Ngày nay, khi xã hội ngày một phát triển mạnh mẽ, nhu cầu về sự an ninh được đặt lên hàng đầu. Đặc biệt đối các vị trí nhạy cảm và quan trọng như các tòa nhà Quốc hội, các ngân hàng, các nhà kho lưu trữ dữ liệu quan trọng, hay các ngôi nhà của chung cư cao cấp. Mà thực tế hiện nay, việc đầu tư vào hệ thống an ninh ở nước ta đang dậm chân tại chỗ. Điển hình ở việc người ta đang sử dụng con người cho mục đích an ninh là chính như việc thuê các bảo vệ viên hay lắp đặt các hệ thống camera thông thường mà một kẻ gian hiểu biết có thể qua mặt được. Để thấy được đây đang là một vấn đề cần được giải quyết tốt hơn. Và một giải pháp được đề cập đến trong đề tài này đó là sử dụng một hệ thống cửa tự động nhận diện khuôn mặt, giọng nói, đồng thời thêm nhiều tính năng bảo mật để có thể lắp đặt đối với những vị trí quan trọng nói trên. Trong khuôn khổ đề tài này, chúng tôi sẽ xây dựng một mô hình hệ thống cửa tự động với cấp độ bảo mật cao. Hệ thống cửa này sử dụng camera để phân biệt, nhận diện các đối tượng được phép mở cửa làm phương thức bảo mật chính. Ngoài ra hệ thống cửa còn chấp nhận các yêu cầu khác như việc nhập khẩu từ bàn phím có sẵn hay nhận dạng giọng nói. Khi yêu cầu mở cửa của người dùng được chấp nhận, một cái chốt khóa sẽ tự động được kéo ra cho phép người dùng có thể mở cửa. Cũng như cái chốt sẽ gài lại khi có yêu cầu từ người dùng. Ngoài ra hệ thống còn có một số tính năng bổ sung khác như truyền hình ảnh từ camera đến các thiết bị khác như điện thoại, máy tính, cũng như chế độ từ chối tiếp khách liên động với chuông cửa. Cái cốt lõi nhất mà đề tài này hướng đến đó là giải pháp tự động hóa mang tính cải tiến và nâng cao bảo mật và ứng dụng thực tế cao. Và mô hình của đề tài mang hơi hướng cánh cửa của các ngôi nhà ở đó là cửa chính của các khu chung cư cao cấp.
Trang 1LỜI NÓI ĐẦU
Ngày nay trên thế giới với sự bùng nổ của các nghành công nghệ thông tin, điện
tử v.v Đã làm cho đời sống của con người ngày càng hoàn thiện Các thiết bị tự động
hóa đã ngày càng được sử dụng vào trong sản xuất và thậm chí là vào trong cuộc sống
sinh hoạt hằng ngày của mỗi con người Do đó một ngôi nhà thông minh, có các thiết
bị tự động không còn là mơ ước của con người nữa mà nó đã trở thành hiện thực hóa
Qua báo chí, các phương tiện truyền thông, internet chúng ta có thể thấy những
mô hình ngôi nhà thông minh, có cánh cửa tự động đã ra đời Là một sinh viên ngành
Điện, bản thân cũng có những mong ước đóng góp một phần công sức cho xã hội bằng
những việc làm có ý nghĩa thực tế, từ những kiến thức đã được học sau bốn năm rưỡi
theo học trường Đại học Bách Khoa Đà Nẵng
Sau thời gian học tập tại trường, được sự chỉ bảo hướng dẫn nhiệt tình của thầy
cô giáo trong ngành Điện tự động trường Đại học Bách Khoa Đà Nẵng, em đã kết thúc
khoá học và đã tích luỹ được vốn kiến thức nhất định Được sự đồng ý của nhà trường
và thầy cô giáo trong khoa em được giao đề tài tốt nghiệp nghiên cứu và chế tạo: “Hệ
thống cửa tự động”
Đồ án tốt nghiệp của em gồm bốn chương:
Chương 1: Tổng quan về hệ thống cửa tự động
Chương 2: Thiết kế phần cứng của hệ thống
Chương 3: Lập trình điều khiển hệ thống
Chương 4: Thực nghiệm
Bằng sự cố gắng nỗ lực của bản thân và đặc biệt là sự giúp đỡ tận tình, chu đáo
của thầy giáo TS Lê Tiến Dũng, em đã hoàn thành đồ án đúng thời hạn Do thời gian
làm đồ án có hạn và trình độ còn nhiều hạn chế nên không thể tránh khỏi những thiếu
sót Em rất mong nhận được sự đóng góp ý kiến của các thầy cô cũng như là của các
bạn sinh viên để đồ án này hoàn thiện hơn nữa Một lần nữa, em xin chân thành cảm
ơn thầy giáo TS Lê Tiến Dũng đã tạo điều kiện giúp đỡ em hoàn thành đồ án, nhờ
thầy mà em đã biết thêm nhiều phương án hay, nhiều kiến thức mới hữu ích cho đề tài
em chọn, đồng thời em cũng gửi lời cảm ơn các thầy cô giáo khoa Điện chuyên ngành
Điện tự động trường Đại học Bách Khoa Đà Nẵng đã tạo điều kiện giúp đỡ em trong
thời gian qua
Em xin chân thành cảm ơn!
