BÁO cáo bài tập lớn THIẾT kế TỔNG hợp hệ THỐNG đề tài thiết kế thiết bị chấm công bằng phương pháp trắc học nhận dạng vân tay sử dụng esp32

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG BÁO CÁO BÀI TẬP LỚN THIẾT KẾ TỔNG HỢP HỆ THỐNG Đề tài: Thiết kế thiết bị chấm công phương pháp trắc học nhận dạng vân tay sử dụng esp32 Giảng viên hướng dẫn: T.S Hàn Huy Dũng Sinh viên: Nguyễn Văn Dũng 20164312 Nguyễn Hữu Đức 20172478 Trần Xuân Vũ 20172923 Nguyễn Đình Trường 20172877 Hà Nội, 2021 download by : skknchat@gmail.com MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN 10 LỜI CẢM ƠN 10 TÓM TẮT 13 CHƯƠNG TỔNG QUAN 14 1.1 Đặt Vấn Đề 14 1.2 Mục tiêu 15 1.3 Nội Dung Thực Hiện 15 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÍ THUYẾT 16 2.1 Tổng quan Arduino 16 2.2 Tổng quan nhận dạng vân tay 16 2.2.1 Sự cần thiết nhận dạng ảnh sinh trắc 16 2.2.2 Mơ hình hệ thống nhận dạng ảnh vân tay 17 2.3 Giới thiệu linh kiện 18 2.3.1 ESP32 DEVKIT V1 18 2.3.2 Module cảm biến vân tay R305 19 2.3.3 Màn hình LCD 16x2 23 2.3.3.1 Giới thiệu: 23 2.3.3.2 Chi tiết 23 2.4 Các chuẩn giao tiếp 26 2.4.1 Chuẩn giao tiếp UART 26 2.4.2 Giao thức SPI 29 2.4.3 Giao tiếp I2C 32 CHƯƠNG 3: TÍNH TỐN VÀ THIẾT KẾ 36 3.1 Giới thiệu 36 3.2 Tính tốn thiết kế hệ thống 36 3.2.1 Thiết kế sơ đồ khối hệ thống 36 download by : skknchat@gmail.com 3.2.2 Tinh toán thiết kế mạch 37 3.2.3 Sơ đồ ngun lí tồn mạch 41 CHƯƠNG 4: THI CÔNG HỆ THỐNG 42 4.1 Giới thiệu 42 4.2 Thi công hệ thống 42 4.2.1 Thi công bo mạch hệ thống 42 4.2.2 Lắp ráp kiểm tra bo mạch hệ thống 44 4.3 Lập trình hệ thống 44 4.3.1 Lưu đồ giải thuật 44 4.3.2 Phần mềm lập trình cho vi điều khiển 45 download by : skknchat@gmail.com Danh mục hình vẽ Hình 2.1: Sơ đồ nguyên lý hoạt động 15 Hình 2.2: Sơ đồ chân ESP32 16 Hình 2.3: Module Nhận Dạng Vân Tay R305 17 Hình 2.4: Sơ đồ chân module R305 19 Hình 2.5: Hình dáng kích thức LCD 21 Hình 2.6: Sơ đồ chân LCD 21 Hình 2.7 Sơ đồ khối chip điều khiển LCD 23 Hình 2.8: Chuẩn giao tiếp UART 24 Hình 2.9: Sơ đồ khối UART 25 Hình 2.10: Truyền thơng UART 25 Hình 2.11: Quá trình truyền liệu 28 Hình 2.12: Các chế độ hoạt động SPI 29 Hình 2.13: Sơ đồ hoạt động I2C 30 Hình 2.14: Một master kết nối nhiều slave 31 Hình 2.15: Giao thức truyền liệu Mastẻ Slave 31 Hình 2.16: Điều kiện bắt đầu trình truyền liệu .32 Hình 2.17: Điều kiện dừng trình truyền liệu 33 Hình 3.1: Sơ đồ khối hệ thông cuẩ thiết bị 34 Hình 3.2: Khối xử lí trung tâm sử dụng ESP32 DEVKIT V1 35 Hình 3.3: LCD 20x4 36 Hình 3.4: Mạch chuyển giao tiếp LCD sang I2C 37 Hình 3.5: Sơ đồ nối dây hình ảnh thực tế bàn phím ma trận 4x4 37 Hình 3.6 Adapter 9V 2A 38 Hình 3.7 Sơ đồ ngun lí tồn mạch 39 Hình 4.1 Sơ đồ thiết kế mạch 40 Hình 4.2 Sơ đồ dạng 3D 41 Hình 4.3 Lưu đồ thuật toán điểm danh 43 Hình 4.4 Lưu đồ thuật tốn đăng kí vân tay 43 Hình 4.5 Giao diện lập trình arduino 44 Hình 4.6 Arduino Toolbar 44 download by : skknchat@gmail.com Danh mục bảng biểu Bảng 2.1: Thông số cảu ESP32 19 Bảng 2.2: Chức chân LCD 24 Bảng 2.3: Đặc tính điện chân giao tiếp 25 Bảng 4.1 Danh sách linh kiện 43 download by : skknchat@gmail.com BÀI TẬP LỚN MƠN THIẾT KẾ TỔNG HỢP HỆ THỐNG Nhóm: gồm viên sau: Nguyễn Văn Dũng