Thiết kế hệ thống tự động quản lý sinh viên kết nối với đầu đọc RFID
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (1.28 MB, 80 trang )
..
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
---------------------------------------
TRẦN BÁ LINH
THIẾT KẾ HỆ THỐNG TỰ ĐỘNG QUẢN LÝ SINH VIÊN
KẾT NỐI VỚI ĐẦU ĐỌC RFID
LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT
Chuyên ngành: ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA
Hà Nội – 2012
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
---------------------------------------
TRẦN BÁ LINH
THIẾT KẾ HỆ THỐNG TỰ ĐỘNG QUẢN LÝ SINH VIÊN
KẾT NỐI VỚI ĐẦU ĐỌC RFID
LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT
Chuyên ngành: ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA
NGƯỜI HƯỚNG DẪN:
GS.TS PHẠM THỊ NGỌC YẾN
Hà Nội – 2012
Thiết kế hệ thống tự động quản lý sinh viên kết nối với đầu đọc RFID
MỤC LỤC
LỜI NÓI ĐẦU ....................................................................................................................... 6
LỜI CAM ĐOAN ................................................................................................................ 11
LỜI CẢM ƠN ...................................................................................................................... 12
Chương 1.
1.1.
XÂY DỰNG HỆ THỐNG QUẢN LÝ SINH VIÊN ............................... 13
Phân tích: ......................................................................................................... 13
1.2. Thực hiện kỹ thuật: ............................................................................................... 13
1.3. Mô tả phần cứng hệ thống ................................................................................... 14
1.3.1. Thẻ ................................................................................................................. 14
1.3.2. Đầu đọc .......................................................................................................... 14
1.4. Ý tưởng lựa chọn thẻ ............................................................................................ 15
1.4.1. Ý tưởng lựa chọn chíp đầu đọc ...................................................................... 15
1.4.2. Ý tưởng lựa chọn điều khiển.......................................................................... 15
1.5. Thiết kế chi tiết: .................................................................................................... 16
Chương 2.
TỔNG QUAN RFID ................................................................................ 17
2.1.
Khái niệm RFID............................................................................................... 17
2.2.
Tình hình phát triển cơng nghệ ........................................................................ 18
2.3.
Tần số hoạt động .............................................................................................. 19
2.3.1. Các dải tần số công nghệ RFID ..................................................................... 20
2.3.2. So sánh tần số 125KHz và 13.56MHz ........................................................... 22
Hệ thống RFID ở tần số 13,56MHz ................................................................. 23
2.4.
2.4.1. Thẻ ................................................................................................................. 23
2.4.2. Đầu đọc .......................................................................................................... 24
2.4.3. Nguyên lý làm việc cơ bản ............................................................................ 25
Chương 3.
BỘ VI XỬ LÝ ATMEGA16 ................................................................... 31
Giới thiệu ......................................................................................................... 31
3.1.
3.1.1 Giới thiệu họ vi điều khiển AVR: ................................................................... 31
3.1.2. Giới thiệu bộ vi xử lý Atmega16 ................................................................... 31
3.1.3 Đặc điểm của Atmega16: ............................................................................... 31
Các tính năng của Atmega16 : ......................................................................... 32
3.2.
3.2.1
Sơ đồ chân............................................................................................... 34
3.2.2. Mạch cấp nguồn nuôi cho vi điều khiển ........................................................ 35
3.3. Cấu trúc của ATMega16 ....................................................................................... 36
3.3.1. Cấu trúc nhân: ................................................................................................ 36
3.3.2. Cấu trúc bộ nhớ:............................................................................................. 36
1
Thiết kế hệ thống tự động quản lý sinh viên kết nối với đầu đọc RFID
3.3.3. Các cổng vào ra.............................................................................................. 39
3.3.4. Bộ định thời: .................................................................................................. 40
3.3.5. UART............................................................................................................. 40
Chương 4.
CHUẨN KẾT NỐI ĐẦU ĐỌC VÀ MÁY TÍNH (PC) ........................... 42
4.1.
Đặt vấn đề: ....................................................................................................... 42
4.2.
Tổng quan về RS232........................................................................................ 42
4.2.1. Ưu điểm của giao diện nối tiếp RS232 ........................................................ 43
4.2.2. Những đặc điểm cần lưu ý trong chuẩn RS232 ............................................ 43
4.2.3. Các mức điện áp đường truyền ..................................................................... 44
4.2.4. Cổng RS232 trên PC ..................................................................................... 44
4.2.5. Quá trình dữ liệu ........................................................................................... 45
4.3.
Khối giao tiếp máy tính RS232........................................................................ 47
Chương 5.
THIẾT KẾ PHẦN MỀM QUẢN LÝ SINH VIÊN ................................. 48
5.1.
Phân tích: ......................................................................................................... 48
5.2.
