XÂY DỰNG GIẢI PHÁP CỬA THÔNG MINH “CIT SMART DOOR” TRÊN NỀN TẢNG CÔNG NGHỆ KHÔNG DÂY BLUETOOTH VÀ ỨNG DỤNG DI ĐỘNG ANDROID

Nguyễn Anh Tuấn, Lã Trung Kiên 64 XÂY DỰNG GIẢI PHÁP CỬA THÔNG MINH “CIT SMART DOOR” TRÊN NỀN TẢNG CÔNG NGHỆ KHÔNG DÂY BLUETOOTH VÀ ỨNG DỤNG DI ĐỘNG ANDROID BUILDING UP A SMART DOOR SOLUTION “CIT SMART DOOR” BASED ON BLUETOOTH WIRELESS TECHNOLOGY AND ANDROID MOBILE APPLICATION Nguyễn Anh Tuấn, Lã Trung Kiên Trường Cao đẳng Công nghệ Thơng tin, Đại học Đà Nẵng; tuanna@ud.edu.vn; kienfinal@yahoo.com.au Tóm tắt - Hiện nhu cầu ngành tự động hóa ứng dụng di động ngày tăng, đặc biệt ứng dụng kiểm sốt thơng minh Trong báo chúng tơi trình bày hệ thống kiểm sốt cửa thơng minh CIT Smart Door dựa tảng công nghệ không dây Bluetooth, ứng dụng di động Android nguyên mẫu phần cứng tích hợp vào cửa Nguyên mẫu phần cứng tích hợp vào hệ thống cửa thiết kế với vi điều khiển PIC với trọng tâm khả khóa mở khóa Các điện thoại di động hệ điều hành Android truy xuất vào hệ thống bảo mật cửa thông qua qua Bluetooth Hệ thống thiết kế có ưu việt so với hệ thống nhà thơng minh có thị trường Hệ thống đề xuất để trì an tồn phịng thực hành thí nghiệm Lab CIT [1] Abstract - Nowadays the demand for automating mobile applications, especially intelligent control ones, has become more and more increasing This paper presents a smart control system “CIT Smart Door” which is based on the Bluetooth wireless technology, Android mobile applications and a hardware prototype integrated into the door The integrated hardware prototype system has been designed with PIC microcontrollers which focus on the capability of locking and unlocking the door The smartphones run by the Android operating system can access the security system of the door via Bluetooth This system has been designed to prevail over the existing smart home systems in the market and it is recommended to be used for maintaining the safety of the CIT Lab [1] Từ khóa - cửa khóa thơng minh; bluetooth; android; PIC; nhà thông minh Key words - smart lockdoor; bluetooth; android; PIC; smart home Đặt vấn đề Ngày công nghệ trở thành phần tích hợp vào sống người Nó đã, tiếp tục ảnh hưởng đến nhiều khía cạnh sống hàng ngày Việc tạo thiết bị công nghệ điện thoại di động giúp người dựa vào công nghệ để giao tiếp với bạn bè thiết bị khác Một lĩnh vực mà gần trở nên phổ biến hệ thống tự động hóa nhà thơng minh, tức người sử dụng điện thoại thông minh thiết bị có chức điều khiển trung tâm Chức chủ đạo hệ thống nhà thông minh khả kiểm sốt ổ khóa cửa sử dụng ứng dụng điện thoại thông minh thông qua mạng Internet công nghệ không dây Tuy nhiên, với việc triển khai giải pháp nhà thơng minh địi hỏi khách hàng phải tốn chi phí thời gian triển khai lớn, chưa kể nhiều hệ thống tích hợp đòi hỏi phải triển khai thời điểm bắt đầu xây dựng nhà Một số hệ thống nhà thơng minh đơn giản địi hỏi phải có nhiều chuẩn kết nối, ví dụ Internet địi hỏi thêm thiết bị phát wifi