Thiết kế mô hình đóng mở cửa tự động và thông minh sử dụng công nghệ iot

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP HỒ CHÍ MINH ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP THIẾT KẾ MƠ HÌNH ĐĨNG MỞ CỬA TỰ ĐỘNG VÀ THƠNG MINH SỬ DỤNG CÔNG NGHỆ IOT NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN – ĐIỆN TỬ GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN: TS BÙI MINH DƯƠNG Sinh viên thực hiện: MSSV: Lớp: Võ Hoàng Vũ 1711020423 17DDCA2 Phạm Văn Long 1711020519 17DDCA2 Phan Văn Phước 1711020486 17DDCA2 TP HỒ CHÍ MINH – 09/2021 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP HỒ CHÍ MINH ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP THIẾT KẾ MƠ HÌNH ĐĨNG MỞ CỬA TỰ ĐỘNG VÀ THƠNG MINH SỬ DỤNG CÔNG NGHỆ IOT NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN – ĐIỆN TỬ GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN: TS BÙI MINH DƯƠNG Sinh viên thực hiện: MSSV: Lớp: Võ Hoàng Vũ 1711020423 17DDCA2 Phạm Văn Long 1711020519 17DDCA2 Phan Văn Phước 1711020486 17DDCA2 TP HỒ CHÍ MINH – 09/2021 BM01/QT05/ĐT-KT VIỆN KỸ THUẬT HUTECH PHIẾU ĐĂNG KÝ ĐỀ TÀI ĐỒ ÁN/KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP Hệ: CQ (CQ, LT, B2, VLVH) Họ tên sinh viên/ nhóm sinh viên đăng ký đề tài: (sĩ số nhóm: 3) (1) VÕ HỒNG VŨ MSSV: 1711020423 Lớp: 17DDCA2 Điện thoại: 0385985098 Email: vohoangvu100299@gmail.com (2) PHAN VĂN PHƯỚC MSSV: 1711020486 Lớp: 17DDCA2 Điện thoại: 0358561014 Email: phuoc.phanvan0608@gmail.com (3) PHẠM VĂN LONG MSSV: 1711020519 Lớp: 17DDCA2 Điện thoại: 0967665297 Email: phamvanlong240397@gmail.com Ngành: Điện – Điện tử Chuyên ngành: Điện công nghiệp Tên đề tài đăng ký: Thiết kế mơ hình đóng mở cửa tự động thông minh sử dụng công nghệ IOT Sinh viên hiểu rõ yêu cầu đề tài cam kết thực đề tài theo tiến độ hoàn thành thời hạn TP HCM, ngày 13 tháng 04 năm 2021 Giảng viên hướng dẫn Sinh viên đăng ký (Ký ghi rõ họ tên) (Ký ghi rõ họ tên) LỜI CẢM ƠN Nhóm thực đề tài xin chân thành cảm ơn Giảng viên hướng dẫn (GVHD) thầy Bùi Minh Dương, định hướng, giúp đỡ tận tình, giải đáp vướng mắc q trình thực đồ án, giúp nhóm thực đồ án tiến độ Xin gửi lời cảm ơn thầy/cô Khoa Điện - Điện Tử tạo điều kiện, cung cấp cho nhóm kiến thức bản, cần thiết để chúng tơi có điều kiện đủ kiến thức để thực trình nghiên cứu Sản phẩm đồ án báo cáo trình độ nhóm nghiên cứu cịn hạn chế nên cịn nhiều thiếu sót, mong thầy góp ý bổ sung để nhóm điều chỉnh hồn thiện Một lần nhóm nghiên cứu xin chân thành cảm ơn thầy./ i LỜI CAM ĐOAN Đề tài nhóm nghiên cứu thực dựa vào nguồn tài liệu, giáo trình học khơng có chép từ tài liệu hay cơng trình có sẵn nào, tài liệu tham khảo nhóm trích dẫn nguồn đầy đủ Tp Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 2021 (Ký tên ghi rõ họ tên) ii TÓM TẮT Trong thời đại công nghệ 4.0 nay, nhu cầu bảo quản tài sản cá nhân, hộ gia đình hay quan, công ty khu chung cư nhu cầu cần thiết, sản phẩm khóa cửa thơng minh có hệ thống giám sát giải pháp để giải vấn đề nêu Do nhóm nghiên cứu phát triển “Mơ hình đóng mở cửa tự động thông minh sử dụng công nghệ IOT” nhằm đảm bảo điều kiện cần thiết để bảo quản quản lý tài sản nâng cao tính bảo mật Giá thành chi phí lắp đặt cho hệ thống đóng mở cửa tự động thơng minh rẻ dễ tiếp cận đến