Sơ đồ khối của toàn hệ thống được mô tả ở hình 3.1.
Hình 3.1: Sơ đồ khối của hệ thống.
Giải thích:
Khối nguồn: Được sử dụng là Pin 8.4V có thể sạc. Khối này có chức năng cung cấp nguồn cho khối phần cứng hoạt động.
Khối phần cứng: có chức năng đọc thẻ rfid, giao tiếp với web server thông qua wifi, đồng thời hiển thị một số thông tin cơ bản.
Khối web server: có chức năng cho phép nhập, lưu trữ và sửa đổi thông tin tương ứng với các ID của thẻ rfid.
App điện thoại: có chức năng hiển thị thông tin lấy từ web server lên điện thoại.
Hình 3.2: Sơ đồ khối của phần cứng.
Nguồn Phần cứng Web server App điện thoại Module RFID Xử lý Hiển thị Nguồn
Hình 3.2 mô tả sơ đồ khối của phần cứng gồm khối nguồn, khối xử lí, khối RFID và khối hiển thị.
Giải thích
Khối nguồn: Sử dụng Pin dùng để cung cấp nguồn cho khối xử lý hoạt động.
Khối xử lý: Nhận địa chỉ ID từ module RFID, truy xuất thông tin tương ứng với từng địa chỉ ID để hiển thị trên khối hiển thị.
Khối RFID: Đọc ID của thẻ RFID và gửi ID đến khối xử lý.
Khối hiển thị: Có chức năng hiển thị thông tin tương ứng với từng địa chỉ ID.
3.2.1 Tính toán và thiết kế phần cứng 3.2.1.1 Tính toán và thiết kế nguồn
Bảng 3.1: Thống kê dòng và điện áp của các linh kiện:
Tên linh kiện Điện áp làm việc Dòng điện làm việc RFID RC 522 3.3-5VDC 13 - 26mA
ESP 8266 12E 3.3-5VDC <320mA Oled 2.2~5.5VDC 8 - 12mA
Bảng 3.1 thể hiện dòng và điện áp làm việc của các linh kiện. Điện áp làm việc lớn nhất của mỗi cảm biến: 5V DC, điện áp hoạt động nằm trong khoảng 3,3VDC nên chúng ta sử dụng điện áp 3,3V.
Dòng điện tối đa của mạch được tính toán: 26+320+12= 358mA Công suất của mạch được tính toán như sau:
P= U.I = (26+320+12)x3.3x10 = 1,2W
Dựa trên công suất đã được tính toán ta có thể thiết kế khối nguồn hoặc lựa chọn nguồn cho phù hợp. Công suất phải lớn hơn 1,2W và dòng điện phải lớn hơn 358mA. Để đảm bảo các yêu cầu trên nhóm chúng em quyết định chọn nguồn pin 4,2V với số lượng 2 pin.
Tính toán giá trị điện trở:
Trong mạch nguyên lí tổng thể của phần cứng ở hình 3.7, tính toán giá trị điện trở chung cho khối esp, oled, nút nhấn được tính theo định luật Ohm:
Trong đó I là dòng điện, U là điện áp vào, R là giá trị điện trở.
Từ đó, do nguồn vào là 3,3V và dòng điện mong muốn là 3,3mA nên theo công thức (3.1):
R = 3,3
3,3x10 = 10KΩ
Tiếp đến là thiết kế chi tiết cho khối nguồn.
Hình 3.3: Sơ đồ nguyên lý khối nguồn.
Hình 3.3 mô tả sơ đồ nguyên lý khối nguồn gồm có domino để cắm nguồn pin và jack cắm sạc cho pin được mắc chung với nhau. Kết nối với mạch nguồn giảm áp và điều chỉnh xuống mức 3.3V để cung cấp nguồn cho toàn bộ hệ thống.
3.2.1.2 Tính toán và thiết kế mạch
a. Tính toán thiết kế khối RFID RC522
Theo datasheet của module RC522 hoạt động với điện áp 3.3V và dòng từ 13 – 26mA, nhóm chúng em đã chọn nguồn phù hợp để cấp cho module.
Về chuẩn kết nối, nhóm chúng em kết nối khối RFID theo chuẩn SPI với khối xử lý (ESP). Theo đó nhóm tiến hành tạo các port trên phần mềm mô phỏng để kết nối với ESP.
Lí do chọn: Dựa trên các thông số kĩ thuật thì module RFID RC522 và module RFID PN532 đều có các chức năng tương tự nhau, hỗ trợ đầy đủ các chuẩn kết nối như nhau nhưng do về giá thành thì module RFID RC522 rẻ hơn, khoảng cách đọc thẻ là từ 1-3cm và cùng với đó là kích thước là 40×60x5mm nhỏ gọn hơn rất nhiều so với module RFID PN532 là 79x49x5mm.
Hình 3.4: Sơ đồ nguyên lý khối RFID.
Hình 3.4 thể hiện sơ đồ nguyên lí khối RFID.
Giải thích khối RFID: Module RFID RC522 giao tiếp theo chuẩn SPI nên ta
sử dụng 4 chân SDA, SCK, MISO, MOSI, các port VCC, GND dùng để cấp nguồn cho module.
b. Tính toán thiết kế khối xử lý ESP
Hình 3.5 thể hiện sơ đồ nguyên lý khối xử lý. Theo datasheet của ESP 8266 12E có điện áp vào tối đa là 5V, điện áp hoạt động là 3,3V, nhóm đã chọn được nguồn phù hợp cho ESP. Nhóm thiết kế thêm 1 nút reset để reset lại ESP sau mỗi lần nạp code để tránh hiện tượng đầy bộ nhớ và 1 công tắc dạng gạt ON/OFF để cho phép nạp code khi kích hoạt.
Giải thích khối xử lý: Khối xử lý giao tiếp với khối RFID theo chuẩn SPI, giao tiếp với khối hiển thị theo chuẩn I2C nên tổng cộng sử dụng 8 port giao tiếp dữ liệu, 3 port nguồn và 2 port cho nút reset và công tắc nạp code.
Lí do chọn: So sánh với các dòng ESP khác cùng loại là ESP8266 NodeMCU hay ESP32 thì đều có các tính năng tương tự nhau, điểm khác biệt chỉ ở kích thước của ESP8266 12F rất nhỏ gọn chỉ 16x24mm và cùng vời đó là giá thành rẻ hơn 3 đến 4 lần so với các dòng ESP khác cùng loại.
c. Tính toán và thiết kế khối hiển thị
Hình 3.6 thể hiện sơ đồ nguyên lý của khối hiển thị. Theo datasheet của màn hình Oled 0.96 inch có điện áp hoạt động từ 2,2 – 5,5V và dòng hoạt động 8mA, nhóm đã chọn được nguồn phù hợp. Màn hình oled giao tiếp với khối xử lý theo chuẩn I2C sử dụng 2 chân SDA và SCL, nhóm mắc thêm mỗi chân này một điện trở có giá trị 10KΩ để hạn dòng tránh quá dòng cho màn hình.
Hình 3.6: Sơ đồ nguyên lý khối hiển thị.
Hình 3.7 thể hiện sơ đồ nguyên lí tổng thể phần cứng của mạch gồm: phần ESP, phần load, phần power, phần oled và phần module RFID.
d. Sơ đồ nguyên lý tổng thể phần cứng