Kết hợp kỹ thuật xử lý ảnh và thẻ RFID ứng dụng hệ thống kiểm soát người vào ra cơ quan

MỤC LỤC
Contents
MỤC LỤC .................................................................................................................. 1
DANH MỤC CÁC BẢNG ......................................................................................... 3
DANH MỤC HÌNH ẢNH .......................................................................................... 4
MỞ ĐẦU .................................................................................................................. 10
1. Lý do chọn đề tài .............................................................................................. 10
2. Mục đích nghiên cứu ........................................................................................ 10
2.1 Mục tiêu chung.............................................................................................. 10
2.2 Mục tiêu cụ thể.............................................................................................. 10
3. Đối tượng, phạm vi nghiên cứu ........................................................................ 11
3.1 Đối tượng nghiên cứu: ................................................................................... 11
3.2 Phạm vi nghiên cứu: ...................................................................................... 11
4. Phương pháp nghiên cứu ................................................................................. 11
5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn đề tài................................................................ 12
6. Bố cục đề tài ...................................................................................................... 12
CHƯƠNG 1.............................................................................................................. 13
NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN ................................................................................ 13
1.1. Bài toán kiểm soát người vào ra trong cơ quan ........................................... 13
1.2. Phương pháp nhận dạng ID thông qua thẻ RFID ........................................ 13
1.2.1 RFID là gì? ................................................................................................. 13
1.2.2 Lịch sử hình thành thẻ RFID ...................................................................... 14
1.2.3 Các thành phần của một hệ thống RFID ..................................................... 14
1.2.4 Nguyên lý hoạt động của thẻ RFID............................................................. 17
1.2.5 Các dải tần số hoạt động của hệ thống RFID .............................................. 17
1.2.6 Các chuẩn kết nối có liên quan ................................................................... 18
1.2.7 Mạch phát triển Arduino Uno R3 ............................................................... 20
1.2.8 Thiết bị đọc thẻ RFID-RC522 .................................................................... 26
1.3. Các kỹ thuật xử lý ảnh, nhận dạng đối tượng .............................................. 27
1.3.1 Giới thiệu ................................................................................................... 27
1.3.2 Một số bộ lọc.............................................................................................. 28

1.3.3 Nhận dạng .................................................................................................. 31
1.3.4 Máy học SVM ............................................................................................ 31
CHƯƠNG 2.............................................................................................................. 37
1


PHÂN TÍCH THIẾT KẾ HỆ THỐNG ................................................................... 37
2.1. Đề xuất giải pháp sử dụng thẻ RFID ............................................................ 37
2.1.1 Mơ hình giải pháp nhận dạng thẻ RFID ...................................................... 37
2.1.2 Phân tích giải pháp nhận dạng thẻ RFID .................................................... 37
2.2. Đề xuất giải pháp nhận dạng khuôn mặt nhân viên .................................... 38
2.2.1 Mơ hình giải pháp nhận dạng khn mặt .................................................... 38
2.2.2 Phân tích giải pháp nhận dạng khn mặt ................................................... 38
2.3. Giải pháp kết hợp kỹ thuật nhận dạng khuôn mặt và thẻ RFID ................ 39
2.3.1 Mơ hình chung ........................................................................................... 39
2.3.2 Các khối chức năng .................................................................................... 39
2.3.3 Phân tích thiết kế chức năng ....................................................................... 40
2.3.4 CSDL hệ thống kiểm soát người vào ra cơ quan ......................................... 44
CHƯƠNG 3.............................................................................................................. 47
XÂY DỰNG MÔ HÌNH VÀ THỰC NGHIỆM ...................................................... 47
3.1. Xây dựng cơ sở dữ liệu quản lý thông tin vào ra cơ quan ........................... 47
3.1.1 CSDL thông tin nhân viên .......................................................................... 47
3.1.2 CSDL ảnh khuôn mặt nhân viên ................................................................. 47
3.2. Lắp đặt mô hình thực nghiệm ....................................................................... 48
3.3 Các module hệ thống ...................................................................................... 49
3.3.1 Module thêm thông tin nhân viên ............................................................... 49
3.3.2 Module xóa và tìm kiếm thơng tin nhân viên .............................................. 50
3.3.3 Module xem thông tin ................................................................................ 52
3.3.4 Module trạng thái hoạt động ....................................................................... 53
3.4 Đánh giá kết quả thử nghiệm hệ thống .......................................................... 54

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ................................................................................. 56
TÀI LIỆU THAM KHẢO ....................................................................................... 57

2


DANH MỤC CÁC BẢNG
Số bảng

Tên bảng

Trang

Bảng 1.1

Các tần số hoạt động của RFID

17

Bảng 1.2

Thông tin chi tiết của Arduino Uno R3

23

Bảng 2.1

Kịch bản quản lý user

42

Bảng 2.2

Kịch bản xây dựng cơ sở dữ liệu

43

Bảng 2.3

Kịch bản đối chiếu

45

Bảng 2.4

Nhanvien

47

Bảng 2.5

Trangthaihoatdong

48

Bảng 3.1

Kết quả quá trình thử nghiệm hệ thống RFID

56

Bảng 3.2

Kết quả q trình thử nghiệm hệ thống nhận

57

dạng khn mặt

3


DANH MỤC HÌNH ẢNH
Số bảng

Tên bảng

Trang

Hình 1.1

Thiết bị TSL’s 1128 Bluetooth UHF RFID

15

Hình 1.2

Reader SL500

15

Hình 1.3

Thiết bị đọc MFRC522

15

Hình 1.4

Các loại thẻ RFID thường gặp

16

Hình 1.5

Nguyên lý hoạt động của một hệ thống RFID

17

Hình 1.6

Các chuẩn chân cắm USB

19

Hình 1.7

Truyền dữ liệu SPI

21

Hình 1.8

Các bo mạch ArduinoMạch phát triển Arduino R3

22

Hình 1.9

Cái khối chính của mạch Arduino Uno

22

Hình 1.10

Atmega 328 và sơ đồ chân kết nối

24

Hình 1.11

Các chân cắm của ArduinoUno R3

25

Hình 1.12

Arduino IDE

26

Hình 1.13

Thiết bị đọc RFID-RC522

27

Hình 1.14

Sơ đồ khối của RFID-RC522

28

Hình 1.15

Các bước cơ bản trong một hệ thống xử lý ảnh

29

Hình 1.16

Biểu diễn phân lớp dựa trên thuật tốn SVM [5]

33

Hình 1.17

Siêu phẳng phân chia dữ liệu tốt có khoảng cách lề

34

xa nhất [4,5]
Hình 1.18

Trường hợp dữ liệu có thể phân chia tuyến tính

34

Hình 1.19

Mơ tả trường hợp dữ liệu khơng phân chia tuyến tính

35

Hình 1.20

Dữ liệu được phân lớp bởi hàm nhân

37

Hình 2.1

Mơ hình giải pháp nhận dạng thẻ RFID

38

Hình 2.2

Mơ hình giải pháp nhận dạng khn mặt

39

Hình 2.3

Mơ hình kết hợp kỹ thuật nhận dạng khn mặt và

40

thẻ RFID
Hình 2.4

Mơ hình chức năng hệ thống

41

Hình 2.5

Biểu đồ tuần tự của chức năng quản lý user

42

4


Hình 2.6

Biểu đồ tuần tự của chức năng xây dựng CSDL

44

Hình 2.7

Biểu đồ tuần tự của chức năng đối chiếu

45

Hình 3.1

CSDL thơng tin nhân viên

48

Hình 3.2

CSDL ảnh khn mặt nhân viên

49

Hình 3.3

Mơ hình thực nghiệm

49

Hình 3.4

Module thêm thơng tin nhân viên

50

Hình 3.5

Module xóa và tìm kiếm thơng tin nhân viên

51

Hình 3.6

Module xem thơng tin

53

Hình 3.7

Module trạng thái hoạt động

54

5


TRƯỜNG ĐẠI HỌC QUẢNG BÌNH

THƠNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI NCKH CỦA SINH VIÊN
Năm học: 2017 - 2018
1. Thông tin chung:
- Tên đề tài: Kết hợp kỹ thuật xử lý ảnh và thẻ RFID ứng dụng hệ thống kiểm soát
người vào ra cơ quan
- Sinh viên thực hiện: Đặng Văn Đạt
Nguyễn Văn Nhân

Phonmelar Tanvongphap
- Lớp: ĐH Công nghệ thông tin K56

Khoa: KT - CNTT Năm thứ: 4

- Người hướng dẫn: TS. Hoàng Văn Dũng
2. Mục tiêu đề tài:
- Nghiên cứu các kỹ thuật xử lý ảnh, thẻ RFID, trí tuệ nhân tạo và máy học
- Xây dựng hệ thống kiểm soát người vào ra cơ quan
3. Kết quả nghiên cứu:
- Xây dựng được chương trình thực nghiệm mơ hình hệ thống kiểm sốt người vào ra
cơ quan dựa trên kỹ thuật xử lý ảnh và thẻ RFID.
- Thực hiện được q trình thử nghiệm đánh giá tính khả thi của giải pháp
4. Tính mới và sáng tạo:
- Tính mới và sáng tạo của đề tài là sự kết hợp hai giải pháp nhận dạng khuôn mặt và
nhận dạng thẻ RFID. Mang lại độ tin cậy, an toàn cao hơn so với các hệ thống kiểm soát
người sử dụng nhận dạng vân tay, thẻ từ…Bằng việc xác thực hai yếu tố là mã số bên
trong thẻ RFID và đặc trưng khuôn mặt của mỗi nhân viên giúp giải quyết bài toán đánh
cắp thẻ RFID để ra vào cơ quan. Các dữ liệu thu thập được qua 2 bước định danh bằng
thẻ RFID và hình ảnh khn mặt từ camera được phân tích và cập nhật vào hệ quản trị
cơ sở dữ liệu một cách tự động. Tạo ra được sự linh hoạt, đồng bộ trong quá trình vận
hành và hướng đến ứng dụng trong thực tế sau này
5. Đóng góp về mặt kinh tế - xã hội, giáo dục và đào tạo, an ninh, quốc phòng và
khả năng áp dụng của đề tài:
6


- Mơ hình hệ thống kiểm sốt người vào ra cơ quan có khả năng ứng dụng cao trong
thực tế, đáp ứng các yêu cầu về đảm bảo an ninh cũng như kiểm sốt tốt thơng tin đối
tượng trong một cơ quan.

- Cung cấp cho các cơ quan doanh nghiệp một hệ thống kiểm sốt an ninh an tồn và
hiện đại.
6. Công bố khoa học của sinh viên từ kết quả nghiên cứu của đề tài (ghi rõ tên tạp
chí nếu có) hoặc nhận xét, đánh giá của cơ sở đã áp dụng các kết quả nghiên cứu (nếu
có):

Ngày

tháng

năm

Sinh viên chịu trách nhiệm chính
(ký, họ và tên)

Nhận xét của giảng viên hướng dẫn về những đóng góp khoa học
của sinh viên thực hiện đề tài:

Ngày
Trưởng khoa

tháng

năm

Giảng viên hướng dẫn

7

TRƯỜNG ĐẠI HỌC QUẢNG BÌNH

THƠNG TIN VỀ SINH VIÊN
CHỊU TRÁCH NHIỆM CHÍNH THỰC HIỆN ĐỀ TÀI

I. SƠ LƯỢC VỀ SINH VIÊN:

Ảnh 4x6

Họ và tên: Đặng Văn Đạt
Sinh ngày: 06 - 06 - 1996
Nơi sinh: Đức Ninh, Đồng Hới, Quảng Bình
Ngành học: Cơng nghệ thơng tin

Lớp: ĐH CNTT

Khóa: 56

Khoa: Kỹ thuật - Công nghệ thông tin
Địa chỉ liên hệ: Đức Ninh, Đồng Hới, Quảng Bình
Điện thoại: 01206022148

Email:

II. Q TRÌNH HỌC TẬP:

* Năm thứ 1:
Ngành học: Công nghệ thông tin Khoa: Kỹ thuật - Công nghệ thông tin
Kết quả xếp loại học tập: Khá
Sơ lược thành tích:

* Năm thứ 2:
Ngành học: Công nghệ thông tin Khoa: Kỹ thuật - Công nghệ thông tin
Kết quả xếp loại học tập: Khá
Sơ lược thành tích:
* Năm thứ 3:
Ngành học: Cơng nghệ thơng tin Khoa: Kỹ thuật - Công nghệ thông tin
Kết quả xếp loại học tập: Giỏi
Sơ lược thành tích:
- Giải khuyến khích hội thi sáng tạo khoa học kỹ thuật tỉnh Quảng Bình
8


- Giải 3 vòng thi sơ khảo khu vực miền Trung cuộc thi quốc gia sinh viên với an
tồn thơng tin 2017
Ngày 11 tháng 11 năm 2017
Xác nhận của khoa

Sinh viên chịu trách nhiệm chính
thực hiện đề tài
(ký, họ và tên)

9


MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
-

Cùng với sự phát triển của trí tuệ nhân tạo, khoa học cơng nghệ và cuộc cách

mạng công nghiệp 4.0, việc ứng dụng các hệ thống thông minh cũng như các công
nghệ kỹ thuật cao phục vụ cuộc sống ngày càng phổ biến. Một hệ thống thơng
minh sẽ mang lại nhiều lợi ích trong tự động hóa cơng việc, tối đa hóa thời gian
cũng như tăng năng suất lao động của con người.
-

Việc xây dựng và lắp đặt hệ thống thông minh quản lý nhân viên, người giao

dịch vào ra cơ quan, công ty hay ngân hàng sẽ đảm bảo yêu cầu cao trong việc giữ
gìn tốt an ninh, quản lý số người ra vào hằng ngày hay có nhu cầu về việc quản lý
nhân viên thì hệ thống quản lý thơng minh là một sự chọn lựa tối ưu, đáp ứng hầu
hết các yêu cầu quan trọng hiện nay.
-

Hiện nay đã có một số công ty, nhà khoa học nghiên cứu và ứng dụng một số

hệ thống thông minh vào các cơ quan, cơng ty hay ngân hàng nhưng các hệ thống
đó đang cịn hạn chế do khơng đồng bộ hóa về dữ liệu, chưa tích hợp các tính năng
trong kiểm tra, giám sát, đảm bảo tính an tồn bảo mật và tiện dụng hoặc có sản
phẩm giá thành cao, các đơn vị sử dụng chưa làm chủ được cơng nghệ, khó phát
triển mở rộng hệ thống vì phụ thuộc vào nhà cung cấp dịch vụ. Từ thực tế đó, nhóm
nghiên cứu đã chọn đề tài “Kết hợp kỹ thuật xử lý ảnh và thẻ RFID ứng dụng hệ
thống kiểm soát người vào ra cơ quan” làm đề tài nghiên cứu. Kết quả nghiên cứu
sẽ giúp chủ động trong việc nắm vững, làm chủ cơng nghệ từ đó tạo ra một hệ
thống thơng minh, an tồn và chính xác.
2. Mục đích nghiên cứu
2.1 Mục tiêu chung
-

