TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI
GIỚI THIỆU
Cách mạng 4.0 nổi bật với mạng lưới IoT (Internet of Things) và sự phát triển vượt bậc của công nghệ liên quan Các thiết bị IoT ngày càng được ứng dụng rộng rãi trong thực tế, từ hệ thống thu thập dữ liệu qua cảm biến đến điều khiển từ xa Theo thống kê từ Statista, thị trường smarthome tại Việt Nam đang tăng trưởng mạnh mẽ, với doanh thu đạt 287,1 triệu đô vào tháng 5/2023 Các không gian như căn hộ, khu trọ và chung cư đang áp dụng công nghệ mới để quản lý số lượng người, kiểm soát thời gian ra vào và nâng cao an toàn cho cư dân.
Hiện nay, thị trường ổ khoá thông minh rất đa dạng với nhiều hình thức và tính năng khác nhau Các thiết bị này thường cung cấp nhiều phương thức mở cửa như vân tay, thẻ từ, chìa khoá, và mật khẩu bàn phím số Tuy nhiên, chúng chỉ kết nối qua Bluetooth và không hỗ trợ quản lý thời gian thực cũng như không thể quản lý nhiều thiết bị cùng lúc Hầu hết các ổ khoá thông minh vẫn chưa ứng dụng công nghệ cao trong quản lý, chỉ đơn thuần tối ưu hóa sự tiện lợi để thay thế ổ khoá cơ truyền thống Những nhược điểm chung của hệ thống ổ khoá thông minh hiện tại bao gồm sự hạn chế trong khả năng kết nối và quản lý.
• Chưa tối ưu cho việc quản lý vân tay và giám sát thời gian ra vào
• Chưa hỗ trợ quản lý và điều khiển từ xa bằng cách sử dụng mạng không dây Wifi
• Chưa có thông báo khi người sử dụng mở khoá sai nhiều lần
• Không thể quản lý nhiều thiết bị trong cùng một hệ thống
Hệ thống ổ khoá thông minh cho mô hình khu trọ giải quyết hiệu quả các vấn đề như quản lý số lượng người, thời gian ra vào và điều khiển từ xa Nó đảm bảo an toàn và nhanh chóng trong việc lưu trữ thông tin người dùng Đặc biệt, hệ thống cho phép quản lý nhiều thiết bị đồng thời và có khả năng mở rộng tính năng mới mà không cần chỉnh sửa cấu trúc hiện tại.
MỤC TIÊU ĐỀ TÀI
Tại đây, sinh viên thực hiện thiết kế và triển khai hệ thống ổ khoá thông minh đáp ứng các yêu cầu sau:
Hệ thống cho phép điều khiển từ xa qua ứng dụng web, giúp người dùng mở hoặc đóng cửa một cách dễ dàng Ngoài ra, người dùng cũng có thể mở hoặc đóng cửa tại chỗ bằng vân tay đã được đăng ký hoặc mật khẩu từ bàn phím số.
- Hệ thống hỗ trợ quản lý cho nhiều thiết bị dựa trên ứng dụng web
- Các chức năng tại mỗi ổ khoá sẽ bao gồm:
• Mở cửa bằng cách quét vân tay
• Mở cửa bằng mật khẩu của bàn phím số
• Cảnh báo khi người sử dụng mở khoá sai 5 lần
• Đóng cửa bằng nút bấm
- Các chức năng tại ứng dụng web quản lý bao gồm:
• Mở/đóng cửa tại mỗi nơi thông qua ứng dụng web
• Thêm/sửa/xoá vân tay thông qua trên ứng dụng web và thiết bị
• Thêm/sửa thông tin ổ khoá bao gồm (tên người quản lý, email, vị trí thiết bị, …)
• Hiển thị thông tin người sử dụng đã đăng kí của mỗi thiết bị
• Hiển thị thông tin của mỗi thiết bị và trạng thái kết nối giữa mỗi thiết bị với ứng dụng
• Đổi wifi kết nối của mỗi thiết bị
• Đổi mật khẩu bàn phím số của mỗi thiết bị
• Đổi thông tin tài khoản quản lý
• Tìm kiếm thông tin thiết bị và người sử dụng của mỗi thiết bị
• Gửi cảnh báo khi người sử dụng mở khoá sai 5 lần về email cho người quản lý
• Xem nhật ký mở cửa của mỗi thiết bị.
