Thiết kế hệ thống quản lý Điểm danh sinh viên rfid thông qua Ứng dụng winform

Đề tài “Thiết kế hệ thống quản lý điểm danh RFID thông qua ứng dụng winform.”. Mô hình hệ thống bao gồm module Arduino kết nối với module RFID. Bằng cách sử dụng module RFID chúng ta sẽ quét thẻ RFID truyền dữ liệu đến Arduino, sau đó Arduino sẽ gửi dữ liệu đó đến máy tính thông qua giao tiếp Zigbee. Dữ liệu sẽ được so sánh với thời gian đặt trước của hệ thống, từ đó cho biết được trạng thái của sinh viên, toàn bộ thông tin được quản lý trên ứng dụng Window được tạo ra từ nền tảng Winform C#. Nội dung báo cáo gồm 5 chương: + Chương 1: Tổng quan về đề tài Đặt vấn đề, giới thiệu về các công trình nghiên cứu liên quan, mục tiêu của đề tài. + Chương 2 : Cơ sở lý thuyết Giới thiệu công nghệ, thành phần phương thức làm việc, ứng dụng của RFID. Module RFID RC522 và thẻ RFID. Giới thiệu module Arduino. Giới thiệu về các giao thức được sử dụng trong đồ án. Giới thiệu về Winform C# + Chương 3: Thiết kế hệ thống Nội dung chương này đề cập đến những giải pháp và cách thức thiết kế phần cứng cũng như phần mềm của hệ thống. + Chương 4: Kết quả thực nghiệm Chỉ rõ những kết quả đã đạt được trong quá trình thực hiện đề tài + Chương 5: Kết luận và định hướng đề tài Nêu những kết quả đã đạt được so với mục tiêu đã đặt ra. Đồng thời nêu ra ưu điểm nhược điểm của hệ thống. Từ đó đưa ra hướng phát triển cho đề tài.

Bên mình chuyên nhận thiết kế, hỗ trợ, tư vấn các đồ án môn, tốt nghiệp chuyênngành như: Cơ điện tử, Tự động hóa, Điện tử viễn thông, Cơ khí, Công nghệthông tin, IOT…, dự án cơ điện tử, tự động hóa

Hỗ trợ support từ A tới Z từ mô hình, full file thiết kế, báo cáo…Luôn đảm bảo thời gian hoàn thành, chất lượng sản phẩm và giá cả. -

Các bạn có nhu cầu hỗ trợ đồ án ,đặt đồ án, liên hệ : 👉 https://www.facebook.com/doangiaresv

👉 Số điện thoại & zalo : 0565271668👉 Kênh YouTube, list đồ án :

https://www.youtube.com/c/doansinhviengiare/videos#DienTuNGON

ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

THIẾT KẾ HỆ THỐNG QUẢN LÝ ĐIỂM DANHSINH VIÊN RFID THÔNG QUA ỨNG DỤNG

WINFORM

Ngành KT Điều khiển & Tự động hóa

Giảng viên hướng dẫn: Ths Lương Minh Sơn

HÀ NỘI, 12/2023

BỘ GIÁO DỤC & ĐÀO TẠO

ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAMĐộc lập – Tự do - Hạnh phúc

Chữ ký của GVHD

NHIỆM VỤĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Họ và tên sinh viên:

Khóa65 Trường: Điện- Điện tửNgành: KT ĐK &TĐH

1 Tên đề tài:

Thiết kế hệ thống quản lý điểm danh RFID thông qua ứng dụngwinform

2 Nội dung đề tài:

Đề tài “Thiết kế hệ thống quản lý điểm danh RFID thông qua ứngdụng winform” với các đặc điểm và chức năng như sau:

- Là một thiết bị điểm danh sinh viên với gồm 2 phần: 1 phần là mạchchủ - master, được cắm vào máy tính để nhận dữ liệu Còn 1 mạch làslave – được đặt tại lớp học, để sinh viên quẹt thẻ RFID điểm danh,module đọc RFID để đọc thẻ, kit Arduino Nano được lập trình để xử lýthông tin , LCD hiển thị…

- Phần mềm máy tính để người quản lý tương tác, giám sát sinh viên điểmdanh, và Database SQL lưu trữ cơ sở dữ liệu của các thông tin sinh viênđiểm danh

3 Thời gian giao đề tài: 12-10-20234 Thời gian hoàn thành: 25-01-2024

Ngày tháng … năm 2023

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

Lời cảm ơn

Trước tiên, em muốn bày tỏ lòng biết ơn tới trường Đại Học Bách KhoaHà Nội đã cung cấp cho em một môi trường học tập chuyên nghiệp và thúc đẩysự năng động, sáng tạo, đồng thời tích lũy được nhiều kiến thức và kỹ năng trongsuốt quá trình học tập tại đây Em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới các thày côvà bạn bè đã hỗ trợ em trong suốt quá trình học tập, giúp đỡ em vượt qua nhữngkhó khăn trước nhiều thử thách tại ngôi trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, giúpem trưởng thành hơn trong cuộc sống và chuẩn bị hành trang kiến thức vữngvàng cho những thử thách trong trương lai.

Để hoàn thiện đồ án này, em xin chân thành cảm ơn thầy giáo hướng dẫnThs.Lương Minh Sơn đã giúp đỡ em trong suốt quá trình tìm hiểu và thiết kế.

Em xin chân thành cảm ơn!

Tóm tắt nội dung đồ án xxxx

Đề tài “Thiết kế hệ thống quản lý điểm danh RFID thông qua ứng dụngwinform.” Mô hình hệ thống bao gồm module Arduino kết nối với moduleRFID Bằng cách sử dụng module RFID chúng ta sẽ quét thẻ RFID truyền dữliệu đến Arduino, sau đó Arduino sẽ gửi dữ liệu đó đến máy tính thông qua giaotiếp Zigbee Dữ liệu sẽ được so sánh với thời gian đặt trước của hệ thống, từ đócho biết được trạng thái của sinh viên, toàn bộ thông tin được quản lý trên ứngdụng Window được tạo ra từ nền tảng Winform C#.

Nội dung báo cáo gồm 5 chương:+ Chương 1: Tổng quan về đề tài

Đặt vấn đề, giới thiệu về các công trình nghiên cứu liên quan, mục tiêu củađề tài.

+ Chương 2 : Cơ sở lý thuyết

Giới thiệu công nghệ, thành phần phương thức làm việc, ứng dụng củaRFID Module RFID RC522 và thẻ RFID Giới thiệu module Arduino Giới thiệuvề các giao thức được sử dụng trong đồ án Giới thiệu về Winform C#

+ Chương 3: Thiết kế hệ thống

Nội dung chương này đề cập đến những giải pháp và cách thức thiết kếphần cứng cũng như phần mềm của hệ thống.

+ Chương 4: Kết quả thực nghiệm

Chỉ rõ những kết quả đã đạt được trong quá trình thực hiện đề tài+ Chương 5: Kết luận và định hướng đề tài

Nêu những kết quả đã đạt được so với mục tiêu đã đặt ra Đồng thời nêu raưu điểm nhược điểm của hệ thống Từ đó đưa ra hướng phát triển cho đề tài.