Nghiên cứu các kỹ thuật xử lý ảnh, thẻ RFID, trí tuệ nhân tạo và máy học

-

Xây dựng hệ thống kiểm soát người vào ra cơ quan

2.2 Mục tiêu cụ thể
-

Nghiên cứu các kỹ thuật xử lý ảnh , thẻ RFID và trí tuệ nhân tạo để xây dựng

hệ thống kiểm sốt người và ra cơ quan, cơng ty hay ngân hàng đạt hiệu quả cao.
Tạo ra sự tiện ích, tối ưu và tiết kiệm nhất cho các cơ quan, công ty hay ngân hàng
10


nhằm hướng tới người dùng phổ thông và tránh yếu tố phức tạp khi đưa ra thực
tiễn.
-

Lắp đặt hệ thống thử nghiệm kiểm soát người vào ra cơ quan: sử dụng kỹ thuật

xử lý thẻ RFID để kiểm tra xác định thông tin của đối tượng trên mỗi thẻ RFID,
đồng thời sử dụng kỹ thuật xử lý nhận dạng khuôn mặt đối tượng trong ảnh được
lấy từ camera giám sát được đặt ở vị trí đối diện lối ra vào cơ quan, nhằm mục đích
định danh đối tượng. Các dữ liệu thu thập được qua 2 bước định danh bằng thẻ
RFID và hình ảnh khn mặt từ camera được phân tích và cập nhật vào hệ quản
trị cơ sở dữ liệu một cách tự động. Tạo ra được sự linh hoạt, đồng bộ trong quá
trình vận hành và hướng đến ứng dụng trong thực tế sau này.
3. Đối tượng, phạm vi nghiên cứu
3.1 Đối tượng nghiên cứu:

-

Đối tượng nghiên cứu của đề tài là kỹ thuật nhận dạng và xử lý ảnh, xử lý thẻ

RFID, quản trị cơ sở dữ liệu.
3.2 Phạm vi nghiên cứu:
- Phạm vi nghiên cứu trong một cơ quan, giới hạn ở mức độ thực nghiệm tạo hệ
thống kiểm soát sử dụng thẻ RFID kết hợp xử lý nhận dạng khn mặt để xác minh
danh tín của các nhân viên vào ra cơ quan.
4. Phương pháp nghiên cứu
- Phương pháp tài liệu: Nghiên cứu tài liệu về cấu tạo, nguyên lý hoạt động,
phương pháp lấy tín hiệu, đọc thẻ RFID; các phép lọc, phương pháp học máy, các
thuật tốn tìm kiếm và so khớp mẫu trong nhận dạng xử lý ảnh; ngơn ngữ lập trình
C/C++. Các tài liệu về nhận dạng và xử lý ảnh và tài liệu liên quan đến một số
nghiên cứu khác.
- Phương pháp thực nghiệm: Sử dụng kỹ thuật xử lý nhận dạng thẻ RFID, xây
dựng cơ sở dữ liệu SQL sever quản lý thông tin. Xây dựng cơ sở dữ liệu huấn luyện
nhận dạng khuôn mặt, sử dụng các kỹ thuật nhận dạng và xử lý ảnh để nhận biết
được đối tượng vào ra cơ quan. Xây dựng hệ thống dựa trên ngơn ngữ lập trình C/
C++, Python và hệ quản trị CSDL SQL Sever.

11


5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn đề tài
-

Mô hình hệ thống kiểm sốt người vào ra cơ quan có khả năng ứng dụng cao

trong thực tế, đáp ứng các yêu cầu về đảm bảo an ninh cũng như kiểm sốt tốt

thơng tin đối tượng trong một cơ quan.
6. Bố cục đề tài
 Đề tài bao gồm 3 chương:
Chương 1. Nghiên cứu tổng quan
- Chương này trình bày các nội dung cơ bản, các kiến thức chuyên môn áp dụng
để giải quyết bài toán quản lý nhân viên vào ra cơ quan
Chương 2. Phân tích thiết kế hệ thống
- Phân tích mơ tả các mơ hình giải pháp nhận dạng khuôn mặt, nhận dạng thẻ
RFID. Nguyên tắc hoạt động của hệ thống kết hợp kỹ thuật nhận dạng khuôn măt
và thẻ RFID trong kiểm soát nhân viên
Chương 3. Xây dựng mơ hình và thực nghiệm
- Chương này mơ tả cơ sở dữ liệu ảnh, thông tin nhân viên, mô hình thực nghiệm
lắp đặt hệ thống kiểm sốt người vào ra cơ quan .