Kiến trúc hệ thống............................................................................................ 48
5.2.1. Sơ đồ khối phần cứng của hệ thống ............................................................... 51
5.2.2. Thẻ ................................................................................................................. 51
5.2.3. Đầu đọc ......................................................................................................... 52
5.3. Chọn thiết bị thiết kế hệ thống .............................................................................. 53
5.3.1. Lựa chọn thẻ .................................................................................................. 53
5.3.2. Lựa chọn chíp đầu đọc ................................................................................... 53
5.3.3. Lựa chọn điều khiển....................................................................................... 54
5.4. Thiết kế chi tiết: .................................................................................................... 54
5.4.1. Phân tích các khối chức năng......................................................................... 55
5.4.2. Phân tích các chức năng phần mềm hệ thống ............................................... 58
5.5. Chương trình chính trên vi điều khiển .................................................................. 60
5.5.1. Giao tiếp máy tính và đầu đọc ....................................................................... 61
5.5.2. Điều chế và giải điều chế ............................................................................... 63
5.6. Chương trình quản lý sinh viên ............................................................................ 74
5.6.1. Quản lý thông tin sinh viên ............................................................................ 75
5.6.2. Quản lý thời gian học tập: .............................................................................. 76
KẾT LUẬN.......................................................................................................................... 77
TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................................... 78
2
Thiết kế hệ thống tự động quản lý sinh viên kết nối với đầu đọc RFID
Danh mục hình vẽ
Trang
Hình 2.1 Các kỹ thuật nhận dạng tự động ........................................................................... 17
Hình 2.2: Các thành phần của thẻ ....................................................................................... 23
Hình 2.3: Các thành phần của đầu đọc ............................................................................... 25
Hình 2.4: Giao tiếp đầu đọc và thẻ ...................................................................................... 25
Hình 2.5: Trường gần và trường xa .................................................................................... 26
Hình 2.6: Từ trường dao động phía đầu đọc sinh ra........................................................... 27
Hình 2.7: Tín hiệu điều chế biên ASK ................................................................................. 29
Hình 2.8: Tín hiệu điều tần FSK .......................................................................................... 29
Hình 2.9: Tín hiệu điều pha PSK ......................................................................................... 29
Hình 3-1. Sơ đồ ghép nối vi xử lý ........................................................................................ 32
Hình 3.2 . Sơ đồ chân của Atmega16................................................................................... 34
Hình 3.3 Mạch cấp nguồn ni cho vi điều khiển ............................................................... 35
Hình 3.4. Sơ đồ cấu trúc CPU của Atmega16 ..................................................................... 36
Hình 3.5. Tổ chức bộ nhớ của AVR ..................................................................................... 37
Hình 3.6. Thanh ghi 8 bits. .................................................................................................. 38
Hình 3.7. Tín hiệu tương đương của UART và RS232. ....................................................... 41
Hình 4.1. Sơ đồ chân cổng Com 9 chân .............................................................................. 44
Hình 4.2. Khối giao tiếp máy tính RS232 ........................................................................... 47
Hình 5.1: Kiến trúc hệ thống ............................................................................................... 49
Hình 5.2 : Sơ đồ khối hệ thống ............................................................................................ 51
Hình 5.3 : Sơ đồ ghép nối IC EM 4094 .............................................................................. 56
Hình 5.4: Sơ đồ ghép nối vi xử lý ........................................................................................ 56
Hình 5.5: Sơ đồ ghép nối LCD ........................................................................................... 57
Hình 5.6: Sơ đồ ghép nối MAX 232 ..................................................................................... 58
Hình 5.7: Sơ đồ ghép nối khối nguồn cung cấp .................................................................. 58
Hình 5.8: Cấu trúc các lớp phần mềm ................................................................................. 58
Hình 5.9. Giản đồ xung 31 bit khởi tạo IC đầu đọc............................................................. 63
Hình 5.10: Thuật tốn hàm khởi tạo .................................................................................... 64
Hình 5.11: Mã hóa 1 out of 256.......................................................................................... 65
Hình 5.12: Mã hóa 1 out of 4............................................................................................... 66
Hình 5.13 : Chương trình ngắt Capture T1 ........................................................................ 74
3
Thiết kế hệ thống tự động quản lý sinh viên kết nối với đầu đọc RFID
Danh mục các bảng
Bảng 1: Thông tin sinh viên ................................................................................................ 75
Bảng 2: Quản lý hồ sơ sinh viên ......................................................................................... 76
Bảng 3: Quản lý thời gian học tập...................................................................................... 76
4
Thiết kế hệ thống tự động quản lý sinh viên kết nối với đầu đọc RFID
Một số thuật ngữ
Thuật ngữ
RFID
EOF
PPM
RFU
AFE
AFI
WORM
CRC
UID
DSFID
VCC
VICC
EPC
HDX
FDX
SEQ
SOF
ASIC
AM
OOK
ASK
FSK
PSK
Ý nghĩa
Radio Frequency Identification
End Of Frame
Pulse position modulation
Reserved for future use
Analog Front-End
Aplication family identifer
Write Once Read Many
Cyclic Redundancy Check
Unique Identifier
Data Storage Format Identifer
Vicinity coupling device (Reader)
Vicinity integrated circuit card (Tag)
Electrical Product Code
Half Duplex
Full Duplex
Sequential
Start Of Frame
Application Specific Integrated Circuit
Amplitude Modulation
On-off Keying
Amplitude Shift Keying
Frequency Shift Keying
Phase Shift Keying
5
Thiết kế hệ thống tự động quản lý sinh viên kết nối với đầu đọc RFID
LỜI NÓI ĐẦU
1. Cơ sở lựa chọn đề tài:
Đất nước ta đang trong quá trình vận động, đổi mới và phát triển, trong đó
nghành tự động hóa được coi là một nghành mũi nhọn của nền kinh tế thị
trường.Lĩnh vực tự động hóa phát triển mạnh mẽ ở các nước được coi là đầu tàu của
nền kinh tế thế giới như Mỹ, Pháp, Nhật Bản…vì thế, để tiếp thu những thành quả
của nền khoa học kỹ thuật tiên tiến, giúp đất nước phát triển theo con đường hiện
đại hóa, nghành tự động hóa nên được đầu tư phát triển mạnh mẽ hơn nữa. Và một
trong những yếu tố giúp làm giảm chi phí về thời gian quản lý, giảm nhân lực tham
gia quản lý, giúp tăng tính bảo mật, tăng tính chính xác đó chính là cơng nghệ tự
động hóa nhận dạng.
