Ứng dụng công nghệ rfid tích hợp iot trong quản lý phòng thí nghiệm đa chức năng

Nội dung text: Ứng dụng công nghệ rfid tích hợp iot trong quản lý phòng thí nghiệm đa chức năng

1. 24 Trần Duy Chung, Hoàng Bá Đại Nghĩa ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ RFID TÍCH HỢP IOT TRONG QUẢN LÝ PHÒNG THÍ NGHIỆM ĐA CHỨC NĂNG APPLYING RFID INTEGRATED IOT TECHNOLOGY TO THE MANAGEMENT OF MULTI-FUNCTIONAL LABORATORY FACILITIES Trần Duy Chung, Hoàng Bá Đại Nghĩa Trường Cao đẳng Công nghệ - Đại học Đà Nẵng tdchung@dct.udn.vn; hoangnghia041082@gmail.com Tóm tắt - Hiện nay, phòng thí nghiệm tại Trường Cao đẳng Công nghệ Abstract - Currently, laboratories at the College of Technology are - Đại học Đà Nẵng đều được quản lý bởi cán bộ phụ trách phòng thí generally managed by laboratory staff. Students can only do nghiệm. Sinh viên chỉ có thể làm thí nghiệm theo giờ học ở trường và experiments on school timetables and instructors must be on-site giáo viên hướng dẫn phải có mặt tại chỗ theo dõi từng bước tiến hành to follow the progress of the students’ experiments. This has thí nghiệm của sinh viên. Điều này đã gây một số hạn chế và khó khăn created some drawbacks and difficulties for students and teachers. đối với sinh viên và giáo viên. Để nâng cao tinh thần tự học của sinh In order to enhance the self-learning spirit of students, especially viên, nhất là các nhóm nghiên cứu học tập của sinh viên hoạt động hiệu effective student researching teams (SRT). Therefore, the quả, việc xây dựng các phòng thí nghiệm đa chức năng quản lý thông construction of multi-functional laboratories smartly managed by minh bằng công nghệ RFID ứng dụng công nghệ IoT là một hướng RFID technology is a necessary research and development nghiên cứu và triển khai cần thiết. Các phòng thí nghiệm này cũng sẽ direction. These laboratories will also alleviate the instructor’s giúp giảm nhẹ công việc giám sát của giáo viên hướng dẫn thí nghiệm supervision of the experiments. Besides, it will attract more và thu hút nhiều sinh viên tự giác tham gia vào các bài tập thực hành, students to exercises of experimental practice. Especially, all tasks thí nghiệm. Đặc biệt là mọi hoạt động thí nghiệm của sinh viên đều được of students are observed by Smart phone and Website. giáo viên giám sát qua các ứng dụng trên điện thoại và website. Từ khóa - hệ thống RFID; IoT; RFID tích hợp IoT; Ứng dụng Key words - IoT; Arduino; RFID systems; RFID and IoT; Arduino; phòng thí nghiêm đa chức năng MultipleLaboratoryfacilities 1. Đặt vấn đề hợp tác cùng hãng IDTECK, Hàn Quốc ứng dụng RFID Trước đây, mô hình phòng thí nghiệm truyền thống gặp trong chấm công điện tử, kiểm soát thang máy [2]. Viện rất nhiều bất cập trong việc quản lý vật tư, trang thiết bị, Công nghệ thông tin đã giới thiệu chào bán các hệ thống giờ vào, ra phòng thí nghiệm, kết quả của bài thí nghiệm, ứng dụng RFID như: hệ thống kiểm soát xâm thực AC200 tìm tài liệu hay quản lý tài liệu Việc