Sinh viên thực hiện
Trang 2MỤC LỤC
TỔNG QUAN HỆ THỐNG CỬA TỰ ĐỘNG 10
1.1 Đặt vấn đề 10
1.2 Tổng quan hệ thống cửa tự động 10
1.2.1 Giới thiệu chung về hệ thống cửa tự động 10
1.2.2 Các hệ thống cửa tự động thực tế và công nghệ sử dụng 11
1.2.2.1 Cửa thông minh ở các sân bay Australia 11
1.2.2.2 Chuông cửa thông minh (Chui smart Doorbell) 12
1.2.2.3 Khóa thông minh nhận dạng khuôn mặt HF6618 13
1.3 Tính năng, giải pháp công nghệ của đề tài 14
1.3.1 Tính năng, yêu cầu của đề tài 14
1.3.1.1 Thao tác nhanh khi khóa cửa 14
1.3.1.2 Mở cửa dễ dàng 14
1.3.1.3 Nhiều phương án mở cửa 15
1.3.1.4 Chế độ theo dõi từ xa 15
1.3.1.5 Hoạt động khi mất điện 15
1.3.2 Giải pháp, công nghệ của đề tài 15
1.3.2.1 Quy trình vận hành 15
1.3.2.2 Phía trong nhà 15
1.3.2.3 Phía ngoài nhà 15
1.3.2.4 Thiết lập hệ thống 16
1.3.3 Sơ đồ khối của hệ thống 16
1.3.4 Các thành phần của hệ thống 17
THIẾT KẾ PHẦN CỨNG CỦA HỆ THỐNG 19
2.1 Thiết kế phần cứng 20
2.1.1 Khung bao cửa 20
2.1.2 Cửa 20
2.1.3 Tay nắm cửa 21
2.1.4 Chốt khóa cửa 22
2.1.5 Bản lề lá 22
2.2 Lựa chọn linh kiện, thiết bị 23
Trang 32.2.1 Camera 23
2.2.2 Bàn phím 23
2.2.3 Màn hình hiển thị 24
2.2.3.1 Màn hình hiển thị bên ngoài 24
2.2.3.2 Màn hình hiển thị bên trong 25
2.2.4 Động cơ servo 25
2.2.5 Mạch Arduino Mega 2560 26
2.2.6 Raspberry Pi 27
2.3 Kết nối thiết bị trong hệ thống 28
2.3.1 Sơ đồ kết nối tổng thể 28
2.3.2 Sơ đồ đấu nối dây chi tiết mạch điều khiển 34
2.3.2.1 Kết nối LCD I2C với Arduino Mega 2560 35
2.3.2.2 Nối dây giữa keypad 4x4 và Arduino MEGA 2560 35
2.3.2.3 Nối dây giữa RFID RC522 và Arduino MEGA2560 36
2.3.2.4 Đấu nối giữa động cơ servo SG90 và Arduino MEGA2560 37
2.3.2.5 Kết nối nút nhấn tới Arduino MEGA2560 37
2.3.2.6 Kết nối giữa màn hình TFT LCD và Raspberry pi 37
2.4 Thiết kế mạch dự phòng 38
LẬP TRÌNH ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG 41
3.1 Sơ đồ thuật toán 41
3.2 Thuật toán xử lý ảnh 43
3.2.1 Phát hiện khuôn mặt 43
3.2.2 Căn chỉnh khuôn mặt 45
3.2.3 Biểu diễn khuôn mặt 48
3.2.4 Xác minh khuôn mặt 48
3.2.5 Kết quả thực nghiệm 49
3.2.6 Đọc ảnh từ server 51
3.2.7 Lưu ảnh thành video 53
3.3 Chương trình nhận diện người nói (Speaker Identifier) 54
3.3.1 Giới thiệu về nhận diện người nói 54
3.3.2 Thư viện âm thanh MARF 55
3.3.3 Cài đặt thư viện 56
3.3.4 Huấn luyện máy nhận diện 56
Trang 43.3.5 Nhận diện người nói 57
3.4 Chương trình vi điều khiển Arduino Mega 2560 58
3.4.1 Nhiệm vụ của Arduino Mega 2560 58
3.4.2 Các thư viện sử dụng 59
3.4.2.1 Thư viện SPI 59
3.4.2.2 Thư viện RFID 59
3.4.2.3 Thư viện LCD I2C 59
3.4.2.4 Thư viện Servo 59
3.4.2.5 Thư viện Keypad 60
3.4.2.6 Thư viện password 60
3.4.3 Các chương trình con 60
3.5 Kết nối MQTT (Message Queuing Telemetry Transport) 61
3.5.1 Publish và subscribe 61
3.5.2 QoS 62
3.5.3 Retain 62
3.5.4 MQTT với ngôn ngữ Python 62
3.6 Truyền ảnh qua Internet 63
THỰC NGHIỆM 64
4.1 Sản phẩm thực tế sau khi hoàn thành 65
4.2 Thử nghiệm độc lập các chế độ bảo mật 69
4.2.1 Chế độ bảo mật bằng bàn phím 69
