Đồ án thiết kế khóa điện tử dùng RFID và DS3231 - ĐH Tôn Đức Thắng

Tìm hiểu về đồ án ứng dụng công nghệ RFID kết hợp IC thời gian thực trong hệ thống quản lý. Phân tích ưu điểm, ứng dụng và triển vọng phát triển trong các lĩnh

• Tác giả: Nguyễn Đình Thuần
• Người hướng dẫn: ThS. Trần Thành Nam
• Trường học: Trường Đại học Tôn Đức Thắng
• Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử - Viễn thông
• Đề tài: Khóa điện tử sử dụng RFID
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2022
• Địa điểm: Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng quan về đồ án nhúng RFID kết hợp IC thời gian thực

Đồ án nhúng RFID kết hợp IC thời gian thực là giải pháp công nghệ tiên tiến trong lĩnh vực điều khiển truy cập. Hệ thống sử dụng thẻ RFID để nhận diện người dùng và IC thời gian thực DS1307 để ghi nhận thời gian chính xác. Vi điều khiển PIC16F877A đóng vai trò trung tâm xử lý tín hiệu. Thiết kế bao gồm module RFID MFRC522, module DS1307, màn hình LCD hiển thị và mạch điều khiển rơ le mở cửa. Hệ thống hoạt động bằng cách so sánh ID thẻ RFID với dữ liệu đã lưu, sau đó hiển thị thông tin người dùng kèm thời gian truy cập. Đây là giải pháp hiệu quả cho quản lý ra vào tòa nhà, văn phòng hoặc khu vực hạn chế.

1.1. Nguyên lý hoạt động của hệ thống nhúng RFID

Hệ thống nhúng RFID hoạt động dựa trên nguyên lý truyền nhận sóng vô tuyến giữa đầu đọc và thẻ RFID. Khi thẻ tiến gần đầu đọc, sóng điện từ từ đầu đọc sẽ cung cấp năng lượng cho chip RFID. Chip này sau đó truyền dữ liệu ID về đầu đọc thông qua sóng phản xạ. Vi điều khiển PIC16F877A xử lý tín hiệu nhận được, so sánh với dữ liệu lưu trữ trong bộ nhớ EEPROM. Nếu ID trùng khớp, hệ thống kích hoạt rơ le mở cửa và ghi nhận thời gian truy cập vào IC DS1307. Toàn bộ quá trình diễn ra trong vài mili giây, đảm bảo tốc độ xử lý nhanh chóng.

1.2. Vai trò của IC thời gian thực trong đồ án

IC thời gian thực DS1307 đóng vai trò quan trọng trong việc ghi nhận thời gian truy cập chính xác. Thiết bị này duy trì thời gian ngay cả khi mất điện nhờ pin dự phòng. Nó cung cấp dữ liệu ngày giờ dưới dạng BCD (Binary-Coded Decimal) cho vi điều khiển. DS1307 có khả năng giao tiếp I2C, cho phép kết nối dễ dàng với PIC16F877A. Hệ thống sử dụng dữ liệu thời gian này để ghi lại nhật ký truy cập, bao gồm thời gian vào, thời gian ra và thời gian lưu trú. Thông tin này hữu ích cho quản lý an ninh và kiểm soát truy cập.

II. Phân tích vấn đề trong hệ thống khóa điện tử sử dụng RFID

Việc triển khai hệ thống khóa điện tử bằng RFID gặp nhiều thách thức kỹ thuật. Đầu tiên là vấn đề bảo mật, khi thẻ RFID dễ bị sao chép hoặc tấn công replay. Thứ hai là độ trễ trong xử lý tín hiệu, ảnh hưởng đến trải nghiệm người dùng. Thêm vào đó, việc đồng bộ thời gian giữa các thiết bị cũng là thách thức quan trọng. Hệ thống cần xử lý đồng thời nhiều tác vụ như đọc thẻ, hiển thị, ghi thời gian và điều khiển cơ cấu chấp hành. Việc lựa chọn vi điều khiển phù hợp cũng ảnh hưởng đến hiệu suất tổng thể. Những vấn đề này đòi hỏi giải pháp thiết kế tối ưu để đảm bảo hoạt động ổn định.

2.1. Rủi ro bảo mật trong hệ thống RFID

Bảo mật là mối quan tâm hàng đầu khi triển khai hệ thống RFID. Thẻ RFID có thể bị tấn công skimming (đánh cắp dữ liệu) bằng cách sử dụng đầu đọc giả mạo. Kỹ thuật tấn công replay cho phép kẻ xấu ghi lại tín hiệu từ thẻ hợp lệ và phát lại vào lúc khác. Ngoài ra, thẻ RFID không có cơ chế xác thực hai chiều, khiến chúng dễ bị can thiệp. Để khắc phục, hệ thống nên kết hợp RFID với mã PIN hoặc sinh trắc học. Việc mã hóa dữ liệu truyền tải giữa thẻ và đầu đọc cũng là giải pháp quan trọng.