quản lý sinh viên làm sử dụng thẻ RFID; khóa thẻ điện tử RFID K400R [3]. các bài thí nghiệm thường mất thời gian vào việc cung cấp Trung tâm Công nghệ cao Việt Nam, thuộc Viện Điện các thiết bị thí nghiệm, theo dõi tiến độ thực hiện và đánh tử – Tin học – Tự động hóa đang nghiên cứu thiết kế và xây giá kết quả hoàn thành các bài thí nghiệm. Nhiều nơi trên dựng hệ phần mềm cho các hệ thống quản lý tự động bằng thế giới đã khắc phục vấn đề này bằng cách ứng dụng các thẻ RFID để ứng dụng trong hệ thống thu phí cầu đường, tại hệ thống công nghệ thông tin, công nghệ tự động hóa vào Thành phố Hồ Chí Minh, công nghệ RFID cũng đang được phòng thí nghiệm đa chức năng, đặc biệt là công nghệ triển khai ứng dụng trong trạm thu phí xa lộ Hà Nội và hệ RFID kết hợp với IoT. Khi những công nghệ mới này được thống kiểm soát bãi đỗ xe tự động tại hầm đậu xe tòa nhà áp dụng sẽ cung cấp cho phòng thí nghiệm một môi trường The Manor [4]. tốt nhất, việc triển khai các bài thí nghiệm được thuận lợi Bộ Khoa học và Công nghệ của hai nước Việt Nam và hơn, tiết kiệm thời gian của người dạy, người quản lý Thái Lan đã thống nhất triển khai “Chương trình xây dựng phòng thí nghiệm. Nâng một bước từ phòng thí nghiệm hệ thống theo dõi, giám sát truy xuất sản phẩm tôm bằng truyền thống sang phòng thí nghiệm điện tử, thí nghiệm số RFID”[5], ngoài ra, còn có các nghiên cứu như “Nghiên đa chức năng với những thiết bị tự động hóa được tối ưu. cứu xây dựng hệ thống quản lý, điều hành kho thông minh Smart Warehouse dựa trên công nghệ RFID và hệ thống nhúng” (Trường Đại học Khoa học Tự nhiên) [5] và “Nghiên cứu công nghệ xác định, nhận dạng sử dụng RFID trên mạng Internet” (Trung tâm Internet Việt Nam) [6]. Việc nghiên cứu lý thuyết kết hợp thực nghiệm công nghệ thẻ RFID để ứng dụng công nghệ IoT cho việc xây dựng hệ thống quản lý phòng thí nghiệm tích hợp đa năng với đặc điểm riêng ở các trường đại học ở Việt Nam hiện Hình 1. Quy trình hoạt động chung của còn mới mẻ. một phòng thí nghiệm đa chức năng hiện đại [1] 3. Công nghệ RFID 2. Các ứng dụng của RFID đã được triển khai RFID (Radio Frequency Identification) là một công Việt Nam đã từng bước ứng dụng các tiện ích của công nghệ định danh các con chip điện tử bằng sóng vô tuyến, nghệ RFID. Điển hình như công ty TECHPRO, Việt Nam, hiện đang được rất nhiều quốc gia, công ty, tập đoàn trên
2. ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 11(120).2017, QUYỂN 2 25 thế giới nghiên cứu và sử dụng. Đây là một công nghệ tiên xây dựng mô hình phòng thí nghiệm thông minh ứng dụng tiến để kiểm soát dữ liệu, nó có nhiều ưu điểm vượt trội so công nghệ RFID có tích hợp công nghệ IoT để giám sát với công nghệ mã vạch. Khác với công nghệ mã vạch là toàn bộ các quá trình hoạt động diễn ra trong phòng thí công nghệ định danh trực diện (line-of-sight technology), nghiệm này. Đồng thời, quá trình giám sát này có thể đồng nghĩa là để nhận dạng đối tượng, máy đọc cần phải tiếp xúc bộ với nhiều loại thiết bị thông minh khác nhau thông qua trực tiếp đối tượng ở khoảng cách gần. Đối với công nghệ điện thoại thông minh và website. RFID, có thể xác định đối tượng ở khoảng cách xa từ vài mét tới hàng trăm mét trong môi trường không gian 3 chiều 5. Mô hình hoạt động hệ thống RFID tích hợp IoT (3D). 