BÁO CÁO: ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG NHÚNG Nhóm làm bài: 06 ĐỀ TÀI: Khóa cửa thông minh dùng RFID và bàn phím Keypad

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VÀ VIỄN THƠNG
KHOA KỸ THUẬT ĐIỆN - ĐIỆN TỬ
---------------------🙣🕮🙡--------------------

BÁO CÁO: ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG NHÚNG
Nhóm làm bài: 06
ĐỀ TÀI: Khóa cửa thơng minh dùng RFID và bàn phím Keypad

Sinh viên:

Hà Nội 2020


Mục Lục
LỜI NĨI ĐẦU

3

I.Mục tiêu

4

II. Kết quả

4

III, Tiến trình cơng việc

4

IV, Linh kiện sử dụng và các giao tiếp kết nối

4

1, STM32F103C8T6

4

2, Bàn phím Keypad 3x4

6

3, Màn hình LCD 16x2 và module I2C

6

a, Màn hình LCD 16x2

6

b, Module I2C vào giao tiếp I2C với LCD

7

4, Module RFID RC522

9

Nguyên lý hoạt động của công nghệ RFID

11

5, Hệ điều hành thời gian thực FreeRTOS

14

V. Ý tưởng thiết kế

15

VI. Giới thiệu về khóa cửa thông minh dùng RFID và Keypad

16

VII. Một số ưu điểm và ứng dụng

16

VIII. Mạch nguyên lý và PCB

17

IX. Sản phẩm demo

19


LỜI NÓI ĐẦU
Trong thời đại phát triển hiện nay, vấn đề an toàn bảo mật và an ninh là một vấn đề cực
kì quan trọng và cần thiết trong cuộc sống, ta có thể thấy hàng loạt các cơng nghệ có liên

quan và ảnh hưởng đến vấn đề này đang được thúc đẩy ra đời và phát triển một cách
mạnh mẽ. Từ vấn đề về an ninh của các cơ quan, trụ sở cho tới việc bảo đảm an toàn các
thiết bị, nhà cửa,cơng trình, v.v.. Điển hình như việc thiết lập một hệ thống bảo vệ nhà
cửa tránh sự xâm nhập của kẻ lạ cũng như vấn đề trộm cướp. Hệ thống đó có thể là một ổ
khóa thơng minh được người dùng cài đặt mật khẩu bằng các dãy số, hay là hệ thống
được tạo nên dựa trên cơ sở của công nghệ sinh trắc học như là nhận diện khn mặt,
giọng nói, vân tay.. Như đã nêu ở trên, hiện tại những nơi như nhà máy, xí nghiệp, cơ
quan, nhà cửa hay những nơi có sự an tồn bảo mật đặt hàng đầu thì một hệ thống bảo vệ
lối ra vào hay phát hiện được sự xâm nhập của kẻ lạ, khả nghi, giả mạo là vô cùng cần
thiết.
Trong báo cáo hơm nay, tập thể nhóm 6 chúng em xin phép được trình bày với thầy và
các bạn về phần vấn đề đã đăng kí thực hiện. Đó là tìm hiểu và thiết kế khóa thơng minh
dùng RFID để mở khóa và hiển thị trên led LCD
Cảm ơn thầy Nguyễn Ngọc Minh đã đồng hành và giúp đỡ chúng em trong quá trình
tìm hiểu. Nếu báo cáo có bất kì thiếu sót hay chưa đúng mong cơ chỉ dẫn để bọn em có
thể khắc phục cho tương lai.

3


I.Mục tiêu
- Biết sử dụng vi điều khiển STM32
- Biết sử dụng giao tiếp ngoại vi RFID và bàn phím Keypad để mở khóa
- Thiết kế mạch sử dụng được một cách ổn định
- Tạo được sản phẩm hoàn chỉnh
II. Kết quả
- Tạo bản báo cáo chi tiết về khóa cửa thơng minh
- Sản phẩm chạy ổn định,khơng có lỗi
III, Tiến trình cơng việc
Trần Quang Linh

