Đồ án tốt nghiệp: Thiết kế hệ thống truy xuất nguồn gốc gia súc bằng RFID

Đề tài “Thiết kế hệ thống truy xuất nguồn gốc gia súc bằng RFID” với mục đích tạo ra hệ thống giúp người quản lý dễ dàng theo dõi, giám sát thông tin trang trại từ xa, tổng hợp thông tin từng cá thể từ lúc nhập về đến lúc xuất chuồng. a) Các vấn đề cần thực hiện của đồ án: Lập trình giao tiếp giữa MCU với các ngoại vi để đọc giá trị mã định danh gia súc, thân nhiệt, đọc mã Barcode và QRcode trên các bao bì vật tư của trang trại như thức ăn hay Vaccine để hiển trị trên màn hình cảm ứng. Thiết kế giao diện hiển thị: giao diện web và màn hình cảm ứng. Xây dựng các giải pháp lưu trữ dữ liệu và kịch bản hoạt động cho thiết bị cầm tay để đảm bảo thời gian hoạt động tối thiểu. Tính toán thiết kế phần cứng: Mạch nguyên lý, PCB, vỏ hộp. b) Các công nghệ và phương pháp được sử dụng: Vi điều khiển: sử dụng dòng vi điều khiển ESP32. Giao thức truyền thông: HTTPS. WebServer: sử dụng ngôn ngữ HTML, CSS, Javascript, PHP. Trình biên dịch: Nextion Editor, Visual Studio Code. Thiết kế phần cứng: Altium Designer, AutoCAD.

ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI Trường Điện - Điện tử ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Thiết kế hệ thống truy xuất nguồn gốc gia súc RFID NGUYỄN XUÂN THẮNG thang.nx181757@hust.hust.edu.vn Ngành Kĩ Thuật Điều khiển Tự động hóa Giảng viên hướng dẫn: ThS Đào Đức Thịnh Chữ ký GVHD Khoa: Trường: Tự động hóa Điện – Điện tử HÀ NỘI, 8/2023 BỘ GIÁO DỤC & ĐÀO TẠO CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI Độc lập - Tự - Hạnh phúc NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Họ tên sinh viên: Nguyễn Xuân Thắng Khóa 63 Tên đề tài: Trường: Điện - Điện tử Ngành: KT ĐK & TĐH Thiết kế hệ thống truy xuất nguồn gốc gia súc RFID Nội dung đề tài: - Tìm hiểu thực trạng, ứng dụng RFID truy xuất nguồn gốc gia súc Việt Nam Phân tích thông số cần theo dõi hệ thống quản lý Thiết kế thiết bị đọc thẻ RFID, hiển thị quản lý liệu trường Thiết kế WebServer kết nối với Database để theo dõi, quản lý, xử lý số liệu nhận từ vi điều khiển Xây dựng giải pháp trao đổi liệu thiết bị đọc thẻ cầm tay với Server Phân công công việc a) Sinh viên Nguyễn Xuân Thắng: - Lập trình vi điều khiển ESP32 nhận tín hiệu từ cảm biến, hiển thị lên hình điều khiển ngoại vi - Lập trình vi điều khiển giao tiếp với Server - Lập trình phía Server, xử lý lưu trữ liệu (Database) - Thiết kế giao diện web - Lập trình thao tác giao diện hình cảm ứng b) Sinh viên Lê Văn Duy: - Thiết kế mạch phần cứng: Mạch nguyên lý, mạch PCB - Thiết kế đóng vỏ cho sản phẩm - Thiết kế giao diện hiển thị hình cảm ứng - Xây dựng kịch hoạt động cho hệ thống Thời gian giao đề tài: 05/04/2023 Thời gian hoàn thành: 04/08/2023 Ngày tháng 08 năm 2023 CÁN BỘ HƯỚNG DẪN LỜI CẢM ƠN Đầu tiên, em xin chân thành cám ơn thầy giáo Ths Đào Đức Thịnh, người hướng dẫn trực tiếp em thực đề tài Thầy có định hướng trao đổi với em suốt thời gian em thực đồ ấn