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 [7]. RFID được ứng dụng lần đầu tiên trong lĩnh vực quân sự. Trong thế chiến thứ II, quân đội các nước Mỹ, Nga, Đức đã ứng dụng công nghệ RFID để xác định máy bay trên không phận mình là của địch hay của kẻ thù, vì vậy nó còn có tên là IFF (Identify friend or foe) Tuy nhiên, mãi đến những năm 1980 nó mới được bắt đầu ứng dụng trong lĩnh vực thương mại và từ năm 1990 đến nay [8], RFID vẫn là mục tiêu được chú trọng phát triển trong nhiều lĩnh vực như hàng không, quốc phòng, cho đến lĩnh vực kiểm kê, kiểm soát hàng hóa, kiểm soát động vật, giao thông (thẻ trả tiền tàu Hình 2. Mô hình hoạt động RFID tích hợp IoT xe, hoặc gắn vào lốp xe để đánh giá điều kiện đường xá, ), Khi có sự tương tác giữa thiết bị đọc ghi (kết nối với quản lý việc truy cập hệ thống và bảo mật, quản lý nhân PC) với thẻ RFID, thì các thiết bị đọc ghi đó sẽ truyền dữ viên, dược phẩm, siêu thị và đặc biệt là trong lĩnh vực quản liệu vào phần mềm điều khiển thiết bị đọc ghi. Phần mềm lý phòng thí nghiệm đa chức năng. điều khiển đọc ghi (được cài trên máy tính, điện thoại di 4. Công nghệ RFID tích hợp IoT động) sẽ tạo thành các yêu cầu. Nhờ giao thức SIP2 (Session Initiation Protocol 2) [10], các yêu cầu sẽ được Có rất nhiều dịch vụ IoT phù hợp với việc sử dụng chuyển đổi thành các câu lệnh truy vấn vào cơ sở dữ liệu RFID khi công nghệ này bước vào một giai đoạn phát triển của phần mềm quản lý phòng thí nghiệm (được cài trên hoàn toàn mới về kĩ thuật. Ví dụ như các ứng dụng trong SERVER). Phần mềm quản lý phòng thí nghiệm sẽ xử lý chuỗi cung ứng sản phẩm với khả năng truy xuất nguồn và trả lại các giá trị ứng với các câu lệnh truy vấn cho phần gốc, hay theo dõi lượng hàng trong kho và hỗ trợ các điểm mềm điều khiển đọc ghi thông qua SIP2 thông tin về sinh thanh toán POS có thể tự phục vụ người dùng nhanh chóng. viên, thông tin về bài thí nghiệm đã thực hiện, . Đồng Hiện tại, ứng dụng phổ biến nhất của RFID tập trung vào thời, cho phép mở cửa, kích hoạt hệ thống điện cho các bàn lĩnh vực quản lý lượng hàng hóa, nhưng với IoT thì sự kết thí nghiệm, kích hoạt camera giám sát, kiểm soát tiến độ hợp sức mạnh của Internet cùng với các thành phần như hoàn thành các bài thí nghiệm và quản lý thời gian vào ra cảm biến hay điện toán đám mây sẽ giúp việc định danh phòng thí nghiệm của sinh viên . thiết bị theo phương thức sóng vô tuyến, mang lại nhiều ứng dụng hữu ích, phổ biến và giảm chi phí trong đầu tư 6. Mô hình hóa theo hướng IoT công nghệ. Công nghệ mới cũng được cập nhật cho hệ Internet of things (IoT) hiện nay có thể được hình dung thống thẻ tag thụ động nhằm phục vụ cho việc thu thập dữ là bao gồm nhiều