Nhiều hệ thống đã được ra đời đã giúp cho quá trình giảng dạy trở nên dễ dàng hơn.Xây dựng một hệ thống với khả năng giám sát và điều khiển các thiết bị trong phòng học.. Một trong các đ
TỔNG QUAN
Tổng quan tình hình nghiên cứu của đề tài
1.1.1 Các nghiên cứu nước ngoài
Trong thời đại công nghiệp 4.0, sự phát triển của Internet đã làm cho hệ thống Smarthome trở nên phổ biến Lĩnh vực giáo dục cũng không đứng ngoài cuộc, khi việc quản lý và điều khiển thiết bị trong lớp học đã trở thành đề tài nghiên cứu quan trọng Nhiều hệ thống mới đã được phát triển, giúp quá trình giảng dạy trở nên dễ dàng và hiệu quả hơn, với mục tiêu xây dựng một hệ thống giám sát và điều khiển thiết bị trong phòng học.
1.1.2 Các nghiên cứu trong nước
Việt Nam đã phát triển nhiều hệ thống giám sát và điều khiển thiết bị trong phòng học để đáp ứng nhu cầu toàn cầu Quy mô của các hệ thống này phụ thuộc vào mô hình ứng dụng cụ thể Một trong những đề tài nổi bật của sinh viên là "Thiết kế và thi công hệ thống điều khiển các thiết bị trong phòng học", cho phép người dùng điều khiển thiết bị qua Internet Tuy nhiên, hệ thống hiện tại còn tồn tại nhược điểm, như không thể điều chỉnh tốc độ quạt và thiếu chế độ tự động tắt, dẫn đến tình trạng lãng phí điện khi người dùng quên tắt thiết bị.
Tính cấp thiết của đề tài
Dựa trên kiến thức tích lũy từ quá trình học tập và nhu cầu ngày càng tăng về hệ thống phòng học thông minh, nhóm đã quyết định thực hiện đề tài "Hệ thống giám sát và điều khiển các thiết bị trong phòng học" nhằm khắc phục những hạn chế của các đề tài trước đó.
Mục tiêu nghiên cứu
Xây dựng một hệ thống với khả năng giám sát và điều khiển các thiết bị trong phòng học ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 2
Nhiệm vụ nghiên cứu
Để xây dựng một hệ thống giám sát và điều khiển thiết bị trong phòng học, nhóm đã xác định các nhiệm vụ cần thực hiện.
- Thực hiện mô phỏng và kiểm tra những linh kiện
- Điều khiển được tốc độ quay của quạt
- Thiết kế mô hình hệ thống
- Thực hiện phân quyền cho người dùng bằng các thẻ RFID
- Điều khiển được các loại tivi khác nhau
- Xây dựng chương trình điều khiển các thiết bị bằng bằng ngôn ngữ Python
- Xây dựng chương trình quản lý trên Website
- Lập trình chế độ tự động tắt cho các thiết bị khi không có người trong phòng.
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
- Điều khiển các thiết bị cơ bản trong phòng như đèn, quạt, tivi và máy lạnh
- Phát hiện người bằng camera phục vụ cho chế độ tự động tắt
Vì nhiều lý do như thiếu kinh nghiệm và khả năng chuyên môn có hạn, kinh phí nên đề tài sẽ có một số những giới hạn sau đây
Hệ thống này được thiết kế và xây dựng bởi nhóm tự phát triển, vì vậy chưa có cơ sở nào để đánh giá độ ổn định của nó trong quá trình vận hành dài hạn.
- Các thiết bị được điều khiển chỉ là những thiết bị đơn giản như đèn, quạt, tivi và máy lạnh.
Bố cục của đề tài
Sau khi xác định mục tiêu và nhiệm vụ cho đề tài, luận văn này sẽ được cấu trúc thành 5 chương chính, với nội dung tập trung vào Đồ án tốt nghiệp.
Chương 1: Tổng quan – Trình bày tổng quan về hệ thống, từ tính cấp thiết của đề tài, tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước, nhiệm vụ và mục tiêu nghiên cứu
Chương 2: Cơ sở lý thuyết – Trình bày về những lý thuyết, khái niệm liên quan đến hệ thống Một số giao tiếp truyền thông cơ bản như UART, I2C, SPI, RTSP Các công nghệ liên quan như RFID và vân tay Mô hình nhận diện người
Chương 3: Thiết kế và xây dựng hệ thống – Trình bày về quá trình xây dựng hệ thống từ sơ đồ khối, sơ đồ nguyên lý đến chọn linh kiện cho hệ thống và vẽ PCB cho hệ thống Chương này cũng trình bày quá trình viết chương trình cho hệ thống và những phần mềm liên quan trong quá trình đó
Chương 4: Kết quả, nhận xét và đánh giá – Trình bày về kết quả của đề tài thu được sau khi xây dựng
Chương 5: Kết luận và hướng phát triển – Đưa ra những kết luận rút ra được từ chương 4 và hướng phát triển cho đề tài sau này ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 4
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Giới thiệu về các chuẩn giao tiếp
UART (Universal Asynchronous Receiver – Transmitter) là một giao thức truyền thông đơn giản và lâu đời, cho phép giao tiếp giữa các thiết bị Đây là một giao thức truyền nhận nối tiếp không đồng bộ, sử dụng hai dây dữ liệu cơ bản là TX (Transmitter) và RX (Receiver) Tùy thuộc vào nhu cầu sử dụng, tốc độ truyền của UART có thể được cấu hình từ 9600 baud đến 115200 baud, tương ứng với số lượng bit truyền trong một giây.
Dữ liệu được truyền qua giao thức UART được cấu trúc thành các gói tin, mỗi gói bao gồm một bit bắt đầu, từ 5 đến 9 bit dữ liệu tùy thuộc vào cấu hình của UART, một bit kiểm tra chẵn lẻ tùy chọn, và 1 hoặc 2 bit dừng.
Hình 2 2: Gói dữ liệu của giao thức UART Start-bit:
Bit đồng bộ hóa, hay còn gọi là bit khởi động, được đặt trước dữ liệu thực tế để bắt đầu quá trình truyền dữ liệu Khi bit này chuyển đổi từ mức cao xuống mức thấp, nó tạo ra tín hiệu cho thiết bị nhận UART rằng dữ liệu sắp được truyền đi.
Trong giao tiếp UART, thông tin được truyền từ người gửi đến người nhận qua các bit dữ liệu có độ dài từ 5 đến 8 bit, có thể lên đến 9 bit nếu không sử dụng khung kiểm tra chẵn lẻ Thông thường, LSB (Least Significant Bit) được truyền trước, giúp người nhận đọc dữ liệu một cách chính xác.
Bit kiểm tra chẵn lẻ là công cụ quan trọng giúp người nhận xác minh tính chính xác của dữ liệu Nó hoạt động như một hệ thống kiểm tra lỗi, cho phép phát hiện sự cố trong quá trình truyền dữ liệu Có hai phương pháp kiểm tra lỗi chính là kiểm tra chẵn và kiểm tra lẻ Mặc dù bit chẵn lẻ đóng vai trò quan trọng trong việc đảm bảo tính toàn vẹn của dữ liệu, nhưng không phải lúc nào cũng được áp dụng trong thực tế.
UART thường đặt một bit ở cuối mỗi gói giao tiếp và giữ đường dữ liệu ở mức logic ‘1’ khi quá trình truyền dữ liệu đã hoàn tất.
2.1.1.3 Ưu điểm và nhược điểm Ưu điểm:
Chỉ cần sử dụng hai dây để giao tiếp, người dùng có thể dễ dàng thao tác mà không cần tín hiệu xung clock Hệ thống đảm bảo độ tin cậy cao của dữ liệu nhờ vào việc sử dụng một bit chẵn lẻ để kiểm tra lỗi.
Kích thước tối đa của khung dữ liệu chỉ là 9 bit
Không hỗ trợ hệ thống Master – Slave
UART là một chuẩn giao tiếp truyền thông phổ biến trong lĩnh vực điện tử, thường được sử dụng để kết nối vi điều khiển với các thiết bị ngoại vi Chuẩn giao tiếp này cũng được ứng dụng rộng rãi trong việc truyền dữ liệu giữa máy tính và thiết bị ngoại vi, cũng như trong các lĩnh vực nhúng như IoT và robotics.
SPI, được phát triển bởi Motorola vào những năm 1980, là một giao thức giao tiếp nối tiếp đồng bộ, cho phép truyền dữ liệu với tốc độ cao giữa các thiết bị ngoại vi và vi điều khiển Với khả năng truyền và nhận dữ liệu đồng thời, SPI rất phổ biến trong các ứng dụng truyền thông kỹ thuật số và hệ thống nhúng.
Hình 2 3: Các thành phần của SPI
Master Device là thiết bị quản lý quá trình chuyển đổi dữ liệu trên cơ sở dữ liệu SPI, điều chỉnh luồng dữ liệu và tạo xung clock cho Slave Thông thường, thiết bị chính này là bộ vi điều khiển hoặc bộ điều khiển SPI chuyên dụng, đóng vai trò quan trọng trong các ứng dụng.
