Báo cáo bài tập học phần phát triển ứng dụng iot Đề tài xây dựng hệ thống khóa cửa thông minh

Dạng đơn giản nhất được sử dụng hiện nay hệ thống RFID bị động làm việc như sau: một RFID reader truyền một tín hiệu tần số vô tuyến điện tử qua antenna của nó đến một con chip không tiế

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SAO ĐỎ

KHOA CÔNG NGHỆ THÔNG TIN

BÁO CÁO BÀI TẬP

HỌC PHẦN PHÁT TRIỂN ỨNG DỤNG IOT

ĐỀ TÀI: Xây dựng hệ thống khóa cửa thông minh

2 Triệu Tuấn Anh

3 Dương Đức Mạnh

Hải Dương - 2024

LỜI CẢM ƠN

Trong quá trình học tập và làm đề tài tại trường Đại học Sao Đỏ với sự giúp đỡ của quý thầy cô và giảng viên hướng dẫn về nhiều phía, nhất là trong thời gian thực hiện báo cáo

đồ án môn học, nên báo cáo đã được hoàn thành đúng thời gian quy định tôi xin chân thành cám ơn đến:

Tất cả quý thầy cô trong Khoa Công Nghệ Thông Tin đã giảng dạy những kiến thức chuyên môn để em dùng làm cơ sở thực hiện tốt bài tập kết thúc môn

• Đặc biệt, Hoàng Thị An – giảng viên hướng dẫn, đã nhiệt tình giúp đỡ, cho tôi những lời dạy quý báu giúp tôi thực hiện bài tập kết thúc môn học

• Tuy nhiên thời gian làm báo cáo có hạn nên bài báo cáo của tôi không thể không mắc phải những sai sót, tôi rất mong nhận được sự góp ý của các thầy cô

Tôi xin chân thành cám ơn!

MỤC LỤC

ĐỀ TÀI: Xây dựng hệ thống khóa cửa thông minh 1

LỜI CẢM ƠN 2

LỜI NÓI ĐẦU 4

Chương 1 GIỚI THIỆU 5

1.1 Lý do chọn đề tài 5

1.2 Mục tiêu nghiên cứu 5

1.3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 5

1.4 Phương pháp nghiên cứu 5

1.5 Kết cấu đề tài 5

Chương 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 6

2.1 Một số nghiên cứu liên quan đến đề tài 6

2.2 Các khái niệm lý thuyết liên quan đến vấn đề nghiên cứu 6

2.2.1 Khái niệm RFID 6

2.2.2 Hệ thống RFID 6

2.2.3 Thẻ RFID 7

2.3 Các linh kiện sử dụng trong đề tài 10

2.3.1 Modun relay 4 kênh 5V 10

2.3.2 Module MFRC 522 13

2.3.3 Chốt điện từ khóa DC6V 15

Chương 3 THI CÔNG VÀ KẾT QUẢ THỰC TẾ 17

Chương 4 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 18

4.1 Kết luận 18

4.2 Hướng phát triển 18

LỜI NÓI ĐẦU

Việt Nam là một nước đang trên con đường hiện đại hóa, công nghiệp hóa Và lĩnh vực đi đầu mở đường chính là lĩnh vực kĩ thuật nói chung và nghành điện tử nói riêng Trong nghành điện tử thì tự động hóa là một trong những yếu tố hàng đầu và được quan tâm và phát triển bởi các công ty và cá nhân Tự động hóa có thể giúp tăng năng suất và chất lượng sản phẩm bằng cách loại bỏ sự can thiệp của con người hay nó có thể làm cho cuộc sống hằng ngày của chúng ta trở nên tiện nghi và dễ dàng hơn

Vì thế, tôi chọn đề tài “MÔ HÌNH HỆ THỐNG KHÓA CỬA THÔNG MINH" vì nó ứng dụng tự động hóa để tăng năng suất cho công việc