mạng, thiết bị kết nối với nhau dựa trên liệu. Bên cạnh xác định vị trí, tín hiệu RFID cũng có thể hàng loạt thông số kĩ thuật và tiêu chuẩn. Các hệ thống kết được sử dụng để cho biết tình trạng của đối tượng. Ví dụ nối bao gồm RFID vẫn đang được phát triển để ứng dụng như hồi đầu năm 2015, RFMicron phát hành chip RFID có vào IoT nhưng vẫn chưa đạt được kết quả tối ưu nào. Và khả năng xác định thông tin về nhiệt độ, độ ẩm, trọng thời điểm hiện tại thì RFID được ứng dụng một cách đơn lượng, khoảng cách của đối tượng được định danh. Tiềm giản khi trở thành kênh dữ liệu của IoT. Kết nối vạn vật chỉ năng lớn nhất của RFID trong IoT là khả năng theo dõi có ý nghĩa khi dữ liệu được tích hợp trên thiết bị có khả người dùng và các đối tượng cùng được trang bị công nghệ. năng tương tác và chia sẻ với nhiều nguồn khác nhau, và Nhiều chính phủ các nước trên thế giới đã tích hợp chip được sử dụng cho các giải pháp hiện tại hoặc trong tương RFID một cách rộng rãi vào hộ chiếu hay giấy phép lái xe. lai. RFID đang trở thành một trong những yếu tố đầu vào Ngoài ra, trong quá trình chờ đợi sự phát triển toàn diện thì của hệ thống thu thập dữ liệu. giới kinh doanh cũng đã phổ biến công nghệ sóng vô tuyến này vào số ít ngành nghề nhất định như quản lý phòng Hầu như tất cả các ứng dụng IoT đều có một yếu tố khách sạn hay thẻ tag thuê xe nhỏ gọn [9]. Đầu năm 2015, chung, đó là kết nối vật lý và kỹ thuật số. RFID có thể trở các hãng nghiên cứu đã chứng minh rằng thẻ RFID với giá thành cầu nối bằng cách cung cấp dữ liệu xác định đối thành rẻ có thể được sử dụng để xác định đối tượng một tượng tại một địa điểm cụ thể và thời gian chính xác. Thẻ cách kín đáo và có khả năng tương tác liên tục. Điều này tag đảm bảo thiết bị có một định danh để có thể được nhận sẽ giúp ngành công nghiệp trò chơi phát triển hơn. dạng bởi các đặc tính duy nhất. Đó cũng chính là mức độ giao tiếp cơ bản đặc trưng của RFID và điều này hoàn toàn Với những tính năng ưu việt như đã nói ở trên, nhóm phù hợp với những gì mà IoT đòi hỏi. tác giả Trường Cao đẳng Công nghệ, Đại học Đà Nẵng đã
3. 26 Trần Duy Chung, Hoàng Bá Đại Nghĩa 6.1. Giới thiệu bộ điều khiển tích hợp IoT và dễ dàng để thực hiện các ứng dụng như: GSM, GPS, Wifi, 6.1.1. Cơ chế truyền giữa đầu đọc RFID và thẻ RFID Bluetooth, Ngoài ra, Shield có hỗ trợ Switch cho phép nạp chương trình cho Arduino mà không cần phải tháo board Đầu đọc RFID truyền một tín hiệu tần số vô tuyến điện thiết bị đang lắp trên Shield. Bên cạnh đó, với kích thước từ qua ăng-ten của nó đến một con chip được gắn trên thẻ tương đương với Arduino UNO [13], ngõ ra dữ liệu tương RFID. Reader nhận thông tin trở lại từ chip và gửi nó đến thích với các cổng vào ra của máy tính. máy tính điều khiển đầu đọc và xử lý thông tin tìm được từ con chip. Các con chip không tiếp xúc không tích điện, Mô hình giao tiếp giữa Arduino và máy tính thông qua chúng hoạt động bằng cách sử dụng năng lượng chúng cổng nối tiếp với máy tính: máy tính sẽ mở cổng COMx nhận từ tín hiệu được gửi bởi reader. Đây là một phương ( hoặc /dev/tty ), sau đó các nội dung trong output buffer pháp đáng tin cậy để phát hiện và giám sát điện tử, một của Arduino sẽ được truyền qua máy tính và lưu ở input dạng mới của phương pháp truyền thông tin vô tuyến. Cũng buffer. Máy tính đọc những dòng đó rồi quy ra lệnh (Serial có thể hiểu RFID như một loại mã vạch điện tử, trong đó Command), đồng thời trên Arduino cũng tồn tại song song dữ liệu được mã hóa dưới dạng bít, được truyền đi và nhận phương thức truyền dẫn giống như máy tính đã nêu trên. biết thông qua sóng vô tuyến. 6.2. Quá trình thiết kế lắp đặt hệ thống điều khiển tại phòng thí nghiệm thông minh Quá trình điều khiển Hình 3. Đầu đọc thẻ RFID Hình 7. Sơ đồ khối thiết kế hệ thống điều khiển điện Lưu đồ thuật toán của quá trình điều khiển được thể Hình 4. Thẻ RFID hiện trong Hình 8. Bộ đầu đọc RFID nhận thông tin từ thẻ tag, sau đó truyền về cho máy tính theo chuẩn RS232 (truyền nối tiếp). Dữ liệu trên tag mã hóa theo chuẩn EM4100 [11]. 6.1.2. Hệ thống kết nối đầu đọc thẻ vào máy tính thông qua boad Arduino Atmega2560 và Ethernet shield Hình 5. Dùng Arduino Atmega2560 và Ethernet shield [12] Hình 8. Lưu đồ thuật toán hệ thống Khi hệ thống hoạt động, đầu đọc RFID truyền một tín hiệu tần số vô tuyến điện từ qua ăng-ten của nó đến một con chip được gắn trên thẻ RFID. Đầu đọc nhận thông tin trở lại từ chip và gửi nó đến máy tính điều khiển, đầu đọc xử lý thông tin tìm Hình 6. Mô hình giao tiếp giữa Arduino và máy tính [14] được từ con chip máy chủ sẽ nhận các thông tin về sinh viên Arduino UNO Easy Shield là một board mở rộng cho vào phòng thí nghiệm. Nếu đúng với thông tin đã được cập Arduino UNO và những board tương thích với Arduino. Sản nhập vào máy chủ trước đó thì cửa sẽ mở để cho sinh viên phẩm hỗ trợ 2 ATCBus socket cho phép người dùng kết nối được vào phòng thí nghiệm (theo thứ tự từng người một), nếu những Easy Board với Arduino UNO một cách nhanh chóng sai cửa sẽ không mở. Hệ thống sẽ tiếp tục hiển thị trên web
4. ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 11(120).2017, QUYỂN 2 27 thông tin của sinh viên như: tên, ngày tháng năm sinh, mã sinh đồng thời cán bộ quản lý cũng xem được sinh viên đang viên, số lần thực hiện bài thí nghiệm trước đó, số bài hoàn làm bài nào trên mỗi bàn thí nghiệm. thành các bài thí nghiệm trước đó, ngày giờ vào phòng thí Điều khiển đóng mở cửa: thể hiện trạng thái cửa nghiệm, ngày giờ ra khỏi phòng thí nghiệm. Hệ thống tiếp tục vào, ra của phòng thí nghiệm. kích hoạt điện và các thiết bị thí nghiệm trên bàn tương ứng để sinh viên tiến hành thí nghiệm tiếp theo. Kết quả sẽ đưa ra Nhiệt độ của phòng thí nghiệm cũng được hiển thị máy in, lưu vào bộ nhớ và kết thúc. trên web. 6.3. Kết quả đọc được 7. Kết luận Tính đến thời điểm hiện tại, RFID vẫn là công nghệ phù hợp nhất hiện nay có thể áp dụng cho việc quản lý và vận hành các bài thí nghiệm trong phòng thí nghiệm đa chức