Nguyễn Hữu Đức Trần Xuân Vũ Nguyễn Đình Trường TÊN ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ THIẾT BỊ CHẤM CÔNG BẰNG PHƯƠNG PHÁP TRẮC HỌC VÂN TAY SỬ DỤNG ESP32 AI NHIỆM VỤ Tìm hiểu nghiên cứu cấu tạo, nguyên lí hoạt động, chức module ESP32, cảm biến vân tay R305, module SD, module I2C LCD16x2 Tính tốn, thiết kế, xác định mơ hình thi cơng Chạy thử mơ hình hệ thống Test hệ thống Căn chỉnh, chỉnh sửa hệ thống Bảo vệ tập lớn BI NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 01/04/2021 IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: V HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS Hàn Huy Dũng I download by : skknchat@gmail.com BÀI TẬP LỚN MÔN THIẾT KẾ TỔNG HỢP HỆ THỐNG LỊCH TRÌNH THỰC HIỆN Thời gian bắt đầu/Thời gian kết thúc Nội dung nhiệm vụ Thành Viên thực nhiệm vụ download by : skknchat@gmail.com LỜI CAM ĐOAN Đề tài nhóm sinh viên nhóm gồm thành viên: Nguyễn Văn Dũng, Nguyễn Hữu Đức, Trần Xuân Vũ, Nguyễn Đình Trường tự thực hiện, dựa vào số tài liệu trước không chép từ tài liệu hay dự án có trước LỜI CẢM ƠN Sau q trình tìm hiểu, nghiên cứu thực tập lớn hoàn thành tiến độ, chúng em xin chân thành gửi lời cảm ơn sâu sắc đến quý thầy giúp đỡ cho nhóm em Chúng em xin cảm ơn đến thầy Hàn Huy Dũng, giảng viên trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội hướng dẫn tạo điều kiện để nhóm thực tốt đề tài Và chúng em xin cảm ơn đến thầy cô khoa Điện Tử- Viễn Thông Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội tận tình dạy dỗ giảng dạy cho chúng em kiến thức đến nâng cao tạo cho chúng em sở kiến thức vững vàng để hoàn thành đề tài Xin chân thành cảm ơn! download by : skknchat@gmail.com TÓM TẮT Ngày nay, với phát triển vượt bậc không học công nghệ, kéo theo công nghệ nhận dạng sinh trắc học phát triển Do tính bảo mật giá thành không đắt nên công nghệ nhận dạng vân tay sử dụng rỗng rãi đời sống Công nghệ nhận dạng vân tay tích hợp nhiều thiết bị điện tử mang lại ứng dụng cần thiết cho nhu cầu người Những ứng dụng hữu công nghệ nhận dạng vân tay qt vân tay để chấm cơng, quản lí cá nhân hay đóng mở cửa,…… Được gợi ý từ giáo viên hướng dẫn mong muốn tìm hiểu cơng nghệ phát triển giới Nên nhóm thực đồ án với mong muốn chế tạo hệ thống chấm công Hệ thống quét vân tay sử dụng kit ESP32 DEVKIT V1 Hệ thống bao gồm điểm danh nhân viên hệ thống quét vân tay Quá trình quét vân tay gửi lên google sheet nhắm ghi chép thời gian điểm danh nhân viên gồm ID, MSNV, Name… Hệ thống cho phép thêm vân tay … Mơ hình sử dụng ESP32 DEVKIT V1 làm vi điều khiển trung tâm dể điều khiển module mở rộng cảm biến vân tay R305, LCD16x2, Module SD,… download by : skknchat@gmail.com CHƯƠNG TỔNG QUAN 1.1 Đặt Vấn Đề Trong thời đại ngày nay, phát triển không ngừng không học kỹ thuật giúp cho người thuận tiện công việc hàng ngày Với bùng nổ công nghệ thơng tin, q trình tồn cầu hóa diễn nhanh chóng, bảo mật riêng tư thơng tin cá nhân để nhận biết người hàng tỉ người trái đất địi hỏi phải có tiêu chuẩn, hệ thống đảm nhận chức Cơng nghệ sinh trắc đời đáp ứng yêu cầu Nhiều công nghệ sinh trắc phát triển, số chúng sử dụng ứng dụng thực tế phát huy hiệu cao Các đặc trưng sinh trắc thường sử dụng