12


CHƯƠNG 1
NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN
1.1. Bài toán kiểm soát người vào ra trong cơ quan
Để giải quyết bài toán kiểm soát người vào ra trong cơ quan cần xác định được
danh tính của từng nhân viên trong cơ quan. So sánh được sự khác biệt giữa nhân
viên – nhân viên, giữa nhân viên – khách,...Kiểm tra rà sốt q trình hoạt động ra
vào của nhân viên trong cơ quan. Nhận biết các đối tượng không phải nhân viên trong
cơ quan. Để làm được điều đó trước tiên cần phân tích các đặc điểm riêng biệt của
nhân viên. Thứ nhất, mỗi nhân viên khi đến cơ quan được trang bị một thẻ RFID
trong mỗi thẻ chứa từng ID riêng biệt cho mỗi nhân viên. Thứ hai, đặc điểm về hình
dạng khn mặt của mỗi nhân viên sẽ có nét khác nhau. Từ hai đặc điểm đó có thể
định hướng cách giải quyết cho bài toán kiểm soát người vào ra một cách tối ưu và
an tồn đó là sử dụng kết hợp nhận dạng khuôn mặt và thẻ RFID

Trên thực tế đã có nhiều giải pháp được đưa ra để giải quyết bài toán kiểm soát
người vào ra trong cơ quan như: nhận dạng dấu vân tay, thẻ từ... Tuy nhiên các giải
pháp trên chưa mang lại được độ tin cậy cao. Hướng giải quyết nhận dạng khuôn mặt
kết hợp với thẻ RFID có thể là cách giải quyết tối ưu cho bài tốn này.
1.2. Phương pháp nhận dạng ID thơng qua thẻ RFID
1.2.1 RFID là gì?
RFID (Radio Frequency Identification) là cơng nghệ nhận dạng đối tượng bằng
sóng vơ tuyến. Cơng nghệ này cho phép nhận biết các đối tượng thông qua hệ thống
thu phát sóng radio, từ đó có thể giám sát, quản lý hoặc lưu vết từng đối tượng. Một
hệ thống RFID thường bao gồm 2 thành phần chính là thẻ tag (chip RFID chứa thông
tin) và đầu đọc (reader) đọc các thông tin trên chip.

13


1.2.2 Lịch sử hình thành thẻ RFID
Năm 1945, Léon Theremin phát minh ra một công cụ gián điệp cho Liên Xơ, thiết
bị truyền lại các sóng vơ tuyến với thơng tin âm thanh. Mặc dù là thiết bị nghe trộm,
nhưng nó được coi như tiền thân của một hệ thống RFID bởi vì ngun lý hoạt động
của nó tương tự với sự tương tác của bộ đọc vả thẻ bị động hiện nay, đều là thẻ nhận
năng lượng từ bộ đọc và phản hồi lại thông tin.
Ngày 23/01/1973, một thiết bị của Mario Cardullo được tạo ra. Nó là hình thức sơ
khai đầu tiên của một thiết bị RFID vì nó là một bộ tiếp sóng âm thanh thụ động với
bộ nhớ. Các bằng sáng chế cơ bản Cardullo bao gồm việc sử dụng RF, âm thanh và
ánh sáng như là phương tiện truyền dẫn. Các kế hoạch trình bày ban đầu để các nhà
đầu tư trong năm 1969 cho thấy sử dụng cơng nghệ này có thể sử dụng trong giao
thông vận tải (nhận dạng ô tô xe, hệ thống thu phí tự động, giấy phép điện tử, xe giám
sát hiệu suất), ngân hàng (sổ sách điện tử, thẻ tín dụng điện tử), an ninh (nhân xác
định, cửa tự động, giám sát) và y tế (xác định, lịch sử của bệnh nhân).
Một cuộc thí nghiệm đầu của các thẻ RFID, cả thụ động và bán thụ động, được

thực hiện bởi Steven Depp, Alfred Koelle, và Robert Frayman tại Phòng thí nghiệm
Quốc gia Los Alamos vào năm 1973. Các hệ sử dụng tần số 915 MHz và sử dụng thẻ
12-bit. Kỹ thuật này được sử dụng bởi phần lớn các UHFID và lị vi sóng RFID tags
ngày nay.
1.2.3 Các thành phần của một hệ thống RFID
Dạng đơn thuần của một hệ thống RFID được tạo nên bởi hai thành phần chính
đó là thiết bị đọc - ghi (Reader/Writer) và thẻ từ (Tag).
Thiết bị đọc - ghi (Reader): là một thiết bị giao tiếp khơng dây, có thể phát hiện
các thẻ tag có cùng tần số hoạt động ở trong một phạm vi nhất định. Chức năng của
thiết bị đọc - ghi là đọc, ghi dữ liệu được lưu trong thẻ từ.

14


Hình 1.1 Thiết bị TSL’s 1128 Bluetooth UHF RFID

Hình 1.3 Thiết bị đọc MFRC522

Hình 1.2 Reader SL500

15


Thẻ từ (Tag): được chia làm hai loại:
+Thẻ chủ động (active) có pin và có khả năng được nhận diện bởi bộ đọc ở khoảng
cách xa hơn. Tuy nhiên vì có thêm nguồn pin nên kích thước của thẻ khá lớn.
+Thẻ bị động (passive) khơng có pin, nguồn năng lượng khi hoạt động là nhờ
thiết bị đọc cung cấp. Ưu điểm của loại thẻ này là có kích thước rất nhỏ gọn.
Cả 2 loại thẻ trên đều được cấu thành từ chip bán dẫn siêu nhỏ để lưu dữ liệu và
ăng ten được thu nhỏ tuỳ theo hình thức đóng gói. Mỗi thẻ khi xuất xưởng được thiết

lập một nhận dạng duy nhất có độ dài từ 32-512 bit. Do vậy khả năng nhận dạng
nhầm lẫn gần như khó có thể xảy ra.

