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
TỔNG QUAN
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
2 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.
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.
Giới hạn đề tài
Đề tài giới hạn ở một số điểm nhất định:
- Mô hình thi công với 1 cửa
- Mô hình sử dụng mạng internet vì thế cần phải có kết nối mạng ổn định
- Dùng chuông báo động nhỏ để cảnh báo khi mở cửa nhiều lần thất bại
- Sử dụng chuông báo động lớn và tự động kích hoạt cửa mở dựa vào cảm biến báo cháy trong tình huống xảy ra hỏa hoạn
- Mô hình không phù hợp cho ứng dụng thực tế trong các ngôi nhà
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.
Bố cục
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.
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
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
6 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
7 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
Giới thiệu phần cứng
Hình 2.2 Hình ảnh Arduino Mega 2560 Arduino Mega 2560, được xem như một bản nâng cấp từ Arduino Mega hoặc thường được gọi là Arduino Mega 1280 Phiên bản này đang được sử dụng rộng rãi với các ứng dụng đa dạng hơn so với các phiên bản trước đó Sự khác biệt và cải tiến quan trọng nhất của dòng Arduino này nằm ở chip xử lý Arduino Mega 2560 sử dụng chip ATmega2560 thay vì ATmega1280 như trong phiên bản trước đó Dưới đây là một vài thông tin căn bản về Arduino Mega 2560:
• 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
9 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
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
11 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
• 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%
• Tỷ lệ nhận dạng (FAR): Dưới 0.001%
• Dung lượng lưu trữ vân tay: 300 (ID: từ 0 đến 299)
Công nghệ RFID là một hệ thống nhận diện tự động sử dụng sóng radio để truyền tải dữ liệu giữa thẻ RFID và một thiết bị đọc hoặc đầu đọc RFID Cấu trúc chung của hệ thống RFID thường gồm các thành phần chính sau:
TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ
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.
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 CẢM BIẾN VÂN TAY
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
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 VCC được nối với nguồn 3,3V để module hoạt động
Hình 3.2 Sơ đồ kết nối Module AS608 với vi điều khiển
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
• 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 8- bit Việc kết nối chân giữa màn hình cảm ứng TFT và Arduino Mega 2560 được thực hiện như sau:
• 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
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
23 thì không có từ trường xung quanh cuộn dây và chốt bị đẩy ra bởi lò xo làm cho khóa đóng lại
THI CÔNG HỆ THỐNG
Giới thiệu
Trong phần này, nhóm sẽ trình bày, giải thích quá trình thiết kế, thực hiện vẽ mạch in đồng thời triển khai phần mềm cho hệ thống Sau đó thực hiện quá trình lắp ráp, thử nghiệm và kiểm tra hoạt động của hệ thống.
Thi công phần cứng
Dựa vào sơ đồ nguyên lý đã được thiết kế, nhóm đã tạo ra danh sách và số lượng các linh kiện được sử dụng trong hệ thống để tiến hành thi công, các linh kiện này được mô tả chi tiết trong bảng 4.1
Bảng 4.1 Danh sách các linh kiện sử dụng
STT Tên linh kiện Số lượng
1 Arduino Mega 2560 1 Vi xử lý trung tâm
3 Module AS608 1 Module cảm biến vân tay
5 DHT11 1 Cảm biến nhiệt độ độ ẩm
7 Màn hình TFT 3.5inch 1 Màn hình cảm ứng, loại 3.5inch
8 Module Relay 1 Loại 5V, 2 kênh, kích mức thấp
10 Buzzer 1 Báo động nhắc nhở
11 Còi + đèn báo động 1 Báo động cảnh báo
12 Nút nhấn 2 Nút nhấn mở cửa và nút nhấn
14 Module YX850 1 Module chuyển nguồn
15 Module LM2596 1 Module giảm áp
16 Đế đựng pin 1 Loại đựng 3 pin
17 Adapter 12V, 2A 1 Cấp điện cho toàn hệ thống
18 Adapter 12V, 1A 1 Sạc cho 3 cell pin
4.2.1 Thiết kế và thi công phần cứng
Dựa vào sơ đồ nguyên lý của hệ thống, nhóm sẽ chia thành 2 phần để thi công là board mạch nguồn và phần còn lại của hệ thống hay còn gọi là board mạch xử lý trung tâm Nhóm sẽ sử dụng phần mềm Proteus để thiết kế mạch in cho board mạch xử lý trung tâm và tiến hành rửa mạch như hình 4.1.
