1 Đánh giá tổng quan Hiện thi trường sử dụng nhiều sản phẩm, hệ thống ứng dụng dụng công nghệ RFID đặc biệt lĩnh vực quán lý, ví dụ quản lý nhân sự, quản lý sinh viên, quản lý kho hàng, quản lý nhà xe,… Tại lại sử dụng nhiều hệ thống quản lý ưu điểm sau: • Tính bảo mật cao • Tiện nghi đại • Cài đặt đễ dàng • Đem lại tính thẩm mỹ 1.2 Các hệ thống quản lý thẻ RFID Trong hình thức quản lý dựa cơng nghê RFID việc quản lý thơng qua thẻ RFID cho thấy tính hiệu tiện lợi cách rõ rệt a Thẻ RFID ? Hình 2.1: Các dạng thẻ RFID Thẻ RFID gì? Đây loại thẻ sử dụng sóng radio để nhận dạng có gắn dải băng từ mặt sau, dải băng từ có tính từ thiết bị đọc ghi thẻ đọc ghi liệu lên thẻ từ Mỗi thẻ chứa mã số riêng, không giống  Cấu tạo thẻ từ: • Ăng-ten gắn thẻ sử dụng sóng vơ tuyến (RFID) giao tiếp với đầu đọc thẻ để truyền liệu NHÓM Báo cáo tập lớn – Hệ Thống Quán Lý Ra Vào Qua Thẻ RFID • Chip tạo dãy số để nhận dạng cho thẻ, dãy số không bị trùng lặp với thẻ khác • Chất – vật liệu lót (thường thẻ nhựa ) ăng ten • Chíp từ gắn cố định bên chất vật liệu lót (gọi thẻ) b Các hệ thống quản lý sử dụng thẻ RFID Hệ thống quản lý bãi gửi xe sử dụng thẻ RFID Hình 2.2: Sơ đồ hệ thống quản lý bãi gửi xe sử dụng thẻ RFID Theo cách truyền thống gửi trả xe thường ghi vé cho xe, điều thực không an tồn, dễ bị ùn tắc giao thơng tốc độ làm việc Nếu trường hợp gửi xe lâu ngày giả mạo khó kiểm sốt Vì cần biện pháp tự động hóa thơng minh giúp nhằm đem đến cho bãi giữ xe siêu thị, bến xe, quan Giải pháp tối ưu giúp tiết kiệm thời gian Do ATPro cho HỆ THỐNG GIỮ XE BẰNG THẺ RFID có độ an tồn cao thuận tiện cho khách bãi giữ xe Hệ thống kiểm soát vào cửa thẻ RFID Hình 2.3: Hệ thống kiểm sốt vào cửa thẻ RFID NHÓM Báo cáo tập lớn – Hệ Thống Quán Lý Ra Vào Qua Thẻ RFID Nhu cầu sử dụng thiết bị kiểm soát cửa ngày gia tăng Chúng có tính ứng dụng cao cho quan, văn phòng, chung cư, hộ… Đặc biệt việc quản lý sinh viên thông qua thẻ RFID vấn đề quan tâm từ doanh nghiệp phát triển cơng nghệ Đối với văn phịng cơng ty tránh hoàn toàn việc người lạ tự vào nơi làm việc Ngồi giúp việc quản lý nhân viên trở nên dễ dàng Trong việc giám sát thời gian làm việc cách hiệu tự động Với ưu điểm mong muốn học hỏi phát triển hệ thống ứng dụng công nghệ RFID đưa ý tưởng làm tảng cho việc ứng dụng công nghê RFID cho mơi trường đại học nhóm em xin phép chọn đề tài ‘‘Phát triển hệ thống quản lý vào sử dụng thẻ RFID’’ làm đề tài nghiên cứu môn học Phần II: Tổng quan ngoại vi chuẩn sử dụng 2.1 Sơ đồ hệ thống Hình 2.4: Sơ đồ tổng quan hệ thống  Như sơ đồ khối hệ thống bao gồm thành phần sau: • Khối ngoại vi, bao gồm module đọc thẻ RFID - RC522, hình hiển thị LCD 320x240 TFT ILI9481, ngoại vi giao tiếp với vi điều khiển thơng chuẩn giao thức SPI • Khối điều khiển trung tâm, bao gồm vi điều khiển STM32F103C8T6 ESP8266 Dữ liệu thẻ từ STM32 chuẩn hóa chuẩn dữu liệu Json gửi đến ESP8266 thơng qua chuẩn giao tiếp UART • Khối giám sát quản lý liệu(database) thực