GIỚI HẠN ĐỀ TÀI
Những hạn chế trong đề tài như sau:
- Hệ thống chỉ hỗ trợ quản lý tối đa 10 thiết bị đến ứng dụng web
- Lưu trữ được tối đa 200 vân tay trên mỗi ổ khoá và chỉ có 1 mật khẩu của bàn phím số.
PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
Các phương pháp được áp dụng bao gồm:
- Thực hiện thử nghiệm trên hệ thống.
ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU
Nghiên cứu tập trung vào thiết kế ổ khóa thông minh, cho phép quản lý số lượng người ra vào và thời gian truy cập, đồng thời đảm bảo an toàn cho không gian sử dụng.
Phạm vi nghiên cứu xoay quanh mô hình khu trọ.
BỐ CỤC QUYỂN BÁO CÁO
Trong chương đầu tiên, sinh viên sẽ cung cấp cái nhìn tổng quan về đề tài nghiên cứu, bao gồm các mục tiêu cụ thể, giới hạn của nghiên cứu, phương pháp được áp dụng, cũng như đối tượng và phạm vi của đề tài.
- Chương 2: Cơ sở lý thuyết
Trong chương này, sinh viên sẽ trình bày các lý thuyết thiết kế quan trọng được áp dụng trong nghiên cứu và triển khai hệ thống Những lý thuyết này đóng vai trò then chốt trong việc xây dựng và tối ưu hóa quy trình phát triển hệ thống, giúp nâng cao hiệu quả và tính khả thi của các giải pháp thiết kế.
- Chương 3: Thiết kế hệ thống ổ khoá thông minh
Trong chương này, sinh viên sẽ phân tích yêu cầu hệ thống, các đặc điểm thiết kế, và giải pháp cho phần cứng cũng như phần mềm, đồng thời trình bày cơ chế hoạt động của đề tài.
• Tại chương này sinh viên sẽ thể hiện kết quả đã đạt được và chức năng của hệ thống đã được áp dụng
- Chương 5: Kết luận và hướng phát triển
Chương này sẽ tổng hợp kết quả từ các nghiên cứu trước đó, phân tích ưu điểm và nhược điểm, đồng thời đưa ra các đề xuất cho hướng phát triển của đề tài trong tương lai.
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG Ổ KHOÁ THÔNG MINH
Hệ thống ổ khoá thông minh tích hợp công nghệ cao, cho phép quản lý và điều khiển nhiều thiết bị mở khoá bằng mật mã hoặc vân tay, thay thế chìa khoá truyền thống Hệ thống này kết nối từ xa, sử dụng cảm biến để nâng cao tiện ích, đồng thời loại bỏ dây kết nối giữa thiết bị điều khiển và ổ khoá Đặc biệt, với số lượng ổ khoá lớn, việc quản lý từ xa giúp tiết kiệm chi phí và thời gian cho người dùng Samsung smart lock là một ví dụ tiêu biểu, hỗ trợ kết nối Bluetooth và Wifi, cho phép mở cửa từ xa qua smartphone, sử dụng thẻ từ, mật khẩu hoặc vân tay, và quản lý quyền truy cập qua ứng dụng di động.
Xu hướng điều khiển và quản lý từ xa các thiết bị hiện nay mang lại nhiều lợi ích đáng kể, bao gồm việc dễ dàng lắp đặt và điều chỉnh số lượng thiết bị Điều này không chỉ giúp giảm chi phí lắp đặt mà còn tối ưu hóa hiệu quả sử dụng, tạo ra những lợi ích bổ sung cho người dùng.
Hệ thống ổ khoá thông minh mang lại sự tiện ích vượt trội, đảm bảo an toàn và dễ dàng trong thao tác cũng như quản lý Sự kết hợp của các cảm biến tích hợp trong thiết bị giúp nâng cao hiệu quả điều khiển và quản lý.
Hình 2.1: Hệ thống ổ khoá thông minh
CÁC CHUẨN TRUYỀN THÔNG
Giao thức UART là một chuẩn truyền thông phổ biến, được sử dụng rộng rãi để kết nối các thiết bị Nó cho phép truyền dữ liệu không đồng bộ, bao gồm cả truyền dữ liệu song song và nối tiếp giữa bên gửi và bên nhận.
Hình 2.2: Sơ đồ khối UART [3]
Sơ đồ khối của giao thức UART bao gồm máy phát, máy thu và bộ tạo tốc độ baud Máy phát có thanh ghi giữ truyền để lưu trữ byte dữ liệu cần truyền, trong khi thanh ghi dịch chuyển có nhiệm vụ dịch bit sang phải hoặc trái để thực hiện việc truyền hoặc nhận dữ liệu Logic điều khiển được sử dụng để xác định quá trình đọc hoặc ghi dữ liệu.
