Thiết kế hệ thống đóngmở cửa tự động sử dụng công nghệ RFID

Thiết kế hệ thống đóng mở cửa tự động sử dụng công nghệ RFID

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN & TRUYỀN THÔNG KHOA CƠNG NGHỆ TỰ ĐỘNG HĨA BÁO CÁO Thực tập chuyên ngành: Thiết kế chế tạo hệ thống đóng mở cửa tự động sử dụng công nghệ RFID Sinh viên thực : Nguyễn Hữu Hải Lớp:Tự Động Hóa K14A Giảng viên hướng dẫn : T.S Lê Hùng Linh Thái Nguyên, tháng năm 2019 LỜI CẢM ƠN Trong suốt trình thực Đồ án, em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến Thầy giáo Tiến Sĩ Lê Hùng Linh hết lòng hướng dẫn ủng hộ tinh thần cho em thời gian thực đồ án thực tập chuyên ngành, dẫn tận tình, giúp em thực có hướng đắn Em xin chân thành cảm ơn Thầy giáo Em xin chân thành cảm ơn Thầy giáo, giáo Khoa Cơng nghệ Tự động hóa – Trường Đại học Công nghệ thông tin Truyền thông dạy bảo, truyền đạt lại kiến thức cho em thời gin em học tập, để em có kiến thức ngày hôm từ kiến thức tảng đó, em hồn thiện đồ án tốt Thái Nguyên, tháng năm 2019 Sinh viên Nguyễn Hữu Hải MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN LỜI NÓI ĐẦU CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ RFID 1.1 Sơ lược hệ thống nhận dạng tự động 1.1.1 Hệ thống mã vạch ( Barcode System) 1.1.2 Phương thức sinh trắc học ( Biometric procedures) 1.1.3 Nhận dạng ký tự quang học (tiếng Anh: Optical Character Recognition, viết tắt OCR) .9 1.1.4 Thẻ thông minh ( Smart Card) .10 1.1.5 Hệ thống RFID .10 1.2 Công nghệ RFID VIỆT NAM 10 1.3 Tính cấp thiết đề tài 11 1.4 Mục tiêu đề tài .12 CHƯƠNG CƠ SỞ LÝ THUYẾT 14 2.1 Khái niệm công nghệ RFID 14 2.2 Thành phần hệ thống RFID .14 1.3 Thẻ RFID (Tag) 15 2.3.1 Dung lượng thẻ 15 2.3.2 Các thành phần thẻ .15 2.3.3 Hình dạng kích thước thẻ 16 2.3.4 Tần số hoạt động 17 2.3.5 Khoảng đọc thẻ .18 2.3.6 Phân loại thẻ 19 2.4 Đầu đọc (READER) .21 2.4.1 Các thành phần vật lý Reader RFID 23 2.4.2 Phân loại READER 24 2.5 Các ứng dụng RFID 25 2.6 Ưu, nhược điểm hệ thống RFID .26 2.7 Giới thiệu lựa chọn linh kiện .27 2.7.1 Khối MCU .27 2.7.2 Linh kiện khối hiển thị - Màn hình LCD .31 2.7.3 Module RFID RC522 .35 2.7.4 Khối ma trận bàn phím 4X4(keypad) .37 2.7.5 Một số linh kiện khác 38 CHƯƠNG PHÂN TÍCH BÀI TỐN 41 3.1 Yêu cầu toán 41 3.2 Phân tích chức hệ thống .41 3.3 Đầu vào đầu hệ thống .41 3.4 Giải pháp thiết kế 42 3.4.1 Sơ đồ khối 42 3.4.2 Phân tích chức khối 42 3.4.3 Truyền liệu từ thẻ với đầu đọc 43 3.4.4 Cách thức giải mã bàn phím 43 3.4.5 Kết nối Arduino với thẻ RFID RC522 44 3.4.5 Khung truyền liệu .45 3.4.6 Két nối cách thức thị liệu lên LCD .46 3.4.7 Một số kết nối khác 49 3.4.8 Lưu đồ thuật toán 50 3.4.9 Nguyên lý hoạt động hệ thống 51 CHƯƠNG XÂY DỰNG MƠ HÌNH 53 4.1 Thiết kế thi công 53 4.1.1 Sơ đồ tổng quát kết nối phần cứng 53 4.1.2 Nguyên lý hoạt động Mạch .53 4.1.3 Một số hình ảnh sản phẩm .54 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN .57 TÀI LIỆU THAM KHẢO .59 PHỤ LỤC 60 LỜI NÓI ĐẦU Ngày nay, với phát triển mạnh mẽ khoa học kỹ thuật Đặc biệt lĩnh vực tự động hóa tạo nên động lực thức đẩy phát triển ngành công nghiệp khác nhằm phục vụ đáp ứng nhu cầu người sống Con người với trợ giúp máy móc, cơng cụ thơng minh trực tiếp làm việc, hay công việc mà người làm với khả minh mà việc điều khiển chúng hay chúng làm việc hoàn toàn tự động mang lại lợi ích to lớn, giảm nhẹ tối ưu hóa cơng việc Với tiến đáp ứng nhu cầu người sống đại nói chung phát triển khoa học kỹ thuật nói riêng Đối với sinh viên tự động hóa việc nghiên cứu, tìm hiểu đặc tính cơng nghệ nhận dạng đối tượng sóng vơ tuyến RFID có ý nghĩa thực tế quan trọng Sau em xin tìm hiểu khảo sát đặc tính cơng nghệ nhận dạng sóng vơ tuyến RFID thiết kế ứng dụng thực tế “Thiết kế chế tạo hệ thống đóng mở cửa tự động sử dụng công nghệ RFID” Đây sở để thiết kế hệ thống tự động hóa đơn giản, phức tạp ứng dụng rộng rãi khoa học đời sống Nội dung báo cáo gồm chương giới thiệu sơ lược sau đây:  Chương 1: Tổng quan công nghệ RFID  Chương 2: Cơ sở lý thuyết  Chương 3: Phân tích tốn  Chương 4: Thiết kế thực thi Do kiến thức hạn chế nên báo cáo em khơng tránh khỏi thiếu sót số nội dung chưa chi tiết, mong thầy giáo góp ý thơng cảm CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ RFID 1.1 Sơ lược hệ thống nhận dạng tự động Nhận dạng tự động (Automatic Indentification ) gọi tắt “ID tự động” thuật ngữ công nghệ dùng để giúp máy nhận dạng đối tượng Nhận dạng tự động thường thực cách tự động bắt liệu Mục tiêu “ ID tự đơng” tăng tính hiệu , giảm lỗi liệu đầu vào giảm sức lao động nhận dạng Các hệ thống nhận dạng tự động bao gồm : Vân tay Mã vạch Sinh trắc học Nhận dạng tự động Giọng nói Khn mặt Kí tự quang học Thẻ thơng minh RFID Hình : Các hệ thống nhận dạng tự động 1.1.1 Hệ thống mã vạch ( Barcode System) Mã vạch (Barcode) theo định nghĩa phương pháp lưu trữ truyền tải thông tin lọai ký hiệu gọi ký mã vạch (Barcode symbology) Ký mã vạch hay gọi tắt mã vạch, ký hiệu tổ hợp khoảng trắng vạch thẳng để biểu diễn mẫu tự, ký hiệu số Sự thay đổi độ rộng vạch khoảng trắng biểu diễn thông tin số hay chữ số dạng mà máy đọc Mã số mã vạch thu nhận máy quét mã vạch, máy thu nhận hình ảnh mã vạch in bề mặt chuyển thơng tin chứa mã vạch đến máy tính hay thiết bị cần thơng tin Nó thường có nguồn sáng kèm theo thấu kính, để hội tụ ánh sáng lên mã vạch, thu ánh sáng phản xạ cảm quang chuyển hóa tín hiệu ánh sáng thành tín hiệu điện Ngồi ra, nhiều máy qt mã vạch có thêm mạch điện tử xử lý tín hiệu thu từ cảm quang để chuyển thành tín hiệu phù hợp cho kết nối với máy tính Hình : Mã vạch 1.1.2 Phương thức sinh trắc học ( Biometric procedures) Phương thức sinh trắc học cơng nghệ sử dụng thuộc tính vật lý, đặc điểm sinh học riêng cá nhân vân tay, mống mắt, khuôn mặt để nhận diện Nhận dạng giọng nói: Là phương thức thực