Thiết kế và hoàn thiện mô hình cửa thông minh sử dụng Bluetooth và ứng dụng Aandroid

Bài viết Thiết kế và hoàn thiện mô hình cửa thông minh sử dụng Bluetooth và ứng dụng Aandroid trình bày việc thiết kế một hệ thống cửa thông minh điều khiển tự động theo thời gian thực sử dụng công nghệ bluetooth và ứng dụng andriod có khả năng ứng dụng cao trong cuộc sống hàng ngày. Việc triển khai phần cứng cho hệ thống khóa cửa bao gồm smartphone, các module cảm biến, ma trận phím làm nhiệm vụ chính, arduino nano và module bluetooth HC-05 tạo thành khối xử lý trung tâm xử lý dữ liệu và khóa điện từ hoạt động như một hệ thống khóa cửa. Mời các bạn cùng tham khảo!

Hội nghị Quốc gia lần thứ 25 Điện tử, Truyền thông Công nghệ Thông tin (REV-ECIT2022) Thiết Kế Và Hồn Thiện Mơ Hình Cửa Thơng Minh Sử Dụng Bluetooth Ứng Dụng Android Võ Văn Ân1, Nguyễn Thị Ngọc Thảo2 , Đinh Thế Mạnh2 Khoa Kỹ Thuật, Đại Học Quốc Tế Miền Đông Khoa Kỹ Thuật Công Nghệ, Đại Học Kinh Tế Kỹ Thuật Bình Dương Email: an.vovan@eiu.edu.vn, thao.ntn@ktkt.edu.vn, manh.dt@ktkt.edu.vn này, nhà nghiên cứu đề xuất nhiều mơ hình điều khiển cửa thơng minh Trong đó, hầu hết mơ hình cửa thơng minh điều sử dụng vi điều khiển arduino làm điều khiển trung tâm xử lý liệu [1] hay kết hợp vi điều khiển arduino công nghệ GSM làm tăng tính bảo mật, giúp người dùng giám sát trạng thái cửa lúc nơi qua tin nhắn SMS [2-3] Cùng với nhu cầu phát triển xã hội ngày cao yêu cầu người dùng cửa thông minh ngày khắc khe Các nhà nghiên cứu sử dụng công nghệ bluetooth [4] kết hợp với smartphone điều khiển cửa thông qua ứng dụng android [5-7] áp dụng thực tế với nhiều mơ hình đa dạng nhằm nâng cao mặc tiện lợi, dễ dàng sử dụng, kiểm sốt cửa đóng/mở cách tối ưu Những năm gần đây, với phát triển vượt bật công nghệ, trội dậy công nghệ IoT Hàng loạt nghiên cứu IoT đời Smart home [8], hiển thị giám sát thông tin led matrix[9],… Cùng với phát triển đó, nghiên cứu điều khiển cửa thông minh ứng dụng IoT [10-12] đời mang lại lụa chọn đa dạng cho người sử dụng Các nghiên cứu điều mục đích đưa giải pháp cửa thông minh để ứng dụng sống hàng ngày cách hiệu Abstract— Bài báo trình bày việc thiết kế hệ thống cửa thông minh điều khiển tự động theo thời gian thực sử dụng cơng nghệ bluetooth ứng dụng andriod có khả ứng dụng cao sống hàng ngày Việc triển khai phần cứng cho hệ thống khoá cửa bao gồm smartphone, module cảm biến, ma trận phím làm nhiệm vụ chính, arduino nano module bluetooth HC-05 tạo thành khối xử lý trung tâm xử lý liệu khóa điện từ hoạt động hệ thống khóa cửa Hệ thống cho phép người dùng giám sát điều khiển cửa thông qua module cảm biến, ma trận phím thiết bị smartphone thơng qua ứng dụng android Các thông tin sau thu thập từ module gửi xử lý trung tâm, sau xử lý trung tâm đưa lệnh điều đến khối động lực để điều khiển khóa điện từ (solenoid) đóng/mở cửa tự động Ngồi ra, khóa điện từ cịn điều khiển ứng dụng android cài đặt smartphone thông qua kết nối bluetooth với khối xử lý trung tâm Hệ thống thiết kế đơn giản, tiện lợi,giúp người dùng dễ dàng sử dụng, kiểm sốt cửa đóng/mở cách tự động tránh trường hợp xâm nhập trái phép xảy ngơi nhà Keywords- Arduino, Bluetooth, Solenoid lock, RFID, Smart door I GIỚI THIỆU Trong xã hội văn minh đại, cửa phận thiếu cơng trình