4.2.2 Chế độ bảo mật bằng giọng nói 69
4.2.3 Chế độ bảo mật bằng hình ảnh 69
4.2.4 Chế độ bảo mật bằng thẻ RFID 70
4.3 Điều khiển toàn bộ hệ thống, kết hợp nhiều chế độ bảo mật 71
4.3.1 Chế độ bảo mật bằng hình ảnh kết hợp với bảo mật bằng giọng nói 71
4.3.2 Chế độ bảo mật bằng nhận dạng hình ảnh kết hợp thẻ RFID 71
4.3.3 Chế độ bảo mật bằng nhận dạng giọng nói kết hợp thẻ RFID 71
4.4 Đánh giá kết quả thực nghiệm 72
Trang 5MỤC LỤC HÌNH
Hình 1-1: Đưa hộ chiếu hoặc visa vào máy 11
Hình 1-2: Nhận dạng hình ảnh để kiểm tra du khách 12
Hình 1-3: Hệ thống Chui smart Doorbell 13
Hình 1-4: Khóa thông minh nhận dạng khuôn mặt HF6618 13
Hình 1-5: Nhận dạng khuôn mặt với khóa HF6618 13
Hình 1-6: Sơ đồ khối của hệ thống 17
Hình 1-7: Hình ảnh thiết kế mặt trước và các thiết bị gắn trên cửa trong đề tài 18
Hình 1-8: Hình ảnh thiết kế mặt sau của hệ thống cửa trong đề tài 19
Hình 2-1: Hình dáng và kích thước của khung bao cửa 20
Hình 2-2: Kích thước của cánh cửa trong hệ thống 21
Hình 2-3: Ảnh khóa cửa tròn (khóa quả đấm) và cấu tạo 22
Hình 2-4: Cơ cấu chốt khóa cửa gắn với động cơ Servo 22
Hình 2-5: Hình ảnh của bản lề lá 22
Hình 2-6: Webcam COLORVIS 23
Hình 2-7: Bàn phím ma trận 4 x 4 23
Hình 2-8: Sơ đồ nguyên lý của bàn phím ma trận 4 x 4 24
Hình 2-9: Màn hình LCD 16x2 24
Hình 2-10: Màn hình hiển thị TFT 25
Hình 2-11: Động cơ servo SG90 25
Hình 2-12: Mạch Arduino Mega 2560 26
Hình 2-13: Mạch Rasberry Pi 2 27
Hình 2-14: Sơ đồ kết nối tổng thể các thiết bị 28
Hình 2-15: Kết nối động cơ Servo với Arduino Mega 2560 28
Hình 2-16: Kết nối màn hình LCD 16x2 với Arduino Mega 2560 29
Hình 2-17: Kết nối 3 nút nhấn ( Open, Close, Exit) với Arduino Mega 2560 29
Hình 2-18: Kết nối bàn phím với Arduino Mega 2560 30
Hình 2-19: Kết nối Modul RFID RC522 với Arduino Mega 2560 30
Hình 2-20: Kết nối màn hình TFT LCD với Raspberry Pi 31
Hình 2-21: Kết nối Camera với Raspberry Pi 31
Hình 2-22: Kết nối Usb âm thanh với Raspberry Pi 32
Hình 2-23: Kết nối USB Wifi với Raspberry pi 33
Hình 2-24: Sơ đồ đấu nối dây chi tiết của hệ thống 34
Hình 2-25: Kết nối chân LCD I2C và Arduino Mega 2560 35
Hình 2-26: Kết nối chân KeyPad và Arduino Mega 2560 35
Hình 2-27: Kết nối đèn LED và Arduino Mega 2560 36
Hình 2-28: Kết nối chân mô đun RFID-RC522 và Arduino Mega 2560 36
Hình 2-29: Kết nối chân KeyPad và Arduino Mega 2560 37
Hình 2-30: Kết nối chân ba nút nhấn (Open, Close, Exit) và Arduino Mega 2560 37
Hình 2-31: Kết nối chân màn hình TFT LCD và Raspberry Pi 38
Hình 2-32: Sơ đồ nguyên lý mạch dự phòng 38
Hình 2-33: Mô đun ổn áp LM2596 39
Hình 2-34: Cầu chì bảo vệ 2A 40
Trang 6Hình 2-35: Sơ đồ mạch in 40
Hình 2-36: Hình ảnh mạch thực tế khi sử dụng 40
Hình 3-1: Sơ đồ thuật toán của hệ thống 41
Hình 3-2: Kết quả của đoạn chương trình phát hiện khuôn mặt 44
Hình 3-3: Kết quả tìm các điểm landmarks và căn chỉnh khuôn mặt 45
Hình 3-4: Các điểm landmarks chuẩn được sử dụng trong đề tài 46
Hình 3-5: Các bức ảnh được sử dụng để test 50
Hình 3-6: Lưu đồ thuật toán đọc chuỗi trả về và xuất thành ảnh 52
