Nghiên cứu thiết kế đầu đọc thẻ công nghệ RFID tần số 125 khz và ứng dụng trong lĩnh vực y dược

1 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ VŨ MẠNH CƢỜNG NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ ĐẦU ĐỌC THẺ CÔNG NGHỆ RFID TẦN SỐ 125kHz VÀ ỨNG DỤNG TRONG LĨNH VỰC Y - DƢỢC LUẬN VĂN THẠC SỸ: CƠ HỌC KỸ THUẬT Hà Nội -Năm 2017 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ VŨ MẠNH CƢỜNG NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ ĐẦU ĐỌC THẺ CÔNG NGHỆ RFID TẦN SỐ 125kHz VÀ ỨNG DỤNG TRONG LĨNH VỰC Y - DƢỢC Ngành: Cơ kỹ thuật Chuyên ngành: Cơ kỹ thuật Mã số: 60.52.01.01 LUẬN VĂN THẠC SỸ: CƠ HỌC KỸ THUẬT NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS TS PHẠM MẠNH THẮNG Hà Nội - Năm 2017 LỜI CAM ĐOAN Tác giả xin cam đoan luận án tự thân thực không chép công trình nghiên cứu ngƣời khác để làm sản phẩm riêng Các thông tin thứ cấp sử dụng luận án có nguồn gốc đƣợc trích dẫn rõ ràng Tác giả hoàn toàn chịu trách nhiệm tính xác thực nguyên luận văn Tác giả Vũ Mạnh Cƣờng LỜI CẢM ƠN Thời gian học kỳ để làm luận văn quãng thời gian dài học viên Tuy nhiên, thời gian đủ cho học viên học hỏi đƣợc nhiều điều Ngoài cố gắng thân để hoàn thiện luận văn này, Em nhận đƣợc giúp đỡ tận tình từ Thầy giáo hƣớng dẫn, gia đình ban lãnh đạo bệnh viện nơi Em đến thực tế Em xin gửi kết luận văn thay cho lời cảm ơn chân thành tới PGS.TS Phạm Mạnh Thắng - Chủ nhiệm Bộ môn Công nghệ Cơ điện tử, Phó chủ nhiệm Khoa Cơ học kỹ thuật Tự động hóa, Trƣờng Đại học Công nghệ, ĐHQG Hà Nội Về kiến thức Em đƣợc học hỏi truyền đạt từ Thầy, kiến thức Kỹ thuật Cơ điện tử mà ẩn sau Em học hỏi đƣợc từ Thầy tính trách nhiệm phƣơng pháp làm việc nhiệt tình, hiệu Em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới PGS.TS Trịnh Hoàng Hà - Giám đốc Bệnh viện ĐHQG Hà Nội, tới ThS Dƣơng Hải Thuận - Phòng khám đa khoa, Bệnh viện ĐHQG Hà Nội, nhiệt tình hƣớng dẫn, nhƣ cung cấp cho Em mẫu tài liệu quy chuẩn ngành Y tế nhƣ: hồ sơ bệnh án, phiếu xét nghiệm, đơn thuốc Và cuối cùng, Em ghi nhớ công ơn cha mẹ, ngƣời sinh thành Em, vất vả lao động để Em có đƣợc điều kiện học tập, trƣởng thành Em hi vọng kết luận văn đƣợc áp dụng vào thực tế bệnh viện, phòng khám Đóng góp phần nhỏ bé vào phát triển chung xã hội Em xin chân thành cám ơn! MỤC LỤC DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT DANH MỤC HÌNH VẼ DANH MỤC BẢNG BIỂU 10 MỞ ĐẦU 11 CHƢƠNG I: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 13 1.1 Công nghệ RFID gì? 13 1.2 Cấu trúc hệ thống RFID 13 1.2.1 Thẻ RFID (Tags) 13 1.2.2 Đầu đọc thẻ (Reader) 15 1.2.3 RFID Server 16 1.3 Ƣu nhƣợc điểm hệ thống dùng RFID 16 1.3.1 Ưu điểm 16 1.3.2 Nhược điểm 17 1.4 Ứng dụng xu hƣớng phát triển công nghệ RFID 17 1.4.1 Ứng dụng 17 1.4.2 Xu hướng phát triển 19 CHƢƠNG II: THIẾT KẾ ĐẦU ĐỌC THẺ RFID TẦN SỐ 125kHz 20 2.1 Thiết kế bo mạch điện tử đầu đọc thẻ 20 2.2 Thiết kế Antena 125kHz cho đầu đọc thẻ RFID 30 2.2.1 Cấu trúc chung hệ Antenna 31 2.2.2 Tính toán thiết kế Antenna 125kHz cho đầu đọc RFID 31 CHƢƠNG III: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN TRUNG TÂM ĐỂ THU NHẬN DỮ LIỆU TỪ ĐẦU