2.2. Khó khăn trong xử lý thời gian thực

Việc xử lý thời gian thực đòi hỏi hệ thống phải phản hồi trong khoảng thời gian cực ngắn. Vi điều khiển PIC16F877A có tốc độ xử lý hạn chế (20MHz) so với các vi điều khiển hiện đại. Điều này gây ra độ trễ trong việc ghi nhận thời gian truy cập. Ngoài ra, IC DS1307 có độ chính xác khoảng 2ppm, có thể tích lũy sai số sau thời gian dài hoạt động. Hệ thống cần có cơ chế hiệu chỉnh thời gian định kỳ. Việc đồng bộ thời gian giữa nhiều thiết bị trong mạng cũng là thách thức cần giải quyết.

III. Giải pháp thiết kế hệ thống nhúng RFID kết hợp thời gian thực

Giải pháp đề xuất sử dụng kiến trúc hệ thống phân cấp để tối ưu hiệu suất. Vi điều khiển PIC16F877A xử lý chính các tác vụ điều khiển, trong khi IC DS1307 chuyên trách quản lý thời gian. Module RFID MFRC522 được chọn vì tích hợp sẵn giao thức đọc thẻ. Hệ thống sử dụng bộ nhớ EEPROM 24C02 để lưu trữ danh sách ID thẻ hợp lệ. Màn hình LCD 16x2 hiển thị thông tin người dùng và thời gian truy cập. Phần cứng được thiết kế với mạch lọc nhiễu để đảm bảo ổn định. Phần mềm được viết bằng ngôn ngữ C, sử dụng thư viện chuẩn cho vi điều khiển PIC.

3.1. Lựa chọn linh kiện phù hợp

Việc lựa chọn linh kiện ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất hệ thống. Vi điều khiển PIC16F877A được chọn vì tích hợp nhiều ngoại vi như ADC, UART, I2C. Module RFID MFRC522 hỗ trợ chuẩn ISO 14443A/B, tương thích với hầu hết thẻ RFID phổ biến. IC DS1307 cung cấp độ chính xác 2ppm và dung lượng lưu trữ 56 byte. Màn hình LCD 16x2 sử dụng giao diện I2C để tiết kiệm chân vi điều khiển. Rơ le 5V được chọn vì khả năng chịu tải cao, phù hợp cho điều khiển cửa.

3.2. Thuật toán xử lý tín hiệu

Thuật toán xử lý tín hiệu bao gồm ba giai đoạn chính. Đầu tiên là giai đoạn khởi tạo, thiết lập các thông số ban đầu cho vi điều khiển. Giai đoạn thứ hai là vòng lặp chính, liên tục quét thẻ RFID, đọc dữ liệu và so sánh với danh sách lưu trữ. Giai đoạn cuối là xử lý sự kiện, kích hoạt rơ le mở cửa nếu ID hợp lệ. Hệ thống sử dụng cơ chế ngắt để xử lý sự kiện ngoài nhanh chóng. Thời gian truy cập được ghi nhận vào DS1307 ngay sau khi nhận dạng thành công.

IV. Kết luận và ứng dụng thực tiễn của hệ thống

Hệ thống nhúng RFID kết hợp IC thời gian thực mang lại giải pháp quản lý truy cập hiệu quả. Ưu điểm nổi bật là tốc độ xử lý nhanh, độ chính xác cao trong ghi nhận thời gian. Hệ thống có thể mở rộng để quản lý nhiều cửa hoặc tích hợp với hệ thống báo động. Ứng dụng thực tiễn bao gồm quản lý tòa nhà văn phòng, kiểm soát ra vào khu vực hạn chế. Hệ thống cũng hữu ích trong quản lý nhân sự, ghi nhận chấm công chính xác. Việc triển khai thành công đòi hỏi kiến thức chuyên sâu về vi điều khiển, giao tiếp không dây và quản lý thời gian.

4.1. Ưu điểm của giải pháp đề xuất

Giải pháp đề xuất vượt trội ở nhiều khía cạnh so với hệ thống truyền thống. Hiệu suất xử lý cao nhờ kiến trúc hệ thống tối ưu. Độ chính xác thời gian đạt mức miligiây nhờ IC DS1307. Khả năng mở rộng linh hoạt cho phép tích hợp thêm chức năng như ghi hình camera hoặc thông báo qua mạng. Hệ thống có chi phí hợp lý nhờ sử dụng linh kiện phổ thông. Độ tin cậy cao nhờ cơ chế kiểm tra lỗi và khôi phục dữ liệu.

