THIẾT KẾ, ỨNG DỤNG ĐẦU ĐỌC THẺ THÔNG MINH RFID TRÊN CƠ SỞ VI ĐIỀU KHIỂN STM8S003F3

RƯỜNG ĐẠI HỌC VINH KHOA ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ, ỨNG DỤNG ĐẦU ĐỌC THẺ THÔNG MINH RFID TRÊN CƠ SỞ VI ĐIỀU KHIỂN STM8S003F3 Giảng viên hướng dẫn: ThS Đặng Thái Sơn Sinh viên thực hiện : Nguyễn Song Toàn Lớp : 51K2 - ĐTVT Mã số sinh viên : 1051083841 NGHỆ AN - 2016 MỤC LỤC Trang LỜI MỞ ĐẦU TÓM TẮT ĐỒ ÁN DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT CHƯƠNG CÔNG NGHỆ RFID VÀ ỨNG DỤNG .7 1.1 Khái quát công nghệ RFID 1.2 Các thành phần hệ thống RFID .8 1.2.1 Thẻ RFID 1.2.2 Reader .16 1.2.3 Database 23 1.3 Phương thức làm việc RFID 23 1.4 Các điều lệ chuẩn hóa 25 1.5 Tần số hoạt động RFID 26 1.6 Các ứng dụng RFID 27 1.7 Ưu – nhược điểm hệ thống RFID 30 1.7.1 Ưu điểm 30 1.7.2 Nhược điểm 30 CHƯƠNG VI ĐIỀU KHIỂN STM8S003F3 .32 2.1 Giới thiệu vi điều khiển STM8 32 2.1.1 STM8 32 2.1.2 Các dòng STM8 cách lựa chọn vi điều khiển STM8 32 2.2 Vi điều khiển STM8S003F3 .32 2.2.1 Sơ đồ chân 32 2.2.2 Các thông số chung 33 2.2.3 Tổ chức nhớ 34 2.2.4.Đồng hồ điều khiển 36 2.2.5 Quản lý điện .36 2.2.6 Giờ Watchdog 37 2.2.7 Auto wakeup truy cập .38 2.2.8 BEEPER 38 2.2.9 TIMER 38 2.3 Giao diện kết nối 40 2.2.9 Giao tiếp UART .40 2.2.9 Truyền thông không đồng ( UART mode) 40 2.2.9 SPI 40 2.2.9 I2C 40 2.3 Giao tiếp PC vi điều khiển STM8S003F3 .41 2.3.1 Giao tiếp UART USART .42 CHƯƠNG THIẾT KẾ ĐẦU ĐỌC THẺ THÔNG MINH RFID TRÊN CƠ SỞ VI ĐIỀU KHIỂN STM8S003F3 44 3.1 Thiết kế hệ thống phần cứng 44 3.1.1 Sơ đồ khối 44 3.1.2 Sơ đồ nguyên lí 44 3.1.3 Các khối hệ thống 45 3.1.4 Sơ đồ thuật toán chương trình 48 3.2 Kết thiết kế 50 KẾT LUẬN 51 PHỤ LỤC 52 TÀI LIỆU THAM KHẢO .57 LỜI MỞ ĐẦU Ngày nay, với ứng dụng khoa học kỹ thuật tiên tiến, giới ngày thay đổi, văn minh đại Sự phát triển kỹ thuật điện tử tạo hàng loạt thiết bị với đặc điểm bật xác cao, tốc độ nhanh, gọn nhẹ yếu tố cần thiết góp phần cho hoạt động người đạt hiệu Điện tử trở thành ngành khoa học đa nhiệm vụ ứng dụng nhiều lĩnh vực đời sống có việc ứng dụng công nghệ để nâng cao suất, chất lượng dịch vụ, giảm thiểu sức lao động người ngày trở nên phổ biến Vì chọn đề tài “Thiết kế, ứng dụng đầu đọc thẻ thông minh RFID sở vi điều khiển STM8S003F3” để thực đồ án Em xin gửi lời cám ơn đến thầy giáo ThS Đặng Thái Sơn thầy cô, anh chị, bạn Khoa Điện tử Viễn thông giúp đỡ, động viên, tạo điều kiện để em hoàn thành đề tài Tuy nhiên, trình thực đề tài mình, em chắn không tránh khỏi thiếu sót, kính mong quý Thầy, cô thông cảm góp ý thêm cho em Em xin chân thành cảm ơn! Sinh viên Nguyễn Song Toàn TÓM TẮT ĐỒ ÁN Đồ án trình bày lý thuyết, ưu nhược điểm thành phần công nghệ RFID ứng dụng thực tiễn công nghệ thực tế Đồ án trình bày cấu trúc vi điều khiển STM8S003F3 Đồ án thiết kế, ứng dụng đầu đọc thẻ thông minh RFID sở vi điều khiển STM8S003F3 ABSTRACT This thesis was presented about theoretical, constituents of RFID technology and the application of this technology in practice Thesis was presented about structure of the STM8S003F3 microcontroller Thesis was design and applied smart card reader RFID on the basis that application STM8S003F3 microcontroller DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Trang Hình 1.1 RFID công nghệ nhỏ - nghiệp lớn .7 Hình 1.2 Hệ thống