Cả khối máy phát và máy thu đều thực hiện chức năng giống nhau trong việc xử lý dữ liệu Để đảm bảo tốc độ truyền nhận dữ liệu đồng bộ giữa hai bên, một bộ tạo tốc độ baud được sử dụng.
Giao thức I2C là một giao thức truyền thông nối tiếp kết hợp các tính năng của SPI và UART, cho phép kết nối nhiều thiết bị slave với một master duy nhất, giống như SPI Ngoài ra, I2C cũng hỗ trợ nhiều master kết nối với nhiều slave Được phát triển từ UART, giao thức I2C sử dụng hai dây để truyền dữ liệu.
- Dây SDA (Serial Data): truyền nhận dữ liệu giữa master đến các slave và ngược lại
- Dây SCL (Serial Clock): đường mang tín hiệu xung nhịp
2.2.3 Chuẩn kết nối mạng không dây Wifi
Wifi là chuẩn kết nối mạng không dây phổ biến, cho phép các thiết bị điện tử và thông minh truy cập Internet và kết nối với nhau trong một khu vực cụ thể Sử dụng sóng băng tần 2.4GHz và 5GHz, wifi truyền nhận dữ liệu và chia sẻ tài nguyên giữa các thiết bị một cách dễ dàng Mạng wifi mang lại khả năng kết nối linh hoạt, giúp người dùng truy cập Internet và sử dụng tài nguyên từ xa mà không cần dây cáp, trở thành phần cốt lõi không thể thiếu trong cuộc sống hàng ngày, góp phần vào việc kết nối và giao tiếp trong thế giới hiện đại.
Bảng 2.1: Bảng thông số các chuẩn wifi 802.11
Chuẩn 802.11b Chuẩn 802.11b được ra đời năm 1999 và tương thích với băng tần
2.4GHz Chuẩn có tốc độ truyền tải lên đến 11Mbps
Chuẩn 802.11a, ra đời vào năm 1999, hoạt động trên băng tần 5GHz và cung cấp tốc độ truyền tải lên đến 54Mbps Tuy nhiên, phạm vi hoạt động của chuẩn này ngắn hơn so với chuẩn 802.11b.
Chuẩn 802.11g Chuẩn 802.11g được ra đời năm 2003 và tương thích với băng tần
2.4GHz Chuẩn có tốc độ đường truyền lên đến 54Mbps
Chuẩn 802.11n, ra đời năm 2009, tương thích với cả băng tần 2.4GHz và 5GHz, cung cấp tốc độ truyền tải tối đa lên đến 600Mbps Trong khi đó, chuẩn 802.11ac, được giới thiệu vào năm 2013, chỉ tương thích với băng tần 5GHz và hỗ trợ tốc độ đường truyền lên đến vài Gbps.
Hình 2.4: Các chuẩn kết nối Wifi [5]
TỔNG QUAN GOOGLE FIREBASE
Firebase là một nền tảng phát triển ứng dụng mạnh mẽ, không chỉ đơn thuần là cơ sở dữ liệu Nó cung cấp nhiều dịch vụ hữu ích, bao gồm Firebase Realtime Database và Firebase Firestore, hai giải pháp cơ sở dữ liệu thời gian thực do Google cung cấp.
Firebase Realtime Database là một giải pháp lưu trữ dữ liệu thời gian thực trên đám mây, cho phép đồng bộ hóa và chia sẻ dữ liệu ngay lập tức giữa người dùng và thiết bị.
Nó xây dựng trên kiến trúc JSON và cung cấp các API để lưu trữ và truy xuất dữ liệu
Firebase cung cấp khả năng kết nối tài khoản Google cho người dùng đăng nhập, đồng thời cung cấp nhiều dịch vụ mở rộng như xác thực người dùng, lưu trữ tệp tin, gửi thông báo, phân tích dữ liệu và nhiều tính năng khác nhằm hỗ trợ phát triển và quản lý ứng dụng hiệu quả.
THIẾT KẾ HỆ THỐNG Ổ KHOÁ THÔNG MINH
YÊU CẦU CỦA HỆ THỐNG
Hệ thống được thiết kế nhằm hỗ trợ người dùng quản lý và điều khiển từ xa nhiều ổ khoá, cho phép kiểm soát thông tin, lịch sử và vị trí của tất cả người sử dụng ổ khoá bất cứ lúc nào Người dùng có thể kiểm tra trạng thái kết nối giữa ổ khoá và hệ thống, đồng thời mở cửa từ xa qua ứng dụng web Hệ thống cũng cung cấp cảnh báo khi có người mở khoá sai quá số lần quy định Dưới đây là những yêu cầu ban đầu mà hệ thống cần đáp ứng.
Hệ thống cho phép điều khiển cửa thông qua ứng dụng web, cùng với khả năng mở và đóng cửa tại chỗ bằng vân tay đã được đăng ký hoặc mật khẩu từ bàn phím số.
- Hệ thống có hỗ trợ quản lý cho nhiều thiết bị thông qua ứng dụng web
- Các chức năng tại mỗi ổ khoá sẽ bao gồm:
• Mở cửa bằng vân tay đã được đăng kí
• Mở cửa bằng mật khẩu của bàn phím số
Khi người dùng nhập sai mã mở khóa 5 lần, âm thanh cảnh báo sẽ vang lên Thiết bị sẽ tự động khóa trong 60 giây và bắt đầu đếm ngược Sau khi thời gian kết thúc, người dùng có thể tiếp tục sử dụng thiết bị như bình thường.
• Có nút bấm riêng để tắt tiếng cảnh báo
• Thao tác đóng cửa chỉ bằng một nút bấm
- Các chức năng tại ứng dụng web quản lý bao gồm:
• Mở/đóng cửa tại mỗi nơi thông qua ứng dụng web
• Thêm/sửa/xoá vân tay thông qua trên ứng dụng web và thiết bị
• Thêm/sửa thông tin ổ khoá bao gồm (tên người quản lý, email, vị trí thiết bị, …)
• Hiển thị thông tin người sử dụng đã đăng kí của mỗi thiết bị
• Hiển thị thông tin của mỗi thiết bị và trạng thái kết nối giữa mỗi thiết bị với ứng dụng
• Đổi wifi kết nối của mỗi thiết bị
• Đổi mật khẩu bàn phím số của mỗi thiết bị
• Đổi thông tin tài khoản quản lý
• Tìm kiếm thông tin thiết bị và người sử dụng của mỗi thiết bị
• Gửi cảnh báo khi người sử dụng mở khoá sai 5 lần về email cho người quản lý
• Xem nhật ký mở cửa của mỗi thiết bị.
MÔ HÌNH HỆ THỐNG
Hệ thống ổ khóa thông minh được thiết kế để sử dụng linh hoạt trong nhiều không gian như nhà, căn hộ, chung cư và phòng trọ, nhằm đáp ứng các yêu cầu về tính tiện ích Với mục tiêu đảm bảo tính thân thiện và dễ sử dụng cho người dùng, hệ thống hoạt động nhanh chóng và linh động Các tiêu chí kỹ thuật trong thiết kế được lựa chọn dựa trên tính tương quan và khả năng đáp ứng các tình huống khác nhau, được mô tả chi tiết qua sơ đồ khối trong hình 3.1.
Hình 3.1: Sơ đồ khối của hệ thống ổ khoá thông minh
Khối xử lý trung tâm sử dụng kit phát triển ESP-WROOM-32, đảm nhiệm vai trò là trung tâm xử lý chính Nó có khả năng truyền nhận dữ liệu từ cảm biến vây tay và bàn phím số đến cơ sở dữ liệu một cách hiệu quả.
Khối xử lý trung tâm ghi lại thông tin người sử dụng và truyền nhận tín hiệu từ ứng dụng web để thực hiện các hành động qua kết nối Wifi.
Khối thu thập dữ liệu sử dụng cảm biến vân tay AS608 và bàn phím 4x3 để ghi nhận thông tin từ người dùng, bao gồm vân tay và các phím bấm Sau khi thu thập, thông tin này sẽ được gửi đến bộ điều khiển trung tâm để thực hiện chức năng mở cửa.
Khối điều khiển: khối sử dụng động cơ servo SG90 để đóng/mở cửa mỗi khi nhận tín hiệu từ bộ điều khiển trung tâm
Khối hiển thị và thông báo sử dụng màn hình LCD 16x2 kết hợp với buzzer, giúp hiển thị thông tin cho người dùng và phát ra âm thanh, tăng cường tính sinh động cho hệ thống.
Khối truyền thông: khối có chức năng truyền nhận dữ liệu giữa phần cứng và cơ sở dữ liệu của hệ thống
Khối nguồn: khối cấp nguồn điện đảm bảo hoạt động ổn định cho các linh kiện khác.