Thiết bị nô lệ (Slave Device) là thiết bị ngoại vi kết nối với cơ sở dữ liệu của SPI, được điều khiển bởi các thiết bị chính Mỗi thiết bị nô lệ có mã Slave Select riêng biệt, giúp thiết bị chính (Master Device) lựa chọn thiết bị để giao tiếp.
Spi Bus: là một kết nối vật lý qua việc truyền dữ liệu giữa các thiết bị Slave và Master Nó chứa bốn đường tín hiệu như dưới đây:
Trong giao thức Slave Select (SS), mỗi thiết bị Slave được gán một chân SS riêng biệt Khi Master cần giao tiếp với một thiết bị Slave cụ thể, nó sẽ sử dụng chân SS tương ứng Mặc dù nhiều thiết bị Slave có thể chia sẻ các chân MOSI, MISO và SCK, nhưng chân Slave Select phải được giữ riêng cho từng thiết bị.
MOSI (Master Out Slave In) là giao thức cho phép thiết bị Master truyền dữ liệu hoặc thông tin đến các thiết bị Slave.
+ Master In Slave Out(MISO): Trong MISO, các thiết bị Slave có thể gửi dữ liệu của bản thân đến với thiết bị Master
+ Serial Clock(SCK): Là tún hiệu xung clock được tạo ra bởi thiết bị Master gửi cho các thiết bị con để đồng bộ thời gian truyền dữ liệu
Giao thức truyền dữ liệu SPI là một phương thức giao tiếp nối tiếp đồng bộ, cho phép truyền và nhận dữ liệu đồng thời ở chế độ song công toàn phần Qua việc tạo xung clock, thiết bị Master và Slave khởi đầu quá trình chuyển dữ liệu, trong đó mỗi xung clock sẽ truyền một bit dữ liệu từ Master sang Slave và ngược lại từ Slave sang Master.
Tốc độ truyền dữ liệu của cơ sở dữ liệu SPI phụ thuộc vào khả năng của các thiết bị nô lệ và độ dài của đường truyền Tốc độ này được đo bằng bit trên mỗi megahertz (MHz) hoặc bit trên giây (bps).
Công nghệ RFID [7]
RFID (Nhận dạng tần số vô tuyến) là công nghệ sử dụng giao tiếp không dây kết hợp với khớp nối điện từ hoặc tĩnh điện trong tần số vô tuyến để nhận diện đối tượng, động vật hoặc con người Hệ thống RFID bao gồm hai thành phần chính: thẻ RFID và đầu đọc RFID Thẻ RFID được trang bị mạch tích hợp và ăng-ten để nhận và phát tín hiệu Khi thẻ nằm trong phạm vi của đầu đọc, nó sẽ truyền tải thông tin định danh hoặc dữ liệu đến đầu đọc.
Hình 2 8: Hệ thống RFID ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 20
Thẻ RFID bao gồm một mạch tích hợp (IC), ăng-ten và đất nền, trong đó lớp phủ RFID đảm nhận vai trò mã hóa thông tin nhận dạng.
Thẻ RFID được cấu tạo từ hai thành phần chính là vi mạch và ăng-ten, thường được bọc trong một lớp vật liệu bảo vệ nhằm chống lại các tác động từ môi trường.
Có 2 loại thẻ RFID chính là thẻ chủ động và bị động Thẻ RFID chủ động có nguồn riêng kèm với bộ phát tín hiệu cho phép nó có khả năng tự truyền tín hiệu Ngược lại, thẻ RFID bị động không có nguồn riêng, chỉ hoạt động khi được kích hoạt sóng từ đầu đọc Ngoài ra còn có một loại thẻ là RFID bán chủ động, tương tự như thẻ thụ động tuy nhiên được trang bị thêm một nguồn nhỏ để cung cấp năng lượng cho vi mạch, giúp giảm yêu cầu về thiết kế ăng-ten thu năng lượng từ tín hiệu
Thẻ RFID sử dụng bộ nhớ tĩnh điện năng lượng thấp thường có dung lượng dữ liệu dưới 2000kb, bao gồm cả số ID của thẻ Chúng có thể được thiết kế để chỉ đọc hoặc có khả năng đọc và ghi dữ liệu.
Phạm vi đọc của thẻ RFID bị ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố, bao gồm loại thẻ, loại đầu đọc, tần số đọc và các tác động từ môi trường cũng như thiết bị RFID khác Thẻ RFID chủ động thường có phạm vi đọc xa hơn so với thẻ thụ động nhờ vào nguồn điện mạnh mẽ hơn.
Hệ thống RFID hoạt động dựa trên nguyên lý truyền và nhận sóng radio giữa thẻ RFID và đầu đọc RFID, cho phép xác định và theo dõi các đối tượng một cách hiệu quả Quá trình hoạt động của RFID bao gồm việc thẻ RFID nhận tín hiệu từ đầu đọc và phản hồi bằng cách truyền tải thông tin cần thiết.
Đầu đọc RFID phát ra sóng radio ở tần số cụ thể, tạo ra trường điện từ để cung cấp năng lượng cho thẻ RFID thụ động hoặc giao tiếp với thẻ RFID chủ động.
Khi thẻ RFID nằm trong phạm vi của trường điện từ do đầu đọc tạo ra, nó sẽ được kích hoạt Đối với thẻ thụ động, sóng radio từ đầu đọc cung cấp năng lượng để thẻ hoạt động, trong khi thẻ chủ động tự kích hoạt và truyền dữ liệu.
Sau khi được kích hoạt, thẻ RFID sử dụng ăng-ten để truyền tải thông tin đến đầu đọc, bao gồm dữ liệu lưu trữ trên thẻ và mã ID của nó.
Đầu đọc RFID tiếp nhận tín hiệu từ thẻ và tiến hành giải mã dữ liệu Sau đó, dữ liệu này được gửi đến các hệ thống máy tính, vi điều khiển hoặc cơ sở dữ liệu để xử lý, tùy thuộc vào ứng dụng cụ thể.
Hệ thống xử lý dữ liệu nhận được phản hồi và thực hiện các chức năng khác nhau tùy theo ứng dụng, chẳng hạn như xác thực, theo dõi và kiểm kê.
Quá trình này diễn ra nhanh chóng, giúp các hệ thống tự động nhận dạng và xác thực một cách hiệu quả mà không cần sự can thiệp hay giám sát từ con người.
2.2.3 Ưu điểm và nhược điểm Ưu điểm:
RFID cho phép quét đồng thời nhiều thẻ mà không cần tầm nhìn trực tiếp, giúp đơn giản hóa và tăng tốc độ quá trình nhận dạng và kiểm kê.
Thẻ RFID có thể chứa nhiều dữ liệu hơn so với mã vạch và có thể dễ dàng sửa đổi khi cần thiết
Thường được bọc bởi lớp vật liệu bảo vệ, giúp tránh những ảnh hưởng từ điều kiện môi trường như nhiệt độ, độ ẩm và bụi bẩn
Hệ thống RFID nâng cao độ chính xác bằng cách tự động thu thập và xử lý dữ liệu, từ đó giảm thiểu lỗi do con người gây ra.
Thẻ RFID chủ động có phạm vi đọc xa hơn so với mã vạch
Chi phí cao hơn so với các công nghệ nhận dạng khác như mã vạch
Có thể bị nhiễu điện từ từ môi trường hoặc các thiết bị khác ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 22
Khi thẻ RFID bị đánh cắp có thể tạo ra nguy cơ về đánh cắp dữ liệu cũng như xâm phạm quyền riêng tư của chủ sở hữu
Môi trường cũng là một yếu tố ảnh hưởng đến khả năng đọc thẻ RFID
So sánh giữa công nghệ RFID và công nghệ mã vạch:
Công nghệ vân tay [8]
2.3.1 Tổng quan Được phát triển từ những năm của thế kỉ XIX và XX, công nghệ vân tay được nhiều người nghiên cứu nhằm phục vụ trong quá trình truy bắt và xác định các bằng chứng phạm tội của tội phạm Ngày nay nó được sử dụng phục vụ mục đích nhận diện đối tượng
Dấu vân tay là những mẫu đường xoắn ốc và vòng lặp độc đáo trên đầu ngón tay, hình thành trong quá trình phát triển của thai nhi và không thay đổi suốt đời, đóng vai trò quan trọng trong việc xác định danh tính cá nhân Công nghệ vân tay tận dụng những đặc điểm này để xác thực và xác minh danh tính trong nhiều ứng dụng khác nhau Bằng cách phân tích các đặc điểm riêng biệt của dấu vân tay, công nghệ này cung cấp khả năng truy cập an toàn vào thiết bị, tòa nhà và thông tin nhạy cảm Hệ thống nhận diện vân tay sử dụng thuật toán và cảm biến tiên tiến để quét và khớp dấu vân tay, mang lại phương pháp xác thực sinh trắc học đáng tin cậy và tiện lợi.
Công nghệ vân tay cung cấp vô số lợi ích, làm cho nó trở thành một lựa chọn ưa thích để xác thực sinh trắc học
Thứ nhất, độ chính xác vô song của nó đảm bảo xác minh danh tính đáng tin cậy, giảm thiểu nguy cơ truy cập trái phép
Xác thực vân tay mang lại sự tiện lợi tối ưu cho người dùng, giúp loại bỏ việc ghi nhớ mật khẩu phức tạp và không cần mang theo mã thông báo vật lý.
