Luận văn thạc sĩ Khoa học máy tính: Hệ thống quản lý kiểm soát ra vào cửa dùng công nghệ RFID 13.56MHz

TS Định Đức Anh Vũ Hệ thống quản lý kiểm soát ra vào cửaHọc viên: Nguyên Duy Xuân Bách dùng công nghệ thẻ RFID 13.56MHz Hiên nay, cùng với sự phát triển của những văn phòng làm việc hiện

Tổng quan về RFID

Ưu nhược điểm của hệ thống RFID 1 Ưu điểm

Sự nhận dạng mà không cần sự nhìn thấy cho phép nhiều thiết bị được đọc cùng một lúc Vì vậy cũng cho phép các thiết bị được đặt ở những nơi mà đầu đọc không cần quan tâm là có nhìn thay được thiết bị hay không. Đọc thiết bị mà không cần phân tích thiết bị sẽ làm cho tiễn trình nhanh hơn và cũng có thể xác định những thiết bị đặc biệt và bảo vệ chúng tránh khỏi nhiều nguồn phân tích có thể gây hư hỏng.

Tiết kiệm thời gian xử lý, làm tăng tudi thọ của thiết bị.

Bộ nhớ và lưu trữ dữ liệu, một thẻ RFID có thé lưu trữ từ 96 bits đến 64 Kbytes bộ nhớ, có thể mở rộng ứng dụng và cũng có thé làm một cở sở dữ liệu di động.

Tính linh hoạt và tính đồng bộ cho khả năng quản lý chỉ phí trong nhiều năm và cũng cho khả năng thêm nhiều tính năng và sản phẩm mới.

Thẻ RFID bền hơn mã vạch.Chúng có được chế tạo từ các hợp chất đặc biệt để chống lại sự phá hủy của hóa chất và nhiệt độ.

Thẻ RFID không những có thé đọc mà còn có thể ghi thông tin.Mã vạch chỉ chứa thông tin cố định, không thay đối được.

Giá thành: ban đầu kỹ thuật RFID có giá thành rất cao với đầu đọc và bộ cảm ứng được dùng dé đọc thông tin có giá ngoài 2000$ đến 3500$ mỗi cái, và các thẻ trị giá

CBHDKH: PGS TS Dinh Duc Anh Vũ Hệ thống quan ly kiểm soát ra vào cửa

Học viên: Nguyên Duy Xuân Bách dùng công nghệ thẻ RFID 13.56MHz thiện, sản xuât hàng loạt được cung câp bởi rât nhiêu nhà sản xuât trên thê giới nên giá thành của reader cũng như thẻ giảm còn 1/10 so với lúc ban đầu.

Dễ bị ảnh hưởng gây ton thương: có thé làm tốn hại một hệ thống RFID bởi việc phủ vật liệu bảo vệ từ 2 đến 3 lớp kim loại thông thường để ngăn chặn tín hiệu radio.

Cũng có thé tôn hại hệ thống RFID bởi việc đặt hai item đối ngược với cái khác dé một thẻ che cái khác Điều đó có thé hủy các tín hiệu Điều nay đòi hỏi kiến thức về kỹ thuật và sự canh thăng hàng cân thận.

Việc thủ tiêu các thẻ phô ra: các thẻ RFID được dán bên trong bao bì và được phô ra dễ thủ tiêu Điều nay có nghĩa là sẽ có nhiều van dé khi người sử dụng biết rõ hơn về vai trò của thẻ Vi dụ: An Độ đã triển khai công nghệ RFID vao thư viện nhưng van dé giữ cho các thẻ tránh bị tiếp xúc là một thách thức lớn.

Những liên quan riêng tư của người sử dụng thẻ. Đụng độ đầu đọc: tín hiệu từ một đầu đọc có thể giao tiép với tín hiệu từ nơi khác mà nơi đó tin tức chồng chéo nhau Điều này được gọi là đụng độ đầu đọc Một phương pháp tránh van dé trên thường được sử dụng là kỹ thuật được gọi là phân chia thời gian đa truy cập. Đụng độ thẻ.