Chương 1 GIỚI THIỆU 1.1 Lý do chọn đề tài

Ngày nay, đất nước mình ngày càng phát triển, kéo theo đó đời sống và cơ sở hạ tầng của người dân cũng nâng cao Việc áp dụng công nghệ tự động hóa là rất cần thiết Do đó tôi chọn đề tài đóng mở cửa tự động dùng RFID

1.2 Mục tiêu nghiên cứu

Mục tiêu nghiên cứu của tôi khi chọn đề tài này là thiết kế một mô hình đóng mở cửa tự động Hệ thống sẽ được lập trình bằng vi điều khiển Qua đó giảm thiểu những bất tiện hàng ngày

1.3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu:

Tìm hiểu về RFID

Arduino Uno, RFID-MFRC522

Phạm vi nghiên cứu:

Dùng phương pháp truyền, lưu và sắp xếp dữ liệu từ Arduino

1.4 Phương pháp nghiên cứu

Trong thời gian học tập, làm việc tại trường tôi đã tích lũy được những kiến thức vô cùng hữu ích, đem vào ứng dụng nghiên cứu đề tài Ngoài ra trong quá trình làm việc tôi sẽ tham khảo ý kiến của giảng viên hướng dẫn, sách báo, internet Từ đó nắm rõ nguyên lý hoạt động của các module trong đề tài

1.5 Kết cấu đề tài

Đề tài gồm 5 chương:

Chương 1: Giới thiệu sơ lược về đề tài

Chương 2: Tìm hiểu đưa ra các khái niệm lý thuyết về vấn đề nghiên cứu, linh kiện sử dụng trong đề tài

Chương 3: Thi công và kết quả đạt được

Chương 4: Nêu ra ưu nhược điểm của hệ thống và hướng phát triển cho đề tài

Chương 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Một số nghiên cứu liên quan đến đề tài

• Ứng dụng RFID trong lĩnh vực an ninh

• Ứng dụng RFID trong lĩnh vực thư viện

• Ứng dụng RFID trong quản lý và bảo quản tài sản

• Ứng dụng RFID trong y tế, giáo dục, vui chơi giải trí

2.2 Các khái niệm lý thuyết liên quan đến vấn đề nghiên cứu

2.2.1 Khái niệm RFID

RFID (Radio Frequency Identification) là công nghệ xác nhận dữ liệu đối tượng bằng sóng vô tuyến để nhận dạng, theo dõi và lưu thông tin trong một the (Tag) Reader quét

dữ liệu thẻ và gửi thông tin đến cơ sở dữ liệu lưu trữ dữ liệu của thẻ

Kỹ thuật RFID có liên quan đến hệ thống không dây cho phép một thiết bị đọc thông tin được chứa trong một chíp không tiếp xúc trực tiếp ở khoảng cách xa mà không thực hiện bất kỳ giao tiếp vật lý nào hoặc yêu cầu một sự nhìn thấy giữa hai cái Nó cho ta phương pháp truyền và nhận dữ liệu từ một điểm đến điểm khác

Dạng đơn giản nhất được sử dụng hiện nay hệ thống RFID bị động làm việc như sau: một RFID reader truyền một tín hiệu tần số vô tuyến điện tử qua antenna của nó đến một con chip không tiếp xúc Reader nhận thông tin trở lại từ chíp và giri nó đến máy tính điều khiển đầu đọc và xử lý thông tin tìm được từ con chip Các con chip không tiếp xúc, không tích điện, chúng hoạt động bằng cách sử dụng năng lượng chúng nhận từ tín hiệu được gửi bởi một reader

Kỹ thuật RFID sử dụng truyền thông không dây trong dài tần sóng vô tuyến để truyền dữ liệu từ các thẻ đến các reader Thẻ có thể được đính kèm hoặc gần vào đổi tượng được nhận dạng chẳng hạn sản phẩm, hộp hoặc pallet