RFID .8 Hình 1.3 Layout thiết bị mang liệu, transponder……………………… …9 Hình 1.4 Cấu trúc thẻ thụ động…………………………………… Hình 1.5 Một số loại thẻ tích cực 12 Hình 1.6 Cấu trúc nhớ thẻ (minh họa) .15 Hình 1.7 Cấu trúc reader .17 Hình 1.8 Cơ chế truyền trường gần, trường xa thẻ reader .21 Hình 1.9 Cơ chế truyền modulated backscatter thẻ thụ động 22 Hình 1.10 Cơ chế truyền modulated backscatter thẻ bán thụ động 22 Hình 1.11 Cơ chế truyền kiểu máy phát thẻ tích cực 23 Hình 1.12 Quá trình làm việc thẻ reader 24 Hình 1.13 Quá trình truyền nhận liệu thẻ reader 25 Hình 2.1 Sơ đồ chân vi điều khiển STM8S003F3 33 Hình 2.2 Sơ đồ khối vi điều khiển STM8S003F3 34 Hình 2.3 Bộ nhớ chương trình STM8S003F3 35 Hình 2.4 Đồng hồ ngoại vi 36 Hình 2.5 Tính hẹn TIMER .39 Hình 3.1 Sơ đồ khối hệ thống .44 Hình 3.2 Sơ đồ nguyên lí 45 Hình 3.3 Khối nguồn 45 Hình 3.5 Khối vi điều khiển 46 Hình 3.6 Khối giao tiếp máy tính 46 Hình 3.7 LCD 16x02 46 Hình 3.8 Module RFID RC522………………………………………………… 47 Hình 3.9 Sơ đồ thuật toán .49 Hình 3.13 Mạch giao tiếp .50 DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT RFID Radio Frequency Identification Nhận dạng sóng vô tuyến UHF Ultra high frequency Siêu cao tần CRC Cyclic Redundancy Check Xác minh khối liệu RO read only Chỉ đọc WORM write once, read many Ghi lần, đọc nhiều lần RW read write Ghi - đọc ID Identification Địa PIC Programmable Intelligent Computer Máy tính khả trình thông minh I/O Input/Output Đầu vào – đầu UART Universal Asynchronous Bộ truyền – nhận liệu không Receiver – Transmitter đồng Universal Synchronous & Bộ truyền – nhận liệu đồng USART Asynchronous Receiver/Transmitter PWM Pulse wide modulation Điều chế độ rộng xung ADC Analog digital convert chuyển đổi tương tự - số Chương CÔNG NGHỆ RFID VÀ ỨNG DỤNG Trong chương trình bày tổng quát công nghệ RFID, thành phần hệ thống RFID, phương thức làm việc hệ thống RFID, ứng dụng công nghệ RFID, ưu – nhược điểm công nghệ 1.1 Khái quát công nghệ RFID Khái niệm RFID Hình 1.1 RFID công nghệ nhỏ - nghiệp lớn RFID (Radio Frequency Identification, nhận dạng sóng vô tuyến) phương pháp nhận dạng tự động dựa việc lưu trữ liệu từ xa, sử dụng thiết bị thẻ RFID đầu đọc RFID Thẻ RFID thay cho mã vạch sản phẩm có bán siêu thị bán lẻ Thay phải đưa thiết bị vào sát mã vạch để quét, RFID cho phép thông tin truyền qua khoảng cách nhỏ mà không cần tiếp xúc vật lý Thẻ RFID đưa vào sử dụng nhiều lĩnh vực như: quản lý nhân sự, quản lý hàng hóa vào/ra siêu thị, nhà kho, … theo dõi động vật, quản lý xe cộ qua trạm thu phí, làm thẻ hộ chiếu… Dải tần hoạt động hệ thống RFID : - Tần số thấp – Low frequency 125 KHz: dải đọc ngắn, tốc độ đọc thấp - Dải tần cao – High frequency 13.56 MHz: khoảng cách đọc ngắn, tốc độ đọc trung bình - Dải siêu cao tần – UHF 868-928 MHz: Dải đọc rộng,tốc độ đọc cao - Dải vi sóng – Microwave 2.45-5.8 GHz: Dải đọc rộng, tốc độ đọc lớn Tương lai công nghệ RFID Sự đời thẻ RFID ý tưởng độc đáo: thẻ RFID thay cho mã vạch sản phẩm có bán siêu thị bán lẻ thay công nghệ tìm dấu vết máy phát vô tuyến nhỏ rẻ Thông tin truyền qua khoảng cách nhỏ mà không cần tiếp xúc vật lý Đó điều mà RFID (công nghệ nhận dạng đối tượng sóng vô tuyến) mang lại 1.2.Các thành phần hệ thống RFID Các thành phần hệ thống RFID thẻ, reader sở liệu Một hệ thống RFID toàn