lưu trữ xử lý liệu gửi lên từ ESP8266 thông qua giao thức MQTT API hỗ trợ NHÓM Báo cáo tập lớn – Hệ Thống Quán Lý Ra Vào Qua Thẻ RFID 2.2 Khối ngoại vi 2.2.1 Công nghệ RFID Module đọc thẻ RFID - RC522 a Tổng quan công nghệ RFID RFID viết tắt thuật ngữ Radio Frequency Identification, ta hiểu việc nhận dạng qua tần số vô tuyến RFID cơng nghệ dùng kết nối sóng vơ tuyến để tự động xác định theo dõi thẻ nhận dạng gắn vào vật thể Công nghệ cho phép nhận biết đối tượng thông qua hệ thống thu phát sóng radio, từ giám sát, quản lý đối tượng Công nghệ thẻ RFID cho phép nhà quản lý tổ chức xác định quản lý thiết bị, tài sản Nó áp dụng cho việc gắn thẻ mục cửa hàng bán lẻ, sử dụng hệ thống kiểm kê, khóa thẻ từ khách sạn, resort Các sản phẩm thương mại tơ, máy móc hay quần áo, hàng tiêu dùng theo dõi từ nhà máy đến khách hàng Cấu tạo hệ thống RFID : • Một hệ thống hay thiết bị RFID cấu tạo từ hai thành phần khơng thể thiếu thiết bị phát mã RFID thường hay nhắc đến với tên thẻ RFID phần thiết bị đọc Thiết bị đọc gắn antenna phát sóng điện từ, thiết bị phát RFID gắn với vật cần nhận dạng, thiết bị RFID tag chứa mã số định không trùng Đặc điểm : • Hệ thống RFID sử dụng hệ thống khơng dây thu phát sóng radio, khơng sử dụng tia sáng mã vạch • Các tần số thường sử dụng hệ thống RFID 125Khz 900Mhz • Thơng tin truyền qua khoảng cách nhỏ mà không cần tiếp xúc vật lý • Có thể đọc thơng tin xuyên qua môi trường, vật liệu như: bê tông, tuyết, sương mù, băng đá, sơn điều kiện môi trường thách thức khác mà mã vạch công nghệ khác phát huy hiệu Nguyên lí hoạt động : • Thiết bị RFID reader phát sóng điện từ tần số định, thiết bị RFID tag vùng hoạt động cảm nhận sóng điện từ thu nhận lượng từ phát lại cho thiết bị RFID Reader biết mã số Từ thiết bị RFID reader nhận biết tag vùng hoạt động NHÓM Báo cáo tập lớn – Hệ Thống Quán Lý Ra Vào Qua Thẻ RFID Tính bảo mật : Thẻ chip RFID chứa nhiều mã nhận dạng khác nhau, thông thường 32bit tương ứng với tỷ mã số khác Ngoài xuất xưởng thẻ chip RFID gán mã số khác Do vật gắn chip RFID khả nhận dạng nhầm vật với thẻ chip RFID khác thấp, xác suất phần tỷ b Module đọc thẻ RFID - RC522 RC522 Module RFID đa giao tiếp với Arduino Vi điều khiển RC522 gọi MFRC-522 sản xuất hãng vi điều khiển bán dẫn NFX Module cho phép nhà phát triển giao tiếp với vi điều khiển dựa giao thức SPI, I2C UART Module RC522 hoạt động tần số 13.56 MHz đọc ghi thẻ UID / RFID Các thẻ RFID giao tiếp với module khoảng cách ngắn với tần số vô tuyến nhờ cảm ứng điện từ lẫn Trong thiết bị bảo mật thương mại, module phù hợp phát trạng thái thơng tin thẻ RFID Hình 2.5: Module đọc thẻ RFID - RC522 Các đặc tính RC522 : • • • • RFID RC522 sử dụng cảm ứng điện từ để kích hoạt thẻ có tần số 13,56MHz để truyền liệu Thẻ RFID sử dụng với hai mặt module khoảng cách tối đa 5cm Điện áp 3.3V yêu cầu để hoạt động Chế độ ngủ tự động giúp module tiêu thụ điện Module có ba loại giao tiếp (UART, SPI, I2C) Do đó, sử