tốt nghiệp Em xin chân thành cám ơn thầy, cô giáo trực tiếp giảng dạy trau dồi cho em kiến thức quý giá suốt trình học tập, nghiên cứu Đại học Bách Khoa Hà Nội Em xin gửi lời cám ơn tới gia đình người gái ln động viên tinh thần giúp em vững vàng hành trình trở thành tân kỹ sư Đại học Bách khoa Hà Nội Cuối cùng, em xin chân thành cám ơn Ban giám đốc Đại học Bách khoa Hà Nội, Trường Điện – Điện Tử tạo điều kiện thuận lợi giúp em hồn thiện đồ án TĨM TẮT NỘI DUNG ĐỒ ÁN Đề tài “Thiết kế hệ thống truy xuất nguồn gốc gia súc RFID” với mục đích tạo hệ thống giúp người quản lý dễ dàng theo dõi, giám sát thông tin trang trại từ xa, tổng hợp thông tin cá thể từ lúc nhập đến lúc xuất chuồng a) Các vấn đề cần thực đồ án: - Lập trình giao tiếp MCU với ngoại vi để đọc giá trị mã định danh gia súc, thân nhiệt, đọc mã Barcode QRcode bao bì vật tư trang trại thức ăn hay Vaccine để hiển trị hình cảm ứng - Thiết kế giao diện hiển thị: giao diện web hình cảm ứng - Xây dựng giải pháp lưu trữ liệu kịch hoạt động cho thiết bị cầm tay để đảm bảo thời gian hoạt động tối thiểu - Tính tốn thiết kế phần cứng: Mạch ngun lý, PCB, vỏ hộp b) Các công nghệ phương pháp sử dụng: - Vi điều khiển: sử dụng dòng vi điều khiển ESP32 - Giao thức truyền thông: HTTPS - WebServer: sử dụng ngôn ngữ HTML, CSS, Javascript, PHP - Trình biên dịch: Nextion Editor, Visual Studio Code - Thiết kế phần cứng: Altium Designer, AutoCAD c) Tính thực tế đồ án: - Việc ứng dụng đề tài lĩnh vực nông nghiệp truy xuất nguồn gốc mang tính thực dụng cao Những thơng tin vật nuôi từ sinh đến xuất chuồng thu thập quản lý mã định danh Quy mô đề tài phù hợp với trang trại lớn có nhu cầu tự động hóa việc quản lý Sinh viên thực Ký ghi rõ họ tên MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN iv TÓM TẮT NỘI DUNG ĐỒ ÁN iv MỤC LỤC v DANH MỤC HÌNH VẼ viii DANH MỤC BẢNG BIỂU xi DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT xii CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG TRUY XUẤT NGUỒN GỐC GIA SÚC BẰNG RFID 1.1 Tìm hiểu chung cơng nghệ RFID Lịch sử đời Nguyên lý hoạt động Các thành phần cấu tạo Ưu nhược điểm 1.2 Vấn đề quản lý, giám sát gia súc trang trại Xu định nghĩa truy xuất nguồn gốc Truy xuất nguồn gốc thực phẩm chăn nuôi nước ta 1.3 Xây dựng giải pháp thiết kế hệ thống 10 1.4 Xây dựng yêu cầu hệ thống 12 1.5 Kết luận chương 15 CHƯƠNG THIẾT KẾ TỔNG QUAN HỆ THỐNG VÀ TÌM HIỂU CÁC CƠNG NGHỆ LIÊN QUAN 16 2.1 Xây dựng kịch đo mơ hình tổng quan hệ thống 16 2.2 Lựa chọn số linh kiện cho thiết bị 20 Khối MCU 20 Khối hiển thị 22 Khối nhận diện 22 Khối GSM/GPRS 23 Khối cảm biến lưu trữ 24 2.3 Giới thiệu giao thức giao tiếp ngoại vi 25 I2C 25 SPI 27 UART 28 2.4 Giới thiệu giao thức HTTPS 29 2.5 Giới thiệu công nghệ mạng LTE 30 2.6 Kết luận chương 30 CHƯƠNG THIẾT KẾ PHẦN CỨNG 31 3.1 Thiết kế mạch nguyên lý 31 Khối xử lý trung tâm MCU 31 Khối hiển thị, thông báo 33 Khối nhận diện 34 Khối GSM/GPRS 36 Khối cảm biến lưu trữ 38 Khối thời gian thực 40 