THIẾT KẾ MÔ HÌNH CỬA TỰ ĐỘNG ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ RFID - Đồ án tốt nghiệp BKHN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN ĐIỆN BỘ MƠN TỰ ĐỘNG HỐ CƠNG NGHIỆP ====o0o==== ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ MƠ HÌNH CỬA TỰ ĐỘNG ỨNG DỤNG CƠNG NGHỆ RFID Trưởng mơn : PGS.TS Trần Trọng Minh Giáo viên hướng dẫn : PGS.TS Nguyễn Quang Địch Sinh viên thực : Đặng Văn Khởi Lớp : CN-ĐK & TĐH 02 MSSV : 20146405 Hà Nội, 6-2018 LỜI CAM ĐOAN Em xin cam đoan đồ án tốt nghiệp: Thiết kế mơ hình cửa thơng minh ứng dụng công nghệ RFID em tự thiết kế hướng dẫn thầy giáo PGS.TS Nguyễn Quang Địch Các số liệu kết hoàn toàn với thực tế Để hoàn thành đồ án em sử dụng tài liệu ghi danh mục tài liệu tham khảo không chép hay sử dụng tài liệu khác Nếu phát có chép em xin chịu hoàn toàn trách nhiệm Hà Nội, ngày tháng năm 2018 Sinh viên thực Đặng Văn Khởi MỤC LỤC Danh sách hình vẽ DANH SÁCH HÌNH VẼ Danh sách từ viết tắt DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT RFID: Radio Frequency Identification (Nhận dạng sóng vô tuyến) I2C: Inter-Integrated Circuit (Bus giao tiếp IC với nhau) SNMP: Simple Network Managerment Protocol (Giao thức cho phép kiểm tra hoạt động thiết bị, cho phép quản lý thiết bị mạng từ xa ) SPI: Serial Peripheral Bus (Chuẩn truyền thông nối tiếp tốc độ cao) UART: Universal Asynchronous Receiver Transmitter (Truyền thông nối tiếp khơng đồng bộ) Lời nói đầu LỜI NĨI ĐẦU Ngày nay, với phát triển mạnh mẽ khoa học kỹ thuật, đặc biệt lĩnh vực tự động hóa tạo nên động lực thúc 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 khơng phải trực tiếp làm việc, hay cơng việc nằm ngồi khả người thực cách hồn tồn tự động Từ giúp nâng cao suất lao động, mang đến thỏa mãn, chất lượng sống ngày tốt Sự đời công nghệ RFID (Radio Frequency Identification – công nghệ nhận dạng đối tượng sóng radio) ý tưởng độc đáo Trên giới công nghệ RFID áp dụng phát triển nhiều lĩnh vực như: an ninh, quân sự, y học, giải trí, thương mại, bưu viễn thơng…và đem lại nhiều lợi ích to lớn Nhiều tập đoàn hàng đầu giới như: Samsung, Sony, Motorola…cũng hệ thống siêu thị, thu phí giao thơng áp dụng cơng nghệ Công nghệ RFID xem cánh tay phải đắc lực lĩnh vực kinh doanh Là sinh viên ngành Cử nhân Điều khiển Tự động hóa Đại học Bách Khoa Hà Nội, việc nghiên cứu, tìm hiểu đặc tính cơng nghệ nhận dạng đối tượng sóng vơ tuyến RFID có ý nghĩa thực tế quan trọng Nó khơng trang bị cho kỹ làm việc lĩnh vực điều khiển tự động hóa mà cịn giúp theo kịp với phát triển khoa học kỹ thuật ngày tốt nghiệp trường Đặc biệt bối cảnh ngành công nghiệp 4.0 ngày phát triển vượt bậc Chính đề tài em chọn thực đồ án tốt nghiệp thiết kế mơ hình cửa tự động ứng dụng cơng nghệ RFID hướng dẫn PGS.TS.Nguyễn Quang Địch Nội dung đề tài đồ án tốt nghiệp “Thiết kế mơ hình cửa tự động ứng dụng cơng nghệ RFID” tổ chức thành chương: Lời nói đầu Chương 1: Giới thiệu