Chuan công nghệ chưa có: quy định quốc tế và tiêu chuẩn cho công nghệ RFID hiện còn đang rất sơ khai Tuy nhiên, công ty Auto-ID, liên doanh giữa “Ủy Ban Mã Thống Nhất” và “Hiệp Hội Các Nhà Bán Lẻ” và “Sản Xuất” của 12 nước châu Âu đang phát triển một chuẩn “EPC” lưu trữ dữ liệu trong thẻ Microsoft cũng đã gia nhập liên doanh này Tổ chức “Tiêu Chuẩn Quốc Tế ISO” thì vừa phối hợp cùng “Ủy Ban Kỹ Thuật Điện Tử Quốc Tế” thành lập “Hội Đồng Kỹ Thuật Chung” nhằm xây dựng các tiêu chuân liên quan dén RFID.

CBHDKH: PGS TS Dinh Đức Anh Vũ Hệ thống quan ly kiểm soát ra vào cửa Học viên: Nguyễn Duy Xuân Bách dùng công nghệ thẻ RFID 13.56MHz

Chuong3 VI XU LÝ ARM CORTEX-M3

Giải pháp Soc (System-on-chip) dựa trên bộ vi xử lý nhúng ARM được ứng dụng vào rất nhiều thị trường khác nhau bao gồm các ứng dụng doanh nghiệp, các hệ thống ô tô, mạng gia đình và công nghệ mang không dây,

Dòng vi xử lý ARM Cortex dựa trên một kiến trúc chuẩn đủ để đáp ứng hầu hết các yêu câu về hiệu năng làm việc trong tât cả các lĩnh vực trên.

Dòng ARM Cortex bao gồm ba cấu hình khác nhau của kiến trúc ARMv7: cau hình A cho các ứng dụng tỉnh vi, yêu cầu cao chạy trên các hệ điều hành mở và phức tạp như Linux, Android ; cầu hình R dành cho các hệ thống thời gian thực va cầu hình M được tối ưu cho các ứng dụng vi điều khiến, cần tiết kiệm chi phi.

Bộ vi xử lý Cortex-M3 là bộ vi xử lý ARM dau tiên dựa trên kiến trúc ARMv7-M và được thiết kế đặc biệt để đạt được hiệu suất cao trong các ứng dụng nhúng cần tiết kiệm năng lượng và chi phí, chang han nhu cac vi diéu khién, hé thong co 6 to, hé thống kiểm soát công nghiệp và hệ thống mạng không dây Thêm vào đó là việc lập trình được đơn giản hóa đáng kể giup kiến tric ARM trở thành một lua chọn tốt cho ngay cả những ứng dụng đơn giản nhất.

CBHDKH: PGS TS Dinh Đức Anh Vũ Hệ thống quan ly kiểm soát ra vào cửa Học viên: Nguyễn Duy Xuân Bách dùng công nghệ thẻ RFID 13.56MHz tex-M

INTNMI ' interrupts › in Í= —) ơ “Ole Siee / INTISR(239:0) ig em) onacore > erm |

MPU = pri ug {serial wire ry of multl-pin)

5 code bus p> Matrix D-code busBus

—nc”| SWi-DP + AHB-AP > >

3.2 Kiến trúc va tính năng xử ly của lõi Cotex-M3

Bộ vi xử ly Cortex-M3 dựa trên kiến trúc ARMv7-M có cấu trúc thứ bậc Nó tích hợp lõi xử lý trung tâm, với các thiết bị ngoại vi hệ thống tiên tiễn dé tạo ra các kha năng như kiểm soát ngắt, bảo vệ bộ nhớ, gỡ lỗi và theo vết hệ thống.

IRG1 | | IRO2 |

Yêu cầu thiết kế, tống quan hệ thong

e Hé thống phan cứng điều khiến tại mỗi phòng ban bao gồm các chức năng: o Đâu đọc RFID dùng để nhận biết được thẻ RFID quét khi truy cập ra vào phòng. o_ Có tích hop module wifi dùng dé gửi thông tin người dùng lên server. o Kiểm tra thẻ hợp lệ dựa vào dữ liệu được lữu trữ dưới eeprom. o Điều khiển cửa mở cho dữ liệu thẻ hợp lệ. o Ban phím nhập mật mã để mở cửa dành cho một số đối tượng đặc biệt. e Hệ thống quản lý web server quản lý toàn bộ hệ thống thông qua ứng dụng web, hoạt động trên nên Internet, giao tiếp, đồng bộ quản lý với tất cả hệ thống mạch điện ở mỗi phòng, ngoài ra, thu thập toàn bộ thông tin truy cập ra vào phòng ở tất cả các phòng để thực hiện việc thống kê phân tích dữ liệu sau nay. e Ứng dụng trên mobile dé cau hình wifi trong trường hop thiết lập kết nội internet ban đâu.

