Tài liệu Đồ án thiết kế, chế tạo phần cứng thiết bị điểm danh lớp thực hành bằng cảm biến vân tay

TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM KỸ THUẬT HƢNG YÊN KHOA ĐIỆN –ĐIỆN TỬ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP TÊN ĐỀ TÀI : Thiết kế, chế tạo phần cứng thiết bị điểm danh lớp thực hành bằng cảm biến vân tay Sinh Viên Thực Hiện : Trần Đình Linh Lớp Giảng Viên Hướng Dẫn : 112182.1 : Nguyễn Thị Thắm Hưng Yên 2022 LỜI MỞ ĐẦU LỜI CẢM ƠN Chương 1 Tổng quan về đề tài ...........................................................................1 1.1 Giới thiệu về đề tài ....................................................................................1 1.2 Mục đính nghiên cứu .................................................................................1 1.3 Giới hạn đề tài ...........................................................................................2 1.4 Phương pháp và phương tiện nghiên cứu ..................................................2 1.4.1 Phương pháp nghiên cứu ....................................................................2 1.4.2 Phương tiện .........................................................................................2 Chương 2 Cơ sở lý thuyết ...................................................................................3 2.1 Giới thiệu về arduino .................................................................................3 2.1.1 Khái niệm về arduino .........................................................................3 2.1.2 Arduino uno R3 .................................................................................3 2.2.2 Năng lượng .........................................................................................6 2.2.3 Bộ nhớ ................................................................................................6 2.2.4 Công cụ lập trình ................................................................................6 2.2 Module RFID RC522 ................................................................................8 2.2.1 Tổng quan về RFID RC522 ................................................................8 2.2.2 Chi tiết cấu hình chân RC522 ............................................................9 2.2.3 Các đặc tính RC522 ............................................................................9 2.2.4 Ứng dụng module RFID RC522.......................................................10 2.2.5 Tổ chức vùng nhớ thẻ từ ..................................................................10 2.2.6 Chuẩn giao tiếp spi ...........................................................................10 2.3 Cảm biến vân tay .....................................................................................12 2.3.1 Tổng quan về cảm biến vân tay ........................................................12 2.3.2 Cảm biến As 608 ..............................................................................13 2.4 Mạch chuyển đổi I2C ..............................................................................15 2.5 Stm32f103 ............................................................................................... 16 2.5.1 Giới thiệu về họ stm .........................................................................16 2.5.2 Kit stm32f103 ...................................................................................17 2.6 ESP 8266 .................................................................................................19 2.6.1 Tổng quan về ESP 8266 ..................................................................19 2.6.2 Thông số kĩ thuật ..............................................................................21 2.7 Module ds1307 và chuẩn giao tiếp I2C ...................................................21 2.7.1 Module ds1307 .................................................................................21 2.7.2 Giao thức i2c ....................................................................................22 2.8 LCD 20x4 ............................................................................................25 2.9 Chuẩn giao tiếp UART ............................................................................26 2.10 Cấu hình CUBE MX cho mạch ............................................................28 Chương 3 Thiết kế chế tạo.................................................................................33 3.1 Sơ đồ khối hệ thống ................................................................................33 3.2 Nguyên lý mạch .......................................................................................35 3.3 Sơ đồ mạch in và bố trí linh kiện.............................................................36 3.3 Lưu đồ thuật toán .....................................................................................38 3.4 Hình ảnh hoàn thiện ................................................................................41 Chương 4 Kết luận và hướng phát triển………………………………………51 4.1 Kêt luận....................................................................................................42 4.2 Hướng phát triển đề tài ............................................................................42 Tài liệu tham khảo .............................................................................................43 Phụ lục ...............................................................................................................44 Danh mục hình ảnh Hình 2.1 Uno r3 ..................................................................................................3 Hình 2.2 Vi điều khiển trên board uno ................................................................4 Hình 2.3 Giao diện công cụ lập trình ..................................................................7 Hình 2.4 Giao diện device manager ....................................................................7 Hình 2.5 Thiết lập board và cổng com cho uno ..................................................8 Hình 2.6 Thẻ từ RFID.........................................................................................8 Hình 2.7 Sơ đồ chân RC522 ................................................................................9 Hình 2.8 Tổ chức vùng nhớ thẻ mifare class .....................................................10 Hình 2.9 Mô hình giao tiếp spi (stm32 với RC522) ..........................................11 Hình 2.10 Cơ chế truyền và nhận của master slave...........................................12 Hình 2.11 Một số mẫu vân tay ..........................................................................13 Hình 2.12 Cảm biến vân tay ..............................................................................14 Hình 2.13 Mạch chuyển đổi i2c lcd...................................................................15 Hình 2.14 Bảng địa chỉ i2c ................................................................................16 Hình 2.15 Tổng quan về bộ kit ..........................................................................17 Hình 2.16 Sơ đồ chân ........................................................................................20 Hình 2.17 Chíp và kít esp 8266 ........................................................................21 Hình 2.18 Module DS1307 ................................................................................22 Hình 2.19 Giao tiếp i2c 1 master nhiều slave ....................................................23 Hình 2.20 Khung truyền