cách kiểm tra đặc trưng giọng nói người nói với mẫu tham khảo có trước, tương ứng đáp ứng thực theo yêu cầu người nói Nhận dạng dấu vân tay: Tiến trình dựa so sánh mẫu nhú lớp da đầu ngón tay Hệ thống phân tích liệu từ mẫu đọc đượng đem so sánh với mẫu tham khảo lưu trữ Nhận dạng khuôn mặt: Hệ thống nhận dạng khn mặt ứng dụng máy tính tự động xác định nhận dạng người từ hình ảnh kỹ thuật số khung hình video từ nguồn video Một cách để thực điều so sánh đặc điểm khn mặt chọn trước từ hình ảnh sở liệu khuôn mặt Nhận dạng tròng mắt: Cơng nghệ nhận dạng tròng mắt (Iris Recognition) phương pháp sử dụng thuật tốn hình ảnh để nhận dạng người dựa vào cấu trúc phức tạp 11 độc tròng mắt, chí họ đeo kính sử dụng áp tròng từ khoảng cách định 1.1.3 Nhận dạng ký tự quang học (tiếng Anh: Optical Character Recognition, viết tắt OCR) Nhận dạng ký tự quang học loại phần mềm máy tính tạo để chuyển hình ảnh chữ viết tay chữ đánh máy (thường quét 10 máy scanner) thành văn tài liệu Bằng phần mềm ORC máy quét quét trang chữ in, ký tự biến thành văn theo qui cách tài liệu chương trình xử lý Hình 3: Nhận dạng kí tự quang học 1.1.4 Thẻ thông minh ( Smart Card) Thẻ thông minh hệ thống lưu trữ liệu điện tử Nó có kích thước khoảng thẻ tín dụng chứa thơng tin hầu hết trường hợp chứa vi xử lý điều khiển nhiều chức đáp ứng nhu cầu người sử dụng Không giống thẻ từ có sọc từ ngồi mặt thẻ, thẻ thơng minh giữ thơng tin bên mà độ an tồn cao Thẻ thơng minh thường dùng cho thiết bị cần xác minh chủ quyền người sử dụng, tạo mã truy cập cho hệ thống bảo an Thẻ thông minh thẻ thông minh điện thoại trả trước đưa vào sử dụng năm 1984 Có hai loại thẻ thông minh : thẻ nhớ thẻ vi xử lý - Thẻ nhớ (memory card) thường gồm nhớ đọc (EEPROM) lập trình, xóa tín hiệu điện - Thẻ vi xử lý: thẻ có gắn vi xử lý, vi xử lý có kích thước nhỏ có cấu tạo gồm nhớ EEPROM, nhớ đọc (ROM), nhớ truy cập ngẫu nhiên (RAM), CPU Các chi tiết có vai trò giống vai trò phận tương tự máy tính 1.1.5 Hệ thống RFID Hệ thống RFID liên hệ gần với thẻ thông minh Cũng hệ thống thẻ thông minh, liệu lưu trữ thiết bị mang liệu điện tử phận phát đáp Tuy nhiên, không giống thẻ thông minh, lượng cung cấp cho thiết bị mang liệu cho việc trao đổi liệu đầu đọc/phát tín hiệu khơng dựa tiếp xúc điện mà thay vào sử dụng từ tính trường điện từ 1.2 Cơng nghệ RFID VIỆT NAM Công nghệ RFID ứng dụng lâu phổ biến nhiều nước giới Việt Nam mẻ Hiện nắm bắt triển khai công nghệ để tận dụng ưu điểm trội Ở Việt Nam, công nghệ RFID bước đầu ứng dụng lĩnh vực: kiểm sốt vào-ra, chấm cơng điện tử, quản lý phương tiện qua trạm thu 12 phí, kiểm sốt bãi đỗ xe tự động Điển hình có cơng ty TECHPRO Việt Nam, hợp tác Hãng IDTECK – Korea ứng dụng RFID chấm công điện tử, kiểm sốt thang máy Viện Cơng nghệ Thơng tin giới thiệu chào bán hệ thống ứng dụng RFID như: hệ thống kiểm xoát xâm thực AC200 sử dụng thẻ RFID, khóa điện tử RFID