Bản chất độc đáo của mẫu vân tay không chỉ tăng cường bảo mật mà còn đảm bảo rằng mỗi cá nhân có các đặc điểm sinh trắc học riêng biệt Tốc độ xác thực vân tay cho phép truy cập nhanh chóng vào các hệ thống bảo mật, nâng cao hiệu quả hoạt động Công nghệ vân tay rất linh hoạt, phù hợp với nhiều ứng dụng từ thiết bị cá nhân đến hệ thống bảo mật của công ty, giúp nó thích ứng với các môi trường và trường hợp sử dụng đa dạng.
Công nghệ vân tay kết hợp độ chính xác, tiện lợi, bảo mật, tốc độ và tính linh hoạt, trở thành công cụ quan trọng cho việc truy cập an toàn vào dịch vụ kỹ thuật số và bảo vệ thông tin nhạy cảm.
Hình 2 11: Công nghệ cảm biến vân tay
Cùng với sự tiến bộ của công nghệ vân tay, nhiều loại cảm biến mới đã được các nhà phát triển nghiên cứu và ra mắt Dưới đây là một số công nghệ cảm biến phổ biến nhất hiện nay.
Cảm biến vân tay dạng quang học: sử dụng ánh sáng để quét và thu thập hình ảnh vân tay
Cảm biến vân tay siêu âm sử dụng sóng siêu âm để tạo ra hình ảnh 3D của dấu vân tay, mang lại độ chính xác cao hơn so với cảm biến quang học Công nghệ này hoạt động hiệu quả ngay cả trong các điều kiện môi trường khắc nghiệt.
Cảm biến vân tay điện dung hoạt động dựa trên nguyên tắc đo điện trở của dấu vân tay để nhận diện các điểm đặc trưng Loại cảm biến này thường được ứng dụng trong các thiết bị di động và máy tính bảng, mang lại sự tiện lợi và bảo mật cho người dùng.
Cảm biến vân tay quang điện hoạt động bằng cách sử dụng ánh sáng hồng ngoại để quét và thu thập hình ảnh vân tay Thiết bị này thường được ứng dụng trong các hệ thống an ninh và quản lý ra vào, giúp nâng cao hiệu quả bảo mật.
Cảm biến vân tay dạng dẫn nhiệt hoạt động dựa trên nguyên lý dẫn nhiệt để nhận diện các điểm đặc trưng của dấu vân tay Thiết bị này thường được áp dụng trong lĩnh vực an ninh và quản lý ra vào nhờ vào khả năng chống giả mạo hiệu quả.
Tùy vào ứng dụng của hệ thống, yêu cầu kỹ thuật và ngân sách của dữ án mà người dùng sẽ chọn những loại cảm biến tương ứng
Hệ thống hoạt động dựa trên nguyên lý nhận dạng sinh trắc học, nơi người dùng đặt ngón tay lên thiết bị để quét hình ảnh các đường vân Các đặc điểm của dấu vân tay sẽ được phân tích và so sánh với dữ liệu đã lưu trước đó Tùy thuộc vào ứng dụng, hệ thống sẽ kích hoạt và cho phép người dùng truy cập vào thiết bị và hệ thống tương ứng.
2.3.3 Ưu điểm và nhược điểm
Trong cuộc sống hiện nay, công nghệ vân tay đã không còn xa lạ với chúng ta
Công nghệ này được sử dụng rộng rãi trong các sản phẩm phổ biến như điện thoại và khóa cửa Sự phổ biến của nó xuất phát từ những lợi ích vượt trội mà nó mang lại, bao gồm tính tiện lợi, độ bảo mật cao và khả năng tương thích với nhiều thiết bị khác nhau.
Sự tiện lợi của việc mở khóa thiết bị chỉ bằng một chạm giúp người dùng không cần mang theo chìa khóa khi ra ngoài Hơn nữa, với độ bảo mật cao từ việc sử dụng vân tay - mỗi vân tay là duy nhất và khó làm giả - hệ thống đảm bảo an toàn tuyệt đối cho người sử dụng.
Khả năng nhận dạng kém khi tay ướt hoặc ra nhiều mồ hôi
Vẫn có khả năng vân tay bị làm giả dẫn đến những thiệt hại
Các thiết bị có tích hợp công nghệ vân tay thường có giá thành cao ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 27
Các cảm biến vân tay có thể bị ảnh hưởng bởi môi trường xung quanh như nước, bụi bẩn hoặc độ ẩm làm giảm hiệu suất của thiết bị
Công nghệ cảm biến vân tay ngày càng trở nên phổ biến và được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực nhờ tính tiện lợi của nó Một trong những ứng dụng tiêu biểu là trên điện thoại thông minh, nơi cảm biến vân tay được tích hợp để mở khóa và thực hiện các giao dịch tài chính một cách nhanh chóng và an toàn.
Hình 2 12: Ứng dụng của công nghệ vân tay trên điện thoại
Các hệ thống cửa: trong các hệ thống nhà thông minh không khó để bắt gặp các hệ thống cửa có tích hợp công nghệ vân tay
Hình 2 13: Khóa cửa thông minh
Một số ứng dụng tiêu biểu bao gồm hệ thống máy chấm công, kiểm soát vào ra, ứng dụng trong y tế và két sắt an toàn.
IoT là gì và ứng dụng của IoT [11]
Trong thời đại hiện nay, IoT, hay Internet of Things, đã trở thành một thuật ngữ quen thuộc IoT đề cập đến mạng lưới các thiết bị vật lý được kết nối với Internet, cho phép chúng thu thập và chia sẻ dữ liệu với nhau Việc tích hợp cảm biến vào các thiết bị thông thường mang lại trí thông minh cho chúng, giúp chúng truyền dữ liệu trong thời gian thực mà không cần sự can thiệp của con người.
Hình 2 14: Mạng lưới IoT Lịch sử phát triển:
Từ những năm 80, 90 của thế kỷ trước, ý tưởng tích hợp cảm biến và trí thông minh vào các vật dụng thông thường đã trở nên phổ biến, nhưng công nghệ thời điểm đó chưa phát triển đủ, dẫn đến tiến độ chậm chạp Các chip vi xử lý lớn và thiếu phương pháp giao tiếp hiệu quả giữa các thiết bị đã cản trở kết nối hàng tỷ thiết bị Sự ra đời của công nghệ RFID với mức tiêu thụ năng lượng thấp và khả năng giao tiếp không dây đã giải quyết vấn đề này Bên cạnh đó, sự phát triển của Internet băng thông rộng, mạng di động và việc triển khai IPv6 đã tạo nền tảng quan trọng cho sự phát triển và mở rộng của IoT.
Các thành phần của một hệ thống IoT:
Một hệ thống IoT cơ bản sẽ có những thành phần sau:
Cảm biến IoT có khả năng thu thập dữ liệu từ môi trường như nhiệt độ, độ ẩm và pH, trong khi các thiết bị IoT, bao gồm máy tính nhúng và thiết bị gia dụng thông minh, có chức năng xử lý và truyền tải dữ liệu hiệu quả.
Kết nối: để kết nối các thiết bị với máy chủ và hệ thống xử lý dữ liệu
Cổng kết nối đóng vai trò quan trọng như một trung tâm kết nối, giúp chuyển đổi các giao thức và bảo mật, đồng thời truyền tải dữ liệu từ cảm biến và thiết bị đến đám mây hoặc các hệ thống xử lý dữ liệu khác.
Nền tảng đám mây: lưu trữ dữ liệu thu thập được từ các thiết bị và cảm biến
Sau khi thực hiện các tác vụ xử lý phức tạp như phân tích dữ liệu và đưa ra dự đoán, người dùng có thể giám sát, điều khiển và quản lý từ xa các thiết bị nhờ vào những dữ liệu thu thập được.
Giao diện người dùng: cung cấp giao diện trực quan để người dùng có thể giám sát và điều khiển các thiết bị của mình
2.4.2 Hoạt động của một hệ thống IoT
Mặc dù IoT có khả năng ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như công nghiệp, y tế và cải thiện đời sống con người, nhưng mọi hệ thống IoT hoàn chỉnh đều trải qua những bước cơ bản sau đây.
Thu thập dữ liệu: các cảm biến và thiết bị được sử dụng để thu thập dữ liệu từ môi trường hoặc một hệ thống cụ thể
Dữ liệu thu thập sẽ được truyền tải đến máy chủ hoặc hệ thống xử lý dữ liệu thông qua các mạng không dây như Wi-Fi, Bluetooth, Zigbee, hoặc qua mạng có dây như Ethernet.
Xử lý dữ liệu là quá trình truyền và lưu trữ thông tin trong các hệ thống, nơi dữ liệu được phân tích để đưa ra các quyết định Dựa vào kết quả phân tích, hệ thống có khả năng thực hiện các hành động tiếp theo phù hợp với ứng dụng của nó.