i2c ..............................................................................23 Hình 2.21 Cách giao tiếp với giữa master với slave thông qua địa chỉ slave....24 Hình 2.22 Khởi tạo giao tiếp i2c .......................................................................25 Hình 2.23 Màn hình LCD 20x4 ........................................................................26 Hình 2.24 Kết nối UART ..................................................................................27 Hình 2.25 Khung truyền UART ........................................................................27 Hình 2.26 Cấu hình cho chip stm32 ..................................................................29 Hình 2.27 Sắp xếp thứ tự ngắt cho chip ............................................................29 Hình 2.28 Cấu hình clock cho chip ...................................................................30 Hình 2.29 Cấu hình UART1 và 2 ......................................................................30 Hình 2.30 Cấu hình spi ......................................................................................31 Hình 2.31 Cấu hình I2C.....................................................................................31 Hình 3.1 Sơ đồ khối ...........................................................................................33 Hình 3.2 Khối nguồn .........................................................................................33 Hình 3.3 Khối cảm biến.....................................................................................33 Hình 3.4 Khối hiển thị .......................................................................................34 Hình 3.5 Khối xử lý trung tâm ..........................................................................34 Hình 3.6 Sơ đồ nguyên lý ..................................................................................35 Hình 3.7 Sơ đồ mạch in .....................................................................................36 Hình 3.8 Sơ đồ bố trí linh kiện trên mặt board ..................................................37 Hình 3.9 Lưu đồ thuật toán mạch ......................................................................38 Hình 3.10 Lưu đồ thuật toán trên google scritp.................................................39 Hình 3.11 Hình ảnh hoàn thiện sản phẩm .........................................................41 LỜI MỞ ĐẦU Ngày nay, ngành công nghệ kỹ thuật ngày càng phát triển. Các máy móc đều được tự động hóa đáp ứng nhu cầu con người và đem lại hiểu quả cao cho các doanh nghiệp trong nhiều lĩnh vực như công nghiệp, nông nghiệp,...Bên cạnh trang thiết bị máy móc hiện đại, nhân lực cũng là một trong những yếu tố quan trọng quyết định đến sự tồn tại và phát triển của các doanh nghiệp. Chính vì nhu cầu nhân lực cao và có nhiều phức tạp nên nhu cầu quản lý đòi hỏi cũng cần phải cải tiến để có thể đáp ứng nhu cầu người dùng một cách tốt nhất. Hiện nay, có rất nhiều cách để quản lý học sinh sinh viên đi học khác nhau, cụ thể như điểm danh trực tiếp (hình thức này yêu cầu giáo viên và phải có danh sách kèm theo bên cạnh, giáo viên thường sẽ gọi tên và đối chiếu với danh sách để kiểm tra. Hình thức này mất khá nhiều thời gian, lại không mang tính chuyên nghiệp. Bên cạnh đó yêu cầu thầy/cô phải có phương pháp xác định người được điểm danh là đúng.), điểm danh bằng hình thức làm bài kiểm tra giấy gây mất thời gian và độ chính xác chưa cao. quản lý kiểm soát bằng hình thức quẹt thẻ RFID ( hình thức này khá phổ biến, nhanh, gọn lại có tính chính xác cao, nhưng đòi hỏi người dùng phải mang theo thẻ, nếu khống có thì không thể điểm danh được) hay bằng hình thức quét vân tay (hình thức cũng rất phổ biến trong các doanh nghiệp, công ty hiện nay, chuyên