THIẾT KẾ PHẦN CỨNG
3.3.1 Khối xử lý trung tâm
Hệ thống sử dụng kit phát triển ESP-WROOM-32 làm bộ xử lý chính để xử lý và truyền dữ liệu từ cơ sở dữ liệu ESP-WROOM-32, một module Wifi và Bluetooth Low Energy (BLE) do Espressif Systems phát triển, có nhiều tính năng cải tiến so với ESP8266 Với chip ESP32-D0WDQ6, module này đạt tốc độ xử lý cao lên đến 240MHz Ngoài ra, ESP-WROOM-32 tích hợp các chuẩn giao tiếp như SPI, I2C, I2S, UART và ADC, cho phép kết nối linh hoạt với nhiều thiết bị ngoại vi khác.
Để kết nối Internet và gửi dữ liệu lên cơ sở dữ liệu, sinh viên đã chọn ESP32 làm giải pháp Wi-Fi cho các thiết bị IoT ESP32 là vi điều khiển tích hợp nhiều chuẩn truyền thông, bao gồm UART để giao tiếp với cảm biến vân tay, I2C để kết nối với màn hình LCD và keypad 4×3, cùng DS1307 để ghi nhận thời gian Bộ xử lý hoạt động ở tần số từ 20MHz đến 40MHz, giúp tăng tốc độ xử lý và cải thiện hiệu suất.
Bảng 3.1: Thông số kỹ thuật của ESP-WROOM-32
Thông số Tính năng, đặc điểm
Vi xử lý Xtensa Dual-Core 32-bit LX6 Điện áp hoạt động 3.3V ~ 5V
Bluetooth BR/EDR ver 4.2 và Bluetooth Low Energy Tốc độ xử lý 80MHz ~ 240MHz
Bộ nhớ Dung lượng 448Kbytes của ROM được sử dụng cho quá trình booting và các chức năng cốt lõi của chip
Dung lượng 520Kbytes của SRAM được sử dụng để lưu trữ dữ liệu và các lệnh
Kết nối Bộ chuyển đổi ADC có độ phân giải 12bit và hỗ trợ 16 kênh
Bộ chuyển đổi DAC 8bit cũng có sẵn trên chip với 2 kênh
10 chân được kết nối với cảm biến chạm
Ngõ ra PWM cho điều khiển Motor
Có sẵn 16 kênh PWM cho đèn LED
Có cảm biến nhiệt độ
Kích thước 18mm × 20mm × 3mm
Sơ đồ chân kết nối của khối xử lý trung tâm được biểu diễn ở hình 3.3
Hình 3.3: Sơ đồ chân của khối xử lý trung tâm
Bộ phát triển ESP-WROOM-32 hoạt động với điện áp 5V, trong đó chân G0 truyền tín hiệu cho động cơ servo SG90, chân G4 truyền tín hiệu cho buzzer, và chân G16, G17 được sử dụng để giao tiếp UART với cảm biến vân tay AS608 Ngoài ra, chân G21 và G22 hỗ trợ giao tiếp I2C với module DS1307, LCD 16x2 và keypad 4x3.
3.3.2 Khối thu thập dữ liệu
Khối thu thập dữ liệu bao gồm cảm biến vân tay AS608, bàn phím 4x3 và module RTC DS1307, có chức năng ghi nhận thông tin người sử dụng và lưu trữ thời gian thực để gửi về bộ xử lý chính.
Cảm biến vân tay AS608:
Cảm biến vân tay AS608 là một thiết bị quang học sử dụng ánh sáng để ghi lại và xác thực dấu vân tay Nó được thiết kế với một tấm meka có đèn tự kích hoạt khi ngón tay được đưa vào Khi người dùng chạm vào tấm nền, cảm biến sẽ chụp và lưu trữ hình ảnh dấu vân tay vào bộ nhớ Trong những lần sử dụng tiếp theo, cảm biến sẽ so sánh dữ liệu mới với thông tin đã lưu trữ Nếu dữ liệu khớp, người dùng sẽ được phép mở khóa Thiết bị này được sinh viên chọn làm công cụ mở cửa chính cho ổ khóa nhờ vào tỉ lệ sai số cực thấp dưới 0.001% và khả năng xác thực cao chỉ với một lần chạm.
Hình 3.4: Cảm biến vân tay AS608 [7]
Bảng 3.2: Thông số kỹ thuật của cảm biến vân tay AS608
Thông số Tính năng, đặc điểm Điện áp hoạt động 3.6V ~ 6V
Giao tiếp UART (TTL), USB 2.0
Thời gian xử lý hình ảnh