Cơng nghệ nhận dạng được sử dụng rộng rãi ở nhiều nơi với nhiều mục đích
khác nhau nhưng nó có vai trị quan trọng trong sự phát triển của đời sống xã hội
nói chung và sự phát triển của nền công nghiệp nước ta nói riêng. Việc nhận dạng
có thể giúp các nhà quản lý có thể quản lý, giám sát đối tượng ở nhiều mức độ khác
nhau và với RFID, việc đó có thể trở nên dễ dàng và chính xác hơn. Các hệ thống
nhận dạng hiện nay hầu hết đều phải có người quản lý trực tiếp tiếp xúc với đối
tượng vì vậy sẽ làm mất nhiều thời gian, không đảm bảo được tính kịp thời trong
việc xử lý thơng tin cũng như tính bảo mật và quản lý giám sát. Từ những nhược
điểm của hệ thống nhận dạng đơn giản trên, công nghệ RFID trong những năm gần
đây đã được sử dụng rộng rãi.
RFID (Radio Frequency Identification) là một phương pháp nhận dạng đối
tượng tự động bằng sóng vơ tuyến,thu thập từ xa dữ liệu lưu trữ trên các thiết bị thẻ
RFID bằng một đầu đọc RFID. Thơng tin có thể được truyền qua những khoảng
cách vừa phải mà không cần một tiếp xúc vật lý nào cả.
Đó là một kỹ thuật nhận dạng sóng vơ tuyến từ xa, cho phép dữ liệu trên một
con chíp được đọc một cách “khơng tiếp xúc” qua đường dẫn sóng vơ tuyến ở
khoảng cách từ 50 cm tới 10 mét, tùy theo kiểu của thẻ nhãn RFID.
6
Thiết kế hệ thống tự động quản lý sinh viên kết nối với đầu đọc RFID
Hệ thống RFID gồm hai thành phần: thứ nhất là những chiếc thẻ nhãn nhỏ (cỡ
vài cm) có gắn chip silicon cùng ăng ten radio và thành phần thứ hai là bộ đọc cho
phép giao tiếp với thẻ nhãn và truyền dữ liệu tới hệ thống máy tính trung tâm.
Bộ nhớ của con chip có thể chứa từ 96 đến 512 bit dữ liệu, nhiều gấp 64 lần so
với một mã vạch. Ưu việt hơn, thơng tin được lưu giữ trên con chíp có thể được sửa
đổi bởi sự tương tác của bộ đọc. Dung lượng lưu trữ cao của những thẻ nhãn RFID
thông minh này sẽ cho phép chúng cung cấp nhiều thông tin đa dạng.
Với công nghệ RFID, thông tin về nhân sự ngay lập tức sẽ được nhận dạng tự
động.Chip trên thẻ nhãn RFID được gắn kèm với một ăngten chuyển tín hiệu đến
một máy cầm tay hoặc máy đọc cố định. Các máy này sẽ chuyển đổi sóng radio từ
thẻ RFID sang một mã liên quan đến việc xác định các thơng tin trong một cơ sở
dữ liệu máy tính do cơ quan quản lý kiểm soát.
7
Thiết kế hệ thống tự động quản lý sinh viên kết nối với đầu đọc RFID
Ứng dụng RFID
RFID với tần số thấp 125 KHz xuất hiện từ hơn 50 năm trước và đã có nhiều
ứng dụng thành cơng. Nhưng bên cạnh những mặt thuận lợi, hạn chế lớn nhất của
tần số 125 KHz là khoảng cách đọc rất ngắn, khoảng cách đọc tối đa cho tới hiện tại
là 20 cm nên ứng dụng ở tần số này bị hạn chế rất nhiều.
Vì thế, tơi tập trung vào dải tần số 13,56 MHz, là dải tần số có thể tăng khoảng
cách đọc lên tới 70 cm nên sẽ có nhiều ứng dụng hơn.
Đề tài mà tôi chọn là :
“ Thiết kế hệ thống tự động quản lý sinh viên kết nối với đầu đọc RFID”.
2. Phương pháp nghiên cứu:
Tìm hiểu và nghiên cứu khái quát về công nghệ RFID, xây dựng thuật tốn, viết
chương trình và thiết kế phần mềm, kết nối truyền thơng giao tiếp giữa máy tính và
phần cứng
8
Thiết kế hệ thống tự động quản lý sinh viên kết nối với đầu đọc RFID
3. Phạm vi và nội dung nghiên cứu:
Mục tiêu:
-
Hiểu rõ về cơng nghệ RFID nói chung và ở tần số 13.56 MHz nói riêng
-
Thiết kế phần mềm cho hệ thống RFID ở tần số 13.56 MHz ứng dụng vào
bài toán quản lý sinh viên trên lớp học
Nội dung chính của luận văn gồm các phần
-
Chương 1:Xây dựng hệ thống quản lý sinh viên
+ Phân tích yêu cầu của hệ thống quản lý sinh viên, đưa ra sơ đồ khối
+ Thực hiện kỹ thuật RFID
+ Mô tả phần cứng của hệ thống
+ Giới thiệu chung về các thiết bị thiết kế hệ thống
-
Chương 2:Tổng quan về cơng nghệ RFID
+ Tìm hiểu khái qt về cơng nghệ cũng như các hệ thống RFID, cụ
thể là ở tần số 13.56 MHz
+ Tổng hợp các hệ thống nhận dạng và so sánh với công nghệ RFID
+ Phạm vi ứng dụng của hệ thống RFID và ưu, nhược điểm của nó so
với hệ thống khác
-
Chương 3:Bộ vi xử lý Atmega16
+ Giới thiệu
+ Các tính năng
+Cấu trúc ATmega16
-
Chương 4:Các chuẩn kết nối đầu đọc và máy tính
+ Tìm hiểu về các chuẩn kết nối
+ Giới thiệu chuẩn kết nối RS232
+ Ưu,nhược điểm của chuẩn kết nối RS232
+ Các đặc điểm của chuẩn kết nối RS232
-
Chương 5:Thiết kế phần mềm quản lý sinh viên trên lớp học
+ Giới thiệu giao tiếp máy tính và đầu đọc
+ Lựa chọn thiết bị thiết kế hệ thống
9
Thiết kế hệ thống tự động quản lý sinh viên kết nối với đầu đọc RFID
+ Các thuật toán
+ Thiết kế các giao diện phần mềm quản lý sinh viên
-
Kết luận và hướng phát triển
10
Thiết kế hệ thống tự động quản lý sinh viên kết nối với đầu đọc RFID
LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của riêng tơi. Các số liệu, kết quả
nêu trong luận văn là trung thực và chưa được ai công bố trong bất kỳ cơng trình
nào khác
Hà Nội, ngày 25/09/2012
Trần Bá Linh
11
Thiết kế hệ thống tự động quản lý sinh viên kết nối với đầu đọc RFID
LỜI CẢM ƠN
Em xin được gửi lời cảm ơn chân thành đến cô giáo hướng dẫn : GS.TS Phạm
ThịNgọc Yến, người đã tận tình hướng dẫn em hồn thành luận văn, em xin cảm ơn
cơ đã có những ý kiến q báu, cảm ơn cơ đã dành thời gian để giúp em hiểu rõ
những vấn đề cịn vướng mắc. Nhân đây, tơi cũng xin được gửi lời cảm ơn đến
Nguyễn Hồng Vũ, Trần Linh Đan…những người bạn, người thân đã giúp đỡ tôi rất
nhiều để tơi có thể hồn thành luận văn này.
Hà Nội, ngày 25/09/2012
Trần Bá Linh
12
Thiết kế hệ thống tự động quản lý sinh viên kết nối với đầu đọc RFID
Chương 1.
XÂY DỰNG HỆ THỐNG QUẢN LÝ SINH VIÊN
1.1. Phân tích:
-Yêu cầu hệ thống:
Tiêu chí đặt ra của đề tài là giảm thiểu nhân lực trong công tác quản lý, tăng tốc
độ xử lý thông tin mà vẫn đảm bảo tính an tồn, bảo mật và tiết kiệm thời gian.Hệ
thống quản lý sinh viên là một đề tài gồm nhiều modul kết hợp lại với nhau.Hệ
thống được xây dựng trên ý tưởng: nhà quản lý muốn kiểm sốt thơng tin về sinh
viên của mình như: giờ đến lớp và rời lớp học, môn học tham gia, xác nhận thông
tin cá nhân như họ và tên, lớp học, nghành học,giới tính, năm sinh, địa chỉ liên
lạc… mỗi lần qua cửa tự động để phục vụ cho mục đích quản lý sinh viên trong lớp
học.
1.2. Thực hiện kỹ thuật:
Đầu đọc là thiết bị thực hiện chức năng thu và xử lý dữ liệu từ thẻ, ghi dữ liệu
lên thẻ, giao tiếp với máy tính, nạp năng lượng cho thẻ, xác định tần số truyền. Máy
chủ quản lý các đầu đọc. Mỗi đầu đọc sẽ quản lý một lượng UID nhất định. Các đầu
đọc có những vùng làm việc riêng (<1m), khi thẻ đặt trong vùng này, đầu đọc sẽ
nhận về các UID của thẻ và xử lý. Sau đó, thơng tin về đầu đọc và UID sẽ được
truyền lên máy tính để đưa ra những mệnh lệnh thích hợp.
Thiết bị đầu đọc sẽ được gắn bên cửa lớp học để quản lý sinh viên tham gia các
giờ học, khoảng cách tối thiểu giữa thẻ và sinh viên khoảng từ 20 cm đến 50 cm và
tối đa là 2m nên ở đây tơi chọn đầu đọc có tần số 13.56 MHz với khoảng cách đọc
tối đa là 70 cm
Việc giao tiếp giữa đầu đọc và máy tính có thể theo hai cách: sử dụng dây truyền
dẫn hoặc dùng cơng nghệ khơng dây. Truyền dữ liệu bằng dây có tính ổn định lớn
và khá dễ dàng vì có nền tảng, từng được phát triển nhiều. Tuy nhiên, nhược điểm
của phương án này là tính kinh tế và tính tiện dụng. Việc truyền bằng dây cho một
hệ thống nhiều đầu đọc sẽ tốn kém kinh phí mua dây, tổn hao về kinh tế.
13
Thiết kế hệ thống tự động quản lý sinh viên kết nối với đầu đọc RFID
Sử dụng công nghệ không dây sẽ giúp khắc phục được những hạn chế này, có thể
xử lý trực tiếp trên đầu đọc và máy tính. Truyền khơng dây cịn đạt được tốc độ khá
lớn, khoảng truyền tương đối xa. Tất nhiên, phương án nào cũng có những hạn chế
riêng, cơng nghệ khơng dây khá phức tạp, những khó khăn dồn về phía người thiết
kế, bù lại người sử dụng sẽ tiện lợi hơn rất nhiều. Bên cạnh đó, tính ổn định khơng
cao do dễ bị ảnh hưởng của nhiễu cũng là một hạn chế của công nghệ này.
Sau khi nghiên cứu ưu nhược điểm của các phương án và tính khả thi của từng
loại công nghệ, tôi đã quyết định công nghệ được sử dụng trong truyền tin là cơng
nghệ truyền dẫnRS232
Tiêu chí kỹ thuật hệ thống
Các đầu đọc trong hệ thống phải đảm bảo được các tiêu chí sau:
-
Tần số hoạt động: 13.56 MHz
-
Giới hạn sử dụng thẻ RFID: thẻ thụ động
-
Phạm vi đọc thẻ: < 1m
-
Xây dựng cơ sở dữ liệu, quản lý sinh viên.
-
Lập trình các chương trình giao tiếp giữa đầu đọc và thẻ, giữa đầu đọc và
máy tính.
1.3. Mơ tả phần cứng hệ thống
1.3.1. Thẻ
Thẻ trong hệ thống có các chức năng:
-
Lưu trữ dữ liệu cần thiết của đối tuợng.
-
Thẻ chứa IC (bộ nhớ, có thể cả bộ VXL) và antenna. Bộ nhớ thẻ có thể là
loại chỉ đọc, loại ghi một lần đọc nhiều lần hoặc đọc ghi nhiều lần. Dung
luợng bộ nhớ sẽ quyết định khối lượng dữ liệu được sử dụng.
1.3.2. Đầu đọc
Là thiết bị thực hiện chức năng thu và xử lý dữ liệu từ thẻ, ghi dữ liệu lên thẻ,
giao tiếp với máy tính, nạp năng luợng cho thẻ, xác định tần số truyền.
14
Thiết kế hệ thống tự động quản lý sinh viên kết nối với đầu đọc RFID
1.4. Ý tưởng lựa chọn thẻ
Thẻ được sinh viên đeo hoặc mang trên người, tùy theo số lượng sinh viên nên
cần một số lượng tương đối lớn, chính vì thế chọn thẻ là việc quan trọng phải làm
trước tiên. Việc chọn thẻ phải đảm bảo được về mặt cung cấp (khả năng đặt mua) và
tiếp đến là phù hợp về giá cả. Ở tần số 13,56MHz có khá nhiều nhà sản xuất khác
nhau, trong luận văn này tôi chọn thẻ của hãng EM MICROELECTRONIC MARIN.
Do vấn đề giá thành nên việc thẻ được chọn là loại thẻ thụ động, loại thẻ này rẻ
hơn nhiều so với các loại thẻ tích cực và bán thụ động.
Thẻ sử dụng cho đồ án là EM4035 với mức giá 0,7$ /1 thẻ, tương đối phải chăng
so với các sản phẩm cùng loại trên thị trường.
1.4.1. Ý tưởng lựa chọn chíp đầu đọc
Do thẻ EM4035 hoạt động theo chuẩn ISO15693 nên chíp đầu đọc phải là loại có
khả năng hỗ trợ chuẩn này. Chíp đầu đọc được lựa chọn trong đồ án là EM4094,
cùng hãngEM MICROELECTRONIC – MARIN.
1.4.2. Ý tưởng lựa chọn điều khiển
Việc chọn vi điều khiển phụ thuộc nhiều vào thuật tốn viết cho các chương trình
trên đầu đọc. Chi tiết về các thuật tốn và chương trình sẽ được trình bày ở chương
sau. Vi điều khiển được chọn phải có ba bộ timer T0, T1, T2 sao cho cả ba đều có
chức năng ngắt tràn. Riêng T1 có thêm tính năng capture tức là khả năng lưu lại giá
trị timer mỗi lần xảy ra sự kiện ngắt trên chân ngắt tương ứng. Bên cạnh đó việc
chọn vi điều khiển cũng phải chú trọng đến khả năng hoạt động trong môi trường
cao tần. Vi điều khiển phải không chịu ảnh hưởng của sóng cao tần phát ra từ anten
và bản thân nó khi hoạt động cũng khơng được bức xạ ra những sóng cao tần, có thể
gây nhiễu anten.Hai dịng vi điều khiển thơng dụng và phù hợp được xem xét là PIC
và AVR.
15
Thiết kế hệ thống tự động quản lý sinh viên kết nối với đầu đọc RFID
1.5. Thiết kế chi tiết:
Sau khi đã lựa chọn các thiết bị phần cứng của đầu đọc và cổng giao tiếp đầu
đọc với máy tính, ta có danh sách các thiết bị được lựa chọn sau:
-
Khối xử lý trung tâm sử dụng vi xử lý hoặc vi điều khiển.
-
Khối chip đầu đọc lựa chọn theo điều kiện kỹ thuật yêu cầu
-
Khối truyền thông
-
Hiển thị LCD 16*2.
16
Thiết kế hệ thống tự động quản lý sinh viên kết nối với đầu đọc RFID
Chương 2.
TỔNG QUAN RFID
2.1. Khái niệm RFID
Nhận dạng nhãn vô tuyến (Radio Frequency Identification-RFID) là một dạng
của kỹ thuật nhận dạng tự động (Automatic Identification). Nhận dạng tự động gọi
ngắn là "ID tự động" là một thuật ngữ chỉ các công nghệ chủ yếu dùng để chế tạo
thiết bị nhận dạng các đối tượng. Nhận dạng tự động thường được thực hiện bằng
cách tự động “bắt” dữ liệu. Đó cũng là cách mà các cơng ty muốn nhận dạng các
món đồ, bắt thơng tin về chúng và làm thế nào đó thu nhận dữ liệu đưa vào máy tính
mà khơng cần nhân cơng nhập dữ liệu vào. Mục tiêu của "ID tự động" là tăng tính
hiệu quả, giảm lỗi dữ liệu đầu vào và sử dụng nhân lực dư thừa cho các chức năng
giá trị gia tăng như cung cấp dịch vụ cho khách hàng. Các công nghệ "ID tự động"
như: mã vạch (Bar Codes), thẻ thơng minh, nhận dạng tiếng nói, một số cơng nghệ
sinh trắc học (biometric), nhận dạng đặc trưng quang học (Optical character
Recognition - OCR) và nhận dạng tần số vô tuyến (Radio Frequency Iditification RFID).
Hình 2.1 Các kỹ thuật nhận dạng tự động
17
Thiết kế hệ thống tự động quản lý sinh viên kết nối với đầu đọc RFID
RFID thường được xem là thế hệ tiếp theo của mã vạch, điểm khác biệt cơ bản
của RFID so với mã vạch đó là RFID khơng cần tới việc đọc thơng tin theo tầm
nhìn thẳng, nó có thể hoạt động ngay cả khi đối tượng di chuyển mà không cần tác
động đến sự di chuyển đó.
Kỹ thuật RFID sử dụng truyền thơng khơng dây trong dải tần sóng vơ tuyến để
truyền dữ liệu từ các thẻ đến các reader. Thẻ có thể được đính kèm hoặc gắn vào đối
tượng được nhận dạng chẳng hạn sản phẩm, hộp hoặc băng truyền. Reader quét dữ
liệu của thẻ và gửi thơng tin đến cơ sở dữ liệu có lưu trữ dữ liệu của thẻ. Chẳng hạn,
các thẻ có thể được đặt trên kính chắn gió xe hơi để hệ thống thu phí đường có thể
nhanh chóng nhận dạng và thu tiền trên các con đường.
Hệ thống RFID bao gồm thẻ (TAG) được tạo nên bằng vi chip có gắn anten và
đầu đọc (READER) có gắn anten. Các thẻ chính là những thẻ thơng minh khơng
tiếp xúc, chúng sử dụng các trường điện từ hay từ trường để truyền thông tin và
năng lượng.
Dạng đơn giản nhất được sử dụng hiện nay là hệ thống RFID bị động, làm việc
như sau: anten đầu đọc phát ra sóng điện từ và anten của thẻ thu chúng; các thẻ thụ
động hấp thụ năng lượng từ trường điện từ do đầu đọc phát ra và sử dụng năng
lượng đó ni mạch vi chip. Vi chip sau đó điều chế sóng để thẻ phát trở lại về phía
đầu đọc, đầu đọc sẽ biến đổi các sóng đó thành tín hiệu số và từ đó nhận dạng món
đồ có gắn thẻ.
Chúng ta có thể phân chia hệ thống theo phạm vi đọc: phạm vi gần (0-20cm),
phạm vi xa (0-1m), phạm vi dài (>1m) phụ thuộc vào tần số hệ thống. Tần số càng
cao, khoảng đọc càng lớn
2.2. Tình hình phát triển cơng nghệ
-
RFID được phát minh vào năm 1948.