Hình 3-7: Mô đun nhận diện giọng nói VR3 55
Hình 3-8: Giới thiệu MARF 55
Hình 3-9: Minh họa cơ chế publish/subscribe của giao thức MQTT 61
Hình 4-1: Hình ảnh mặt trước và mặt sau của cửa sau khi hoàn thiện 65
Hình 4-2: Hình ảnh chi tiết vị trí các thiết bị ở mặt trước của cửa 66
Hình 4-3: Hình ảnh chi tiết vị trí các thiết bị ở mặt sau của cửa 67
Hình 4-4: Hình ảnh các thiết bị mặt trước của cửa (camera, micro, nút nhấn, bàn phím, LCD hiển thị, tay khóa đấm) 68
Hình 4-5: Hình ảnh bo mạch điều khiển trung tâm 68
Hình 4-6: Hình ảnh các thiết bị mặt sau của cửa 68
Hình 4-7: Những khuôn mặt đang có trong dữ liệu của hệ thống 70
Trang 7MỤC LỤC BẢNG
Bảng 1-1: Thứ tự ưu tiên của các chế độ mở cửa 16
Bảng 2-1: Thông số của Arduino Mega 2560 26
Bảng 3-1: Kết quả xác minh các khuôn mặt ở hình 3- 5 50
Bảng 4-1 : Bảng tổng hợp kết quả thử nghiệm 71
Trang 8DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT
RFID: Radio Frequency Identifier (Xác nhận dùng tần số sóng radio)
CAM: Camera Identifier (Chế độ xác nhận sử dụng camera)
VOICE: Voice Identifier (Chế độ xác nhận giọng nói, người nói)
DSP: Departures SmartGate
CSD: Chui smart Doorbell
SPI: Serial Peripheral Interface (Chuẩn truyền thông ngoại vi nối tiếp)
MQTT: Message Queuing Telemetry Transport
LCD: Lyquid Crystal Display
TFT: Thin Film Transistor (trong từ TFT LCD)
MARF: Modular Audio Recogniton Framework
QoS: Quality of Service
LAN: Local Area Network
QR: Quick Response
CTHT: Công tắc hành trình
IDE: Integrated Development Environment
Trang 9KẾ HOẠCH THỰC HIỆN
Trang 10TỔNG QUAN HỆ THỐNG CỬA TỰ ĐỘNG
Trong chương này, chúng ta sẽ tìm hiểu về cửa tự động là gì, tại sao lại dùng cửa
tự động và cùng xem qua giải pháp cửa tự động của đề tài đề xuất
Đặt vấn đề
Ngày nay, khi xã hội ngày một phát triển mạnh mẽ, nhu cầu về sự an ninh được
đặt lên hàng đầu Đặc biệt đối các vị trí nhạy cảm và quan trọng như các tòa nhà Quốc
hội, các ngân hàng, các nhà kho lưu trữ dữ liệu quan trọng, hay các ngôi nhà của
chung cư cao cấp Mà thực tế hiện nay, việc đầu tư vào hệ thống an ninh ở nước ta
đang dậm chân tại chỗ Điển hình ở việc người ta đang sử dụng con người cho mục
đích an ninh là chính như việc thuê các bảo vệ viên hay lắp đặt các hệ thống camera
thông thường mà một kẻ gian hiểu biết có thể qua mặt được Để thấy được đây đang là
một vấn đề cần được giải quyết tốt hơn Và một giải pháp được đề cập đến trong đề tài
này đó là sử dụng một hệ thống cửa tự động nhận diện khuôn mặt, giọng nói, đồng
thời thêm nhiều tính năng bảo mật để có thể lắp đặt đối với những vị trí quan trọng nói
trên
Trong khuôn khổ đề tài này, chúng tôi sẽ xây dựng một mô hình hệ thống cửa tự
động với cấp độ bảo mật cao Hệ thống cửa này sử dụng camera để phân biệt, nhận
diện các đối tượng được phép mở cửa làm phương thức bảo mật chính Ngoài ra hệ
thống cửa còn chấp nhận các yêu cầu khác như việc nhập khẩu từ bàn phím có sẵn hay
nhận dạng giọng nói Khi yêu cầu mở cửa của người dùng được chấp nhận, một cái