đối tượng hộ gia đình khu dân cư chung cư Hệ thống sử dụng phương pháp bảo mật sai mật có báo động Trong trường hợp người dùng không trực tiếp mở cửa sử dụng tính mở cửa qua app (phần mềm ứng dụng) Để đạt mục tiêu nhóm tìm hiểu sở sở lý thuyết sau để thiết kế nên hệ thống dựa vào ứng dụng keypad, RFID, ESP32, Camera, Android Studio… Sau hoàn thành hệ thống đạt yêu cầu mở khóa cửa tự động mật RFID, cịn sử dụng app để quan sát trước mở cửa nút mở cửa Thời gian quẹt thẻ so sánh với liệu xác Mơ hình hoạt động ổn định, thao tác thực dễ dàng iii MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN i LỜI CAM ĐOAN .ii TÓM TẮT iii CHƯƠNG GIỚI THIỆU 1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ 1.2 BỐ CỤC TRÌNH BÀY 1.3 MỤC TIÊU ĐỀ TÀI 1.4 ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU 1.5 PHẠM VI NGHIÊN CỨU 1.6 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU CHƯƠNG PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ MƠ HÌNH ĐĨNG MỞ CỬA TỰ ĐỘNG VÀ THƠNG MINH 2.1 BẢO MẬT BẰNG MẬT KHẨU THƠNG QUA KEYPAD 4×4 2.1.1 Giới thiệu Keypad 4×4 2.1.2 Cấu tạo nguyên lý hoạt động 2.2 BẢO MẬT BẰNG CÔNG NGHỆ RFID 2.2.1 Giới thiệu RFID 2.2.2 Cấu tạo nguyên lý hoạt động 2.3 CÁC CHUẨN GIAO TIẾP GIỮA CÁC MODULE VÀ VI ĐIỀU KHIỂN 2.3.1 Chuẩn giao tiếp UART (Universal Asynchronous Receiver/ Transmiter ) 2.3.2 Chuẩn giao tiếp SPI (Serial Peripheral Interface) iv nối với WiFi, kết nối thành công tiếp tục kết nối với sở liệu Firebase Sau kết nối với Firebase, hệ thống khóa cửa kiểm tra chương trình thực thi mở cửa theo phương thức Mở cửa thẻ RFID, mở cửa điện thoại Android mở cửa từ bên Nếu chương trình thực thi cho phép mở cửa chờ 5s sau đóng cửa kết thúc Chương trình đọc thẻ RFID: Hình 4.26 Lưu đồ chương trình đọc thẻ RFID 49 Nếu chương mở khóa thẻ RFID thực thi, hệ thống kiểm tra xem có mã thẻ quẹt hay khơng Nếu có kiểm tra xem mã thẻ có trùng khớp với mã thẻ lưu Firebase hay không, trùng gửi mã thẻ lên Firebase lấy thời gian thực từ Internet gửi lên Firebase sau hệ thống cho phép mở cửa, sau giây cửa đóng lại Trường hợp quẹt sai mã thẻ số lần sai tăng lên đơn vị, số lần quẹt sai lần hệ thống báo động hoạt động gửi liệu lên Firebase khóa cửa đóng Chương trình mở khóa điện thoại: Hình 4.27 Lưu đồ mở cửa điện thoại 50 Nếu chương trình mở khóa điện thoại thực thi, ứng dụng yêu cầu đăng nhập User Password cấp trước điện thoại Android Sau chọn chức mở khóa từ giao diện hình điện thoại, có nhấn phím mở khóa, điện thoại gửi liệu lên Firebase ESP32 nhận liệu từ Firebase điều khiển mở khóa, sau giây cửa đóng lại Chương trình mở khóa từ bên trong: Hình 4.28 Lưu đồ chương trình mở khóa từ bên Khi chương trình nhấn nút mở cửa từ bên thực thi, hệ thống kiểm tra nút nhấn có nhấn hay khơng Nếu có nhấn gửi liệu lên Firebase, cửa mở, sau giây cửa đóng lại 51 CHƯƠNG KẾT QUẢ, NHẬN XÉT VÀ ĐÁNH GIÁ 5.1 KẾT QUẢ Hình 5.1 Mơ hình hồn chỉnh mạch Mơ hình hồn chỉnh gồm phần Hình 5.1: hình LCD hiển thị thơng tin quẹt thẻ, trạng thái mở cửa thời gian thực hệ thống, khung để quẹt thẻ RFID, khóa chốt cửa để đóng mở cửa, camera quan sát hai nút nhấn, nút màu xanh để cập nhật liệu lên Firebase, nút màu đỏ dùng để nhấn mở cửa từ bên 52 Hình 5.2 Hệ thống khởi động Khi mạch cấp nguồn, hệ thống hoạt động, hình LCD