2.4.3 Ứng dụng của IoT trong đời sống
IoT mang lại ưu điểm lớn nhất là cải thiện hiệu suất và tiện ích, điều này lý giải vì sao nó được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khác nhau Dưới đây là một số ứng dụng tiêu biểu của IoT.
Nông nghiệp luôn đóng vai trò quan trọng trong cuộc sống từ xưa đến nay Việc ứng dụng công nghệ IoT trong canh tác và nuôi trồng đã giúp nâng cao hiệu quả và đơn giản hóa quy trình sản xuất.
Theo dõi thời tiết là quá trình thu thập thông tin từ môi trường thông qua các cảm biến, giúp lựa chọn loại cây trồng phù hợp và áp dụng các giải pháp chăm sóc hiệu quả.
Tự động hóa trong nhà kính: điều chỉnh các yếu tố ảnh hưởng đến sự ảnh hưởng của cây trồng như ánh sáng, nhiệt độ, độ ẩm
Giám sát và quản lý vật nuôi là quá trình theo dõi vị trí và sức khỏe của chúng nhằm phát hiện sớm các vấn đề và đưa ra giải pháp phù hợp.
Hình 2 15: Ứng dụng của IoT trong nông nghiệp
2.4.3.2 Trong các hệ thống nhà thông minh
Trong các hệ thống nhà thông minh, IoT cho phép người dùng điều khiển thiết bị gia dụng từ xa, bao gồm việc hẹn giờ tắt/bật cho từng khu vực trong nhà mà không cần phải di chuyển đến từng phòng.
Tự động hóa: một số hệ thống có thể hoạt động dựa trên thói quen của người dùng, điều này giúp bạn có thể tối ưu cuộc sống hơn
Hình 2 16: Ứng dụng của IoT trong nhà thông minh
Trong ngành công nghiệp, Internet vạn vật (IoT) đóng vai trò then chốt trong việc nâng cao hiệu suất và tối ưu hóa quy trình sản xuất Một trong những ứng dụng tiêu biểu của IoT là khả năng giám sát và điều khiển từ xa, giúp cải thiện quản lý tài nguyên và giảm thiểu lãng phí.
Giám sát và điều khiển từ xa: các doanh nghiệp có thể giám sát hoạt động sản xuất từ xa
Dự đoán bảo trì là một ứng dụng quan trọng của IoT, giúp xác định nhu cầu bảo trì thiết bị trong sản xuất Điều này không chỉ giảm thiểu gián đoạn do sự cố kỹ thuật mà còn đảm bảo an toàn cho công nhân viên.
Các hệ điều hành của Jetson Nano
Jetson Nano là một máy tính nhúng nhỏ gọn, hỗ trợ nhiều hệ điều hành khác nhau Dưới đây là một số hệ điều hành tương thích với Jetson Nano:
2.5.1 Ubuntu Linux (JetPack SDK) Đây là lựa chọn chính thức và phổ biến nhất cho Jetson Nano Đây là biến thể của Ubuntu Linux do NVIDIA cung cấp, đi kèm với nó là các công cụ và thư viện cần thiết để phát triển ứng dụng trí tuệ nhân tạo và xử lý hình ảnh trên Jetson Nano Ưu điểm:
Hệ điều hành chính thức được NVIDIA hỗ trợ, được tối ưu hóa cho phát triển ứng dụng trí tuệ nhân tạo và xử lý hình ảnh trên Jetson Nano.
Bao gồm các công cụ và thư viện cần thiết trong JetPack SDK
Có cộng đồng lớn hỗ trợ và tài liệu phong phú
Có thể không linh hoạt như các phiên bản Ubuntu Linux thông thường ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 33
2.5.2 NVIDIA Isaac SDK (Linux For Terga)
NVIDIA Isaac SDK mang đến một hệ điều hành tùy chỉnh và bộ công cụ mạnh mẽ cho việc phát triển robot và hệ thống tự động hóa Bộ công cụ này giúp các nhà phát triển dễ dàng triển khai ứng dụng AI trên các thiết bị nhúng, đặc biệt là Jetson Nano, với ưu điểm được tối ưu hóa cho việc phát triển các giải pháp tự động hóa và robot.
Hỗ trợ tích hợp với các thiết bị và cảm biến của NVIDIA
Có thể không phù hợp cho các ứng dụng khác ngoài lĩnh vực robot và tự động hóa
Nền tảng này được thiết kế để xử lý và phân tích dữ liệu video trực tiếp với hiệu suất cao, cung cấp nhiều công cụ và tính năng cho các nhà phát triển trong việc xây dựng ứng dụng AI và phân tích video Từ nhận diện đối tượng đến giám sát an ninh, nền tảng này được tối ưu hóa cho các ứng dụng xử lý video và nhận diện, mang lại nhiều lợi ích cho người dùng.
Có thể không phù hợp cho các ứng dụng khác ngoài lĩnh vực xử lý video
Là một trong những hệ điều hành mã nguồn mở phổ biến nhất, hệ điều hành này được sử dụng rộng rãi trên máy tính cá nhân, máy chủ và thiết bị nhúng Với độ linh hoạt cao, nó cho phép người dùng tùy chỉnh và cấu hình đa dạng, đáp ứng nhu cầu sử dụng đa dạng của người dùng.
Có sẵn các ứng dụng và gói phần mềm từ kho lưu trữ
Không được tối ưu hóa đặc biệt cho Jetson Nano như Ubuntu Linux trong JetPack SDK.
Phát hiện đối tượng (Object Detection)
2.6.1 Tổng quan về phát hiện đối tượng [9]
Công nghệ nhận diện đối tượng trong thị giác máy tính và xử lý hình ảnh được sử dụng để xác định các đối tượng cụ thể trong hình ảnh và video kỹ thuật số.
Các mô hình phát hiện đối tượng được huấn luyện nhằm mục đích xác định sự xuất hiện của các đối tượng trong hình ảnh, video
Là một trong những lĩnh vực quan trọng nhất trong sự phát triển của học sâu (Deep Learning)
YOLO (You Only Look Once) là một mô hình mạng nơ-ron tích chập (CNN) được thiết kế để phát hiện, nhận diện và phân loại đối tượng Mô hình này kết hợp các lớp tích chập và các lớp kết nối đầy đủ, trong đó các lớp tích chập trích xuất đặc trưng từ hình ảnh, còn các lớp kết nối đầy đủ dự đoán xác suất và tọa độ của các đối tượng.
Khi tiếp nhận một bức ảnh, mô hình sẽ tiến hành phân tích để xác định sự hiện diện của các đối tượng trong ảnh Nếu có đối tượng, mô hình sẽ xác định vị trí cụ thể của chúng trong bức ảnh.
Hình 2 18: Dòng thời gian phát triển của YOLO
2.6.2.2 YOLOv3 Được phát triển bởi Joseph Redmon và Ali Farhadi, YOLO v3 xây dựng trên các phiên bản trước đó nhưng với những cải tiến đáng kể, giúp nó trở nên mạnh mẽ và hiệu quả hơn
YOLO v3 nổi bật với khả năng nhận diện đối tượng trong thời gian thực với độ chính xác cao, nhờ vào cấu trúc mạng neural sâu Darknet-53 gồm 53 tầng convolutional Cấu trúc này không chỉ nâng cao khả năng nhận diện các đối tượng nhỏ và khó phát hiện mà còn cải thiện hiệu suất tổng thể của mô hình.
YOLO v3 nổi bật với khả năng xử lý đa quy mô, cho phép nhận diện đối tượng ở ba quy mô khác nhau Điều này giúp phát hiện các đối tượng với nhiều kích thước trong cùng một hình ảnh, rất hữu ích cho các ứng dụng như giám sát an ninh, xe tự lái và các hệ thống tự động khác, nơi cần nhận diện đối tượng với kích thước và vị trí đa dạng.
YOLO v3 được phát triển với khả năng xử lý nhanh chóng, ngay cả khi sử dụng mạng neural phức tạp hơn các phiên bản trước Điều này giúp nó trở thành lựa chọn lý tưởng cho các ứng dụng yêu cầu thời gian thực mà vẫn đảm bảo hiệu suất nhận diện cao.
2.6.2.3 So sánh với YOLOv3 với YOLOv8
Mặc dù YOLO v8 mang đến nhiều cải tiến đáng kể, vẫn có lý do chính để lựa chọn YOLO v3 trong những tình huống cụ thể Những lý do này bao gồm hiệu suất ổn định, khả năng xử lý nhanh và sự tương thích với các dự án đã triển khai trước đó.
Về tài nguyên và hiệu suất:
YOLO v3 yêu cầu ít tài nguyên phần cứng hơn so với các phiên bản mới, làm cho nó phù hợp với các thiết bị cấu hình thấp và môi trường hạn chế tài nguyên.
Mặc dù YOLO v8 cung cấp tốc độ và độ chính xác vượt trội trong nhiều tình huống, YOLO v3 vẫn giữ được hiệu suất cao và hiệu quả trong các ứng dụng không yêu cầu tính năng mới Điều này cho thấy sự ổn định và tính phổ biến của YOLO v3 trong cộng đồng người dùng.