Trần Đình Khiêm
Phan Văn Long
Giai đoạn 1
Lên ý tưởng dự ánvà vẽ sơ đồ khối
Giai đoạn 2
Tìm hiểu hệ điều hành Tìm hiểu giao thức
Tìm hiểu giao thức
FreeRTOS
SPI
I2C
Giai đoạn 3
Xây dựng code Keypad Xây dựng code
Thiết kế mạch trên
RFID
Altium
Giai đoạn 4
Tổng hợp code và test mạch
Giai đoạn 5
Hoàn thiện dự án và làm báo cáo
IV, Linh kiện sử dụng và các giao tiếp kết nối
1, STM32F103C8T6

4


Ở trên kit này bao gồm có 3 Port chính:
● Port A: 16 chân
● Port B: 16 chân
● Port C: 3 chân
STM32 là một trong những dòng chip phổ biến của ST với nhiều họ thông dụng như

F0,F1,F2,F3,F4….. STM32F103 thuộc họ F1 với lõi là ARM COTEX M3. STM32F103
là vi điều khiển 32 bit, tốc độ tối đa là 72Mhz.
Phần mềm lập trình: Keil C.
Mạch nạp: STLINK
Cấu hình:
● ARM 32-bit Cortex M3 với clock max là 72Mhz.
● Bộ nhớ:
o 64 kbytes bộ nhớ Flash(bộ nhớ lập trình).
o 20kbytes SRAM.
● Clock, reset và quản lý nguồn.
o Điện áp hoạt động 2.0V -> 3.6V.
o Sử dụng thạch anh ngoài từ 4Mhz -> 20Mhz.
o Thạch anh nội dùng dao động RC ở mode 8Mhz hoặc 40khz.
o Sử dụng thạch anh ngoài 32.768khz được sử dụng cho RTC.
● 2 bộ ADC 12 bit với 9 kênh cho mỗi bộ.
o Khoảng giá trị chuyển đổi từ 0 – 3.6V.
o Lấy mẫu nhiều kênh hoặc 1 kênh.
o Có cảm biến nhiệt độ nội.
● DMA: bộ chuyển đổi này giúp tăng tốc độ xử lý do khơng có sự can thiệp quá sâu
của CPU.
● 7 Timer.
● Hỗ trợ 9 kênh giao tiếp bao gồm:
o 2 bộ I2C(SMBus/PMBus).
o 3 bộ USART(ISO 7816 interface, LIN, IrDA capability, modem control).
o 2 SPIs (18 Mbit/s).
5


o 1 bộ CAN interface (2.0B Active)
o USB 2.0 full-speed interface

2, Bàn phím Keypad 3x4

Bàn phím mềm 3×4 keypad có thiết kế nhỏ gọn, dễ kết nối và sử dụng, các chân của
12 phím được nối theo ma trận, tín hiệu khi nhấn phím sẽ là tín hiệu GND (0VDC) hoặc
Vcc (5VDC) tùy vào cách quét phím của các bạn kích vào chân Vi điều khiển, bàn phím
cịn tích hợp vị trí để lắp thêm tụ chống dội (chống nhiễu), phù hợp cho các ứng dụng
điều khiển bằng phím bấm.
Bàn phím tích hợp trong nhiều module mạch điện tử như kit phát triển, kit học tập giao
tiếp các vi điều khiển như Pic, 8051, AVR, STM,…..
Thông số:
● Chân: 7
● Số nút nhấn: 12
● Điện ạp hoạt động: 3.3 – 5V
3, Màn hình LCD 16x2 và module I2C
6


a, Màn hình LCD 16x2

Thơng số kỹ thuật LCD 16×2
● LCD 16×2 có 16 chân trong đó 8 chân dữ liệu (D0 – D7) và 3 chân điều khiển
(RS, RW, EN).
● Điện áp 5V.
● Điện áp ra mức cao : > 2.4V.
● Điện áp ra mức thấp : <0.4V.
● Dòng điện cấp nguồn : 350uA – 600uA.
● 5 chân còn lại dùng để cấp nguồn và đèn nền cho LCD 16×2.
● Các chân điều khiển giúp ta dễ dàng cấu hình LCD ở chế độ lệnh hoặc chế độ dữ
liệu.
● Chúng cịn giúp ta cấu hình ở chế độ đọc hoặc ghi.

b, Module I2C vào giao tiếp I2C với LCD
LCD có q nhiều nhiều chân gây khó khăn trong q trình đấu nối và chiếm dụng
nhiều chân trên vi điều khiển. Sử dụng module I2C để giải quyết vấn đề này.
Thay vì phải sử dụng 6 chân vi điều khiển để kết nối với LCD 16x2 (RS, EN, D7, D6, D5
và D4) thì module IC2 chỉ cần tốn 2 chân (SCL, SDA) để kết nối.