yêu cầu nhiều chuẩn giao tiếp hơn, điều mà nhiều thiết bị đầu cuối di động chưa trang bị kịp Do đó, nhu cầu cần thiết kế giải pháp đơn giản phù hợp Bài báo đặt mục mục tiêu thiết kế giải pháp khóa mở khóa cửa với tiêu chí: chi phí triển khai thấp cấu hình mã nguồn mở Android tảng hệ điều hành di động miễn phí, giúp nhà phát triển tạo nhiều ứng dụng kho ứng dụng di động Công nghệ Bluetooth công nghệ sử dụng rộng rãi nhà phát triển thiết bị tự động hóa Cơng nghệ Bluetooth kết nối thiết bị kỹ thuật số phạm vi 10m đến 100m với tốc độ lên đến Mbps [2], [3] Với giao tiếp khoảng cách ngắn, công nghệ Bluetooth tạo thành mạng lưới thiết bị kỹ thuật số, thiết bị gia dụng thiết bị giao tiếp với cách tốt Sự kết hợp ứng dụng Android, cơng nghệ Bluetooth giải pháp đơn giản, thích hợp cho việc điều khiển khóa mở khóa cửa phạm vi gần Trong báo trình bày hệ thống kiểm sốt cửa thơng minh CIT Smart Door dựa tảng công nghệ không dây Bluetooth, ứng dụng di động Android nguyên mẫu phần cứng tích hợp vào hệ thống cửa Bài báo gồm phần: Phần đặt vấn đề; Phần mơ tả, khảo sát sản phẩm có thị trường để giải vấn đề đặt (Trong phần chúng tơi phân tích rõ tính năng, cơng nghệ sản phẩm đó); Phần trình bày mơ hình tổng thể, cách tiếp cận, phương pháp, công cụ để thiết kế hệ thống (Phần bao gồm thiết kế nguyên phần cứng tích hợp vào ổ khóa cách thiết kế ứng dụng Android để điều khiển Phần đưa phân tích, thảo luận kết đạt được); Phần kết luận nêu hướng phát triển nghiên cứu giải pháp đề xuất Khảo sát giải pháp có 2.1 Thực trạng Ba ví dụ sản phẩm khóa cửa ứng dụng di động thơng minh có mặt thị trường nay: 2.1.1 Lockitron Lockitron sản phẩm tương tự mục tiêu đặt Hiện sản phẩm có thị trường [3] giới thiệu hội chợ CES 2015 [8] Lockitron thay chốt cửa (thể Hình 1), đặt vào ổ khóa cửa từ bên trong, người thuê nhà phép sử dụng sản phẩm dễ dàng tháo lắp nơi khác ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 12(97).2015, QUYỂN 65 Hình Hình ảnh thực tế sản phẩm Lockitron Lockitron cho phép người sử dụng để khóa cửa họ từ nơi giới thông qua WiFi Ứng dụng cài hệ điều hành iOS Android Có nhiều cách để mở khóa khóa cửa: Nó có chức điều khiển qua lệnh tin nhắn văn đơn giản, điều khiển thông qua mạng Internet, cách sử dụng Bluetooth 4.0 đến cửa, thông qua NFC 2.1.2 UniKey Kevo Hình Hình ảnh thực tế sản phẩm UniKey Kevo Sản phẩm Kevo sử dụng công nghệ không dây Bluetooth lượng thấp để phát người dùng đứng gần cửa vào khóa mở khóa cửa [9] Các khóa thể số 2, có tính để phát người dùng bên hay bên cửa để ngăn chặn truy cập trái phép Các ứng dụng điều khiển có sẵn điện thoại di động thơng minh phổ dụng iPhone 5, Galaxy S4, HTC One Bộ điều khiển mở cửa sử dụng pin AA có thời hạn sử dụng năm Các khóa thay chốt cửa thiết kế để dễ dàng cài đặt 2.1.3 Bkav Smarthome Đây giải pháp nhà thông minh tập đồn BKAV Giải pháp khóa mở khóa sử dụng công nghệ Zigbee, Wifi [4] Ưu nhược điểm công nghệ sử dụng không dây thiết bị điều khiển thiết