Sinh viên thực hiệnKý và ghi rõ họ tên

MỤC LỤC

Table of Contents

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU CHUNG 1

1.1 Đặt vấn đề 1

1.2 Yêu cầu đề tài 1

1.3 Phương hướng thiết kế 2

CHƯƠNG 2 CƠ SỎ LÝ THUYẾT 4

2.1 Các công nghệ không dây phổ biến 4

2.4 Các tiêu chuẩn công nghệ RFID 13

2.5 Ứng dụng, ưu điểm và nhược điểm của hệ thống RFID 15

2.6 Một số giao thức truyền thông giao tiếp trong mạch điện tử 18

3.4.1 Lưu đồ thuật toán 43

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU CHUNG1.1 Đặt vấn đề

Trong các môi trường công nghiệp, giáo dục và tổ chức, việc quản lý điểmdanh là một phần quan trọng để đảm bảo sự hiệu quả và theo dõi hoạt động củanhân viên, học sinh hoặc thành viên Hiện nay, công nghệ RFID (Radio-Frequency Identification) đã trở thành một công cụ quan trọng trong việc tự độnghóa quá trình điểm danh, mang lại nhiều lợi ích như tính chính xác cao và tiếtkiệm thời gian.

Hình 1 1Một số lĩnh vực áp dụng quản lý sử dụng công nghệ RFID

Tuy nhiên, việc triển khai và quản lý hệ thống điểm danh RFID vẫn cònmột số thách thức Đặc biệt, việc phát triển một ứng dụng giao diện người dùng(WinForms) dễ sử dụng và linh hoạt đồng thời tích hợp nhanh chóng với hệthống quản lý tổ chức là một vấn đề đáng xem xét.

Với bối cảnh này, đề tài nhằm tập trung vào việc thiết kế một hệ thống quảnlý điểm danh sử dụng công nghệ RFID thông qua một ứng dụng WinForms Mụctiêu là phát triển một giải pháp toàn diện, kết hợp tính năng điểm danh tự động vàkhả năng tương tác dễ dàng của người dùng, nhằm nâng cao hiệu quả quản lýtrong các môi trường đã đề cập.

1.2 Yêu cầu đề tài

Dựa trên những vấn đề đã trình bày ở mục 1.1 thì “Hệ thống quản lý điểm danhRFID thông qua ứng dụng Winform” cần đáp ứng những yêu cầu sau:

- Thiết kế thiết bị phần cứng đáp ứng được nhu cầu ờ mục 1.1- Quét thẻ RFID điểm danh sinh viên.

- Xây dựng trang winform đăng nhập, thiết lập cơ sở dữ liệu cho quản trị viên.- Xây dựng hệ thống điểm danh, thiết lập cơ sở dữ liệu lưu trữ thông tin sinh

xác trạng thái điểm danh của sinh viên: Đi muộn, đến sớm, đã điểm danh ravề.

1.3 Phương hướng thiết kế

Dựa trên những yêu cầu đặt ra của đề tài nhóm đã xây dựng sơ đồ khối tổng quancủa thiết bị nhứ sau:

Hình 1.1 Sơ đồ khối tổng quan

+ Hai phần được truyền thông với nhau qua module sóng RF Zigbee.- Phần mềm gồm:

+ GUI: Giao diện giao tiếp trực tiếp với người dùng cần đơn giản dễsử dụng( sử dụng Winform C#)

+ Xử lý các tính năng của yêu cầu đặt ra trên nền tảng GUI đã xâydựng.

+ Tạo các bảng cơ sở dữ liệu SQL để quản lý dữ liệu.

CHƯƠNG 2 CƠ SỎ LÝ THUYẾT2.1 Các công nghệ không dây phổ biến

RFID chính là viết tắt của thuật ngữ Radio Frequency Identification, ta cóthể hiểu đây chính là việc nhận dạng qua tần số vô tuyến RFID là một công nghệdùng kết nối sóng vô tuyến để cho phép một thiết bị đọc thông tin chứa trongchip không cần tiếp xúc trực tiếp ở khoảng cách xa, không thực hiện bất kỳ giaotiếp vật lý nào hoặc giữa hai vật không nhìn thấy Công nghệ này cho ta phươngpháp truyền , nhận dữ liệu từ một điểm đến một điểm khác.

Hình 2 1 RFID là gì ?

Lịch sử RFID đánh dấu từ những năm 1930 nhưng có nguồn gốc từ khíGuglielmo Macrconi phát hiện ra sóng radio Và rồi sau đó các ứng dụng củaRFID ngày càng được sự dụng nhiều hơn trong các công việc như xác định vậtthể, thiết bị giám sát vật thể, theo dõi lưu thông, đánh dấu thú vật,

Kỹ thuật RFID sử dụng truyền thông không dây trong dải tần sóng vô tuyếnđể truyền dữ liệu từ các tag(thẻ) đến các reader (bộ đọc) Tag có thể được đínhkèm hoặc gắn vào đối tượng được nhận dạng chẳng hạn sản phẩm, hộp hoặc giákê Reader scan dữ liệu của tag và gửi thông tin đến cơ sở dữ liệu có lưu trữ dữliệu của tag Ví dụ : các tag có thể được đặt trên kính chắn gió xe hơi để hệthống thu phí đường có thể nhanh chóng nhận dạng và thu tiền trên các tuyếnđường.

Dạng đơn giản nhất được sử dụng hiện nay là hệ thống RFID bị động với nguyênlý hoạt động như sau: thiết bị reader sẽ phát ra sóng điện từ ở một tần số nhấtđịnh qua anten của nó đến một con chip Reader nhận thông tin trở lại từ chip vàgửi nó đến máy tính điều khiển đầu đọc và xử lý thông tin lấy được từ chip Các

chip không tiếp xúc không tích điện, chúng hoạt động bằng cách sử dụng nănglượng nhận từ tín hiệu được gửi bởi reader.

Thẻ RFID tương tác với đầu đọc RFID và ăng ten nhờ sóng điện từ Đầuđọc hoặc ăng ten sẽ phát sóng điện từ tới thẻ RFID gần đó Năng lượng của sóngđiện từ sẽ được định hướng nhờ ăng ten, tạo thành dòng điện để cung cấp chochip bên trong thẻ Khi chip hoạt động, nó sẽ gửi lại thông tin thẻ về cho ăng tenvà đầu đọc Người dùng có thể xử lý thông tin trong thẻ bằng nhiều phương phápkhác nhau.

