Hệ thống cửa thông minh sds smart door system dựa trên công nghệ RFID

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CỦA SINH VIÊN THAM GIA XÉT GIẢI THƯỞNG "TÀI NĂNG KHOA HỌC TRẺ VIỆT NAM" NĂM 2014 DÀNH CHO SINH VIÊN HỆ THỐNG CỬA THÔNG MINH SDS ( SMART DOOR SYSTEM ) DỰA TRÊN CƠNG NGHỆ RFID Thuộc nhóm ngành khoa học: Khoa học Kỹ thuật Cơng nghệ (KT1) TP Hồ Chí Minh , Tháng năm 2014 MỤC LỤC CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ RFID 1.1 Lịch sử phát triển hệ thống RFID 1.2 Phân loại hệ thống nhận dạng 1.2.1 Hệ thống nhận dạng mã vạch (Barcode system) 1.2.2 Nhận dạng công nghệ sinh trắc học 1.2.3 Hệ thống RFID (Radio Frequency Identification) 1.3 Hệ thống RFID(RadioFrequencyIdentification) 1.3.1 Các thành phần hệ thống RFID 1.3.2 Tần số hoạt động hệ thống 1.3.3 Ưu điểm nhược điểm hệ thống RFID 1.3.4 Các ứng dụng hệ thống RFID 10 CHƯƠNG 2: ĐẶC TRƯNG CƠ BẢN CỦA HỆ THỐNG RFID 14 2.1 Các thành phần hệ thống RFID 14 2.2 Thẻ RFID 14 2.2.1 Giới thiệu tổng quát thẻ RFID 14 2.2.2 Phân loại thẻ RFID 16 2.3 Đầu đọc(Reader) 20 2.4 Sự mã hóa (coding) điều biến (modulation) 22 2.5 Các hệ thống RFID 25 2.5.1 Transponder bit 26 2.5.2 Hệ thống song công bán song công 27 2.5.3 Hệ thống 28 CHƯƠNG 3: : HỆ THỐNG CỬA THÔNG MINH SDS (SMART DOOR SYSTEM ) DỰA TRÊN CÔNG NGHỆ RFID 30 3.1 Giới thiệu chung hệ thống cửa thông minh 30 3.2 Phân tích yêu cầu thiết kế hệ thống 31 3.2.1 Các yêu cầu cần đảm bảo 31 3.2.2 Phân tích yêu cầu thiết kế 32 3.3 Sơ đồ khối nguyên lý hoạt động SMARTDOOR 33 3.3.1 Sơ đồ khối 33 3.3.2 Nguyên lý hoạt động SMARTDOOR 34 3.3.3 Cấu trúc phần mềm quản lí hệ thống cửa thơng minh 36 3.3.4 Các chức quản lí SMARTDOOR 39 3.4 Mô hình thực tế tự thiết kế 40 3.4.1 Sơ đồ hệ thống 40 3.4.2 Lưu đồ giải thuật 41 3.4.3 Nguyên lý hoạt động hệ thống 42 3.4.4 Một số chi tiết thành phần hệ thống 42 CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ - ĐÁNH GIÁ 47 4.1 Kết 47 4.2 Hướng phát triển 47 TÀI LIỆU THAM KHẢO 48 DANH MỤC HÌNH Hình 1.1 Barcode Hình 1.2 Bảng so sánh số hệ thống nhận dạng Hình 1.3 Các tag Hình 1.4 Reader Hình 1.5 Sơ đồ hệ thống RFID Hình 2.1 Transponder Reader hai thành phần hệ thống RFID 14 Hình 2.2 Một số loại Transponder tiêu biểu 15 Hình 2.3 Tương tác Application-Reader Reader-Transponder (mơ hình Master-Slave) 20 Hình 2.4 Các khối chức đọc 20 Hình 2.5 Cấu trúc giao diện HF 21 Hình 2.6 Sơ đồ phần phần HF chip reader em 4095 21 Hình 2.7 Dữ liệu dịng liệu hệ thống truyền thơng số 22 Hình 2.8 Mã NRZ 23 Hình 2.9 Mã Manchester 23 Hình 2.10 Mã RZ đơn cực 24 Hình 2.11 Mã DBP 24 Hình 2.12 Mã Miller coding 24 Hình 2.13 Mã Miller coding (dạng biến thể) 25 Hình 2.14 Các hệ thống RFID khác 26 Hình 2.15 Truyền liệu hệ thống song