Tóm tắt Đồ án tốt nghiệp Công nghệ kỹ thuật điện tử và truyền thông: Nghiên cứu và thiết kế cửa thông minh điều khiển bằng thẻ từ RFID

NG

O

O

N

NG N
N

Ệ

H

NGH

I

H N

ỆN TỬ VIỄN THƠNG

TĨM TẮT Ồ ÁN TỐT NGHIỆP
NGÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT
ỆN TỬ - TRUYỀN THÔNG

Ề
NGHIÊN CỨU VÀ THIẾT KẾ CỬA THÔNG MINH
ỀU KHIỂN BẰNG THẺ TỪ RFID

SVTH

: Lê Văn

ịa

Lớp

: CCVT15A

Niên khóa

: 2015 - 2018

CBHD

: TS. Nguyễn Vũ nh Quang

Nẵng , tháng 6 năm 2018


-1PHẦN MỞ ẦU
1. Lý do chọn đề tài
Ngày nay tự động hóa và bảo mật ngày càng được ứng dụng
nhiều và đặc biệt nền cơng nghệ tự động hóa nhận dạng đang trở
nên phổ biến trong đời sống củng như trong công nghiệp.

iều

này đã thôi thúc các nhà thiết kế, chế tạo ra những sản phẩm đáp

ứng những tiện nghi, thơng minh đó. Một trong số đó cần kể tới là
cửa thơng minh. ới các nước phát triển thì nó được sử dụng rộng
rãi và phổ biến, còn ở các nước đang phát triển trong đó có

iệt

Nam thì đang có xu hướng tìm cho mình tiện nghi thơng minh đó.
ì vậy em chọn đề tài “Nghiên cứu và thiết kế cửa thơng minh
điều khiển bằng thẻ từ RFID”.
ới mục đích góp phần nhỏ vào việc giới thiệu về cơng nghệ
FID tới mọi người và thiết kế một mơ hình thưc tế của công
nghệ FID.
2. Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu.
- Mục tiêu: Nghiên cứu và thiết kế cửa thông minh điều
khiển bằng thẻ từ FID.
- Nhiệm vụ nghiên cứu: tìm hiểu thị trường cửa tự động và
báo động để hoàn thành sản phẩm mở cửa tự động.
3. ối tƣợng và phạm vi nghiên cứu.
- ối tượng:

+ ìm hiểu cơng nghệ FID.
+ ìm hiểu mơ hình cửa thơng minh.
+

ác thành phần và hệ thống điều khiển

của mơ hình.
-

Phạm vi nghiên cứu:

+ Nghiên cứu lý thuyết công nghệ FID.
+ Nghiên cứu lý thuyết thẻ FID.


-2+ Nghiên cứu lý thuyết bộ đọc FID.
+ hiết kế thi công module

FID giao tiếp

giữ vi điều khiển với máy tính.
4. Phƣơng pháp nghiên cứu.
- Kết hợp giữa nghiên cứu lý thuyết và mơ hình thực tế để
làm rõ nội dung đề tài. ụ thể như sau:
+ hu thập, phân tích các tài liệu và thơng tin liên quan đến
đề tài.
+ ận dụng những kiến thức cơ bản đã học về điện tử truyền
thơng.
+ ìm hiểu qua tài liệu internet và sách báo và nhu cầu đời
sống xã hội.
+ Sử dụng phần mềm chuyên dụng (arduino IDE) để thực
hiện viết code và nạp code.
+ ìm hiểu các đồ án có đề tài liên quan.
+ Sử dụng các phần mềm vẽ mơ phỏng và lập trình.
5. Dự kiến kết quả.
- Hồn thành sản phẩm đúng như lý thuyết trình bày và hoạt
động được.
-

ác kết quả quá trình thực hiện, đánh giá chất lượng hệ

thống.
6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn.
-

ề tài giúp người nghiên cứu có được kiến thức nền tảng

về công nghệ FID.
- ừ lý thuyết và kết quả nghiên cứu, người nghiên cứu có
thể phát triển ý tưởng để xây dựng những mơ hình cửa thơng minh
thực tế có tính ứng dụng cao.


-3bằng thẻ từ
tiễn.

ề tài “nghiên cứu và thiết kế cửa thơng minh điều khiển
FID” mang tính thực tế và dễ dàng áp dụng vào thực


-4LỜ NÓ

ẦU

Ngày nay, với sự phát triển mạnh mẽ của khoa học kỹ thuật.
ặc biệt trong lĩnh vực tự động hóa đã tạo nên một động lực thúc
đẩy và phát triển các ngành công nghiệp khác nhằm phục vụ và đáp
ứng được nhu cầu của con người trong cuộc sống. on người với sự
trợ giúp của máy móc, những cơng cụ thông minh đã không phải trực
tiếp làm việc, hay những công việc mà con người không thể làm
được với khả năng của minh mà chỉ việc điều khiển chúng hay chúng

làm việc hoàn toàn tự động đã mang lại những lợi ích hết sức to lớn,
giảm nhẹ và tối ưu hóa cơng việc. Với sự tiến bộ này đã đáp ứng
được những nhu cầu của con người trong cuộc sống hiện đại nói
chung và trong sự phát triển của khoa học kỹ thuật nói riêng.
ối với những sinh viên điện tử viễn thơng chúng ta thì việc
nghiên cứu, tìm hiểu các đặc tính của cơng nghệ nhận dạng đối tượng
bằng sóng vơ tuyến RFID có ý nghĩa thực tế hết sức quan trọng. Nó
khơng những trang bị cho chúng ta kỹ năng làm việc trong lĩnh vực
điều khiển tự động, điện tử mà còn giúp chúng ta theo kịp với sự
phát triển của khoa học kĩ thuật ngày nay khi tốt nghiệp ra trường.
Sau đây em xin tìm hiểu về cơng nghệ nhận dạng bằng sóng
vơ tuyến FID cũng như thiết kế một ứng dụng thực tế là “Nghiên
cứu và thiết kế cửa thông minh điều khiển bằng thẻ từ FID”. ây là
cơ sở để thiết kế những hệ thống tự động hóa đơn giản, cũng như
phức tạp được ứng dụng rộng rãi trong khoa học và đời sống. Nội
dung báo cáo gồm 3 chương được giới thiệu sơ lược sau đây:
-

hương 1: ổng quan về công nghệ RFID

-

hương 2: Phân tích các khối module trong mạch

-

hương 3: Xây dựng mơ hình thực tế


-5Do kiến thức còn hạn chế, cộng với thời gian tích lũy chưa

nhiều nên đồ án này khơng tránh khỏi thiếu sót và một số nội dung
chưa được chi tiết, mong các thầy cơ giáo góp ý và thơng cảm.


-6ƢƠN

1: ỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ RFID

1.1 CÔNG NGHỆ RFID VÀ Q TRÌNH PHÁT TRIỂN
1.1.1 Giới thiệu về cơng nghệ RFID
Công nghệ RFID (Radio Frequency Identification) cho phép
một thiết bị đọc thông tin chứa trong chip không cần tiếp xúc trực
tiếp ở khoảng cách xa, không thực hiện bất kỳ giao tiếp vật lý nào
hoặc giữa hai vật khơng nhìn thấy. Công nghệ này cho ta phương
pháp truyền, nhận dữ liệu từ một điểm đến một điểm khác.
Kỹ thuật RFID sử dụng truyền thơng khơng dây trong dải tần
sóng vơ tuyến để truyền dữ liệu từ các tag (thẻ) đến các reader (bộ
đọc). Tag có thể được đính kèm hoặc gắn vào đối tượng được nhận
dạng chẳng hạn sản phẩm, hộp hoặc giá kê (pallet). Reader scan dữ
liệu của tag và gửi thơng tin đến cơ sở dữ liệu có lưu trữ dữ liệu của
tag. Ví dụ: các tag 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 tuyến đường.
1.1.2 Lịch sử và quá trình phát triển
- Năm 1897: Guglielmo Marconi phát hiện ra sóng radio, tạo
nền tảng để phát triển RFID.
- Năm 1937: phòng thử nghiệm nghiên cứu Naval U.S phát
triển hệ thống xác định Friend – or – Foe (IFF) cho phép những đối
tượng thuộc về quân ta với quân địch.
- Trong suốt thập niên 50: chủ yếu dùng trong quân đội,

phòng LAB nghiên cứu, doanh nghiệp lớn và những thiết bị này có
giá rất cao và kích thước lớn.