Thẻ RFID là một thiết bị lưu trữ và truyền dữ liệu đến một đầu đọc trongmột môi trường tiếp xúc bằng sóng vô tuyến Thẻ RFID mang dữ liêu một vậtmột sản phẩm (item…) nào đó và gắn lên sản phẩm đó Mỗi thẻ có các phần lưutrữ dữ liệu bên trong và cách giao tiếp với dữ liệu đó Vài thẻ RFID giống nhưnhững nhãn giấy và được ứng dụng để bỏ vào hộp và đóng gói Một số khácđược sáp nhập thành vách của thùng chứa plastic được đúc Còn một số khácđược xây dựng thành miếng da bao cổ tay Mỗi thẻ được lập trình với một nhậndạng duy nhất cho phép theo dõi không dây đối tượng hoặc con người đang gầnthẻ đó Thông thường mỗi thẻ RFID có một cuộn đây hoặc anten nhưng khôngphải tất cả RFID đều có vi chip và nguồn năng lượng riêng.

Một số thông tin ngắn gọn về thẻ RFID:

- Phần lớn thẻ RFID không sử dụng pin, mà lấy năng lượng từ sóng điện từ.

- Các loại thẻ sử dụng pin có thể truyền phát dữ liệu ở khoảng cách xa hơn rất nhiều so với loại trên

- Thẻ RFID có thể đọc khi bị che bởi vật khác, đây là điểm nổi trội so với mã vạch

- Tầm đọc của thẻ có thể ngắn trong khoảng vài centimet, và cũng có thể kéo dài tới vài chục met

- Mỗi loại thẻ sẽ có cấu tạo ăng ten riêng biệt để tối ưu hóa khả năng đọc

Hình 2 2 Cấu tạo thẻ RFID

Về cơ bản, thẻ RFID sẽ có hai bộ phận quan trọng nhất là chip và ăng ten,trong đó:

- Ăng ten có nhiệm vụ nhận sóng điện từ, cung cấp năng lượng cho chip và gửi lại thông tin về đầu đọc

- Chip có nhiệm vụ xử lý thông tin, chứa dữ liệu độc nhất của thẻ Chỉ có một vài công ty chuyên sản xuất chip RFID, và sự khác biệt giữa các loại chip nằm ở dung lượng bộ nhớ.

Chip của thẻ RFID có 4 Memory Bank, được phân biệt như sau:

- EPC Memory Bank: chứa mã điện tử của sản phẩm (Electronic Product Code), có thể có dung lượng từ 96 tới 496 bit Một số nhà sản xuất sử dụng các dãy chữ số ngẫu nhiên và độc nhất, một số khác lại sử dụng các dãy số ngẫu nhiên nhưng có thể lặp lại.

- User Memory Bank: chứa dữ liệu người dùng, có thể có dung lượng từ 32 bit cho tới 64kbit Không phải chip nào cũng có User Memory Bank,và dữ liệu này có thể cung cấp thông tin chi tiết hơn về sản phẩm như loại hàng hóa, lần bão dưỡng cuối cùng hoặc số Serial.

- Reserved Memory Bank: chứa mã truy cập, cho phép người dùng mã hóa thẻ và phải có mã này thì thẻ mới đọc được.

- TID Memory Bank: chứa định danh thẻ, là một dãy số ngẫu nhiên và duy nhất, được đặt bởi nhà sản xuất và không thể thay đổi Cần cấu hình riêng để đầu đọc có thể đọc TID thay cho EPC.

Hình 1 2 Thẻ RFID

2.2.2 Thiết bị đọc thẻ

Đầu đọc FRlD (hay còn gọi là interrogator) là thiết bị kết nối không dây vớithẻ để dễ dàng nhận dạng đối tượng được gắn thẻ Nó là một thiết bị đọc và ghidữ liệu nên thẻ FRID tương thích Thời gian mà đầu đọc có thể phát năng lượngRF để đọc thẻ được gọi là chu trình làm việc của đầu đọc Đầu đọc có nhiệm vụkích hoạt thẻ, truyền dữ liệu bằng sóng vô tuyến với thẻ, thực hiện giải điều chếvà giải mã tín hiệu nhận được từ thẻ ra dạng tín hiệu cần thiết để chuyển về máychủ, đồng thời cũng nhận lệnh từ máy chủ để thực hiện các yêu cầu truy vấn hayđọc ghi thẻ.

Đầu đọc thẻ là hệ thần kinh trung ương của toàn bộ hệ thống phần cứngRFID thiết lập việc truyền với thành phần này và điều khiển nó, là thao tác quantrọng nhất của bất kỳ thực thể nào muốn liên kết với thiết bị phần cứng này.

Gồm các phần:

- Máy phát: Máy phát của đầu đọc truyền nguồn AC và chu kỳ xung đồng hồ qua anten của nó đến thẻ trong phạm vi được cho phép Đây là một phần của máy phát thu, thành phần chịu trách nhiệm gửi tín hiệu của đầu đọc đến môi trường xung quanh và nhận lại đáp ứng của thẻ qua anten củađầu đọc anten của đầu đọc có thế được gắn với mỗi cổng anten Hiện tại thì một số đầu đọc có thể hỗ trợ lên đến 4, 8,16, 32 cổng anten.

- Máy thu: Nó nhận tín hiệu tương tự từ thẻ qua anten của đầu đọc Sau đó gửi những tín hiệu này tới vi mạch của đầu đọc và chuyển dữ liệu thành dữ liệu được biểu thị dưới dạng số.

- Vi mạnh: Cung cấp giao thức cho đầu đọc để nó kết nối với thẻ tương thích của nó Nó thực hiện giải mã và kiểm tra lỗi tín hiệu tương tự nhận từ máy thu Ngoài ra vi mạch còn có chứa bộ xử lý để thực hiện việc lọc và xử lý dữ liệu đọc được từ thẻ.

- Bộ nhớ: Bộ nhớ dùng lưu dữ liệu như các tham số cấu hình đầu đọc và hệ thống bán kê khai số lần đọc thẻ Vì vậy nếu kết nối giữa đầu đọc và hệ

thống vi mạch bị hỏng thì dữ liệu cũng không bị mất Tuy nhiên, dung lượng của bộ nhớ sẽ giới hạn số thẻ đọc được trong một khoảng thời gian Nếu trong quá trình đọc mà việc kết nối bị hỏng thì một phần dữ liệu đã lưu sẽ bị mất ( bị ghi đè bởi các thẻ khác được đọc sau nó).

- Các kênh vào ra của cảm biến, cơ cấu chấp hành, bảng tín hiệu điện báo bên ngoài: Có một số loại cảm biến như cảm biến về ánh sáng hoặc chuyển động để phát hiện các đối tượng được gắn thẻ trong phạm vi của đầu đọc Cảm biến này cho phép đầu đọc bật lên để đọc thẻ.

- Mạch điều khiển: Cho phép thành phần bên ngoài là con người hoặc chương trình máy tính giao tiếp, điều khiển với đầu đọc này Nó có thể đi liền với đầu đọc (như phần mềm hệ thống firmware) hoặc được tách riêng thành một phần mềm hoặc phần cứng và phải mua chung với đầu đọc.- Giao diện truyền thông: Cung cấp các lệnh cho đầu đọc, nó cho phép

tương tác với các thành phần bên ngoài qua mạch điều khiển, để truyền dữliệu của nó, nhận lệnh và gửi lại phản hồi Có thể xem nó là một phần của mạch điều khiển.

- Nguồn năng lượng: Thành phần này cung cấp nguồn năng lượng cho các thành phần của đầu đọc.