ĐỌC THẺ RFID TẦN SỐ 125kHz 37 3.1 Thiết kế phần cứng điều khiển trung tâm để thu nhận liệu từ đầu đọc thẻ RFID tần số 125kHz 37 3.1.1 Thiết kế khối điều khiển trung tâm sử dụng vi điều khiển PIC16F887: 37 3.1.2 Thiết kế khối hiển thị sử dụng hình LCD 16x02 44 3.1.3 Thiết kế khối giao tiếp máy tính sử dụng chuẩn RS-232 44 3.1.4 Sơ đồ mạch khối điều khiển trung tâm (MCU) 48 3.2 Xây dựng phần mềm máy tính PC quản lý CSDL bệnh nhân 51 3.2.1 Phân tích thiết kế 51 3.3.2 Xử lý yêu cầu viết chương trình 54 CHƢƠNG IV: THỬ NGHIỆM VÀ ỨNG DỤNG 72 4.1 Chức tổng thể hệ thống 72 4.2 Thử nghiệm hệ thống Phòng thí nghiệm 72 KẾT LUẬN 74 TÀI LIỆU THAM KHẢO 76 PHỤ LỤC 1: MỘT SỐ HÌNH ẢNH QUÁ TẢI Ở CÁC BỆNH VIỆN 77 PHỤ LỤC 2: MÃ CODE PHẦN MỀM NHÚNG 79 DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT CMOS: Complementary Metal-Oxide-Semiconductor COM: Component Object Model DCE: Data Communication Equipment DTE: Data Terminal Equipment EIA: Electronics Industry Associations HF: High Frequency IC: Integrated Circuit LCD: Liquid Crystal Display LED: Light Emitting Diode LF: Low Frequency MCU: Master Control Unit MWF: Microwave Frequency RF: Radio Frequency RFID:Radio Frequency Identification TTL: Transistor-Transistor-Logic UHF: Ultra High Frequency DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1: Mô hình hệ thống RFID đơn giản 12 Hình 1.2: Hoạt động Hệ thống RFID sử dụng Thẻ thụ động 13 Hình 1.3: Thẻ tích cực 14 Hình 1.4: Dải tần hoạt động hệ thống RFID 14 Hình 1.5: Ứng dụng công nghệ RFID lĩnh vực 17 Hình 1.6: Ứng dụng công nghệ RFID quản lý bệnh nhân 18 Hình 2.1: Sơ đồ chân EM4095 19 Hình 2.2: Cấu trúc EM4095 21 Hình 2.3: Mạch ứng dụng EM5095 chế độ đọc – ghi 23 Hình 2.4: Vi điều khiển PIC 16F886 24 Hình 2.5: Sơ đồ khối PIC16F886 25 Hình 2.6: Sơ đồ nguyên lý đầu đọc thẻ RFID 27 Hình 2.7: Mạch layout đầu đọc thẻ RFID 28 Hình 2.8: Bo mạch đầu đọc thẻ RFID lắp ráp linh kiện 28 Hình 2.8: Bo mạch đầu đọc thẻ RFID lắp ráp linh kiện 29 Hình 2.10: Giao tiếp thẻ đầu đọc RFID ghép cảm ứng 30 Hình 2.11: Cách kết nối EM4095 chế độ đọc 31 Hình 2.12: Một số hình ảnh Antenna thiết kế 34 Hình 3.1 : Sơ đồ cấu trúc đầu đọc thẻ RFID 35 Hình 3.2: Vi điều khiển PIC16F887 36 Hình 3.3: Sơ đồ chân PIC16F887 36 Hình 3.4 : Sơ đồ logic nguồn ngắt PIC16F887 40 Hình 3.5: Sơ đồ kết nối LCD với vi điều khiển 42 Hình 3.6: Ví dụ tín hiệu truyền ký tự „A‟ 44 Hình 3.7: Sơ đồ chân cổng nối tiếp 45 Hình 3.8: Kết nối đơn giản truyền thông nối tiếp 45 Hình 3.9: Kết nối truyền thông nối tiếp dùng tín hiệu bắt tay 46 Hình 3.10: Sơ đồ nguyên lý điều khiển trung tâm 47 Hình 3.11: Mạch Layout điều khiển trung tâm 48 Hình 3.12 : Bộ điều khiển trung tâm sau lắp ráp bo mạch 49 Hình 3.13: Giao diện công cụ lập trình C#.NET 2015 51 Hình 3.14: Tạo quan hệ bảng liệu 51 Hình 3.15: Khởi tạo Project 53 Hình 3.16: Mã giao diện cửa sổ 53 Hình 3.17: Toolbox C# 54 Hình 3.18: Giao diện cửa sổ Quản lý Vào/ra 54 Hình 3.19: Giao diện cửa sổ Quản lý Hồ sơ 55 Hình 3.20: Các bảng Cơ sở liệu 56 Hình 3.21: Namespace C# 57 Hình 3.22: Giao diện phần mềm Load Cơ sở liệu 58 Hình 3.23: Các tác vụ quản lý Hồ sơ 58 Hình 