4.2. Hướng phát triển trong tương lai

Hướng phát triển chính là tích hợp trí tuệ nhân tạo để nhận dạng khuôn mặt song song với RFID. Việc sử dụng vi điều khiển mạnh hơn như STM32 sẽ cải thiện đáng kể hiệu suất. Hệ thống có thể kết nối IoT để giám sát từ xa và gửi cảnh báo. Thêm chức năng nhận dạng vân tay sẽ tăng cường bảo mật. Tích hợp module GPS cho phép theo dõi vị trí cửa trong thời gian thực. Việc nâng cấp phần mềm định kỳ sẽ đảm bảo tính bảo mật và ổn định lâu dài.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI 1.1 Giới thiệu về đề tài, tính thực tế và ý nghĩa của chúng Tên đề tài: Khóa điện tử sử dụng module RFID Nhận dạng tần số vô tuyến( RFID) là một công nghệ sử dụng các trường điện từ có tần số vô tuyến để truyền tín hiệu từ thẻ RFID sang đầu đọc RFID cho mục đích nhận dạng. Các thẻ RFID được sử dụng không tốn năng lượng pin, chúng lấy năng lượng từ trường điện từ tạo ra từ đầu đọc RFID. Công nghệ này được áp dụng rất nhiều trong cuộc sống ví dụ như các bãi giữ xe, hệ thống khóa cửa trong các khách sạn … Hệ thống khóa đóng mở cửa dựa trên công nghệ RFID dụng vi điều khiển PIC16F877A là một đồ án cơ bản trong đó việc đóng mở cửa sẽ phụ thuộc vào ID của thẻ RFID. Với sự phát triển của công nghệ, nhu cầu tự động hoá ngày càng được nâng cao.

Vì vậy, các hệ thống khóa truyền thống sử dụng khóa cơ và cơ chế chìa khóa đang dần được thay thế bởi các hệ thống khóa kỹ thuật tiên tiến mới. Một trong những đặc điểm nổi bật của các hệ thống khóa cải tiến này là tính đơn giản, hiệu quả cao và có độ tin cậy lớn.2 Mục đích lựa chọn đề tài Ngày nay thời đại công nghiệp 4.0, các ngành công nghiệp đã và đang phát triển nên việc ứng dụng dần các công nghệ tiến tiến hơn thay thế các công nghệ cũ sẽ giúp đời sống con người tiến lên một bậc mới, tiện lợi hơn. Bản thân em thấy đề tài khá thực tế và cũng dựa trên những kiến thức cơ bản nền tảng để giúp bản thân tiếp cận với IOT nên em quyết định chọn đề tài này làm đồ án nhúng để có thể hiểu hơn về các cách thức hoạt động của hệ thống trong các hầm giữ xe ở trường hay các khách sạn em từng ở dùng thẻ RFID, đồng thời giúp em có nền tảng cơ bản để phát triển cho những đồ án sau này. Khoá điện tử sử dụng RFID Đồ án hệ thống nhúng Trang 2 1.3 Sơ lược về hệ thống và sơ đồ khối của hệ thống 1.1 Sơ lược về hệ thống Hệ thống khóa điện tử của em sẽ bao gồm khối vi điều khiển dùng để điều khiển các thiết bị ngoại vi như đầu đọc RC522, IC thời gian thực DS3231 và điều khiển tải đầu ra thông qua thẻ từ( RFID), Tải đầu ra này là 1 chốt khoá điện( KD-03) và hiển thị các thông tin như người dùng, thời gian ra và đếm số lượng người trong phòng.