Hình 2 3 Các thành phần của một Reader

2.2.3 Anten thu phát sóng vô tuyến

Anten là các phần tử cho phép bức xạ chuyển năng lượng sóng được giữ ởdạng các trường điện, trường từ (trên các ống dẫn sóng) thành sóng điện từ lantruyền trong không gian.

Là thiết bị liên kết giữa thẻ và thiết bị đọc Thiết bị đọc phải xa tín hiệusóng để kích hoạt và truyền nhận với thẻ.

Có 3 kiểu liên lạc phổ biến giữa thiết bị thu nhận sóng RF:

- Simplex (Đơn công VD: Remote điều khiển từ xa)

- Half-duplex (Bán song công VD: Bộ đàm, tại một thời điểm chỉ có một máy phát và một máy thu)

- Full-duplex (Song công VD: Máy điện thoại vừa phát vừa thu – vừa nói vừa nghe)

Do mỗi đầu chỉ sử dụng 1 anten (vừa phát, vừa thu hoặc chỉ để phát haythu) nên cũng nói thêm về sơ đồ của những loại này:

Hình 2 5 Phương thức truyền Half-duplex(bán song công)

- Với phương thức full-duplex (Song công) thì mạch điện bên trong hơi phức tạp hơn một tí.

- Cần có bộ điều hướng anten gọi là Circulator.

- Bộ này có chức năng vừa đưa tín hiệu của bộ phát Tx lên anten để bức xạ ra không gian vừa lấy tín hiệu thu về và đưa vào bộ thu Rx mà khônglẫn vào nhau (không nhiễu nội bộ).

Hình 2 6 Phương thức truyền Duplex(song công)

2.2.4 Các thành phần khác

Máy chủ và hệ thống phần mềm: về mặt lí thuyết, một hệ thống RFID cóthể hoạt động mà không cần thành phần này Thực tế, một hệ thống RFID gầnnhư không có ý nghĩa nếu không có thành phần này.

Cơ sở hạ tầng truyền thông: là thành phần bắt buộc, nó là một tập gồm cả2 mạng có dây và không dây và các bộ phận kết nối tuần tự để kết nối các thànhphần đã liệt kê ở trên với nhau để chúng truyền (giao tiếp) với nhau hiệu quả.

Database: là hệ thống thông tin phụ trợ để theo dõi và chứa thông tin vềitem có đính thẻ Thông tin được lưu trong database bao gồm định danh item,phần mô tả nhà sản xuất hoạt động của item, vị trí Kiểu thông tin chứa trongdatabase sẽ biến đổi tùy theo ứng dụng Các database cũng có thể kết nối đến cácmạng khác như mang LAN để kết nối database qua Internet Việc kết nối này chophép dữ liệu chia sẻ với một database cục bộ mà thông tin được thu thập trướctiên từ nó

Hình 2 7 Sơ đồ tổng quát của một hệ thống RFID

2.3 Phương thức làm việc

Một hệ thống RFID có ba thành phần cơ bản: thẻ, đầu đọc, và một hostcomputer RFID hoạt động trên nền tảng sóng vô tuyến kết hợp với máy tínhquản lý bao gồm thẻ, đầu đọc thẻ và máy tính chủ Thẻ RFID gắn vào sản phẩmđược tích hợp chip bán dẫn và ăng-ten thu sóng Đầu đọc thẻ nhận tín hiệu từ thẻRFID từ xa, có thể lên đến 50m tùy vào nguồn năng lượng được cung cấp cho thẻRFID, chuyển dữ liệu đến máy tính để phân tích và xử lý thông tin về đối tượngđó.

Hình 2 8 Truyền nhận trong hệ thống RFID

Vài thẻ RFID giống như những nhãn giấy và được ứng dụng để bỏ vào hộpvà đóng gói Một số khác được sáp nhập thành các vách của các thùng chứaplastic được đúc Còn một số khác được xây dựng thành miếng da bao cổ tay.Mỗi thẻ được lập trình với một nhận dạng duy nhất cho phép theo dõi không dâyđối tượng hoặc con người đang gắn thẻ đó Bởi vì các chip được sử dụng trongthẻ RFID có thể giữ một số lượng lớn dữ liệu, chúng có thế chứa thông tin nhưchuỗi số, hướng dẫn cấu hình, dữ liệu kỹ thuật, sổ sách y học, và lịch trình Cũngnhư phát sóng tivi hay radio, hệ thống RFID cũng sử dụng bốn băng thông tần sốchính: tần số thấp (LF), tần số cao (HF), siêu cao tần (UHF) hoặc sóng cực ngắn(viba) Các hệ thống trong siêu thị ngày nay hoạt động ở băng thông UHF, trongkhi các hệ thống RFID cũ sử dụng băng thông LF và HF Băng thông viba đangđược để dành cho các ứng dụng trong tương lai.

Các thẻ RFID có thế được cấp nguồn bởi một bộ pin thu nhỏ trong thẻ (cácthẻ active) hoặc bởi một RFID reader mà nó “Wake up" thẻ để yêu cầu trả lời khithẻ đang trong phạm vi (thẻ passive).

Hình 2 9 Hoạt động giữa tag và reader trong hệ thống RFID

Thẻ active RFID có thể được đọc xa 100m từ RFID reader và là thẻ “thôngminh" (với bộ nhớ được viết lên và xóa như một ổ cứng máy tính) hoặc là thẻ chỉđọc.Thẻ passive RFID có thể được đọc xa RFlD reader 10m và nói chung là bộnhớ chỉ đọc Kích thước thẻ và giá cả, dải đọc, độ chính xác đọc/ghi, tốc độ dữliệu và chức năng hệ thống thay đổi theo đặc điểm nêu ra trong thiết kế và dải tầnhệ thống FRlD sử dụng.

RFID reader gồm một anten liên lạc với thẻ RFID và một đơn vị đo điện tửhọc đã được nối mạng với host computer Đơn vi đo tiếp sóng giữa hostcomputer và tất cả các thẻ trong phạm vi đọc của anten, cho phép một đầu đọcliên lạc với hàng trăm thẻ đồng thời Nó cũng thực thi các chức năng bảo mậtnhư mã hóa/ giải mã và xác thực người dùng Đầu đọc RFID có thế phát hiện thẻngay cả khi không nhìn thấy chúng.

Hầu hết các mạng RFID gồm nhiều thẻ và nhiều đầu đọc được nối mạngvới nhau bởi một máy tính trung tâm Host xử lý dữ liệu mà các đầu đọc thu thậptừ các thẻ và chuyển tiếp giữa mạng RFID và các hệ thống kỹ thuật thông tin lớnhơn, mà nơi đó quản lý dây chuyền hoặc cơ sở dữ liệu quản lý có thể thực thi.“Middleware” phần mềm nối hệ thống RFID với một hệ thống IT (InformationTechnology) quản lý luồng dữ liệu.