+ Sự phổ biến: YOLO v3 đã được sử dụng rộng rãi và kiểm chứng trong nhiều ứng dụng và dự án khác nhau
+ Độ ổn định: Do đã được sử dụng và kiểm tra trong thời gian dài, YOLO v3 được coi là một giải pháp ổn định với ít lỗi phát sinh
Tính tương thích: Nhiều hệ thống và dự án hiện tại vẫn dựa trên YOLO v3
Nâng cấp lên phiên bản mới thường yêu cầu thay đổi đáng kể trong mã nguồn và cấu trúc hệ thống, điều này có thể dẫn đến chi phí và thời gian nâng cấp cao.
Chi phí sử dụng YOLO v3 là một lựa chọn tiết kiệm cho các ứng dụng hoặc dự án có ngân sách hạn chế, vì không cần đầu tư vào phần cứng mới hay điều chỉnh hệ thống hiện có Trong nhiều trường hợp, các tính năng mới của YOLO v8 không cần thiết, và YOLO v3 vẫn đáp ứng đủ yêu cầu về hiệu suất và độ chính xác cho nhiều ứng dụng thực tế.
Nếu bạn bắt đầu một dự án mới mà không bị ràng buộc bởi các yếu tố hạn chế, việc áp dụng YOLO v8 sẽ mang lại nhiều lợi ích nhờ vào các cải tiến về độ chính xác, tốc độ và tính năng mới Quyết định cuối cùng nên dựa trên nhu cầu cụ thể của dự án và các yếu tố kỹ thuật hiện có.
THIẾT KẾ VÀ XÂY DỰNG HỆ THỐNG
Yêu cầu và sơ đồ khối hệ thống
3.1.1 Yêu cầu của hệ thống
Hệ thống sẽ được triển khai tại phòng học A303 thuộc tòa nhà trung tâm của trường đại học Sư phạm kỹ thuật thành phố Hồ Chí Minh Để xác định yêu cầu cần thiết, chúng ta sẽ xem xét các thiết bị có trong phòng học này.
2 line đèn với 1 line bên trái và 1 bên phải
Từ những thiết bị sẵn có trong phòng đã kể ta sẽ đặt ra những yêu cầu cho hệ thống như sau:
Về cơ bản hệ thống phải điều khiển được các thiết bị trong phòng đồng thời hiển thị những thông tin cần thiết cho người dùng
Hệ thống cần tích hợp công nghệ RFID để phân quyền người dùng, nhằm kiểm soát quyền truy cập vào các thiết bị tiêu thụ điện năng lớn như TV và điều hòa.
Có khả năng thiết lập thời gian tự động đóng, mở phòng
Thiết lập chế độ tự động tắt các thiết bị khi trong phòng không có người
Chúng tôi sẽ phát triển một mạch điện nhằm đảm bảo an ninh cho phòng học ngoài giờ quy định Mục tiêu chính của mạch này là mở khóa cửa bằng công nghệ vân tay trong thời gian không cho phép.
Hình 3 1: Tổng quan phòng A303 thuộc tòa nhà trung tâm Đại học Sư phạm kỹ thuật TPHCM
Hình 3 2: Tivi của phòng A303 thuộc tòa nhà trung tâm Đại học Sư phạm kỹ thuật
TPHCM ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 39
Hình 3 3: Tivi của phòng A303 thuộc tòa nhà trung tâm Đại học Sư phạm kỹ thuật
3.1.2 Sơ đồ khối phần cứng và chức năng mỗi khối
Hình 3 4: Sơ đồ khối hệ thống ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 40
Chức năng của từng khối:
Khối nguồn: cung cấp nguồn cho hệ thống hoạt động
Khối xử lý trung tâm nhận dữ liệu từ khối Camera và tín hiệu điều khiển, hiển thị thông tin qua màn hình điều khiển Nó thông báo cho người dùng về thời gian sử dụng qua loa và gửi tín hiệu điều khiển đến khối điều khiển để quản lý các thiết bị trong phòng.
Khối camera: gửi dữ liệu thu được từ camera cho khối xử lý trung tâm nhằm phục vụ cho chế độ tự động
Khối loa: thông báo cho người dùng về giời gian sử dụng phòng hoặc một số thông tin khác
Khối màn hình điều khiển cho phép người dùng gửi tín hiệu điều khiển đến khối xử lý trung tâm và nhận thông tin phản hồi từ khối này.
Khối điều khiển: nhận tín hiệu điều khiển từ khối xử lý trung tâm để điều khiển những thiết bị
Khối RFID: dùng để phân quyền giữa giảng viên và sinh viên cho phép điều khiển các thiết bị tiêu hao nhiều điện năng
Khối điều khiển quạt: dùng để điều khiển tăng giảm tốc độ quay của quạt Khối Relay: dùng để điều khiển bật, tắt đèn hay khóa, mở ổ khóa
Khối cảm biến vân tay: nhận diện vân tay để mở, khóa cửa
Khối hiển thị: dùng để hiển thị thông báo khi sử dụng khối vân tay
Khối hồng ngoại: dùng mắt phát hồng ngoại để điều khiển tivi và điều hòa
3.1.3 Hoạt động của hệ thống
Ta sẽ chia ra thành hai khoảng thời gian chính là trong thời gian hoạt động và ngoài thời gian hoạt động:
Trong thời gian hoạt động, cửa sẽ luôn mở và để điều khiển các thiết bị trong phòng, người dùng cần quét thẻ RFID để xác minh danh tính Sinh viên chỉ có quyền điều khiển đèn và quạt, trong khi giáo viên có thể điều khiển thêm tivi và điều hòa Hệ thống cũng tự động tắt khi không phát hiện người trong phòng sau một khoảng thời gian nhất định.
Ngoài giờ hoạt động, cửa sẽ bị khóa và cần xác minh bằng hệ thống vân tay để mở Nếu vân tay đúng với mẫu đã được cung cấp, cửa sẽ mở, cho phép các thiết bị trong phòng hoạt động tự do mà không cần phân quyền, vì hầu hết mẫu vân tay là của các nhà quản lý Điều này giúp dễ dàng kiểm tra và bảo trì hệ thống.
Thiết kế hệ thống phần cứng
3.2.1 Khối màn hình điều khiển
Khối điều khiển này cho phép người dùng thao tác các thiết bị trong phòng một cách dễ dàng Để thực hiện điều này, cần có một màn hình kết nối với khối xử lý trung tâm, cụ thể là một máy tính nhúng Màn hình LCD 7 inch HDMI 1024x600 IPS cảm ứng điện dung là lựa chọn lý tưởng cho nhu cầu này.
Hình 3 5: Màn hình LCD 7 inch 1024x600 IPS
Màn hình LCD 7 inch 1024x600 IPS nổi bật với độ phân giải 1024x600, mang đến hình ảnh sắc nét và chi tiết, lý tưởng cho các ứng dụng giao diện người dùng hiện đại Công nghệ IPS (In-Plane Switching) đảm bảo màu sắc trung thực và góc nhìn rộng, cho phép người dùng dễ dàng quan sát từ nhiều hướng mà không bị biến dạng màu sắc hay giảm chất lượng hình ảnh, mang lại trải nghiệm sử dụng tối ưu.
Màn hình hỗ trợ kết nối qua cổng HDMI, cho phép dễ dàng kết nối với nhiều thiết bị như máy tính, Raspberry Pi và Jetson Nano, phục vụ cho hệ thống cần kết nối với máy tính nhúng.
Tính năng cảm ứng điện dung mang lại trải nghiệm người dùng mượt mà và trực quan, cho phép thao tác trực tiếp trên màn hình một cách chính xác và nhanh chóng, tương tự như trên các thiết bị di động hiện đại Điều này tạo ra một ưu điểm lớn cho cả người dùng và nhà phát triển, giúp họ dễ dàng tương tác với hệ thống hơn.
Cuối cùng, với kích thước 7 inch, màn hình này có tính di động cao và dễ dàng tích hợp vào các hệ thống nhỏ gọn
Bảng 3 1: Bảng thông số kĩ thuật của màn hình 7 Inch 1024x600 IPS
Kích thước đường chéo 7 Inch
Loại cảm ứng Điện dung Độ phân giải 1024x600 pixels
Công nghệ hiển thị IPS
Kích thước vùng nhìn 156.68 x 88.52mm
3.2.2 Khối xử lý trung tâm
Khối này có chức năng nhận dữ liệu từ Camera, điều khiển và hiển thị thông tin qua màn hình, thông báo thời gian sử dụng qua loa, và gửi tín hiệu điều khiển đến thiết bị trong phòng Hệ thống sẽ tự động tắt khi không phát hiện người trong phòng học sau một thời gian nhất định Để thực hiện những chức năng này, cần một máy tính nhúng hoạt động hiệu quả với mô hình nhận diện đối tượng, và Jetson Nano là lựa chọn hoàn hảo cho hệ thống này.
Sử dụng Jetson Nano làm máy tính nhúng cho dự án nhận diện đối tượng bằng YOLO là lựa chọn lý tưởng nhờ vào khả năng tính toán mạnh mẽ, tính di động cao và sự hỗ trợ phong phú từ cộng đồng Với GPU NVIDIA Maxwell, Jetson Nano cung cấp hiệu suất vượt trội cho các ứng dụng trí tuệ nhân tạo.