chốt khóa sẽ tự động được kéo ra cho phép người dùng có thể mở cửa Cũng như cái
chốt sẽ gài lại khi có yêu cầu từ người dùng
Ngoài ra hệ thống còn có một số tính năng bổ sung khác như truyền hình ảnh từ
camera đến các thiết bị khác như điện thoại, máy tính, cũng như chế độ từ chối tiếp
khách liên động với chuông cửa Cái cốt lõi nhất mà đề tài này hướng đến đó là giải
pháp tự động hóa mang tính cải tiến và nâng cao bảo mật và ứng dụng thực tế cao Và
mô hình của đề tài mang hơi hướng cánh cửa của các ngôi nhà ở đó là cửa chính của
các khu chung cư cao cấp
Tổng quan hệ thống cửa tự động
Giới thiệu chung về hệ thống cửa tự động
Cửa tự động (automatic gate) là một khái niệm chỉ đến một hệ thống cửa có khả
năng tự điều kiển hoặc có thể được điều khiển từ xa Cửa tự động được sử dụng rộng
rãi với mục đích kiểm soát hoạt động ra vào của của con người ở một khu vực được
bảo vệ nhất định
Giải pháp cửa tự động có nhiều cấp độ khác nhau Từ đơn giản nhất là tự động
mở cửa khi có người đến đỉnh cao là các cửa tự động có trang bị hệ thống bảo vệ tân
tiến như hệ thống nhận diện đối tượng bằng camera, nhận diện đối tượng bằng cảm
biến vân tay, giọng nói, thậm chí tại thời điểm viết đề tài này một công nghệ bảo mật
tuyệt vời đã được ra mắt bởi SAMSUNG đó là công nghệ quét mống mắt Đây là một
Trang 11công nghệ mang tính bảo mật tuyệt đối cho tới thời điểm hiện tại, bằng việc chụp hình
ảnh mắt với độ phân giải cao và phân tích, so sánh với mẫu được đặt trước để phân
biệt được người dùng
Tùy thuộc vào từng vị trí và yêu cầu, mà các giải pháp cửa tự động khác nhau sẽ
được sử dụng cho phù hợp Việc sử dụng cửa tự động đem lại nhiều lợi ích thiết thực
Lấy việc tăng cường hệ thống an ninh làm một ví dụ Để làm được một hệ thống an
ninh thì phải bao gồm rất nhiều hệ thống an ninh nhỏ như hệ thống cửa tự động, hệ
thống cảnh báo nguy hiểm, cũng như các hệ thống an ninh nhỏ ấy phải liên kết được
với nhau để hoạt động cho một mục đích chung Sử dụng cửa tự động thay thế cho các
bảo vệ viên giúp tiết kiệm nhân công và nâng cao sự an toàn Bởi vì các thiết bị tự
động sẽ luôn sẵn sàng hoạt động không ngừng nghỉ, đảm bảo yêu cầu an ninh ngay cả
lúc con người rất khó khăn để làm việc đó
Các hệ thống cửa tự động thực tế và công nghệ sử dụng
Ngày nay, rất nhiều hệ thống cửa thông minh đang được sử dụng rộng rãi ở nhiều
vị trí khác nhau Tùy thuộc vào từng vị trí và yêu cầu, mà các giải pháp cửa tự động
khác nhau sẽ được sử dụng cho phù hợp Sau đây là một số hệ thống cửa thông minh
tiêu biểu đang được sử dụng
Cửa thông minh ở các sân bay Australia
Cửa thông minh ở các sân bay Australia (Departures SmartGate) là một hệ thống
đơn giản và bảo mật nhằm tự động hóa việc kiểm tra thường được tiến hành bởi nhân
viên biên phòng (Border Force Officer) Khách du lịch đến đây sẽ sử dụng SmarGate
để tự thực hiện việc kiểm tra thông qua việc kiểm soát hộ chiếu
Departures SmartGate (DSP) sử dụng thông tin trong hộ chiếu điện tử