3.24: Liên hệ liệu gốc chƣơng trình 59 Hình 3.25: Các bƣớc lƣu ảnh cho hồ sơ 62 Hình 3.26: Chức lựa chọn cổng COM 64 Hình 3.27: Giao diện mô truyền liệu qua cổng COM ảo 65 Hình 3.28: Vùng hiển thị thông tin Mã thẻ gửi lên từ đầu đọc 65 Hình 3.29: Xử lý Mã thẻ nhận đƣợc 66 Hình 3.30: Xử lý Mã thẻ gửi đến có Cơ sở liệu 67 Hình 3.31: Cửa sổ cảnh báo lựa chọn xử lý mã thẻ 68 Hình 3.32: Kết xuất Excel 70 Hình 4.1: Một số hình ảnh thử nghiệm phòng thí nghiệm 72 Hình PL1.1: Bệnh nhân đông chờ thực thủ tục bệnh viện 77 Hình PL1.2: Bệnh nhân chen làm thủ tục khám bệnh 77 Hình PL1.3: Chờ đợi đến lƣợt khám 78 10 DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 2.1: Chức chân IC EM 4095 21 Bảng 2.2 Chức Pins VĐK PIC16F886 27 Bảng 2.3: Tính toán thông số Antenna 34 Bảng 3.1: Chức chân PORT A 38 Bảng 3.2: Chức chân PORTB 39 Bảng 3.3: Chức chân PORT C 39 Bảng 3.4: Chức chân PORT D 40 Bảng 3.5: Chức chân PORT E 40 Bảng 3.6: Các nguồn ngắt vi điều khiển PIC16F887 41 Bảng 3.7: Đặc tính kỹ thuật chuẩn RS-232 45 73 Hình 4.1: Một số hình ảnh thử nghiệm phòng thí nghiệm 74 KẾT LUẬN Kết thực Sau thời gian thực đề tài, Em hoàn thành việc nghiên cứu, thiết kế chế tạo thành công đầu đọc thẻ công nghệ RFID tần số 125kHz ứng dụng lĩnh vực Y – Dƣợc, đạt đƣợc số kết sau:  Về lý thuyết: - Tìm hiểu công nghệ RFID - Nghiên cứu, thiết kế đầu đọc thẻ công nghệ RFID tần số 125kHz (phần cứng phần mềm cho đầu đọc thẻ) - Xây dựng phần mềm máy tính PC (Quản lý sở liệu bệnh nhân có kết nối với hệ thống đầu đọc thẻ)  Về thực tiễn: + Chế tạo thành công đầu đọc thẻ công nghệ RFID tần số 125KHz + Chế tạo thành công điều khiển trung tâm để thu nhận liệu từ đầu đọc thẻ RFID tần số 125kHz + Các chức hệ thống bám sát nhu cầu khám chữa bệnh cấp phát thuốc ngành Y - Dƣợc Ngoài kết trên, phía thân, qua đề tài nghiên cứu này, Em học hỏi đƣợc nhiều kiến thức liên ngành đặc thù kỹ thuật điện tử, nhƣ kỹ thiết kế phần cứng, kiến thức công nghệ thông tin việc thiết kế phần mềm ứng dụng kỹ mềm khác Hƣớng phát triển Bƣớc việc ứng dụng y học là: - Xây dựng hệ thống CSDL online, cho phép nhiều máy trạm phòng khám bệnh viện truy cập vào hồ sơ bệnh nhân Bệnh nhân ngƣời nhà xem hồ sơ bệnh án Internet - Thiết kế đọc thẻ bệnh nhân nhỏ gọn Có thêm phiên di động, đọc thẻ giƣờng bệnh Thông tin truyền máy chủ qua mạng Wifi, hiển thị trực tiếp lên hình tích hợp với đầu đọc 75 - Tiếp tục tìm hiểu, bổ sung chức chuyên ngành Y tế cho phần mềm Nhằm đáp ứng tối đa tiện dụng - Giới thiệu tới bệnh viện nhằm thƣơng mại hóa hệ thống 76 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt [1] Phạm Mạnh Thắng, Trần Quang Vinh: “Báo cáo tổng kết đề tài KC03.12 : Nghiên cứu cấu kiện hệ thống tự động hóa nhà cao tầng (nhà công ích, dân dụng)” 2013 [2] Nguyễn Văn Vỵ, Nguyễn Việt Hà- Trƣờng Đại học Công nghệ Giáo trình Kỹ nghệ phần mềm, NXB Đại học Quốc Gia Hà Nội [3] Nguyễn Thế Anh Nghiên cứu, thiết kế mô anten RFID, Luận văn thạc sĩ năm 2005 [4] Phạm Mạnh Thắng, Đinh Cao Sơn, Hoàng Văn Mạnh : Tìm hiểu công nghệ RFID : Báo cáo Nghiên cứu khoa học Sinh viên Trƣờng ĐHCN năm 2011 Tiếng Anh [5] John.Wiley RFID HandBook, ebook [6].McGraw-Hill Radio Frequency Identification, ebook [7]Addison Wesley Windows Forms Programming in C#, ebook Internet links [7].