7


Hoạt động I2C:
● I2C sử dụng 2 đường truyền tín hiệu:
SCL - Serial Clock Line : Tạo xung nhịp đồng hồ do Master phát đi
SDA - Serial Data Line : Đường truyền nhận dữ liệu.

● Giao tiếp I2C bao gồm quá trình truyền nhận dữ liệu giữa các thiết bị chủ tớ, hay
Master - Slave.
● Thiết bị Master là 1 vi điều khiển, nó có nhiệm vụ điều khiển đường tín hiệu SCL
và gửi nhận dữ liệu hay lệnh thơng qua đường SDA đến các thiết bị khác.
● Các thiết bị nhận các dữ liệu lệnh và tín hiệu từ thiết bị Master được gọi là các
thiết bị Slave. Các thiết bị Slave thường là các IC, hoặc thậm chí là vi điều khiển.
● Master và Slave được kết nối với nhau như hình trên. Hai đường bus SCL và SDA
đều hoạt động ở chế độ Open Drain, nghĩa là bất cứ thiết bị nào kết nối với mạng
I2C này cũng chỉ có thể kéo 2 đường bus này xuống mức thấp (LOW), nhưng lại
không thể kéo được lên mức cao. Vì để tránh trường hợp bus vừa bị 1 thiết bị kéo
lên mức cao vừa bị 1 thiết bị khác kéo xuống mức thấp gây hiện tượng ngắn mạch.
Do đó cần có 1 điện trờ ( từ 1 – 4,7 kΩ) để giữ mặc định ở mức cao.   
8


Quá trình truyền nhận dữ liệu:

● Bắt đầu: Thiết bị Master sẽ gửi đi 1 xung Start bằng cách kéo lần lượt các đường
SDA, SCL từ mức 1 xuống 0.

● Tiếp theo đó, Master gửi đi 7 bit địa chỉ tới Slave muốn giao tiếp cùng với bit
Read/Write.
● Slave sẽ so sánh địa chỉ vật lý với địa chỉ vừa được gửi tới. Nếu trùng khớp, Slave
sẽ xác nhận bằng cách kéo đường SDA xuống 0 và set bit ACK/NACK bằng ‘0’.
Nếu khơng trùng khớp thì SDA và bit ACK/NACK đều mặc định bằng ‘1’.
● Thiết bị Master sẽ gửi hoặc nhận khung bit dữ liệu. Nếu Master gửi đến Slave thì
bit Read/Write ở mức 0. Ngược lại nếu nhận thì bit này ở mức 1.
● Nếu như khung dữ liệu đã được truyền đi thành công, bit ACK/NACK được set
thành mức 0 để báo hiệu cho Master tiếp tục.
● Sau khi tất cả dữ liệu đã được gửi đến Slave thành cơng, Master sẽ phát 1 tín hiệu
Stop để báo cho các Slave biết quá trình truyền đã kết thúc bằng các chuyển lần
lượt SCL, SDA từ mức 0 lên mức 1.
4, Module RFID RC522
Module RFID RC522 được sử dụng để đọc và ghi dữ liệu cho thẻ NFC ở tần số
13.56Mhz,với bề ngoài nhỏ gọn mức giá phải chăng module thích hợp cho phổ qt vận
dụng như: kiểm sốt xe pháo, hành khách bằng vé thẻ hay thay thế kỹ thuật mã vạch giúp
lưu đa dạng dữ liệu hơn hay trong điều hành nhân viên và chấm công, .v.v.