2.4 Các tiêu chuẩn công nghệ RFID

Tiêu chuẩn của RFID là những hướng dẫn quan trọng về kỹ thuật hay cácđặc điểm chi tiết kỹ thuật của tất cả các sản phẩm RFID Các tiêu chuẩn nàynhằm cung cấp thông tin về cơ chế vận hành của hệ thống RFID, thông tin của

tần số hoạt động, cách truyền dữ liệu, cách thu – phát tín hiệu giữa đầu đọcRFID và các thẻ từ.

Các tiêu chuẩn RFID có nhiệm vụ đảm bảo rằng các sản phẩm RFID hoạtđộng với nhau một cách tương thích và hoàn hảo Chúng hoạt động tự động hóavới nhau, không cần phải phụ thuộc vào đại lý hay người tiêu dùng phải tác độngvào chúng Đồng thời, các tiêu chuẩn RFID còn cung cấp các thông tin quantrọng, nhằm hướng dẫn các nhà sản xuất hay người chế tạo có thể phát triển bổsung thêm các sản phẩm khác hay cải tiến sản phẩm hiện có.

Ngoài ra, các tiêu chuẩn RFID còn có giá trị đặc biệt khác, đó là giúp cáccông ty, các ngành công nghiệp có ứng dụng sản phẩm RFID mở rộng thị trườngvà tăng tính cạnh tranh hơn, đặc biệt là cạnh tranh về giá Điều này sẽ giúp thúcđẩy các sản phẩm RFID luôn ở trong cuộc đua hạ giá thành và tăng chất lượng.

Tiêu chuẩn RFID còn có giá trị làm tăng tính chính xác, tính ứng dụng vàsự phát triển, phổ biến rộng rãi của các sản phẩm công nghệ.

Các tiêu chuẩn RFID được xác lập, hoàn thiện và ban hành bởi các cơ quanthuộc các ngành công nghiệp cụ thể trong phạm vi quốc gia, khu vực hay toàncầu Đối với các tiêu chuẩn trong phạm vi quốc tế, thì khung nội dung của cáctiêu chuẩn sẽ có nhiều phần hơn Tổ chức quốc tế ban hành tiêu chuẩn RFID hiệnnay gồm: EPCglobal (tổ chức liên hợp GS1), Ủy ban Kỹ thuật Điện Quốc tế(IEC), Tổ chức Tiêu chuẩn Quốc tế (ISO) Và Ủy ban Đa kỹ thuật (JTC 1) – mộtỦy ban được thành lập bởi ISO và IEC Bên cạnh đó, các đơn vị quy định khuvực sử dụng cũng có vai trò không nhỏ trong việc chi phối giá trị sử dụng củaRFID, bao gồm: Ủy ban Truyền thông Liên bang (FCC) do Hoa Kỳ phụ trách,Viện Tiêu chuẩn Viễn thông châu Âu (ETSI) tại Châu Âu Tại các khu vực kháccũng có các cơ quan quy định quy chế tiêu chuẩn riêng của mình.

Các tổ chức giám sát tiêu chuẩn RFID ứng dụng trong các ngành côngnghiệp, cụ thể bao gồm các Hiệp hội Đường sắt Mỹ (AAR), Nhóm Tiêu chuẩnCông nghiệp ô tô (AIAG), các Hiệp hội Vận tải đường bộ Mỹ (ATA) và Hiệp hộiVận tải Hàng không Quốc tế (IATA) Ngoài ra, các nhóm Sáng chế và cải tiếnRFID GS1 VICS (VILRI) có nhiệm vụ giám sát các tiêu chuẩn xoay quanh lĩnhvực dán, gắn thẻ, tạo nhãn hiệu và việc ứng dụng công nghệ RFID trong suốt cáckhâu trong chuỗi kinh doanh bán lẻ.

Hiện tại, hệ thống RFID thụ động UHF là loại hệ thống RFID duy nhấtđược quy định bởi tiêu chuẩn quốc tế, có phạm vi ứng dụng toàn cầu.

Các hệ thống RFID chủ động, RFID thụ động LF, RFID thụ động HF vàloại hệ thống RFID thụ động UHF, tất cả đều có tiêu chuẩn quy định riêng củamình, quyết định đến đặc tính từng sản phẩm ứng dụng có liên quan.

Như đã nói đến ở trên, hệ thống RFID thụ động UHF hiện nay là loại duynhất được quy định bởi duy nhất một hệ tiêu chuẩn quốc tế Tiêu chuẩn này đượcgọi là EPCglobal UHF Gen 2 V1 hay UHF Gen 2 UHF Gen 2 được định nghĩalà một loại giao thức truyền thông của một hiện tượng tán xạ ngược thụ động,chúng chỉ nhận dạng được tín hiệu vô tuyến từ đầu đọc RFID có mức dải tần sốlà 860MHz – 960MHz.

Các bài thử nghiệm kiểm tra chất lượng nhằm chứng nhận EPCglobal baogồm các nội dung: Kiểm tra sự phù hợp, tương thích của hệ thống; Đảm bảo rằngcác sản phẩm RFID đều phù hợp với chế độ, tiêu chuẩn UHF Gen 2; cuối cùnglà những bài thử nghiệm nhằm kiểm tra chắc chắn rằng các giao diện của các loạiđầu đọc được thiết kế đúng để tương thích hoàn toàn với những sản phẩm Gen 2khác Trong khi hầu hết các thẻ RFID thụ động lấy tín hiệu sóng tần từ đầu đọclàm năng lượng hoạt động, kích hoạt vi mạch trong thẻ (IC) và tán xạ lại tín hiệuđến đầu đọc, thẻ BAP thì lại sử dụng một nguồn điện được tích hợp sẵn trong thẻ( thường là pin) để khởi động các vi mạch, khi đó toàn bộ năng lượng nhận đượctừ đầu đọc sẽ được tán xạ ngược hoàn toàn đến đầu đọc Tuy nhiên, không giốngnhư bộ phận phát đáp tín hiệu, thẻ BAP không có bộ phận ăng-ten cho mình.

Phiên bản mới nhất của tiêu chuẩn UHF Gen 2 (hay còn được gọi là UHFGen 2 V2, gọi tắt là G2) đang trong quá trình chờ kiểm nghiệm và phê duyệt.Tiêu chuẩn mới này được xây dựng dựa trên các tiêu chuẩn V1 ban đầu, nhưngđược cải tiến hơn về khả năng bảo mật thông tin dữ liệu chia sẻ trong hệ thốngRFID được kỹ lưỡng và mạnh mẽ hơn, không chỉ nhằm bải vệ dữ liệu mà cònnhằm ngăn ngừa tình trạng bị thẻ giả trà trộn.

Với tiêu chuẩn G2, người dùng có thể ẩn tất cả, ẩn một phần, hoặc xóa dữliệu trong bộ nhớ thẻ từ, tùy thuộc vào thiết lập quyền truy cập của đầu đọc và vimạch Nhằm khắc phục tình trạng đầu đọc hay thẻ bị truy cập trộm hay thậm chílà sửa đổi dữ liệu trong thẻ Điều này sẽ có tác dụng ngăn cản các hành vi trộmcắp dữ liệu hoặc trà trộn, làm giả thẻ.