diện bao gồm thành phần: - Thẻ RFID (RFID Tag, Transponder - phát đáp) lập trình điện tử với thông tin - Các reader (đầu đọc) sensor (cảm biến) để truy vấn thẻ - Host computer – server: máy chủ, hệ thống phần mềm sở hạ tầng truyền thông Cơ sở hạ tầng truyền thông: thành phần bắt buộc, tập gồm mạng có dây, không dây phận kết nối để kết nối thành phần với Hình 1.2 Hệ thống RFID 1.2.1 Thẻ RFID Thẻ RFID (bộ phát đáp), thiết bị lưu trữ liệu thực tế hệ thống RFID, thường bao gồm phần tử kết nối (Coupling element) vi mạch (chip) a, transponder ghép cảm ứng b, transponder ghép viba Hình 1.3 Layout thiết bị mang liệu, transponder Thẻ gồm có phần chính: - Chip: lưu trữ số thứ tự thông tin khác dựa loại thẻ sau: read - only, read - write, write once – read many - Antenna: gắn với vi mạch truyền thông tin từ chip đến reader Antenna lớn phạm vi đọc lớn Các thẻ RFID phân loại dựa việc thẻ có chứa cung cấp nguồn gắn bên cung cấp thiết bị chuyên dụng: - Thụ động (Passive) - Tích cực (Active) - Bán tích cực (Semi-active, gọi bán thụ động semi-passive) Thẻ thụ động Hình 1.4.Cấu trúc thẻ thụ động - Start bit: bit truyền Frame Báo hiệu cho thiết bị nhận có gói liệu truyền đến Bit bắt buộc - Data: liệu cần truyền - Parity bit: kiểm tra liệu truyền có không - Stop bit: bit báo cho thiết bị bit gửi xong Thiết bị nhận tiến hành kiểm tra khung truyền nhằm đảm bảo tính đắn liệu Bit bắt buộc 43 Chương THIẾT KẾ ĐẦU ĐỌC THẺ THÔNG MINH RFID TRÊN CƠ SỞ VI ĐIỀU KHIỂN STM8S003F3 Ngày với phát triển công nghệ xu hướng tự động hóa ngày cao, nhiều lĩnh vực người khó kiểm soát quản lý đòi hỏi phải sử dụng nhiều nhân công, chi phí cao Với công nghệ RFID giám sát quản lý cách dễ dàng, giảm thiểu chi phí không tốn nhiều công sức 3.1 Thiết kế hệ thống phần cứng 3.1.1 Sơ đồ khối Khối Nguồn Module RFID Khối Khối giao vi tiếp Khối hiển thị điều khiển máy tính Hình 3.1 Sơ đồ khối hệ thống Chi tiết khối thể cụ thể phần sau 44 3.1.2 Sơ đồ nguyên lí Hình 3.2 Sơ đồ nguyên lí 3.1.3 Các khối hệ thống Khối nguồn Mạch điện sử dụng nguồn điện 12VDC để hoạt động, để cấp nguồn cho khối hiển thị, khối giao tiếp máy tính ta cần biến đổi thành nguồn 5V DC biến đổi nguồn 3.3VDC để cấp nguồn cho Module RFID RC522 khối vi điều khiển Chi tiết cụ thể mô tả hình sau: Hình 3.3 Khối nguồn Khối vi điều khiển Khối vi điều khiển sử dụng vi điều khiển STM8S003F3, đóng vai trò quan trọng hệ thống để điều khiển Khối vi điều khiển bao gồm mạch tạo 45 dao động thạch anh, mạch Reset để reset hệ thống lại trạng thái ban đầu Các chân vi điều khiển kết nối với khối khác khối điều khiển công suất, khối hiển thị, khối giao tiếp máy tính Toàn liệu mà ta thiết kế để điều khiển động chứa nhớ vi điều khiển Hình 3.5 Khối vi điều khiển Khối giao tiếp máy tính Ta sử dụng giao tiếp USART (chuẩn giao tiếp RS-232) Hình 3.6 Khối giao tiếp máy tính Khối hiển thị Khối hiển thị sử dụng text LCD 16x02 để hiển thị thông tin led đơn để báo hiệu Hình 3.7 LCD 16x02 46 Module RFID RC522 Module RFID RC522 sử dụng IC MFRC522 hãng Phillip dùng để đọc ghi liệu cho thẻ tần số 13.56 Mhz, với mức giá rẻ, thiết kế nhỏ gọn, module lựa chọn hàng đầu cho ứng dụng ghi đọc thẻ RFID Module RFID RC522 có thông số kĩ thuật sau: - Điện áp hoạt động: 3.3V 13-26mA - Dòng tiêu thụ chế độ Stand by: 3.3V 10-13mA - Sleep-mode: