thiết kế và thi công hệ thống khóa điện tử thông minh

Chính vì lẽ đó, nhóm em đã quyết định thực hiện đề tài "Thiết kế và thi công hệ thống khoá điện tử thông minh," nhằm mang lại sự thuận tiện và linh hoạt cho người sử dụng, đồng thời đảm

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP

NGÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG

THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG HỆ THỐNG KHOÁ ĐIỆN TỬ THÔNG MINH

GVHD: ThS NGUYỄN NGÔ LÂM SVTH: NGUYỄN TRUNG TIỀN NGUYỄN LÊ THANH TÚ

S K L 0 1 2 3 5 4

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HỒ CHÍ MINH KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

NGÀNH: CNKT ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG (CLC) GVHD: ThS NGUYỄN NGÔ LÂM

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự do – Hạnh phúc Tp Hồ Chí Minh, ngày 30 tháng 12 năm 2023

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Họ và tên sinh viên: Nguyễn Trung Tiền MSSV: 19161174 Nguyễn Lê Thanh Tú MSSV: 19161186 Ngành: Công nghệ kỹ thuật Điện tử - Viễn Thông (CLC)

Giáo viên hướng dẫn: ThS Nguyễn Ngô Lâm

Ngày nhận đề tài: 11/09/2023 Ngày nộp đề tài: 30/12/2023 1 Tên đề tài: Thiết kế và thi công hệ thống khóa điện tử thông minh

2 Các số liệu, tài liệu ban đầu:

- Nguyễn Đình Phú, Phan Vân Hoàn, Trương Ngọc Anh, “Giáo trình thực hành vi

điều khiển PIC”, trường ĐHSPKT TP.HCM, 8/2017

- Nguyễn Hồng Mẫn, Huỳnh Phúc Thái, “Hệ thống quản lý, giám sát phòng họp”,

Đồ án tốt nghiệp - trường ĐHSPKT TP.HCM, 2018

- Trần Vĩnh Sơn, Nguyễn Thành Dương, “Thiết kế và thi công mô hình khoá điện tử

có giám sát từ xa sử dụng GSM và RFID”, Đồ án tốt nghiệp – trường ĐHSPKT

TP.HCM, 2019

- Trần Đình Linh, “Thiết kế, chế tạo phần cứng thiết bị điểm danh lớp thực hành

bằng cảm biến vân tay”, Đồ án tốt nghiệp - trường ĐHSPKT Hưng Yên, 2022

3 Nội dung thực hiện đề tài:

- Tham khảo tài liệu, đọc và tóm tắt tài liệu đưa ra các hướng đề tài - Thiết kế sơ đồ khối, sơ đồ nguyên lý

- Thiết kế, tính toán, kết nối board Arduino Mega 2560 với ESP32, các module RFID RC522, module vân tay AS608, màn hình TFT, khóa điện tử, buzzer

- Thiết kế, xây dựng phần cứng, thi công mạch, mô hình cho sản phẩm - Viết chương trình điều khiển cho mô hình

- Thiết kế giao diện ứng dụng, Web Server

- Điều khiển và giám sát khoá điện tử thông qua Internet - Chạy thử, kiểm tra, đánh giá, hiệu chỉnh

- Viết báo cáo thực hiện

- Bảo vệ luận văn

4 Sản phẩm: Mô hình nhà có 1 cửa mô phỏng các chức năng của hệ thống, điều khiển mở cửa bằng 5 cách khác nhau: mật khẩu, nút nhấn, thẻ, vân tay, app và trong trường hợp nguy cấp (hoả hoạn) cửa sẽ tự mở để mọi người có thể thoát hiểm và được thông báo qua app blynk Thông tin về ngày giờ ra vào, phương thức mở cửa, danh tính người mở cửa được lưu trữ trên GoogleSheets

Trưởng Ngành Giáo Viên Hướng Dẫn

CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

PHIẾU NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

Họ và tên Sinh viên: Nguyễn Trung Tiền MSSV: 19161174 Nguyễn Lê Thanh Tú MSSV: 19161186 Ngành: Công nghệ kỹ thuật Điện tử - Viễn thông (CLC)

Tên đề tài: Thiết kế và thi công hệ thống khoá điện tử thông minh Họ và tên Giáo viên hướng dẫn: ThS Nguyễn Ngô Lâm

………

3 Khuyết điểm: ………

………

4 Đề nghị cho bảo vệ hay không? ………

5 Đánh giá loại: ………

6 Điểm:………(Bằng chữ……….)

………

Tp Hồ Chí Minh, ngày tháng 1 năm 2024

Giáo viên hướng dẫn

CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

PHIẾU NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN

Họ và tên Sinh viên: Nguyễn Trung Tiền MSSV: 19161174 Nguyễn Lê Thanh Tú MSSV: 19161186 Ngành: Công nghệ kỹ thuật Điện tử - Viễn thông (CLC)

Tên đề tài: Thiết kế và thi công hệ thống khoá điện tử thông minh

Họ và tên Giáo viên phản biện:………

………

NHẬN XÉT: 1 Về nội dung đề tài & khối lượng thực hiện: ………

………

2 Ưu điểm: ………

………

3 Khuyết điểm: ………

………

4 Đề nghị cho bảo vệ hay không? ………

5 Đánh giá loại: ………

6 Điểm:………(Bằng chữ……….)

………

Tp Hồ Chí Minh, ngày tháng 1 năm 2024

Giáo viên phản biện

LỜI CẢM ƠN

Nhóm xin chân thành gửi lời cảm ơn đến quý Thầy Cô khoa Điện – Điện Tử, đặc biệt là quý Thầy Cô thuộc bộ môn Điện Tử Công Nghiệp đã tận tình chỉ dạy, truyền đạt vốn kiến thức quý báu để nhóm có thể thực hiện và hoàn tất đồ án này

Nhóm chúng em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến Thầy Nguyễn Ngô Lâm Thầy đã trực tiếp giảng dạy và góp ý tận tình, cũng như chia sẻ nhiều kinh nghiệm quý báu, đồng thời tạo điều kiện tốt nhất để nhóm chúng em có thể hoàn thành tốt đề tài

Nhóm chúng em xin chân thành cảm ơn gia đình và bạn bè đã luôn tạo điều kiện, giúp đỡ và động viên em trong suốt quá trình học tập và hoàn thành đồ án tốt nghiệp

Mặc dù đã trải qua những khó khăn trong lúc thực hiện đồ án Nhưng do kiến thức còn hạn chế nên trong đồ án này chúng em còn nhiều thiếu sót về nội dung và hình thức Nhóm chúng em hy vọng quý Thầy Cô thông cảm và tận tình đóng góp ý kiến quý báu để chúng em có thể tiến hành cải tiến những mô hình về sau sao cho toàn diện nhất

Xin chân thành cảm ơn !

Người thực hiện đề tài

Nguyễn Trung Tiền Nguyễn Lê Thanh Tú

LỜI CAM ĐOAN

Chúng tôi xin cam kết khoá luận tốt nghiệp này là đề tài do nhóm chúng tôi thực hiện dựa vào các nguồn tài liệu (có trích dẫn đầy đủ), giáo trình đã học và không có sự sao chép từ tài liệu hay công trình có sẵn nào Nếu có bất kỳ vi phạm nào, chúng tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm

Người thực hiện đề tài

Nguyễn Trung Tiền Nguyễn Lê Thanh Tú

TÓM TẮT

Công nghệ ngày nay đã trở thành một trụ cột không thể thiếu trong cuộc sống hiện đại Đồng thời, sự tiến bộ đáng kể trong lĩnh vực khoa học kỹ thuật đóng góp quan trọng cho việc đáp ứng nhu cầu đa dạng của con người và giải quyết những thách thức phức tạp trong cuộc sống, đặc biệt là về an ninh Với sự tiến triển không ngừng của khoa học kỹ thuật, quản lý an ninh đã được nâng cao, các giải pháp bảo mật ngày càng được cải tiến và tích hợp rộng rãi vào hệ thống cuộc sống hàng ngày Tuy nhiên, những biện pháp bảo vệ truyền thống như sử dụng ổ khóa đơn giản không còn đảm bảo được tính bảo mật và an toàn, đặc biệt là khi đối mặt với những thách thức an ninh ngày càng phức tạp Chính vì lẽ đó, nhóm em đã quyết định thực hiện đề tài "Thiết kế và thi công hệ thống khoá điện tử thông minh," nhằm mang lại sự thuận tiện và linh hoạt cho người sử dụng, đồng thời đảm bảo tính bảo mật và an toàn cao, góp phần giảm thiểu rủi ro mất mát tài sản so với những phương thức bảo mật truyền thống

Hệ thống được xây dựng trên nền tảng của board Arduino và ESP32, tích hợp nhiều thành phần như khóa điện tử, cảm biến vân tay AS608, module RFID RC522, màn hình cảm ứng TFT 3.5inch, cảm biến từ MC-38, và cảm biến báo cháy (DHT11, MQ2) Để đảm bảo mức độ bảo mật cao và cung cấp trải nghiệm người dùng thuận tiện, đề tài đã áp dụng đồng thời 5 phương thức mở cửa: nhập mật khẩu, quét thẻ RFID, quét vân tay, sử dụng nút nhấn, và mở từ xa qua ứng dụng Blynk trên điện thoại hoặc Web Server Trong trường hợp khẩn cấp như hỏa hoạn, hệ thống tự động mở cửa kèm theo chuông báo động, giúp mọi người có thể thoát hiểm dựa trên giá trị đo được từ cảm biến DHT11 và MQ2 Hệ thống được trang bị các chức năng quản lý đa dạng như lựa chọn phương thức mở cửa, nhập mật khẩu, thay đổi mật khẩu, thêm và xoá thẻ, cũng như thêm và xoá dấu vân tay Tất cả các thao tác này có thể được thực hiện trực tiếp trên màn hình cảm ứng Hơn nữa, hệ thống cũng thiết kế giao diện để lưu trữ thông tin về việc ra vào cửa trên ứng dụng điện thoại và Google Sheets, giúp bộ phận quản lý dễ dàng theo dõi và quản lý mọi sự kiện và hoạt động của hệ thống

Chương 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 5

2.1 Giới thiệu hệ thống bảo mật trước đây 5

2.1.1 Mô hình khóa điện tử có giám sát từ xa sử dụng GSM và RFID [3] 5

2.1.2 Hệ thống khoá điện tử đa phương án mở [6] 5

2.1.3 Hệ thống điểm danh nhân viên sử dụng vi điều khiển ARM [4] 6

2.1.4 Thiết bị điểm danh lớp thực hành bằng cảm biến vân tay và thẻ RFID [5] 6 2.2 Giới thiệu khoá cửa điện tử 7

Chương 3 TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ 17

3.1 Giới thiệu 17

3.2 Thiết kế sơ đồ khối toàn hệ thống 17

3.3 Tính toán và thiết kế hệ thống phần cứng 19

3.3.1 Thiết kế khối cảm biến vân tay 19

3.3.2 Thiết kế khối RFID 20

3.3.3 Thiết kế khối điều khiển và hiển thị 21

3.3.4 Thiết kế khối chốt khoá 22

3.3.5 Thiết kế khối nút nhấn 24

3.3.6 Thiết kế khối báo động 24

3.3.7 Thiết kế khối cảm biến đóng cửa 26

3.3.8 Thiết kế khối module wifi 26

3.3.9 Thiết kế khối báo cháy 27

3.3.10 Thiết kế khối nguồn 28

3.3.11 Thiết kế khối xử lý trung tâm 32

3.3.12 Sơ đồ nguyên lý toàn mạch 34

3.3.13 Nguyên lý hoạt động của hệ thống 36

3.4 Thiết kế phần mềm 37

3.4.1 Lưu đồ giải thuật chương trình chính 37

3.4.2 Lưu đồ giải thuật chưng trình “ Kiểm tra mở cửa” 38

3.4.3 Lưu đồ giải thuật chương trình “ Các chế độ mở cửa” 39

3.4.4 Lưu đồ chương trình “ Mở cửa bằng mật khẩu” 40

3.4.5 Lưu đồ chương trình “ Mở cửa bằng thẻ” 41

3.4.6 Lưu đồ chương trình “ Mở cửa bằng vân tay” 42

3.4.7 Lưu đồ chương trình “ Các tuỳ chọn” 43

3.4.8 Lưu đồ chương trình “ Đổi mật khẩu” 44

3.4.9 Lưu đồ chương trình “ Thêm/xoá thẻ” và “Thêm/xoá vân tay” 45

3.4.10 Lưu đồ chương trình “ ESP32 xử lý thông tin” 47

3.4.11 Lưu đồ chương trình “Kiểm tra khối báo cháy” 48

Chương 4 THI CÔNG HỆ THỐNG 49

4.1 Giới thiệu 49

4.2 Thi công phần cứng 49

4.2.1 Thiết kế và thi công phần cứng 50

4.2.2 Lắp ráp và kiểm tra phần cứng 51

4.2.3 Thi công mô hình 53

4.3 Thi công phần mềm 55

4.3.1 Thiết kế giao diện trên App Blynk 55

4.3.2 Thiết kế giao diện trên bảng tính Google Sheets 57

Chương 5 KẾT QUẢ - NHẬN XÉT - ĐÁNH GIÁ 60

5.1 Kết quả thực hiện mô hình 60

EEPROM Electrically Erasable Programmable Read-Only MemoryIDE Integrated Development Environment

TFT Thin-film TransistorIOT Internet of Things

I2C hay IIC Inter – Integrated CircuitUSB Universal Serial Bus LSB Least Significant Bit MSB Most Significant Bit

SRAM Static random-access memory GPIO general-purpose input/output VDC Volts Direct Current

TTL Transistor-transistor logic NFC Near-Field Communications IC integrated circuit

PCB printed circuit board

ISIS Intelligent Schematic Input System

ARES Aerial Regional-scale Environmental Survey ID Identification

HTTP HyperText Transfer Protocol

Hình 2.5 Sơ đồ chân ESP32 11

Hình 2.6 Cảm biến vân tay AS608 11

Hình 2.7 Module RFID RC522 và thẻ từ 12

Hình 2.8 Màn hình cảm ứng TFT 3.5 inch 13

Hình 3.1 Sơ đồ khối của hệ thống khoá điện tử thông minh 17

Hình 3.2 Sơ đồ kết nối Module AS608 với vi điều khiển 19

Hình 3.3 Sơ đồ kết nối module RFID với vi điều khiển 21

Hình 3.4 Sơ đồ kết nối màn hình cảm ứng TFT với vi điều khiển 22

Hình 3.5 Sơ đồ kết nối khối chốt khoá với relay 5V và vi điều khiển 23

Hình 3.6 Sơ đồ board module relay 23

Hình 3.7 Sơ đồ kết nối khối nút nhấn với vi điều khiển 24

Hình 3.8 Sơ đồ kết nối khối báo động cảnh báo với vi điều khiển 25

Hình 3.9 Sơ đồ kết nối khối báo động nhắc nhở với vi điều khiển 25

Hình 3.10 Sơ đồ kết nối khối cảm biến đóng cửa với vi điều khiển 26

Hình 3.11 Sơ đồ kết nối khối module wifi với vi điều khiển trung tâm 27

Hình 3.12 Khối báo cháy 28

Hình 3.13 Module chuyển nguồn YX-850 30

Hình 3.14 Mạch sạc HX-3S-01 31

Hình 3.15 Sơ đồ khối nguồn 32

Hình 3.16 Sơ đồ kết nối của Arduino Mega 2560 với các ngoại vi 34

Hình 3.17 Sơ đồ nguyên lý toàn mạch 35

Hình 3.18 Lưu đồ chương trình chính 37

Hình 3.19 Lưu đồ chương trình “ Kiểm tra mở cửa” 38

Hình 3.20 Lưu đồ chương trình “ Các chế độ mở cửa” 39

Hình 3.21 Lưu đồ chương trình “ Mở cửa bằng mật khẩu” 40

Hình 3.22 Lưu đồ chương trình “ Mở cửa bằng thẻ” 41

Hình 3.23 Lưu đồ chương trình “ Mở cửa bằng vân tay” 42

Hình 3.24 Lưu đồ chương trình “ Các tuỳ chọn” 43

Hình 3.25 Lưu đồ chương trình “Đổi mật khẩu” 44

Hình 3.26 Lưu đồ chương trình thêm/xoá thẻ 45

Hình 3.27 Lưu đồ chương trình thêm/xoá vân tay 45

Hình 3.28 Lưu đồ chương trình “ ESP32 xử lý thông tin” 47

Hình 3.29 Lưu đồ chương tình “Kiểm tra khối báo cháy” 48

Hình 4.1 Thiết kế board mạch xử lý trung tâm 50

Hình 4.2 Board đồng đục lỗ PCB 50

Hình 4.3 Hình ảnh mặt trước board mạch xử lý trung tâm 51

Hình 4.4 Mặt sau board xử lý trung tâm 52

Hình 4.5 Mạch nguồn 52

Hình 4.6 Tấm Fomex 53

Hình 4.7 Thông số mô hình 54

Hình 4.8 Mặt trước của mô hình 54

Hình 4.9 Mặt bên hong của mô hình 55

Hình 4.15 Giao diện Apps Script 58

Hình 4.16 Giao diện tuỳ chọn 58

Hình 4.17 Giao diện trang tính được tạo 59

Hình 5.1 Mặt trước của mô hình 60

Hình 5.2 Bên trong mô hình 61

Hình 5.3 Giao diện màn hình mặc định 61

Hình 5.4 Giao diện nhập mật khẩu 62

Hình 5.5 Giao diện cửa đã mở 62

Hình 5.6 Giao diện sai mật khẩu nhập lại 62

Hình 5.7 Giao diện yêu cầu đặt thẻ 62

Hình 5.8 Giao diện cửa đã mở 62

Hình 5.9 Giao diện đặt thẻ khác 62

Hình 5.10 Giao diện yêu cầu đặt tay 63

Hình 5.11 Giao diện của đã mở 63

Hình 5.12 Giao diện yêu cầu đặt tay lại 63

Hình 5.13 Giao diện tuỳ chọn 63

Hình 5.14 Giao diện nhập mật khẩu mới 63

Hình 5.15 Giao diện đã thay đổi mật khẩu 63

Hình 5.16 Giao diện đặt thẻ lần 1 64

Hình 5.17 Giao diện đặt thẻ lần 2 64

Hình 5.18 Giao diện lưu thẻ thành công 64

Hình 5.19 Giao diện đặt thẻ để xoá 64

Hình 5.20 Giao diện xoá thẻ thành công 64

Hình 5.21 Giao diện thẻ đã tồn tại 65

Hình 5.22 Giao diện thẻ chưa lưu 65

Hình 5.23 Giao diện yêu cầu đặt tay 65

Hình 5.24 Giao diện yêu cầu đặt tay lại 65

Hình 5.25 Giao diện đã thêm thành công 65

Hình 5.26 Giao diện yêu cầu đặt tay 66

Hình 5.27 Giao diện xoá thành công 66

Hình 5.28 Giao diện vân tay đã tồn tại 66

Hình 5.29 Giao diện màn hình App Blynk 66

Hình 5.30 Thông báo sai mật khẩu 67

Hình 5.31 Thông báo có cháy 67

Hình 5.32 Giao diện hiển thị Google sheets 67

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 2.1 Thông số kỹ thuật của màn hình TFT 13

Bảng 3.1 Thông số, giá trị các linh kiện sử dụng 29

Bảng 4.1 Danh sách các linh kiện sử dụng 49

Bảng 5.1 Tiến trình thử nghiệm 68

Chương 1 TỔNG QUAN 1.1 Giới thiệu

Công nghệ đã trở thành một yếu tố không thể thiếu trong cuộc sống hiện đại, đồng thời tiến bộ đáng kể trong lĩnh vực khoa học công nghệ và kỹ thuật đã đóng góp quan trọng trong việc đáp ứng nhu cầu đời sống và giải quyết những thách thức phức tạp trong cuộc sống hàng ngày, đặc biệt là liên quan đến an ninh Với sự tiến triển không ngừng trong lĩnh vực khoa học kỹ thuật, quản lý an ninh ngày càng được phát triển và cải thiện, với các công nghệ bảo mật ngày càng được nâng cấp và phổ biến rộng rãi trong cộng đồng Ngoài ra, khoá điện tử không chỉ đảm bảo tính an toàn mà còn mang lại tiện ích cao cho người sử dụng, giúp giảm chi phí so với việc sử dụng khoá truyền thống khi phải làm chìa khoá khi mất hoặc khi muốn chia sẻ quyền sử dụng Thay vào đó, khi sử dụng khoá điện tử, người dùng chỉ cần chia sẻ mật khẩu hoặc thêm vân tay trực tiếp, tạo ra quy trình nhanh chóng, tiện lợi và dễ dàng quản lý quyền truy cập vào cửa

Công nghệ RFID hoạt động dựa trên việc nhận dạng đối tượng thông qua sóng vô tuyến và truyền dữ liệu từ thẻ hoặc tag điện tử đến đầu đọc ở khoảng cách gần mà không yêu cầu tiếp xúc vật lý Điều này cho phép nhận biết các đối tượng thông qua hệ thống thu phát sóng radio, từ đó có thể theo dõi, quản lý hoặc ghi lại lịch sử di chuyển của từng đối tượng Công nghệ này đã và đang ngày càng phổ biến trong nhiều lĩnh vực cuộc sống hiện nay Nó cũng được tích hợp trong các hệ thống bảo mật, như trong đề tài “Thiết kế và thi công mô hình khoá điện tử có giám sát từ xa sử dụng GSM và RFID”[3] của hai tác giả là Trần Vĩnh Sơn và Nguyễn Thành Dương Đề tài này sử dụng vi xử lý Arduino để giao tiếp với module Sim900A, phím ma trận và module RFID RC522, cho phép thực hiện việc mở cửa bằng thẻ RFID và giám sát từ xa, thông báo qua tin nhắn Điều này đóng góp vào việc tăng cường tính bảo mật và giảm thiểu nguy cơ trộm cắp tài sản

Bên cạnh sử dụng công nghệ RFID để tăng cường bảo mật, phương pháp bảo mật bằng vân tay cũng đang được áp dụng rộng rãi và trở nên phổ biến Công nghệ cảm biến vân tay là một phương tiện sinh trắc học được áp dụng để nhận diện và xác thực danh tính dựa trên các đặc trưng riêng biệt của vân tay Quy trình hoạt động của công nghệ này bao gồm việc quét các đặc điểm lồi và lõm trên bề mặt da của ngón tay và lưu giữ các đường vân tay, tạo ra một dãy mã đặc biệt dành riêng cho từng cá nhân Do độ an toàn cao, công nghệ này được áp dụng trong nhiều lĩnh vực, ví dụ như trong dự án "Hệ thống quản lý, giám sát phòng họp"[2] của hai tác giả là Nguyễn Hồng Mẫn và Huỳnh Phúc Thái, sử dụng vi xử lý Arduino kết hợp với module cảm

biến vân tay R305 để giám sát và cung cấp thông tin cho người tham gia cuộc họp Hay trong đề tài khác như "Thiết kế, chế tạo phần cứng thiết bị điểm danh lớp thực hành bằng cảm biến vân tay"[5] của tác giả Trần Đình Linh, sử dụng vi xử lý Arduino Uno và Kit STM32F103 kết hợp với module ESP8266 để thực hiện quá trình điểm danh và cập nhật thời gian một cách chính xác, đảm bảo tính minh bạch trong quá trình quản lý

Dựa trên những thực tế trên, nhóm em quyết định thực hiện đề tài "Thiết kế và thi công hệ thống khoá điện tử thông minh" nhằm tạo ra sự linh hoạt và nâng cao tính bảo mật cho người sử dụng, nhằm giảm thiểu nguy cơ mất mát tài sản không mong muốn như các phương pháp bảo mật truyền thống Hệ thống này sử dụng vi xử lý trung tâm là Arduino Mega 2560, kết hợp với module wifi ESP32, module RFID RC522, module cảm biến vân tay AS608, màn hình cảm ứng TFT 3.5 inch, cảm biến từ MC-38, và cảm biến báo cháy Hệ thống có khả năng mở cửa thông qua nhiều phương thức khác nhau như: sử dụng mật khẩu, nút nhấn khẩn cấp, quét thẻ RFID, quét vân tay, và mở từ xa qua ứng dụng Blynk, nhằm tăng cường tính linh hoạt và tiện lợi cho người sử dụng Trong tình huống khẩn cấp, hệ thống cũng có khả năng mở cửa tự động Sau khi cửa được mở, hệ thống sẽ tự động cập nhật thông tin về người mở cửa, thời gian mở cửa, và phương thức mở cửa để hỗ trợ quản lý người dùng thông qua Google Sheets

1.2 Mục tiêu đề tài

Xây dựng và triển khai mô hình khoá điện tử thông minh với khả năng mở cửa đa dạng, bao gồm việc nhập mật khẩu, sử dụng nút nhấn, quét thẻ RFID, quét vân tay và khả năng mở từ xa qua ứng dụng Blynk Trong tình huống khẩn cấp, hệ thống được thiết kế để tự động mở cửa Tất cả thông tin liên quan đến người mở cửa, thời gian mở cửa và phương thức mở cửa sẽ được tự động cập nhật lên trang tính Google Sheets để hỗ trợ quản lý và theo dõi

1.4 Nội dung nghiên cứu

Đề tài được thực hiện với các phần chính như sau:

- Phần 1: Tìm hiểu tài liệu, đọc và tóm tắt các hướng đề tài từ nguồn tham khảo - Phần 2: Nghiên cứu nguyên lý hoạt động của Arduino Mega 2560, ESP32,

các module RFID RC522, module vân tay AS608, màn hình TFT, khóa điện tử

- Phần 3: Tìm hiểu về các chuẩn truyền thông như USART, SPI - Phần 4: Thiết kế sơ đồ khối và sơ đồ nguyên lý

- Phần 5: Thiết kế, tính toán, và kết nối board Arduino Mega 2560 với ESP32,

các module như RFID RC522, module vân tay AS608, màn hình TFT, khóa điện tử, và các cảm biến

- Phần 6: Lập chương trình điều khiển cho mô hình

- Phần 7: Xây dựng giao diện trên Web Server và App trên điện thoại - Phần 8: Xây dựng và lắp ráp phần cứng của mô hình

- Phần 9: Thực hiện thử nghiệm, kiểm tra, đánh giá và điều chỉnh - Phần 10: Viết báo cáo thực hiện

- Phần 11: Bảo vệ luận văn 1.5 Bố cục

Chương 1: Tổng quan

Chương này giới thiệu và nêu lý do lựa chọn đề tài, mục tiêu nghiên cứu, nội dung chính, các hạn chế về thông số và bố cục của đồ án

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Chương này tập trung trình bày các kiến thức lý thuyết cơ bản để làm nền tảng cho việc thực hiện dự án, sử dụng các nghiên cứu liên quan làm nguồn tham khảo và giới thiệu lý thuyết về các module và linh kiện được sử dụng trong hệ thống

Chương 3: Tính toán và thiết kế

Chương này tập trung vào việc thiết kế sơ đồ khối, lưu đồ giải thuật, sơ đồ nguyên lý của các thành phần trong hệ thống và thực hiện các tính toán cần thiết cho quá trình thiết kế

Chương 4: Thi công hệ thống

Chương này miêu tả chi tiết quá trình thực hiện và triển khai hệ thống, bao gồm cả quá trình thiết kế phần mềm

Chương 5: Kết quả – nhận xét – đánh giá

Chương này hiển thị kết quả thực hiện, minh họa bằng hình ảnh thực tế và đưa ra nhận xét tổng quan về đề tài

Chương 6: Kết luận và hướng phát triển

Chương này sẽ tổng kết kết quả, đánh giá ưu nhược điểm, và đề xuất hướng phát triển tương lai của dự án

Chương 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Giới thiệu hệ thống bảo mật trước đây

2.1.1 Mô hình khóa điện tử có giám sát từ xa sử dụng GSM và RFID [3]

Ngày nay, với sự tiến bộ không ngừng của công nghệ và kỹ thuật, việc tích hợp chúng vào cuộc sống hàng ngày trở nên không thể thiếu Điều này mang lại sự tiện lợi và tự động hóa cho cuộc sống Ví dụ, ứng dụng IoT trong quản lý ngôi nhà thông minh cho phép các thiết bị liên kết với nhau qua mạng internet, có thể được điều khiển và giám sát từ xa thông qua máy tính hoặc điện thoại thông minh Hệ thống khóa điện tử tích hợp với chức năng giám sát từ xa, sử dụng GSM và RFID, mang đến một lựa chọn thay thế hiệu quả cho các giải pháp bảo mật truyền thống

Bằng cách sử dụng vi xử lý Arduino Mega 2560 làm khối điều khiển trung tâm Để mở cửa, người sử dụng phải trải qua hai lớp bảo mật, đó là quét thẻ RFID và sau đó nhập mật khẩu trên bàn phím có dạng ma trận 4x4 Điều này nhằm ngăn chặn việc lấy cắp hoặc sử dụng thẻ một cách dễ dàng Mật khẩu cửa có thể chung hoặc riêng biệt cho từng thẻ tùy thuộc vào sở thích của người sử dụng Hệ thống sẽ gửi thông báo và tin nhắn thông báo cho người dùng qua GSM nếu phát hiện có người cố ý mở cửa nhiều lần không thành công hoặc nếu có người xâm nhập vào ngôi nhà thông qua cảm biến chuyển động PIR

Mặc dù mô hình đạt được mức độ bảo mật cao, nhưng vẫn tồn tại một số hạn chế như sự phụ thuộc vào nguồn điện trực tiếp, khiến nó không thể hoạt động khi có cúp điện hoặc mất điện tạm thời Cảm biến chuyển động không thể phân biệt giữa người và vật, do đó có thể gửi cảnh báo không chính xác đến người sử dụng

2.1.2 Hệ thống khoá điện tử đa phương án mở [6]

Hiện nay, công nghệ là một phần không thể không có trong cuộc sống thời hiện đại, nó giữ vai trò quan trọng cũng như là cầu nối của các thiết bị lại với nhau Nó đóng vai trò quan trọng trong việc giải quyết những vấn đề cấp bách, nan giải trong đời sống, đặc biệt là việc bảo đảm an toàn và an ninh Hệ thống khoá điện tử đa phương án mở được tích hợp nhiều phương án mở cửa linh hoạt khác nhau và có chức năng thông báo trực tiếp tức thì tới người dùng cũng như là lưu trữ việc ra vào hệ thống, mang đến một lựa chọn thay thế hiệu quả cho các giải pháp bảo mật truyền thống

Bằng cách sử dụng vi xử lý Arduino Mega 2560 làm khối điều khiển trung tâm và module wifi ESP8266 để làm khối kết nối internet Để mở cửa, người sử dụng có thể chọn trực tiếp một trong ba cách trực tiếp trên màn hình cảm ứng là nhập mật

khẩu, quét thẻ RFID và quét vân tay Ngoài ra người sử dụng có thể mở cửa từ xa thông qua ứng dụng Blynk trên điện thoại Hệ thống sẽ gửi thông báo về điện thoại khi cửa được mở hoặc mở sai nhiều lần, thêm vào đó thì các thông tin về việc hoạt động của cửa cũng được lưu trữ ở Google Sheets để tiện theo dõi

Mặc dù mô hình đạt được mức độ bảo mật cao và cung cấp cho người dùng đa dạng phương án mở cửa nhưng vẫn tồn tại một số hạn chế như sự phụ thuộc vào nguồn điện trực tiếp, khiến nó không thể hoạt động khi có cúp điện hoặc khi hết nguồn dự phòng Vì hệ thống cần có kết nối internet để có thể mở của từ xa cũng như là để lưu trữ thông tin, cho nên nếu như kết nối không ổn định thì hệ thống sẽ bị treo hoặc bị chậm trễ trong quá trình thực hiện và cập nhật

2.1.3 Hệ thống điểm danh nhân viên sử dụng vi điều khiển ARM [4]

Hiện nay, quản lý nhân sự đã trở nên đa dạng với nhiều phương pháp khác nhau, chẳng hạn như việc sử dụng phương pháp điểm danh trực tiếp Tuy nhiên, với sự tiến bộ của công nghệ, phương pháp truyền thống này đang dần bị thay thế bởi các thiết bị tự động như máy chấm công, được sử dụng rộng rãi tại các tổ chức, doanh nghiệp và trường học Cải tiến này giúp nhận biết chính xác những đối tượng cần quản lý, tránh sai sót và ngăn chặn gian lận “Hệ thống điểm danh nhân viên sử dụng vi điều khiển ARM" của hai tác giả là Trần Thị Linh Đa và Nguyễn Châu Ngân đặt ra một giải pháp toàn diện Thay vì sử dụng riêng lẻ các phương thức như quét vân tay hoặc thẻ, mô hình này kết hợp cả hai để tối ưu hóa trải nghiệm người sử dụng

Mô hình sử dụng chip STM32F103VET6 làm khối điều khiển trung tâm, cùng với module cảm biến vân tay R305 để lấy mẫu và nhận dạng vân tay, module RFID RC522 để thực hiện việc đọc dữ liệu từ thẻ Đồng thời, việc sử dụng module wifi ESP8266 giúp hệ thống kết nối dễ dàng với wifi, truyền nhận dữ liệu một cách hiệu quả giữa web server và hệ thống Dữ liệu điểm danh được lưu trữ trên thẻ nhớ SD và hiển thị trên màn hình cảm ứng TFT 3.2 inch Bằng cách này, thông tin được cập nhật và quản lý từ xa thông qua việc lưu trữ file excel trên thẻ nhớ, cung cấp một giải pháp linh hoạt và hiệu quả cho quản lý nhân sự

2.1.4 Thiết bị điểm danh lớp thực hành bằng cảm biến vân tay và thẻ RFID [5]

Ngày nay, với sự bùng nổ của các lĩnh vực khoa học và kỹ thuật, kỹ thuật tự động điều khiển đóng vai trò quan trọng trong đa dạng các lĩnh vực như khoa học kỹ thuật, quản lý, công nghiệp, và cung cấp thông tin Trong ngữ cảnh giáo dục, nơi mà đào tạo nhân tài đất nước, việc rèn luyện tính kỷ luật của học sinh, sinh viên trở nên cực kỳ quan trọng Tuy nhiên hiện thực là mặc dù môi trường học tập cần sự nâng cao ý thức của học sinh, sinh viên, nhưng vẫn tồn tại những vấn đề như gian lận trong

học đường, thể hiện qua việc nhờ học hộ, điểm danh hộ, hoặc thậm chí là thi hộ, ảnh hưởng đến chất lượng giảng dạy và học tập

Để giải quyết vấn đề này, nghiên cứu về "Thiết bị điểm danh lớp thực hành bằng thẻ RFID và cảm biến vân tay" ra đời với mục tiêu nâng cao chất lượng giảng dạy và học tập Mô hình này sử dụng ba vi điều khiển là Kit STM32F103, Arduino Uno R3 và ESP8266 để tạo thành khối xử lý trung tâm Arduino Uno R3 chịu trách nhiệm xử lý thông tin từ cảm biến vân tay AS608 để hỗ trợ quá trình điểm danh Kit STM32F103 xử lý thông tin từ quá trình đọc thẻ RFID và cũng xử lý dữ liệu từ Arduino Uno R3 Module ESP8266 có nhiệm vụ kết nối wifi, giúp hệ thống cập nhật dữ liệu điểm danh lên Google Sheet Mặc dù hệ thống này linh hoạt và có thể áp dụng cho nhiều tình huống khác nhau, tuy nhiên cần lưu ý rằng sự liên kết mạng có thể ảnh hưởng đến độ ổn định và tốc độ cập nhật dữ liệu

2.2 Giới thiệu khoá cửa điện tử

Khóa cửa điện tử đại diện cho một giải pháp an toàn và hiện đại trong việc bảo vệ ngôi nhà và tài sản Thay vì sử dụng chìa khóa truyền thống, khóa cửa điện tử hoạt động dựa trên công nghệ điện tử, cho phép mở cửa thông qua mã số, thẻ từ, hoặc kết nối Bluetooth từ điện thoại di động Điều này mang lại sự thuận tiện và linh hoạt, với khả năng quản lý quyền truy cập từ xa và theo dõi chi tiết lịch sử mở cửa Tính năng bảo mật cao cùng khả năng tích hợp với hệ thống nhà thông minh giúp khóa cửa điện tử trở thành một phần quan trọng, nâng cao cảm giác an toàn và tiện ích cho ngôi nhà

Không chỉ đảm bảo an toàn và linh hoạt trong quản lý quyền truy cập, khóa cửa điện tử còn thể hiện sự tiện lợi và hiện đại Người sử dụng có khả năng quản lý nhiều mã số khác nhau cho gia đình, bạn bè hoặc nhân viên, và có thể thay đổi chúng dễ dàng thông qua ứng dụng di động hoặc giao diện web Một số mô hình khóa cửa điện tử tích hợp camera và cảm biến, giúp ghi lại hình ảnh và thông báo về mọi hoạt động đáng chú ý

Với khả năng chống va đập và thiết kế hiện đại, khóa cửa điện tử không chỉ là giải pháp an ninh mà còn là một phần của trải nghiệm sống hiện đại, mang lại sự tiện ích và an toàn cho người sử dụng.Khóa cửa điện tử có hình dạng như được mô tả trong hình 2.1

Hình 2.1 Khoá cửa điện tử

• Chip chủ đạo (Microcontroller): Arduino Mega 2560 sử dụng vi xử lý ATmega2560, một chip AVR 8-bit có tốc độ xử lý 16 MHz Chip này có 256 KB bộ nhớ flash (chương trình), 8 KB RAM và 4 KB EEPROM (ghi lại dữ liệu)

• Arduino Mega 2560 có tổng cộng 54 chân đầu vào và đầu ra (I/O), trong đó có 15 chân được thiết kế để hỗ trợ PWM (Pulse Width Modulation) để điều

khiển độ rộng của xung xác định Ngoài ra, board còn có 16 chân đầu vào analog

• Giao diện kết nối: Các giao diện kết nối của Arduino Mega 2560 đa dạng, bao gồm 4 cổng UART (Serial), 1 cổng I2C và 1 cổng SPI Điều này cung cấp khả năng linh hoạt trong việc kết nối với nhiều thiết bị ngoại vi như cảm biến, màn hình, hoặc các module mở rộng khác

• Nguồn cấp: Board có thể nhận nguồn cung cấp thông qua cổng USB hoặc từ một nguồn ngoại vi khác Thông thường, nguồn cung cấp cho board được duy trì trong khoảng 7-12V và có khả năng được điều chỉnh thông qua một đầu ra điện áp

• Chương trình và Phần mềm hỗ trợ: Arduino Mega 2560 có khả năng lập trình thông qua môi trường Arduino IDE, đây là một ứng dụng miễn phí và mã nguồn mở Phần mềm này hỗ trợ nhiều thư viện và cung cấp ví dụ mã nguồn giúp lập trình viên thực hiện các dự án khác nhau một cách dễ dàng

• Ứng dụng: Với số lượng chân I/O lớn và khả năng xử lý mạnh mẽ, Arduino Mega 2560 là lựa chọn lý tưởng cho các dự án phức tạp như robot, máy in 3D, Thích hợp cho việc điều khiển hệ thống và các ứng dụng trong lĩnh vực IoT

Hình 2.3 Sơ đồ chân Arduino Mega 2560

2.3.2 Module ESP32 [10]

Hình 2.4 Hình ảnh Module ESP32

Module ESP32 là thiết bị tích hợp cả Wi-Fi và Bluetooth, được nâng cấp bởi Espressif Systems Xây dựng dựa trên vi xử lý ESP32, module này mang đến nhiều tính năng và khả năng mạnh mẽ, làm cho nó trở thành lựa chọn phổ biến trong các dự án IoT và các ứng dụng không dây khác Dưới đây là một số thông tin cơ bản về module ESP32:

• Vi xử lý (Microcontroller): ESP32 được đặc trưng bởi chip dual-core Xtensa LX6, mang lại hiệu suất xử lý mạnh mẽ với tốc độ lên đến 240 MHz Bộ nhớ flash tích hợp có dung lượng lên đến 16 MB, được sử dụng để lưu trữ chương trình và dữ liệu, và 520 KB SRAM đảm bảo lưu trữ tạm thời đầy đủ

• Chức năng kết nối không dây WiFi: ESP32 hỗ trợ chuẩn Wi-Fi 802.11 b/g/n với các tính năng bảo mật WPA/WPA2 và WEP Ngoài ra, nó tích hợp cả hai chuẩn kết nối Bluetooth, đó là Bluetooth Classic và Bluetooth Low Energy (BLE)