dụng • với hầu hết vi điều khiển Có thể truyền liệu lên đến 10Mb/s • NHĨM Báo cáo tập lớn – Hệ Thống Quán Lý Ra Vào Qua Thẻ RFID Ứng dụng module RFID RC522 : • • • RFID sử dụng thiết bị bảo mật Ở số công ty, thiết bị sử dụng mặt hàng mua sắm Một số sân bay bắt đầu sử dụng RFID để xác định kiểm tra túi xách vật dụng khác • Hệ thống chấm cơng bãi đậu xe sử dụng RFID 2.3 Khối vi điều khiển 2.3.1 Vi điều khiển SMT32F103C8T6 Giới thiệu sơ lược : STM32 dòng chip phổ biến ST với nhiều họ thông dụng F0,F1,F2,F3,F4… STMF103C8T6 thuộc họ F1 với lõi ARM COTEX M3 STM32F103C8T6 vi điều khiển 32 bit, tốc độ tối đa 72Mhz Giá thành rẻ so với loại vi điều khiển có chức tương tự Mạch nạp cơng cụ lập trình đa dạng dễ sử dụng Một số ứng dụng chính: dùng cho driver để điều khiển ứng dụng, điều khiển ứng dụng thông thường, thiết bị cầm tay thuốc, máy tính thiết bị ngoại vi chơi game, GPS bản, ứng dụng công nghiệp, thiết bị lập trình PLC, biến tần, máy in, máy quét, hệ thống cảnh báo, thiết bị liên lạc nội bộ… Cấu hình chi tiết STM32F103C8T6: Hình 2.8 : Chip STM32F103C8T6 NHÓM Báo cáo tập lớn – Hệ Thống Quán Lý Ra Vào Qua Thẻ RFID  ARM 32-bit Cortex M3 với clock max 72Mhz  Bộ nhớ:  64 kbytes nhớ Flash(bộ nhớ lập trình)  20kbytes SRAM  ADC 12 bit với kênh cho  Khoảng giá trị chuyển đổi từ – 3.6V  Lấy mẫu nhiều kênh kênh  Có cảm biến nhiệt độ nội  DMA: chuyển đổi giúp tăng tốc độ xử lý khơng có can thiệp q sâu CPU với kênh DMA Hỗ trợ DMA cho ADC, I2C, SPI, UART  timer  timer 16 bit hỗ trợ mode IC/OC/PWM  timer 16 bit hỗ trợ để điều khiển động với mode bảo vệ ngắt input, dead-time  watdog timer dùng để bảo vệ kiểm tra lỗi  sysTick timer 24 bit đếm xuống dùng cho ứng dụng hàm Delay…  Hỗ trợ kênh giao tiếp bao gồm:      I2C(SMBus/PMBus) USART(ISO 7816 interface, LIN, IrDA capability, modem control) SPIs (18 Mbit/s) CAN interface (2.0B Active) USB 2.0 full-speed interface 2.3.2 Vi điều khiển ESP8266 ESP8266 chip Espressif Systems có tích hợp cơng nghệ Wi-Fi với đặc tính giá rẻ, tương thích với nhiều tảng Nó có 11 chân GPIO (Chân đầu vào / đầu đa dụng) đầu vào analog, có nghĩa bạn lập trình giống với Arduino vi điều khiển khác Bản thân chip ESP8266 có 17 chân GPIO, số chân (6-11) sử dụng để giao tiếp với chip nhớ flash bo mạch Ngồi có kết nối Wi-Fi, sử dụng để kết nối với mạng Wi-Fi, kết nối Internet, lưu trữ máy chủ web với trang web thực, để điện thoại thông minh bạn kết nối với Khả esp8266 vơ tận! Khơng có lạ chip trở thành thiết bị IoT phổ biến có NHÓM 10 Báo cáo tập lớn – Hệ Thống Quán Lý Ra Vào Qua Thẻ RFID Hình 2.9 : Vi điều khiển ESP8266  Thông số ESP8266  WiFi: 2.4 GHz hỗ trợ chuẩn 802.11 b/g/n  Điện áp hoạt động: 3.3V  Điện áp vào: 5V thông qua cổng USB       Số chân I/O: 11 (tất chân I/O có Interrupt/PWM/I2C/One-wire, trừ chân D0) Số chân Analog Input: (điện áp vào tối đa 3.3V) Bộ nhớ Flash: 4MB Giao tiếp: Cable Micro USB Hỗ trợ bảo mật: WPA/WPA2 Tích hợp giao thức TCP/IP NHĨM 10 11 Báo