-71.2 THÀNH PHẦN CỦA MỘT HỆ THỐNG RFID

Hình 1.1 Sơ đồ khối của một hệ thống RFID
Một hệ thống RFID là một tập hợp các thành phần mà nó
thực thi giải pháp RFID. Một hệ thống RFID bao gồm các thành
phần sau:
- Thẻ (Tags)
- ầu đọc (Reader)
- Ăngten ( ntena)
- Mạch điều khiển (Controller)
- Cảm biến (sensor), cơ cấu chấp hành (actuator) và bảng
tín hiệu điện báo (annunciator)
- Máy chủ và hệ thống phần mềm
- ơ sở hạ tầng truyền thơng
1.2.1 Thẻ RFID (Tag)
Thẻ RFID là một thiết bị có thể lưu trữ và truyền dữ liệu đến
một Reader trong một mơi trường khơng tiếp xúc bằng sóng vơ
tuyến. Thẻ RFID mang dữ liệu về một vật, một sản phẩm (item) nào
đó và gắn lên sản phẩm đó. Mỗi Tag có các bộ phận lưu trữ dữ liệu
bên trong và cách giao tiếp với dữ liệu đó.


-81.2.1.1. Dung lượng của thẻ RFID
Dung lượng thông tin của thẻ RFID có thể lưu trữ được phụ
thuộc nhà cung cấp và loại ứng dụng, thơng thường nó có thể mạng
thông tin không lớn hơn 2Kb- đủ để lưu trữ dữ liệu về đối tượng nằm

trong diện cần quản lý.

ác cơng ty đáng nỗ lực tìm kiếm sử dụng

thẻ đơn giản 96 bit các số thứ tự riêng, các chip này đơn giản, dễ chế
tạo và rẻ, thuận tiện cho các ứng dụng cần đóng gói.
1.2.1.2. Các thành phần cơ bản của một thẻ RFID
- Antenna
- Vi mạch (CPU)

Hình 1.2 Sơ đồ khối chip CPU trong thẻ RFID
- Bộ điều khiển nguồn
- Bộ điều chế / giải điều chế
- ơn vị Logic
- Bộ nhớ
1.2.1.3. Hình dạng và kích thước thẻ
Thẻ RFID có nhiều kiến trúc và định dạng khác nhau chẳng
hạn như là loại nhãn, loại card, loại đồng xu, loại hình que v.v..., phụ
thuộc và các ứng dụng và mơi trường mà thẻ loại nào được sử dụng,
nó có thể nhỏ như là 1 cái que rất ngắn và có thể mỏng như 1 tờ giấy.
Sự tiến bộ của kỹ thuật cho phép kích thước của vi mạch nhỏ đến


-9mức nhỏ hơn hạt cát. uy nhiên kích thước của thẻ khơng xác định
bởi kích thước của vi mạch mà bởi chiều dài antenna của nó.

Hình 1.3 Một số hình dạng của thẻ RFID
1.2.1.4. Tần số hoạt động
Bảng 1.1 Khoảng tần số RFID
Tên

Khoảng tần
số

LF

30300 kHz

HF

300 MHz

UHF
Vi sóng
(microware)

300 Mhz-3
Ghz
> 3 Ghz

Tần số ISM
< 135 kHz
6.78 Mhz, 13.56 Mhz, 27.125 Mhz,
40.680 Mhz
433.920 Mhz, 869 Mhz, 915 Mhz
2.45 Ghz, 5.8 Ghz, 24.125 Ghz


-102. 1.4.1. Khoảng đọc của thẻ
Bảng 1.2 Khoảng đọc của tần số

Khoảng cánh đọc
Tần số

Các ứng dụng

lớn nhất của Tag
thụ động

Xác định thú ni và những

LF

50cm

HF

3m

Cổng vào các tịa nhà

UHF

9m

Hộp hoặc kệ

> 10m

Phân loại xe hơi

Vi sóng
(microware)

item đọc ở khoảng cách gần.