(ePassports) và kỹ thuật nhận dạng khuôn mặt để tiến hành việc kiểm tra ở các sân
bay, mà thông thường được tiến hành bởi con người DSP có thể kiểm tra du khách từ
16 tuổi trở lên đến từ các nước: Úc, Canada, Trung Quốc, Pháp, Hồng Kông, Ireland,
Nhật Bản, Hàn Quốc, Macau, New Zealand, Singapore, Thụy Điển, Thụy Sĩ, Vương
Quốc Anh, Mỹ Hệ thống này hiện đã có mặt ở tám sân bay quốc tế lớn ở Australia,
bao gồm: Sân bay Adelaide, sân bay Bribane, sân bay Cairns, sân bay Darwin, sân bay
Gold Coast, sân bay Melbourne, sân bay Perth và sân bay Sydney
Hình 1-1: Đưa hộ chiếu hoặc visa vào máy
Sử dụng cửa thông minh DSP được tiến hành qua hai bước như sau:
Trang 12Bước 1: Đưa passport vào khe tiếp nhận của máy, chấp nhận điều khoản về sự
riêng tư (Privacy Statement) và sử dụng màn hình cảm ứng để trả lời các câu hỏi
Nếu du khách đủ điều kiện để sử dụng DSP, máy sẽ in ra cho du khách một tấm
vé để sử dụng cho bước 2 Nếu không đủ điều kiện sử dụng thẻ thì du khách sẽ được
hướng dẫn đến bàn trợ giúp để nhân viên kiểm tra
Bước 2: Đưa tấm vé được cấp ở bước 1 vào cổng Nhìn thẳng khi hệ thống đang
chụp ảnh Cố gắng bắt chước càng giống càng tốt diện mạo trong ảnh hộ chiếu, chẳng
hạn trong ảnh hộ chiếu không đeo kính thì khi kiểm tra nên tháo bỏ kính Hệ thống sẽ
sử dụng kỹ thuật xử lý và nhận dạng hình ảnh để đối chiếu ảnh chụp được với ảnh
trong hộ chiếu, nếu nhận dạng được thì được xem là thành công Lúc này, du khách
lấy lại vé và tiếp tục đến quầy hành lý
Hình 1-2: Nhận dạng hình ảnh để kiểm tra du khách
Nếu hệ thống nhận dạng không thành công thì du khách sẽ được hướng dẫn ra
bàn trợ giúp để nhân viên biên phòng kiểm tra
Chuông cửa thông minh (Chui smart Doorbell) Chui smart Doorbell (CSD) là một hệ thống điều khiển truy cập thông minh sử
dụng kỹ thuật thống kê sinh học (biometrics), thị giác máy tính và các kỹ thuật khác để
nhận dạng con người, trao quyền truy cập và phân tích đưa ra quyết định.CSD có thể
được dùng như một chuông cửa thông minh hoặc một hệ thống an ninh cho ngôi nhà
CSD có thể thu âm lời nhắn của chủ nhà cho người nào đó và phát lại chỉ cho chính
người đó nghe (bằng cách nhận dạng khuôn mặt để nhận ra người nhận tin nhắn đó)
Ngoài ra, nếu chủ nhân đang bận không ra nói chuyện được thì CSD có thể chọn chế
độ hội thoại một chiều hoặc hội thoại hai chiều để thông báo và nói chuyện với khách
Về chức năng an ninh, CSD có thể nhận dạng khuôn mặt để phân biệt người nhà,
bạn bè và người lạ, từ đó có thể ra quyết định mở khóa hay không Ngoài ra, có thể sử
dụng mã QR và password như là một lớp bảo vệ thứ hai Ngay cả khi mã QR bị ăn cắp
thì CSD vẫn không mở khóa cho kẻ cắp đó vì nó phối hợp giữa mã QR và nhận dạng
khuôn mặt
Trang 13Hình 1-3: Hệ thống Chui smart Doorbell
Các thông báo, tin nhắn cũng như hình ảnh sẽ được gửi đến smartphone của chủ
nhà để thuận tiện sử dụng và giám sát
Khóa thông minh nhận dạng khuôn mặt HF6618
Hình 1-4: Khóa thông minh nhận dạng khuôn mặt HF6618
Hệ thống khóa thông minh HF6618 của hãng HongLG có thể nhận dạng khuôn