Khối nguồn 41 3.2 Sơ đồ khối tổng quan 45 3.3 Thiết kế PCB 46 3.4 Tiêu chí thiết kế vỏ hộp 48 3.5 Kết luận chương 48 CHƯƠNG THIẾT KẾ PHẦN MỀM 49 4.1 Thiết kế phần mềm nhúng cho MCU ESP32 49 4.2 Thiết kế giao diện người quản lý 56 4.3 Thiết kế WebServer 62 Lập trình Frontend 63 Lập trình Backend 68 Thiết kế Database 69 4.4 Kết luận chương 70 CHƯƠNG KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC VÀ ĐÁNH GIÁ 71 5.1 Kết đạt 71 Mạch phần cứng 71 Giao diện Web 72 5.2 Thử nghiệm hệ thống 75 Thử nghiệm hoạt động khối 75 Thử nghiệp hoạt động thiết bị 76 Thử nghiệm hoạt động Server 79 5.3 Đánh giá kết thử nghiệm 83 Đánh giá thiết bị 83 Đánh giá phần mềm Web/Server 84 CHƯƠNG KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 85 6.1 Kết luận 85 6.2 Hướng phát triển tương lai 86 CHƯƠNG TÀI LIỆU THAM KHẢO 87 DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1 Người phát minh người Liên xô máy “Theremin [2] Hình 1.2 Bộ thu phát RFID giao tiếp với thẻ bị động [3] Hình 1.3 Mã hóa Manchester [4] Hình 1.4 Mã hóa BiPhase [4] Hình 1.5 Mã hóa PSK [4] Hình 1.6 Minh họa định dạng liệu thực tế [4] Hình 1.7 Các khối RFID Reader [5] Hình 1.8 Cấu trúc chung RFID Tag [5] Hình 1.9 Cấu trúc RFID Tag Passive [6] Hình 1.10 Sơ đồ truy xuất nguồn gốc thịt [8] Hình 1.11 Truy vấn thơng tin mã QR Code [8] Hình 1.12 Quy trình truy xuất nguồn gốc [8] 10 Hình 1.13 Máy kiểm kho Teki C72 UHF RFID Reader [2] 11 Hình 1.14 Zebra MC3330R UHF RFID Android El Terminali [10] 11 Hình 1.15 FX7500 Fixed RFID [11] 11 Hình 1.16 Mơ hình hệ thống tổng quan [9] 14 Hình 2.1 Quy trình chăn nuôi gia súc [12] 17 Hình 2.2 Sơ đồ tổng quan hệ thống 18 Hình 2.3 Sơ đồ thiết kế thiết bị cầm tay truy xuất nguồn gốc RFID 19 Hình 2.4 Thiết kế cảm biến hồng ngoại theo nguyên lý Narcissus [13] 24 Hình 2.5 Sơ đồ kết nối giao tiếp I2C chế độ Master [14] 25 Hình 2.6 Sơ đồ kết nối I2C nhiều master [14] 26 Hình 2.7 Sơ đồ nối dây Master Slave [14] 27 Hình 2.8 Sơ đồ nối dây chế độ SPI Indeoendent [14] 27 Hình 2.9 Sơ đồ nối dây chế độ SPI Daisy [14] 28 Hình 2.10 Khung liệu truyền UART [14] 28 Hình 2.11 Giao thức HTTP [15] 29 Hình 3.1 Thiết kế IC CP2012 tham khảo nhà sản xuất [16] 32 Hình 3.2 Giá trị điện áp tối đa chân RST [16] 32 Hình 3.3 Mức logic chân ghim chế độ [17] 32 Hình 3.4 Schematic khối MCU 33 Hình 3.5 Schematic khối hiển thị 34 Hình 3.6 Schematic khối nhận diện 35 Hình 3.7 Ảnh minh họa module SIMCOM A7600C-L1 [18] 36 Hình 3.8 A7600C kết nối UART tới MCU [18] 37 Hình 3.9 Mạch kết nối Sim Socket [18] 37 Hình 3.10 Schematic khối GSM/GPRS 38 Hình 3.11 Các giá trị trở Pullup chân SPI [19] 39 Hình 3.12 Schematic khối cảm biến 39 Hình 3.13 Schematic khối lưu trữ 40 Hình 3.14 Schematic khối thời gian thực 41 Hình 3.15 Dịng đỉnh làm sụt áp [18] 43 Hình 3.16 Schematic khối nguồn A7600C 44 Hình 3.17 Mạch nguồn 5V 3.3V 44 Hình 3.18 Sơ đồ nguyên lý tổng thể thiết bị 45 Hình 3.19 Mạch PCB 2D 46 Hình 3.20 Mạch PCB 3D 47 Hình 3.21 Tính tốn kích thước đường dây