Hình 1.4 Các loại thẻ RFID thường gặp

Tuy nhiên, để tạo nên một hệ thống đầy đủ chúng ta cần có:
16


- Reader
- Thẻ tag
- MCU
- Host Computer
1.2.4 Nguyên lý hoạt động của thẻ RFID

Hình 1.5 Nguyên lý hoạt động của một hệ thống RFID
Thiết bị đọc phát ra sóng điện từ ở tần số nhất định qua ăng ten (đa số các thiết bị
hiện nay đều có ăng ten tích hợp sẵn ngay trên thiết bị, chúng ta không cần lắp thêm),
khi thẻ từ nằm trong vùng phát sóng của thiết bị đọc, nó sẽ nhận được năng lượng và
phát lại chính mã số của mình. Từ đó thiết bị đọc biết chính xác được thiết bị nào
đang nằm trong vùng kiểm soát.
Hầu hết các hệ thống RFID thường bố trí nhiều thiết bị đọc kết nối với một máy
tính trung tâm. Máy tính trung tâm có nhiệm vụ nhận dữ liệu từ thiết bị đọc gửi về,
phân tích, và thực thi các lệnh có liên quan tới dữ liệu được lưu trữ trong thẻ.
1.2.5 Các dải tần số hoạt động của hệ thống RFID
Bảng 1.1 Các tần số hoạt động của RFID
Dải tần số

Khoảng

Tốc độ

Chú thích

cách
Nhận dạng động vật, khố phương
120–150 kHz

10 cm

Chậm

tiện, các ứng dụng trong cơng
nghiệp
Thẻ

13.56 MHz

Tối đa 1 m

Trung bình

thơng minh

(ISO/IEC

15693, ISO/IEC 14443 A,B),
kiểm sốt đồ vật, điều khiển truy
nhập

433 MHz

Tối đa 2 m

Trung bình
17

Ứng dụng trong quốc phòng


865 – 868 MHz
(Châu Âu)
902 – 928 MHz

Tối đa 3 m

Cao

Kiểm soát đồ vật

(Bắc Mĩ)
2450 – 5800 MHz
3.1 – 10 GHz

Tối đa
100m
200 m

Cao

Cao

Ứng dụng trong các ngành công
nghiệp
Ứng dụng trong các ngành cơng
nghệ đặc biệt

1.2.6 Các chuẩn kết nối có liên quan
 Chuẩn USB:
USB (Universal Serial Bus) là một chuẩn kết nối tuần tự đa dụng trong máy tính.
USB sử dụng để kết nối các thiết bị ngoại vi với máy tính, chúng thường được thiết
kế dưới dạng các đầu cắm cho các thiết bị tuân theo chuẩn Plug-And-Play mà với tính
năng cắm nóng thiết bị (nối và ngắt các thiết bị không cần phải khởi động lại hệ
thống).
Đặc trưng:
- Cho phép mở rộng 127 thiết bị kết nối cùng vào một máy tính thơng qua một
cổng USB duy nhất.
- Cáp USB gồm hai sợi nguồn (+5V và dây chung GND) cùng một cặp gồm hai
sợi dây xoắn để mang dữ liệu.
- Trên sợi nguồn, máy tính có thể cấp nguồn lên tới 500mA (2.0) , 1A (3.0) ở điện
áp 5V một chiều (DC).
- Những thiết bị tiêu thụ công suất thấp (ví dụ: chuột, bàn phím, loa máy tính công
suất thấp...) được cung cấp điện năng cho hoạt động trực tiếp từ các cổng USB mà
khơng cần có sự cung cấp nguồn riêng (thậm chí các thiết bị giải trí số như
SmartPhone, PocketPC ngày nay sử dụng các cổng USB để sạc pin). Với các thiết bị
cần sử dụng nguồn công suất lớn (như máy in, máy quét...) không sử dụng nguồn điện
từ đường truyền USB như nguồn chính của chúng, lúc này đường truyền nguồn chỉ
có tác dụng như một sự so sánh mức điện thế của tín hiệu.