-
Giai đoạn 1950 - 1960, Những phiên bản đầu tiên của công nghệ RFID đã
được thử nghiệm trong phịng thí nghiệm.
18
Thiết kế hệ thống tự động quản lý sinh viên kết nối với đầu đọc RFID
-
Giai đoạn 1960 - 1970 : Đây là giai đoạn phát triển mạnh mẽ của lý thuyết
RFID. Người ta đã bắt đầu đưa nó vào ứng dụng thử nghiệm trong môi
trường thực tế.
-
Giai đoạn 1970 - 1980 : Sự phát triển của RFID trở thành bùng nổ. RFID
được thử thách ở nhiều lĩnh vực.
-
Giai đoạn 1980 - 1990 : RFID trở thành mặt hàng thương mại.
-
Giai đoạn 1990 - 2000: Có nhiều chuẩn ra đời. RFID được triển khai rộng rãi,
nó trở thành một phần của cuộc sống hàng ngày.
-
Giai đoạn 2000 đến nay: Công nghệ RFID tiếp tục phát triển mạnh RFID,
bước vào giai đoạn “đại trà hóa”.
2.3. Tần số hoạt động
Tần số hoạt động của hệ thống RFID là tần số tại bộ đọc khi truyền (tần số
truyền của thẻ được bỏ qua). Cơng suất truyền của thẻ có thể thấp hơn mười lần so
với công suất của bộ đọc.
Tần số là yếu tố rất quan trọng và phải được xem xét kỹ khi thiết kế hệ thống
RFID nhằm đảm bảo yêu cầu kỹ thuật và sự thống nhất đối với các hệ thống khác,
việc chọn tần số sóng là đặc điểm hoạt động chính của hệ thống RFID. Tần số xác
định tốc độ truyền thơng và khoảng cách đọc thẻ. Nói chung, tần số cao hơn cho
phạm vi đọc dài hơn. Mỗi ứng dụng phù hợp với một kiểu tần số cụ thể do ở mỗi
tần số thì sóng radio có đặc điểm khác nhau. Chẳng hạn sóng có tần số thấp (lowfrequency) có thể xuyên qua tường tốt hơn sóng có tần số cao hơn nó, nhưng tần số
cao có tốc độ đọc nhanh.
Như đã nói ở phần đặt vấn đề, hệ thống RFID sử dụng phạm vi tần số không
đăng ký ISM, gồm thiết bị y học-khoa học-công nghiệp được FCC cho phép. Các
thiết bị hoạt động trong dải tần không đăng ký này không gây ra tác hại nhiễu và
phải chấp nhận bất kỳ nhiễu nào nhận được. FCC cũng quy định giới hạn năng
lượng cụ thể kết hợp với mỗi tần số. Việc kết hợp giữa tần số và các mức năng
lượng cho phép xác định phạm vi thiết thực của một ứng dụng riêng biệt, ví dụ như
công suất năng lượng của các reader.
19
Thiết kế hệ thống tự động quản lý sinh viên kết nối với đầu đọc RFID
Có bốn tần số chính được sử dụng cho hệ thống RFID: thấp, cao, siêu cao, vi
sóng.
2.3.1. Các dải tần số cơng nghệ RFID
Tần số thấp:
-
Băng tần : 125 ÷ 135 KHz
-
Phạm vi đọc : < 10 cm
-
Dùng thẻ RFID: thụ động
-
Tốc độ truyền dữ liệu: < 1 Kbits/s, không thể đa truy nhập đồng thời
-
Cường độ từ trường: 72 dBµA/m trong phạm vi 10m
-
Chuẩn: ISO/IEC 18000-2
-
Ưu điểm: hoạt động tốt trong môi trường nước và các đồ vật kim loại
-
Nhược điểm: phạm vi đọc ngắn, tốc độ truyền dữ liệu chậm
-
Phạm vi ứng dụng:
o Điều khiển truy nhập cá nhân.
o Theo dõi động vật
o Giám sát xe cộ
o Xác thực sản phẩm
Tần số cao:
-
Băng tần : 13,56 MHz
-
Phạm vi đọc : < 1 m
-
Dùng thẻ RFID: thụ động
-
Tốc độ truyền dữ liệu: 25 Kbits/s, có thể đa truy nhập đồng thời (10 đến
100 thẻ trên giây ở phạm vi 1m)
-
Cường độ từ trường: 42 dBµA/m trong phạm vi 10m
-
Chuẩn: ISO 14443(A/B), ISO 15693, ISO/IEC 18000-3
-
Ưu điểm: giá thành tag rẻ
-
Nhược điểm: hoạt động trong môi trường nước kém hơn dải tần thấp
(nhưng tốt hơn siêu cao tần)
-
Phạm vi ứng dụng:
20
Thiết kế hệ thống tự động quản lý sinh viên kết nối với đầu đọc RFID
o Thẻ thông minh.
o Điều khiển truy nhập.
o Kiểm soát sách trong thư viện.
o Quản lý sinh viên trên lớp học
o Kiểm soát hành lý tại sân bay .
o Duy trì thu thập dữ liệu.