Hình dưới miêu tả được tổng quan của hệ thống với đầu đọc thé RFID kiểm soát cửa (electric door) các thông tin ra vào được gửi lên server qua internet Admin kiểm soát và theo dõi thông tin thông qua trang web Bên cạnh đó còn có đầu đọc thẻ RFID để kích hoạt thẻ.

CBHDKH: PGS TS Định Đức Anh Vũ Hệ thống quản lý kiểm soát ra vào cửa

Học viên: Nguyên Duy Xuân Bách dùng công nghệ thẻ RFID 13.56MHz

Hệ thống kiểm soát vào/ra cửa

K49.) Hệ thống cấp phát thẻ Đầu đọc ”" tia ‘ L sử=e - | - Giám sát hệ thống thẻ RFID raphe | ‘lilisto

*- Electric x = Thiết bị kết nối * `

Fire Sensor Door Đầu doc Gran A the RFID Ỳ

Hình 4-1 Tổng quan hệ thông

Su dung dong vi xu ly arm-cortex M3: STM32F103.

Cac thong số chính của STM32F103 [3]:

- _ Tốc độ xử lý: 72MHz - _ Các chuẩn giao tiếp: CAN, C, IrDA, LIN, SPI,UART/USART, USB.

- Giao tiép ngoại vi: DMA, PWM, PDR, PVD, PWM, Temp Sensor,

- Kich thước bộ nhớ Flash: 128Kbytes.

- - Kích thước bộ nhớ RAM: 20Kbits x 8.

Với mục tiêu đưa ra cua dé tài, chip trung tâm được thiệt kê giao tiêp với các module khác như hình vẽ dưới đây

R ox ok ew2 su 1 CC su C6

1 PB œ 5D" P PHụ_/2C1_SCL F Pes >| M P95 Tan2| P1 3 TX pga 4 F—-| P811 USART3_RX _Pa3 \ vsS_1 „ PATS FT OO 1 ov 06% ĐA14 DO_ 3 Bz 4 =k ri inf ct mm bere = fi fea@ iS L3 Ve Š là ô> ———crece_coor

Hinh 4.2 Module chip trung tam STM32F 103 4.2.2 Chip reader PN532 Đề chip trung tâm đọc được dữ liệu và xử lý dữ liệu từ thẻ cần có chip chuyên dụng giao tiếp với thẻ Nội dung dé tài sử dụng loại chip PN532 của NXP.

Một số thông tin của chip PN532 [10]:

- System on chip — su dung core 8051.

- Dung lượng bộ nhớ: 40Kbytes ROM va Il Kbytes RAM.

Hỗ trợ các chuẩn giao tiếp I?C, SPI va Serial High Speed UART.

Giao tiếp được với các loại thẻ FeliCa, ISO/IEC14443-3 Type A,

Hoạt động giao tiếp ở tan số 13.56Mhz.

Sau đây là thiết kế cho chip PN532 [10].

| 100nF | 4.7uF secure core ue ddd

1| llps # 5“ BF scx 30 € sek pn532

3.3V 2 LOADMOD Miso 28 SS miss pnó32 ọ ‘I TVSS1 mos! > 441 NSs L4? f_es_pn532 Tt 7 8 TVDD RSTOUTN 2x _—

—— ca C22 anten2 S)-—TT s+ TX2 Ro 2 > ro pn532100nE ATuF Ú| 2| TVSS2 P302 X aay £1 AVDD PVDD [43 Š

Hình 4.3 Module chịp reader PN532 4.2.3 Anten

Một trong những đặc điểm khác biệt giữa các đầu doc RFID là khoảng cách giao tiếp va tốc độ giao tiếp Đặc điểm này phụ thuộc rất nhiều vào yếu tố anten được thiết kế như thế nào.

Hình 4.4 Mô tả giao tiếp giữa dau đọc và thẻ thông qua antenCác đầu đọc hiện có trên thị trường cũng như được nghiên cứu chế tạo trước đó có khoảng cách giao tiếp với thẻ từ 1 em đến 3 cm Trong nội dung nay được dé xuất 1 thiết kế anten nhằm cải thiện khoảng cách giao tiếp giữa đầu đọc và thẻ đến

Học viên: Nguyên Duy Xuân Bách dùng công nghệ thẻ RFID 13.56MHz hơn 10 cm căn cứ vào các yêu tô vê kích thước anten, sô vòng dây, độ lớn của dây, điện tu, tụ điện và cuộn cam.