• Chân I/O và Nguồn cấp: ESP32 cung cấp nhiều chân GPIO (chân I/O) linh hoạt, phục vụ cho nhiều mục đích khác nhau Có nhiều chân hỗ trợ PWM, I2C, SPI, UART và các chức năng khác Nguồn cấp thường là từ 2.2V đến 3.6V • Ứng dụng ngoại vi: Một số module ESP32 hỗ trợ giao diện máy ảnh, giúp dễ

dàng tích hợp vào các ứng dụng camera Một số module ESP32 còn đi kèm với chân đầu vào cảm ứng

• Môi trường phần mềm Arduino IDE: ESP32 có khả năng lập trình thông qua môi trường Arduino IDE bằng cách cài đặt một trình cắm (plugin) đặc biệt Hoặc ESP-IDF: Espressif IoT Development Framework là một môi trường phát triển chính thức hỗ trợ việc lập trình ESP32 với nhiều tính năng mạnh mẽ

• Ứng dụng: ESP32 thường được tích hợp vào các dự án IoT như cảm biến thông minh, hệ thống giám sát, và ứng dụng trí tuệ nhân tạo Các dự án đòi hỏi kết

nối không dây như hệ thống điều khiển từ xa, các ứng dụng với Bluetooth và WiFi đều có thể sử dụng ESP32

Hình 2.5 Sơ đồ chân ESP32

2.3.3 Cảm biến vân tay AS608 [13]

Trên thị trường hiện nay, có nhiều loại cảm biến vân tay khác nhau phục vụ cho quá trình nhận dạng như loại quang học, siêu âm và điện dung Nhưng vì hệ thống chỉ dừng lại ở việc làm mô hình để mô phỏng hệ thống, nên nhóm lựa chọn cảm biến vân tay quang học AS608 không những để tiết kiệm chi phí mà còn là sự chọn lựa để tối ưu hóa tính năng của hệ thống trong việc lấy mẫu và nhận dạng vân tay

Hình 2.6 Cảm biến vân tay AS608 Thông số kỹ thuật của cảm biến như sau:

• Điện áp hoạt động: từ 3.0 đến 3.6VDC (thường được cung cấp ở mức 3.3VDC; lưu ý quan trọng rằng việc cấp điện áp lớn hơn 3.3VDC có thể dẫn đến hỏng cảm biến)

• Dòng điện tiêu thụ: từ 30 đến 60mA, trung bình là 40mA • Phương thức giao tiếp: USB/UART

• Tốc độ Baudrate UART: 9600 x N (N từ 1~12), mặc định N=6 với baudrate là 57600, 8, 1

• Giao tiếp qua USB theo chuẩn 2.0 full speed

• Kích thước hình ảnh của cảm biến (đơn vị pixel): 256 x 288 pixels • Thời gian xử lý ảnh: Dưới 0.4 giây

• Độ trễ khi bật nguồn: Dưới 0.1 giây • Thời gian nhận dạng: Dưới 0.3 giây • Tỷ lệ từ chối (FRR): Dưới 1%

• Tag RFID (RFID Tag hoặc Transponder): Là một thiết bị nhỏ chứa một anten và một vi mạch có khả năng ghi nhớ thông tin Có hai loại chính:

o Tags có nguồn năng lượng (Active Tags): Có pin tự nhiên hoặc pin được sạc

o Tags không có nguồn năng lượng (Passive Tags): Thu được năng lượng từ sóng radio của đầu đọc

• Đầu Đọc RFID (RFID Reader): Thiết bị này tạo ra sóng radio để kích thích tag RFID và sau đó thu thập dữ liệu từ tag Nó có thể kết nối với hệ thống thông tin để xử lý và sử dụng dữ liệu thu được

• Hệ thống thông tin (Backend System): Là thành phần của hệ thống chịu trách nhiệm quản lý và xử lý thông tin RFID thu thập từ các đầu đọc Dữ liệu này có thể được tích hợp giám sát vào các hệ thống quản lý tồn kho, giám sát, hoặc các ứng dụng khác

Hình 2.7 Module RFID RC522 và thẻ từ

Đặc tính kỹ thuật:

• Tần số ổn định: 13.56 MHz • Điện áp: 3.3 V

Nhiệt độ hoạt động -20 độ C – 70 độ C Nhiệt độ bảo quản -40 độ C – 70 độ C

2.4 Giới thiệu phần mềm 2.4.1 Arduino IDE

Arduino IDE là một ứng dụng mã nguồn mở được thiết kế chủ yếu để viết và biên dịch mã cho module Arduino Nó kết hợp cả phần mềm và phần cứng, với một khoảng 300,000 board mạch khác nhau đã được thiết kế trước, đi kèm với các cảm biến và linh kiện Phần mềm của Arduino IDE cho phép linh hoạt sử dụng các cảm biến và linh kiện của Arduino để phù hợp với mục đích cụ thể Arduino IDE sử dụng ngôn ngữ lập trình dựa trên C/C++, giao diện của Arduino IDE đơn giản và thân thiện với người dùng Nó bao gồm một trình soạn thảo mã, một thanh công cụ và các menu cho các tác vụ lập trình cơ bản Arduino IDE hỗ trợ nhiều loại bo mạch Arduino khác nhau, từ các phiên bản cổ điển như Arduino Uno đến các phiên bản mới như Arduino Nano hay Arduino Mega Có thư viện sẵn có để giúp lập trình viên thực hiện các chức năng cơ bản mà không cần phải viết lại mã từ đầu Hệ thống bảo mật tự động giúp phát hiện và sửa lỗi cú pháp trong quá trình soạn thảo Arduino IDE cho phép lập trình viên kiểm tra mã nguồn trực tiếp từ trình soạn thảo Có khả năng nạp chương trình vào bo mạch Arduino thông qua cổng USB Arduino IDE có thể chạy trên nhiều hệ điều hành khác nhau như Windows, macOS và Linux

2.4.2 Proteus

Proteus là một ứng dụng mô phỏng hệ thống điện tử và vi điều khiển Nó được tạo ra để hỗ trợ kỹ sư điện tử trong việc phát triển, kiểm tra và mô phỏng mạch điện tử trước khi chúng được thực hiện vật lý Proteus cho phép người sử dụng mô phỏng mạch điện tử một cách trực quan, giúp họ hiểu rõ về cách mạch hoạt động trước khi triển khai vật lý Phần mềm này có khả năng mô phỏng vi điều khiển từ nhiều nhà sản xuất khác nhau và cung cấp công cụ để kiểm tra và gỡ lỗi mạch điện tử Nó cũng tích hợp với nhiều ngôn ngữ lập trình nhúng như C, Assembly và BASCOM để hỗ trợ kỹ sư trong việc phát triển mã lập trình cho các vi điều khiển Proteus đóng vai trò quan trọng trong quá trình phát triển và kiểm tra mạch điện tử, giúp tiết kiệm thời gian và chi phí trong quá trình sản xuất và phát triển sản phẩm điện tử

Proteus đã trở thành một tiện ích quan trọng trong quá trình phát triển và kiểm tra mạch điện tử, giúp tiết kiệm công sức, thời gian và chi phí trong quá trình sản xuất và phát triển sản phẩm điện tử

2.4.3 Blynk [7]

Blynk là một nền tảng IoT mang đến giải pháp thuận tiện cho việc tạo và truy cập để quản lý các ứng dụng IoT mà không đòi hỏi kiến thức sâu về lập trình Sau khi cài đặt, đăng ký, và thực hiện theo hướng dẫn, người dùng có thể đăng nhập vào ứng dụng, kích hoạt Developer Mode, và tạo mới Template Trong quá trình cài đặt Template, người dùng sẽ truy cập Widget Box để lựa chọn các widget phù hợp cho việc giám sát và điều khiển hệ thống Blynk cung cấp giao diện người dùng tương tác, cho phép kéo và thả các phần tử như nút, thanh trượt, biểu đồ, và hình ảnh để tạo ứng dụng IoT