9


Thơng Số Kỹ Thuật RFID RC522 :
● Dịng làm việc : 13 – 26mA/3.3V-DC
● Dòng tĩnh : 10 – 13mA/3.3V-DC
●  Dòng ở chế độ nghỉ : <80uA
● Dòng làm việc max: 30mA
● Tần số hoạt động : 13.56Mhz

● Giao tiếp : SPI
● Khoảng cách đọc : <60mm/1.95”
● Kích thước : 40mm*60mm
● Tốc độ truyền dữ liệu : max 10Mbit/s
Chân kết nối RFID RC522:
● SDA(SS) chân chọn lọc chip khi giao thiệp SPI (kích hoạt mức thấp).
● SCK :chân xung trong chế độ SPI.
● MOSI(SDI): Master Data Out – Slave In trong chế độ giao thiệp SPI.
● MISO(SDO): Master Data In – Slave Out trong chế độ giao thiệp SPI.
● IRQ : chân ngắt.
● GND : chân nối mass.
● RST : chân reset lại module.
● VCC : nguồn 3.3V.

10


Nguyên lý hoạt động của công nghệ RFID
Thiết bị RFID reader phát ra sóng điện từ ở một tần số cụ thể nào đó và
thiết bị phát mã RFID tag trong vùng hoạt động sẽ cảm nhận được sóng được
điện từ này và thu nhận năng lượng từ đó phát lại cho thiết bị RFID biết mã số
của mình. Ngay lúc đó RFID reader biết được tag nào đang hoạt động trong
vùng sóng điện từ.

Các hàm đọc ghi module RFID
Quá trình giao tiếp về cơ bản là đọc và ghi giá trị vào các thanh ghi của module RFID,
để đọc và ghi thì chúng ta cần biết địa chỉ của thanh ghi tương ứng cũng như chức năng
tương ứng của thanh ghi đó. Nói chung, q trình giao tiếp ln bắt đầu bằng việc gửi đi
địa chỉ của 1 thanh ghi nào đó. Địa chỉ thanh ghi được mã hóa bằng 6 bits
Quá trình đọc

Do trong giao thức SPI, byte dữ liệu trả về luôn muộn hơn byte gửi đi nên byte đọc về
thứ 1 sẽ là byte rác. Và để đọc được byte cuối cùng thì gửi nhét thêm 1 byte rác (mặc
định là 0x00)

11


Quá trình ghi

Để ghi dữ liệu vào thanh ghi nào đó, ta gửi địa chỉ của nó đi sau đó gửi kèm theo dữ
liệu. Tùy thuộc vào địa chỉ đó yêu cầu mấy byte dữ liệu ta gửi đúng số byte dữ liệu
tương ứng
Module RFID phân biệt lệnh đọc hay ghi bằng bit 0 của địa chỉ thanh ghi, do địa chỉ
thanh ghi chỉ chiếm 6 bis nên vẫn còn thừa 2 bits, module này yêu cầu chúng ta phải
dịch trái địa chỉ thanh ghi lên cao, chừa lại bit cao nhất (bit 7) để nó phân biệt lệnh
này là đọc hay ghi và bit cuối (bits 0 ) nó bắt phải là 0
Cụ thể: bit 0 là 1 thì đây là đọc, ngược lại bit 0 là 0 thì đây là ghi

SPI – Serial Peripheral Interface – hay còn gọi là giao diện ngoại vi nối tiếp, Là giao
tiếp đồng bộ, bất cứ quá trình nào cũng đều được đồng bộ với xung clock sinh ra bởi thiết
bị Master

12


● SCK (Serial Clock): Thiết bị Master tạo xung tín hiệu SCK và cung cấp cho Slave.
Xung này có chức năng giữ nhịp cho giao tiếp SPI. Mỗi nhịp trên chân SCK báo 1
bit dữ liệu đến hoặc đi → Q trình ít bị lỗi và tốc độ truyền cao.
● MISO (Master Input Slave Output): Tín hiệu tạo bởi thiết bị Slave và nhận bởi