2.2.2 Hệ thống RFID

Hệ thống RFID liên hệ rất gần với thẻ thông minh Cũng như hệ thống thẻ thông minh,

dữ liệu được lưu trữ trên thiết bị mang dữ liệu điện tử là bộ phát đáp Tuy nhiên, không giống như thẻ thông minh, năng lượng cung cấp cho thiết bị mang dữ liệu và cho việc

trao đổi dữ liệu giữa nó và đầu đọc phát tín hiệu không dựa trên sự tiếp xúc điện mà thay

và đó là sử dụng từ tỉnh và trường điện tử

Trong một hệ thống RFID cơ bản, đầu tiên, các thẻ sẽ được tuần tự gần vào

tất cả các danh mục cần theo dõi Các thẻ RFID này được thiết kế bằng một

bảng vì mạch nhỏ xíu, đôi khi còn được gọi là một mạch tích hợp (IC) và được

kết nối với một ăng-ten Ứng dụng của hệ thống RFID trên hàng loạt các loại

thẻ trong đời sống như: như thẻ bảo vệ, thẻ nhân viên, nhân mác, thẻ kiểm soát

hàng hóa, tài sản công nghiệp Bảng vì mạch này có chứa bộ nhớ để lưu mã

của sản phẩm điện tử (EPC) và các biển thông tin khác để người sử dụng RFID

có thể đọc, theo dõi bất cứ khi nào và bất cứ nơi đâu

Các thành phần của hệ thống RFID:

Các thành phần chính trong hệ thống RFID là thẻ, reader và cơ sở dữ liệu Một hệ thống RFID toàn điện bao gồm bốm thành phần:

- The RFID (RFID Tag, Transponder - bộ phát đáp) được lập trình điện tử với thông tin duy nhất

Các reader (đầu đọc) hoặc sensor (cái cảm biến) để truy vấn các thẻ - Antenna thu, phát sóng vô tuyến

- Host computer-server, nơi mà máy chủ và hệ thống phần mềm giao diện

với hệ thống được tài Nó cũng có thể phân phối phần mềm trong các reader

và cảm biến Cơ sở hạ tầng truyền thông: là thành phần bắt buộc, nó là một

tập gồm cả hai mạng có dây và không dây và các bộ phận kết nối tuần tự

đểkết nối các thành phần đã liệt kê ở trên với nhau để chúng truyền với nhau hiệu quả

2.2.3 Thẻ RFID

Thẻ RFID (bộ phát đáp - transpoder), thiết bị lưu trữ dữ liệu thực tế của một hệ thống RFID, thường bao gồm một phần tử kết nối (Coupling element) và một vi chíp điện tử

Hình 2.1 : Cấu tạo thẻ tự động Thẻ gồm có 2 phần chính:

- Chip: lưu trữ một số thứ tự duy nhất hoặc thông tin khác dựa trên loại thẻ:

read-only, read-write, hoặc write-once-read-many

- Antenna được gắn với vi mạch truyền thông tin từ chip đến reader Antenna càng lớn cho biết phạm vi đọc càng xa

Các thẻ RFID được phân loại dựa trên việc thẻ có chứa một cung cấp nguồn gắn bên trong hay là được cung cấp bởi thiết bị chuyên dụng:

+ Thụ động (Passive)

+ Tích cực (Active)

+ Bán tíc cực (Semi-active, còn gọi bán thụ động - semi-passive)

Thẻ thụ động:

Loại thẻ này không có nguồn bên trong (on-board), sử dụng nguồn nhận được

từ reader để tư tiếp sinh lực hoạt đông và truyền dữ liêu được lưu trữ trong nó cho reader Thẻ thụ động có cấu trúc đơn giản và không có các thành phần động Thẻ như thế có một thời gian sống dài và thường có sức chịu đựng với điều kiện môi trường khắc nghiệt Đối với loại thẻ này, khi thẻ và reader truyền thông với nhau thì reader luôn truyền trước rồi mới đến thẻ Cho nên bắt buộc phải có reader để thẻ có thể truyền dữ liệu của nó Thẻ thụ động được đọc ở khoảng cách từ 11cm ở trường gần (ISO 14443), đến 10m ở trường xa (ISO 18000-6), và có thể lên đến 183m khi kết hợp với ma trận