bị di động, nhiên hệ thống kết nối với thiết bị cửa phải có dây, khơng địi hỏi phải thay đổi thiết kế hạ tầng điện dây kết nối phải chạy với thiết bị Access Point [12] Điều làm q trình thi cơng khơng khả thi đối tượng khách hàng khơng có nhu cầu giải pháp hồn mỹ Hệ thống BKAV SmartHome địi hỏi phải có kết nối Internet để thiết bị thơng minh tương tác tồn thiết bị nhà, cần thêm nhiều thiết bị đầu cuối phát Access Point cho wifi nhiều chuẩn giao tiếp Transfer Jet [12], điều mà nhiều thiết bị đầu cuối di động chưa trang bị Hình Hình ảnh sản phẩm Smart Door BKAV SmartHome 2.2 Nhận xét Chúng cho hệ thống tốt vấn đề an toàn bảo mật, vấn đề thẩm mỹ triển khai lắp đặt Pin Lockitron Unikey kéo dài đến năm, gửi thơng báo lượng cịn mức thấp Các sản phẩm triển khai nhiều doanh nghiệp, hộ gia đình nhiều quốc gia, nên tính hồn thiện giải pháp ưu điểm lớn Tuy nhiên, có vấn đề hay gặp trường hợp Lockitron, có nhiều biến thể khác ổ khóa cửa, người dùng phải in mẫu để kiểm tra xem Lockitron phù hợp vào ổ khóa cửa Apigy phát hành API cho phép người sử dụng viết chương trình riêng để điều khiển khóa thơng qua kịch [3] Tuy nhiên, chúng tơi cho tính xa xỉ khách hàng dùng cuối phù hợp cho người phát triển Sản phẩm BKAV Smarthome thiết kế cho đối tượng doanh nghiệp cao cấp Chúng cho sản phẩm không phù hợp với đối tượng người sử dụng bình thường, quan tâm yếu tố giá thành tốt, đáp ứng ngun tắc an tồn bảo vệ cửa khơng quan tâm tới yếu tố kĩ thuật Thiết kế hệ thống Với mục tiêu đề thiết kế giải pháp khóa mở khóa cửa thơng minh chi phí thấp, đáp ứng yêu cầu bảo mật, đề xuất giải pháp cửa thông minh CIT Smart Door Hệ thống bao gồm trung tâm thiết bị tích hợp vào ổ khóa ứng dụng Android giao tiếp với thiết bị Bluetooth Thiết kế mơ hình hệ thống thể Hình Hình Mơ hình hệ thống hoạt động CIT Smart Door 3.1 Thiết kế phần cứng tích hợp Ngun mẫu phần cứng tích hợp vào ổ khóa cửa thể Hình Để truy cập vào phần cứng chính, người sử dụng phải nhập mật để kích hoạt tính Bluetooth kết nối phần cứng Nguyên mẫu phần cứng tích hợp mạch vi điều khiển PIC Nguyễn Anh Tuấn, Lã Trung Kiên 66 16F877A [10 Đặc biệt, có thay đổi thiết kế phần mềm điều chỉnh mạch thuận lợi mô hãng phần cứng cung cấp 3.1.1 Lựa chọn mạch nạp Bluetooth 4.0 phiên công nghệ không dây Bluetooth thực số điện thoại thông minh Samsung Galaxy S5 Iphone Nó thực nhiều điện thoại thông minh năm tới [5] Đặc điểm quan trọng Bluetooth 4.0 tiết kiệm hiệu tương tác, sử dụng thiết bị Bluetooth 4.0 cảm thấy hài lòng vấn đề pin so với chuẩn giao tiếp khác Wifi, NFC hay Bluetooth phiên cũ Chúng định chọn giao thức vấn đề chuẩn kết nối cho hiệu cao, vấn đề pin sử dụng khiến người lo ngại chuẩn giao tiếp Hơn nữa, giao thức thêm vào Bluetooth 4.0 BLE [6] BLE thiết kế cho thiết bị thu thập khối lượng thông tin nhỏ thường xuyên [7] Thiết kế cho phép thời hạn pin điện thoại di động sử dụng kéo dài 3.1.2 Mô tả Bluetooth mạch nạp PIC Trong mạch nạp này, Module Bluetooth sử dụng