kiến trúc Nhưng hầu hết loại cửa bình thường mà sử dụng lại có nhược điểm gây phiền tối cho người sử dụng là: cửa đóng mở có tác động người vào Việc thiết kế loại cửa tiện ích hơn, đa hơn, phục vụ tốt cho đời sống người vô cần thiết Do vậy, cần phải thiết kế loại cửa tự động khắc phục tốt nhược điểm cửa thường Xuất phát từ nhu cầu đó, cửa tự động thiết kế để tạo loại cửa vừa trì yêu cầu trước vừa khắc phục nhược điểm cửa thường Vì sử dụng cửa tự động người dùng trực tiếp tác động trực tiếp lên cánh cửa mà đóng, mở cửa theo ý muốn Để giải ý tưởng ISBN 978-604-80-7468-5 Nội dung nghiên cứu báo phát triển hệ thống phần cứng chương trình máy tính để giám sát điều khiển cửa thơng minh, từ dễ dàng sử dụng, kiểm sốt cửa đóng/mở cách tự động Phần cứng phát triển Arduino nano V3 Phần miềm phát triển dựa ứng dụng MIT App Inventor Cấu trúc báo gồm: phần - đặt vấn đề Phần đề xuất cấu trúc thiết kế hệ thống cửa thông minh sử dụng bluetooth ứng dụng android Phần trình bày kết thiết kế hoạt động mơ hình cửa thông minh Cuối phần kết luận tài liệu tham khảo 382 Hội nghị Quốc gia lần thứ 25 Điện tử, Truyền thông Công nghệ Thơng tin (REV-ECIT2022) B Lưu đồ thuật tốn II XÂY DỰNG MƠ HÌNH CỬA THƠNG MINH Cấu trúc mơ hình cửa thơng minh dựa cơng nghệ bluetooth đề xuất nghiên cứu thể hình Trong đó, khối xử lý trung tâm có chức cập nhật thông tin từ module RFID, cảm biến, ma trận phím truyền liệu tới khối hiển thị điều khiển gồm LCD, ứng dụng android, khóa điện từ đươc kết nối với khối động lực điều khiển thơng qua khối phím nhấn ứng dụng android smartphone Sau khởi tạo hệ thống, thơng tin liệu cảm biến, ma trận phím, module RFID trạng thái điều khiển cửa kiểm tra, hiển thị hình LCD hệ thống kết nối với bluetooth để điều khiển cửa smartphone (hình 3) Module RFID phải mã hóa với mơ hình cho phép quét thẻ mở cửa không lần, sau lần qt thẻ khơng hệ thống khóa cửa vĩnh viễn cần reset lại hệ thống mở cửa trạng thái ban đầu (hình 4) Tương tự, nhập mật khơng q lần lần cho phép hệ thống khóa vĩnh viễn cần reset lại hệ thống hoạt động bình thường (hình 5) Bên cửa trang bị cảm biến hồng ngoại nên có người lại gần chốt tự động mở khóa (hình 6) Sau thực thao tác mở cửa từ module RFID, ma trận phím điều khơng khả thi hệ thống kết nối với module bluetooth HC-05 thực thao tác kết nối truy cập ứng dụng android để thực thao tác mở cửa thơng qua smartphone (hình 7) Hình Mơ hình cửa thơng minh sử dụng công nghệ bluetooth A Sơ đồ khối hệ thống Trong báo, tác giả trình bày thiết kế hệ thống cửa thơng minh (hình 2) Hệ thống điều khiển tác giả thiết kế sử dụng kit Arduino Nano V3 kết nối với module bluetooth HC-05 tạo thành khối xử lý trung tâm thực chức cập nhật thông tin từ module RFID, cảm biến hồng ngoại, ma trận phím hiển thị hình LCD khối động lực điều khiển khóa điện từ solenoid đóng/mở thơng qua liệu nhận từ module RFID, ma trận phím cảm biến hồng ngoại Ngồi ra, khóa điện từ solenoid cịn điều khiển thơng qua ứng dụng android smartphone Hình Chương trình tồn hệ thống Hình Chương trình qt thẻ RFID Hình Sơ đồ khối mơ hình cửa thơng minh ISBN 978-604-80-7468-5 383 Hội nghị Quốc gia lần thứ 25 Điện tử, Truyền thông Công nghệ Thông tin (REV-ECIT2022) III KẾT QUẢ HOẠT ĐỘNG HỆ THỐNG A Mô hình cửa thơng minh Phần cứng thiết kế