thông báo hệ thống khởi động, wifi kết nối, đồng thời còi chip báo hai tiếng bíp bíp Hình 5.3 Màn hình sau khởi động xong Sau khởi động xong còi báo hiệu hai tiếng bíp bíp lần hình LCD hiển thị thông tin mời quẹt thẻ thời gian thực hệ thống hoạt động 53 Hình 5.4 Cập nhật liệu thành cơng Khi hệ thống hoạt động lần đầu, ta nhấn nút màu xanh để cập nhật liệu lấy liệu từ sở liệu Firebase Lúc hình LCD hiển thị thông báo cập nhật liệu vui lịng chờ Hình 5.4 Dữ liệu cập nhật thành cơng, hình LCD hiển thị thơng báo Hình 5.5, hệ thống lúc cho phép người dùng sử dụng chức tương ứng để mở cửa Hình 5.5 Quẹt thẻ RFID Khi quẹt mã thẻ, hệ thống hiển thị thơng tin mã thẻ lên hình LCD, cho phép khóa cửa kích hoạt cửa mở, sau giây cửa đóng lại, 54 đồng thời gửi liệu mã thẻ, tên người dùng, thời gian quẹt thẻ trạng thái khóa cửa lên sở liệu Firebase Hình 5.6 Quẹt sai thẻ RFID Trường hợp quẹt sai mã thẻ, hệ thống báo động thơng qua cịi chíp, thống báo hiển thị lên LCD, số lần quẹt sai lần hệ thống báo động kích hoạt, cịi báo to lâu hơn, đồng thời cập nhật trạng thái cửa, trạng thái quẹt sai nhiều lần lên Firebase Về phần ứng dụng Android điện thoại, nhóm hoàn thành giao diện chức đề 55 Hình 5.7 Giao diện đăng nhập giao diện chức ứng dụng Đầu tiên ta đăng nhập vào hệ thống với user password cài đặt “admin” Sau đăng nhập hình chức hệ thống Gồm có nút nhấn “Home”, “Control”, “User”, “History” tương ứng với chức giới thiệu đề tài, điều khiển giám sát hệ thống, quản lý người dùng, lịch sử vào 56 Hình 5.8 Giao diện mở khóa khởi động camera điện thoại Android Chọn vào hình chức “Control” (hình 5.9) giao diện để điều khiển khóa cửa kích hoạt camera từ xa (hình 5.10) Nhấn vào Button “OPEN” khóa cửa giao diện thay đổi từ khóa sang mở, đồng thời cập nhật trạng thái lên Firebase để mở cửa từ xa Khi gạt Switch camera cho phép xem hình ảnh load trực tiếp từ camera điện thoại 57 Hình 5.9 Lịch sử vào cửa Chọn vào hình “History” (hình 5.9) giao diện lịch sử vào cửa Dữ liệu lịch sử vào cập nhật từ sở liệu Firebase Hình 5.10 Giao diện chỉnh sửa thơng tin 58 Để thay đổi, thêm thông tin người dùng mã thẻ ta chọn vào hình chức “User” (hình 5.9) Màn hình hiển thị thông tin người dùng gồm tên, mã thẻ RFID, số điện thoại (hình 5.12) Nhấn vào biểu tượng hình bút chì để chỉnh sửa thêm thông tin người dùng, nhấn Save để lưu lại liệu cập nhật lên Firebase 59 5.2 ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ, KẾT LUẬN Sau chạy kiểm thử hệ thống nhiều liên tục, nhóm thống kê số liệu cho bảng sau: Bảng 5.2: Bảng kết thử nghiệm chạy thử hệ thống Số lần khảo sát 10 20 30 40 Số lần mở cửa nút nhấn thành công 50 10 20 30 40 50 Thời gian trung bình mở cửa nút nhấn 0,5s 0,8s 0,8s 1s 1s Số lần quẹt thẻ RFID thành công 10 20 29 38 47 Thời gian trung bình quẹt thẻ RFID 1s 1s 1,5s 2s 2s Số lần mở cửa điện thoại thành công 10 20 29 38 47 1,2s 1,2s 1,5s 1,5s 1,5s Thời gian trung bình mở cửa điện thoại Qua bảng thống kê thấy thời gian mở cửa từ bên nút nhấn nhanh hệ thống gửi liệu lên Firebase để so sánh, thời gian tỉ lệ thành công quẹt thẻ 10-20 lần tương đối xác, thời gian tỉ lệ thành công mở cửa điện thoại ổn định khoảng 20 lần thử đầu Tuy nhiên, đến lần thử sau tỷ lệ mở cửa thành cơng khơng hồn tồn xác 100% lần đầu Nguyên nhân việc đóng mở cửa liên tục nhiều lần khiến cho hệ thống không đáp ứng kịp yêu cầu, kết nối mạng chưa ổn định, thuật toán thiết kế chưa tối ưu 60 5.2.1 Nhận xát đánh giá Thơng qua q trình làm đồ án chạy thử hệ thống, nhóm đưa số nhận xét đánh sau: - Mơ hình hoàn thành, hệ thống hoạt động Các yêu cầu đề mở khóa thẻ RFID, mở khóa ứng dụng điện thoại Android, mở cửa từ bên quan sát hình ảnh trực tuyến từ camera quan sát hồn thành - Mơ hình hoạt động với điện áp từ 12V trở xuống nên an tòa người sử dụng Các thao tác điện thoại Android đơn giản dễ sử dụng - Thời gian quẹt thẻ so sánh liệu với Firebase để mở cửa tương đối xác Đơi có tượng trễ mở cửa kết nối internet chưa ổn định - Camera quan sát hình ảnh trực tuyến, khơng lưu trữ video lại 5.2.2 Kết luận Sau thời gian tìm hiểu, nghiên cứu thực đồ án, đề tài hoàn thành Bằng cố gắng, giúp đỡ tận tình thầy vơ bạn bè, nhóm hồn thành u cầu đặt đề tài Sử dụng thiết kế ứng dụng Android phần mềm Android Studio giao tiếp với sở liệu thời gian thực Firebase Thiết kế sơ đồ nguyên lý board xử lý trung tâm vẽ layout PCB phần mềm Altium Designer Giao tiếp thành công ESP32 sở liệu Firebase Kết thi cơng hồn thiện, khối thi công hoạt động với chức khối, hệ thống nhận diện mã thẻ RFID so sánh liệu có Firebase đối tượng xác, ứng dụng điện thoại dễ dàng thao tác, thân thiện với người dùng Tuy vậy, sau hồn thành đề tài cịn vài hạn chế sau: mơ hình hệ thống chưa có tính thẩm mỹ cao, ứng dụng quản lý giám sát điện thoại cịn đơn giản, đơi xảy tượng trễ kết nối mạng chưa ổn định 61 5.3 HƯỚNG PHÁT TRIỂN: Để đảm bảo ổn định tính thực tế sản phẩm, nhóm đề hướng phát triển hệ thống sau: - Thay hình LCD thành hình cảm ứng có thêm chức mở khóa vân tay, thêm xóa vân tay hệ thống - Tính tốn, thiết kế nguồn pin sạc nhiều lần cấp cho toàn hệ thống, tạo thêm chức tính phần trăm pin hiển thị điện thoại Android - Thêm tính bảo mật cho ứng dụng điện thoại Android, cho phép bảo mật nhiều lớp mở cửa điện thoại - Thiết kế thêm hệ thống báo động khẩn cấp phòng trường hợp hỏa hoạn, cháy nổ - Tối ưu tính lưu lại lịch sử mở cửa ngày - Tối ưu camera cho phép lưu lại video hình ảnh ngày vào nhớ hệ thống 62 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Nguyễn Văn Hiệp – Phạm Quang Huy, “Cơng nghệ nhận dạng sóng vơ tuyến RFID”, Đại học sư phạm kỹ thuật TP Hồ Chí Minh, 9/2014 [2] Nguyễn Ngọc Hùng – Nguyễn Ngô Lâm – Nguyễn Văn Phúc, “Giáo trình Kỹ thuật truyền số liệu”, Đại học sư phạm kỹ thuật TP Hồ Chí Minh, 9/2011 [3] Cơ sở liệu RealTime Database Google Firebase “Firebase.google.com” [4] Dương Thanh Long – Phạm Quang Huy – Bùi Văn Minh, “Lập trình điều khiển xa với ESP8266, ESP32 Arduino”, 2019 [5] Trần Mạnh Khang – Lữ Khánh Trung, “Thiết kế hệ thống khóa điện tử thơng minh”, Đồ án tốt nghiệp, Đại học sư phạm kỹ thuật TP Hồ Chí Minh, 2019 [6] Nguyễn Thành Dương – Trần Vinh Sơn, “Thiết kế thi công mô hình khóa điện tử có giám sát từ xa sử dụng GSM RFID”, 2019 [7] Nguyễn Văn Hiệp, “Giáo trình lập trình Android ứng dụng điều khiển”, Đại học sư phạm kỹ thuật TP Hồ Chí Minh, 2016 [8] Dejan Nedelkovski, “How RFID works and how to make an Arduino based RFID door lock – howtomechatronics”, 2017 [9] Rui Santos – Sara Santos, “Build ESP32-CAM project using Arduino IDE”, 2019 63