cho mục đích giao tiếp với hệ thống Android Module thiết bị nối tiếp truyền đạt với điều khiển trung tâm cách sử dụng giao thức RS Một bàn phím 4x3 hình LCD sử dụng để cung cấp mật để kiểm tra tình trạng hệ thống - Về thẩm mỹ: Sản phẩm nguyên dạng thô nên hạn chế mặt thẩm mỹ Q trình thiết kế mạch nạp, chúng tơi thiết kế phần cứng mạch gốc PIC, chưa thực khâu rút gọn, tinh giảm thiết kế nhận diện, thẩm mỹ nên kích thước phần cứng cịn to chưa có mẫu mã đẹp Chúng cho hạn chế giải pháp so với sản phẩm thương mại hóa thị trường - Chi phí thời gian triển khai: Các sản phẩm cam kết trình khảo sát, tiến hành triển khai nghiệm thu vòng khoảng 07-10 ngày [3, 9] Quá trình phải thực nhà khách hàng tiến hành xây dựng phần thô Riêng giải pháp CIT Smart Door với thiết kế mạch nối đơn giản thời gian triển khai hồn tồn nhanh, đơn giản, tích hợp với nhiều ổ khóa cửa - Về bảo mật an ninh: Mạch tích hợp với phần cứng xử lý vấn đề phần cứng ngưỡng an tồn có tác động, chưa đề cập đến lực tác động mạnh người dùng Đây điểm hạn chế đề xuất phần cứng 3.2 Thiết kế ứng dụng Android 3.2.1 Cách thức giao tiếp Android Mạch nạp PIC Bluetooth hỗ trợ thư viện Android SDK 4.4 [11], nên để chạy ứng dụng di động CIT Door, điện thoại khách hàng phải cài hệ điều hành Android Kitkat 4.4 trở lên Cách thức ứng dụng truy cập thiết bị mở Bluetooth mô tả biểu đồ sau: Bắt đầu Cấp quyền cho ứng dụng truy cập BLUETOOTH thơng qua AndroidManifest: android.permission.BLUETOOTH Hình Thiết kế hệ thống mạch điều khiển PIC 16F877A Module bàn phím sử dụng để giúp người dùng cung cấp mật thao tác cho hệ thống khóa cửa, để bật tính Bluetooth kết nối với ổ khóa cửa Đây tính quan trọng để ứng dụng di động Android tương tác trực tiếp đứng gần phần cứng Kiến trúc làm việc để kiểm sốt cửa dễ dàng thơng qua giao diện người dùng đơn giản Ứng dụng di động tương tác hoạt động có người dùng tương tác bên vào bàn phím 3.1.3 Nhận xét - Về công nghệ: Chúng chọn chuẩn Bluetooth 4.0 lý tiết kiệm hiệu sử dụng pin, tích hợp tốt với mạch PIC đơn giản, dễ thiết kế cài đặt Tuy nhiên, với lựa chọn thiết bị khơng thể kích hoạt phạm vi 10m Với mạch nạp PIC, người phát triển ứng dụng với cơng cụ lập trình Android dễ dàng phát triển phần điều khiển mạch nạp PIC hỗ trợ hoàn toàn thư viện Android SDK 4.4 Kitkat [11] Lấy thông tin Adapter getDefaultAdapter(),thực mở BlueTooth thơng qua hàm isEnabled() Tìm thiết bị getBondedDevices(), ghép nốibằng startDiscovery(), kết nối thành máy chủ bluetooth Sử dụng accept() getInputStream(), getOutputStream() để truyền liệu qua thiết bị kết nối Kết thúc Hình Lưu đồ thể trình tìm truyền liệu Android 4.4 qua Bluetooth ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 12(97).2015, QUYỂN Để bắt đầu giao tiếp với Bluetooth, ứng dụng Android tìm kiếm yêu cầu kết nối, sau chấp nhận kết nối truyền liệu Để phát thiết bị Bluetooth cục bộ, Bluetooth Adapter thực gửi phương thức getDefaultAdapter() Nếu tìm thấy thiết bị ứng dụng nhận Adapter Bluetooth đại diện Bluetooth adapter riêng thiết bị Nếu phương thức getDefaultAdapter() trả kết null Bluetooth khơng hỗ trợ thiết bị Sau tìm thiết bị ứng dụng, Android kiểm tra xem Bluetooth bật hay không phương thức isEnabled() Phương pháp startDiscovery() sử dụng để bắt đầu tìm kiếm liên tục thiết bị có bật Bluetooth xung quanh Phương pháp khơng đồng trở lại với kiểu luận lý Boolean Để thiết lập kết nối hai thiết bị, cần phải mở BluetoothServerSocket để coi máy chủ Việc chấp nhận yêu cầu kết nối phụ thuộc vào UUID hợp lệ, tức là thiết bị đăng ký với server socket để lắng nghe trả từ phương thức accept() thành cơng trả BluetoothSocket kết nối Để tránh kết nối bổ sung liên tục, đoạn xử lý, kết thúc công việc gọi phương thức close(), khơng đóng kết nối BluetoothSocket 3.2.2 Thiết kê ứng dụng CIT Smart Door 67 Ngoài button textview thể trạng thái tự động cập nhật trạng thái mở hay đóng 10 giây lần Hình Yêu cầu cấp quyền cho ứng dụng truy cập bluetooth • Đăng nhập Khi người dùng mở ứng dụng lần đầu tiên, hình đăng nhập thể Hình 7, Đây hình bảo vệ người dùng mức ban đầu Hình 10 Trạng thái cửa mở Hình Màn hình đăng nhập vào ứng dụng Hình Đăng nhập khơng thành cơng • u cầu cấp quyền truy cập Bluetooth Để kết nối với người sử dụng mô-đun Bluetooth bên ngoài, phải thực ấn kết nối xuất từ hình ứng dụng Android Nếu kết nối thiết lập đúng, thông báo xác nhận xuất Hình • Điều khiển thao tác đóng mở Khi đăng nhập đăng ký thành cơng, hệ thống cung cấp tình trạng cửa đóng hay mở Hình 10 Kèm theo nút có kích thước to, thể trạng thái cho người dùng thao tác Mỗi thao tác thực vòng vài giây ứng dụng cập nhật trạng thái thiết bị Bluetooth phần cứng tích hợp cập nhật Hình 11 Trạng thái cửa đóng 3.3 Nhận xét - Về thiết kế ứng dụng di động CIT Smart Door: So với sản phẩm thương mại hóa thị trường [2.1] giao diện ứng dụng thiết kế chuyên biệt dành cho cửa thông minh, nên đơn giản dễ sử dụng Người dùng cần phải thao tác đứng gần cửa điều khiển hoạt động mở đóng cửa - Về tính tương thích thiết bị: Ứng dụng cài đặt điện thoại khách hàng sử dụng hệ điều hành Android có hỗ trợ chuẩn giao tiếp Bluetooth 4.0 - Về chi phí, thời gian triển khai: Nếu so với giải pháp BKAV Smart Home CIT Smart Door cần thiết bị di động khách hàng hỗ trợ Bluetooth 4.0, BKAV Smart Home phải sử dụng thiết bị chạy hệ điều hành BKAV HomeOS Đây hệ điều hành có phần nhân Android phát triển riêng, nên khả tùy biến không cao, phụ thuộc vào thiết bị hãng cung cấp Điều làm chi phí tăng lên theo thiết bị đầu cuối - Về tính bảo mật, độ bền: Do thiết kế nguyên mạch tích hợp phần mềm, chưa mơ tả kỹ q trình thi cơng, vật liệu chế tạo, nên hệ thống đề xuất hạn chế vấn đề bảo mật so với sản phẩm Mạch tích hợp PIC có độ bền tương đối ổn định điều kiện không gian thời gian chấp nhận Nguyễn Anh Tuấn, Lã Trung Kiên 68 3.4 Các cố xảy giải pháp khắc phục - Trường hợp có cố điện: Do hệ thống sử dụng nguồn pin dự phịng, nên hoạt động điện Nguồn dự