sở cấu trúc hình Các module phần cứng thiết kế tách biệt bao gồm khối xử lý trung tâm, khối động lực điều khiển khóa điện từ solenoid, khối hiển thị, khối cảm biến, khối ma trận phím module RFID (hình 9) Hình ảnh mạch in mạch sau phần cứng mơ hình hiển thị (hình 8) Hình Chương trình nhập mật từ ma trận phím Hình Sơ đồ mạch in phần cứng mặt sau mơ hình cửa thơng minh Hình Chương trình cảm biến hồng ngoại Hình Phần cứng mặt trước mơ hình cửa thơng minh Kit arduino Nano V3 sử dụng chip Atmega328-AU có lõi xử lý ARM 32-bit Cortex M3 với clock speed 16Mhz, 32 kbytes nhớ Flash (bộ nhớ lập trình), 2kbytes SRAM, nguồn điện 7-12VDC Kit arduino Nano V3 thiết kế với nhiều cổng I/O để kết nối với loại thiết bị I/O khác nhau, Công suất Micro USB; Cổng GPIO; serial port, SPI, I2C, PWM pins, external interrupt pins, kết nối thiết bị ngoại vi [13] (hình 10) Module bluetooth HC-05 kết nối với kit arduino Nano V3 giao thức UART, pin RX module bluetooth HC-05 kết nối với pin TX kit arduino Nano V3, pin TX module bluetooth HC05 kết nối với pin RX kit arduino Nano V3, pin GND module bluetooth HC-05 kit arduino Nano V3 kết nối với Hình Chương trình kết nối với bluetooth ISBN 978-604-80-7468-5 384 Hội nghị Quốc gia lần thứ 25 Điện tử, Truyền thông Công nghệ Thông tin (REV-ECIT2022) Hình 13 mơ tả sơ đồ ngun lý module bàn phím 4x4 Tuy có đến 16 nút nhấn, nghĩa làm cách thông thường (dùng chân digital) phải cần đến 16 chân Arduino để đọc Nhưng với bàn phím này, cần dùng chân (4 chân hàng ngang (row), chân cột dọc (column)) Module thiết lập cung cấp mật cho arduino nano điều khiển khóa điện từ Hình 10 Kit arduino Nano V3 Module Bluetooth HC-05 module Bluetooth SPP (Giao thức cổng nối tiếp) dễ sử dụng, thiết kế để thiết lập kết nối nối tiếp không dây, giúp dễ dàng giao tiếp với điều khiển PC Mô-đun Bluetooth HC05 cung cấp chế độ chuyển đổi chế độ chế độ phụ, có nghĩa sử dụng nhận truyền liệu Module Bluetooth HC-05 thiết kế nhỏ gọn, chân tín hiệu giao tiếp nút bấm để vào chế độ AT COMMAND, mạch sử dụng nguồn 3.3 VDC VDC, thiết lập UART với nhiều tốc độ khác nhau, tần số sử dụng 2.4GHz ISM band, thích hợp cho nhiều ứng dụng khác nhau: Robot Bluetooth, điều khiển thiết bị qua Bluetooth, Module kết nối với arduino nano smartphone Khóa điện từ giám sát điều khiển smartphone thông qua ứng dụng android (hình 11) Hình 13 Module ma trận phím 4x4 Cảm biến có khả nhận biết vật cản môi trường với cặp LED thu phát hồng ngoại để truyền nhận liệu hồng ngoại Tia hồng ngoại phát với tần số định, có vật cản đường truyền LED phát phản xạ vào LED thu hồng ngoại, LED báo vật cản module sáng, khơng có vật cản, LED tắt (hình14) Hình 14 Module cảm biến hồng ngoại Tác giả sử dụng khóa chốt điện từ LY-01 có chức hoạt động ổ khóa cửa sử dụng Solenoid để kích đóng mở điện hoạt động dựa tín hiệu điều khiển từ arduino nano board (hình 15) Hình 11 Module Bluetooth HC-05 Module RFID RC522 sử dụng IC MFRC522 Phillip dùng để đọc ghi liệu cho thẻ NFC tần số 13.56Mhz, với mức giá rẻ, thiết kế nhỏ gọn (hình 12) Module thiết lập cung cấp liệu đầu vào cho arduino nano điều khiển khóa điện từ Hình 15 Khóa chốt điện từ LY-01 Phần miềm MIT App Inventor dành cho Android ứng dụng web nguồn mở ban đầu cung cấp Google trì Viện Cơng nghệ Massachusetts (MIT) Nền tảng cho phép nhà lập Hình 12 Module RFID RC522 ISBN 978-604-80-7468-5 385 Hội nghị Quốc gia lần thứ 25 Điện tử, Truyền thông Cơng nghệ Thơng tin (REV-ECIT2022) trình tạo ứng dụng phần mềm cho hệ điều hành Android (OS) Bằng cách sử dụng giao diện đồ họa, tảng cho phép người dùng kéo thả khối mã (blocks) để tạo ứng dụng chạy thiết bị Android Với ưu điểm đó, tác giả sử dụng MIT App inventor để tạo ứng dụng android giao tiếp với arduino nano thông qua module bluetooth Hc-05 ứng dụng android xây dựng với giao diện gồm: nút kết nối thiết bị hiển thị trạng thái kết nối, nút ngắt kết nối nút mở cửa với logo trường Đại Học Quốc Tế Miền Đông (hình 16) Hình 17 Mơ hình cửa thơng minh sử dụng bluetooth Hình 16 Giao diện thiết kế ứng dụng android Hình 18 mơ tả giao diện điều khiển cửa thông minh ứng dụng android sử dụng smartphone Giao diện android dễ sử dụng, thân thiện với người dùng Để sử dụng ứng dụng android, phải thực bước sau:  Bước 1: Chúng ta phải có Smartphone hệ điều hành Androi phần mềm mở khóa sẻ cung cấp tác giả Sau cài App App bình thường cho phép máy cài đặt  Bước 2: Sau cài đặt Thành công mở App mở chức Bluetooth máy Sau quay lại giao diện App nhấn vào phần Connet to Device chọn tên Bluetooth HC-05 nhấn vào phần mềm sẻ tự kết nối  Bước 3: Sau muốn mở nhấn vào nút có biểu tượng logo trường Đại Học Quốc Tế Miền Đơng mơ hình sẻ mở khóa cửa B Kết thực nghiệm Tiến hành chạy thử nghiệm mơ hình cửa thơng minh hình 17 Hệ thống hoạt động theo trường hợp sau: Cấp nguồn 12VDC - 2A cho hệ thống đợi khoảng 3s để hệ thống khởi động Trường hợp 1: Sử dụng thẻ RFID “ Mơ hình nhận thẻ RFID mã hóa với mơ hình”  Nếu thẻ mơ hình sẻ mở chốt đồng thời báo đèn tín hiệu hình LCD sẻ thị thẻ “Thẻ mời vào”  Nếu thẻ sai Màn hình sẻ thị “Thẻ sai” hiển thị số lần sai lần hiển thị “ Khóa Vĩnh Viễn” phải reset lại hệ thống Trường hợp 2: Sử dụng mật  Nếu nhập mật lập trình sẳn “ MK:123456” mở chốt hiển thị LED hình LCD hiển thị “ Password đúng”  Nếu nhập sai sẻ thị “Password sai số lần” lần hiển thị “ Khóa Vĩnh Viễn” phải reset lại hệ thống Trường hợp 3: Trường hợp người bên phòng ra:  Bên phía cửa trang bị cảm biến hồng ngoại nên có người tới gần chốt sẻ tự động mở khóa ISBN 978-604-80-7468-5 386 Hội nghị Quốc gia lần thứ 25 Điện tử, Truyền thông Công nghệ Thông tin (REV-ECIT2022) TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8] [9] Hình 18 Giao diện điều khiển cửa thơng minh ứng dụng android IV KẾT LUẬN [10] Bài báo giới thiệu hệ thống cửa thông minh sử dụng công nghệ bluetooth ứng dụng android Về hệ thống thử nghiệm thành cơng để kiểm sốt cửa mật khẩu, module RFID, cảm biến hồng ngoại smartphone thông qua ứng dụng android Hệ thống thiết kế nhỏ gọn, tiện lợi với nhiều chức cho người dùng dễ dàng sử dụng bảo mật dùng thẻ RFID, bảo mật mật smartphone kết nối qua thiết bị bluetooth thông qua ứng dụng android Với khả đáp ứng nhanh hiệu quả, hệ thống có tính ứng dụng cao chi phí thấp yêu cầu người dùng việc kiểm sốt cửa đóng/mở tự động nhằm giảm thiểu trường hợp cấp đáng tiếc xảy ngơi nhà [11] [12] [13] LỜI CẢM ƠN Chúng xin chân thành Cảm ơn trường Đại Học Quốc Tế Miền Đông Đã hổ trợ dự án ISBN 978-604-80-7468-5 387 Satyam Mishra, Omkar Mohite , Prof Swapnil Kharat, “Smart Door Lock System