nghiệp, chính xác, yêu cầu người dùng phải them vân tay trước đó, hay được áp dụng chấm công cho nhân viên). Nhận thấy nhu cầu quản lý thường hay có nhiều hình thức xảy ra như điểm danh chấm công cho nhân viên, hay điểm danh trong trường hợp đột xuất ( trong các cuộc họp), kiểm soát khách tham quan công ty nên nhóm quyết định chọn đề tài : ―Thiết kế, chế tạo phần cứng thiết bị điểm danh lớp thực hành bằng cảm biến vân tay‖ để có thể điểm danh trong nhiều trường hợp khác nhau, và được lưu và một file excel và được đưa lên server nội bộ của công ty để dễ dàng quản lý từ xa .Tất cả các thao tác này đều do chip STM32F103C8T6 đảm nhận và thực hiện thông qua các chuẩn giao tiếp. Bên cạnh đó, nhóm cũng muốn thông qua đề tài để tìm hiểu thêm về ứng dụng của công nghệ vào đời sống đồng thời vận dụng và hiểu sâu hơn về các kiến thức đã được học. LỜI CẢM ƠN Nhóm sinh viên thực hiện đề tài xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo khoa Điện – Điện tử trường ĐHSPKT Hưng Yên, đã tận tình chỉ bảo, truyền đạt cho chúng em những kiến thức, những thành tựu khoa học của xã hội và của nghành điện tử để chúng em có thể thực hiện đề tài này. Đặc biệt chúng em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến cô Nguyễn Thị Thắm là người đã hướng dẫn và tận tình giúp đỡ, chỉ dạy chúng em để chúng em thực hiện đề tài này. Nhóm sinh viên xin chân thành cám ơn những ý kiến đóng góp của quý thầy, cô giáo và các bạn cho việc thực hiện đề tài này. Chúng em xin chân thành cảm ơn! Chƣơng I Tổng quan về đề tài 1.1 Giới thiệu về đề tài Ngày nay cùng với sự phát triển mạnh mẽ của các ngành khoa học kỹ thuật, công nghệ kỹ thuật điện tử mà trong đó là kỹ thuật tự động điều khiển đóng vai trò quan trọng trong mọi lĩnh vực khoa học kỹ thuật, quản lí, công nghiệp, cung cấp thông tin... Do đó là một sinh viên chuyên ngành Điện tử, chúng ta phải biết nắm bắt và vận dụng nó một cách có hiệu quả nhằm góp phần vào sự phát triển nền khoa học kỹ thuật thế giới nói chung và trong sự phát triển kỹ thuật điện tử nói riêng. Bên cạnh đó còn là sự thúc đẩy sự phát triển của nền kinh tế nước nhà. Như chúng ta cũng đã biết, Trường học là nơi cần được rèn luyện tính kỷ luật cao bởi sẽ tạo ra những nhân tài của đất nước. Ý thức sinh viên trong môi trường học tập cần phải nâng cao. Tuy nhiên không tránh khỏi tình trạng gian lận trong học đường như: Nhờ học hộ, điểm danh hộ, thi hộ… làm ảnh hưởng tới chất lượng dạy và học của ngôi trường. Một trong những giải pháp được nhiều trường học áp dụng để loại bỏ tình trạng tiêu cực như trên đó là sử dụng máy điểm danh bằng quẹt thẻ RFID và quét vân tay. Điều đó sẽ giúp hỗ trợ điểm danh trong mỗi tiết học nhằm giúp giáo viên quản lý và nắm bắt tình trạng học sinh một cách chính xác nhất. Đặc biệt sử dụng máy điểm danh vào việc điểm danh cho sinh viên sẽ giúp cho sinh viên có thể chủ động thời gian học tập và tới lớp của mình theo đúng quy định của nhà trường. Việc điểm danh tự động nhanh chóng chỉ cần một lần xác nhận vân tay là sinh viên đã điểm danh xong giúp tiện kiệm thời gian và chính xác nhằm nâng cao tính chuyên nghiệp trong nhà trường. Từ những yêu cầu thực tế, chúng em đã chọn đề tài: ―Thiết kế và thi công hệ thống điểm danh sinh viên sử dụng hai phương pháp quẹt thẻ RFID và quét vân tay‖ 1.2 Mục đính nghiên cứu Đồ án được nghiên cứu, khảo sát và thực hiện với mục đích áp dụng những kiến thức đã được học trong nhà trường để thiết kế, tạo ra một hệ thống điểm danh sinh viên bằng hai phương pháp quẹt thẻ RFID và quét vân tay. Hệ thống gồm có: Module RFID RC522 Module AS 608 Module ESP8266 Module DS1307 1 Mạch điều khiển dùng chip Stm32 và chip Arduino để xử lý Màn hình LCD 20x4 1.3 Giới hạn đề tài Trong giới hạn thời gian cho phép của đề tài này kết hợp với những kiến thức có đươc trong suốt quá trình học không cho phép thực hiện được một sản phẩm hoàn thiện nhất. Cho nên nhóm chúng em chỉ tập trung vào những vấn đề sau: Dùng Board Arduino và Stm32 để làm trung tâm điều khiển toàn bộ hệ thống. Module RFID RC522 để quẹt thẻ từ Module AS 608 dùng đề quét vân tay Module ESP8266 để kết nối mạng để gửi danh sách điểm danh lên gg sheet Module DS1307 dùng để gửi danh sách điểm danh theo ca Mạch điều khiển dùng chip Stm32 và chip Arduino để xử lý Màn hình LCD 20x4 để hiện thị Mạch chạy ổn định trong toàn bộ quá trình. 