Các tiêu chuẩn G2 cũng cung cấp một giải pháp chống hàng giả hữu hiệuliên quan đến lĩnh vực thẻ chứng thực mã hóa Thẻ UHF Gen 2 V1 có cơ chếhoạt động là sẽ tán xạ ngược tín hiệu đến đầu đọc, cho nên chúng có nhược điểmlà dễ bị sao chép để làm giả thẻ Còn với phên bản tiêu chuẩn G2 thì khác, mỗilần đầu đọc gửi một tín hiệu đến vi mạch trong thẻ, nó sẽ gửi kèm lệnh là một

dãy số bí mật khác nhau và thẻ từ sẽ nhận lệnh và phản hồi lại đúng mã số chínhxác mà đầu đọc cần để nhận dạng được tốt và bảo mật hơn.

Có thể nói, ngày nay, chính công nghệ RFID và hàng loạt ứng dụng bất tậncủa chúng đã góp phần không nhỏ làm thay đổi bộ mặt thế giới, giúp nâng caochất lượng sống của con người thêm tiện nghi và hiện đại Hy vọng với nhữngthông tin mà bài viết cung cấp ở trên sẽ giúp bạn có được cái nhìn cơ bản, rõ hơnvề tiêu chuẩn RFID cũng như vai trò, tầm quan trọng của chúng trong việc ứngdụng và phát triển hệ thống RFID trong cuộc sống hằng ngày.

2.5 Ứng dụng, ưu điểm và nhược điểm của hệ thống RFID

Ứng dụng: RFID được ứng dụng trong các lĩnh vực sau:- Trong giao thông vận tải:

+ Ở các nước phát triển công nghệ RFID được sử dụng để thu phí đường bộmột cách tự động Với tần số là 900 Mhz và 2.45 Ghz, thẻ RFID được gắntrực tiếp trên xe, đầu đọc thẻ sẽ được gắn ở trạm Theo đó khi có xe chạyqua đầu đọc có thể nhận dạng và ngay lập tức tự động trừ phí Phươngpháp này giải quyết được tình trạng tắc nghẽn, giúp tránh thất thoát chocông việc thu phí và giảm thiểu tối đa nguồn nhân sự cần sử dụng.

Hình 1 3 Ứng dụng công nghệ RFID

+ Việc quản lí kho bãi và phân phối trở nên dễ dàng hơn bao giờ hết nhờcông nghệ RFID RFID có thể được gắn trên các đầu máy, toa xe lửa hay

RFID được sử dụng để bảo dưỡng máy bay, xác định hành lí, hàng hóa tạisân bay Các công ty bưu chính viễn thông có thể sử dụng để giám sát cácbưu phẩm được vận chuyển quốc tế giữa các trung tâm bưu chính quốc tếvới nhau Họ có thể giám sát thời gian vận chuyển các bưu phẩm có gắnthẻ RFID, điều đó giúp các vấn đề quản lý và giải quyết các vấn đề mộtcách nhanh gọn, tiết kiệm.

- Trong kinh doanh: RFID có thể thay thế kĩ thuật mã vạch hiện nay bởingoài việc xác định được nguồn gốc người quản lí còn có thể biết đượcchính xác mặt hàng trên quầy hay trong kho Việc sử dụng các thẻ RFIDmỏng thay cho mã vạch tại các siêu thị lớn giúp đảm bảo an toàn tránh việcthất thoát hàng hóa Việc kiểm kho cũng sẽ được giảm bớt.

- An ninh, kiểm soát : Hệ thống RFID khắc phục được hạn chế của cácphương pháp nhận dạng tự động Hệ thống có thể hoạt động hiệu quả trongcác môi trường khắc nghiệt, những nơi bụi bẩn, ẩm ướt thậm chí cả ở nhữngnơi phạm vi quan sát bị hạn chế Một trong đó là khả năng đọc trong cácmôi trường khắc nghiệt với tốc độ đáng chú ý, hầu hết các trường hợp thờigian phản ứng dưới 100 mili giây.

- Y tế, giáo dục: Công nghệ RFID không những được sử dụng cho vật màcòn có thể được sử dụng cho con người Ở các bệnh viện vòng đeo tayRFID được mang cho các trẻ em mới sinh và những người già mất trí Việcquản lí hồ sơ bệnh án cũng có thể sử dụng công nghệ này Ngành giáo dụccũng dần áp dụng công nghệ RFID trong công tác quản lí các thiết bị, tàisản, vật tư.

- Ưu điểm:

+ Khả năng sử dụng mạnh mẽ: Thẻ RFID được gắn lên đến đối tượng cần theo dõi Thẻ này có thể đính lên bất cứ sản phẩm nào, từ vỏ hộp, đế giày Một thẻ tag RFID cho phép bạn có thể sửa đổi thông tin của thẻ đó hàng nghìn lần Nghĩa là một thẻ tag RFID có thể sử dụng nhiều lần Một thẻ đã được ghi dữ liệu thì rất có có thể thay đổi.+ Vượt trội công nghệ cũ: Ưu thế của công nghệ RFID so với các mã

vạch là các hệ thống RFID không cần đến một tia quét của máy quét mới có thể đọc được mã vạch Các tia quét giữa một thẻ và thiết bị đọcđể có thể làm việc vì các sóng vô tuyến có khả năng lan truyền qua nhiều chất liệu rắn khác nhau Trong các ứng dụng quản lý tại hầu hết các thời điểm đều có một số lượng lớn hàng hóa di chuyển Nên rất khó để bạn có thể đưa từng mã vạch qua máy quét mã vạch được Đâychính là ưu điểm lớn của công nghệ RFID so với công nghệ mã vạch thông thường Phạm vi đọc của mã vạch có thể có được một khoảng khá dài Thông thường các phạm vi đọc đó có giá trị vàokhoảng cỡ vàichục cm Tuy nhiên các phạm vi đọc của các thẻ RFID lại có một khoảng thay đổi khá rộng Chúng bị phụ thuộc vào tần số hoạt động

của hệ thống Thông thường, các phạm vi đọc của các thẻ RFID có thểchạy từ vài cm tới vài mét Hệ thống RFID sử dụng dải tần UHF sẽ có khoảng cách đọc lớn hơn.thậm chí có những hệ thống khoảng cách đọc có thể lên tới 300 feet ( 100 m ) phụ thuộc vào từng ứng dụng cụ thể.

+ Tính bảo mật nâng cao: Dữ liệu mã vạch có tính bảo mật rất thấp Bởi vì các mã vạch cần thiết phải có một tia quét đi qua nên phải được đặt rõ ràng ở bên ngoài bao bì Do vậy bất cứ ai với một máy quét mã vạch chuẩn hoặc chỉ với một chiếc camera cũng có thể xem trộm hoặc ghi lại dữ liệu trên đó Nhưng với các hệ thống RFID thì lại được cungcấp một mức bảo mật cao hơn rất nhiều Việc đọc được các thẻ RFID là không hề dễ dàng bạn cần phải có những thiết bị chuyên dụng mới có thể kết nối được chúng Cũng như các thiết bị phụ trợ để có thể thu thập được dữ liệu đó Không đơn giản là có thể đọc được các ký tự bằng mắt thường một cách dễ dàng.