mặt trong vòng 1 giây bất kể background như thế nào hoặc độ sáng bao nhiêu Các chế
độ bảo mật bao gồm: nhận dạng khuôn mặt, mật khẩu, thẻ từ, khóa cơ hoặc kết hợp
Hình 1-5: Nhận dạng khuôn mặt với khóa HF6618
Trang 14Việc sử dụng khóa rất đơn giản với hệ thống hướng dẫn bằng lời nói (voice
guidance) Hệ thống khóa này đã được ứng dụng trong một số ngôi nhà, cơ quan, căn
hộ, phòng tài chính, phòng bí mật
Hệ thống khóa cửa thông minh của HF6618 của hãng HongLG có thể nhận dạng
khuôn mặt trong vòng 1 giây bất kể background như thế nào hoặc độ sáng bao nhiêu
Các chế độ bảo mật của cửa bao gồm: Nhận dạng khuôn mặt, mật khẩu, thẻ từ, khóa
cơ hoặc kết hợp
Các hệ thống cửa tự động đã khảo sát ở trên đều sử dụng camera và các thuật
toán nhận dạng khuôn mặt để bảo mật; tuy nhiên, chúng vẫn còn thiếu chức năng
truyền hình ảnh qua mạng Internet để giúp cho người dùng dễ dàng giám sát được
ngôi nhà của mình từ xa Ngoài ra, các hệ thống đó cũng không lưu lại video để người
sử dụng xem lại khi cần thiết Vì vậy, bên cạnh các chức năng bảo mật như mật khẩu,
thẻ từ hay nhận dạng khuôn mặt, hệ thống của đề tài này sẽ có thêm chức năng truyền
hình ảnh qua mạng Internet và lưu lại video để tăng thêm tính bảo mật và thuận tiện
cho người sử dụng
Tính năng, giải pháp công nghệ của đề tài
Tính năng, yêu cầu của đề tài
Đối với hệ thống cửa tự động này, yêu cầu đặt ra là hệ thống phải vận hành
nhanh, dễ dàng và tiết kiệm thời gian, thuận tiện cho người sử dụng Người dùng có
thể lựa chọn kích hoạt các chế độ bảo vệ khác nhau phù hợp với nhu cầu sử dụng Tuy
nhiên để được phép thiết lập các chế độ người dùng phải thông qua một lớp bảo mật
bằng phím bấm Hệ thống của đề tài không dùng động cơ để mở cửa vì động cơ rất
cồng kềnh, đòi hỏi hệ thống lưu điện phức tạp, đắt tiền mới có thể vận hành được khi
mất điện, với những yêu cầu đó thì không phù hợp với các ứng dụng trong nhà, nơi đòi
hỏi không chỉ hoạt động đúng yêu cầu đặt ra mà còn phải có tính thẩm mỹ
Các tính năng yêu cầu của đề tài:
Thao tác nhanh khi khóa cửa
Khi đi ra ngoài, muốn kích hoạt hệ thống bảo vệ thì chỉ khép cửa lại và ấn nút
EXIT trên cửa Khi đó chốt cửa sẽ được tự động gài lại và hệ thống bảo vệ ngôi nhà sẽ
được kích hoạt
Mở cửa dễ dàng
Khi muốn mở cửa, đơn giản nhất người dùng chỉ cần đứng trước cửa, khi đó
camera sẽ chụp ảnh và bộ điều khiển sẽ xử lý, kiểm tra và quyết định mở cửa Ngoài ra
còn một số tùy chọn khác để nâng cao tính bảo mật như người dùng có thể sử dụng
tính năng nhận diện kèm theo xác minh bằng thẻ RFID Việc này phải không tốn quá
nhiều thời gian và phải đem lại tính bảo mật cao hơn cho hệ thống
Trang 15Nhiều phương án mở cửa
Để dự phòng cho các trường hợp xấu có thể xảy ra như camera bị hỏng, người
dùng quên mật khẩu Thì các phương án tiếp cận khác nhau được đưa ra để đảm bảo
tối đa hệ thống hoạt động bình thường Các phương pháp tiếp cận cánh cửa như: Nhận
diện giọng nói, nhận diện khuôn mặt, xác minh bằng mật khẩu hay bằng thẻ RFID
Chế độ theo dõi từ xa