Khi ta đưa các thẻ RFID vào đầu đọc, nếu đúng ID thẻ mà em đã lập trình sẳn cho PIC 16F877A thì sẽ hiển thị tên người dùng và thời gian ra vào lên LCD, đồng thời khóa điện tử sẽ đóng mở theo thời gian em lập trình sẳn, khi ta đưa thẻ sai vào đầu đọc sẽ có 2 trường hợp xẩy ra là nếu trong phòng không có người thì sau khi quẹt sai lớn hơn 3 lần thì hệ thống sẽ dừng 10 giây và sau đó tiếp tục cho quẹt tiếp và nếu tiếp tục sai thì hệ thống sẽ tiếp tục dừng 10 giây và cho tới khi nào ta quẹt thẻ đúng, và trường hợp nếu trong phòng có người thì khi ta quẹt sai bao nhiêu lần thì sẽ không tính thời gian chờ như trường hợp trên. Khoá điện tử sử dụng RFID Đồ án hệ thống nhúng Trang 3 1.2 Sơ đồ khối của hệ thống Hình 1 - 1: Sơ đồ khối hệ thống Khối nguồn sẽ cung cấp điện áp cho các linh kiện: PIC16F877A( 5V), RC522( 3. Module đầu đọc thẻ RC522 sẽ là nơi dùng để người dùng quẹt thẻ từ, vi điều khiển PIC sẽ nhận tín hiệu từ đầu đọc và sử lí. Sau khi nhận tín hiệu từ đầu đọc , vi điều khiển sẽ lấy tín hiệu từ IC thời gian thực RC522 và đẩy các kết quả lên LCD.4 Phạm vi nghiên cứu  Khảo sát các vi mạch tích hợp được sử dụng trong đề tài bao gồm sơ đồ chân, thông số.

 số linh kiện , đặc tính linh kiện.  Phần mềm mô phỏng Proteus.  Phần mềm CCS.  Nguyên lý hoạt động của các linh kiện được sử dụng trong mạch.

Khoá điện tử sử dụng RFID Đồ án hệ thống nhúng Trang 4 1.5 Kết quả dự kiến Sau khi cấp nguồn ngoài từ Adapter 12v – 2A cho khối nguồn, thì các linh kiện bắt đầu được cấp nguồn và hoạt động, tất cả sẽ hoạt động bình thường. Khi chưa quẹt thẻ thì màng hình LCD sẽ hiển thị dòng chử “ HỆ THỐNG MỞ CỬA” cho tới khi nhận được tín hiệu từ thẻ từ. Khi nhận được tín hiệu từ thẻ từ, nếu thẻ đúng với thì thông tin người dùng bao gồm họ và tên, mã số sinh viên, thời gian quẹt thẻ và số người trong phòng sẽ hiển thị lên LCD và đồng thời khóa điện tử sẽ đóng mở chốt theo thời gian delay đã lập trình. Nếu mà đầu đọc nhận tín hiệu thẻ sai thì sẽ hiển thị thông báo lên LCD là “ THE KHONG HOP LE”, nếu sai quá 3 lần thì sẽ cấm quẹt lần tiếp theo trong 10 giây.

Khoá điện tử sử dụng RFID Đồ án hệ thống nhúng Trang 5 CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ 2.1 Danh sách linh kiện dùng trong đồ án Bảng 2 - 1: Danh sách linh kiện Danh sách linh kiện Số lượng Adapter 12V – 2A 1 Module LM2596S – 2A 1 IC ổn áp 3.3V AMS1117 1 Chốt khóa điện tử 12V 1 LCD1602 1 PIC 16F877A 1 IC thời gian thực DS3231 1 Đầu đọc thẻ RC522 1 Thẻ từ 3 Mosfet NPN 1 Điện trở 10k Ω 2 Điện trở 330 Ω 1 Điện trở 1K Ω 1 Tụ hóa 10uF 2 Tụ gốm 104 1 Thạch anh 20 Mhz 1 Tụ gốm 22pF 2 Opto quang PC817 1 Biến trở 10K Ω 1 Diode 2n4007 1 Nút bấm 1 Khoá điện tử sử dụng RFID Đồ án hệ thống nhúng Trang 6 2.2 Chức năng của các linh kiện 2.1 Khối nguồn Để thiết kế một khối nguồn cho toàn mạch em dùng những linh kiện sau đây.1 Adapter 12V-2A  Điện áp đầu vào:100~240V- AC, 50/60Hz.  Điện áp đầu ra: 5V-DC.  Dòng điện ngõ ra tối đa: 2A (nếu sử dụng liên tục nên cung cấp ở mức 80% công suất).  Kiểu nguồn: nguồn xung.

 Kiểu giắc ngõ ra: Chuẩn Jack DC tròn Hình 2 - 1: Adapter 12V-2A 5. Nguồn ra của adapter 12V-2A là dạng dòng điện DC 1 chiều thẳng, do đó rất thích hợp để dùng trong đề tài này ,vừa cấp đủ áp cho chốt khóa điện tử và có thể hạ áp xuống để cấp cho các linh kiện khác. Khoá điện tử sử dụng RFID Đồ án hệ thống nhúng Trang 7 2.2 Module giảm áp LM2596S – 2A  Điện áp đầu vào: 4V-35V.  Điện áp đầu ra: 1.