1.4 Phƣơng pháp và phƣơng tiện nghiên cứu 1.4.1 Phƣơng pháp nghiên cứu Kết hợp giữa lý thuyết và thực nghiệm: Sau khi nhận đề tài, nhóm đã tập trung tìm hiểu các vấn đề liên quan đến đề tài. Sau đó lập trình mô phỏng, chế tạo mạch để kiểm tra thực tế. Trong quá trình chạy thực tế kiểm tra lỗi, những hạn chế mắc phải để chỉnh sửa và phát triển thêm các ý tưởng. Phương pháp quan sát: khảo sát một số mạch điện thực tế đang có trên thị trường và tham khảo thêm một số dạng mạch từ mạng Internet. Phương pháp tham khảo tài liệu: bằng cách thu thập thông tin từ sách, tạp chí về điện tử và truy cập từ mạng Internet. 1.4.2 Phƣơng tiện Phần mềm biên dịch chương trình Keilc, IDE arduino, phần mềm thiết lập cơ bản CUBE MX, phần mềm thiết kế mạch Altium, phần mềm mô phỏng Proteus. Các giáo trình điện tử đã được học, tài liệu và các thảo luận trên Internet. 1.5 Ý nghĩa thực tiễn Ý nghĩa thực tiễn của đề tài giúp giáo viên quản lý và nắm bắt tình trạng học sinh một cách chính xác nhất và sẽ giúp cho sinh viên có thể chủ động thời gian học tập và tới lớp của mình theo đúng quy định của nhà trường. 2 Chƣơng II Cơ sở lý thuyết 2.1 Giới thiệu về Arduino 2.1.1 Khái niệm về arduino Arduino là một nền tảng mã nguồn mở được sử dụng để xây dựng các dự án điện tử. Arduino bao gồm cả bảng mạch lập trình (thường được gọi là vi điều khiển) và một phần mềm hoặc IDE (Môi trường phát triển tích hợp) chạy trên máy tính, được sử dụng để viết và tải mã máy tính lên bo mạch. Nền tảng Arduino giờ đã khá phổ biến với những người mới bắt đầu với thiết bị điện tử. Không giống như hầu hết các bo mạch lập trình trước đây, Arduino không cần phần cứng riêng để tải mã mới lên bo mạch - bạn có thể chỉ cần sử dụng cáp USB. Ngoài ra, Arduino IDE sử dụng phiên bản đơn giản của C++, giúp việc học lập trình dễ dàng hơn. Arduino cung cấp một mẫu chuẩn giúp dễ tiếp cận các chức năng của bộ vi điều khiển hơn. 2.1.2 Arduino uno R3 Hình 2.1 Uno r3 3 Thông số cơ bản: Vi điều khiển ATmega328 họ 8bit Điện áp hoạt động 5V DC (chỉ được cấp qua cổng USB) Tần số hoạt động 16 MHz Dòng tiêu thụ khoảng 30mA Điện áp vào khuyên dùng 7-12V DC Điện áp vào giới hạn 6-20V DC Số chân Digital I/O 14 (6 chân hardware PWM) Số chân Analog 6 (độ phân giải 10bit) Dòng tối đa trên mỗi chân 30 mA I/O Dòng ra tối đa (5V) 500 mA Dòng ra tối đa (3.3V) 50 mA Bộ nhớ flash 32 KB (ATmega328) với 0.5KB dùng bởi bootloader SRAM 2 KB (ATmega328) EEPROM 1 KB (ATmega328) Hình 2.2 Vi điều khiển trên board uno 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 đều có các điện trở pull-up từ được cài đặt ngay trong vi điều khiển ATmega328 (mặc định thì các điện trở này không được kết nối). - Một số chân digital có các chức năng đặc biệt như sau: 4 - 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 thông qua 2 chân này. Kết nối bluetooth thường thấy nói nôm na chính là kết nối Serial không dây. Nếu không 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). Ngoài các chức năng thông 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. Đặc biệt, Arduino UNO có 2 chân A4 (SDA) và A5 (SCL) hỗ trợ giao tiếp I2C/TWI với các thiết bị khác. Ứng dụng của Arduino Uno R3 Aruino Uno R3 được sử dụng phổ biến trong việc tự thiết kế ra các