+ Tính ổn định và tương thích môi trường cao: Các thẻ tag RFID có khả năng chịu đựng tốt hơn với bụi bẩn và môi trường khắc nghiệt so với công nghệ mã vạch Các mã vạch có thể sẽ không đọc được nếu như chúng bị bao phủ bởi bụi bẩn, hoặc là bị rách nát Hay chúng có thể dễdàng hỏng khi đang hoạt động trong một môi trường với ánh sáng cường độ cao cũng có thể gây trở ngại cho máy quét mã vạch Với cácmã vạch thực hiện đọc bằng tay đôi khi hiện trạng không thể đọc đượcmã vạch vẫn diễn ra Rõ ràng như vậy rất bất tiện và ảnh hưởng nhiều tới hoạt động chung của toàn hệ thống Với các hệ thống RFID, các thuật toán và các tính năng RW, có thể loại bỏ được việc sản phẩm phải quét nhiều lần mới thu được dữ liệu.

- Nhược điểm:

+ RFID vẫn đắt hơn mã vạch Việc gắn thẻ RFID ở cấp độ mặt hàng cho các sản phẩm thành phẩm rẻ tiền là chi phí nghiêm ngặt Tuy nhiên, RFID có thể cung cấp ROI thông qua việc gắn thẻ các bộ phận hoặc hàng hóa đắt tiền hơn và trong trường hợp ứng dụng vòng kín liên quan đến tài sản có thể tái sử dụng (như pallet), chi phí của thẻ có thể được khấu hao trong một thời gian dài.

+ Hầu hết các đối tác thương mại không sử dụng RFID Để có được lợi ích đầy đủ của RFID trong sản xuất, các nhà cung cấp và người tiêu dùng sẽ cần khả năng gắn thẻ hàng hóa hoặc đọc thẻ RFID trong cơ sở của riêng họ Nếu không có sự tham gia của họ (phải trả một số chi phí), sẽ có khoảng trống trong tầm nhìn.

+ RFID phức tạp hơn mã vạch Đầu đọc RFID phải được định cấu hình cẩn thận để đảm bảo bạn có thể quét thành công 100 phần trăm thẻ Dođó, phải thực hiện nhiều thử nghiệm hơn với RFID so với mã vạch để đảm bảo giải pháp hoạt động bình thường Môi trường sản xuất thường

bao gồm rất nhiều kim loại, chất lỏng và hóa chất - tất cả đều có thể cản trở hiệu suất của công nghệ RFID Tuy nhiên, tỷ lệ đọc và hiệu suất khoảng cách cũng có thể khó để hoàn hảo.

+ Quản lý dữ liệu Thẻ RFID cung cấp nhiều dữ liệu hơn mã vạch, nhưng bạn phải có hệ thống doanh nghiệp để quản lý dữ liệu đó và biến nó thành thông tin kinh doanh hữu ích Nếu không, hệ thống của bạn có thể bị quá tải với những thông tin vô ích.

2.6 Một số giao thức truyền thông giao tiếp trong mạch điện tử 2.6.1 Giao thức UART

UART (Universal Asynchronous Receiver-Transmitter – Bộ truyền nhận dữliệu không đồng bộ) là một giao thức truyền thông phần cứng dùng giao tiếp nốitiếp không đồng bộ và có thể cấu hình được tốc độ.

a) Cấu tạo

Gồm hai đường truyền dữ liệu độc lập là TX (truyền) và RX (nhận)

Chân Tx (truyền) của một chip sẽ kết nối trực tiếp với chân Rx (nhận) củachip khác và ngược lại Quá trình truyền dữ liệu thường sẽ diễn ra ở 3.3V hoặc5V Uart là một giao thức giao tiếp giữa một master và một slave Trong đó 1thiết bị được thiết lập để tiến hành giao tiếp với chỉ duy nhất 1 thiết bị khác.

Dữ liệu truyền đến và đi từ Uart song song với thiết bị điều khiển Khi tínhiệu gửi trên chân Tx (truyền), bộ giao tiếp Uart đầu tiên sẽ dịch thông tin songsong này thành dạng nối tiếp và sau đó truyền tới thiết bị nhận Chân Rx (nhận)của Uart thứ 2 sẽ biến đổi nó trở lại thành dạng song song để giao tiếp với cácthiết bị điều khiển.

Hình 2 10 Giao thức UART

b) Khung truyền

Dữ liệu đi vào ở đầu thu của đường dữ liệu trong truyền dữ liệu nối tiếp làmột dãy các số 0 và 1, và rất khó để hiểu được ý nghĩa của các dữ liệu ấy nếu bênphát và bên thu không cùng thống nhất về một tập các luật, một thủ tục, về cáchdữ liệu được đóng gói, bao nhiêu bit tạo nên một ký tự và khi nào dữ liệu bắt đầuvà kết thúc Bên cạnh tốc độ baud, khung truyền là một yếu tố quan trọng tạo nên

sự thành công khi truyền và nhận Khung truyền bao gồm các quy định về số bittrong mỗi lần truyền, các bit “báo” như bit Start và bit Stop, các bit kiểm tra nhưParity, ngoài ra số lượng các bit trong một data hay thứ tự truyền các bit trênđường truyền cũng được quy định bởi khung truyền.

Hình 2 11 Khung truyền dữ liệu

- Start là bit đầu tiên được truyền trong một frame truyền, bit này có chứcnăng báo cho thiết bị nhận biết rằng có một gói dữ liệu sắp được truyềntới Start là bit bắt buộcphải có trong khung truyền, và nó là một bit thấp(0).

- Data hay dữ liệu cần truyền là thông tin chính mà chúng ta cần gởi vànhận Số lượng bit data tùy thuộc vào các loại vi điều khiển khác nhau,thường thì data có 8bit Trong truyền thông nối tiếp UART, bit có trọng sốnhỏ nhất (LSB – Least Significant Bit, bit bên phải) của data sẽ đượctruyền trước và cuối cùng là bit có trọng số lớn nhất (MSB – MostSignificant Bit, bit bên trái) Tuy nhiên thứ tự truyền này có thể được càiđặt bởi người dùng.

- Parity là bit dùng để kiểm tra dữ liệu truyền có đúng không (một cáchtương đối) Có 2 loại parity là parity chẵn (even parity) và parity lẻ (oddparity) Parity chẵn nghĩa là số lượng số “1” trong dữ liệu bao gồm bitparity luôn là số chẵn Ngược lại tổng số lượng các số “1” trong parity lẻluôn là số lẻ.