phòng sử dụng pin lithium dung lượng 5200mAh, có khả cung cấp lượng cho mạch thời gian 36 tiếng bị điện, nguồn pin tự động sạc có điện trở lại - Trường hợp mạch bị cố, ta sử dụng chìa khóa sẵn có ổ khóa để mở cửa chốt tự động khơng có chế hãm, sau tiến hành tháo lắp, thay mạch điều khiển Để đảm bảo tính an tồn ổ khóa, nên hệ thống thực tế, việc tháo lắp mạch hạn chế tối đa, đề phòng việc đối tượng tháo mạch để can thiệp vào hệ thống điều khiển Kết luận Trong báo này, đề xuất giải pháp cửa thông minh CIT Smart Door dựa thiết kế mạch nạp PIC tích hợp vào cửa ứng dụng di động CIT Smart Door Đây là hệ thống cửa thông minh đơn giản để sử dụng, cài đặt, dễ dàng để giao tiếp đáp ứng chi phí triển khai rẻ so với nhiều hệ thống thị trường Tuy nhiên, vấn đề thẩm mỹ triển khai an toàn bảo mật có lực tác động mạnh vào cửa chưa đề cập tới Trong tương lai, hệ thống đề xuất mở rộng cho nhiều cửa vào cửa sổ đồ gia dụng tích hợp với hệ thống Ngồi ra, hệ thống tương lai gửi tin nhắn SMS đến cảnh sát 113 gần trường hợp có rủi ro an ninh tồn hệ thống bị tắt Hệ thống thử nghiệm sử dụng phịng thí nghiệm thực hành [1] với ngun mẫu phần cứng ứng dụng Android tự thiết kế TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] A203 phòng thí nghiệm thực hành LAB - Trường cao đẳng Cơng nghệ thông tin – Đại học Đà Nẵng, Làng Đại học Đà Nẵng, phường Hòa Quý, Quận Ngũ Hành Sơn, TP Đà Nẵng [2] Apigy Inc, (2013), “Lockitron Documentation”, https://api.lockitron.com/ [3] Apigy Inc, (2015), “Lockitron”, https://lockitron.com [4] BKAV Smarthone, (2014), “Giới thiệu tính sản phẩm nhà thơng minh”, http://www.smarthome.com.vn/documents/10180/ 16034/ Brochure%20BSH%202013_VIET.pdf [5] Bluetooth SIG, (2015), “Smart Devices”, http://www.Bluetooth.com/Pages/Bluetooth-smartdevices.aspx [6] Bluetooth SIG, (2013),“Bluetooth 4.0 with low energy technology paves the way for Bluetooth Smart devices”, http://www.Bluetooth.com/Pages/low-energy.aspx [7] Joe Decuir, (2013), “Bluetooth 4.0 : Low Energy”, http://chapters.comsoc.org/vancouver/BTLER3.pdf [8] Julie Jacobson, (2014), “14 Smart Door Locks at CES 2015, Big No-Shows, Wi-Fi”, http://www.cepro.com/article/ 14_smart_door_locks_at_ces_2015_and_4_big_no-shows [9] Kwikset, Locks, (2013), “Door Hardware, Handlesets, Deadbolts & Door Knobs | Kwikset - Maker of Kevo Bluetooth & Smartkey Technology”, http://www.kwikset.com/Kevo/default.aspx [10] Microchip, (2012), “PIC16F87XA - Mid-Range MCU Family”, http://ww1.microchip.com/downloads/en/DeviceDoc/33023a.pdf [11] Ravi Pujar, (2014), “Interfacing Android handset with microcontroller – Bluetooth”, http://www.raviyp.com/embedded /148-interfacing-android-handset-with-microcontroller-bluetooth [12] VnReview, (2015), “Comparing Bkav SmartHome with Siemens and Schneider”, http://www.smarthome.bkav.com/news//view_content/content/167122/comparing-bkav-smarthome-withsiemens-and-schneider (BBT nhận bài: 19/08/2015, phản biện xong: 05/10/2015)