mạch điện tử như điều khiển led, gửi dữ liệu lên lcd, điều khiển motor,... hay được gắn thêm các Shield để kết nối nhiều module cảm biến khác để thực hiện thêm nhiều chức năng mở rộng như gửi dữ liệu qua wifi. Ngoài ra, trên thị trường còn có nhiều biến thể của Arduino Uno để thực hiện thêm các tính năng chuyên dụng, ví dụ như mCore, Orion trên mBot được chuyên dụng với việc dễ dàng phân biệt các loại module nào có thể sử dụng cắm vào trên các cổng để trẻ dễ dàng sử dụng cho nhưng ai không quá mạnh về thiết kế mạch điện tử. 5 2.2.2 Năng lƣợng Arduino UNO có thể được cấp nguồn 5V thông qua cổng USB hoặc cấp nguồn ngoài với điện áp khuyên dùng là 7-12V DC và giới hạn là 6-20V. Thường thì cấp nguồn bằng pin vuông 9V là hợp lí nhất nếu bạn không có sẵn nguồn từ cổng USB. Nếu cấp nguồn vượt quá ngưỡng giới hạn trên, bạn sẽ làm hỏng Arduino UNO. - GND (Ground): cực âm của nguồn điện cấp cho Arduino UNO. Khi bạn dùng các thiết bị sử dụng những nguồn điện riêng biệt thì những chân này phải được nối với nhau. - 5V: cấp điện áp 5V đầu ra. Dòng tối đa cho phép ở chân này là 500mA. - 3.3V: cấp điện áp 3.3V đầu ra. Dòng tối đa cho phép ở chân này là 50mA. - Vin (Voltage Input): để cấp nguồn ngoài cho Arduino UNO, bạn nối cực dương của nguồn với chân này và cực âm của nguồn với chân GND. IOREF: điện áp hoạt động của vi điều khiển trên Arduino UNO có thể được đo ở chân này. Và dĩ nhiên nó luôn là 5V. Mặc dù vậy bạn không - - được lấy nguồn 5V từ chân này để sử dụng bởi chức năng của nó không phải là cấp nguồn. RESET: việc nhấn nút Reset trên board để reset vi điều khiển tương đương với việc chân RESET được nối với GND qua 1 điện trở 10KΩ. 2.2.3 Bộ nhớ Vi điều khiển Atmega328 tiêu chuẩn cung cấp cho người dùng: - 32KB bộ nhớ Flash: những đoạn lệnh bạn lập trình sẽ được lưu trữ trong bộ nhớ Flash của vi điều khiển. Thường thì sẽ có khoảng vài KB trong số này sẽ được dùng cho bootloader nhưng đừng lo, bạn hiếm khi nào cần quá 20KB bộ nhớ này đâu. - - 2KB cho SRAM (Static Random Access Memory): giá trị các biến bạn khai báo khi lập trình sẽ lưu ở đây. Bạn khai báo càng nhiều biến thì càng cần nhiều bộ nhớ RAM. Tuy vậy, thực sự thì cũng hiếm khi nào bộ nhớ RAM lại trở thành thứ mà bạn phải bận tâm. Khi mất điện, dữ liệu trên SRAM sẽ bị mất. 1KB cho EPROM (Electrically Eraseble Programmable Read Only Memory): đây giống như một chiếc ổ cứng mini – nơi bạn có thể đọc và ghi dữ liệu của mình vào đây mà không phải lo bị mất khi cúp điện giống như dữ liệu trên SRAM. 2.2.4 Công cụ lập trình Ở đây chúng ta sử dụng công cụ lập trình IDE Arduino 6 Về giao diện: Hình 2.3 Giao diện công cụ lập trình Bước 1: Chúng ta cắm kit Uno r3 vào máy tính để máy tính có thể nhận cổng com trên máy tính. Chúng ta mở cửa số window tìm kiếm Device manager để kiểm tra máy có nhận cổng com hay không Trường hợp máy tính chưa nhận driver chúng ta phải tải driver về máy (thường là ch340 là chủ yếu, có một số khác do người dùng tự thiết kế lại có thể khác về driver). Và kiểm tra ở mục com&port xem máy đã nhận cổng hay chưa. Hình 2.4 Giao diện device manager Bước 2: Chúng ta vào giao diện của trình biên dịch arduino tại đây chúng ta thiết lập cổng cho uno r3 bằng cách chúng ta vào tool /port( cổng của arduino uno r3).Sau đó chúng ta thiết lập boar cho mạch bằng cách vào tool/board/arduino avr board/ arduino uno. 7 Hình 2.5 Thiết lập board và cổng com cho uno Bước 3: Tại đây bạn có thể lấy các ví dụ mà IDE có sẵn để làm quen với board hoặc bạn có thể lập trình ngay lập tức. Tiếp theo là đến compiler chương trình, nếu chương trình compiler không xảy ra lỗi thì chúng ta sẽ nạp code vào trong board thông qua cáp bằng cách ấn upload và đợi done uploading 2.2 Module RFID RC522 2.2.1 Tổng quan về RFID RC522 RC522 là Module RFID đa giao tiếp