18

Hình 1.6 Các chuẩn chân cắm USB
 Chuẩn SPI:
SPI (Serial Peripheral Interface) là một chuẩn truyền thông nối tiếp tốc độ cao do
hãng Motorola đề xuất. Đây là kiểu truyền thơng Master-Slave, trong đó có 1 chip
Master điều phối q trình tuyền thơng và các chip Slaves được điều khiển bởi Master
vì thế truyền thơng chỉ xảy ra giữa Master và Slave. SPI là một cách truyền song công
(full duplex) nghĩa là tại cùng một thời điểm quá trình truyền và nhận có thể xảy ra
đồng thời. SPI đơi khi được gọi là chuẩn truyền thơng “4 dây” vì có 4 đường giao
tiếp trong chuẩn này đó là SCK (Serial Clock), MISO (Master Input Slave Output),
MOSI (Master Ouput Slave Input) và SS (Slave Select).
- SCK: Xung giữ nhịp cho giao tiếp SPI, vì SPI là chuẩn truyền đồng bộ nên
cần 1 đường giữ nhịp, mỗi nhịp trên chân SCK báo 1 bit dữ liệu đến hoặc đi. Đây là
điểm khác biệt với truyền thông không đồng bộ mà chúng ta đã biết trong chuẩn
UART. Sự tồn tại của chân SCK giúp q trình tuyền ít bị lỗi và vì thế tốc độ truyền
của SPI có thể đạt rất cao. Xung nhịp chỉ được tạo ra bởi chip Master.
- MISO– Master Input / Slave Output: nếu là chip Master thì đây là đường
Input cịn nếu là chip Slave thì MISO lại là Output. MISO của Master và các Slaves
đượcnối trực tiếp với nhau.

19


- MOSI – Master Output / Slave Input: nếu là chip Master thì đây là đường
Output cịn nếu là chip Slave thì MOSI là Input. MOSI của Master và các Slaves được
nối trực tiếp với nhau.
- SS – Slave Select: SS là đường chọn Slave cần giap tiếp, trên các chip
Slave đường SS sẽ ở mức cao khi không làm việc. Nếu chip Master kéo đường SS
của một Slave nào đó xuống mức thấp thì việc giao tiếp sẽ xảy ra giữa Master và

Slave đó. Chỉ có 1 đường SS trên mỗi Slave nhưng có thể có nhiều đường điều khiển
SS trên Master, tùy thuộc vào thiết kế của người dùng.
Hoạt động: mỗi chip Master hay Slave có một thanh ghi dữ liệu 8 bits. Cứ mỗi
xung nhịp do Master tạo ra trên đường giữ nhịp SCK, một bit trong thanh ghi dữ liệu
của Master được truyền qua Slave trên đường MOSI, đồng thời một bit trong thanh
ghi dữ liệu của chip Slave cũng được truyền qua Master trên đường MISO. Do 2 gói
dữ liệu trên 2 chip được gởi qua lại đồng thời nên quá trình truyền dữ liệu này được
gọi là “song cơng”.

Hình 1.7 Truyền dữ liệu SPI
1.2.7 Mạch phát triển Arduino Uno R3
1.2.7.1 Giới thiệu chung về Arduino
Mạch phát triển Arduino thế hệ đầu tiên được công bố năm 2006. Nó là cơng cụ
cho sinh viên thực hành của giáo sư Massimo Banzi giảng dạy tại trường Interaction
Design Instistute Ivrea ( nước Ý ).

20


Arduino là một nền tảng mà mọi thiết bị phần cứng đã được làm sẵn và chuẩn hoá,
người dùng chỉ cần lựa chọn những thứ mình cần và lắp ghép lại. Chính vì thế,
Arduino rất thích hợp cho những ai khơng có chun mơn về điện tử nhưng lại u
thích phần cứng – tự động hố.
Tuy nhiên, để Arduino có thể hoạt động được thì chúng ta cần lập trình cho nó.
Ngơn ngữ lập trình được sử dụng là C nhưng được đơn giản hoá đi nhiều để phù hợp
với những người khơng có chun mơn. Sự đơn giản hố của Arduino chính là việc
các phần cứng kết nối được với nó đều có các đoạn lệnh viết sẵn từ nhà sản xuất hoặc
các nhà phát triển để có thể tự do sử dụng theo các mục đích khác nhau.

Hình 1.8 Các bo mạch ArduinoMạch phát triển Arduino R3

Hiện nay, phiên bản Arduino Uno đã được phát triển đến thế hệ thứ 3 (R3).
Sơ đồ các khối

21


Hình 1.9 Cái khối chính của mạch Arduino Uno
- Khối chuyển đổi Serial – USB: giao tiếp COM ảo qua cổng USB, nạp chương
trình.
- Khối nguồn: cân bằng điện áp cho đúng với điện áp yêu cầu, cung cấp nguồn
điện cho toàn hệ thống.
- Các cổng điện áp: cung cấp điện áp đầu ra cho các thiết bị.
- Các cổng Analog in: cổng logic 0-1 vào với mức điện 0-5V tương ứng.
- Khối các cổng Digital in-out: có thể nhận điện áp vào hoặc xuất điện áp ra. Các
cổng này có thể xuất xung PWM.
Bảng 1.2 Thơng tin chi tiết của Arduino Uno R3
Vi điều khiển

ATmega328

Điện áp hoạt động

5V – DC

Tần số hoạt động

16 MHz

Dòng tiêu thụ

30 mA

Điện áp khuyên dùng

7-12V – DC

Điện áp giới hạn

6-20V – DC

Số chân Digital

14 ( 6 chân PWM)

Số chân Analog

6
22


Dòng tối đa mỗi chân I/O

30 mA

Dòng ra tối đa chân 5V

500 mA

Dòng ra tối đa chân 3.3V

50 mA

Bộ nhớ Flash

32KB (0.5 KB sử dụng làm bootloader)

SRAM

2 KB

EEPROM

1 KB

Vi điều khiển
Arduino Uno có thể sử dụng 3 vi kiều khiển họ 8bit là ATmega8, ATmega168,
ATmega328. Điểm khác biệt của 3 vi điều khiển này là dung lượng bộ nhớ Flash.
Trong hệ thống này ta sử dụng ATmega328.