Cách thức giao tiêp giữa đâu đọc và thẻ:

Khi một dòng điện di qua, các anten sẽ tạo ra một từ trường được mình họa như hình 4.4 Chúng cung cấp năng lượng cho các thẻ và tạo ra vùng môi trường để truyền hoặc nhận dit liệu Vi vậy, với từ trường cảng lớn, thì khoảng cách giao tiếp giữa đầu đọc và thẻ càng xa.

Các nghiên cứu gần đây chỉ tập trung vao phân tích 1 nhiều nhân tố ảnh hưởng đến hiệu năng của anten Vi vậy, kết quả thu được không thật sự đáng kê Khoảng cách giao tiếp giữa đầu đọc và anten chỉ dừng lại ở mức khoảng 3em Nội dung tiếp theo sẽ dé cấp đến hầu hết các yếu tố liên quan đến hiệu năng của anten, bao gồm: cau trúc anten, kích thước, số vòng xoắn, hệ số độ lợi Q, điện trở, điện dung và cam kháng của anten. a Cầu trúc anten

Ca đầu đọc và thẻ đều có anten [11] Cac anten được thiết kế theo dạng vòng lặp Khi đường kính/kích thước của anten càng lớn thì độ mạnh từ trường tại khu vực trung tâm của anten hay vòng lặp càng yếu di Dé khắc phục nhước điểm đó, một số cuộn dây nối tiếp, song song hoặc kết hợp cả nối tiếp với song song được thêm vào [12].

Single loop: đây là cau trúc đơn giản nhât với cuộn dây đơn với sô vòng nhỏ, 2 đến 3 vòng.

Hình 4.5 Cau trúc single loop Series multiple loop: cau trúc với 2 vòng lặp đơn nối tiếp với nhau, vòng lặp ngoài và vòng lặp trong có khoảng cách xa nhau, lớn hơn lcm.

Hình 4.6 Cấu trúc Series multiple loop Parallel multiple loop: Cấu trúc gồm 2 vòng lặp song song với nhau Vòng ơ

Hình 4.7 Cau trúc parallel multiple loop ngoài cách vòng trong hon lcm.

Serial — parallel multiple loop: cấu trúc gồm 2 vòng lặp vừa được nối song ơ

Hình 4.8 Cau trúc Serial — parallel multiple loop song, vừa được nồi tiêp với nhau.

Kết quả thực nghiệm thu được như sau:

Hình 4.9 Moi twong quan giữa cấu trúc anten va độ rộng vùng từ trường

Từ kết quả trên, với cầu trúc parallel multiple loop ta thu được từ trường có độ rộng lớn nhất 13.2 em. b Kích thước

Dựa trên nguyên tắc tuyến tính, định luật về cảm ứng điện từ và định luật

Biot — Savart [16], mật độ từ thông phụ thuộc vào khoảng cách hoạt động và bán kích anten được tính toán Căn cứ vào nguyên tắc Thumb [17], trong điều kiện lý tưởng, khoảng cách hoạt động tối đa được tính theo công thức:

X: khoảng cách hoạt động tối đa.

R: bán kính antenD: đường kính anten

Học viên: Nguyên Duy Xuân Bách dùng công nghệ thẻ RFID 13.56MHz coupling factor in > oOo > in No Oo ho in củ oOo củ in +> Oo +~ in in Oo

Hình 4.10 Moi tương quan giữa kích thước va khoảng cách giao tiếp Hình 4.10 cho kết quả thực nghiệm với kích thước đường kính xấp xỉ 26em ta thu được khoảng cách giao tiếp của thé và đầu đọc tối đa, xấp xi 13cm Kết quả trên còn chứng minh răng anten có kích thước càng lớn chưa hắn đem lại hiệu năng cao. c Số đoạn gấp khúc

Số đoạn gap khúc được tăng lên khi có một đoạn gap khuc duoc thém vao dé hoàn thành 1 vòng gấp khúc hoàn chỉnh [13].

Hình 4.11 Vi du về tinh số đoạn gấp khúc Hình 4.11 đưa ra ví dụ về anten có 10 đoạn gap khúc và 3 vòng Bên cạnh là | anten khác với 8 đoạn gap khúc và 2 vòng.

