Thiết kế hệ thống thẻ giữ xe thông minh dùng công nghệ RFID

Luận văn thạc sỹ kỹ thuật BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI Họ tên tác giả luận văn NGUYỄN VĂN HIỆP TÊN ĐỀ TÀI LUẬN VĂN THIẾT KẾ HỆ THỐNG THẺ GIỮ XE THÔNG MINH, DÙNG CÔNG NGHỆ RFID Chuyên ngành: Đo lường hệ thống điều khiển LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT ĐO LƯỜNG VÀ CÁC HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN NGƯỜI HƯỚNG DẪN: TS NGUYỄN QUỐC CƯỜNG Hà Nội - 2014 Trang Luận văn thạc sỹ kỹ thuật MỤC LỤC DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH DANH MỤC CÁC BẢNG LỜI CAM ĐOAN LỜI CẢM ƠN LỜI NÓI ĐẦU 10 Cơ sở lựa chọn đề tài 10 Phương pháp nghiên cứu 11 CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG QUẢN LÝ BÃI ĐỖ XE THÔNG MINH 13 1.1 Hệ thống hướng dẫn đỗ xe 13 1.2 Hệ thống kiểm soát vào/ra 14 1.3 Phần mềm quản lý bãi đỗ xe 15 1.4 Lợi ích hệ thống quản lý bãi đỗ xe thông minh 16 CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ RFID VÀ 19 THIẾT KẾ ĐẦU ĐỌC 19 2.1 Tổng quan công nghệ RFID 19 2.2 Tần số hoạt động Error! Bookmark not defined 2.3 Hệ thống RFID tần số 13.56Mhz 22 2.3.1 Thẻ 22 2.3.2 Đầu đọc 23 2.3.3 Nguyên lý làm việc 24 2.4 Thiết kế phần cứng đầu đọc RFID 26 2.4.1 Lựa chọn IC RFID Reader 26 2.4.2 Cấu trúc IC CR95HF .28 Trang Luận văn thạc sỹ kỹ thuật 2.4.3 Cấu trúc đầu đọc RFID 28 2.4.4 Thiết kế chi tiết đầu đọc thẻ RFID 29 2.4.5 Thiết kế mạch in đầu đọc thẻ RFID 42 2.5 Thiết kế firmware cho đầu đọc RFID 44 2.5.1 Yêu cầu thiết kế 44 2.5.2 Firmware cho đầu đọc RFID .44 2.5.3 Thực việc viết firmware cho đầu đọc RFID 46 2.6 Kết đạt 48 CHƯƠNG THIẾT KẾ THIẾT BỊ ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG 50 3.1 Tổng quan thiết bị điều khiển hệ thống 50 3.2 Thiết kế phần cứng thiết bị điều khiển 51 3.2.1 Thiết kế khối vi điều khiển 51 3.2.2 Thiết kế khối Camera giao tiếp máy tính .52 3.2.3 Thiết kế khối thẻ nhớ giao tiếp với đầu đọc thẻ RFID 54 3.2.4 Thiết kết khối nguồn cho thiết bị 55 3.2.4 Vẽ mạch in cho thiết bị điều khiển hệ thống .56 3.3 Thiết kế firmware cho thiết bị 58 3.3.1 Yêu cầu thiết kế 58 3.3.2 Thiết kế firmware cho thiết bị 58 3.3.3 Chương trình kiểm tra hoạt động thiết bị 60 CHƯƠNG VIẾT CHƯƠNG TRÌNH XỬ LÝ DỮ LIỆU TRÊN MÁY TÍNH 63 CHƯƠNG KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN 67 5.1 Kết đạt 67 5.2 Bàn luận 67 Trang Luận văn thạc sỹ kỹ thuật KẾT LUẬN 68 TÀI LIỆU THAM KHẢO 69 RFID handbook (Rachel Waddington_Translate) 69 RFID Sourcebook (Sandrip Lahiri) 69 Sefa Kalayci, Design of a radio frequency identification antenna, Middle East Technical University, 2009 69 STMicroelectronics, CR95HF datasheet 69 Antenna design and impedance matching guidelines for CR95HF multi-protocol contactless transceiver IC 69 Giáo trình sở liệu 69 Học lập trình với C# 69 Các website 69 Trang Luận văn thạc sỹ kỹ thuật DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH Hình 1.1 Sơ đồ hệ thống hướng dẫn đỗ xe 14 Hình 1.2 Hệ thống kiểm sốt vào/ra 15 Hình 1.3 Sơ đồ tổng quát hệ thống quản lý bãi đỗ xe thơng minh 16 Hình 1.4 Sơ đồ tổng quan hệ thống quản lý bãi đỗ xe thơng minh 17 Hình 2.1 Cơ chế trao đổi lượng đầu đọc thẻ 24 Hình 2.2 Sơ đồ chân IC CR95HF .27 Hình 2.3 Cấu trúc IC CR95HF 28 Hình 2.4 Sơ đồ khối đầu đọc RFID 28 Hình 2.6 Sơ đồ mạch nguyên lý khối vi điều khiển 30 Hình 2.7 Sơ đồ nguyên lý khối giao tiếp với CR95HF 32 Hình 2.8 Cấu trúc Ăng-ten cần thiết kế cho CR95HF 34 Hình 2.9 Ăng-ten dạng hình xoắn ốc .35 Hình 2.10 Ăng-ten dạng hình vng, lục giác bát giác 36 Hình 2.11 Sơ đồ nguyên lý khối ăng-ten 36 Hình 2.12 Các thơng số thiết kế ăng-ten 37 Hinh 2.13 Ăng-ten đầu đọc RFID .38 Hình 2.14 Sơ đồ nguyên lý khối giao tiếp .39 Hình 2.15 Sơ đồ nguyên lý khối trạng thái 39 Hình 2.16 Sơ đồ khối nguồn cung cấp cho đầu đọc 40 Hình 2.17 Sơ đồ nguyên lý đầu đọc thẻ RFID 42 Hình 2.18 Sơ đồ xếp linh kiện 42 Hình 2.19 Sơ đồ mạch in lớp Toplayer đầu đọc .43 Hình 2.20 Sơ đồ mạch in lớp Bottomlayer đầu đọc 43 Hình 2.21 Đầu đọc RFID sau hàn linh kiện 44 Hình 1.22 Lưu đồ thuật toán đầu đọc RFID 46 Hình 2.23 Cấu trúc thư mục firmware cho đầu đọc RFID .47 Hình 2.24 Giao diện phần mềm kiểm tra việc đọc ghi vào thẻ .49 Hình 3.1 Sơ đồ khối thiết bị điều khiển hệ thống .50 Trang Luận văn thạc sỹ kỹ thuật Hình 3.1 Sơ đồ nguyên lý khối vi điều khiển 52 Hình 3.2 Lưu đồ thuật toán điều khiển camera .53 Hình 3.3 Sơ đồ nguyên lý khối giao tiếp camera giao tiếp máy tính 54 Hình 3.4 Sơ đồ nguyên lý khối thẻ nhớ giao tiếp đầu đọc thẻ RFID 54 Hình 3.5 Sơ đồ khối nguồn cung cấp cho thiết bị 55 Hình 3.7 Các bố trí linh kiện bo mạch 56 Hình 3.8 Sơ đồ dây mặt TopLayer 57 Hình 3.9 Sơ đồ dây lớp BottomLayer 57 Hình 3.10 Hình ảnh thiết bị sau đặt mạch hàn linh kiện .58 Hình 3.11 Cấu trúc chương trình đầu đọc .60 Hình 3.12 Giao diện chương trình kiểm tra hoạt động thiết bị 61 Hình 3.13 Kết ảnh chụp thiết bị gửi lên .62 Hình 4.1 Giao diện khởi động chương trình .64 Hình 4.2 Giao diện cấu hình cổng Com cho chương trình .64 Hình 4.3 Xem lại thông tin vào/ra xe 66 Trang Luận văn thạc sỹ kỹ thuật DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 2.1 Sơ đồ chân CR95HF 28 Bảng 2.2 Mô tả tin giao tiếp vi điều khiển CR95HF 33 Bảng 2.3 Các lệnh điều khiển CR95HF 33 Bảng 2.4 Hệ số tính điện cảm ăng-ten 36 Trang Luận văn thạc sỹ kỹ thuật LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng tơi, hướng dẫn PGS Nguyễn Quốc Cường – Đại Học Bách Khoa Hà Nội Các số liệu, thiết kế kết nghiên cứu trình bày luận văn trung thực chưa công bố cơng trình nghiên cứu khác Học viên Nguyễn Văn Hiệp Trang Luận văn thạc sỹ kỹ thuật LỜI CẢM ƠN Em xin chân thành cảm ơn PGS Nguyễn Quốc Cường hướng dẫn, giúp đỡ tạo điều kiện suốt thời gian em nghiên cứu Em cảm ơn thầy dành thời gian để giúp em hiểu rõ vấn đề vướng mắc cách giải để em hồn thành luận văn Trang Luận văn thạc sỹ kỹ thuật LỜI NÓI ĐẦU Cơ sở lựa chọn đề tài  Cơ sở khoa học: Việc đưa thành tựu cơng nghệ đại hóa vào sống đời thường ngày trở lên phổ biến toàn giới Ở Việt Nam việc áp dụng công nghệ đại hóa vào đời sống để nhằm đáp ứng, phục vụ hỗ trợ tối đa cho người lĩnh vực áp dụng rộng rãi RFID (Radio Frequency Identification) công nghệ nhận dạng, quản lý đối tượng tự động sóng vơ tuyến Hệ thống bao gồm thẻ để lưu trữ thơng tin đầu đọc RFID Thơng tin truyền qua lại thẻ đầu đọc qua khoảng cách vừa phải mà không cần tiếp xúc vật lý Hệ thống RFID gồm hai thành phần: thứ thẻ nhỏ có gắn chip silicon ăng ten radio phần thứ đọc cho phép giao tiếp đọc/ghi thơng tin lên thẻ RFID Các thẻ RFID có nhớ để lưu trữ thơng tin thay đổi tương tác với đầu đọc Vì cơng nghệ RFID ứng dụng nhiều lĩnh vực như: quản lý vào bãi trông giữ xe, quản lý nhân viên, quản lý hàng hóa bán lẻ siêu thị, quản lý hàng hóa xuất, nhập xi nghiệp hay nhà kho, làm thẻ hộ chiếu, quản lý xe cộ qua trạm thu phí …  Cơ cở thực tiễn: Ngày trung tâm giao dịch thương mại, khu chung cư hay khu trung tâm vui chơi giải trí số lượng vào phương tiện giao thơng lớn Vì với cách quản lý giám sát xe giấy cổ điển khơng cịn phù hợp Các hệ thống quản lý bãi đỗ xe tự động hay thông minh đời để giải vấn đề Hệ thống dùng thẻ RFID để thay cho vé xe giấy cho thấy tính ưu việt: o Thời gian thực việc gửi xe lấy xe nhanh giảm thiểu tình trạng ùn tắc bãi gửi xe Trang 10 Luận văn thạc sỹ kỹ thuật 3.2.4 Thiết kết khối nguồn cho thiết bị Thiết bị sử dụng nguồn 12V đầu vào, cần cung cấp nguồn 5V để cung cấp cho đầu đọc thẻ 3.3V để cung cấp cho linh kiện thiết bị Sơ đồ nguyên lý khối nguồn mơ tả Hình 3.5 Hình 3.5 Sơ đồ khối nguồn cung cấp cho thiết bị Để tránh ảnh hưởng động điều khiển Barie tác động đến hoạt động thiết bị, khối điều khiển Barie thiết kế độc lập giao tiếp với thiết bị qua cổng UART4 vi điều khiển STM32F103RD Hình 3.1 Từ phân tích thiết kế chi tiết cho điều khiển trên, ta có cấu trúc project thiết kế điều khiển Hình 3.6 Sơ đồ nguyên lý mạch in vẽ phần mềm Altium Do điều khiển gồm nhiều khối kết hợp với nên khối phân thành sheet khác nhau, sheet sơ đồ nguyên lý khối Các sheet liên kết với qua Port mà Altium hỗ trợ Trang 55 Luận văn thạc sỹ kỹ thuật Hình 3.6 Cấu trúc Project thiết kế sơ đồ nguyên lý mạch in điều khiển 3.2.4 Vẽ mạch in cho thiết bị điều khiển hệ thống Từ sơ đồ nguyên lý phân tích thiết kế phần tiến hành vẽ mạch in cho điều khiển Mạch in vẽ lớp, tất linh kiện đặt lớp TopLayer bảng mạch Hình 3.7 Các bố trí linh kiện bo mạch Trang 56 Luận văn thạc sỹ kỹ thuật Hình 3.8 Sơ đồ dây mặt TopLayer Hình 3.9 Sơ đồ dây lớp BottomLayer Trang 57 Luận văn thạc sỹ kỹ thuật Hình 3.10 Hình ảnh thiết bị sau đặt mạch hàn linh kiện 3.3 Thiết kế firmware cho thiết bị 3.3.1 Yêu cầu thiết kế Firmware thiết bị phải thỏa mãn yêu cầu sau:  Đọc thông tin từ đầu đọc thẻ gửi lên  Điều khiển camera chụp ảnh có kiện quẹt thẻ phải đọc ảnh camera gửi  Giao tiếp với máy tính gửi thông tin thẻ ảnh nhận từ camera lên máy tính 3.3.2 Thiết kế firmware cho thiết bị Firmware viết ngơn ngữ lập trình C, biên dịch trình biên dịch KeilC IDE uVision 4.70.0.0 sử dụng RTX KeilC Firmware thiết kế để thực nhiệm vụ sau:  Khởi động module ngoại vi thiết bị  Lắng nghe thông tin từ đầu đọc RFID gửi lên Trang 58 Luận văn thạc sỹ kỹ thuật  Khi nhận tin từ đầu đọc RFID lệnh module Camera chụp ảnh, điều khiển mở Barie  Gửi thơng tin nhận từ đầu đọc hình ảnh từ camera lên máy tính Firmware sử dụng RTX KeilC, chia module thành tác vụ Các tác vụ trao đổi thông tin với qua Event Flag Mailbox tích hợp sẵn RTX Cấu trúc mơ tả Hình 3.11 Trong cần quan tâm đến mục RTX, mục bao gồm:  TaskManager.c: Quản lý tất tác vụ chương trình, tác vụ mơ tả hoạt động module  Mailbox.c: Quản lý gửi thông tin tác vụ với chương trình  RTX_Config.c: Cấu hình chế độ hoạt động hệ điều hành Trang 59 Luận văn thạc sỹ kỹ thuật Hình 3.11 Cấu trúc chương trình đầu đọc 3.3.3 Chương trình kiểm tra hoạt động thiết bị Chương trình viết C# Visual Studio để kiểm tra hoạt động thiết bị Giao diện khởi động thiết bị Hình 3.12: Trang 60 Luận văn thạc sỹ kỹ thuật Hình 3.12 Giao diện chương trình kiểm tra hoạt động thiết bị Khi bấm vào nút Chụp ảnh tương ứng với có kiện quẹt thẻ thiết bị lệnh chụp ảnh, sau chụp ảnh đọc ảnh xong thiết bị gửi ảnh lên máy tính Hình 3.13: Trang 61 Luận văn thạc sỹ kỹ thuật Hình 3.13 Kết ảnh chụp thiết bị gửi lên Trang 62 Luận văn thạc sỹ kỹ thuật CHƯƠNG VIẾT CHƯƠNG TRÌNH XỬ LÝ DỮ LIỆU TRÊN MÁY TÍNH Chương trình máy tính nhận thơng tin thẻ từ đầu đọc, xác định UID, tên lái xe, số thẻ lưu vào cở sở liệu Từ có thơng tin để tính tốn làm báo cáo sau Thông tin thời gian ra/vào lái xe lưu thành bảng sở liệu, bao gồm thông tin sau:  UID: Thông tin riêng thẻ  Họ tên: Là tên lái xe lưu thẻ  ID thẻ: Là số thẻ, ghi nhà quản lý, bao gồm chuỗi ký tự quy định số thứ tự thẻ mà nhà quản lý đưa thị trường hoạt động  Biển số xe: Biển số xe người gửi  Thời gian vào: Đây thời gian lái xe gửi xe bãi  Thời gian ra: Là thời gian lái xe lấy xe  Bảng cước: Là số tiền quy định nhà quản lý  Tổng tiền: Là số tiền mà lái xe phải trả Phần mềm viết ngôn ngữ C# kết hợp với Visual Studio Microsoft, chạy NET Framework 4.5 Giao diện khởi động Hình 4.1 Trang 63 Luận văn thạc sỹ kỹ thuật Hình 4.1 Giao diện khởi động chương trình Để giao tiếp lấy thơng tin từ đầu đọc thẻ chương trình phải cấu hình cổng Com Nhấp chuột vào tab Giao tiếp thiết bị cửa sổ cấu Hình 4.2: Hình 4.2 Giao diện cấu hình cổng Com cho chương trình Giao tiếp phần mềm đầu đọc thẻ thực thông qua cổng Com với cấu hình sau:  Baudrate: 9600  Start Bit:  Data Bit: Trang 64 Luận văn thạc sỹ kỹ thuật  Stop Bit:  Parity: None Khi bật cửa sổ cấu hình cổng Com này, phần mềm lấy tất cổng Com có máy tính, người sử dụng cần phải lựa chọn cồng Com để kết nối Sau bấm chuột vào nút Kết nối phần mềm giao tiếp với đầu đọc thẻ RFID Chương trình có nhiệm vụ lắng nghe liệu từ cổng Com mà đầu đọc RFID gửi lên Khi nhận gói tin từ đầu đọc RFID, chương trình kiểm tra gói tin có theo giao thức khơng Khi gói tin chương trình tách thơng tin UID, tên lái xe, số thẻ xác định thời gian lái xe để lưu vào sở liệu Khi lái xe lấy xe quẹt thẻ vào đầu đọc RFID, đầu đọc gửi thơng tin lên chương trình, chương trình kiểm tra gói tin xác định thời gian lấy xe Từ dựa vào bảng giá cước khoảng thời gian mà chương trình cho biết thông tin tiền mà lái xe cần gửi Phần mềm có chế độ cho phép người quản lý xem lại thông tin vào lái xe giống Hình 4.3 Trang 65 Luận văn thạc sỹ kỹ thuật Hình 4.3 Xem lại thơng tin vào/ra xe Trang 66 Luận văn thạc sỹ kỹ thuật CHƯƠNG KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN 5.1 Kết đạt Qua nội dung mà luận văn trình bày từ phần trước, tóm lược lại kết đạt sau:  Thiết kế đầu đọc thẻ RFID tần số 13.56MHz  Giao tiếp đọc/ghi vào thẻ LRI512 theo chuẩn ISO/IEC 15963  Đầu đọc giao tiếp với thẻ khoảng cách 60mm  Xây dựng thành cơng chương trình cho vi điều khiển, cho phép vi điều khiển giao tiếp với IC Reader CR95HF  Giao tiếp với phần mềm máy tính để lưu thông tin, thời gian vào/ra lái xe số tiền lái xe phải trả 5.2 Bàn luận Các đánh giá kết đạt sau:  Khoảng cách giao tiếp đầu đọc RFID thẻ đạt 60mm, tài liệu hãng mơ tả khoảng cách lớn đạt 80mm Do có số nguyên nhân: o Trên thực tế khơng có linh kiện R,L,C với thơng số thơng số tính tốn o Phụ thuộc vào công nghệ làm mạch in chất lượng mạch in gây sai số ý muốn  Phần mềm quản lý máy tính cịn đơn giản, chưa áp dụng với vé ngày vé dành cho khách gửi xe ngày, với thẻ khơng cần phải tên lái xe  Chưa kết hợp với công nghệ tiên tiến dùng Camera chụp ảnh xử lý hình ảnh để lấy biển số xe thêm vào sở liệu  Tốc độ chụp ảnh lấy ảnh chậm so với mong muốn thực tế Trang 67 Luận văn thạc sỹ kỹ thuật KẾT LUẬN Sau thời gian nghiên cứu, tác giả thiết kế thành công đầu đọc thẻ RFID tần số 13.56MHz để phục vụ vào việc quản lý vé xe thơng minh Ngồi tác giả làm chủ công nghệ để thiết kế hệ thống ứng dụng RFID 13.56MHz bao gồm phần cứng phần mềm Xây dựng phần mềm máy tính giao tiếp với đầu đọc để lấy thông tin từ thẻ để đưa vào sở liệu Tuy nhiên thời gian hạn hẹp nên chưa áp dụng công nghệ tiên tiến chụp ảnh xử lý ảnh để lấy biển số xe lưu vào sở liệu Trang 68 Luận văn thạc sỹ kỹ thuật TÀI LIỆU THAM KHẢO RFID handbook (Rachel Waddington_Translate) RFID Sourcebook (Sandrip Lahiri) Sefa Kalayci, Design of a radio frequency identification antenna, Middle East Technical University, 2009 STMicroelectronics, CR95HF datasheet Antenna design and impedance matching guidelines for CR95HF multiprotocol contactless transceiver IC Giáo trình sở liệu Học lập trình với C# Các website Trang 69 ... Thiết kế hệ thống thẻ giữ xe thông minh, dùng công nghệ RFID? ?? làm luận văn thạc sỹ Phương pháp nghiên cứu Tìm hiểu tổng quan hệ thống quản lý bãi đỗ xe thông minh, nghiên cứu khái quát công nghệ. .. quát công nghệ RFID, thiết kế đầu đọc thẻ RFID, điều khiển kết nối với phần mềm máy tính cho hệ thống thẻ giữ xe thơng minh Mục tiêu:  Nắm rõ hoạt động hệ thống quản lý bãi đỗ xe thông minh  Hiểu... nghệ RFID nói chung tần số 13.56Mhz nói riêng  Thiết kế đầu đọc thẻ RFID tần số 13.56Mhz  Thiết kế điều khiển cho hệ thống thẻ giữ xe thông minh  Viết phần mềm máy tính để quản lý bãi đỗ xe