Tần số siêu cao:
-
Băng tần : 860 ÷ 930 MHz
-
Phạm vi đọc : 3 ÷ 9 m
-
Dùng thẻ RFID: thụ động và tích cực.
-
Tốc độ truyền dữ liệu: 28 Kbits/s, có thể đa truy nhập đồng thời (100 đến
1000 thẻ trên giây)
-
Công suất phát xạ: 25 mW ERP 10%
-
Chuẩn: ISO/IEC 18000-6
-
Ưu điểm: tất cả các thẻ sử dụng đều theo chuẩn EPC (Electronic Product
Code); phạm vi đọc rộng nhất
-
Nhược điểm: hoạt động không tốt trong môi trường nước hoặc xung
quanh các vật kim loại, dễ bị ảnh hưởng bởi các nhân tố môi trường hơn
các thẻ hoạt động ở các tần số khác
-
Phạm vi ứng dụng:
o Theo dõi băng truyền và thùng carton.
o Kiểm tra xe chở hàng hóa, container và các toa trong vận chuyển tàu
biển.
o Thu phí giao thơng điện tử trên đường cao tốc.
o Kiểm soát xe cộ tại các bãi đỗ xe.
Vi sóng:
-
Băng tần : 2,4 GHz và 5,8 GHz
-
Phạm vi đọc : < 3 m
-
Dùng thẻ RFID: thụ động và tích cực.
21
Thiết kế hệ thống tự động quản lý sinh viên kết nối với đầu đọc RFID
-
Tốc độ truyền dữ liệu: 100 Kbits/s
-
Chuẩn: ISO/IEC 18000-4
-
Ưu điểm: kết hợp với các ứng dụng không dây Bluetooth, Wifi; tốc độ
truyền dữ liệu nhanh nhất
-
Nhược điểm: hoạt động không tốt trong môi trường nước hoặc xung
quanh các vật kim loại; phạm vi đọc kém hơn siêu cao tần; thẻ và đầu đọc
đắt nhất.
-
Phạm vi ứng dụng:
o Kiểm soát hành lý tại sân bay.
o Thu phí giao thơng điện tử trên đường cao tốc.
2.3.2. So sánh tần số 125KHz và 13.56MHz
Tần số 125 KHz
Tần số 13,56 MHz
Hoạt động ở tần số thấp (LF),
Hoạt động ở tần số cao (HF),
Phạm vi hoạt động nhỏ (0 ÷ 10cm).
Phạm vi hoạt động lớn hơn ( < 1m )
Bộ dao động thạch anh: đã tích hợp trên Cần bộ tạo dao động thạch anh
chíp đầu đọc.
ngồi cho chíp đầu đọc.
Tốc độ truyền dữ liệu chậm (<1Kbit /s ).
Tốc độ truyền dữ liệu nhanh ( 25
Kbit/s ).
Không thể đa truy nhập đồng thời.
Có thể đa truy nhập đồng thời.
Tần số 125KHz tuân theo chuẩn ISO/IEC Tuân theo các chuẩn ISO15693,
18000-2.
ISO14443(A/B) , ISO/IEC18000-3.
Phạm vi ứng ụng nhỏ.
Phạm vi ứng dụng lớn.
o Điều khiển truy nhập cá nhân
o Thẻ thông minh
o Theo dõi động vật
o Điều khiển truy nhập
o Giám sát xe cộ
o Kiểm soát sách trong thư viện
o Xác thực sản phẩm
o Kiểm sốt hành lý tại sân bay
o Duy trì thu thập dữ liệu
Bảng so sánh công nghệ RFID ở tần số 125KHz và 13,56MHz
22
Thiết kế hệ thống tự động quản lý sinh viên kết nối với đầu đọc RFID
2.4. Hệ thống RFID ở tần số 13,56MHz
2.4.1. Thẻ
Mỗi thẻ RFID có một mã nhận dạng duy nhất và có thể kèm theo bộ nhớ để lưu
trữ thêm dữ liệu. Thẻ RFID thường gồm có 2 thành phần:
-
Vi mạch: Lưu giữ mã nhận dạng hoặc những thông tin khác tùy thuộc
vào loại thẻ.
-
Anten: được gắn với vi mạch truyền thông từ chip đến đầu đọc, Anten
càng lớn phạm vi đọc càng xa.
Hình 2.2: Các thành phần của thẻ
Hai thành phần này được gắn lên trên lớp nền (Substrate) và sau đó được đóng
gói dưới nhiều hình dạng khác nhau tùy thuộc vào kích thước và ứng dụng.
2.4.1.1Phân loại theo nguồn cung cấp cho thẻ
Dựa vào nguồn cung cấp thẻ được chia làm ba loại: thẻ thụ động, thẻ bán thụ
động và thẻ tích cực.
-
Thẻ thụ động:
Thẻ thụ động là loại thẻ khơng có nguồn cung cấp bên trong. Nó hoạt động nhờ
năng lượng sóng vơ tuyến cảm ứng thu được qua anten mà không cần nguồn nuôi
-
Thẻ bán thụ động.
Thẻ bán thụ động rất giống với thẻ thụ động trừ chi tiết nó có thêm nguồn năng
lượng bên trong (chẳng hạn như pin) nên nó còn được gọi là thẻ hỗ trợ pin. Loại pin
23