chung Chương 2: Cơ sở lý thuyết Chương 3: Thiết kế mơ hình cửa tự động Trong thời gian tháng thực đề tài đồ án tốt nghiệp, em nhận bảo hỗ trợ tận tình PGS.TS.Nguyễn Quang Địch thầy cô giáo cán môn Qua em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới thầy Trong q trình thực đồ án tốt nghiệp, thời gian khả hạn chế, đồ án em cịn nhiều thiếu sót Em mong nhập góp ý chân thành thầy cô bạn để đồ án hoàn thiện Hà Nội, ngày tháng năm 2018 Sinh viên thực Đặng Văn Khởi Chương 1: Giới thiệu chung Chương GIỚI THIỆU CHUNG 1.1 Tính cấp thiết đề tài 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 hữu ích sản xuất hoạt động điều kiện môi trường mà kỹ thuật khác làm Trên thực tế, RFID ứng dụng nhiều kiểm soát sản phẩm nhập xuất, mã số series, nguồn gốc sản phầm, thư viện… Dùng thiết bị RFID làm thẻ khóa điện tử điều khiển truy nhập thay cho khóa kim loại trước Điểm thuận lợi thẻ khóa khó bị dập ép dễ dàng hủy bỏ bị đánh cắp thất lạc Hệ thống cửa tự động ứng dụng cơng nghệ RFID tiện lợi Nó giúp rút ngắn thời gian mở cửa khơng phải thao tác với ổ khóa khí Bên cạnh đó, việc nghiên cứu ứng dụng sản phẩm thực tế giúp tăng độ bảo mật, an tồn Đóng mở cửa tự động dùng thẻ RFID thay cách thông minh cho hệ thống khóa cửa thơng thường dùng chìa khóa, với tiện dụng, nhanh chóng, tính thẩm mỹ cao, an tồn tuyệt đối Đây ưu điểm bật công nghệ RFID 1.2 Mục tiêu đề tài  Nâng cao lực tìm hiểu, thiết kế điều khiển yêu cầu công nghệ  Tìm hiểu cơng nghệ RFID  Thiết kế, xây dựng mơ hình đóng mở cửa tự động có độ bảo mật cao 1.3 Tổng quan hệ thống nhận dạng 1.3.1 Công nghệ nhận dạng sinh trắc vân tay Công nghệ sinh trắc học (Biometric) công nghệ sử dụng thuộc tính vật lý đặc điểm sinh học thể đặc trưng dấu vân tay, mẫu mống mắt, giọng nói, khn mặt, dáng đi,…để nhận diện người Công nghệ sinh trắc vân tay ứng dụng phổ biến đời sống Dấu vân tay đặc điểm để phân biệt người người khác dấu vân tay người Chương 1: Giới thiệu chung Vì vậy, phát triển cơng nghệ nhận dạng vân tay giúp thu nhận ghi nhớ hàng triệu mẫu ghi chép dạng số hóa cơng nghệ thơng tin Kỹ thuật đánh giá đột phá cách mạng cơng nghệ mới, thiết bị có khả nhận dạng vân tay, dùng để bảo vệ liệu ứng dụng ngày nhiều Hình 1.1 Cơng nghệ nhận dạng vân tay • Ngun lý hoạt động công nghệ sinh trắc học dấu vân tay Nguyên lý hoạt động công nghệ nhận dạng sinh trắc vân tay đặt ngón tay lên thiết bị nhận dạng dấu vân tay, thiết bị qt hình ảnh vân ngón tay đối chiếu đặc điể vân tay với liệu lưu trữ hệ thống trước Q trình xử lý liệu thiết bị chuyển sang liệu số thơng báo dấu vân tay hợp lệ hay khơng hợp lệ, sau để hệ thống thực chức khác • Các phương pháp để lấy dấu vân tay Hệ thống sở liệu sinh trắc học ghi nhận mẫu vân tay người dùng lưu trữ tất thành mẫu nhận diện số hóa tồn phần Có hai phương pháp để lấy dấu vân tay điển hình - Cách thứ nhất: chép lại hình dạng vân tay (như lăn tay mực, hay chạm vào vật đó), thơng qua