 Dòng đầu ra: 3A (max).  Hiệu suất chuyển đổi: 92% (tối đa)  Tần số hoạt động module hạ áp: 150kHz.  Nhiệt độ hoạt động: -40 ℃ đến + 85 ℃. Hình 2 - 2: Module giảm áp LM2596S – 2A Ở đây, nguồn vào module sẽ lấy từ adapter 12V sau đó vặn biến trở của module và dùng VOM thang 20 để đo điện áp ngỏ ra cho vừa đủ 5V để cấp cho các linh kiện PIC16F877A, LCD1602 và sẽ lấy làm nguồn vào cho IC ổn áp 3.3V AMS1117 Có Chức năng là ổn định điện áp ngõ ra là 3.

Có 3 chân như hình, chân bên trái là điện áp ngỏ vào, chân giữa là đất, chân bên phải là điện áp ngỏ ra. Để IC hoạt động ta cấp nguồn cần ổn định vào đầu ngỏ vào và đất, đầu output là điện áp 3.3V sau khi ổn định. Để IC hoạt động một cách tối ưu thì ta mắc thêm tụ hóa và tụ gốm ở ngỏ vào và ngỏ ra.Ở đây, nguồn vào ta lấy 5V từ module giảm áp ở trên để ổn áp còn 3.3V cấp cho các linh kiện như đầu đọc RC522, DS3231. Hình 2 - 3: IC ổn áp 3.3V AMS1117 Khoá điện tử sử dụng RFID Đồ án hệ thống nhúng Trang 8 2.2 Khối sử lý trung tâm 2.1 Vi điều Khiển là gì Vi điều khiển giống như một máy tính được tích hợp trên một con chip điều khiển thiết bị điện tử.

Nó là một hệ thống nhúng khép kín với các thiết bị ngoại vi, bộ xử lý và bộ nhớ. Nó được sử dụng trong sản xuất các thiết bị điện tử dân dụng khác nhau như điện thoại di động, ô tô, thiết bị LED và nhiệt kế môi trường. Có rất nhiều loại vi điều khiển khác nhau và chúng được phân loại theo các thông số như Bit, dung lượng bộ nhớ RAM, Flash, số lượng cổng input và ouput, … để vi điều khiển có thể cung cấp dữ liệu chính xác.2 Sơ lược về vi điều khiển PIC16F877A Hình 2 - 4: PIC16F877A PIC16F877A là một trong những vi điều khiển nổi tiếng nhất của công ty Microchip. Nó có tổng cộng 40 chân và trong đó có 33 chân input và output.

PIC16F877A cũng có nhiều ứng dụng trong các mạch điện tử kỹ thuật số. Nó được sử dụng trong việc điều khiển các cảm biến từ xa, thiết bị ngoại vi, các thiết bị an ninh và an toàn, tự động hóa gia đình và nhiều công cụ công nghiệp… Khoá điện tử sử dụng RFID Đồ án hệ thống nhúng Trang 9  Nó có thể hoạt động lên đến tần số 20MHz.  Điện áp hoạt động là từ 4,2 volt đến 5,5 volt. Nếu bạn cung cấp cho nó điện áp hơn 5,5 volt, nó có thể bị hư hỏng vĩnh viễn.

 Dòng điện tối đa mỗi PORT vào khoảng 100mA. Do đó, giới hạn hiện tại cho mỗi chân GPIO của PIC16F877A là 10mA.  PIC16F877A không có bộ giao động nội nên ta phải thiết kế riếng cho nó.3 Sơ đồ chân và chức năng của PIC16F877A Như đã đề cập ở phía trên, PIC16F877A gồm 40 chân của IC vi điều khiển này. Nó bao gồm hai bộ đếm định thời 8 bit và một bộ đếm định thời 16 bit.

Hình 2 - 5: Sơ đồ chân PIC16F877A Khoá điện tử sử dụng RFID Đồ án hệ thống nhúng Trang 10 Các chức năng của từng chân: Bảng 2 - 2: Chức năng từng chân của PIC16F877A Chân cắm Chức năng Chân này có chức năng chính là reset lại bộ vi điều khiển. Nó được cấp một điện áp mức cao( 5V) để hoạt động, khi ta PIN 1: MCLR cấp điện áp mức thấp( 0V) thì vi điều khiển sẽ rơi vào trạng thái reset lại. Port A bao gồm 6 chân từ Pin 2 đến Pin 7 và tất cả đều có PIN 2: RA0/AN0 chức năng xuất hoặc nhập 2 chiều, Chân này cũng có thể được sử dụng như một chân nhận tín hiệu analog 0. Là chân nhận tín hiệu analog 1 hoặc chức năng PIN 3: RA1/AN1 xuất/nhập.