với Arduino và vi điều khiển RC522 còn gọi là MFRC-522 sản xuất bởi hãng vi điều khiển bán dẫn NFX. Module cho phép các nhà phát triển giao tiếp với các vi điều khiển dựa trên giao thức SPI, I2C và UART Module RC522 hoạt động ở tần số 13.56 MHz và đọc và ghi thẻ UID / RFID. Các thẻ RFID giao tiếp được với module ở khoảng cách ngắn với tần số vô tuyến nhờ cảm ứng điện từ lẫn nhau. Trong các thiết bị bảo mật và thương mại, module rất phù hợp vì có thể phát hiện được các trạng thái và thông tin của thẻ RFID. Có thẻ giao tiếp bằng uart, i2c hoặc spi tuỳ theo mục đích sử dụng Hình 2.6 Thẻ từ RFID 8 2.2.2 Chi tiết cấu hình chân RC522 - Hình 2.7 Sơ đồ chân RC522 Chân reset có chức năng reset khi về mức 0 - Chân 3.3v chân nguồn của module Chân sda, sck, mosi, miso là các chân giao tiếp với module - GND chân âm nguồn module - 2.2.3 Các đặc tính RC522 RFID RC522 sử dụng cảm ứng điện từ để kích hoạt thẻ và có tần số 13,56MHz để truyền dữ liệu. - - - - Thẻ RFID có thể sử dụng được với cả hai mặt của module khoảng cách tối đa 5cm. Điện áp 3.3V được yêu cầu để hoạt động. Chế độ ngủ tự động giúp module tiêu thụ ít điện năng hơn. Module có ba loại giao tiếp (UART, SPI, I2C). Do đó, có thể sử dụng được với hầu hết mọi vi điều khiển. Có thể truyền dữ liệu lên đến 10Mb/s. Các lựa chọn khác để thay thế: PN532 SM130 Module RFID RDM630 9 - - 2.2.4 Ứng dụng module RFID RC522 RFID sử dụng như một thiết bị bảo mật. Ở một số công ty, các thiết bị được sử dụng trong các mặt hàng mua sắm. Một số sân bay cũng bắt đầu sử dụng RFID để xác định và kiểm tra túi xách và các vật dụng khác. Hệ thống chấm công hoặc bãi đậu xe cũng sử dụng RFID. 2.2.5 Tổ chức vùng nhớ thẻ từ Thẻ MIFARE Classic là một thiết bị lưu trữ bộ nhớ. Bộ nhớ được chia thành các cung, cũng được chia thành các khối 16 byte. Thẻ MIFARE Classic 1K có 16 sector, mỗi sector được chia thành bốn khối. Nếu chúng ta làm phép toán, chúng ta có thể tìm ra cấu trúc bộ nhớ sẽ như thế nào: 16 byte (1 khối) * 4 khối * 16 sector = 1024 byte. Hình 2.8 Tổ chức vùng nhớ thẻ mifare class Trong đó CSN ở đây là nơi lưu địa chỉ UID ở đây còn tuỳ thuộc vào 1 số loại thẻ có thể chỉnh sửa UID và có 1 số loại không thể thay dổi. Ở đây chúng ta sử dụng thẻ có thể thay dổi UID , block số 3 là tổng của các block 0, 1, 2, 3 trên ở đây chúng ta lưu site key là 0xff, thẻ được chia làm 2 vùng nhớ là vùng a va b. Vùng a từ đầu đến hết sector số 9, vùng b là vùng còn lại Dựa vào đây chúng ta có thể lưu data tại các ô nhớ cho phép lưu data và key của thẻ nhằm tăng tính bảo mật của thẻ Tại đây chúng ta cũng có thể đọc/ghi thẻ thông qua điên thoại có hỗ trợ nfc và máy tính thông qua các phần mềm của hãng mifcare class tool 2.2.6 Chuẩn giao tiếp spi SPI – Serial Peripheral Interface – hay còn gọi là giao diện ngoại vi nối tiếp, được phát triển bởi hãng Motorola. Chuẩn đồng bộ nối truyền dữ liệu ở chế độ full - duplex (hay gọi là "song công toàn phần". Nghĩa là tại 1 thời điểm có thể xảy ra đồng thời quá trình truyền và nhận. Là giao tiếp đồng bộ, bất cứ quá trình nào cũng đều được đồng bộ với xung clock sinh ra bởi thiết bị Master không cần phải lo lắng về tốc độ truyền dữ liệu. 10 SPI thường được sử dụng giao tiếp với bộ nhớ EEPROM, RTC (Đồng hồ thời gian thực), IC âm thanh, các loại cảm biến như nhiệt độ và áp suất, thẻ nhớ như MMC hoặc thẻ SD hoặc thậm chí các bộ vi điều khiển khác. Hình 2.9 Mô hình giao tiếp spi (stm32 với RC522) Sử dụng 4 đường giao tiếp nên đôi khi được gọi là chuẩn truyền thông ― 4 dây‖. 