vân tay, gương mặt, mống mắt, tiếng nói Mỗi đặc trưng sinh trắc có điểm mạnh điểm yêu riêng, nên việc sử dụng đặc trưng sinh trắc cụ thể tùy thuộc vào yêu cầu ứng dụng định Nhận dạng vân tay xem kỹ thuật nhận dạng hồn thiện đáng tin cậy Nhóm sinh viên định thực đề tài “Thiết kế thiết bị chấm công phương pháp trắc học nhân dạng vân tay sử dụng esp32” nhằm mục đích kiểm sốt tốt việc quản lí nhân viên công ty Dấu vân tay cá nhân độc không thay đổi suốt đời Vân tay tham số sinh học bất biến theo tuổi tác đặc trưng cho cá thể Mạng internet ngày phát triển, nhờ có mà sống công việc người ngày đại Vì vậy, việc truyền liệu lên mạng quản lí liệu vân tay internent trở nên tiện lợi, nhanh chóng xác Mặt khác, việc phát triển khơng ngừng vi xử lí cho đời nhiều loại sản phẩm thông minh nhỏ gọn, tích hợp nhiều chức cho người dùng dễ sử dụng Không thể không kể đến ESP32 DEVKIT V1- sản phẩm sử dụng toàn cầu có cộng đồng người dùng lớn ESP32 DEVKIT V1 kết hợp với nhiều module khác để tạo nên ứng dụng thiết thực cho sống đại Với đặc tính trên, nhóm định thực mơ hình bao gồm ESP32, module cảm biến vân tay, hình lcd, module i2c lcd, module SD để làm hệ thống quét vân tay quản lí nhân viên gửi liệu lên google sheet điểm danh nhân viên download by : skknchat@gmail.com Master Slave Các thiết bị kết nối với bus I2C phân loại thiết bị Chủ (Master) thiết bị Tớ (Slave) Ở thời điểm có thiết bị Master trang thái hoạt động bus I2C Nó điều khiển đường tín hiệu đồng hồ SCL định hoạt động thực đường liệu SDA Tất thiết bị đáp ứng hướng dẫn từ thiết bị Master Slave Để phân biệt nhiều thiết bị Slave kết nối với bus I2C, thiết bị Slave gán địa vật lý 7-bit cố định Khi thiết bị Master muốn truyền liệu đến nhận liệu từ thiết bị Slave, xác định địa thiết bị Slave cụ thể đường SDA sau tiến hành truyền liệu Vì vậy, giao tiếp có hiệu diễn thiết bị Master thiết bị Slave cụ thể Tất thiết bị Slave khác không phản hồi trừ địa chúng định thiết bị Master dịng SDA Hình 2.14: Một master kết nối nhiều slave Giao thức truyền liệu Dữ liệu truyền thiết bị Master thiết bị Slave thông qua đường liệu SDA nhất, thơng qua chuỗi có cấu trúc gồm số (bit) Mỗi chuỗi số gọi giao dịch (transaction) liệu giao dịch có cấu trúc sau: download by : skknchat@gmail.com Hình 2.15: Giao thức truyền liệu Mastẻ Slave download by : skknchat@gmail.com Start Condition Bất thiết bị chủ / IC định bắt đầu giao dịch, chuyển mạch SDA từ mức điện áp cao xuống mức điện áp thấp trước đường SCL chuyển từ cao xuống thấp Khi điều kiện bắt đầu gửi thiết bị Master, tất thiết bị Slave hoạt động chúng chế độ ngủ (sleep mode) đợi bit địa Hình 2.16: Điều kiện bắt đầu trình truyền liệu Khối địa Bao gồm bit lấp đầy với địa thiết bị Slave đến / từ thiết bị Master cần gửi / nhận liệu Tất thiết bị Slave bus I2C so sánh bit địa với địa chúng Bit Read/Write Bit xác định hướng truyền liệu Nếu thiết bị Master / IC cần gửi liệu đến thiết bị Slave, bit thiết lập ‘0’ Nếu IC Master cần nhận liệu từ thiết bị Slave, bit thiết lập ‘1’ Bit ACK, NACK ACK / NACK viết tắt Acknowledged/Not-Acknowledged Nếu địa vật lý thiết bị Slave trùng với địa thiết bị Master phát, giá trị bit set ‘0’ thiết bị Slave Ngược