công,bán song cơng 28 Hình 3.1 Sơ đồ Smart Door System 30 Hình 3.2 Sơ đồ khổi phần cứng SMARTDOOR 33 Hình 3.3 Lưu đồ thuật tốn hoạt động q trình đọc 36 Hình 3.4 Sơ đồ hệ thống 40 Hình 3.5 Mạch nguyên lý 43 MỞ ĐẦU Tổng quan tình hình nguyên cứu: Kỹ thuật RFID ngày nhiều người biết đến thập niên 60 70, bắt đầu xuất nhiều ứng dụng nhiều mặt sống Kỹ thuật ngày hoàn thiện, từ nhận biết trở thành nhận dạng (from detection to unique identification) RFID tiên tiến vào đầu năm 80, có ứng dụng rộng rãi việc kiểm soát xe Mỹ hay đánh dấu đàn gia súc Châu Âu Hệ thống RFID đựơc ứng đời sống hoang dã, thẻ RFID gắn vào vật, nhờ mà lần theo dấu vết chúng môi trường thiên nhiên hoang dã Ngày công nghệ hướng đến giản đơn, tiện lợi cách đặc trưng quan trọng khả không dây (wireless) Một thiết bị chủ yếu hướng phát triển “Bộ nhận dạng tần số sóng vơ tuyến:RFID” (RFID: Radio Frequency Identification) làm cho người giải phóng, tự thỏa mái khả tự động Lý chọn đề tài: Muốn ứng dụng công nghệ RFID vào sống thực tiễn Nhằm đáp ứng nhu cầu nhà quản lý nhân sự,an ninh,… Mục tiêu: Tạo hệ thống cửa thông minh dựa công nghệ RFID Phương pháp nguyên cứu: - Tìm hiểu tài liệu thiết kế có sẵn ngồi nước - Ứng dụng công nghệ RFID vào hệ thống - Thiết kế bo mạch dùng vi điều khiển - Kết hợp phần mềm giao tiếp với máy tính : visual basic,… Đối tượng pham vi nguyên cứu: - Công nghệ RFID - Hệ thống cửa công ty - Dữ liệu quản lý nhân CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ RFID 1.1 Lịch sử phát triển hệ thống RFID Thế giới ta giai đoạn đổi phát triển mà cơng nghiệp hóa, tự động hóa ngày ứng dụng nhiều đặc biệt công nghệ tự động hóa nhận dạng (Auto-ID) trở nên phổ biến nhiều ngành công nghiệp dịch vụ, công nghiệp thương mại nhiều nhà máy sản xuất Công nghệ nhận dạng tồn giúp cho nhận thông tin đối tượng nhận dạng : người, tài sản,vật nuôi, … Công nghệ mã vạch (Barcode) mang lại thay đổi đáng kể, mang bước đầu ngành cơng nghệ cịn có nhiều thiếu sót mà số lượng đối tượng cần nhận dạng ngày tăng lên Ưu điểm công nghệ mã vạch giá thành thấp, khuyết điểm khả lưu trữ thấp, khơng có khả lập trình lại Các thiết bị mang liệu điện tử phổ biến sống hàng ngày loại thẻ thông minh dựa mơi trường tiếp xúc (ví dụ: thẻ điện thoại, thẻ tín dụng, thẻ ngân hàng …).Tuy nhiên thiết bị tiếp xúc với thẻ thông minh thường không linh hoạt Hệ thống RFID ( RFID : Radio Frequency Identification) đời nhằm khắc phục nhược điểm Sự truyền liệu không cần phải tiếp xúc thiết bị mang liệu đầu đọc hệ thống RFID linh hoạt Hệ thống RFID hệ thống nhận dạng liệu tự động không dây, cho phép việc đọc ghi liệu không cần tiếp xúc trực tiếp với hệ thống Chúng tỏ hữu ích sản xuất hoạt động điều kiện môi trường mà kỹ thuật