Hình 4.1 Thiết kế board mạch xử lý trung tâm Còn về mạch nguồn, vì mạch nguồn sử dụng các module rời nên nhóm chọn sử dụng board đồng đục lỗ PCB như hình 4.2 để tiến hành lắp ráp và hàn các linh kiện với nhau
Hình 4.2 Board đồng đục lỗ PCB
4.2.2 Lắp ráp và kiểm tra phần cứng a Board mạch xử lý trung tâm
Sau khi trải qua các bước để có một board mạch xử lý trung tâm, tiếp theo nhóm sẽ tiến hành khoan mạch để hàn gắn các linh kiện như hình 4.3
Hình 4.3 Hình ảnh mặt trước board mạch xử lý trung tâm Mặt trước của board mạch xử lý trung tâm được thiết kế bao gồm 9 khối có chức năng khác nhau trong hệ thống Ngoại trừ “khối điều khiển và hiển thị” và “khối module wifi” được gắn trực tiếp, cố định lên board mạch thì các khối còn lại được thiết kế sẵn các cổng kết nối XH Các module có thể thuận tiện kết nối với board mạch thông qua dây bus
Mặt sau của board mạch xử lý trung tâm là vi điều khiển trung tâm Arduino Mega 2560, được cố định bằng các header chân dài 11mm Điều này tạo thuận lợi cho việc gắn màn hình TFT trực tiếp lên vi điều khiển và linh hoạt trong việc kết nối và sử dụng các chức năng khác của vi điều khiển trung tâm như hình 4.4
Hình 4.4 Mặt sau board xử lý trung tâm b Board mạch nguồn
Board mạch nguồn sử dụng board đồng đục lỗ PCB để hàn và kết nối các module lại với nhau, cung cấp nguồn cho board mạch xử lý trung tâm và khối chốt khoá hoạt động
Mạch nguồn bao gồm module chuyển nguồn YX850, module giảm áp LM2596, đế đựng pin và 3 pin 18650, mạch sạc HX 3S-01, 2 cổng cấp nguồn 5V và 12V như hình 4.5.
Sau khi hoàn tất board mạch xử lý trung tâm và board mạch nguồn, nhóm sẽ thực hiện việc kiểm tra các mối hàn, việc đi dây kết nối giữa các module bằng mắt thường và sư dụng đồng hồ VOM để đo các thông số và kiểm tra tính ổn định của hệ thống
Sau khi hoàn tất việc kiểm tra và điều chỉnh, nhóm sẽ bắt đầu quá trình thi công mô hình cho hệ thống Theo yêu cầu của đề tài, nhóm sẽ tạo mô phỏng của một căn nhà có 1 cửa để mô phỏng chức năng mở và đóng khóa của hệ thống Nhóm chọn sử dụng tấm fomex dày 3mm như hình 4.6, vật liệu nhẹ, dễ cắt và gia công mà không cần nhiều thời gian và công sức Đặc biệt, giá thành của nó tương đối rẻ so với các vật liệu khác thường được sử dụng để làm mô hình Kích thước của mô hình nhà được thiết kế như hình 4.7
Hình 4.7 Thông số mô hình
Mô hình sau khi hoàn hiện sẽ như hình 4.8 và 4.9
Hình 4.8 Mặt trước của mô hình
Hình 4.9 Mặt bên hong của mô hình
KẾT QUẢ - NHẬN XÉT - ĐÁNH GIÁ
Kết quả thực hiện mô hình
Trong chương này, nhóm sẽ trình bày và đánh giá các kết quả đạt được sau quá trình nghiên cứu và thực hiện đề tài Các kết quả này bao gồm cả mô hình phần cứng và sử dụng trên phần mềm, đồng thời kiểm tra khả năng hoạt động của các chức năng trong hệ thống
5.1.1 Mô hình phần cứng của hệ thống
Bên ngoài mô hình bao gồm 1 cánh cửa mô phỏng cho việc đóng mở cửa thực tế, bên phải cánh cửa có màn hình cảm ứng, phía trên màn hình sẽ là đầu đọc RFID và cảm biến vân tay để người dùng điều khiển mở cửa Mô hình hệ thống khi chưa được cấp nguồn thể hiện như hình 5.1
Hình 5.1 Mặt trước của mô hình Toàn bộ board mạch được cố định bên trong mô hình, board mạch xử lý trung tâm được gắn ngay sau màn hình ở phần vách của mô hình Board mạch nguồn được đặt dưới sàn của mô hình để tạo sự ổn định, khối cảm biến đóng cửa được đặt ngay mép trên của cánh cửa, khối cảm biến khói và nhiệt độ được đặt bên hong mô hình, ngoài ra chốt khoá điện được đặt sát bên board mạch xử lý trung tâm để tối ưu hoá không gian như hình 5.2
Hình 5.2 Bên trong mô hình
5.1.2 Giao diện điều khiển của hệ thống a Giao diện màn hình chính
Sau khi hệ thống được cấp nguồn, màn hình sẽ hiển thị giao diện chương trình mặc định như hình 5.3 Cho phép người dùng lựa chọn phương thức mở khoá bằng cách nhấn trực tiếp lên màn hình Giao diện màn hình gồm 4 lựa chọn: 3 lựa chọn để mở khoá và 1 lựa chọn để thực hiện các tuỳ chọn
Hình 5.3 Giao diện màn hình mặc định
62 b Chế độ nhập mật khẩu
Giao diện nhập mật khẩu, màn hình sẽ hiển thì bàn phím số từ 0 đến 9 và phím
“xoa”, “