Số đoạn gấp khúc trong anten thực sự có giới hạn để đạt được chất lượng chấp nhận được Vi dụ, trong trường hop thiết kế anten cho tần số 13.56Mhz, con số đó nên nhỏ hon 10 [14] Ngoài ra, các vòng lặp được thiết kế đòi hỏi tối thiểu có 3 vòng Các con số này đều ảnh hưởng quan trọng đến cảm kháng từ trường. d Hệ số độ lợi Q

Hướng phát triển trong tương lai

Hiện nay RFID là công nghệ đã phố biến va được ứng dụng ở rất nhiều lĩnh vực.Nhưng tại Việt Nam, RFID vẫn còn là một khái niệm còn khá mới mẻ và ít người biết đến Và chưa thực sự phát huy được sức mạnh của RFID Chúng ta chưa có những ứng dụng thực sự có nghĩa cho đời sống.Sau khi nghiên cứu đề tài này chúng tôi nhận ra răng công nghệ RFID phù hợp với nhiều lĩnh vực tại Việt Nam.

Chúng ta có thể dùng RFID trong nhiều mục đích: quản lý đối tượng, quản lý nhân sự, quan ly hàng hóa bán lẻ trong siêu thị, nghiên cứu động thực vật học, quản lý hàng hóa xuất, nhập trong xí nghiệp hay nhà kho, quản lý xe cộ qua trạm thu phí, làm thẻ hộ chiếu, kiểm kê, chồng trộm, tự động chấm công, bố mẹ theo dõi con cái, tự động nhận diện, an ninh khu vực, quản lý thủy hải sản e Hướng phát triển đầu tiên là chỉnh sửa hệ thống dé có khả năng thích ứng với nhiều mô hình quản lý để hệ thống có thể dễ dàng áp dụng vào nhiều ứng dụng khác nhau như: quản lý nhân viên, quản lý mua bán

CBHDKH: PGS TS Định Đức Anh Vũ Hệ thống quản lý kiểm soát ra vào cửa Học viên: Nguyễn Duy Xuân Bách dùng công nghệ thẻ RFID 13.56MHz e Hương phát triển tiếp theo là tích hợp camera đông bộ dé tăng cường mức độ an ninh cho hệ thống.

CBHDKH: PGS TS Định Đức Anh Vũ Hệ thống quản lý kiểm soát ra vào cửaHọc viên: Nguyễn Duy Xuân Bách dùng công nghệ thẻ RFID 13.56MHz

TAI LIEU THAM KHAO

[1] RTOS Tutorial — Using an RTOS on small embedded computers, http://www freertos.org/tutorial/index html.

[2] Msdn Library, http://msdn.microsoft.com/en-us/library/.

[3] Nguyén lý hoạt động kiểm soát ra vào cửa, http://securitylab.vn/?p8

[4] The cert program: anticipating and solving the nation’s cyber security challenges, http://www.cert.org/

[5] Improving security together, http://www first.org/

[6] RFID Technology News & Features, http://www rfidjournal com/

[7] Radio-frequency identification — wikipedia, http://en.wikipedia.org/wiki/Radio-frequency_identification [8] PN532/C1 — Near Field Communication controller, http://www nxp.com/documents/short_data_sheet/PN532 SDS.pdf.

[9] Stutzman, W.L and G.A.Thiele, “Antenna Theory and Design”, pp.68-76, John Wiley & Sons, 1998.

[10] Kim, H.J, W.G.Yang, and H.J.Yoo, “A study on magnetic field improvement for 13.56Mhz RFID reader antenna”, Journal of I[EEK, Vol 43-TC, No.1, pp1-8, 2006.

[11] ST Journal, “Design antenna of coil”, pp.10-12.

[12] MicroChip Journal, “microID 13.56Mhz RFID System Design Guide”, pp.3-9.

[13] MicroChip Journal, “RFID coil Design”, pp.8-9.

CBHDKH: PGS TS Định Đức Anh Vũ Hệ thống quản lý kiểm soát ra vào cửa Học viên: Nguyễn Duy Xuân Bách dùng công nghệ thẻ RFID 13.56MHz

LY LICH TRICH NGANG e Họ và tên: Nguyễn Duy Xuân Bách e Ngày, tháng, năm sinh: 08/05/1987 e Nơi sinh: Cần Thơ e Pia chỉ liên lạc: 23/46, Duong Trục, Phường 13, Quận Binh Thanh, Tp.HCM e Email: xuanbach0805 @ gmail.com

QUA TRÌNH ĐÀO TẠO

Bậc đào tạo Nơi đào tạo Chuyên môn Năm tốt nghiệp Đại học Trường DH Bách | Kỹ Thuật May 2011