K400R, hệ thống kiểm sốt vơ tuyến Trung tâm cơng nghệ cao Việt Nam, thuộc Viện điện tử- tin học- tự động hóa nghiên cứu thiết kế xây dựng hệ phần mềm cho hệ thống quản lý tự động thẻ RFID để ứng dụng thu phí cầu đường Tại TP.HCM, công nghệ RFID triển khai ứng dụng trạm thu phí Xa lộ Hà Nội Quản lý nhân chấm công: Khi vào công ty công việc nhân viên cần làm thẻ RFID liệu nhân viên ghi nhận lưu trữ đầu đọc để chấm công Hệ thống trơng giữ xe: Mơ hình bãi giữ xe thông minh sử dụng công nghệ RFID áp dụng phổ biến để đơn giản hóa việc vào bãi đậu xe rút ngắn thời gian kiểm tra, tránh trường hợp ùn tắc… Ưu điểm ứng dụng tính an tồn thời gian xử lý ngắn Không lo lắng bị thẻ xe Ứng dụng RFID nuôi trồng thủy sản: Những chip RFID siêu nhỏ gắn giai đoạn sản phẩm nhằm ghi lại thơng số kỹ thuật quy trình cánh tự động phần mềm chuyên dụng ghi lại kết nhằm làm sở đảm bảo truy xuất sản phẩm chuỗi giá trị Khi doanh nghiệp thủy sản Việt Nam sử dụng hệ thống này, việc xuất sản phẩm thủy sản vào nước có yêu cầu khắt khe vệ sinh an toàn thực phẩm hàng rào kỹ thuật trở lại nên dễ dàng thuận lợi nhiều Ứng dụng sản xuất xuất nông sản: Với cơng nghệ RFID người nơng dân biết thông tin trồng chúng cần tưới nước, bón phân, hay kiểm tra sâu bệnh quan trọng kỹ thuật truy nguyên nguồn gốc hàng hóa 1.3 Tính cấp thiết đề tài Thẻ RFID có kích thước nhỏ, dùng để gắn lên vật thể cần quản lý hàng hóa, người Thẻ RFID chứa chip silicon anten cho phép nhận lệnh đáp ứng lại tần số vô tuyến RF từ đầu đọc RFID Tín hiệu ghi vào thẻ đọc không phụ thuộc vào hướng thẻ mà cần thẻ nằm vùng phủ sóng thiết bị Khi thẻ RFID tiến đến gần thiết bị đọc ghi thẻ, lượng sóng điện từ đủ để cung cấp cho thẻ từ q trình trao đổi liệu thẻ thiết bị đọc ghi thẻ bắt đầu Trong q trình này, thiết bị đọc ghi thông tin thẻ, sau kết thúc trình trao đổi liệu, 10 Khi quét thẻ, hệ thống nhận dạng thẻ quét có mã thẻ với mã thẻ cài đặt ban đầu hay khơng Nếu hình LCD sễ thị “THE DUNG”, điều khiển động servo hoạt động mở cửa , đồng thời đèn xanh báo tín hiệu mở cửa Sau khoảng thời gian giây cửa tự động đóng lại, quay trở ban đầu Nếu thẻ sai , hệ thống cảnh báo còi chíp đồng thời hình LCD thị “THE SAI” không mở Nếu chọn chế độ nhập password , pass nhập với pass cài đặt LCD thị “MAT KHAU DUNG”, đồng thời cửa mở đèn báo sáng Nếu password sai hệ thống tín hiệu cảnh báo còi cửa khơng mở 4.1.3 Một số hình ảnh sản phẩm Hình 21 : Đấu nối thiết bị 53 Hình 22 : Tổng quan sản phẩm Hình 23 : Hiển thị quét thẻ nhập pass 54 Hình 24 : Hình ảnh cửa mở 55 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN Những vấn đề làm được: + Tìm hiểu tổng quan cơng nghệ RFID + Thiết kế chế tạo mơ hình đóng mở cửa tự động sử dụng cơng nghệ RFID + Tìm hiểu nhiều ứng dụng sửa dụng cơng nghệ RFID nói riêng Arduino nói chung Nhược điểm thiếu sót - Muốn thay đổi mật thẻ card phải kết nối với máy tính, khơng thay đổi trực tiếp - Khi điện hệ thống ngừng hoạt động , cần tạo nguồn riếng cho , câu trực tiếp nguồn cổng để điện pin dự phòng bị , cấp trực tiếp cho Ưu điểm khóa cửa RFID : Nhờ sử dụng công nghệ đại mà khóa thẻ từ RFID có ưu điểm bật dòng khóa thơng thường - Khóa thẻ từ RFID có độ bảo mật cao: Chỉ có thẻ khóa đăng ký hệ thống sử dụng từ mang lại độ an tồn cao Đặc biệt, hoạt động đóng/mở cửa phòng lưu lại khố cửa giúp người quản lý tra cứu kiểm sốt dễ dàng qua hệ thống máy tính Chưa hết, thẻ từ bị vơ hiệu hóa ngày thơng báo mà khơng phải thay lại khố - Sử dụng khóa thẻ từ RFID dễ dàng: Cách thức sử dụng loại khóa vơ đơn giản Để mở cửa bạn cần đặt thẻ gần phận cảm biến cửa bật mở sau vài giây Mọi hoạt động cài đặt, phát hành thẻ thao tác phần mềm vơ tiện lợi - Khóa thẻ từ RFID có tính thẩm mỹ cao 56 - Chi phí thấp vận hành thấp Hướng phát triển: Có thể phát triển mơ hình nhà thơng minh, tích hợp sắn nhiều tính bảo mật chống trộm , bật tắt thiết bị gia đình cách tự động vv Trong thời gian tới, bên cạnh việc khắc phục tồn đề tài, em hi vọng ứng dụng cơng nghệ RFID việc thiết kế khóa bảo mật, ứng dụng đời sống hàng ngày không đơn mơ hình 57 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Nguyễn Khánh An, Trương Quốc Dũng, Nghiên cứu thiết kế Module thu phát sử dụng công nghệ RFID, ĐH SPKT TPHCM 2009 [2] Himanshu Bhatt, Bill Glover: RFID Essentials, O’Reilly, 01/2006 [3] Sandip Lahiri: RFID Sourcebook, Prentice Hall PTR, 08/2005 [4] Bhuptani Manish, Moradpour Shahram: RFIDField Guide : Deploying Radio Frequency Identification Systems, Prentice Hall PTR, 02/ 2005 [5] Tài liệu từ website http://www.dientuvietnam.net/forums http://www.diendandientu.com https://www.altera.com 58 PHỤ LỤC Code // thư viện cần thiết #include #include #include #include #include //Khai báo thư viện cần thiết LiquidCrystal_I2C lcd(0x27, 16, 2); MFRC522 mfrc522(10, 9); // MFRC522 mfrc522(SS_PIN, RST_PIN) Servo sg90; // Khởi tạo chân cho led, servo buzzer constexpr uint8_t greenLed = 7; constexpr uint8_t redLed = 6; constexpr uint8_t servoPin = 8; constexpr uint8_t buzzerPin = 5; String tagUID = "87 6C 02 2C"; // Chuỗi để lưu UID thẻ char password[4]; // Biến để lưu mật người dùng boolean RFIDMode = true; // boolean để thay đổi chế độ char key_pressed = 0; // Biến để lưu trữ khóa đến // xác định có hàng cột bàn phím const byte rows = 4; 59 const byte columns = 4; // Bản đồ pin bàn phím char hexaKeys[rows][columns] = { {'1', '2', '3', 'A'}, {'4', '5', '6', 'B'}, {'7', '8', '9', 'C'}, {'*', '0', '#', 'D'} }; // Khởi tạo chân cho bàn phím byte row_pins[rows] = {A0, A1, A2, A3}; byte column_pins[columns] = {2, 1, 0, 3}; // Tạo ví dụ cho bàn phím Keypad Keypad( keypad_key = makeKeymap(hexaKeys), row_pins, column_pins, rows, columns); char STR[4] = {'1', '1', '1', '1'}; // Cài đặt mật tùy ý char str[4] = {' ', ' ', ' ', ' '}; int i, j, count = 0; void setup() { // Cấu