Ứng dụng hỗ trợ cả Android và iOS, giúp người dùng quản lý và điều khiển thiết bị từ bất kỳ đâu thông qua điện thoại hoặc máy tính bảng Blynk hỗ trợ nhiều bo mạch nhúng như Arduino, Raspberry Pi, ESP8266, và nhiều ngôn ngữ lập trình như C++, Python Nền tảng này cung cấp thư viện và API đơn giản để kết nối và giao tiếp với các thiết bị nhúng một cách dễ dàng Blynk đảm bảo tính an toàn thông tin truyền tải bằng việc sử dụng mã xác minh (token) giữa thiết bị và ứng dụng Hỗ trợ tích hợp với nhiều dịch vụ và nền tảng khác nhau như Google Sheets, IFTTT, ThingSpeak

2.4.4 Google Sheets

Google Sheets là một ứng dụng bảng tính thuộc Google Workspace (trước đây là G Suite), được cung cấp miễn phí cho cả người dùng cá nhân và doanh nghiệp Đây là một công cụ văn phòng trực tuyến cho phép người dùng tạo, chỉnh sửa và chia sẻ bảng tính thông qua trình duyệt web mà không yêu cầu cài đặt bất kỳ phần mềm nào khác

Google Sheets giúp người dùng tạo và quản lý bảng tính trực tuyến một cách thuận tiện, giúp họ dễ dàng làm việc với dữ liệu số, tính toán và tổ chức thông tin Tính năng động cho phép nhiều người dùng làm việc đồng thời trên cùng một bảng tính, thậm chí là từ xa, tăng cường tương tác và sự hợp tác trong thời gian thực Cung cấp nhiều công cụ tính toán và thống kê, bao gồm các hàm tính toán, tính tổng, giá trị nhỏ nhất, lớn nhất, và trung bình

Google Sheets cung cấp khả năng tạo biểu đồ và đồ thị từ dữ liệu, giúp hiển thị mối quan hệ và xu hướng một cách rõ ràng Tích hợp trí tuệ nhân tạo cho phép thực hiện tự động một số nhiệm vụ, như dự đoán giá trị hoặc điền vào các ô trống Người dùng có thể chia sẻ bảng tính và quyết định mức độ quyền truy cập để bảo vệ

dữ liệu và kiểm soát quyền chỉnh sửa Dữ liệu được lưu trữ trực tuyến và có thể đồng bộ hóa tự động với Google Drive

Chương 3 TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ 3.1 Giới thiệu

Trong phần này, nhóm sẽ thực hiện quá trình tính toán và xây dựng một hệ thống khoá điện tử thông minh, tích hợp nhiều tính năng đa dạng để đáp ứng đầy đủ các yêu cầu của người sử dụng, cho phép mở khoá linh hoạt bằng bốn cách khác nhau: nhập mật khẩu, quẹt thẻ RFID, quét vân tay và mở cửa từ xa thông qua app có kết nối internet Trong trường hợp đặc biệt, hệ thống sẽ dựa vào các giá trị đo được từ cảm biến để đưa ra quyết định tự động mở cửa nhằm giúp cho người sử dụng có thể thoát hiểm an toàn và nhanh chóng Bên cạnh đó, hệ thống còn có thể giám sát được danh tính và thông tin của người ra vào, tất cả được hiển thị lên trang tính Google Sheet

3.2 Thiết kế sơ đồ khối toàn hệ thống

Dựa trên yêu cầu của dự án, nhóm đã xây dựng sơ đồ khối của toàn hệ thống, bao gồm các khối chính sau: khối xử lý trung tâm, khối module wifi, khối Blynk Server, khối ứng dụng, khối Google Sheets, khối điều khiển và hiển thị, khối cảm biến vân tay, khối RFID, khối nút nhấn, khối chốt khoá, khối cảm biến đóng cửa, khối cảm biến nhiệt độ và khói, khối báo động và khối nguồn Sơ đồ khối của hệ thống được trình bày chi tiết trong hình 3.1

KHỐI NGUỒN

KHỐI MODULE WIFI (2)

KHỐI XỬ LÝ TRUNG

INTERNET (WIFI/4G)KHỐI ĐIỀU

KHIỂN VÀ HIỂN THỊ (1)

KHỐI GOOGLE SHEETS

KHỐI BLYNK SERVER

APP BLYNK(SMARTPHONE)KHỐI CẢM

BIẾN VÂN TAY

KHỐI CHỐT KHOÁKHỐI BÁO

ĐỘNGKHỐI RFID

KHỐI CẢM BIẾN ĐÓNG

KHỐI NÚT NHẤN

KHỐI BÁO CHÁY

Hình 3.1 Sơ đồ khối của toàn hệ thống khoá điện tử thông minh

Chức năng của các khối:

Bộ xử lý trung tâm: Sử dụng Arduino Mega 2560 và đóng vai trò như trí não của toàn bộ hệ thống Nó sẽ thực hiện giao tiếp với các thành phần khác như: khối điều khiển và hiển thị, khối RFID, khối cảm biến vân tay, khối nút nhấn, khối cảm biến đóng cửa, khối báo động và khối chốt khoá Đồng thời, bộ xử lý trung tâm sẽ trao đổi thông tin với khối module wifi để điều khiển và thực hiện các yêu cầu của hệ thống

Khối cảm biến vân tay: Sử dụng 1 module cảm biến vân tay, có nhiệm vụ chính là thực hiện việc thu thập dữ liệu mẫu vân tay của người sử dụng trong lần đăng ký ban đầu và thực hiện quá trình nhận dạng trong các lần sau đó

Khối RFID: Sử dụng 1 module RC522, thực hiện quá trình đọc dữ liệu từ thẻ RFID

Khối điều khiển và hiển thị: Hiện thị những thông tin cần thiết và quản lý hệ thống qua các tương tác của người sử dụng trực tiếp trên màn hình cảm ứng

Khối cảm biến đóng cửa: Sử dụng cảm biến MC-38 để kiểm tra xem cửa đã được đóng hay không

Khối báo cháy: Sử dụng kết hợp cảm biến DHT11 và MQ2 để đo giá trị nhiệt độ và khói, khối xử lý sẽ dựa vào kết quả đo được để thực hiện việc mở cửa tự động khi có sự cố cháy

Khối báo động: Có chức năng dùng để nhắc nhở đóng cửa và thông báo sơ tán trong lúc hoả hoạn

Khối chốt khoá: Tiếp nhận tín hiệu từ khối xử lý trung tâm để thực thi việc đóng mở cửa

Khối module wifi: Có chức năng thực hiện việc kết nối mạng internet, tương tác liệu giữa khối xử lý trung tâm, khối Blynk Server và khối Google Sheets

Khối Blynk Server: Có chức năng quản lý kết nối và chuyển đổi dữ liệu với module wifi

Khối App blynk: Điều khiển việc đóng mở cửa và nhận thông báo

Khối Google Sheets: Có chức năng cập nhật và lưu trữ dữ liệu liên quan đến hệ thống

Khối nguồn: Có chức năng cung cấp nguồn điện để duy trì hoạt động của toàn bộ hệ thống

3.3 Tính toán và thiết kế hệ thống phần cứng 3.3.1 Thiết kế khối cảm biến vân tay

Khối cảm biến vân tay được sử dụng trong việc nhận dạng, xác minh để thực hiện việc mở khóa mà hệ thống yêu cầu Nhóm chọn sử dụng module AS608 cho hệ dựa trên những yêu cầu và tiêu chí sau:

• Chất lượng, độ tin cậy cao và khả năng chống giả tạo • Hiệu suất nhanh, chính xác và hoạt động ổn định • Tiện ích và ứng dụng rộng rãi

Module cảm biến vân tay AS608 là một loại cảm biến vân tay quang học, cảm biến này sử dụng nguyên lý hoạt động của các cảm biến quang học để đo và nhận diện các đặc trưng của vân tay

Để thuận tiện cũng như giảm độ phức tạp cho việc lập trình thì nhóm sử dụng những thư viện sau để giao tiếp module AS608 với Arduino Mega2560:

• Thư viện “Adafruit_Fingerprint”: là một thư viện phổ biến được Adafruit phát triển để hỗ trợ việc làm việc với cảm biến vân tay Thư viện này cung cấp các chức năng cơ bản để tương tác với cảm biến AS608.

