Thiết kế hệ thống tự động quản lý sinh viên kết nối với đầu đọc RFID

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - TRẦN BÁ LINH THIẾT KẾ HỆ THỐNG TỰ ĐỘNG QUẢN LÝ SINH VIÊN KẾT NỐI VỚI ĐẦU ĐỌC RFID LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT Chuyên ngành: ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA Hà Nội – 2012 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - TRẦN BÁ LINH THIẾT KẾ HỆ THỐNG TỰ ĐỘNG QUẢN LÝ SINH VIÊN KẾT NỐI VỚI ĐẦU ĐỌC RFID LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT Chuyên ngành: ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA NGƯỜI HƯỚNG DẪN: GS.TS PHẠM THỊ NGỌC YẾN Hà Nội – 2012 Thiết kế hệ thống tự động quản lý sinh viên kết nối với đầu đọc RFID MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU LỜI CAM ĐOAN 11 LỜI CẢM ƠN 12 Chương 1.1 XÂY DỰNG HỆ THỐNG QUẢN LÝ SINH VIÊN 13 Phân tích: 13 1.2 Thực kỹ thuật: 13 1.3 Mô tả phần cứng hệ thống 14 1.3.1 Thẻ 14 1.3.2 Đầu đọc 14 1.4 Ý tưởng lựa chọn thẻ 15 1.4.1 Ý tưởng lựa chọn chíp đầu đọc 15 1.4.2 Ý tưởng lựa chọn điều khiển 15 1.5 Thiết kế chi tiết: 16 Chương TỔNG QUAN RFID 17 2.1 Khái niệm RFID 17 2.2 Tình hình phát triển cơng nghệ 18 2.3 Tần số hoạt động 19 2.3.1 Các dải tần số công nghệ RFID 20 2.3.2 So sánh tần số 125KHz 13.56MHz 22 Hệ thống RFID tần số 13,56MHz 23 2.4 2.4.1 Thẻ 23 2.4.2 Đầu đọc 24 2.4.3 Nguyên lý làm việc 25 Chương BỘ VI XỬ LÝ ATMEGA16 31 Giới thiệu 31 3.1 3.1.1 Giới thiệu họ vi điều khiển AVR: 31 3.1.2 Giới thiệu vi xử lý Atmega16 31 3.1.3 Đặc điểm Atmega16: 31 Các tính Atmega16 : 32 3.2 3.2.1 Sơ đồ chân 34 3.2.2 Mạch cấp nguồn nuôi cho vi điều khiển 35 3.3 Cấu trúc ATMega16 36 3.3.1 Cấu trúc nhân: 36 3.3.2 Cấu trúc nhớ: 36 Thiết kế hệ thống tự động quản lý sinh viên kết nối với đầu đọc RFID 3.3.3 Các cổng vào 39 3.3.4 Bộ định thời: 40 3.3.5 UART 40 Chương CHUẨN KẾT NỐI ĐẦU ĐỌC VÀ MÁY TÍNH (PC) 42 4.1 Đặt vấn đề: 42 4.2 Tổng quan RS232 42 4.2.1 Ưu điểm giao diện nối tiếp RS232 43 4.2.2 Những đặc điểm cần lưu ý chuẩn RS232 43 4.2.3 Các mức điện áp đường truyền 44 4.2.4 Cổng RS232 PC 44 4.2.5 Quá trình liệu 45 4.3 Khối giao tiếp máy tính RS232 47 Chương THIẾT KẾ PHẦN MỀM QUẢN LÝ SINH VIÊN 48 5.1 Phân tích: 48 5.2 Kiến trúc hệ thống 48 5.2.1 Sơ đồ khối phần cứng hệ thống 51 5.2.2 Thẻ 51 5.2.3 Đầu đọc 52 5.3 Chọn thiết bị thiết kế hệ thống 53 5.3.1 Lựa chọn thẻ 53 5.3.2 Lựa chọn chíp đầu đọc 53 5.3.3 Lựa chọn điều khiển 54 5.4 Thiết kế chi tiết: 54 5.4.1 Phân tích khối chức 55 5.4.2 Phân tích chức phần mềm hệ thống 58 5.5 Chương trình vi điều khiển 60 5.5.1 Giao tiếp máy tính đầu đọc 61 5.5.2 Điều chế giải điều chế 63 5.6 Chương trình