khác làm Tại Việt Nam, nhu cầu sử dụng hệ thống RFID ngày nhiều mở thị trường đầy tiềm cho nhà nghiên cứu sản xuất Tuy nhiên, để đón nhận , vận dụng phát triển hệ thống này, cần có hiểu biết định chúng 1.2 Phân loại hệ thống nhận dạng 1.2.1 Hệ thống nhận dạng mã vạch (Barcode system) Mã vạch chuỗi mã nhị phân gồm có vạch khoảng trố xếp song song Chúng xếp theo mẫu định trước tương ứng với liệu sở Dãy chữ số tạo nên mã vạch khoảng trống lớn nhỏ khác Mã vạch đọc thiết bị quang học dựa phản xạ tia laze từ vạch đen khoảng trắng Các mã vạch tương tự chúng lại khác cách xếp định nghĩa sẵn người chế tạo Nội dung mã vạch thông tin sản phẩm định nghĩa sẵn như: tên nhà sản xuất, nước sản xuất, vị trí để, tiêu chuẩn, thơng tin kích thước sản phẩm, nơi kiểm tra… Hình 1.1: Barcode 1.2.2 Nhận dạng công nghệ sinh trắc học Hệ thống nhận dạng thuật ngữ sinh trắc học chung cho tất thủ tục để nhận dạng người cách so sánh đặc điểm đặc trưng người Thông thường như: dấu vân tay, giọng nói, khn mặt, hình dáng , võng mạc mắt, thân nhiệt chí nhịp đập tim… Ví dụ nhận dạng dấu vân tay: Dấu vân tay dạng nhận dạng phổ biến sử dụng áp dụng khoa học hình để tìm tội phạm thơng qua dấu vân tay để lại trường Về mặt cơng nghiệp dấu vân tay sử dụng nhận dạng người quản lý vào Nguyên lý hệ thống dùng photodiode truyền tia hồng ngoại tới ngón tay đặt đầu đọc chúng hấp thụ hồng cầu máu Vùng bị hấp thụ trở thành vùng tối hình ảnh chụp lại camera sau quét lên máy tính truy xuất liệu nhớ để tìm đối tượng cần tìm 1.2.3 Hệ thống RFID (Radio Frequency Identification) Tên thông dụng công nghệ RFID (Radio Frequency Identification) Thẻ RFID thẻ plastic có gắn microchip bé nửa hạt cát Chúng bắt tín hiệu sóng radio đáp ứng cách phát mã số nhận diện tương ứng Hầu tất thẻ RFID không dùng nguồn pin để cung cấp lượng hoạt động mà sử dụng lượng từ sóng radio kích hoạt để hoạt động Đây loại phương tiện để nhận diện người vật qua việc truyền sóng vơ tuyến Hệ thống thu liệu nhận diện tự động không dây trọng đến việc đọc ghi thông tin mà không cần tiếp xúc lọai công nghệ hiệu môi trường sản xuất môi trường khơng thân thiện khác mã vạch khơng cịn phát huy tác dụng Hình 1.2: Bảng so sánh số hệ thống nhận dạng 1.3 Hệ thống RFID(RadioFrequencyIdentification) 1.3.1 Các thành phần hệ thống RFID Một hệ thống RFID gồm phận: - Thẻ RFID (transponder/tag) : Đây phận quan trọng cấu thành lên hệ thống RFID sử dụng tất hệ thống RFID Hình 1.3: Các tag 34 - Màn hình LCD : hình hiển thị thông tin cần thiết cho nhân viên - Rơ le : dùng để nối với khóa từ, phần tử chấp hành thực việc đóng mở khóa từ Chiều mũi tên để chiều liệu thành phần ngoại vi với vi điều khiển dsPIC30F4011 Trên hình giao diện truyền thông : DS1307 giao