Module AS608 giao tiếp với Arduino Mega 2560 theo chuẩn UART Việc kết nối chân giữa module AS608 và Arduino Mega 2560 được thực hiện như sau:

• Chân TX của module AS608 được kết nối với chân RX1 của Arduino Mega 2560 để truyền dữ liệu cho vi điều khiển

• Chân RX của module AS608 được kết nối với chân TX1 của Arduino Mega 2560 để nhận dữ liệu từ vi điều khiển

• Chân GND nối mass

• Chân VCC được nối với nguồn 3,3V để module hoạt động

Hình 3.2 Sơ đồ kết nối Module AS608 với vi điều khiển

3.3.2 Thiết kế khối RFID

Khối RFID được sử dụng với chức năng đọc thẻ RFID để thực hiện việc mở khóa mà hệ thống yêu cầu Nhóm chọn sử dụng module RFID RC522 cho hệ thống dựa trên những yêu cầu và tiêu chí sau:

• Phổ biến và dễ tìm kiếm • Giá thành phải chăng

• Ổn định trong quá trình hoạt động • Tính năng bảo mật cơ bản

Module RFID RC522 hoạt động dựa trên nguyên lý truyền nhận sóng radio tần số cao (RFID)

Để thuận tiện cũng như giảm độ phức tạp cho việc lập trình thì nhóm sử dụng những thư viện sau để giao tiếp module RFID RC522 với Arduino Mega2560:

• Thư viện “SPI”: Là một thư viện cung cấp các hàm và định nghĩa để thực hiện truyền thông theo giao thức SPI giữa các thiết bị, như Arduino và các cảm biến, mô-đun, hoặc vi điều khiển khác

• Thư viện “MFRC522”: Là thư viện thường được sử dụng để tương tác với module RFID RC522 Thư viện “MFRC522” cung cấp các hàm và định nghĩa cần thiết để điều khiển và đọc dữ liệu từ module RFID RC522

Module RC522 giao tiếp với Arduino Mega 2560 theo chuẩn SPI Việc kết nối chân giữa module RC522 và Arduino Mega 2560 được thực hiện như sau:

• Chân SDA được kết nối với chân 53 để truyền và nhận dữ liệu giữa module RFID RC522 và Arduino

• Chân SCK được kết nối với chân 52 để đồng bộ hóa truyền thông SPI giữa module RFID RC522 và Arduino

• Chân MOSI được kết nối với chân 51 để truyền dữ liệu từ Arduino tới module RFID RC522

• Chân MISO được kết nối với chân 50 để nhận dữ liệu từ module RFID RC522 về Arduino qua giao thức SPI

• Chân GND được nối với mass • Chân RST được kết nối với chân 49

• Chân 3.3V kết nối với nguồn 3.3V để cấp nguồn cho module hoạt động

Hình 3.3 Sơ đồ kết nối module RFID với vi điều khiển

3.3.3 Thiết kế khối điều khiển và hiển thị

Khối điều khiển và hiển thị được sử dụng để hiển thị các thông tin cần thiết trên hệ thống đồng thời có thể thao tác điều khiển trực tiếp trên màn hình để mở khóa cũng như điều khiển các chức năng của hệ thống Nhóm chọn sử dụng màn hình cảm ứng TFT 3.5inch cho hệ thống dựa trên những yêu cầu và tiêu chí sau:

• Tích hợp cảm ứng, cung cấp khả năng tương tác trực tiếp với người dùng thông qua cử chỉ và chạm

• Giao diện đồ họa đa dạng

• Độ nét cao, phản hồi hình ảnh và màu sắc tốt • Lượng điện năng tiêu thụ ít

Cảm ứng điện trở trong màn hình TFT 3.5 inch hoạt động dựa trên nguyên lý biến đổi điện trở khi có áp lực được áp dụng lên màn hình

Để thuận tiện cũng như giảm độ phức tạp cho việc lập trình thì nhóm sử dụng những thư viện sau để giao tiếp màn hình cảm ứng TFT 3.5inch với Arduino Mega 2560:

• Thư viện “Adafruit_GFX”: Là một thư viện đồ họa chung được phát triển bởi Adafruit Industries, được sử dụng để vẽ đồ họa và văn bản trên nhiều loại màn hình khác nhau, bao gồm cả màn hình TFT

• Thư viện “TouchScreen”: là thư viện thường được sử dụng để kết hợp với màn hình cảm ứng trong các dự án Arduino Thư viện này giúp đơn giản hóa việc đọc dữ liệu từ cảm biến cảm ứng và xác định vị trí chạm trên màn hình Cụ thể, thư viện này thường được sử dụng cùng với các màn hình cảm ứng điện trở

• Thư viện “MCUFRIEND_kbv”: là một thư viện được sử dụng cho việc điều khiển màn hình TFT trên nền tảng Arduino Thư viện này thường được kết hợp với một số màn hình cảm ứng TFT khác nhau

• Thư viện “Fonts/FreeMonoBold9pt7b”: là một tệp font chữ được sử dụng trong các ứng dụng đồ họa trên màn hình TFT, thường được tích hợp trong các dự án Arduino hoặc các dự án sử dụng các vi điều khiển nhúng khác

Màn hình cảm ứng TFT giao tiếp với Arduino Mega theo chuẩn song song bit Việc kết nối chân giữa màn hình cảm ứng TFT và Arduino Mega 2560 được thực hiện như sau:

8-• Các chân LCD_D2 đến LCD_D7 lần lượt được nối với các chân 2 đến chân 7 của Arduino

• Các chân LCD_D0, LCD_D1, SD_SS, SD_DI, SD_DO, SD_SCK lần lượt được nối với các chân 8 đến chân 13 của Arduino

• Các chân LCD_RD, LCD_WR, LCD_RS, LCD_CS, LCD_RST, F_CS lần lượt được nối với các chân A0 đến A5 của Arduino

• Các chân 5V, 3.3V, GND, RST lần lượt được nối với các chân 5V, 3.3V, GND,

RST của Arduino

Hình 3.4 Sơ đồ kết nối màn hình cảm ứng TFT với vi điều khiển

3.3.4 Thiết kế khối chốt khoá

Khối chốt khoá trong hệ thống được sử dụng để thực hiện việc đóng hoặc mở một ổ khóa khi nhận tín hiệu từ vi điều khiển Nhóm chọn sử dụng chốt khóa điện từ LY-03 dựa trên những yêu cầu và tiêu chí sau:

• Chất lượng tốt, độ bền cao • Giá thành hợp lý

• Công suất thấp

Chốt khóa được cấu tạo từ một cuộn dây và một chốt là một thanh kim loại đặt bên trong cuộn dây và một lò xo Khi có dòng điện chạy qua cuộn dây, nó sẽ tạo ra một từ trường xung quanh cuộn dây và làm cho chốt bị hút vào bên trong cuộn dây do ảnh hưởng của từ trường làm cho chốt khóa mở Khi không có dòng điện chạy qua

thì không có từ trường xung quanh cuộn dây và chốt bị đẩy ra bởi lò xo làm cho khóa đóng lại

Chốt khóa điện từ LY-03 sử dụng nguồn điện 12V để thực việc đóng mở chốt khóa Để cách ly với mạch điều khiển, nhóm chọn sử dụng module relay 5V kích mức thấp được kết nối với chốt khóa như hình 3.6

Khi relay kích mức thấp, tiếp thường mở sẽ đóng lại tạo mạch thành mạch kín, điện sẽ được cấp cho chốt khóa hoạt động

Việc kết nối chân giữa Arduino Mega 2560 với module relay và chốt khóa được thực hiện như sau:

• Chân DC+, DC- của module relay được nối với nguồn 5V và GND

• Chân IN của module relay được nối với chân D43 của Arduino Mega2560 • Chân COM của module relay được nối với nguồn 12V

• Chân NO của module relay được nối với chân dương (+) của khóa chốt điện • Chân âm (-) của khoá chốt điện được nối xuống GND

Hình 3.5 Sơ đồ kết nối khối chốt khoá với relay 5V và vi điều khiển

Hình 3.6 Sơ đồ board module relay

Trong board module relay bao gồm các linh kiện opto cách ly U1 PC817, Transitor Q1 PNP BC327, diode D1, relay K1 10A, điện trở R1 và R2

Các linh kiện trên được lựa chọn với các chức năng sau: • Điện trở 1k ohm có chức năng giảm dòng điện cho Led IN1

• Diode trong mạch được sử dụng để bảo vệ transitor khi dòng điện qua relay