quản lý sinh viên 74 5.6.1 Quản lý thông tin sinh viên 75 5.6.2 Quản lý thời gian học tập: 76 KẾT LUẬN 77 TÀI LIỆU THAM KHẢO 78 Thiết kế hệ thống tự động quản lý sinh viên kết nối với đầu đọc RFID Danh mục hình vẽ Trang Hình 2.1 Các kỹ thuật nhận dạng tự động 17 Hình 2.2: Các thành phần thẻ 23 Hình 2.3: Các thành phần đầu đọc 25 Hình 2.4: Giao tiếp đầu đọc thẻ 25 Hình 2.5: Trường gần trường xa 26 Hình 2.6: Từ trường dao động phía đầu đọc sinh 27 Hình 2.7: Tín hiệu điều chế biên ASK 29 Hình 2.8: Tín hiệu điều tần FSK 29 Hình 2.9: Tín hiệu điều pha PSK 29 Hình 3-1 Sơ đồ ghép nối vi xử lý 32 Hình 3.2 Sơ đồ chân Atmega16 34 Hình 3.3 Mạch cấp nguồn ni cho vi điều khiển 35 Hình 3.4 Sơ đồ cấu trúc CPU Atmega16 36 Hình 3.5 Tổ chức nhớ AVR 37 Hình 3.6 Thanh ghi bits 38 Hình 3.7 Tín hiệu tương đương UART RS232 41 Hình 4.1 Sơ đồ chân cổng Com chân 44 Hình 4.2 Khối giao tiếp máy tính RS232 47 Hình 5.1: Kiến trúc hệ thống 49 Hình 5.2 : Sơ đồ khối hệ thống 51 Hình 5.3 : Sơ đồ ghép nối IC EM 4094 56 Hình 5.4: Sơ đồ ghép nối vi xử lý 56 Hình 5.5: Sơ đồ ghép nối LCD 57 Hình 5.6: Sơ đồ ghép nối MAX 232 58 Hình 5.7: Sơ đồ ghép nối khối nguồn cung cấp 58 Hình 5.8: Cấu trúc lớp phần mềm 58 Hình 5.9 Giản đồ xung 31 bit khởi tạo IC đầu đọc 63 Hình 5.10: Thuật toán hàm khởi tạo 64 Hình 5.11: Mã hóa out of 256 65 Hình 5.12: Mã hóa out of 66 Hình 5.13 : Chương trình ngắt Capture T1 74 Thiết kế hệ thống tự động quản lý sinh viên kết nối với đầu đọc RFID Danh mục bảng Bảng 1: Thông tin sinh viên 75 Bảng 2: Quản lý hồ sơ sinh viên 76 Bảng 3: Quản lý thời gian học tập 76 Thiết kế hệ thống tự động quản lý sinh viên kết nối với đầu đọc RFID Một số thuật ngữ Thuật ngữ RFID EOF PPM RFU AFE AFI WORM CRC UID DSFID VCC VICC EPC HDX FDX SEQ SOF ASIC AM OOK ASK FSK PSK Ý nghĩa Radio Frequency Identification End Of Frame Pulse position modulation Reserved for future use Analog Front-End Aplication family identifer Write Once Read Many Cyclic Redundancy Check Unique Identifier Data Storage Format Identifer Vicinity coupling device (Reader) Vicinity integrated circuit card (Tag) Electrical Product Code Half Duplex Full Duplex Sequential Start Of Frame Application Specific Integrated Circuit Amplitude Modulation On-off Keying Amplitude Shift Keying Frequency Shift Keying Phase Shift Keying Thiết kế hệ thống tự động quản lý sinh viên kết nối với đầu đọc RFID LỜI NÓI ĐẦU Cơ sở lựa chọn đề tài: Đất nước ta trình vận động, đổi phát triển, nghành tự động hóa coi nghành mũi nhọn kinh tế thị trường.Lĩnh vực tự động hóa phát triển mạnh mẽ nước coi đầu tàu kinh tế giới Mỹ, Pháp, Nhật Bản…vì thế, để tiếp thu thành khoa học kỹ thuật tiên