cáo tập lớn – Hệ Thống Quán Lý Ra Vào Qua Thẻ RFID Phần III: Cách hoạt động hệ thống 3.1 Tổng quan hệ điều hành thời gian thức FreeRTOS Hệ thống vận hành dựa hệ điều hành thời gian thực Free-RTOS FreeRTOS hệ điều hành nhúng thời gian thực (Real Time Operating System) mã nguồn mở phát triển Real Time Engineers Ltd, sáng lập sở hữu Richard Barry FreeRTOS thiết kế phù hợp cho nhiều hệ nhúng nhỏ gọn triển khai chức như: chế quản lý nhớ tác vụ bản, hàm API quan trọng cho chế đồng Nó khơng cung cấp sẵn giao tiếp mạng, drivers, hay hệ thống quản lý tệp (file system) hệ điều hành nhúng cao cấp khác Tuy vậy, FreeRTOS có nhiều ưu điểm, hỗ trợ nhiều kiến trúc vi điều khiển khác nhau, kích thước nhỏ gọn (4.3 Kbytes sau biên dịch ARM7), viết ngơn ngữ C sử dụng, phát triển với nhiều trình biên dịch C khác (GCC, OpenWatcom, Keil, IAR, Eclipse, …), cho phép không giới hạn tác vụ chạy đồng thời, không hạn chế quyền ưu tiên thực thi, khả khai thác phần cứng Ngồi ra, cho phép triển khai chế điều độ tiến trình như: queues, counting semaphore, mutexes FreeRTOS hệ điều hành nhúng phù hợp cho nghiên cứu, học tập kỹ thuật, công nghệ viết hệ điều hành nói chung hệ điều hành nhúng thời gian thực nói riêng, việc phát triển mở rộng tiếp thành phần cho hệ điều hành hành (bổ sung modules, driver, thực porting) 3.2 Áp dụng hệ điều hành FreeRTOS vào hệ thống quản lý vào sử dụng thẻ RFID Phân chia tác vụ cho hệ thống quản lý vào sử dụng thẻ RFID Sơ đồ hệ thống tác vụ sau : Hình 2.11 : Các tác vụ hệ thống quản lý vào sử dụng thẻ RFID NHÓM 11 Báo cáo tập lớn – Hệ Thống Quán Lý Ra Vào Qua Thẻ RFID 12 Như hình 3.1 ta thấy hệ thống chia làm tác vụ STM32 khối điều khiển trung tâm vi xử lí điều khiển tồn tác vụ Các tác vụ hệ thống sau : - Task : Tác vụ có nhiệm vụ : • Thứ nhất, đọc tín từ module RFID Bất kể có thẻ từ đập vào module, thông tin thẻ(mã thẻ) gửi vi điều khiển • Sau có thơng tin thẻ, tác vụ thực chuẩn hóa thơng tin dạng Json gửi đến ESP8266 thơng qua giao thức UART Ví dụ : mã thẻ nhận abc1234xyz sau chuẩn hóa ta chuối json có dạng "ID" : " abc1234xyz " Khi nhận thông tin thẻ từ STM32, ESP8266 tiếp tục gửi thông tin lên database để thực trình truy xuất liệu Nếu liệu người dùng - - có sẵn, liệu đẩy ESP Như ESP hệ thống coi trạm trung chuyển liệu Task : Tác vụ có nhiệm vụ liên tục kiểm tra xem có liệu người dùng gửi từ ESP8266 hay không Dữ liệu gửi dạng Json bao gồm nhiều trường thông tin : Họ tên, ngày sinh, địa chỉ, số điện thoại v.v…Tác vụ thực tách thông tin cần thiết lưu vào biến công việc Task : Tác vụ có có nhiệm vụ lấy thông tin người dùng lưu lại tác vụ hiển thị lên hình LCD(TFT) Task : Tác vụ có nhiệm vụ điều khiển khóa cửa Tác vụ liên tục kiểm tra xem có tín hiệu thẻ hợp lệ xuất từ tác vụ hay khơng Nếu có xuất tín hiệu điều khiển hệ thống khóa cửa Ngồi ra, để theo dõi thêm, sửa hay xóa thơng tin người dùng database, nhóm thiết giao diện bao gồm app web giúp người giám sát dễ dàng quản lý Quá