2. 1.4.2. Phân loại thẻ
Thẻ gồm có 2 phần chính:
Chip
Antenna
* Phân loại thẻ RFID dựa trên nguồn cung cấp cho thẻ
- Passive tag (tag thụ động):

Hình 1.4 Thẻ thụ động


-11- Active tag (tag tích cực):

Hình 1.5 Thẻ tích cực
-

Thẻ bán tích cực (Semi-active, cịn gọi là bán thụ
động semi-passive)

* Phân loại thẻ RFID dựa trên khả năng hỗ trợ ghi chép
dữ liệu
 Thẻ read only (RO)
 Thẻ write once, read many (WORM)
 Thẻ read write (RW)
2. 1.4.3. Lựa chọn thẻ phụ thuộc vào yếu tố sau
Dải đọc yêu cầu

Chất liệu và đóng gói
Hệ số kích thước
Chấp nhận các chuẩn
Chi phí


-121.2.2. Đầu đọc (READER)

Hình 1.6 Vai trị của đầu đọc RFID theo nguyên lí chủ tớ
1.2.2.1. Các thành phần vật lý của một Reader RFID

Hình 1.7 Các thành phần của một Reader
- Máy phát (Transmitter)
- Máy thu (Receiver)
-Vi mạch (Microprocessor)
- Bộ nhớ
-

ênh v o/ra đối với các cảm biến, cơ cấu truyền động

đầu từ, bảng tín hiệu điện báo bên ngồi
- Mạch điều khiển (có thể nó đƣợc đặt ở bên ngồi)
- Mạch truyền thơng
- Nguồn năng lƣợng
1.2.2.2. Phân loại READER
* Phân loại theo giao diện của Reader


-13Serial Reader (Reader nối tiếp)
Network Reader (Reader hệ thống)

* Phân loại dựa trên tính chuyển động của Reader:
- Cố định một chỗ (stationary).
- Cầm tay (hand-held).
1.2.3. Phương thức làm việc của RFID

Hình 1.8 Hoạt động giữa tag và reader RFID
1.2.4. Các ứng dụng RFID
FID được ứng dụng trong các lĩnh vực:
- Bảo mật, an ninh:
+ iều khiển truy nhập: Khóa và các thiết bị cố định
+ Quy trình quản lý
+ Chống trộm: trong việc kinh doanh mua bán.
+ RFID trong việc xử phạt
- Giám sát:
+ Dây chuyền cung cấp: điều khiển cung cấp trong các nhà
kho.


-14+ Người hoặc súc vật: vận động viên, trẻ em, bệnh nhân, gia
súc, thú kiểng.
+ Tài sản: hành lý trên máy bay, thiết bị, hàng hóa
- Hệ thống thanh tốn điện tử:
+ Lưu thơng: hệ thống thu phí tự động Fastrak, EZ-pass
+ Vé: vào cổng công viên, nhà hát,…
+ Thẻ tín dụng.
1.2.5. Ưu, nhược điểm của hệ thống RFID
* Ƣu điểm:
* Nhược điểm:
1.3 Kết luận chƣơng
Ở chương này, đã tìm hiểu về nguyên lý hoạt động của công

nghệ RFID, phân loại được loại thẻ và đầu đọc.
Biết được ưu nhược điểm của hệ thống RFID và ứng dụng.


-15ƢƠN

2: P ÂN Í

Á MODULE RON

MẠCH

2.1. Yêu cầu đề tài
Dùng các thiết bị RFID làm các thẻ nhận diện mở cửa. iểm
thuận lợi của thẻ khóa này khó bị dập ép và dể dàng hủy bỏ khi bị
đánh cắp và thất lạc người dùng chỉ cần xóa bỏ thẻ từ cơ sở dữ liệu
truy nhập hoặc tạo ra báo động khi các thẻ này được sử dụng.
2.2. Giải pháp thiết kế
2.2.1. Sơ đồ khối
ể thực hiện được thiết kế và chế tạo hệ thống đóng mở cửa
tự động sử dụng công nghệ FID em đưa ra sơ đồ thiết kế như sau:

Hình 2.1 Sơ đồ khối hệ thống đóng mở cửa tự động dùng thẻ từ
2.2.2. Phân tích chức năng các khối
- Khối cấp nguồn
- Khối RFID CAR
- Khối điều khiển
- Khối hiển thị dữ liệu
- Khối MỞ/ĐÓNG
2.2.3. Nguyên lý hoạt động của hệ thống

Khi muốn mở cửa ta quét thẻ RFID.