tiến, giúp đất nước phát triển theo đường đại hóa, nghành tự động hóa nên đầu tư phát triển mạnh mẽ Và yếu tố giúp làm giảm chi phí thời gian quản lý, giảm nhân lực tham gia quản lý, giúp tăng tính bảo mật, tăng tính xác cơng nghệ tự động hóa nhận dạng Công nghệ nhận dạng sử dụng rộng rãi nhiều nơi với nhiều mục đích khác có vai trị quan trọng phát triển đời sống xã hội nói chung phát triển cơng nghiệp nước ta nói riêng Việc nhận dạng giúp nhà quản lý quản lý, giám sát đối tượng nhiều mức độ khác với RFID, việc trở nên dễ dàng xác Các hệ thống nhận dạng hầu hết phải có người quản lý trực tiếp tiếp xúc với đối tượng làm nhiều thời gian, không đảm bảo tính kịp thời việc xử lý thơng tin tính bảo mật quản lý giám sát Từ nhược điểm hệ thống nhận dạng đơn giản trên, công nghệ RFID năm gần sử dụng rộng rãi RFID (Radio Frequency Identification) phương pháp nhận dạng đối tượng tự động sóng vơ tuyến,thu thập từ xa liệu lưu trữ thiết bị thẻ RFID đầu đọc RFID Thơng tin truyền qua khoảng cách vừa phải mà không cần tiếp xúc vật lý Đó kỹ thuật nhận dạng sóng vơ tuyến từ xa, cho phép liệu chíp đọc cách “khơng tiếp xúc” qua đường dẫn sóng vơ tuyến khoảng cách từ 50 cm tới 10 mét, tùy theo kiểu thẻ nhãn RFID Thiết kế hệ thống tự động quản lý sinh viên kết nối với đầu đọc RFID Hệ thống RFID gồm hai thành phần: thứ thẻ nhãn nhỏ (cỡ vài cm) có gắn chip silicon ăng ten radio thành phần thứ hai đọc cho phép giao tiếp với thẻ nhãn truyền liệu tới hệ thống máy tính trung tâm Bộ nhớ chip chứa từ 96 đến 512 bit liệu, nhiều gấp 64 lần so với mã vạch Ưu việt hơn, thông tin lưu giữ chíp sửa đổi tương tác đọc Dung lượng lưu trữ cao thẻ nhãn RFID thông minh cho phép chúng cung cấp nhiều thông tin đa dạng Với công nghệ RFID, thông tin nhân nhận dạng tự động.Chip thẻ nhãn RFID gắn kèm với ăngten chuyển tín hiệu đến máy cầm tay máy đọc cố định Các máy chuyển đổi sóng radio từ thẻ RFID sang mã liên quan đến việc xác định thông tin sở liệu máy tính quan quản lý kiểm soát Thiết kế hệ thống tự động quản lý sinh viên kết nối với đầu đọc RFID Ứng dụng RFID RFID với tần số thấp 125 KHz xuất từ 50 năm trước có nhiều ứng dụng thành công Nhưng bên cạnh mặt thuận lợi, hạn chế lớn tần số 125 KHz khoảng cách đọc ngắn, khoảng cách đọc tối đa 20 cm nên ứng dụng tần số bị hạn chế nhiều Vì thế, tơi tập trung vào dải tần số 13,56 MHz, dải tần số tăng khoảng cách đọc lên tới 70 cm nên có nhiều ứng dụng Đề tài mà chọn : “ Thiết kế hệ thống tự động quản lý sinh viên kết nối với đầu đọc RFID” Phương pháp nghiên cứu: Tìm hiểu nghiên cứu khái qt cơng nghệ RFID, xây dựng thuật tốn, viết chương trình thiết kế phần mềm, kết nối truyền thông