năng. Chính vì vậy, đối với các phòng thí nghiệm định hướng phát triển theo hướng tự động hóa và hướng tới người dùng thì nên cân nhắc việc triển khai công nghệ RFID tích hợp IoT khi xây dựng kế hoạch cho phòng thí nghiệm hiện đại của mình. Khi đã hội tụ được các yếu tố: hệ thống bài thí nghiệm phù hợp, đa dạng tài nguyên thông tin, hạ tầng thiết bị hiện đại, chất lượng dịch vụ tốt, tính mở cao, thân thiện, hướng tới người dùng thì phòng thí nghiệm sẽ trở thành một điểm đến lý tưởng cho các bạn sinh viên đam mê nghiên cứu khoa học ứng dụng. Hướng phát triển: Tích hợp thêm công nghệ nhận dạng mặt người theo phương pháp PCA (Principal Component Hình 9. Kết quả hiển thị các thông tin về sinh viên trên Analysis). RFID không những khắc phục được những hạn điện thoại di động chế vốn có của hệ thống như có nhiều người dùng một thẻ mà RFID sẽ trở thành một công nghệ được ứng dụng rộng rãi trong tương lai, ví dụ như ứng dụng vào robot cho phép xây dựng hệ thống kiểm soát ra vào tự động và các bài toán liên quan đến việc xác thực. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Internet of Things, Strategic Research Roadmap, IoT%20SRA_IoT_v11_pdf.pdf59 Hình 10. Kết quả hiển thị các thông tin về sinh viên trên web [2] van-de-lien-quan-den-RFID-15/ Đây là kết quả hiển thị thông tin cá nhân của sinh viên [3] trên web và trên điện thoại, cán bộ quản lý sẽ cập nhập vào [4] kết quả này để xem thông tin. manor-1 [5] ên-cứu-xây-dựng-hệ- thống-quản-lý,-điều-hành-kho-thông-minh-Smart-Warehouse-dựa- trên-công-nghệ-RFID-và-hệ-thống-nhúng [6] [7] Bùi Thị Quỳnh Phương, Phát triển quy trình xác thực hộ chiếu điện tử tại Việt Nam, Luận văn thạc sĩ, Trường Đại học Công nghệ Hà Nội, 2010, trang 2. [8] INTERNATIONAL STANDARD © ISO/IEC, Final Committee Draft, ISO/IEC 14443-3 Part 3: Initialization and anticollision, 1999. [9] Nguyễn Thanh Thủy, Ứng dụng công nghệ RFID trong quản lý logistics cảng và khả năng phát triển ứng dụng tại các cảng Việt Nam, Trung tâm Đào tạo Logistics, Trường Đại học Hàng hải. Hình 11. Kết quả hiển thị các thông tin về bài thí nghiệm [10] INTERNATIONAL STANDARD © ISO/IEC, Final Committee Kết quả hiển thị trên web điều khiển các hoạt động Draft, ISO/IEC 14443-4 Part 4: Transmission protocol, 1998. trong phòng thí nghiệm được thể hiện như sau: [11] INTERNATIONAL STANDARD © ISO/IEC, Final Committee Cấp điện bàn thí nghiệm: nút điều khiển này nhằm Draft, ISO/IEC 14443-2 Part 2: Radio frequency power and signal interface, 1999. báo cho cán bộ quản lý biết và cho phép sinh viên được vào [12] Arduino Ethernet Shield, 2015, bàn thí nghiệm nào theo trình tự sinh viên đã đăng ký môn Ethernet Shield. học hay đã hoàn thành bài thí nghiệm nào trong môn học đó. [13] Arduino Mega 2560, 2015, Bài thí nghiệm: khi sinh viên đưa thẻ RFID vào bàn Board Mega 2560. thì bài thí nghiêm sẽ mở, kết quả sẽ trả về cho máy chủ và [14] truy nhập cuối cùng ngày 15/3/2017. (BBT nhận bài: 02/10/2017, hoàn tất thủ tục phản biện: 30/10/2017)