Với 128 lõi CUDA, Jetson Nano mang đến khả năng xử lý mạnh mẽ, giúp chạy mô hình YOLO một cách hiệu quả Điều này đảm bảo độ chính xác cao và tốc độ phản hồi nhanh trong các tác vụ nhận diện đối tượng theo thời gian thực.
Với mức tiêu thụ điện năng chỉ khoảng 5-10W, sản phẩm này trở thành giải pháp lý tưởng cho các dự án nhúng, đáp ứng yêu cầu về tính di động và tiết kiệm năng lượng.
Jetson Nano hỗ trợ các framework học sâu phổ biến như TensorFlow, PyTorch và TensorRT, giúp tối ưu hóa và tăng tốc mô hình YOLO Điều này không chỉ giảm thiểu độ trễ mà còn nâng cao hiệu suất, rất quan trọng cho các ứng dụng yêu cầu độ phản hồi nhanh như giám sát an ninh, robot tự hành và hệ thống điều khiển tự động.
Jetson Nano là sự lựa chọn hàng đầu cho các dự án nhận diện đối tượng sử dụng YOLO nhờ vào hiệu suất cao, tiết kiệm năng lượng và khả năng triển khai dễ dàng.
Hình 3 6: Máy tính nhúng Jetson Nano ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 44
Bảng 3 2: Bảng thông số kỹ thuật của Jetson Nano
GPU NVIDIA Maxwell (128 lõi CUDA)
CPU Quad-core ARM Cortex-A57 @ 1.43 GHz
Kết nối mạng Gigabit Ethernet, Wi-Fi 802.11ac, Bluetooth
Kết nối 4x USB 3.0, 1x USB 2.0 Micro-B, 1x
Kích thước 100mm x 80mm Điện áp tiêu thụ 5V/2A qua cổng Micro-USB hoặc 5V/4A qua cổng DC
Khối chức năng này sẽ gửi dữ liệu thu được đến khối xử lý trung tâm để hỗ trợ chế độ tự động tắt khi không có người Dự án không yêu cầu độ phân giải quá cao, nhưng cần có khả năng truyền tải video qua mạng wifi, do đó chúng tôi lựa chọn ESP32-CAM.
Hình 3 7: ESP32-CAM cùng đế nạp chương trình ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 45
Do camera có độ phân giải không cao và yêu cầu về độ trễ không quá khắt khe, băng thông cho dự án cũng không cần đảm bảo chặt chẽ Dựa trên những yếu tố này và lý thuyết đã trình bày ở mục 2.1.6, phương thức truyền video từ ESP nên sử dụng là HTTP.
Với đế nạp chương trình ta có thể nạp chương trình đồng thời cấp nguồn cho ESP32- CAM thông qua một USB micro
Khối này có chức năng chính là đọc mã ID của thẻ RFID, từ đó phân quyền cho chủ thẻ điều khiển các thiết bị trong phòng học Trong đề tài này, yêu cầu về thiết bị đọc RFID không quá cao, do đó MFRC522 là một lựa chọn phù hợp MFRC522 được biết đến với độ tin cậy cao, là một trong những module đọc RFID phổ biến và đã được kiểm tra, chứng minh hiệu quả trong nhiều ứng dụng thực tế.
MFRC522 là một module RFID linh hoạt, tương thích với nhiều loại thẻ RFID phổ biến như MIFARE Classic và MIFARE Ultralight Điều này giúp người dùng dễ dàng lựa chọn thẻ RFID phù hợp cho dự án của mình.
Dễ sử dụng và tích hợp: MFRC522 có giao diện đơn giản thông qua giao tiếp
Giao tiếp SPI hoặc UART là lựa chọn lý tưởng cho việc tích hợp vào các dự án nhúng và IoT Trong bài viết này, chúng ta sẽ tập trung vào việc sử dụng giao thức SPI giữa đầu đọc thẻ MFRC522 và vi điều khiển, nhờ vào những lợi ích đã được nêu rõ trong chương 2.
Chức năng và hoạt động của phần mềm
Proteus là phần mềm thiết kế và mô phỏng mạch điện tử, do Labcenter Electronics phát triển Phần mềm này cung cấp các công cụ cho thiết kế sơ đồ nguyên lý, bố trí PCB và mô phỏng mạch điện tử, nổi bật với khả năng mô phỏng mạch có vi điều khiển và linh kiện tương tự.
Nổi bật với khả năng mô phỏng mạnh mẽ, đặc biệt trong mô phỏng vi điều khiển, phần mềm này giúp kiểm tra và phát hiện lỗi trong thiết kế trước khi sản xuất Giao diện thân thiện và dễ sử dụng, cùng với thư viện linh kiện đa dạng và cập nhật thường xuyên, hỗ trợ người dùng dễ dàng tạo và kiểm tra các thiết kế mạch phức tạp.
Proteus là phần mềm phổ biến trong giáo dục và nghiên cứu, cũng như trong các lĩnh vực điện tử và tự động hóa Nó cung cấp công cụ thiết yếu cho sinh viên và kỹ sư thiết kế để phát triển, thử nghiệm và xác minh các mạch điện tử và hệ thống nhúng trước khi tiến hành sản xuất.
Hình 3 34: Giao diện Proteus 8.14 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 71
Altium Designer là phần mềm thiết kế mạch in (PCB) nổi tiếng, cung cấp nền tảng toàn diện cho phát triển thiết bị điện tử Công cụ này tích hợp nhiều tính năng như vẽ sơ đồ nguyên lý, thiết kế và bố trí PCB, cũng như mô phỏng và kiểm tra mạch, tất cả trong một môi trường duy nhất.
Altium Designer nổi bật với giao diện thân thiện và dễ sử dụng, cùng thư viện linh kiện phong phú Phần mềm này cung cấp khả năng thiết kế 3D tiên tiến và một môi trường thiết kế tích hợp, giúp giảm thiểu thời gian chuyển đổi giữa các công cụ và nâng cao hiệu quả công việc Ngoài ra, Altium Designer còn tích hợp các công cụ mô phỏng và quản lý dữ liệu mạnh mẽ, đáp ứng nhu cầu thiết kế điện tử hiện đại.
Altium Designer là phần mềm phổ biến trong nhiều lĩnh vực như điện tử tiêu dùng, viễn thông, y tế, ô tô và quốc phòng Phần mềm này hỗ trợ các kỹ sư điện tử trong việc tối ưu hóa thiết kế và sản xuất mạch điện tử, từ đó nâng cao chất lượng sản phẩm và rút ngắn thời gian đưa sản phẩm ra thị trường.
Hình 3 35: Giao diện phần mềm Altium (schematic) ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 72
Hình 3 36: Giao diện phần mềm Altium(PCB)
Qt Designer là công cụ thiết kế giao diện đồ họa mạnh mẽ trong bộ công cụ phát triển Qt, giúp nhà phát triển tạo và tùy chỉnh giao diện người dùng cho ứng dụng một cách trực quan Với tính năng kéo và thả các thành phần GUI, người dùng có thể thiết kế mà không cần viết mã, mang lại sự tiện lợi và hiệu quả trong quá trình phát triển ứng dụng.
Qt Designer là một công cụ mạnh mẽ với giao diện trực quan, giúp người dùng dễ dàng tạo ra các giao diện phức tạp một cách nhanh chóng Nó tích hợp tốt với các công cụ khác trong bộ Qt, cho phép chuyển đổi linh hoạt giữa thiết kế giao diện và mã hóa logic ứng dụng Hơn nữa, Qt Designer hỗ trợ đa nền tảng, giúp phát triển ứng dụng có khả năng chạy trên nhiều hệ điều hành khác nhau.
Qt Designer là công cụ phổ biến trong phát triển phần mềm, cho phép thiết kế giao diện người dùng cho ứng dụng trên nhiều nền tảng như Windows, macOS, Linux và các hệ điều hành di động Nó được ưa chuộng trong các lĩnh vực như phần mềm doanh nghiệp, ứng dụng di động, thiết bị nhúng và giải pháp IoT nhờ khả năng tạo ra giao diện người dùng đẹp mắt và chức năng.
Hình 3 37: Giao diện phần mềm Qt Designer
Visual Studio Code (VS Code) là một trình soạn thảo mã nguồn mở miễn phí do Microsoft phát triển, hỗ trợ đa dạng ngôn ngữ lập trình và nền tảng Nó cung cấp các công cụ mạnh mẽ cho việc phát triển phần mềm, từ lập trình cơ bản đến phát triển ứng dụng phức tạp, mang lại nhiều lợi ích cho lập trình viên.
Visual Studio Code nổi bật với giao diện thân thiện, tốc độ nhanh và khả năng tùy chỉnh linh hoạt Với kho tiện ích mở rộng phong phú, người dùng có thể mở rộng chức năng theo nhu cầu cá nhân VS Code tích hợp các công cụ gỡ lỗi, kiểm soát phiên bản Git và IntelliSense, giúp nâng cao hiệu quả và năng suất lập trình.