hình pin Arduino pinMode(buzzerPin, OUTPUT); pinMode(redLed, OUTPUT); pinMode(greenLed, OUTPUT); 60 sg90.attach(servoPin); // Khai báo chân cho servo sg90.write(0); // Đặt vị trí ban đầu 90 độ lcd.begin(); // Man hinh LCD lcd.backlight(); SPI.begin(); // Khởi tạo SPI mfrc522.PCD_Init(); // Ban đầu MFRC522 lcd.clear(); // Xóa hình LCD } void loop() { char key = keypad_key.getKey(); // Ký tự nhập vào gán cho biến Key if (key) // Nhập mật { if (i == 0) { str[0] = key; lcd.setCursor(6, 1); lcd.print(str[0]); delay(500); // Ký tự hiển thị hình LCD 1s lcd.setCursor(6, 1); lcd.print("*"); // Ký tự che dấu * } if (i == 1) { str[1] = key; lcd.setCursor(7, 1); 61 lcd.print(str[1]); delay(500); lcd.setCursor(7, 1); lcd.print("*"); } if (i == 2) { str[2] = key; lcd.setCursor(8, 1); lcd.print(str[2]); delay(500); lcd.setCursor(8, 1); lcd.print("*"); } if (i == 3) { str[3] = key; lcd.setCursor(9, 1); lcd.print(str[3]); delay(500); lcd.setCursor(9, 1); lcd.print("*"); count = 1; } i = i + 1; } if (count == 1) { 62 if (str[0] == STR[0] && str[1] == STR[1] && str[2] == STR[2] && str[3] == STR[3]) { lcd.clear(); lcd.print("MAT KHAU DUNG"); digitalWrite(greenLed, HIGH); delay(1500); sg90.write(90); // Mở cửa lcd.clear(); lcd.print(" XIN MOI VAO"); delay(5000); sg90.write(0); digitalWrite(greenLed, LOW); i = 0; count = 0; } else { lcd.clear(); lcd.print(" MAT KHAU SAI !"); digitalWrite(buzzerPin, HIGH); delay(1500); digitalWrite(buzzerPin, LOW); delay(2000); lcd.clear(); lcd.print(" THU LAI !"); delay(2000); lcd.clear(); 63 i = 0; count = 0; } } //Hệ thống trước tiên tìm chế độ if (RFIDMode == true) { lcd.setCursor(0, 0); lcd.print("QUET THE or PASS"); lcd.setCursor(0, 1); // Tìm thẻ if ( ! mfrc522.PICC_IsNewCardPresent()) { return; } // Chọn thẻ if ( ! mfrc522.PICC_ReadCardSerial()) { return; } // Đọc thẻ từ String tag = ""; for (byte j = 0; j < mfrc522.uid.size; j++) { tag.concat(String(mfrc522.uid.uidByte[j] < 0x10 ? " 0" : " ")); 64 tag.concat(String(mfrc522.uid.uidByte[j], HEX)); } tag.toUpperCase(); // Kiểm tra thẻ if (tag.substring(1) == tagUID) { // Nếu UID thẻ khớp lcd.clear(); lcd.print("THE DUNG"); digitalWrite(greenLed, HIGH); delay(1500); digitalWrite(greenLed, LOW); lcd.clear(); lcd.print("XIN MOI VAO"); lcd.setCursor(0, 1); RFIDMode = false; // Đặt chế độ RFID sai } else { // Nếu UID thẻ không khớp lcd.clear(); lcd.setCursor(0, 0); lcd.print("THE SAI"); 65 lcd.setCursor(0, 1); lcd.print("TRUY CAP TU CHOI"); digitalWrite(buzzerPin, HIGH); digitalWrite(redLed, HIGH); delay(2000); digitalWrite(buzzerPin, LOW); digitalWrite(redLed, LOW); lcd.clear(); } } // Nếu chế độ RFID sai, tìm phím từ bàn phím if (RFIDMode == false) { sg90.write(70); // mở cửa digitalWrite(greenLed, HIGH); delay(5000); digitalWrite(greenLed, LOW); sg90.write(0); //đóng cửa lcd.clear(); i = 0; RFIDMode = true; // Biến chế độ RFID thành } } 66 67