Using Arduino,” International Research Journal of Modernization in Engineering Technology and Science, vol 4, pp.1053-1057, 2022 Sialee Leekongxue, Li Li, Tomas Page, “Smart Door Monitoring and Locking System using SIM900 GSM Shield and Arduino UNO,” International Journal of Engineering Research & Technology (IJERT), Vol 9, pp 47-52, 2020 Abdullah Hamas, Amgad Muneer, Suliman Mohamed Fati, “Smart Security Door System Using SMS Based Energy Harvest,” International Journal of Electrical and Computer Engineering (IJECE), vol 11, pp.3410-3423, 2021 Hardik Sharma, Harsh Sharma, Dr Manish Mukhija, “Smart Door Lock Using Bluetooth,” International Journal of Research Publication and Reviews, Vol 2, pp 950-952, 2021 Adarsh V Patil, Sreevarsha Prakash, Akshay S, Mahadevaswamy, CHandanB Patgar, Sharath Kumar A J, “Android Based Smart Door Locking System,” International Journal of Engineering Research & Technology (IJERT), Vol 6, pp 1-4, 2018 Bhaktishwar Rajiwade, Shital Thakar, Payal Pokharkar, Shankar Malbhare, “Design and Implementation of Smart Door Lock Control System using Bluetooth Controller of Smart Phone,” International Research Journal of Engineering and Technology (IRJET), Vol 3, pp 482-484, 2016 Ketan Rathod, Prof.Rambabu vatti, Mandar Nandre, Sanket Yenare, “Smart Door Security Using Arduino And Bluetooth application,” International Journal Of Current Engineering And Scientific Research (IJCESR), Vol 4, pp 73-77, 2017 Prof.H.B.Shinde, Abhay Chaudhari, Prafull Chaure, Mayur Chandgude, Pratik Waghmare “Smart Home Automation System using Android Application,” International Research Journal of Engineering and Technology (IRJET), pp 24082411, 2017 Võ Văn Ân, Trần Thị Hoàng Oanh, Đinh Thế Mạnh, “Ứng Dụng Công Nghệ IoT Xây Dựng Mơ Hình Cập Nhật Dữ Liệu Và Giám Sát Thơng Tin Sử Dụng Led Matrix,” Hội nghị Quốc gia Ứng dụng Công nghệ thông minh Công nghiệp 4.0, Thành phố thông minh Phát triển bền vững (STAIS 2022) , pp 11-14, 2022 Amulya Devineni, Deepa Malimath, Keerthi Lotlekar, Namita Kanthi and Vishwanath P Baligar, “Smart Door Using IoT,” International Journal Of Research In Electronics And Computer Engineering, Vol 7, pp 3155-3158, 2019 Rahul Satoskar, Akarsh Mishra, “Smart Door Lock and Lighting System using Internet of Things,” (IJCSIT) International Journal of Computer Science and Information Technologies, Vol 9, pp 132-135, 2018 Payel Thakur, Ayush Shetty, Manthan Parvadia, Onkar Pokharkar, Shubham Shinde, “IoT Enabled Smart Door Locks,” Conference On Technologies For Future Cities (CTFC), pp 1-4, 2019 HK Shan Hai Group Limited: Nano v3.0, Original document HK Shan Hai Group Limited, 2020  ... Miền Đơng (hình 16) Hình 17 Mơ hình cửa thơng minh sử dụng bluetooth Hình 16 Giao diện thiết kế ứng dụng android Hình 18 mơ tả giao diện điều khiển cửa thông minh ứng dụng android sử dụng smartphone... [5] [6] [7] [8] [9] Hình 18 Giao diện điều khiển cửa thông minh ứng dụng android IV KẾT LUẬN [10] Bài báo giới thiệu hệ thống cửa thông minh sử dụng công nghệ bluetooth ứng dụng android Về hệ... bluetooth HC-05 thực thao tác kết nối truy cập ứng dụng android để thực thao tác mở cửa thơng qua smartphone (hình 7) Hình Mơ hình cửa thông minh sử dụng công nghệ bluetooth A Sơ đồ khối hệ thống