lại, mức logic ‘1’ (mặc định) download by : skknchat@gmail.com Khối liệu Bao gồm bit chúng thiết lập bên gửi, với bit liệu cần truyền tới bên nhận Khối theo sau bit ACK / NACK set thành ‘0’ bên nhận nhận thành cơng liệu Ngược lại, mức logic ‘1’ Stop Condition Sau khung liệu cần thiết truyền qua đường SDA, thiết bị Master chuyển đường SDA từ mức điện áp thấp sang mức điện áp cao trước đường SCL chuyển từ cao xuống thấp Hình 2.17: Điều kiện dừng trình truyền liệu download by : skknchat@gmail.com CHƯƠNG 3: TÍNH TỐN VÀ THIẾT KẾ 3.1 Giới thiệu Đề tài “Thiết kế thiết bị chấm công phương pháp trắc học nhận dạng vân tay sử dụng esp32” bao gồm: Hệ thống có chức sau: hệ thống điểm danh cho nhân viên cách tiến hành qt vân tay Sau đó, thơng tin nhân viên gửi lên Internet để ghi chép thời điểm điểm danh nhân viên… Thêm cho phép quản lí thêm vân tay, xóa vân tay 3.2 Tính tốn thiết kế hệ thống 3.2.1 Thiết kế sơ đồ khối hệ thống Hệ thống gồm khối ghép lại với theo nhiều hướng tạo nên hoạt động ổn định trình bày sơ đồ khối hình 3.1 sau: Hình 3.1: Sơ đồ khối hệ thông cuẩ thiết bị Chức khối: Khối nguồn: cung cấp nguồn 5V cho khối lại Khối xử lí trung tâm: thu thập liệu từ thiết bị sau xử lí điều khiển khối hiển thị khối server Khối ESP32 DEVKIT V1 thực Khối cảm biến vân tay: tiến hành quét vân tay nhân viên lưu trữ dấu vân tay Khối module cảm biến vân tay R305 thực Khối hiển thị: hiển thị thông tin chế độ hoạt động người dùng thao tác Khối sử dụng module lcd16x2 Khối điều khiển: Khối để người dung thực thi nhập mã số, phục vụ cho nhiệm vụ lưu trữ vân tay download by : skknchat@gmail.com 3.2.2 Tinh toán thiết kế mạch a Khối xử lí trung tâm ESP32 DEVKIT V1 sử dụng esp32 Nó có 25 chân digital I/O chân nguồn EN,VCC,GND , kết nối USB, jack cắm điện nút reset hình 3.2 Nó chứa tất thứ cần thiết để tạo thành khối xử lí trung tâm với đầy đủ port Ý tưởng thiết kế nhóm kết hợp nhiều module lại với nhau, có nhiều chân kết nối nên việc lựa chọn ESP32 DEVKIT V1 phù hợp Hình 3.2: Khối xử lí trung tâm sử dụng ESP32 DEVKIT V1 Trong trình kết nối module lập trình cho hệ thống: - Bộ nhớ sử dụng hết 930754 bytes vào khoảng 71% nhớ - Tổng số chân I/O sử dụng 16 chân, cơng thức tính dịng tiêu thụ: Dịng tiêu thụ = 16x40mA=640 mA b Khối cảm biến vân tay Khối cảm biến vân tay gửi tín hiệu khối xử lý, khối xử lý nhận tín hiệu chuyển đến khối khác để chuyển tín hiệu Đồng thời, khối cảm biến vân tay hoạt dộng khối xử lí trung tâm yêu cầu Trên thị trường có nhiều loại cảm biến vân tay đầu đọc vân tay R303S có khả lưu trữ 1000 mẫu vân tay, đầu đọc vân tay R101 có khả lưu trữ 1000 mẫu, module R301 có khả lưu trữ 500 mẫu vân tay, module R305 có khả lưu trữ 120 vân tay… Do đề tài nhóm thực quét vân tay cho nhân viên sử dụng khoảng 1000 vân tay nên lựa chọn module vân tay R305 để thực đề tài download by : skknchat@gmail.com Cảm biến vân tay R305 tích hợp xử lí hình ảnh tuật tốn xử lí chip Khả xử lí ảnh chụp tốt với độ phân giải đến 51x288 pixels Chuẩn giao tiếp: USBUART(TTL logical logic) từ 9600-115200 bps, sử dụng tốc độ mặc định 57600 bps đảm bảo truyền nhận xác liệu Bên cạnh thơng số khác như: + Điện áp cung cấp : 4.2 – 6.0 VDC + Dòng điện tiêu thụ: