Đồ án tốt nghiệp của nhóm thực hiện chú tâm vào việc triển khai một hệ thống ổ khóa tự động thông minh, kết hợp vân tay và mật khẩu, cùng lúc cho phép quản lý thông qua ứng dụng di động.
GIỚI THIỆU
GIỚI THIỆU
Trong thời đại mới, nhu cầu quản lý khu trọ một cách hiệu quả và bảo mật ngày càng trở nên cấp thiết Đồ án tốt nghiệp này chủ yếu triễn khai một hệ thống quản lý khu trọ sử dụng cửa khóa tự động Sự kết hợp giữa IoT (Internet of Things) và các phương tiện đảm bảo an ninh như vân tay và mật khẩu từ bàn phím hứa hẹn mang lại sự an toàn và dễ sử dụng cho cả người quản lý và người thuê
Mặc dù nhiều ổ khóa tích hợp công nghệ Bluetooth để giao tiếp với điện thoại thông minh, nhưng chưa có nhiều sản phẩm tích hợp một cách toàn diện các thiết bị hiện đại như cảm biến vân tay, quản lý thời gian, và khả năng mở rộng linh hoạt Nhiều sản phẩm còn gặp thách thức trong việc kết nối đồng thời nhiều thiết bị, tạo ra những giới hạn về quy mô và hiệu suất Đồ án này hướng đến việc xử lý những thách thức trong quản lý khu trọ bằng việc tối ưu hóa quản lý, giám sát thời gian ra vào, thông báo đến người quản lý khi người sử dụng mở khóa sai nhiều lần Đặc biệt, nhóm thực hiện chủ yếu triển khai một hệ thống linh hoạt, an toàn, tận dụng sức mạnh của IoT
Phương pháp được nhóm thực hiện lựa chọn là sử dụng công nghệ IoT, tích hợp vân tay và mã xác nhận từ keypad Hệ thống sẽ được điều hành và kiểm soát thông qua điện thoại thông minh, mang lại sự tiện lợi và linh động trong quản lý Đồ án này sẽ mang lại sự tiện lợi cho người dùng bởi vì hệ thống cung cấp các khả năng kiểm soát thông tin người dùng, kiểm soát nhật ký sử dụng Đặc biệt khả năng tích hợp thiết bị mới mà không đòi hỏi sửa đổi hệ thống là một điểm nổi bật của đồ án
Sau khi hoàn tất nghiên cứu, nhóm thực hiện kỳ vọng rằng hệ thống sẽ mang lại cho người dùng sự an ninh và tiện lợi trong việc áp dụng vào khu vực sống cộng đồng.
MỤC TIÊU ĐỀ TÀI
Nhóm thực hiện đã thiết kế và triển khai hệ thống quản lý khu trọ bằng cửa khóa tự động đáp ứng một loạt các yêu cầu chính, đảm bảo sự bảo mật và tiện lợi cho người quản lý và người thuê Hệ thống này được thi công có các tính năng:
- Quản lý từ xa nhiều ổ khóa thông qua ứng dụng di động:
• Thêm ổ khóa mới cho khu trọ mới
• Xóa dữ liệu ổ khóa cũ bằng cách xóa khu trọ cũ
• Thêm/xóa vân tay của thành viên của từng khu trọ
• Chỉnh sửa thông tin cá nhân mỗi thành viên của khu trọ
• Hiển thị thông tin từng khu trọ và trạng thái kết nối giữa mỗi khu trọ và ổ khóa
• Hiển thị danh sách thông tin từng thành viên của mỗi khu trọ
• Tìm kiếm thông tin thành viên bằng tên của từng khu trọ
• Thay đổi kết nối wifi của mỗi ổ khóa
• Thay đổi mật khẩu của mỗi ổ khóa
• Đổi thông tin người quản lý bao gồm (tên người quản lý, mật khẩu tài khoản, email, riêng số điện thoại không được thay đổi)
• Gửi cảnh báo bằng ứng dụng di động khi người dùng nhập sai 5 lần
• Xem nhật ký mở khóa của mỗi khu trọ
- Chức năng thao tác tại chỗ trên phần cứng ở từng ổ khóa:
• Mở khóa bằng vân tay thành viên đã được đăng ký
• Mở khóa bằng mật khẩu
• Cảnh báo khi người dùng mở khóa sai 5 lần
• Đóng cửa bằng nút bấm.
PHẠM VI GIỚI HẠN ĐỀ TÀI
Trong quá trình nhóm thực hiện đề tài, nhận thức được một số giới hạn đặt ra ban đầu cần lưu ý:
- Hệ thống chỉ mở cửa từ bên ngoài vào
- Hệ thống được thiết kế để hỗ trợ quản lý đồng thời tối đa 10 thiết bị từ ứng dụng di động Điều này có thể là một hạn chế với các khu trọ có quy mô lớn hơn
- Hệ thống có khả năng lưu trữ lên đến 100 dấu vân tay trên mỗi khu trọ, nhưng giới hạn chỉ một mật khẩu từ bàn phím số Điều này có thể tạo ra những thách thức trong tình huống cần mở rộng quy mô hoặc đòi hỏi nhiều tùy chọn mật khẩu
Những giới hạn này cần được xem xét cẩn thận để đảm bảo rằng hệ thống đáp ứng được nhu cầu thực tế của người sử dụng Ngoài ra, có thể xem xét các phương án mở rộng hoặc cải thiện để vượt qua những hạn chế này, tùy thuộc vào yêu cầu cụ thể của hệ thống và môi trường triển khai.
PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
Để đạt được mục tiêu nghiên cứu, các phương pháp sau đã được nhóm thực hiện áp dụng:
- Thực hiện thử nghiệm trên hệ thống.
ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU
Các mô hình/sản phẩm cửa khóa tự động có tương quan với đề tài này bao gồm các hệ thống cửa khóa tự động áp dụng các cách thức nhận dạng khác nhau như: thẻ từ, mã PIN, vân tay, nhận dạng võng mạc… Các hệ thống này được nghiên cứu để đối chiếu các điểm mạnh yếu, tính khả quan và ứng dụng của chúng trong quản lý khu trọ
Một số loại vi xử lý áp dụng cho việc thiết kế cửa khóa tự động bao gồm các vi xử lý Arduino, ESP32, STM32… Các vi xử lý này được nghiên cứu để phân tích các tính năng, khả năng xử lý yêu cầu của hệ thống cửa khóa tự động, cũng như chi phí và khả năng tiếp cận
Cơ sở dữ liệu online có thể áp dụng để lưu giữ dữ liệu lên hệ thống bao gồm: Firebase, MySQL, PostgreSQL…
Công cụ hỗ trợ lập trình ứng dụng quản lý hệ thống là Android Studio
Phạm vi nghiên cứu của đề tài này chủ yếu ở khu trọ.
BỐ CỤC QUYỂN BÁO CÁO
Báo cáo được phân thành 5 chương:
Trong chương đầu tiên, đồ án chủ yếu đưa ra một góc nhìn tổng thể về đề tài Nhóm thực hiện sẽ trình bày kế hoạch chi tiết của đề tài, đồng thời xác định giới hạn, phạm vi nghiên cứu, phương pháp nghiên cứu, đối tượng nghiên cứu và các giới hạn của đề tài Chương 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT:
Trong chương này, nhóm thực hiện sẽ nêu bật về các lý thuyết chính yếu liên quan đến thiết kế và triển khai hệ thống cửa khoá tự động Các kiến thức lý thuyết này sẽ đóng vai trò quan trọng trong quá trình nghiên cứu và phát triển hệ thống
Chương 3 THIẾT KẾ HỆ THỐNG CỬA KHÓA TỰ ĐỘNG:
Chương này sẽ tập trung vào việc phân tích yêu cầu của hệ thống, giải thích các điểm nổi bật quan trọng về thiết kế, đưa ra giải pháp về thiết bị và ứng dụng di động Chương 4 KẾT QUẢ:
Tại chương này, nhóm thực hiện sẽ trình bày kết quả đã đạt được từ quá trình nghiên cứu và thi công hệ thống, chức năng vận hành của hệ thống sẽ được trình bày chi tiết Chương 5 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN:
Chương cuối cùng sẽ tổng hợp các kết quả, đánh giá ưu và nhược điểm, đồng thời đề xuất hướng phát triển của đề tài trong tương lai Nhóm thực hiện sẽ kết luận một cách tổng quan và đưa ra hướng phát triển cho hệ thống
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG CỬA KHÓA TỰ ĐỘNG
Hệ thống cửa khóa tự động cho khu trọ ngày càng trở nên quan trọng trong việc quản lý và bảo vệ an ninh của các khu trọ, căn hộ, và chung cư Đồng thời, sự phát triển của Cách Mạng Công Nghiệp 4.0 đã đưa công nghệ vào quản lý khu trọ, không chỉ tối ưu hóa sự thuận tiện mà còn nâng cao mức độ an toàn và hiệu quả trong quản lý Hệ thống cửa khóa tự động là hệ thống quản lý và điều khiển nhiều ổ khóa, được tích hợp với các cảm biến để cung cấp tiện ích cho người sử dụng Thông qua kết nối từ xa, người quản lý có khả năng quản lý người dùng và thiết bị mà không cần phải tiếp xúc trực tiếp với chúng Điều này mang lại sự linh hoạt và thuận tiện trong việc quản lý và an toàn trong việc ra vào Hệ thống cửa khóa tự động mang lại trải nghiệm hiện đại và tiện ích cho người sử dụng, không chỉ giúp mở và đóng cửa một cách thuận tiện mà còn cung cấp các phương tiện xác thực như vân tay hoặc mật khẩu, tăng cường sự bảo mật và quản lý
Trong lĩnh vực này, có nhiều sản phẩm và mô hình nghiên cứu liên quan đến hệ thống cửa khóa tự động như:
- Cửa khóa tự động sử dụng thẻ từ
- Cửa khóa tự động sử dụng giọng nói
- Cửa khóa tự động sử dụng vân tay
- Cửa khóa tự động sử dụng nhận dạng võng mạc
Sự phổ biến của IoT (Internet of Things) đã đánh dấu một xu hướng tích hợp hệ thống cửa khóa tự động vào mạng lưới thông tin, tận dụng sự kết nối rộng rãi để cung cấp những tiện ích đặc biệt Thị trường cửa khóa tự động tại Việt Nam đang có sự gia tăng đáng kể.
CÁC CHUẨN TRUYỀN THÔNG
UART (Universal Asynchronous Receiver-Transmitter) là một giao thức truyền thông phổ biến trong việc gửi thông tin giữa các thiết bị điện tử
Sử dụng chỉ hai dây kết nối:
UART truyền dữ liệu không đồng bộ, tức là không sử dụng tín hiệu clock để đồng bộ hóa quá trình truyền nhận UART tích hợp các bit start và stop vào khung dữ liệu được truyền tiến hành trình tự đồng bộ giữa bên gửi và bên nhận Các bit start và stop trong UART định rõ điểm bắt đầu và kết thúc của gói dữ liệu, giúp UART nhận diện khi nào bắt đầu đọc các bit tương ứng
Khi UART nhận được một bit "start", nó bắt đầu quá trình đọc các bit với tốc độ truyền (baud rate) Tốc độ truyền là đơn vị đo tốc độ truyền dữ liệu, thường được biểu thị bằng bit trên giây (bps - bit per second) Cả hai UART đều cần triển khai ở cùng một tốc độ truyền Tốc độ truyền giữa UART truyền và nhận chỉ được phép chênh lệch khoảng 10% để tránh việc thời gian của các bit bị lệch quá mức [1]
I2C (Inter-Integrated Circuit) là một giao thức truyền thông nối tiếp được phát triển bởi Philips Semiconductors, nhằm gửi thông tin giữa bộ xử lý chính và nhiều IC khác nhau trong phạm vi một bo mạch, chỉ sử dụng hai dây gửi và nhận dữ liệu [2]
Giao thức I2C kết hợp tính năng từ cả giao thức SPI và UART trong quá trình truyền thông nối tiếp Giao thức này cho phép người dùng liên kết nhiều slave với chỉ một master, gần giống giao thức SPI Cùng lúc chấp thuận cho nhiều master liên kết với nhiều slave Phát triển từ giao thức UART, I2C cũng dùng hai dây để gửi và nhận thông tin:
- SDA (Serial Data): gửi và nhận thông tin giữa master và slave
- SCL (Serial Clock): mang tín hiệu đồng bộ clock
2.2.3 Chuẩn kết nối mạng không dây Wifi
Wi-Fi (Wireless Fidelity) có nhiệm vụ chính yếu trong việc mang lại kết nối Internet không dây, phổ biến trong đủ loại thiết bị điện tử thông minh
Chuẩn Wi-Fi được định nghĩa bởi các tiêu chuẩn IEEE 802.11 và là một kỹ thuật vô tuyến dùng cho việc gửi và nhận thông tin qua sóng radio Wi-Fi vận hành trong phạm vi tần số 2.4 GHz hoặc 5 GHz, và các thiết bị có thể kết nối với mạng Wi-Fi để truy cập Internet
Chuẩn Wi-Fi đã trải qua nhiều phiên bản, bao gồm 802.11b, 802.11g, 802.11n, 802.11ac và 802.11ax (Wi-Fi 6) Mỗi phiên bản mang lại nâng cấp về hiệu suất gửi và nhận thông tin, tính đa nhiệm và hiệu suất mạng
Hình 2.3 Các chuẩn kết nối Wifi [4]
- Chuẩn 802.11: chuẩn có hiệu suất cao nhất là 2Mbps với băng tầng 2.4GHz
- Chuẩn 802.11b: chuẩn có hiệu suất lên đến 11Mbps, chạy ở băng tần 2.4GHz dễ bị nhiễu từ các thiết bị khác
- Chuẩn 802.11a: chuẩn truyền dẫn ở tần số là 5GHz tránh nhiễu tốt, có hiệu suất là 54Mbps nhưng khả năng xuyên tường thấp chi phí cao
- Chuẩn 802.11g: chuẩn chạy ở băng tần 2.4GHz nên vẫn dễ nhiễu, có hiệu suất lên đến 54Mbps
- Chuẩn 802.11n: chuẩn chạy ở cả băng tần 2.4GHz và 5GHz, có hiệu suất lên đến 300Mbps
- Chuẩn 802.11ac: chuẩn chạy ở băng tầng 5GHz, có hiệu suất cao nhất lên đến 1730Mbps [4]
TỔNG QUAN VỀ GOOGLE FIREBASE
Google Firebase là một dịch vụ đám mây được phát triển bởi Google, hỗ trợ nhiều phần mềm và tiện ích để thiết lập và quản lý phần mềm di động và web Firebase cung cấp nền tảng đa chức năng, giúp các nhà phát triển giảm bớt công việc hạ tầng và chủ yếu việc nâng cao trải nghiệm người dùng
Một số dịch vụ quan trọng của Firebase:
- Realtime Database: cơ sở dữ liệu thời gian thực cho phép lưu trữ và đồng bộ dữ liệu giữa các thiết bị người dùng
- Authentication: đưa ra các cách thức kiểm tra danh tính người dùng, bao gồm đăng nhập bằng email, Google, Facebook, và nhiều phương thức khác
- Cloud Firestore: cơ sở dữ liệu đa chiều, cho phép lưu trữ và truy vấn dữ liệu theo thời gian thực
- Cloud Functions: cho phép viết mã backend mà không cần quản lý máy chủ, kích thích các sự kiện trong ứng dụng của bạn
- Cloud Storage: nền tảng lưu giữ và truy cập tệp tin như hình ảnh, video
- Cloud Messaging (FCM): Dịch vụ thông báo đám mây giúp gửi thông báo người dùng từ máy chủ đến thiết bị di động [5]
THIẾT KẾ HỆ THỐNG CỬA KHÓA TỰ ĐỘNG
YÊU CẦU HỆ THỐNG
Hệ thống cửa khóa tự động được thiết kế để xử lý các yêu cầu giúp hỗ trợ quản lý và điều khiển từ xa Dưới đây là những yêu cầu chi tiết mà hệ thống cần đáo ứng:
- Quản lý từ xa nhiều ổ khóa thông qua ứng dụng di động:
• Thêm ổ khóa mới cho khu trọ mới: người quản lý có khả năng thêm một ổ khóa mới cho mỗi khu trọ từ xa thông qua ứng dụng di động, mở rộng hệ thống một cách linh hoạt
• Xóa dữ liệu ổ khóa cũ bằng cách xóa khu trọ cũ: có khả năng xóa dữ liệu của một ổ khóa cũ bằng cách xóa toàn bộ thông tin của khu trọ liên quan, giúp quản lý hiệu quả tình trạng khu trọ không còn sử dụng
• Thêm/xóa vân tay của thành viên của từng khu trọ: quản lý có thể thêm và xóa vân tay của thành viên cho từng khu trọ qua ứng dụng di động
• Chỉnh sửa thông tin cá nhân của mỗi thành viên: người quản lý có thể chỉnh sửa thông tin cá nhân của từng thành viên như họ tên, ngày sinh, giới tính…
• Hiển thị thông tin từng khu trọ và trạng thái kết nối: ứng dụng di động hiển thị thông tin từng khu trọ và trạng thái kết nối của mỗi ổ khóa, giúp người quản lý theo dõi tình trạng mỗi khu trọ
• Hiển thị danh sách thông tin từng thành viên của mỗi khu trọ: chức năng tìm kiếm hỗ trợ người quản lý xác định thông tin thành viên theo tên trong từng khu trọ
• Thay đổi wifi kết nối của mỗi ổ khóa: có khả năng thay đổi cài đặt wifi kết nối của từng ổ khóa từ xa, giúp quản lý điều chỉnh kết nối một cách linh hoạt
• Thay đổi mật khẩu bàn phím số của mỗi ổ khóa: người dùng có thể thay đổi mật khẩu bàn phím số từng ổ khóa qua ứng dụng di động, tăng cường an ninh hệ thống
• Đổi thông tin người quản lý: người quản lý có thể thay đổi thông tin cá nhân như tên người quản lý, mật khẩu tài khoản, email, nhưng không thay đổi số điện thoại
• Gửi cảnh báo bằng ứng dụng di động khi người dùng nhập sai quá 5 lần: hệ thống tự động gửi cảnh báo qua ứng dụng di động khi người dùng nhập sai mật khẩu quá 5 lần, nhằm bảo vệ an toàn hệ thống
• Xem nhật ký mở khóa của mỗi khu trọ: hiển thị chi tiết nhật ký mở khóa của từng khu trọ bao gồm: thời gian, tên thành viên, tên khu trọ ra vào
- Chức năng thao tác tại chỗ trên phần cứng ở từng ổ khóa:
• Mở khóa bằng vân tay thành viên đã được đăng ký: người dùng có thể mở khóa bằng vân tay đã được đăng ký trên cảm biến vân tay của ổ khóa
• Mở khóa bằng mã xác nhận: người dùng có thể mở khóa bằng cách nhập mã xác nhận từ keypad trên ổ khóa
• Cảnh báo khi người dùng mở khóa sai 5 lần: hệ thống phát ra cảnh báo khi người dùng nhập sai mã xác nhận quá 5 lần, để bảo vệ an toàn của hệ thống
• Đóng cửa bằng nút bấm: chức năng đóng cửa nhanh chóng thông qua nút bấm trên phần cứng của ổ khóa.
MÔ HÌNH HỆ THỐNG
Hệ thống cửa khóa tự động được thiết kế chủ yếu với kỳ vọng là xử lý toàn diện các yêu cầu đặt ra, mang lại trải nghiệm đa dạng và thuận tiện cho người dùng trong nhiều không gian sử dụng khác nhau, bao gồm nhà riêng, căn hộ, chung cư và phòng trọ Mục tiêu này không chỉ tập trung vào tính an toàn mà còn chú trọng vào tính tiện ích và sự thuận lợi, đặt người sử dụng vào tâm điểm của trải nghiệm sử dụng hệ thống
Sự linh hoạt của hệ thống được thể hiện thông qua khả năng thích ứng với nhiều không gian sống khác nhau, từ các căn hộ hiện đại đến những phòng trọ nhỏ Điều này đồng nghĩa với việc hệ thống cần đáp ứng mọi yêu cầu cụ thể của từng địa điểm
Sự liên kết giữa yêu cầu hệ thống và sơ đồ khối được thể hiện qua việc các thành phần trong sơ đồ khối được thiết kế để làm nổi bật tính linh hoạt và tích hợp của hệ
11 thống Từ khối thu thập dữ liệu cho đến khối xử lý trung tâm và ứng dụng di động, mỗi phần đều đóng góp vào mục tiêu chung của hệ thống: cung cấp giải pháp an toàn, đa dạng và thuận tiện cho người dùng trong mọi bối cảnh sống
Hình 3.1 Sơ đồ khối của hệ thống cửa khóa tự động
Sơ đồ khối mô tả hệ thống được minh họa chi tiết trong hình 3.1, giúp hiểu rõ cấu trúc và tương tác giữa các thành phần trong hệ thống
- Khối thu thập dữ liệu: cho phép người dùng thực hiện nhập bàn phím keypad và cảm biến vân tay
- Khối hiển thị: hiển thị thông báo đến người dùng thông qua LCD
- Khối chấp hành lệnh: thực hiện đóng/mở khóa cửa theo tín hiệu từ khối xử lý trung tâm
- Khối cảnh báo: có nhiệm vụ phát hiện và cảnh báo khi người dùng nhập sai mật khẩu quá 5 lần
- Khối xử lý trung tâm: lấy và xử lý dữ liệu từ khối thu thập dữ liệu, sau đó điều khiển hoạt động của khối chấp hành lệnh, khối hiển thị và khối cảnh báo
- Cơ sở dữ liệu online: thực hiện lưu trữ và quản lý dữ liệu của hệ thống trong môi trường đám mây
- Ứng dụng di động Android: dùng để quản lý số khu trọ, số thành viên, lịch sử ra vào Cung cấp khả năng thêm/xóa người thuê hoặc sửa đổi thông tin
- Khối nguồn: cung cấp nguồn cho toàn bộ hoạt động của hệ thống bao gồm: khối hiển thị, khối điều khiển trực tiếp, khối chấp hành và khối cảnh báo.
THIẾT KẾ PHẦN CỨNG
3.3.1 Khối thu thập dữ liệu
Cảm biến vân tay AS608
Cảm biến vân tay AS608 là một thiết bị đo lường và xác định biometric dựa trên dấu vân tay của người sử dụng AS608 sử dụng các cảm biến quang học để quét và ghi lại dấu vân tay với độ chính xác cao Thiết kế chắc chắn và chịu được môi trường làm việc khác nhau, đảm bảo sự ổn định và độ bền của cảm biến Các thông số an toàn như khả năng chống giả mạo cũng là những đặc tính quan trọng của AS608
Hình 3.2 Cảm biến vân tay AS608 [7]
Bảng 3.1 Thông số kỹ thuật của cảm biến vân tay AS608 Điện áp sử dụng 3.6 đến 6VDC
Dòng điện tiêu thụ 90mA
Tỷ lệ nhận sai