- Stop bits là 01 hoặc nhiều bit báo cho thiết bị nhận rằng một gói dữ liệu đãđược gởi xong Sau khi nhận được stop bits, thiết bị nhận sẽ tiến hànhkiểm tra khung truyền để đảm bảo tính chính xác của dữ liệu Stop bits làcác bit bắt buộc xuất hiện trong khung truyền.

c) Các chế độ hoạt động

Uart truyền dữ liệu nối tiếp, theo 1 trong 3 chế độ:- Simplex: Chỉ tiến hành giao tiếp một chiều

Hình 2 12 Truyền đơn công

- Half duplex: Dữ liệu sẽ đi theo một hướng tại 1 thời điểm

Hình 2 13 Truyền bán song công

- Full duplex: Thực hiện giao tiếp đồng thời đến và đi từ mỗi master vàslave

Hình 2 14 Truyền song công

2.6.2 Giao thức I2C

I2C ( Inter – Integrated Circuit) là 1 giao thức giao tiếp nối tiếp đồng bộđược phát triển bởi Philips Semiconductors, sử dụng để truyền nhận dữ liệu giữacác IC với nhau chỉ sử dụng hai đường truyền tín hiệu.

Các bit dữ liệu sẽ được truyền từng bit một theo các khoảng thời gian đềuđặn được thiết lập bởi 1 tín hiệu đồng hồ

Bus I2C thường được sử dụng để giao tiếp ngoại vi cho rất nhiều loại ICkhác nhau như các loại vi điều khiển, cảm biến, EEPROM, …

a) Cấu tạo :

- I2C sử dụng 2 đường truyền tín hiệu.

- SCL - Serial Clock Line : Tạo xung nhịp đồng hồ do Master phát đi - SDA - Serial Data Line : Đường truyền nhận dữ liệu.

Hình 2 15 Mô hình giao tiếp I2C

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

- Thiết bị Master là 1 vi điều khiển, nó có nhiệm vụ điều khiển đường tínhiệu SCL và gửi nhận dữ liệu hay lệnh thông qua đường SDA đến cácthiết bị khác.

- Các thiết bị nhận các dữ liệu lệnh và tín hiệu từ thiết bị Master được gọi làcác thiết bị Slave Các thiết bị Slave thường là các IC, hoặc thậm chí là viđiều khiển

- Master và Slave được kết nối với nhau như hình trên Hai đường bus SCLvà SDA đều hoạt động ở chế độ Open Drain, nghĩa là bất cứ thiết bị nàokết nối với mạng I2C này cũng chỉ có thể kéo 2 đường bus này xuống mứcthấp (LOW), nhưng lại không thể kéo được lên mức cao Vì để tránhtrường hợp bus vừa bị 1 thiết bị kéo lên mức cao vừa bị 1 thiết bị khác kéoxuống mức thấp gây hiện tượng ngắn mạch Do đó cần có 1 điện trở ( từ 1– 4,7 kΩ) để giữ mặc định ở mức cao.) để giữ mặc định ở mức cao

b) Khung truyền I2CBắ

7 bit địa chỉ

Bit Read/Write

Bit ACK/NACK

8 bit dữ liệu

Bit ACK/NACK

Hình 2 16 Khung truyền I2C

- Khối bit địa chỉ: Thông thường quá trình truyền nhận sẽ diễn ra với rấtnhiều thiết bị, IC với nhau Do đó để phân biệt các thiết bị này, chúng sẽđược gắn 1 địa chỉ vật lý 7 bit cố định.

Hình 2 17 Địa chỉ trong I2C

- Bit Read/Write: Bit này dùng để xác định quá trình là truyền hay nhận dữliệu từ thiết bị Master Nếu Master gửi dữ liệu đi thì ứng với bit này bằng‘0’, và ngược lại, nhận dữ liệu khi bit này bằng ‘1’.

- Bit ACK/NACK: Viết tắt của Acknowledged / Not Acknowledged Dùngđể so sánh bit địa chỉ vật lý của thiết bị so với địa chỉ được gửi tới Nếutrùng thì Slave sẽ được đặt bằng ‘0’ và ngược lại, nếu không thì mặc địnhbằng ‘1’.

- Khối bit dữ liệu: Gồm 8 bit và được thiết lập bởi thiết bị gửi truyền đếnthiết bị nhân Sau khi các bit này được gửi đi, lập tức 1 bit ACK/NACKđược gửi ngay theo sau để xác nhận rằng thiết bị nhận đã nhận được dữliệu thành công hay chưa Nếu nhận thành công thì bit ACK/NACK đượcset bằng ‘0’ và ngược lại.

Quá trình truyền nhận dữ liệu:

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

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

- Slave sẽ so sánh địa chỉ vật lý với địa chỉ vừa được gửi tới Nếu trùngkhớp, Slave sẽ xác nhận bằng cách kéo đường SDA xuống 0 và set bitACK/NACK bằng ‘0’ Nếu không trùng khớp thì SDA và bit ACK/NACKđều mặc định bằng ‘1’.

- Thiết bị Master sẽ gửi hoặc nhận khung bit dữ liệu Nếu Master gửi đếnSlave thì bit Read/Write ở mức 0 Ngược lại nếu nhận thì bit này ở mức 1- Nếu như khung dữ liệu đã được truyền đi thành công, bit ACK/NACK

được set thành mức 0 để báo hiệu cho Master tiếp tục.

- Sau khi tất cả dữ liệu đã được gửi đến Slave thành công, Master sẽ phát 1tín hiệu Stop để báo cho các Slave biết quá trình truyền đã kết thúc bằngcác chuyển lần lượt SCL, SDA từ mức 0 lên mức 1.

c) Các chế độ hoạt động của I2C:

- Chế độ chuẩn (standard mode) với tốc độ 100 kBit/s.- Chế độ tốc độ thấp (low speed mode) với tốc độ 10 kBit/s.

Ngoài ra, khác với giao tiếp SPI chỉ có thể có 1 Master, giao tiếp I2C chophép chế độ truyền nhận dữ liệu giữa nhiều thiết bị Master khác nhau với thiết bịSlave Tuy nhiên quá trình này có hơi phức tạp vì thiết bị Slave có thể nhận 1 lúcnhiều khung dữ liệu từ các thiết bị Master khác nhau, điều đó đôi khi dẫn đếnxung đột hoặc sai sót dữ liệu nhận được Để tránh điều đó, khi làm việc ở chế độnày, mỗi thiết bị Master cần phát hiện xem đường SDA đang ở trạng thái nào Nếu SDA ở mức 0, nghĩa là đang có 1 thiết bị Master khác đang có quyền điềukhiển và phải chờ đến khi truyền xong Ngược lại nếu SDA ở mức 1, nghĩa làđường truyền SDA đã an toàn và có sử dụng.

Ưu điểm và nhược điểm của I2C- Ưu điểm:

+ Chỉ sử dụng hai dây

+ Hỗ trợ nhiều master và nhiều slave

+ Bit ACK / NACK xác nhận mỗi khung được chuyển thành công+ Phần cứng ít phức tạp hơn so với UART

+ Giao thức nổi tiếng và được sử dụng rộng rã- Nhược điểm:

+ Tốc độ truyền dữ liệu chậm hơn SPI

+ Kích thước của khung dữ liệu bị giới hạn ở 8 bit+ Cần phần cứng phức tạp hơn để triển khai so với SPI