thiết bị Master. Đường MISO phải được kết nối giữa thiết bị Master và Slave.
● MOSI (Master Output Slave Input): Tín hiệu tạo bởi thiết bị Master và nhận bởi
thiết bị Slave. Đường MOSI phải được kết nối giữa thiết bị Master và Slave.
● SS (Slave Select): Chọn thiết bị Slave cụ thể để giao tiếp. Để chọn Slave giao tiếp
thiết bị Master chủ động kéo đường SS tương ứng xuống mức 0 (Low). Chân này
đôi khi còn được gọi là CS (Chip Select). Chân SS của vi điều khiển (Master) có
thể được người dùng tạo bằng cách cấu hình 1 chân GPIO bất kỳ chế độ Output.
Khung truyền SPI:
● Mỗi chip Master hay Slave đều có một thanh ghi dữ liệu 8 bits.
● Q trình truyền nhận giữa Master và Slave xảy ra đồng thời sau 8 chu kỳ đồng
hồ, một byte dữ liệu được truyền theo cả 2 hướng
● Quá trình trao đổi dữ liệu bắt đầu khi Master tạo 1 xung clock từ bộ tạo xung nhịp
(Clock Generator) và kéo đường SS của Slave mà nó truyền dữ liệu xuống mức
Low.
● Cứ 1 xung clock, Master sẽ gửi đi 1 bit từ thanh ghi dịch (Shift Register) của nó
đến thanh ghi dịch của Slave thông qua đường MOSI. Đồng thời Slave cũng gửi
lại 1 bit đến cho Master qua đường MISO.Như vậy sau 8 chu kỳ clock thì hồn tất
việc truyền và nhận 1 byte dữ liệu.
● Dữ liệu của 2 thanh ghi được trao đổi với nhau nên tốc độ trao đổi diễn ra nhanh
và hiệu quả.
13


5, Hệ điều hành thời gian thực FreeRTOS
RTOS là viết tắt của cụm từ Real-time operating system hay hệ điều hành thời gian
thực thường được nhúng trong các dòng vi điều khiển dùng để điều khiển thiết bị một
cách nhanh chóng và đa nhiệm. Là một phần mềm dùng để điều hành, quản lý toàn bộ tất
cả thành phần (bao gồm cả phần cứng và phần mềm) của thiết bị điện tử.
Sử dụng cho các tác vụ cần sự phản hồi nhanh của hệ thống, thường được nhúng trong
các loại vi điều khiển và khơng có giao diện (GUI) tương tác với người dùng. Chúng cần

phản hồi nhanh bởi vì đa số các tác vụ tương tác với thiết bị, máy móc khác chứ không
phải con người. Các tài nguyên bên trong rất hữu hạn nên chỉ một sự chậm trễ cũng có
thể làm hệ thống làm việc hoàn toàn sai lệch.
Tại sao lại phải dùng RTOS ?
● Chia sẻ tài nguyên một cách đơn giản: cung cấp cơ chế để phân chia các yêu cầu về
bộ nhớ và ngoại vi của MCU
● Dễ debug và phát triển: Mọi người trong nhóm có thể làm việc một cách độc lập,
các lập trình viên thì có thể tránh được các tương tác với ngắt, timer, với phần cứng
(cái này mình khơng khuyến khích lắm vì hiểu được phần cứng vẫn sẽ tốt hơn
nhiều)
Cách hoạt động của RTOS
RTOS là một phân đoạn hoặc một phần của chương trình, trong đó nó giải quyết việc
điều phối các task, lập lịch và phân mức ưu tiên cho task, nắm bắt các thông điệp gửi đi
từ task.

14


V. Ý tưởng thiết kế

Input

Output

Module RFID-RC522 đọc được đặt cố định ở một vị trí. Chúng sẽ phát ra sóng vô
tuyến điện ở một tần số nhất định để phát hiện thiết bị phát xung quanh đó, thẻ chip của
cơng nghệ RFID chứa các mã nhận dạng giúp cho RFID đọc nhận dạng chính xác mà
khơng bị nhầm lẫn. Các tín hiệu nhận biết từ Module sẽ được truyền đến STM32 để được
xử lý.
Bàn phím cơ Keypad dùng để đọc các giá trị, được sử dụng để nhập mật khẩu trong

trường hợp khơng sử dụng khóa từ RFID. Các giá trị sẽ được chuyền đến STM32 để
được xử lý.
15