4 đường đó là : SCK (Serial Clock): Thiết bị Master tạo xung tín hiệu SCK và cung cấp cho Slave. Xung này có chức năng giữ nhịp cho giao tiếp SPI. Mỗi nhịp trên chân SCK báo 1 bit dữ liệu đến hoặc đi → Quá trình ít bị lỗi và tốc độ truyền cao. MISO (Master Input Slave Output): Tín hiệu tạo bởi thiết bị Slave và nhận bởi thiết bị Master. Đường MISO phải được kết nối giữa thiết bị Master và Slave. MOSI (Master Output Slave Input): Tín hiệu tạo bởi thiết bị Master và nhận bởi thiết bị Slave. Đường MOSI phải được kết nối giữa thiết bị Master và Slave. SS (Slave Select): Chọn thiết bị Slave cụ thể để giao tiếp. Để chọn Slave giao tiếp thiết bị Master chủ động kéo đường SS tương ứng xuống mức 0 (Low). Chân này đôi khi còn được gọi là CS (Chip Select). Chân SS của vi điều khiển (Master) có thể được người dùng tạo bằng cách cấu hình 1 chân GPIO bất kỳ chế độ Output (chân này ở RC522 là chân sda). Mỗi chip Master hay Slave đều có một thanh ghi dữ liệu 8 bits. Quá trình truyền nhận giữa Master và Slave xảy ra đồng thời sau 8 chu kỳ đồng hồ, một byte dữ liệu được truyền theo cả 2 hướng 11 Hình 2.10 Cơ chế truyền và nhận của master slave Quá trình trao đổi dữ liệu bắt đầu khi Master tạo 1 xung clock từ bộ tạo xung nhịp (Clock Generator) và kéo đường SS của Slave mà nó truyền dữ liệu xuống mức Low. Cứ 1 xung clock, Master sẽ gửi đi 1 bit từ thanh ghi dịch (Shift Register) của nó đến thanh ghi dịch của Slave thông qua đường MOSI. Đồng thời Slave cũng gửi lại 1 bit đến cho Master qua đường MISO.Như vậy sau 8 chu kỳ clock thì hoàn tất việc truyền và nhận 1 byte dữ liệu. Dữ liệu của 2 thanh ghi được trao đổi với nhau nên tốc độ trao đổi diễn ra nhanh và hiệu quả.  Ưu điểm: - Dữ liệu được truyền liên tục và không gián đoạn, vì không có bit Start và bit Stop. - Hệ thống định địa chỉ đơn giản. - Dây MOSI và MISO riêng biệt nên có thể đồng thời nhận và truyền dữ liệu. - Tốc độ truyền dữ liệu nhanh và tiết kiệm năng lượng.  Nhược điểm: - Sử dụng nhiều dây để kết nối với ngoại vi. Không có dấu hiệu nhận biết dữ liệu đã được truyền thành công. Không có hình thức kiểm tra lỗi (như bit chẵn lẻ của UART). - Khoảng cách các thiết bị truyền nhận bằng SPI rất ngắn. - 2.3 Cảm biến vân tay 2.3.1 Tổng quan về cảm biến vân tay Tính tới thời điểm hiện nay, công nghệ sinh trắc mà được sử dụng lâu đời nhất và phổ biến nhất đó nhận diện dấu vân tay. Mỗi cá nhân con người khi được sinh ra thì đểu có cho mình dấu vân tay riêng biệt, không ai giống ai, hơn hết tất cả các loại sinh trắc khác, vân tay là dấu hiệu đặc trưng nhất trên cơ thể của mỗi con người. Đặc 12 biệt là dấu vân tay không thể nào làm giả được cho nên nó được ưu tiên hàng đầu cho việc bảo mật. Hình 2.11 Một số mẫu vân tay Sử dụng cảm biến vân tay để nhận biết bằng cách đối chiếu hình ảnh vân tay đã được lưu trữ trước đó trong thư viện, so với các thiết bị nhận biết thế hệ cũ thì cảm biến vân tay được áp dụng nhiều và phổ biến hơn, giúp ích rất nhiều như trong việc chấm công, quản lý, kiểm soát dễ dàng, tỉ lệ sai lệch thấp. Về nguyên lý hoạt động của một cảm biến vân tay, sử dụng ngón tay áp lên bất kì một thiết bị nhận dạng vân tay nào đó, hình ảnh vân tay sẽ được chụp lại bằng camera sau đó hình ảnh vân tay sẽ được đối chiếu đặc điểm với các dữ liệu được lưu trữ từ trước trong hệ thống. Trong quá trình này, dữ liệu hình ảnh sẽ được chuyển sang dạng dữ liệu số và kết thúc quá trình kết quả sẽ được thông báo rằng vân tay có hợp lệ hay không để tiếp tục thực hiện các chức năng tiếp theo. 2.3.2 Cảm biến As 608 Cảm biến nhận dạng VÂN TAY AS608 Fingerprint Sensor sử dụng giao tiếp UART TTL hoặc USB để giao tiếp với Vi điều khiển hoặc kết nối trực tiếp với máy tính (thông qua mạch chuyển USB-UART hoặc giao tiếp USB). Cảm biến nhận dạng VÂN TAYAS608 Fingerprint Sensor được tích hợp nhân xử lý nhận dạng vân tay phía trong, tự động gán vân tay với 1 chuỗi data và truyền qua giao tiếp UART ra ngoài nên hoàn toàn không cần các thao tác xử lý hình ảnh, đơn giản chỉ là phát lệnh đọc/ghi và so sánh chuỗi UART nên rất dễ sử dụng và lập trình. 13