tiếp với vi điều khiển dsPIC30F4011 qua giao diện truyền thông I2C, EEPROM AT28C64B giao tiếp với vi điều khiển qua giao diện truyền thông SPI, U2270B giao tiếp với vi điều khiển qua giao diện dây, máy tính giao tiếp với vi điều khiển qua giao diện truyền thông USART 3.3.2 Nguyên lý hoạt động SMARTDOOR Trong phần cứng SMARTDOOR vi xử lý đóng vai trị quan ảnh hưởng đến toàn hoạt động hệ thống xử lý trung tâm, điều khiển dòng liệu từ U2270B điều khiển ghi đọc DS1307 để thị lưu trữ thời gian thực, vi xử lý cịn có trách nhiệm điều khiển đọc ghi xóa liệu EEPROM AT28C64B, gửi liệu lên hình LCD hiển thị vấn đề quan tâm trình hoạt động, kết nối máy tính RS232 giao tiếp với SMARTDOOR khác mạng thiết bị khác mạng RS485, điều khiển khóa từ rơle Thẻ RFID dùng nghiên loại thẻ thụ động, thẻ thân thẻ RFID không chứa nguồn cung cấp cho chip chứa thẻ, thẻ hoạt động nằm phạm vi đầu đọc nhận lượng đầu đọc phát dạng sóng điện từ, thẻ thẻ đọc nên mã số thẻ ghi sẵn nhớ thẻ Khi thẻ RFID đưa vào phạm vi SMARTDOOR, Anten thẻ thu lượng đầu đọc cung cấp chip bên thẻ hoạt động Khi chip hoạt động gửi liệu Anten phần cứng SMARTDOOR với mạch đầu đọc kết hợp 35 với mạch U2270B nhận tín hiệu thẻ gửi tới, tín hiệu mạch U2270B xử lý chuyển đổi tín hiệu chân output U2270B, tín hiệu từ U2270B truyền đến vi điều khiển để vi điều khiển xử lý đưa hoạt động cho hệ thống.Vi điều khiển dsPIC30F4011 nhận liệu từ U2270B gửi tới, thực phân tích để lấy mã số thẻ, sau lấy mã số thẻ ví điều khiển đọc liệu từ EEPROM AT28C64B so sánh với mã thẻ nhận đưa định đóng mở cửa đến rơle hiển thị thông báo hình LCD đồng thời dsPIC cịn đọc giá trị thời gian DS1307 so sánh liệu khoảng thời gian cho phép nhân viên vào biết xác thời gian vào nhân viên.Xong công việc vi điều khiển ghi lại lịch sử thời gian vào nhân viên vào nhớ liệu Ngoài thực xong tác vụ phần cứng SMARTDOOR SMARTDOOR kết nối máy tính thơng qua RS232, thực giao tiếp với phần mềm quản lý nhân viên máy tính.Khi máy tính yêu cầu gửi liệu lịch sử dsPIC đọc liệu lịch sử nhân viên lên từ nhớ EEPROM thao tác cịn lại máy tính thực thi 36 Hình 3.3: Lưu đồ thuật tốn hoạt động q trình đọc 3.3.3 Cấu trúc phần mềm quản lí hệ thống cửa thông minh 37 3.3.3.1 Chức quản lý nhân Quản lý nhân yêu cầu đặt cho hệ thống, mục đích đặt cho hệ thống phải phân biệt rõ thông tin cá nhân nhân viên với nhau.Các thông tin cá nhân, thông tin ngày tháng, thời gian cho phép vào phòng, hay tổng hợp tất thời gian vào nhân viên mộ thời gian dài tất lịch sử vào lưu sở liệu hệ thống.Cơ sở liệu Microsoft Access Database, tất thông tin liệt kê bảng liệu lưu file SQL 3.3.3.2 Một số bảng liệu chức quản lý nhân Bảng thông tin cá nhân : 38 Các thông tin giới hạn quyền vào nhân viên: 