máy qt ghi nhận xử lý Chương 1: Giới thiệu chung - Cách thứ hai: sử dụng phần mềm thiết bị quét vân tay để nhận dạng vân tay Đặc điểm dấu vân tay gồm loại: vịng móc đơn, vịng móc kép, vòng tập trung giữa, vòng cung, vòng cung hình lều, vịng xoắn vịng bất thường Tất thể chi tiết khác không thay đổi từ sinh lúc già Các nhà sinh trắc học khai thác tính độc vơ nhị cấu tạo hình dạng vân tay người biến thành chìa khóa riêng bạn sống giấy tờ tùy thân, thẻ ngân hàng, hộ chiếu,…đảm bảo an ninh bảo mật 1.3.2 Hệ thống nhận dạng mã vạch Mã vạch (Barcode) phương pháp lưu trữ truyền tải thông tin loại 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 ký tự, ký hiệu số Sự thay đổi độ rộng vạch khoảng trắng biểu diễn thông tin số hay chữ số dạng mà máy đọc Hình 1.2 Mã vạch • Nguyên lý nhận dạng mã vạch Mã số vạch thu nhận máy quét mã vạch, máy thu nhận hình ảnh mã vạch in bề mặt chuyển thông 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 cịn 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 • Mã vạch mã hóa cho nhiều loại thơng tin: - Số hiệu linh kiện - Số nhận diện người bán, nhận diện nhà sản xuất, doanh nghiệp - Số hiệu Pallet 10 Chương 3: Thiết kế mơ hình cửa tự động Hình 28 Nguồn 12V Hình 29 Nguồn 5V Hình 30 Nguồn 3V3 3.3 Thiết kế phần mềm 3.3.1 Lưu đồ thuật toán Nguyên lý hoạt động hệ thống cửa tự động • Giả thiết ban đầu cửa trạng thái đóng hồn tồn Cơng tắc hành trình phía cửa đóng tác động, khóa điện trạng thái khóa, động khơng hoạt động Khối hiển thị LCD hiển thị “Enter Password OR Card” trạng thái chờ 47 Chương 3: Thiết kế mô hình cửa tự động • Khi người dùng nhập mật đưa thẻ từ vào hệ thống, mạch điều khiển chuyển - từ trạng thái chờ sang trạng thái làm việc Khi có trường hợp xảy ra: TH1: Mật thẻ từ người dùng sử dụng trùng khớp với liệu hệ thống Khi đó, vi điều khiển nhận tín hiệu gửi từ bàn phím module RFID RC522 lệnh điều khiển mở khóa điện, động bắt đầu hoạt động thực trình mở cửa Đồng thời điểm đó, khối hiển thị LCD hiển thị: “Correct” còi chip rinh lên tiếng báo hiệu liệu người dùng đưa vào hệ thống Sau khối hiển thị tiếp tục hiển - thị “Welcome” để chào đón người dùng TH2: Mật thẻ từ người dùng sử dụng khơng Khi đó, vi điều khiển trung tâm ghi lên khối hiển thị LCD rằng: “Incorrect” yêu cầu người dùng thử lại sau dòng chữ “Try again” xuất Nếu người dùng nhập sai mật lần sử dụng thẻ từ khơng phù hợp lần vi điều khiển lệnh khóa hệ thống khơng cho người dùng thao tác vòng 30s Sau 30s người dùng thao tác trở lại • TH1 xảy động hoạt động thực mở cửa Khi cửa hết hành trình chạm vào cơng tắc hành trình Tín hiệu từ cơng tắc hành trình đưa vi điều khiển lệnh dừng động • Sau 10s tính từ thời điểm cửa mở hoàn toàn đồng thời cảm biến hồng ngoại gắn cửa không tác động, vi điều khiển đưa lệnh điều khiển động thực đóng cửa lại Trong q trình cửa đóng lại cảm biến hồng ngoại bị tác động thời điểm động dừng lại chuyển động để mở cửa để đảm bảo