Thẻ thụ động nhỏ hơn và cũng rẻ hơn thẻ tích cực hoặc bán tích cực Các thẻ thụ động có thể thực thi ở tần số low, high, ultrahigh, hoặc microwave Thẻ thụ động bao gồm những thành phần chính sau: + Vi mạch (microchip) + Antenna

Thẻ tích cực:

Hình 2.2 : Cấu tạo thẻ tích cực Thẻ tích cực có một nguồn năng lượng bên trong (chẳng hạn một bộ pin, hoặc có thể là những nguồn năng lượng khác như sử dụng nguồn năng lượng mặt trời) và điện tử học để thực thi những nhiệm vụ chuyên dụng Thẻ tích cực sử dụng

nguồn năng lượng bên trong để truyền dữ liệu cho reader Nó không cần nguồn năng lượng từ reader để truyền dữ liệu Điện tử học bên trong gồm bộ vi mạch, cảm biến và các cổng vào/ra được cấp nguồn bởi nguồn năng lượng bên trong nó

Đối với loại thẻ này, trong quá trình truyền giữa thẻ và reader, thẻ luôn truyền trước, rồi mới đến reader Vì sự hiện diện của reader không cần thiết cho việc truyền dữ liệu nên thẻ tích cực có thể phát dữ liệu của nó cho những vùng lân cận nó thậm chí trong cả trường hợp reader không có ở nơi đó

Khoảng cách đọc của thẻ tích cực là 100 feet (xấp xỉ 30,5 m) hoặc hơn nữa khi máy phát tích cực của loại thẻ này được dùng đến

Thẻ tích cực bao gồm 4 thành phần chính sau:

+ Vi mạch: Kích cỡ và khả năng làm việc vi mạch thưởng lớn hơn vi mạch trong thẻ thụ động + Antenna: có thể truyền tín hiệu của thẻ và nhận tín hiệu reader Đối với thẻ bán tích cực, gồm một hoặc nhiều mảnh kim loại như đồng, tương tự như thẻ thụ động

+ Cung cấp nguồn bên trong

+ Điện tử học bên trong

Thẻ bán tích cực:

Hình 2.3: Cấu tạo thẻ bán tích cực Thẻ bán tích cực có một nguồn năng lượng bên trong (chẳng hạn là bộ pin) và điện tử học bên trong để thực thi những nhiệm vụ chuyên dụng Nguồn bên trong cung cấp sinh lực cho thẻ hoạt động Tuy nhiên trong quá trình truyền dữ liệu, thẻ bán tích cực sử dụng nguồn từ reader Thẻ bán tích cực được gọi là thẻ có hỗ trợ pin (battery-assisted tag) Đối với loại thẻ này, trong quá trình truyền giữa thẻ và reader thì reader luôn truyền trước rồi đến thẻ Tại sao sử dụng thẻ bán tích cực mà không sử dụng thẻ thụ động? Bởi vì thẻ bán tích cực không sử dụng tín hiệu của reader như thẻ thụ động, nó tự kích động, nó có thể đọc ở khoảng cách xa hơn thẻ thụ động Bởi vì không cần thời gian tiếp sinh lực cho thẻ bán tích cực, thẻ có thể nằm trong phạm vi đọc của reader ít hơn thời gian đọc quy định (không giống như thẻ thụ động) Vì vậy nếu đối tượng được gắn thẻ đang di chuyển

ở tốc độ cao, dữ liệu thẻ có thể vẫn được đọc nếu sử dụng thẻ bán tích cực Thẻ bán tích cực cũng cho phép đọc tốt hơn ngay cả khi gắn thẻ bằng những vật liệu chắn tần số vô tuyến (RF-opaque và RF-absorbent) Sự có mặt của những vật liệu này có thể ngăn không cho thẻ thụ động hoạt động đúng dẫn đến việc truyền dữ liệu không thành công Tuy nhiên, đây không phải là vấn đề khó khăn đối với thẻ bán tích cực