trình vận hành hệ thống biểu diễn qua sơ đồ sau : NHÓM 12 13 Báo cáo tập lớn – Hệ Thống Quán Lý Ra Vào Qua Thẻ RFID Hình 2.12 : Quá trình vận hành hệ thống quản lý vào sử dụng thẻ RFID Phần IV: Kết sản phẩm 4.1 Thiết kế phần cứng  Thiết kế PCP Hình 2.13: Hình ảnh 2D PCP hồn thiện NHĨM 13 14 Báo cáo tập lớn – Hệ Thống Quán Lý Ra Vào Qua Thẻ RFID Hình 2.14 : Hình ảnh 3D PCP hồn thiện Hình 2.15 :Bo mạch hồn thiện thực tế NHÓM 14 15 Báo cáo tập lớn – Hệ Thống Quán Lý Ra Vào Qua Thẻ RFID Hình 2.16: Sản phẩm hồn thiện sau đóng hộp Hình 2.17: Thơng tin người dùng hiển thị hình LCD 4.2 Thiết kế giao diện App quản lý thẻ NHÓM 15 16 Báo cáo tập lớn – Hệ Thống Quán Lý Ra Vào Qua Thẻ RFID Hình 2.18: Giao diện Log In App quản lý thẻ Hình 2.20: Giao diện hiển thị danh sách người dùng App NHÓM 16 17 Báo cáo tập lớn – Hệ Thống Quán Lý Ra Vào Qua Thẻ RFID Hình 2.21: Giao diện thêm, sửa xóa thơng tin người dùng Phần V : Hướng phát triển hệ thống Hiện hệ thống đừng lại mức việc quản lý nhận diện thẻ RFID hiển thị thơng tin, điều khiển số thiết bị… hướng phát triển hệ thống chúng em muốn phát triển thêm nhiều tính cập nhật thêm công nghệ để thuật tiện việc quản lý nói chung quản lý sinh viên nói riêng giải tối đa vấn đề tái khâu xử lý… Phát triển tiếp tính khác : • Tự động tạo mẫu đơn • Kết hợp với thẻ xe, thẻ vào học viện(thư viện,…) • Làm tác vụ làm việc với văn phịng cửa… • Có thể kết hợp nhận diện vân tay, hay hết nhận diện khn mặt… NHĨM 17 18 Báo cáo tập lớn – Hệ Thống Quán Lý Ra Vào Qua Thẻ RFID LỜI CẢM ƠN Chúng em xin gửi lời cảm ơn đến Học viện Cơng nghệ Bưu viễn thơng đưa môn Đồ án thiết kế hệ thống nhúng vào chương trình giảng dạy Đặc biệt, chúng em xin gửi lời cảm ơn đến giảng viên môn Nguyễn Ngọc Minh dạy dỗ, rèn luyện truyền đạt kiến thức quý báu cho chúng em suốt thời gian kỳ học vừa qua Trong lớp học thầy,chúng em tiếp thu thêm nhiều kiến thức bổ ích, học tập tinh thần làm việc nghiêm túc, hiệu Đây thực điều cần thiết cho trình học tập cơng tác sau nhóm Thời lượng mơn học khơng nhiều, có cố gắng hiểu biết kỹ môn học chúng em cịn hạn chế Do báo cáo chúng em cịn có thiếu sót chỗ chưa xác, kính mong giảng viên mơn xem xét góp ý giúp Bài báo cáo nhóm em hồn thiện Chúng em xin chân thành cảm ơn! Hà Nội, ngày 15 tháng 05 năm 2022 Sinh viên thực Lê Phương Nam Nguyễn Hải Long Ngô Thị Liên Nguyễn Đức Hùng NHÓM 18 ... Quán Lý Ra Vào Qua Thẻ RFID HỆ THỐNG QUÁN LÝ RA VÀO QUA THẺ RFID Phần I : Tìm hiểu nghiên cứu hệ thống quán lý qua thẻ RFID 1.1 Đánh giá tổng quan Hiện thi trường sử dụng nhiều sản phẩm, hệ thống. ..2 Báo cáo tập lớn – Hệ Thống Quán Lý Ra Vào Qua Thẻ RFID MỤC LỤC Phần I : Tìm hiểu nghiên cứu hệ thống quán lý qua thẻ RFID 1.1 Đánh giá tổng quan 1.2 Các hệ thống quản lý thẻ RFID... nghiên cứu môn học Phần II: Tổng quan ngoại vi chuẩn sử dụng 2.1 Sơ đồ hệ thống Hình 2.4: Sơ đồ tổng quan hệ thống  Như sơ đồ khối hệ thống bao gồm thành phần sau: • Khối ngoại vi, bao gồm module