an toàn cho người sử dụng • Khi cửa đóng hết hành trình chạm vào cơng tắc hành trình Tín hiệu từ cơng tắc hành trình gửi vi điều khiển đưa lệnh dừng động cơ, khóa điện đóng lại, kết thúc trình hoạt động cửa Khi khối hiển thị hiển thị “Enter Password OR Card” hệ thống chuyển sang trạng thái chờ Từ nguyên lý hoạt động hệ thống cửa vừa trình bày, ta khái quát sơ đồ thuật toán điều khiển hệ thống cửa sau: 48 Chương 3: Thiết kế mơ hình cửa tự động 49 Chương 3: Thiết kế mơ hình cửa tự động Hình 31 Lưu đồ thuật tốn hệ thống đóng mở cửa tự động 3.3.2 Lập trình điều khiển Để lập trình cho vi điều khiển ATmega328 ta sử dụng phần mềm soạn thảo văn Arduino IDE (Arduino Integrated Development Environment) Phần mềm giúp ta viết code để nạp cho vi điều khiển Code điều khiển hệ thống cửa tự động cho phần phụ lục 3.4 Kết đạt Từ việc lựa chọn thiết kế phần cứng trình bày chi tiết phần trên, ta xây dựng thiết kế mơ hình hệ thống cửa tự động Các kết đạt cụ thể sau: • Thiết kế mạch điều khiển hệ thống phần mềm thiết kế vẽ mạch Altium Designer 17.0.7 Hình ảnh định dạng 3D phần mềm Altium Designer (kích thước 16x7.5 cm) Hình 32 Mạch điểu khiển hệ thống cửa tự động • Mạch điều khiển gia công từ mạch in PCB layout với độ xác cao, đảm bảo tính nguyên so với thiết kế Sau thực hàn linh kiện vào board mạch ta thu sản phẩm thực tế hình: 50 Chương 3: Thiết kế mơ hình cửa tự động Hình 33 Sơ đồ mạch điều khiển thực tế - • Dựng mơ hình hệ thống cửa Khối hiển thị LCD, bàn phím, module RFID RC522 gắn bên cửa để người dùng - thao tác quan sát cách thuận tiện dễ dàng Công tắc hành trình gắn bên đầu cửa để xác định cửa mở hết hành trình - đóng lại hết hành trình Khóa điện led phát hồng ngoại gắng cửa Led thu hồng ngoại gắn đối diện với led phát để nhận tín hiệu từ led phát Khi khơng nhận tín hiệu từ led phát đồng nghĩa với việc có vật cản trước cửa Khi - động khơng hoạt động Hệ thống cửa sử dụng bánh trượt kèm định hướng để giảm ma sát cửa với sàn dẫn hướng cho cửa theo hành trình 51 Chương 3: Thiết kế mơ hình cửa tự động - Cửa chuyển động tịnh tiến vào nhịp nhàng, cần gắn trục vít-me vào trục động để chuyển đổi chuyển động quay thành chuyển động tịnh tiến Một số hình ảnh mơ hình cửa tự động thực tế: Hình 34 Hình ảnh mơ hình thực tế 52 Chương 3: Thiết kế mơ hình cửa tự động Hình 35 Hình ảnh mơ hình thực tế 53 Chương 3: Thiết kế mơ hình cửa tự động Hình 36 Hình ảnh mơ hình thực tế 54 Kết luận KẾT LUẬN Thời gian nghiên cứu thực đề tài đồ án tốt nghiệp “Thiết kế mơ hình cửa tự động ứng dụng cơng nghệ RFID” giúp em củng cố hoàn thiện kiến thức học năm qua có thêm nhiều kiến thức thiết kế ứng dụng thực tiễn đời sống Bên cạnh em rút nhiều kinh nghiệm việc thiết kế, điều khiển vận hành hệ thống Được hướng dẫn tận tình PGS.TS Nguyễn Quang Địch, giúp đỡ thầy mơn Tự động hố cơng nghiệp anh làm việc viện Điều khiển Tự động hố, em hồn thành đồ án tốt nghiệp Trong đề tài mình, em tìm hiểu thực yêu cầu sau: - - Giới thiệu số công nghệ nhận dạng ứng dụng nhiều sống - Giới thiệu công nghệ nhận dạng RFID Ứng dụng công nghệ RFID vào thiết kế mơ hình cửa tự động sử dụng vi điều khiển ATmega328 Do thời gian lực hạn chế nên đồ án em nhiều thiếu sót, em mong nhận dạy đóng góp ý kiến thầy bạn Em xin chân thành cám ơn Hà Nội, ngày 08 tháng 06 năm 2018 Sinh viên thực Đặng Văn Khởi 55 Phục lục PHỤ LỤC Code điều khiển hệ thống đóng mở cửa tự động /* * MOSI: Pin 11 / ICSP-4 * MISO: Pin 12 / ICSP-1 * SCK: Pin 13 / ISCP-3 * SS: Pin 10 * RST: Pin */ #include #include #include #include #include #include #define SEN // Đầu tín hiệu led thu hồng ngoại #define K // Đầu tín hiệu điều khiển khóa điện #define A // Đầu tín hiệu điều khiển còi chip #define IN1 // Đầu nối với ICL298 điều khiển động #define IN2 // Đầu nối với ICL298 điều khiển động #define SW1 // Đầu vào tín hiệu từ cơng tắc hành trình #define SW2 // Đầu vào tín hiệu từ cơng tắc hành trình #define RST_PIN // Chân kết nối với module RFID #define SS_PIN 10 // Chân kết nối với module RFID RFID rfid(SS_PIN, RST_PIN); // Khai báo kết nối RFID với vi điều khiển unsigned char read_card[5]; // Mảng đọc mã card unsigned char card[5] = {243, 142, 183, 39, 237}; // Mã card phù hợp để mở cửa LiquidCrystal_I2C lcd(0x27, 20, 4); PCF8574 PCF_20(0x20); // Khai báo địa PCF8574 const byte rows = 4; // Khai báo số hàng bàn phím const byte columns = 4; // Khai báo số cột bàn phím int holdDelay = 500; char key = 0; // Trễ 500ms - xác định phím nhấn // Định nghĩa giá trị bàn phím char keys[rows][columns] = { {'1', '2', '3', 'A'}, {'4', '5', '6', 'B'}, {'7', '8', '9', 'C'}, {'*', '0', '#', 'D'}, }; byte rowPins[rows] = {6, 7, 8, 9}; // Khai báo chân kết nối với hàng 56 Phục lục byte columnPins[columns] = {2, 3, 4, 5}; // Khai báo chân kết nối với cột // Cài đặt thư viện keypad Keypad keypad = Keypad(makeKeymap(keys), rowPins, columnPins, rows, columns); char STR[4] = {'3', '9', '9', '6'}; // Đặt mật char str[4] = {' ', ' ', ' ', ' '}; int count = 0; // Khởi tạo biến đếm int c = 0, s = 0; // Khởi tạo biến đếm long start; // giá trị đếm bắt đầu cửa hết hành trình long duration; // Khoảng thời gian cửa mở hết hành trình void setup() { // put your setup code here, to run once: Serial.begin(9600); pinMode(K, OUTPUT); // Định nghĩa chân tín hiệu vào pinMode(A, OUTPUT); pinMode(IN1, OUTPUT); pinMode(IN2, OUTPUT); pinMode(SEN, INPUT); pinMode(SW1, INPUT); pinMode(SW2, INPUT); SPI.begin(); // Bắt đầu giao tiếp SPI rfid.init(); // Khởi động module RFID lcd.init(); // Khởi động hình LCD lcd.backlight(); // Bật đèn LCD lcd.clear(); // Xóa hình LCD lcd.setCursor(1, 0); // Đưa trỏ đến vị trí cột hàng lcd.print("Enter Password"); // In hình LCD lcd.setCursor(6, 1); lcd.print("****"); lcd.setCursor(2, 2); lcd.print("OR Card"); } void RFID(){ unsigned char i; if(rfid.isCard()){ if(rfid.readCardSerial()){ // Nếu có thẻ for(i=0; i