VS Code là một công cụ phát triển phần mềm phổ biến, được sử dụng rộng rãi trong các lĩnh vực như phát triển web, ứng dụng di động, phát triển game và dự án mã nguồn mở Với khả năng hỗ trợ đa dạng ngôn ngữ và framework, cùng với cộng đồng người dùng lớn, VS Code là lựa chọn lý tưởng cho cả người mới bắt đầu và lập trình viên chuyên nghiệp.
Hình 3 38: Giao diện phần mềm Visual Studio Code
Arduino IDE là môi trường phát triển mã nguồn mở, giúp lập trình viên làm việc với vi điều khiển Arduino Giao diện của nó đơn giản và trực quan, cho phép người dùng dễ dàng viết, biên dịch và tải mã lên các board Arduino Điều này hỗ trợ hiệu quả trong việc phát triển các dự án điện tử và nhúng.
Arduino IDE nổi bật với giao diện thân thiện, dễ sử dụng, lý tưởng cho người mới bắt đầu Nó cung cấp nhiều thư viện và ví dụ mã sẵn có, giúp tăng tốc quá trình học tập và phát triển Cộng đồng Arduino rộng lớn mang đến tài liệu phong phú, hỗ trợ và các dự án mẫu đa dạng.
Arduino IDE là công cụ phổ biến trong giáo dục, nghiên cứu và các dự án DIY, lý tưởng cho phát triển ứng dụng nhúng, hệ thống điều khiển tự động, thiết bị IoT và các dự án sáng tạo khác nhờ vào tính linh hoạt và dễ sử dụng.
Hình 3 39: Giao diện phần mềm Arduino
Lưu đồ
3.4.1 Lưu đồ khối điều khiển
Hệ thống khởi động bằng cách khởi tạo các thiết bị như LCD, cảm biến vân tay, RFID và dimmer, đồng thời thiết lập các giao thức truyền như UART và SPI cùng với chế độ cho các chân sử dụng.
Để đảm bảo hoạt động hiệu quả, trước tiên cần xác định xem khối điều khiển có nhận được dữ liệu từ khối xử lý trung tâm hay không Nếu có, khối điều khiển sẽ thực hiện việc điều khiển các thiết bị như đèn, quạt, tivi và điều hòa, dựa trên dữ liệu nhận được và cập nhật giá trị thời gian thực từ khối xử lý trung tâm.
Dựa trên giá trị thời gian thực nhận được, chúng ta sẽ kiểm tra xem thời gian hiện tại có nằm ngoài khoảng thời gian hoạt động hay không Trong nghiên cứu này, khoảng thời gian không hoạt động được xác định từ 21h đến 6h sáng Nếu thời gian hiện tại nằm trong khoảng này, hàm sẽ được gọi để thực hiện chương trình con xử lý trong thời gian hoạt động.
Nếu không nằm trong khoảng thời gian hoạt động thực hiện chương trình con xử lý khi ngoài thời gian hoạt động
Hình 3 42: Lưu đồ chương trình con xử lý khi trong giờ hoạt động ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 79
Trong khoảng thời gian từ 6h đến 21h, hệ thống sẽ xóa toàn bộ dữ liệu trên LCD và vô hiệu hóa cảm biến vân tay, khiến cửa luôn mở Trong thời gian này, hệ thống RFID vẫn được phép hoạt động.
The MFRC522 RFID module identifies cards by checking them against previously stored ones If the card's UID matches that of a Manager or Lecturer, access is granted through UART Similarly, if it matches a Student's UID, access is provided for the Student via UART In the case of an incorrect card, access is denied, returning a None status through UART.
Ngược lại nếu module RFID MFRC522 không phát hiện được thẻ thì chương trình con kết thúc
Hình 3 43: Lưu đồ chương trình con xử lý khi ngoài giờ hoạt động
Trong khoảng thời gian từ 6h đến 21h, hàm được gọi là thời gian thực, khi đó màn hình LCD sẽ hiển thị và cảm biến vân tay sẽ hoạt động Lúc này, cửa sẽ đóng và hệ thống RFID sẽ không hoạt động, vì các vân tay đã được lưu thường là của người quản lý, do đó không cần sử dụng RFID để phân quyền lại.
Cảm biến AS608 sẽ xác nhận vân tay đã phát hiện có khớp với vân tay đã lưu trữ hay không Nếu khớp, thiết bị sẽ kiểm tra trạng thái của cửa: nếu cửa đang mở, nó sẽ tự động đóng lại; ngược lại, nếu cửa đang đóng, thiết bị sẽ mở cửa ra.
Khi cảm biến nhận diện một vân tay không chính xác, nó sẽ hiển thị thông báo yêu cầu người dùng nhập lại trên màn hình LCD Nếu không phát hiện được vân tay, chương trình con sẽ tự động kết thúc.
3.4.2 Lưu đồ khối xử lý trung tâm
Hình 3 44: Lưu đồ chương trình chính của khối xử lý trung tâm
Khi khởi động, Jetson Nano tự động thực thi chương trình với 4 nhân CPU, cho phép hệ thống khởi tạo 4 luồng hoạt động song song Một trong các luồng này chịu trách nhiệm hiển thị giao diện người dùng và nhận diện hành vi của người dùng để gửi lệnh điều khiển đến khối điều khiển.
Luồng camera đọc dữ liệu từ ESP32-CAM và nhận diện người
Luồng nhận dữ liệu được gửi về từ khối điều khiển thông qua UART, dữ liệu này để phân quyền điều khiển thiết bị
Một luồng được sử dụng để đọc giá trị thời gian hiện tại, cung cấp thông tin thời gian thực cho hệ thống, kiểm tra trạng thái hoạt động và thiết lập chế độ tự động Luồng này cũng hỗ trợ xử lý các tác vụ liên quan đến thời gian thực.
Hình 3 45: Lưu đồ luồng đọc dữ liệu quyền truy cập từ khối điều khiển
Khi nhận dữ liệu từ khối điều khiển, nếu dữ liệu là Manager/Lecture, người dùng sẽ được phép điều khiển tất cả các thiết bị và quyền sẽ được hiển thị trên trang Home Nếu dữ liệu là Student, người dùng chỉ được phép điều khiển đèn và quạt, với quyền cũng hiển thị trên trang Home Trong trường hợp dữ liệu nhận được là None, người dùng sẽ không được phép điều khiển bất kỳ thiết bị nào.
Nếu không nhận được dữ liệu, chương trình sẽ chờ cho đến khi có dữ liệu để xử lý Việc phân chia thành một luồng riêng giúp quá trình phân quyền diễn ra ngay khi người dùng quét thẻ RFID, đảm bảo quản lý phân quyền chính xác mà không làm chậm luồng chính.
Hình 3 46: Lưu đồ luồng xử lý giao diện người dùng
Khi khởi động chương trình, hệ thống sẽ hiển thị giao diện người dùng Khi người dùng thực hiện thao tác, chẳng hạn như nhấn nút để tắt đèn, dữ liệu sẽ được gửi đến khối điều khiển để thực hiện lệnh tắt đèn Sau đó, hệ thống sẽ cập nhật giao diện người dùng và tiếp tục chờ nhận thao tác tiếp theo.
Hình 3 457: Lưu đồ luồng đọc và xử lý giá trị thời gian thực
Khi khởi động luồng, hệ thống sẽ khởi tạo các biến để lưu trữ giá trị thời gian và ngày tháng dựa trên thời gian thực Những giá trị này sẽ được hiển thị trên trang chính và cung cấp thông tin thời gian cho toàn bộ hoạt động của mạch.
Nếu thời gian hiện tại là 20h50’ thì sẽ phát ra âm thanh cảnh báo đến người dùng sắp đến giờ đóng cửa ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 84
Nếu thời gian thực không phải là 20h50’, cần kiểm tra xem thời gian hiện tại có nằm trong khoảng hoạt động từ 6h đến 21h hay không Nếu có và chưa gửi tín hiệu hoạt động qua UART trước đó, hệ thống sẽ gửi tín hiệu này Nếu tín hiệu đã được gửi trước đó, hệ thống sẽ quay lại để đọc giá trị thời gian thực.
KẾT QUẢ, NHẬN XÉT VÀ ĐÁNH GIÁ
Kết quả thi công phần cứng
Dựa trên sơ đồ nguyên lý đã thiết kế trong chương trước, bài viết này sẽ trình bày kết quả của quá trình thi công phần cứng.
Hình 4 1: Kết quả PCB layout 2 lớp của khối trung tâm
Hình 4.1 trình bày PCB layout 2 lớp cho khối trung tâm, được thiết kế bằng phần mềm Altium Bên cạnh các khối đã được thiết kế chi tiết ở chương trước, layout còn bao gồm các Domino và Jack DC để cung cấp nguồn cho khối xử lý trung tâm và toàn bộ hệ thống.
Hình 4 2: Kết quả PCB layout lớp dưới của khối trung tâm ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 87
Hình 4.2 trình bày kết quả bố trí PCB của lớp dưới khối xử lý trung tâm, tương tự như hình 4.1 nhưng chỉ hiển thị các đường dây của lớp dưới.