39 3.3.4 Các chức quản lí SMARTDOOR SMARTDOOR có khả lưu trữ nạp liệu xóa liệu… Cái lập trình sẵn nạp chương trình vào vi điều khiển trung tâm Vì hoạt động nạp thơng tin mã thẻ hay thông tin quyền vào, đọc thông tin để kiểm tra đối chiếu định người lập trình Bộ nhớ SMARTDOOR chia làm hai vùng : vùng ghi nhớ danh sách thông tin nhân viên mã thẻ thông tin hạn chế quyền vào (gọi Vùng I), vùng ghi nhớ thông tin lịch sử vào nhân viên 40 nhân viên quẹt thẻ (gọi Vùng II) Phần mềm SDMS có quyền xóa vùng nhớ : xóa vùng I để nạp lại danh sách mới, xóa vùng II để SMARTDOOR có khơng gian lưu trữ lịch sử lần vào Phần mềm quản lý SDMS có khả thay đổi thời gian SMARTDOOR có chip thời gian thực chip thời gian thực tính tốn sai cần phải điều chỉnh SDMS làm chức Chức phần mềm phải có khả lập báo cáo thống kê chi tiết số lần vào, thời gian vào nhân viên Ngoài phần mềm cung cấp nhiều chức khác như: tìm kiếm, lập báo cáo, lập danh sách, tạo hồ sơ, in hồ sơ … 3.4 Mơ hình thực tế tự thiết kế 3.4.1 Sơ đồ hệ thống Hình 3.4: Sơ đồ hệ thống 41 3.4.2 Lƣu đồ giải thuật 42 3.4.3 Nguyên lý hoạt động hệ thống Reader phát sóng vơ tuyến.Khi nhân viên cầm thẻ (tag rfid) lại gần reader,tag nhận lượng từ reader kích hoạt truyền code chip nhớ tag.Reader nhận tín hiệu tiến hành giải mã dạng byte liệu.Dữ liệu thông qua vi xử lý reader truyền qua chuẩn RS-232 lên máy tính.Sau máy tính nhận xong khung byte liệu tiếng hành kết nối với hệ thống SQL kiểm tra.Nếu khung liệu có database hệ thống SQL tiến hành ghi lại thời gian gởi lệnh cho phép nhân viên vào xuống CPU hệ thống xử lý chuẩn RS232.Nếu khung khơng có database hệ thống.Máy tính tiến hành gởi lệnh báo động có đột nhập Sau nhận command từ máy tính.Hệ CPU tiến hành giải mã thực theo yêu cầu máy tính đề ra: Cho phép nhân viên vào báo động có xự xâm nhập 3.4.4 Một số chi tiết thành phần hệ thống 3.4.4.1 Chƣơng trình giao tiếp - Vai trị: Nhận thông tin từ reader thông qua cổng com,xử lý thông tin nhân được,tiến hành kết nối với database,truyền lệnh xuống xử lý - Ngơn ngữ lập trình : Visual Basic - Các phần source code: + Phần Com driver:Connect tới cổng com.Có chức gởi nhận thơng tin + Phần SQL:Connect với database.Có chức đọc.Bổ sung liệu database + Phần xử lý trung tâm:Phân tích liệu truyền lệnh điều khiển hệ thống 43 + Phần giao diện:Hiện thông tin cập nhập nhận liệu từ reader 3.4.4.2 Khối xử lý ( CPU ) - Chức năng: nhận xử lý liệu nhận từ sever điều khiển thành phần chấp hành - Sơ đồ mạch: Hình 3.5: Mạch nguyên lý 44 - Phần Source C: #include #FUSES NOWDT #FUSES XT #FUSES PUT #FUSES NOPROTECT #use delay(clock=4000000) #use rs232(baud=9600,parity=N,xmit=PIN_a0,rcv=PIN_a1) int32 c; byte i; void start() { output_low(pin_a3); for (i=1;i