Phạm vi đọc của thẻ bán tích cực có thể lên đến 100 feet (xấp xỉ 30,5m) với điều kiện lý tưởng

Việc phân loại tiếp theo dựa trên khả năng hỗ trợ ghi chép dữ liệu:

+ Chỉ đọc (RO)

+ Ghi một lần, đọc nhiều lần (WORM)

+ Đọc - Ghi (RW)

2.3 Các linh kiện sử dụng trong đề tài

2.3.1 Modun relay 4 kênh 5V

Module relay 4 kênh 5V là một thiết bị điện tử dùng để điều khiển các thiết bị công suất lớn bằng cách sử dụng các tín hiệu điều khiển từ các vi điều khiển hoặc mạch điều khiển khác Dưới đây là mô tả chi tiết về module relay 4 kênh 5V:

2.3.1.1.Cấu tạo

 Relays: Bao gồm 4 relay (thường là loại SPDT – Single Pole Double Throw), mỗi relay có một cuộn dây và một tiếp điểm

 Opto-isolators: Cách ly điện giữa mạch điều khiển và mạch tải, giúp bảo vệ vi điều khiển khỏi các xung điện

 Transistors: Khuếch đại dòng điều khiển từ vi điều khiển để điều khiển relay

 Diodes: Chống lại các dòng điện ngược có thể gây hại cho mạch khi relay tắt

 Đèn LED: Hiển thị trạng thái của từng relay

 Terminal blocks: Cầu nối để kết nối dây tải

 Header pins: Các chân kết nối để nhận tín hiệu điều khiển từ vi điều khiển

2.3.1.2 Thông số kỹ thuật

 Điện áp điều khiển: 5V DC

 Điện áp hoạt động của relay: 250V AC / 30V DC

 Dòng điện tải tối đa: 10A tại 250V AC hoặc 30V DC

 Dòng điều khiển: Khoảng 20mA cho mỗi relay

 Kích thước: Khoảng 7.5 cm x 5.5 cm x 2 cm

2.3.1.3 Chân kết nối

 VCC: Chân cấp nguồn 5V cho module

 GND: Chân nối đất

 IN1, IN2, IN3, IN4: Chân nhận tín hiệu điều khiển cho từng relay

 COM, NO, NC (của từng relay):

o COM (Common): Chân chung

o NO (Normally Open): Chân thường mở

o NC (Normally Closed): Chân thường đóng

2.3.1.4 Nguyên lý hoạt động

 Khi một tín hiệu điều khiển (thường là tín hiệu mức cao) được gửi đến một trong các chân IN (IN1, IN2, IN3, IN4), transistor tương ứng sẽ dẫn, cho phép dòng điện chạy qua cuộn dây của relay

 Khi cuộn dây của relay được cấp điện, tiếp điểm của relay sẽ thay đổi trạng thái (từ NO sang COM hoặc từ NC sang COM)

 Đèn LED tương ứng sẽ sáng lên, báo hiệu relay đang hoạt động

2.3.1.5 Ứng dụng

 Điều khiển đèn, quạt, bơm nước, và các thiết bị điện khác trong các hệ thống tự động hóa

 Hệ thống điều khiển từ xa, như điều khiển các thiết bị gia dụng từ xa bằng các module RF hoặc Wi-Fi

 Hệ thống an ninh, như điều khiển khóa điện tử hoặc còi báo động

 Ứng dụng công nghiệp, như điều khiển máy móc và thiết bị trong dây chuyền sản xuất

Module relay 4 kênh 5V là một công cụ hữu ích cho các dự án tự động hóa và điều khiển

từ xa, mang lại khả năng kiểm soát dễ dàng các thiết bị điện áp cao bằng các tín hiệu điều khiển điện áp thấp từ vi điều khiển hoặc các mạch điều khiển khác