giao tiếp máy tính phần cứng Thiết kế hệ thống tự động quản lý sinh viên kết nối với đầu đọc RFID Bắt đầu Ghi Bit DCLK=0 Reset cổng nối tiếp Tre Bit_dem=0 Ghi DIN Bit_dem=>0 Đ Ghi Bit Tre S Dich sang bit DCLK=0 DIN=0 DCLK=1 Kết thúc Tre Hình 5.10: Thuật tốn hàm khởi tạo RF_reset Để vào chế độ hoạt động thơng thường, cờ lượng (bit 31 bit truyền) set lên 1, đưa chip vào chế độ power_up Trước cờ lượng set lên, phải đảm bảo chip thỏa mãn điều kiện sẵn sàng hoạt động: thạch anh dao động, truyền nhận không bị ngắn mạch…Do đó, trước hết ta truyền 31 bit chế độ power_down (bit 1=0), đặt bit 5=1 để kiểm tra ngắn mạch) Chờ khoảng 64 ms, sau truyền lại 31 chế độ power_up (bit 1=1) Kết thúc q trình khởi tạo, chíp đầu đọc vào chế độ Nomal Khi vào chế độ Nomal: o DCLK=0 o DOUT1 phát xung với tần số 13.56MHz o DOUT đầu tín hiệu số thu 64 Thiết kế hệ thống tự động quản lý sinh viên kết nối với đầu đọc RFID Hình ảnh mơ 5.5.2.2 Mã hóa tín hiệu truyền từ VCD xuống VICC Cơ sở lý thuyết Loại điều chế ASK với số điều chế 10% đến 100%(OOK) Mã hóa liệu Việc mã hóa liệu thực điều chế vị trí xung Có hai phương pháp mã hóa liệu: out of 256 out of Hình 5.11: Mã hóa out of 256 65 Thiết kế hệ thống tự động quản lý sinh viên kết nối với đầu đọc RFID Hình 5.12: Mã hóa out of Khung truyền Câu lệnh truyền từ VCD xuống VICC có dạng sau: Khung truyền bắt đầu khung SOF kết thúc khung EOF VICC sẵn sàng để nhân khung từ VCD sau gửi xong khung tới VCD 300μs Như trình bày chương trước, tín hiệu chân DIN EM4094 ngược với tín hiệu hai chân anten Do đó, dạng mã hóa cho tín hiệu tới DIN lúc sau: 66 Thiết kế hệ thống tự động quản lý sinh viên kết nối với đầu đọc RFID SOF Hình 3: SOF truyền out of 256 Hình 4: SOF truyền out of EOF Hình 5: EOF hai phương pháp Mô tả Ngắt “truyền liệu” thực trễ, phục vụ việc truyền liệu theo phương pháp “1 out of 4” Ngắt phát đếm T1 Bộ đếm T1 liên tục đặt lại lần xảy ngắt, giá trị đặt phụ thuộc chu kì bit Có 10 trạng thái phát ngắt T1: trạng thái từ đến phục vụ việc tạo tín hiệu SOF; trạng thái 4,5,6 phục vụ việc tạo liệu 0, 1; trạng thái từ đến phục vụ việc tạo tín hiệu EOF Lưu đồ thuật toán gửi chuỗi liệu dài chieu_dai byte: 67 Thiết kế hệ thống tự động quản lý sinh viên kết nối với đầu đọc RFID Thuật tốn chương trình hàm ngắt: 68 Thiết kế hệ thống tự động quản lý sinh viên kết nối với đầu đọc RFID Ngắt tràn T1 S Pha ==4? Đ DIN=0; Đặt thời gian tràn T1; pha=5; Break; S Pha==5? Đ DIN=1; Đặt thời gian tràn T1; Giá trị byte==3? S Pha=4; Break; Đ Pha=6; Break; S Pha==6? Đ DIN=0; S Vị trí byte==cuối? Đ Đặt thời gian tràn T1= delay[1]; Pha=7; break; S Đặt thời gian tràn T1; Pha=4; Dịch byte kế; Break; 0