-16Khi quét thẻ, thiết bị FID reader phát ra sóng điện từ ở một
tần số nhất định, khi thiết bị RFID tag (thẻ RFID) trong vùng hoạt
động sẽ cảm nhận được sóng điện từ này và thu nhận năng lượng từ
đó phát lại cho thiết bị RFID Reader biết mã số của mình. Từ đó thiết
bị RFID reader nhận biết được tag nào đang trong vùng hoạt động.
Thiết bị RFID reader gửi dữ liệu về bộ vi xử lý:
- Nếu thẻ đúng cho phép mở cửa.
- Nếu thẻ quá tầm quét, sai, hỏng... cho phép quét lại.
2.3. Lựa chọn linh kiện
2.3.1. Khối điều khiển
2.3.1.1. Giới thiệu chung Arduino
2.3.1.2. Bo mạch Arduino Uno R3

Hình 2.2 Arduino UNO R3
Bảng 2.1 Đặc điểm kỹ thuật Arduino Uno R3
i điều khiển

Atmega328 (họ 8bit)

iện áp hoạt động

5V – DC (chỉ được cấp qua cổng USB)

Tần số hoạt động

16 MHz

Dòng tiêu thụ

30mA


-17iện áp vào khuyên
dùng
iện áp vào giới hạn

7-12V – DC
6-20V – DC

Số chân Digital I/O

14 (6 chân PWM)

Số chân Analog

6 (độ phân giải 10bit)

Dòng tối đa trên mỗi
chân I/O

30 mA

Dòng ra tối đa (5 )

500 mA

Dòng ra tối đa (3.3 )

50 mA

Bộ nhớ flash

32 KB (Atmega328) với 0.5KB dùng bởi
bootloader

SRAM

2 KB (Atmega328)

EEPROM

1 KB (Atmega328)

2.3.2. Module RFID RC522
Module RFID RC522 sử dụng IC MFRC522 của Phillip
dùng để đọc và ghi dữ liệu cho thẻ NFC tần số 13.56mhz, với mức
giá rẻ thiết kế nhỏ gọn, module này là sự lựa chọn hàng đầu cho các
ứng dụng về ghi đọc thẻ RFID.


-182.3.2.1. Đặc điểm của module RFID-RC522

Hình 2.3 Module RFID-RC522
- iện áp hoạt động: DC 3.3V 13-26mA.
- Dòng tiêu thụ ở chế độ Stand by: 3.3V; 10-13mA.
- Sleep-mode: < 80uA.
- Tải tối đa: 30m .

- Tần số hoạt động: 13.56Mhz.
- Khoảng cách đọc: 0 – 60mm.
- Giao thức truyền thông: SPI.
- Tốc độ dữ liệu tối đa: 10Mbit / s.
- Kích thước: 40 x 60 mm.
- Nhiệt độ hoạt động: -20 đến 80 ° C.
- ộ ẩm hoạt động: 5% -95%.
- Tốc độ cao SPI: 10Mbit / s.
- Hỗ trợ ISO / IEC 14443A /MIFARE.
- Phụ kiện: móc khóa và thẻ.


-192.3.2.2. Chân kết nối RC522

Hình 2.4 Chân kết nối RC522
Chân kết nối module RFIF RC522:
1: SDA (CS) - Chân lựa chọn chip khi giao tiếp SPI (kích
hoạt ở mức thấp)
2: SCK- Chân xung trong chế độ SPI
3: MOSI (SDI) - Master Data Out - Slave In trong chế độ
giao tiếp SPI
4: MISO (SDO) - Master Data In - Slave Out trong chế độ
giao tiếp SPI
5: IRQ – Chân ngắt
6: GND – Chân mass
7: RST – Chân reset module
8: 3V3


-202.3.3. Động cơ servo

Hình 2.5 Động cơ servo
2.3.3.1. Giới thiệu động cơ servo
Servo là một dạng động cơ điện đặc biệt. Không giống như
động cơ thông thường cứ cắm điện vào là quay liên tục, servo chỉ
quay khi được điều khiển (bằng xung PPM) với góc quay nằm trong
khoảng bất kì từ 0o - 180o. Mỗi loại servo có kích thước, khối lượng
và cấu tạo khác nhau. Có loại thì nặng chỉ 9g (chủ yếu dùng trên máy
bay mơ mình), có loại thì sở hữu một momen lực bá đạo (vài chục
Newton/m), hoặc có loại thì khỏe và nhơng sắc chắc chắn,...
2.3.3.2. Nguyên lý hoạt động của servo
Xung PPM (Pulse Position Modulation) được sử dụng để
điều khiển servo.
ần số thông thường có giá trị trong khoảng 50Hz (20 mili
giây).
hời gian xung ở mức cao chỉ từ 1ms đến 2ms.


-21-

Hình 2.6 Thời gian xung ở mức cao quy định góc quay của RC servo.
ới thời gian 1ms mức cao, góc quay của servo là 0, 1.5ms
góc quay 90 và 2ms góc quay là 180.

ác góc khác từ 0-180 được

xác định trong khoảng thời gian 1 2ms.
2.3.4. LED (Light Emitting Diode)
2.3.5. Còi báo động
2.3.6 Cảm biến ánh sáng

2.3.7 Nguồn Adapter 12V2A
2.4 Kết luận chƣơng
hương này đưa ra các yêu cầu và giải pháp thiết kế mạch
đóng mở cửa tự động bằng RFID. Từ đó có cơ sở để lựa chọn các
linh kiện cần dùng trong quá trình làm đồ án.


-22ƢƠN

3: XÂY DỰNG MƠ HÌNH THỰC TẾ

3.1. Thiết kế phần cứng
Sơ đồ ngun lý

Hình 3.1 Sơ đồ ngun lý
3.2 Mơ phỏng bằng phần mềm
3.2.1 Mơ phỏng bằng phần mềm Fritzing

Hình 3.2 Mô phỏng


-233.2.2 Giao tiếp module RC522 với Arduino UNO R3
Bảng 3.1 Sơ đồ nối chân module RC522 với Arduino
Module RC522

Module Arduino UNO R3

RST

9

SS

10

MOSI

11

MISO

12

SCK

13

GND

GND

3.3V

3.3V

3.2 Kết quả
- ã hoàn thành xong:
+ Cửa đã đóng mở được khi cho quét thẻ đúng.
+ èn sáng khi trời tối và tắt khi trời sáng.
3.3 Mơ hình thực tế

Hình 3.3 Mơ hình thực tế


-24KẾT LUẬN V

ƢỚNG PHÁT TRIỂN

Trong kỹ thuật RFID, mỗi ứng dụng đều có những thách
thức khác nhau. Việc truyền tin đang tăng lên từng ngày trong thế
giới ngày nay. Nhu cầu thu nhận và lưu trữ thêm thơng tin địi hỏi tốc
độ và khả năng lưu trữ cao hơn. Do đó địi hỏi phát triền các chip có
độ nhạy, tầm đọc lớn hơn và khả năng lưu trữ lớn hơn. Bên cạnh đó
cơng nghệ FID đang trở lên phổ biến nhưng giá thành còn cao nên
hướng phát triển thẻ đơn giản, đảm bảo yêu cầu và giá thành hợp lý
cũng là hướng nghiên cứu đáng quan tâm.
- Những vấn đề đã làm được:
+ Tìm hiểu tổng quan về cơng nghệ RFID.
+ Thiết kế và chế tạo mơ hình đóng mở cửa tự động sử dụng
công nghệ RFI.
+ Dùng được cảm biến ánh sáng để tắt mở đèn
- Những tồn tại của đề tài:
+ hưa làm được mạch đếm số người ra vào cửa.
+ Khoảng cách giao tiếp thẻ còn hạn chế.
+ hưa tích hợp được mở khóa bằng mật khẩu.
Trong thời gian tới nếu có cơ hội em sẽ phát triển thêm
những vấn đề chưa làm được như đã nói ở trên và khắc phục những
tồn tại của đề tài, hy vọng có thể ứng dụng cơng nghệ RFID trong
việc thiết kế khóa bảo mật, ứng dụng rộng rãi ngay trong đời sống
hàng ngày chứ không đơn thuần chỉ là trên mơ hình.