Hình 2.4 : Modun relay 4 kênh 5V

2.3.2 Module MFRC 522

2.3.2.1 Giới thiệu

Module RFID RC522 sử dụng IC MFRC522 của Phillip dùng để đọc và ghi dữ liệu cho thẻ NFC tần số 13.56mhz

2.3.2.2 Kỹ thuật độ nhậy

 Nguồn: 3.3VDC, 13 - 26mA

 Dòng ở chế độ chờ: 10-13mA

 Dòng ở chế độ nghỉ

 Tần số sóng mang: 13.56MHz

 Khoảng cách hoạt động: 0~60mm (mifarel card)

 Giao tiếp: SPI

 Tốc độ truyền dữ liệu: tối đa 10Mbit/s

 Các loại card RFID hỗ trợ: mifarel S50, mifarel S70, mifare UltraLight, mifare Pro, mifare Desfire

 Kích thước: 40mm * 60mm

Hình 2.5 : Sơ đồ chân của MFRC 522

2.3.2.3 Cấu tạo

 IC MFRC522: Bộ vi điều khiển chính của module, thực hiện việc giao tiếp và xử

lý tín hiệu RFID

 Ăng-ten tích hợp: Dùng để phát và nhận sóng RF

 Header Pins: Các chân kết nối để giao tiếp với vi điều khiển (MCU) hoặc máy tính

 LED hiển thị: Thông báo trạng thái hoạt động của module (nếu có)

2.3.2.4 Thông số kỹ thuật

 Giao tiếp: SPI (Serial Peripheral Interface), I2C, UART.

 Tần số hoạt động: 13.56MHz

 Khoảng cách đọc: Từ 0 đến 5 cm (tùy thuộc vào loại thẻ và điều kiện môi trường)

 Dòng tiêu thụ: 13-26mA trong chế độ đọc, ít hơn 80uA trong chế độ chờ

 Kích thước: Thường khoảng 40mm x 60mm

2.3.2.5 Chân kết nối

 VCC: Chân cấp nguồn (3.3V)

 GND: Chân nối đất

 RST: Chân reset

 IRQ: Chân ngắt (Interrupt)

 MISO/SCL/Tx: Chân dữ liệu ra

 MOSI/SDA/Rx: Chân dữ liệu vào

 SCK: Chân xung nhịp SPI

 SS/SDA: Chân chọn slave trong giao tiếp SPI

2.3.2.6 Nguyên lý hoạt động

 Khởi tạo module: Cấp nguồn cho module và thiết lập giao tiếp (thường là SPI) với

vi điều khiển

 Gửi lệnh: Vi điều khiển gửi lệnh đến MFRC522 để khởi động quá trình đọc hoặc ghi

 Phát sóng RF: Module phát ra sóng RF ở tần số 13.56MHz để giao tiếp với thẻ RFID

 Giao tiếp với thẻ: Khi một thẻ RFID nằm trong phạm vi hoạt động, module sẽ phát hiện và thiết lập giao tiếp với thẻ

 Trao đổi dữ liệu: Dữ liệu từ thẻ được đọc và gửi về vi điều khiển hoặc dữ liệu từ vi điều khiển được ghi vào thẻ

 Kết thúc: Sau khi hoàn thành quá trình đọc/ghi, module sẽ quay về trạng thái chờ

để tiết kiệm năng lượng

2.3.2.7 Ứng dụng

 Hệ thống kiểm soát ra vào: Sử dụng thẻ RFID để kiểm soát truy cập vào các khu vực hạn chế

 Quản lý hàng tồn kho: Theo dõi và quản lý sản phẩm trong kho bằng cách sử dụng thẻ RFID gắn vào sản phẩm

 Hệ thống thanh toán điện tử: Sử dụng thẻ RFID để thực hiện các giao dịch thanh toán không tiếp xúc

 Ứng dụng trong giáo dục: Quản lý thư viện, điểm danh học sinh, sinh viên