Chip STM32 đóng vai trị xử lý các tín hiệu để thực hiện các nhiệm vụ yêu cầu. Khai
báo các giá trị mật khẩu đúng và mã chip sử dụng để đóng mở khóa. Các thao tác được
đặt thành các trạng thái và hiển thị lên màn hình LCD để tương tác với người dùng.
VI. Giới thiệu về khóa cửa thơng minh dùng RFID và Keypad
- Khóa cửa thơng minh là một thiết bị cơ điện khác biệt với các loại khóa truyền thống
có tác dụng thực hiện các nhiệm vụ đóng/mở khi nhận được lệnh từ một thiết bị được xác
thực. Smartlock sử dụng kết nối không dây với một khóa mã để thực hiện q trình xác
nhận. Khóa cửa thông minh cũng đồng thời nhận diện bất kỳ sự tiếp cận nào và gửi thơng
báo về các tình huống khẩn cấp khác liên quan đến tình trạng của thiết bị.
- Cũng như khóa cửa truyền thống, khóa cửa thơng minh có cấu tạo bao gồm hai bộ
phận là ổ khóa và chìa khóa. Tuy nhiên, chìa khóa ở khóa thơng minh khơng tồn tại ở
dạng vật chất, mà nó nằm trong thẻ từ hoặc một loại móc chìa khóa đặc biệt được định
dạng dành riêng cho khóa thơng minh.
- Với những loại khóa đơn giản hơn, “chìa khóa” có thể đơn giản là một đoạn mã số.
Khóa cửa thường được gắn trực tiếp vào ổ khóa thường, bao gồm các bộ phận thu và phát
tín hiệu, cũng như thiết bị mở và khóa chốt.

VII. Một số ưu điểm và ứng dụng
- Ưu điểm:
Khóa cửa thơng minh dần được ưa chuộng và là sự lựa chọn cho cuộc sống số chứng
tỏ chứng đang sở hữu nhiều ưu điểm nổi bật so với các dịng khóa truyền thống khác:
● Khơng cịn lo lắng về việc rơi, hay để qn chìa khóa, bạn chỉ cần nhớ mật mã
hoặc có card từ.
● Khơng cần mất thời gian tiền bạc để đánh chìa khóa, tất cả được sao lưu trong bộ
nhớ máy và email của bạn

● Thao tác nhanh chóng, thuận tiện ngay cả khi bạn đang mang vác nặng nhọc
● Vật liệu của khóa thơng minh thường chắc chắn, chịu được sự ăn mịn tốt. Cũng
do khơng cần phải tác động vật lý nhiều như khóa truyền thống, do vậy, ổ khóa
thơng minh thường bền hơn.
● Tự động khóa khi cửa đóng.
● Hoạt động với nguồn điện riêng.
● Kiểm soát được lịch sử và người ra vào ngồi nhà của bạn
● Thiết kế sang trọng, đa dạng, phù hợp với nhiều phong cách kiến trúc khác nhau.
● Dễ dàng thiết lập, cài đặt loại mã khóa phù hợp.
● Dễ dàng quản lý đối với những tòa nhà, trung tâm lớn.

16


- Ứng dụng:
Khơng chỉ thực hiện thao tác đóng hay mở cửa, giới thiệu về khóa cửa thơng minh
cịn có ứng dụng mở rộng cho phép chủ nhân căn nhà có thể tạo quyền cho bạn bè, người
thân hay những người khác mở được khóa để vào nhà bằng chìa khóa ảo
Bên cạnh đó, smartlock khóa cửa thơng minh cịn có rất nhiều chức năng, tiện ích
khác được các nhà sản xuất phát minh và ứng dụng vào sản phẩm khóa thơng minh theo
những cách khác nhau: đèn LED để sử dụng trong bóng tối, quét mã vân tay, quét võng
mạc, tích hợp chng báo động,...
Thực tế hiện nay:
● Khóa thông minh hay được sử dụng ở đa số khách sạn hay chung cư cao cấp hiện
nay.
● Những khu resort, villa cũng được ưa chuộng dùng hình thức khóa cửa này vì
trơng rất hiện đại và sang trọng .
VIII. Mạch nguyên lý và PCB

17

18


IX. Sản phẩm demo

19