(Tiểu luận) báo cáo đồ án hệ thống nhúng đề tài hệ thống khóa cửa thông minh

HỌC VIỆN CƠNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THƠNG KHOA KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ - - BÁO CÁO ĐỒ ÁN HỆ THỐNG NHÚNG ĐỀ TÀI : HỆ THỐNG KHĨA CỬA THƠNG MINH Giảng viên hướng dẫn: Nguyễn Ngọc Minh Sinh viên thực : Hoàng Thị Thanh-B19DCDT217 Hoa Thị Thanh-B19DCDT Nghiêm Thị Thùy Linh-B19DCDT Kiều Như Ngọc-B19DCDT Hà Nội-2023 Mục lục Danh sách bảng biểu hình ảnh Lời nói đầu CHƯƠNG : HỆ THỐNG KHĨA CỬA THƠNG MINH 1.1 Lịch sử phát triển nhà thông minh 1.2 Hệ thống khóa cửa thơng minh CHƯƠNG CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ CÔNG NGHỆ 11 2.1 Giải pháp kỹ thuật 11 2.1.1 Nhiệm vụ hệ thống cửa thông minh 11 2.1.2 Thiết kế board mạchChụp lại sau 11 2.1.3 Thiết kế mạch điện 11 2.2 Hệ điều hành FreeRTOS 11 2.2.1 Hệ điều hành FreeRTOS gì? 11 2.2.2 Tại phải sử dụng hệ điều hành FreeRTOS 12 2.3 Giới thiệu số thiết bị dùng hệ thống khóa cửa thông minh 16 2.3.1 STM32F103C8T6 16 2.3.2 Node MCU 19 2.3.4 KEYPAD 24 2.3.5 Màn hình LCD 20x4 25 2.3.6 Động servo SG90 25 2.4 Các chuẩn giao thức sử dụng 26 2.4.1 UART 26 2.4.2 SPI 28 2.4.3 I2C 29 2.4.4 AJAX kit ESP8266 31 CHƯƠNG THIẾT KẾ HỆ THỐNG KHÓA CỬA THƠNG MINH VÀ MƠ HÌNH 33 3.1 Sơ đồ khối hệ thống khóa cửa thơng minh 33 3.2 Ghép nối khối 34 Phụ lục 36 TÀI LIỆU THAM KHẢO 37 Danh sách bảng biểu hình ảnh Bảng 2.1: Các thơng số ESP8266 21 Bảng 2.2: Hình ảnh thực tế Esp8266 21 Bảng 2.3: Các thơng số module RFID R305 22 Bảng 2.4: Các thơng số thẻ RFID S50 13,56 MHz 23 Bảng 2.5: Các thơng số keypad 4x4 24 Bảng 2.6: Các thơng số thẻ LCD 20x4 25 Bảng 2.7: Các thơng số động servo SG90 26 Hình 1.1: Hệ thống Echo-IV phát triển Jim Sutherland Hình 1.2: Mơ tả hệ thống mạng lưới sử dụng mạng không dây Hình 2.1: Mơ hình tổng thể hệ thống khóa cửa thơng minh 11 Hình 2.2: Hệ thống sử dụng FreeRTOS 14 Hình 2.3: Trạng thái Task 15 Hình 2.4: Sơ đồ chân Stm 18 Hình 2.5:Hình ảnh thực tế stm32F103C8T6 18 Hình 2.6: Một số loại esp phổ biến 19 Hình 2.7: Hình ảnh thực tế module RFID RC522 23 Hình 2.8: Một số hình ảnh thực tế thẻ RFID S50 13,56 MHz 24 Hình 2.9: Hình ảnh thực tế KeyPad 4x4 24 Hình 2.10: Hình ảnh thực tế LCD 20x4 25 Hình 2.11: Hình ảnh thực tế động servo SG90 26 Hình 2.12: UART Communication 26 Hình 2.13: Sơ đồ chân 28 Hình 2.14: Sơ đồ chân 29 Lời nói đầu Ngày nay, phát triển khoa học cơng nghệ góp phần khơng nhỏ thay đổi phát triển sống người Các thiết bị tự động hóa ngày xâm lấn vào sản xuất chí sống sinh hoạt ngày người Do ngơi nhà thơng minh khơng cịn mơ ước người mà trở thành thực Qua báo chí, phương tiện truyền thơng thấy mơ hình nhà thơng minh đời Các mơ hình nhà thơng minh có nhiều khác biệt, nhằm vào mục tiêu sau: Tự động hóa hoạt động ngơi nhà Đảm bảo an ninh, an tồn cho nhà Đem lại thoải mái cho người sử dụng Cung cấp dịch vụ giải trí chất lượng cao Cung cấp khả giám sát điều khiển tử xa Tăng hiệu suất hệ thống, giảm mức tiêu thụ điện Với kiến thức có, tơi mong muốn thiết kế ngơi nhà đáp ứng tất yêu cầu Tuy nhiên thời gian, sức lực kinh phí cịn hạn chế nên đề tài này, tơi tìm hiểu việc đảm bảo an ninh, an toàn cho nhà mà cụ thể thực thiết kế “hệ thống khóa cửa thơng minh sử dụng kit Stm32f103c8t6 hệ điều hành FreeRTOS” Nội dung đồ án gồm có chương: CHƯƠNG: HỆ THỐNG KHĨA CỬA THÔNG MINH CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ CÔNG NGHỆ CHƯƠNG THIẾT KẾ HỆ THỐNG KHĨA CỬA THƠNG MINH VÀ MƠ HÌNH CHƯƠNG : HỆ THỐNG KHĨA CỬA THƠNG MINH 1.1 Lịch sử phát triển nhà thông minh Tiền đề cho hệ thống nhà thông minh thiết bị điều khiển từ xa khơng dây Được giới thiệu năm 1898 Nikola Tesla, ơng điều khiển mơ hình thu nhỏ thuyền cách gửi sóng radio qua điều khiển từ xa Thế kỷ 20 bắt đầu với phát triển bùng nổ thiết bị gia dụng, ví dụ máy hút bụi chạy động (1901) máy hút bụi chạy điện (1907) Hai thập kỷ cách mạng thiết bị gia dụng, xuất tủ lạnh, máy sấy, máy giặt, Tuy nhiên, giá thành đắt đỏ việc sở hữu hàng xa xỉ xuất gia đình giàu có Những năm 1930, ý tưởng tự động hóa nhà khơi gợi lên, phải đến năm 1966, hệ thống tự động hóa nhà mang tên EchoIV phát triển Jim Sutherland Hệ thống giúp chủ nhà lên danh sách mua hàng, điều chỉnh nhiệt độ phòng, bật tắt thiết bị gia dụng Nhưng đáng tiếc hệ thống chưa bán thị trường Hình 1.1: Hệ thống Echo-IV phát triển Jim Sutherland Năm 1969, bếp máy tính Honeywell đời Chức sản phẩm tạo cơng thức ăn, bếp không đạt thành công thương mại giá thành đắt đỏ Bước ngoặt lớn xảy vào năm 1971 vi xử lý đời, khiến cho giá thiết bị điện tử giảm mạnh Điều đồng nghĩa với việc người có khả tiếp cận với công nghệ dễ dàng Nhờ có bước phát triển thần kì ấy, khái niệm "nhà thông minh" lần đưa vào năm 1984 Hội Liên Hiệp Xây dựng Hoa Kỳ Hình 1.2: Mơ tả hệ thống mạng lưới sử dụng mạng không dây Trong suốt thập niên 90, công nghệ dành cho người cao tuổi chủ đề tập trung nghiên cứu, người ta cố gắng kết hợp kỹ thuật đại khoa học tuổi già để tạo cơng nghệ phục vụ cho người cao tuổi Chính tập trung nghiên cứu đóng góp vào việc phát triển tiện nghi gia đình, thiết bị gia dụng, điện tử điện lạnh Trong khoảng thời gian này, nhu cầu kết nối thiết bị gia dụng bắt đầu xuất Năm 1993, mạng lưới kết nối thiết bị nhà không dây xây dựng Fujieda, mang đến bước phát triển lớn cho hệ thống không dây ngày Đến cuối thể kỷ 20, thuật ngữ Domotics sáng tạo sử dụng để miêu tả việc sản phẩm đồ gia dụng kết hợp với máy tính robot, tạo thành hệ thống phối hợp để quản lý cơng việc gia đình Năm 1998, Ngôi nhà Thiên niên kỷ (Integer millennium house) mở cửa trưng bày Căn nhà mẫu minh họa cho việc nhà tích hợp cơng nghệ nào, với hệ thống sưởi ấm, quản lý đất trồng, thiết bị an ninh, chiếu sáng cửa điều khiển tự động Mười năm sau, mạng Internet phát triển mạnh mẽ trở nên phổ biến, người ta bắt đầu vào nghiên cứu để tìm cách kết nối hệ thống điều khiển tự động hóa nhà với mạng Internet Hiroshi Kanma đồng đề xuất việc hệ thống điều khiển thông qua bluetooth vào năm 2003 Năm 2006, hệ thống mạng lưới phức hợp sản phẩm gia dụng giới thiệu Mạng lưới sử dụng bluetooth mạng điện thoại để gửi liệu cho nhà cung cấp truyền dẫn trở nhà người sử dụng Bằng cách thức này, người dùng điểu khiển thiết bị nhà kể bên Khi thiết bị cơng nghệ dần có giá thành rẻ hơn, chúng tích hợp nhiều vào nhà Cùng với phổ biến ấy, ngày có nhiều cơng ty đầu tư vào việc nghiên cứu nâng cấp phát triển công nghệ để chúng hoạt động hiệu có giá thành hấp dẫn với người dùng Hiện nay, công nghệ tự động hóa nhà xuất gần khắp nơi, chí đơi cịn chẳng nhận Giờ đây, nhiều người điều khiển ti vi, hệ thống sưởi, chuông báo động, đèn chiếu sáng, cửa vào từ điện thoại thông minh điều khiển Với phát triển vũ bão này, nói bước tiến làm thay đổi công nghệ nhà thông minh, tương lai khơng cịn giới hạn ngồi trí tưởng tượng người 1.2 Hệ thống khóa cửa thông minh Một nhà “thông minh” cần phải thơng minh từ thềm cửa Một khóa thông minh dẫn lối vào tiện nghi sống thường ngày người Khóa