Hình 1.10 Atmega 328 và sơ đồ chân kết nối
Đặc điểm:
- Cấu trúc RISC với khoảng 133 lệnh ASM, hầu hết thực hiện trong một chu
kỳ máy.
- 32 thanh ghi đa năng làm việc như các vùng nhớ tốc độ cao.
- Tốc độ thực hiện lệnh tối đa 16 MIPS (với thạch anh 16MHz, không chia
tần).
- 32KB bộ nhớ Flash, dùng làm bộ nhớ chương trình, cho phép nạp xố.
- 1KBytes EEPROM, dùng để lưu các biến ngay cả khi không được cấp điện.
23

- 2KB SRAM dùng để lưu kết quả trung gian, làm bộ nhớ vào ra và dùng cho
stack.
- Giao diện JTAG, cho phép nạp xoá Flash 10.000 lần, EEPROM 100.000
lần, Fulse Bits, Lock Bits.
- Các chức năng ngoại vi tích hợp sẵn: 2 bộ Timer 8 bits với nhiều chế độ hoạt
động, 2 bộ Timer 16 bits có bộ chia tần riêng, các chế độ đếm, định thời, so sánh
(compare mode) và bắt giữ (capture mode).
- Bộ đồng hồ thời gian thực.
- 2 kênh điều chế độ rộng xung PWM có độ phân giải 8bit.
- 4 kênh điều chế độ rộng xung PWM có độ phân giải 2 đến 16 bits.
- Bộ ADC 10bit.
- Chuẩn giao tiếp TWI (I2C).
- Chuẩn truyền thơng USART.
- Giao diện SPI master/slave.
Các cổng vào ra

Hình 1.11 Các chân cắm của ArduinoUno R3
Arduino UNO có 14 chân digital dùng để đọc hoặc xuất tín hiệu. Chúng chỉ có 2
mức điện áp là 0V và 5V với dòng vào/ra tối đa trên mỗi chân là 40mA. Ở mỗi chân

24


đều có các điện trở pull-up từ được cài đặt ngay trong vi điều khiển ATmega328 (mặc
định thì các điện trở này khơng được kết nối).
Một số chân digital có các chức năng đặc biệt như sau:


2 chân Serial: 0 (RX) và 1 (TX): dùng để gửi (transmit – TX) và nhận (receive –

RX) dữ liệu TTL Serial. Arduino Uno có thể giao tiếp với thiết bị khác thơng qua 2
chân này. Kết nối bluetooth thường thấy nói nơm na chính là kết nối Serial khơng
dây. Nếu khơng cần giao tiếp Serial, bạn không nên sử dụng 2 chân này nếu không
cần thiết


Chân PWM (~): 3, 5, 6, 9, 10, và 11: cho phép bạn xuất ra xung PWM với độ

phân giải 8bit (giá trị từ 0 → 28-1 tương ứng với 0V → 5V) bằng hàm analogWrite().
Nói một cách đơn giản, bạn có thể điều chỉnh được điện áp ra ở chân này từ mức 0V
đến 5V thay vì chỉ cố định ở mức 0V và 5V như những chân khác.


Chân giao tiếp SPI: 10 (SS), 11 (MOSI), 12 (MISO), 13 (SCK). Ngồi các chức

năng thơng thường, 4 chân này còn dùng để truyền phát dữ liệu bằng giao thức SPI
với các thiết bị khác.


LED 13: trên Arduino UNO có 1 đèn led màu cam (kí hiệu chữ L). Khi bấm nút

Reset, bạn sẽ thấy đèn này nhấp nháy để báo hiệu. Nó được nối với chân số 13. Khi
chân này được người dùng sử dụng, LED sẽ sáng.
Arduino UNO có 6 chân analog (A0 → A5) cung cấp độ phân giải tín hiệu 10bit
(0 → 210-1) để đọc giá trị điện áp trong khoảng 0V → 5V. Với chân AREF trên board,
bạn có thể để đưa vào điện áp tham chiếu khi sử dụng các chân analog. Tức là nếu
bạn cấp điện áp 2.5V vào chân này thì bạn có thể dùng các chân analog để đo điện áp
trong khoảng từ 0V → 2.5V với độ phân giải vẫn là 10bit.
1.2.7.2 Lập trình cho Arduino

Để lập trình cũng như gửi lệnh và nhận tín hiệu từ mạch Arduino, nhóm phát triển
dự án này đã cũng cấp đến cho người dùng một mơi trường lập trình Arduino được
gọi là Arduino IDE (Intergrated Development Environment) như hình dưới đây.

25