Angten 47 Hình 3.22 Mơ hình vỏ hộp sơ lược [11] 48 Hình 4.1 Lưu đồ thuật toán tổng quan 49 Hình 4.2 Lưu đồ thuật tốn chi tiết 55 Hình 4.3 Quá trình xử lý ngắt RTOS 56 Hình 4.4 Màn hình đăng nhập 58 Hình 4.5 Màn hình chức 59 Hình 4.6 Màn hình đọc thẻ 59 Hình 4.7 Màn hình thêm thẻ 60 Hình 4.8 Màn hình cài đặt 60 Hình 4.9 Màn hình Debug 61 Hình 4.10 Màn hình cho ăn/tiêm phịng 62 Hình 4.11 Sơ đồ khối hệ thống Web/Server 63 Hình 4.12 Lưu đồ thuật tốn giải thuật cho lập trình Frontend 64 Hình 4.13 Chức quản lý thơng tin trang trại 65 Hình 4.14 Chức xem thông tin chi tiết đối tượng 65 Hình 4.15 Chức thêm thẻ 66 Hình 4.16 Chức thêm mới/kiểm tra thông tin vật tư 66 Hình 4.17Chức đọc thơng tin gia súc 67 Hình 4.18 Chức hiển thị thông tin người dùng 67 Hình 4.19 Chức đổi mật 68 Hình 4.20 Chức cập nhập Firmware 68 Hình 4.21 Chức quản lý thông tin xuất chuồng 68 Hình 4.22 Lưu đồ thuật tốn khối giải thuật cho lập trình Backend 69 Hình 5.1 Mạch PCB Ver1.3 Bottom Layer 71 Hình 5.2 Mạch PCB Ver1.3 Top Layer 71 Hình 5.3 Màn hình đăng nhập 72 Hình 5.4 Màn hình đăng ký tài khoản 72 Hình 5.5 Màn hình thơng tin trang trại 73 Hình 5.6 Màn hình thơng tin chi tiết cá thể bò 73 Hình 5.7 Màn hình chức đọc thẻ 74 Hình 5.8 Màn hình thơng tin xuất chuồng 74 Hình 5.9 Màn hình thơng tin người dùng 74 Hình 5.10 Thông tin lưu lại thẻ SDCard 77 Hình 5.11 Dữ liệu thẻ ghi vào thẻ SDCard chế độ Offline 77 Hình 5.12 Chức Scan thẻ trường hợp thẻ đăng ký 78 Hình 5.13 Chức Scan thẻ trường hợp thẻ chưa đăng ký 79 Hình 5.14 Chức Scan thẻ Tag để thêm thẻ giao diện Web 79 Hình 5.15 Dữ liệu người dùng lưu Database 80 Hình 5.16 Thực nghiệm chức đăng nhập 80 Hình 5.17 Thử nghiệm tính đăng nhập 80 Hình 5.18 Database sau đăng ký thành cơng tài khoản 81 Hình 5.19 Thử nghiệm tính thay đổi mật 81 Hình 5.20 Database sau thay đổi mật 81 Hình 5.21 Thử nghiệm tính thay đổi thơng tin cá thể bị 82 Hình 5.22 Dữ liệu đối tượng bò sau cập nhập 82 Hình 5.23 Thử nghiệm tính xuất chuồng 83 Hình 5.24 Danh sách xuất chuồng sau cập nhập 83 Hình 5.25 Danh sách xuất chuồng tải 83 Hình 5.7 Màn hình chức đọc thẻ Hình 5.8 Màn hình thơng tin xuất chuồng Hình 5.9 Màn hình thơng tin người dùng Fb chủ: https://www.facebook.com/huy.anvan 74 5.2 Thử nghiệm hệ thống Thử nghiệm hoạt động khối Mục đích việc thử nghiệm kiểm tra khối thiết kế hoạt động ổn định chưa Thông qua việc đo đánh giá từ có phương án cụ thể để đánh giá thiết bị Các test thực nghiệm trời có nhiệt độ độ ẩm nằm giới hạn hoạt động thiết bị 5.2.1.1 Kiểm tra hoạt động ngoại vi Cấp nguồn cho khối lại, tiến hành lập trình để giao tiếp MCU với khối đó, kết cho Bảng 5.1 Bảng 5.1 Kết hoạt động thành phần ngoại vi Khối Chức Kết RFID Đọc thẻ RFID OK GM65 Quét mã OK SDcard Lưu trữ file OK Nextion 3.5” Hiển thị hình OK Mlx96014 Đo nhiệt độ OK 5.2.1.2 Kiểm tra hoạt động khối nguồn Sử dụng đồng hồ đo vạn độ xác cao để đo điện áp khối nguồn, điện áp cần đo điện áp nguồn, điện áp GSM/GPRS, điện áp MCU Kết đo loại điện