cửa thơng minh thiết bị điện có tác dụng thực nhiệm vụ mở/khóa khóa cho cửa nhận lệnh từ thiết bị xác thực, sử dụng kết nối khơng dây với khóa mã để thực trình xác nhận Cũng khóa cửa truyền thống, khóa cửa thơng minh bao gồm hai phận ổ khóa chìa khóa Tuy nhiên, chìa khóa khóa thơng minh khơng tồn dạng vật chất, mà nằm ứng dụng điện thoại thông minh, thẻ từ cảm biến sinh trắc học (như vân tay, võng mạc, giọng nói, ) Với loại khóa đơn giản hơn, “chìa khóa” đơn giản đoạn mã số Khóa cửa thường gắn trực tiếp vào ổ khóa thường, bao gồm phận thu phát tín hiệu, thiết bị mở khóa chốt Các hệ thống khóa cửa thơng minh sử dụng phổ biến là: Khóa vân tay: Hệ thống cho phép vân tay người sử dụng mã hóa thiết bị có bàn tay đặt vào khóa tự động mở ( tính phát triển thêm đề tài ) Khóa mật mã: Là loại khóa dùng mật mã thay cho chìa khóa để mở cửa Khóa thẻ RFID: RFID viết tắt cụm từ Radio Frequency Identification, công nghệ nhận dạng đối tượng dựa bước sóng vơ tuyến Khơng thực thao tác đóng hay mở cửa, khóa thơng minh cịn cho phép chủ nhân nhà tạo quyền cho bạn bè, người thân hay người khác mở khóa để vào nhà chìa khóa ảo Chiếc chìa khóa ảo gửi qua e-mail, hay tin nhắn SMS Nắm mã khóa tay, người nhận mở cửa nhà vào thời điểm chủ nhà định Khóa cửa thơng minh cịn chấp nhận hay từ chối quyền truy nhập từ xa thông qua ứng dụng điện thoại Một vài khóa cài đặt sẵn wifi để thực hoạt động giám sát thông báo cho chủ nhà có người vào nhà hay truyền hình ảnh từ camera người vào Ngồi ra, cịn có nhiều chức năng, tiện ích khác nhà sản xuất phát minh ứng dụng vào sản phẩm khóa thơng minh theo cách khác nhau: đèn LED để sử dụng bóng tối, qt mã vân tay, qt võng mạc, tích hợp chng báo động, Khóa cửa thơng minh đem lại nhiều tiện nghi yên tâm cho hộ gia đình nơi cơng sở Việc sử dụng khóa thơng minh giúp tiết kiệm thời gian công sức theo nhiều cách khác nhau: Một tiện ích dễ thấy tránh việc làm chìa khóa Chìa khóa thường tương đối nhỏ gọn nên dễ bị rơi, Với khóa thơng minh, người dùng cần nhớ mật mã, chí khơng cần phải nhớ mã số sử dụng ổ khóa có nhận dạng vân tay Với khóa thơng minh, người dùng không cần phải thời gian tiền bạc làm thêm chìa khóa Tất cần làm đơn giản chia sẻ mã khóa qua điện thoại hay e-mail Thao tác nhanh chóng, thuận tiện Người dùng khơng phải vật lộn với ổ khóa cũ vội vã, hay tìm cách xoay xở phải mang vác nhiều đồ đạc Do không cần phải tác động vật lý nhiều khóa truyền thống nên ổ khóa thơng minh thường bền Tự động khóa cửa đóng Hoạt động với nguồn điện riêng Một vài loại khóa thơng minh giúp người dùng kiểm sốt, xem hình ảnh lưu trữ liệu người vào, kiểm sốt tình trạng an ninh hộ tòa nhà Thiết kế sang trọng, đa dạng, phù hợp với nhiều phong cách kiến trúc khác Dễ dàng thiết lập, cài đặt loại mã khóa phù hợp Dễ dàng quản lý tòa nhà, trung tâm lớn Ngồi tiện ích trên, khóa thơng minh tiềm ẩn rủi ro như: Với loại khóa dùng mã số, mã khóa dễ bị tiết lộ hay bị phá mã Chi phí lắp đặt bảo trì tương đối cao Với hệ thống khóa cửa tịa nhà, trung tâm lớn, khóa vận hành hệ thống máy chủ tự động nên tiềm tàng rủi ro máy chủ bị xâm nhập Để trì tính an tồn bảo mật, khóa cửa thơng minh cần liên tục bảo trì nâng cấp để chống lại xâm nhập Mặc dù có rủi ro định, khóa cửa thơng minh chắn sử dụng tương lai Trong năm tiếp theo, việc sử dụng khóa cửa thơng minh khóa vân tay, khóa dùng thẻ, khóa mã số dần thay cách khóa truyền thống tính vượt trội việc đảm bảo giám sát vào mức độ cao cho khu vực cần có kiểm sốt vào chặt chẽ 10