Hình 4 3: Kết quả PCB layout lớp trên của khối trung tâm
Hình 4.3 thể hiện bố trí PCB của lớp trên của khối xử lý trung tâm, tương tự như hình 4.1 nhưng chỉ hiển thị các đường dây của lớp trên.
Từ kết quả PCB layout từ những hình trên Sau khi thi công ta sẽ đạt được kết quả thực tế như hình đã biểu thị ở hình 4.4 và hình 4.5
Hình 4 4: Kết quả thi công mạch trung tâm ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 88
Hình 4 5: Kết quả thi công mạch trung tâm
Hình 4 6: Kết quả PCB mạch cửa
Hình 4.6 là kết quả PCB layout của mạch cửa được vẽ trên phần mềm
Altium Từ kết quả có được từ hình 4.5 sau khi thi công ta sẽ có được mạch cửa như hình 4.6 sau ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 89
Hình 4 7: Kết quả thi công mạch cửa
Kết quả thiết kế phần mềm
Phần này sẽ trình bày về kết quả đạt được sau quá trình thiết kế phần mềm trên
Hình 4 8: Giao diện Home của phần mềm
Hình 4.8 trên là giao diện Home của phần mềm ở bên phải sẽ hiển thị những thông tin như :
+ Phân quyền người dùng hiện tại ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 90
+ Hiện tại có đang trong thời gian mở cửa hay không
+ Thời gian và ngày tháng dựa trên thời gian thực
Hình 4 9: Giao diện điều khiển đèn của phần mềm
Giao diện điều khiển đèn trong phần mềm, như hình 4.9, bao gồm hai nút nhấn để bật tắt hai dòng đèn khác nhau Ngoài ra, có hình ảnh tượng trưng cho trạng thái của đèn, giúp người dùng dễ dàng nhận biết đèn đang bật hay tắt Cụ thể, trong hình, dòng đèn 1 đang bật trong khi dòng đèn 2 đang tắt.
Hình 4 10: Giao diện điều khiển quạt của phần mềm ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 91
Hình 4.10 chính là giao diện để điều khiển tốc độ quay của quạt Quạt sẽ có 4 tốc độ quay khác nhau lần lượt là 0,1,2 và 3
Hình 4 11: Giao diện điều khiển tivi của phần mềm
Giao diện điều khiển tivi của phần mềm sẽ bao gồm các nút nhấn sau:
+ Source: chọn nguồn cho tivi
+ Mute/+/-: điều chỉnh âm lượng của tivi
+ Và các nút nhấn Up, Down, Left, Right, Exit và OK
Hình 4 12: Giao diện điều khiển điều hòa của phần mềm ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 92
Giao diện điều khiển điều hòa của phần mềm sẽ bao gồm có các nút nhấn sau:
+ Swing On: chỉnh hướng gió di chuyển
+ Swing Off: chỉnh hướng gió cố định
Ngoài ra thì giao diện còn hiển thị nhiệt độ hiện tại của điều hòa cũng như chế độ hiện tại ở góc bên trái màn hình
Hình 4 13: Giao diện hiển thị camera của phần mềm
Hình 4.13 hiển thị kết quả từ camera, với độ trễ tùy thuộc vào tốc độ đường truyền Thông tin về FPS hệ thống và số người được phát hiện cũng được cập nhật trên giao diện.
Hình 4 14: Giao diện phần mềm khi không đủ quyền truy cập
Hình 4.14 cho thấy kết quả hiển thị của phần mềm khi người dùng cố gắng truy cập vào các chức năng không được cấp quyền trong giờ hoạt động Chẳng hạn, một học sinh có thể cố gắng truy cập vào giao diện camera, tivi hoặc điều hòa mà không có quyền hạn.
Kết quả hoạt động của toàn hệ thống
Kết hợp các kết quả từ mục 4.1 và 4.2, chúng ta sẽ xây dựng được một hệ thống hoàn chỉnh Phần này sẽ trình bày hiệu quả hoạt động của toàn bộ hệ thống.
Hình 4 15: Kết quả thi công phần cứng toàn hệ thống ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 94
Hình 4.15 là mô hình của toàn bộ hệ thống Các khối được sắp xếp một trên một tấm mica có kích thước 435 x 305 mm
Hình 4 16: Kết quả nhận diện người hiển thị trên màn hình Camera
Giao diện hiển thị camera trong phần mềm, như thể hiện ở Hình 4.16, cho thấy khả năng nhận diện người với FPS đạt 21 Số người được nhận diện là 4 trên tổng số 5, cho thấy độ chính xác tương đối cao.
Hình 4 17: Kết quả mạch cửa ngoài giờ hoạt động khi chưa nhận được vân tay
Hình 4.17 hiển thị kết quả của mạch cửa ngoài giờ hoạt động khi chưa nhận được vân tay Màn hình hiện thông báo “NHAP VAN TAY” và lúc này, khóa cửa đang trong trạng thái đóng.
Hình 4 18: Kết quả mạch cửa ngoài giờ hoạt động khi nhận được vân tay sai
Khi mạch cửa ngoài giờ hoạt động nhận được vân tay sai, màn hình LCD hiển thị thông báo "VAN TAY SAI" và "XIN MOI NHAP LAI", trong khi đó khóa cửa vẫn giữ nguyên trạng thái đóng.
Hình 4 19: Kết quả mạch cửa ngoài giờ hoạt động khi nhận được vân tay đúng và trước đó cửa đóng
Khi nhận diện vân tay chính xác đã được lưu trữ và khóa cửa đang trong trạng thái đóng, màn hình sẽ hiển thị thông báo “VAN TAY DUNG” và “XIN CHAO” Lúc này, khóa cửa sẽ mở ra, cho phép người quản lý vào phòng.
Hình 4 20: Kết quả mạch cửa vào thời gian ngoài giờ hoạt động khi nhận được vân tay đúng và trước đó cửa mở
Khi nhận diện vân tay chính xác đã được lưu trữ và khóa cửa đang ở trạng thái đóng, màn hình sẽ hiển thị thông báo “VAN TAY DUNG” và “TAM BIET” Lúc này, khóa cửa sẽ vẫn được giữ trong trạng thái đóng.
Phần sau đây sẽ trình bày về kết quả điều khiển các thiết bị
Hình 4 21: Kết quả điều khiển 2 line đèn ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 97
Hình 4.21 là kết quả khi 2 line đèn đang được bật 2 led đỏ sáng báo hiệu cả 2 relay đều đã được đóng để điều khiển line đèn tương ứng
Hình 4 22: Kết quả điều khiển line đèn 1
Hình 4.22 là kết quả khi line đèn nhất đang được bật Led đỏ sáng báo hiệu relay thứ nhất đã được đóng để điều khiển line đèn thứ nhất
Hình 4 23: Kết quả điều khiển line đèn 2 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 98
Hình 4.23 là kết quả khi ta bật line đèn thứ 2 Led đỏ sáng báo hiệu relay thứ
Để điều khiển line đèn thứ 2, chúng ta đã đóng 2 Kết quả điều khiển tivi và máy lạnh bằng tia hồng ngoại sẽ được trình bày thông qua phần mềm Hercules, sử dụng dữ liệu từ module VS1838B, một module thu mã hồng ngoại, nhận được từ mắt phát hồng ngoại của mô hình.
Hình 4 24: Module VS1838B kết nối với Arduino Uno R3
Hình 4 25: Mã hồng ngoại một số chức năng của tivi LG
Hình 4 26: Dữ liệu nhận được của VS1838 hiển thị trên Hercules ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 99
Dữ liệu từ cảm biến VS1838B được truyền đến Hercules, cho phép nhận diện các mã hồng ngoại tương ứng với các nút bấm trên giao diện điều khiển Để điều khiển tốc độ quạt, chúng ta sẽ tiến hành đo mức điện áp tại từng cấp độ.
Hình 4 27: Điện áp của dimmer 1 khi ở mức 1 Điện áp của dimmer 1 ở cấp 1 là 97.8VAC, quạt bắt đầu quay với tốc độ chậm
Hình 4 28: Điện áp của dimmer 1 khi ở mức 2 Điện áp của dimmer 1 ở cấp 2 là 150.7V, quạt quay với tốc độ trung bình ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 100
Hình 4 29: Điện áp của dimmer 1 khi ở mức 3 Điện áp của dimmer 1 ở cấp 3 là 224.6V, quạt quay với tốc độ nhanh nhất.
Nhận xét
Hệ thống hiện tại có khả năng điều khiển ổn định các thiết bị như đèn, quạt, tivi và máy lạnh, nhưng số lượng thiết bị có thể điều khiển vẫn còn hạn chế, chỉ bao gồm tivi LG và điều hòa DAIKIN Công nghệ RFID đã cho phép phân quyền điều khiển một cách chính xác, nhưng số lượng thẻ và vân tay của người quản lý là cố định, gây khó khăn cho việc mở rộng hệ thống cho các môi trường lớn như trường học.
Việc nhận diện người qua mạng Wifi có thể gặp phải độ trễ nhất định, nhưng độ chính xác trong quá trình nhận diện lại rất cao.
Thực hiện thành công được chế độ tự động tắt các thiết bị khi không phát hiện người ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 101