áp tính trung bình sau 10 lần đo cho Bảng 5.2 Bảng 5.2 Kết đo mức điện áp khối nguồn Thông số cần đo Giá trị tính tốn (V) Điện áp nguồn 3.9 3.3 3.3 3.9 Giá trị đo sau 10 lần (V) 5.05 3.87 3.36 3.27 3.85 Sai số (%) 0.7 1.8 0.9 1.3 Điện áp MCU Điện áp GSM/GPRS Nhận xét: Khối nguồn hoạt động ổn định, không bị sụt áp module khác hoạt động liên tục Tuy nhiên, hạn chế thời gian nên chưa đo giá trị đỉnh điện áp, tần số nhiễu, dạng hài điện áp sai số tương ứng 5.2.1.3 Kiểm tra hoạt động MCU với GSM/GPRS Nạp code qua cổng MicroUSB để giao tiếp với A7600C-L1 kết test cho Bảng 5.3 Fb chủ: https://www.facebook.com/huy.anvan 75 Bảng 5.3 Bảng thử nghiệm chức Sim A7600C Chức Kết Power On/Off OK Đọc thông tin Sim Card OK Khởi tạo LTE-Cat4 OK Kết nối TCP/IP OK Truyền/Nhận liệu lên Server OK Nhận xét: Module SIMA7600C hoạt động ổn định, chức kết nối, giao tiếp với Server hoạt động thiết kế Tiến hành nối antenna cho module GSM/GPRS, lắp sim nhà mạng Viettel, kiểm tra cường độ sóng mạng GSM mà module thu AT Command, kết đo mô tả Bảng 5.4 Bảng 5.4 Cường độ chất lượng sóng đo điều kiện Điều kiện đo RSSI (dBm) Chất lượng sóng Không gắn antenna, đặt -91 -> -106 Marginal thiết bị vị trí thơng thống, rộng rãi Trong nhà, khu dân cư -81 -> -92 Good nhiều nhà cao tầng Trong nhà, xung quanh -73 -> -79 Excellent nhà cao tầng Ngoài trời, đặt thiết bị -59 -> -63 Excellent vị trí rộng rang, thơng thống Nhận xét: Phần antenna cho khối GSM/GPRS hoạt động tốt, ổn định Thử nghiệp hoạt động thiết bị Mục đích: Đánh giá cách tổng quát hoạt động thiết bị có đạt chức đặt hay khơng Các chức thiết bị là: - Nhận diện vật nuôi qua thẻ RFID - Hiển thị liệu vật nuôi sau truy xuất lên hình - Khả quét mã code để ghi chép vật tư thức ăn hay vacxin - Lưu trữ thông tin vật nuôi Server - Tiết kiệm lượng Test 1: Kiểm tra khả nhận diện, module RFID, GM65 cảm biến MLX96014 bao gồm thời gian đáp ứng, khoảng cách tới vật thể độ xác thực thông tin so với thơng tin lưu Database Fb chủ: https://www.facebook.com/huy.anvan 76 Bảng 5.5 Bảng thử nghiệm kết nhận diện vật nuôi Thời gian đáp ứng So sánh liệu (Hiển thị hình) Server RFID 10cm Khơng nhận < 6cm < 0.5s OK Gm65 15cm Không nhận < 10cm < 0.5s OK Mlx96014 10cm Không nhận 5cm Ngắt quãng OK 3cm < 0.3s OK Nhận xét: Thiết bị có khả nhận diện vật ni với khoảng cách gần 6cm, cần đưa sát đến gần vật ni 5cm để đo nhiệt độ, đáp ứng yêu cầu đặt đề tài Thiết bị Khoảng cách tới vật thể Hình 5.10 Thông tin lưu lại thẻ SDCard Hình 5.11 Dữ liệu thẻ ghi vào thẻ SDCard chế độ Offline Test 2: Kiểm tra đường truyền liệu từ thiết bị lên Server, đăng nhập từ hình thiết bị, cập nhật thẻ mới, quét mã code vật tư Các thơng số cần Fb chủ: https://www.facebook.com/huy.anvan 77 kiểm tra gồm thời gian truyền/nhận, tỉ lệ truyền nhận hoàn toàn (tỉ số phần trăm số lần truyền/nhận 20 lần thử nghiệm) độ tồn vẹn thơng tin Bảng 5.6 Bảng thử nghiệm kết cập nhật lên Server Thao tác Tỉ lệ truyền nhận Thời gian truyền/nhận ( hiển thị Website)