“Vào Ra Dữ Liệu Với Serial Port Trong C# Net Framework”, http://www.dientuvietnam.net/forums/showthread.php?t=3046 [8] “SerialPort Class”, http://msdn.microsoft.com/en-us/library/system.io.ports.serialport.aspx [9] Radio-frequency identification, http://en.wikipedia.org/wiki/RFID 77 PHỤ LỤC 1: MỘT SỐ HÌNH ẢNH QUÁ TẢI Ở CÁC BỆNH VIỆN Hình PL1.1: Bệnh nhân đông chờ thực thủ tục bệnh viện Hình PL1.2: Bệnh nhân chen làm thủ tục khám bệnh 78 Hình PL1.3: Chờ đợi đến lƣợt khám 79 PHỤ LỤC 2: MÃ CODEPHẦN MỀM NHÚNG CỦA BỘ ĐIỀU KHIỂN TRUNG TÂM (NGÔN NGỮ C – VDK 16F887 HÃNG MICROCHIP (MỸ) ///////////////////////////////////////////////////////////////////////// /// Luan van Thac sy - RFID Reader (UET –VNU) /// Hanoi -2017 ///////////////////////////////////////////////////////////////////////// #include #device *=16 #device adc=8 #FUSES NOWDT //No Watch Dog Timer #FUSES HS //High speed Osc (> 4mhz) #FUSES NOPUT //No Power Up Timer #FUSES MCLR //Master Clear pin enabled #FUSES NOPROTECT #FUSES NOCPD //Code not protected from reading //No EE protection #FUSES NOBROWNOUT //No brownout reset #FUSES NOIESO disabled //Internal External Switch Over mode #FUSES NOFCMEN //Fail-safe clock monitor disabled #FUSES NOLVP B5(PIC18) used for I/O //No low voltage prgming, B3(PIC16) or #FUSES NODEBUG //No Debug mode for ICD #FUSES NOWRT //Program memory not write protected #FUSES BORV40 //Brownout reset at 4.0V #define RS485_Enable PIN_C5 #define RS485_RX PIN_C7 #define RS485_TX PIN_C6 #use delay(clock=20M) // Low =0 = Receive; = Transmit 80 #define MASTER_ID #define RS485_RX_PIN PIN_C7 // Data receive pin #define RS485_TX_PIN PIN_C6 // Data transmit pin #define RS485_ENABLE_PIN PIN_C5 // Controls DE pin RX low, TX high #define RS485_RX_ENABLE PIN_C5 keep low.// Low =0 = Receive; = Transmit // Controls RE pin Should #use rs232(baud=9600, xmit=RS485_TX_PIN, rcv=RS485_RX_PIN, bits=8,stream = RS485) #use rs232(baud=9600, xmit=PIN_C0, rcv=PIN_C1, bits=8,stream = PC) int8 DEST_RS485_ID; #byte RCREG = 0x1A #bit CREN = 0x18.4 #bit SPEN = 0x18.7 #define LEDRED PIN_E0 #define LEDGREEN PIN_E1 #define RX_BUFFER_SIZE 16 #define NUM_RS485_NODE #define TIMEOUT 100000 #include "lcd_4bit.c" #define IDLE #define SET_ADDR #define READ_CMD #define READ2_CMD #define WAIT_RES #define RCV_DATA #define SEND_PC #define WAITTIMEOUT int8 in_char = 0; 81 int8 next_in = 0; int8 msg[20]={0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0}; //#locate msg = 0x00 /* int8 msg2[16*5]; #locate msg2 = 0x120 int8 msg3[16*5]; #locate msg3 = 0x190 */ int1 SlaveAnswer; int1 StartRcv=0; int8 nextstate,laststate; int32 RcvTimeOut; #INT_RDA void rda_isr(){ in_char = fgetc(RS485); if(in_char == 'S') { next_in = 0; StartRcv = 1; } if(StartRcv){ msg[next_in] = in_char; // fputc(in_char,PC); next_in++; if(next_in == RX_BUFFER_SIZE) { SlaveAnswer = 1; next_in = 0; } 82 } } void RS485SendMsg(int8* data ){ int8 i; output_high(RS485_ENABLE_PIN); output_high(RS485_RX_ENABLE); for(i=0;i