Bộ xử lý ngoài nhiệm vụ xác minh người dùng thì nó còn có chức năng truyền
hình ảnh nhận được từ camera qua mạng internet Điều này sẽ giúp người dùng theo
dõi được ngôi nhà từ xa
Hoạt động khi mất điện
Hệ thống cửa phải đảm bảo hệ thống hoạt động liên tục ngay cả khi mất điện, yêu
cầu đặt ra là hệ thống cửa phải có hệ thống điện dự phòng được sử dụng để cung cấp
nguồn điện cho toàn bộ hệ thống làm việc Hệ thống điện này sẽ được mô tả kỹ hơn ở
phần sau
Giải pháp, công nghệ của đề tài
Quy trình vận hành
Cửa tự động trong đề tài này có nhiều chế độ khác nhau, do vậy sẽ có nhiều quy
trình vận hành cửa khác nhau tùy vào chế độ đang được cài đặt Hệ thống có các chế
độ sau: Xác nhận bằng khuôn mặt, xác nhận bằng khuôn mặt kết hợp giọng nói
Hệ thống cửa này có thể vận hành từ hai phía là phía trong nhà và ngoài nhà như
sau:
Phía trong nhà
Mặt cửa phía trong nhà bao gồm hai nút nhấn là Open và Close tương ứng với
mở cửa và đóng cửa
Khi người dùng muốn kích hoạt bảo vệ cho cửa thì ấn nút Close Khi đó chốt cửa
sẽ tự động gài lại và hệ thống bảo vệ được kích hoạt
Khi người dùng muốn tắt kích hoạt bảo vệ thì chỉ cần ấn nút Open Hệ thống sẽ
Khi đi ra ngoài người dùng nên kiểm tra, kích hoạt các chế độ bảo vệ mong
muốn và nhấn nút EXIT ngay trên cửa Khi đó chốt cửa sẽ đóng lại và hệ thống bảo vệ
sẽ được kích hoạt, người dùng yên tâm đi ra ngoài
Trang 16b Mở cửa
Việc mở cửa là một quy trình phức tạp đối với hệ thống bảo vệ, tuy nhiên đối với
người dùng đây là một thao tác khá đơn giản Tùy thuộc vào các chế độ bảo vệ được
kích hoạt mà việc mở cửa yêu cầu người dùng những thao tác phối hợp khác nhau
Cụ thể như sau :
Bảng 1-1: Thứ tự ưu tiên của các chế độ mở cửa
Ưu tiên Nhập mật khẩu để mở cửa
RFID Quẹt thẻ RFID để mở cửa
CAM Người dùng hướng mặt vào camera và giữ yên
lặng khoảng ba giây để mở cửa
VOICE Người dùng ghé sát miệng vào mic và nói rõ từ
đã được huấn luyện trước để mở cửa
RFID+CAM Người dùng quẹt thẻ RFID xong đứng yên
trước camera khoảng 3s để mở cửa
RFID+VOICE Người dùng quẹt thẻ RFID xong nói rõ từ đã
được huấn luyện trước để mở cửa
CAM+VOICE Người dùng đứng yên trước camera khoảng 3s,
sau khi nghe tiếng beep từ hệ thống thì nói rõ từ đã được huấn luyện trước để mở cửa
Thiết lập hệ thống
Để thiết lập các chế độ bảo vệ cho cửa, người dùng nhập mật khẩu bằng bàn
phím và chọn setting Sau đó ấn A, B, C, D tùy vào chế độ lựa chọn A tương ứng với
RFID, B tương ứng với CAM, C tương ứng với VOICE Sau khi chọn xong ấn # hoặc
để 10s hệ thống sẽ tự lưu lại và thoát Các chế độ được kích hoạt sẽ được hiển thị bằng
LED xanh cạnh bên Hệ thống tiếp nhận tối đa 2 chế độ bảo mật làm việc song song
Sơ đồ khối của hệ thống
Sơ đồ khối bao gồm: Khối nhận tín hiệu đầu vào, khối xử lý trung tâm, khối hiển
thị, khối vi điều khiển, khối mạch động lực, khối chấp hành
KHỐI NHẬN TÍN HIỆU ĐẦU VÀO
- Camera
Trang 17Hình 1-6: Sơ đồ khối của hệ thống
Các thành phần của hệ thống
Hệ thống cửa tự động thiết kế thường bao gồm ba thành phần chính:
Cửa: Đây là một đối tượng vật lý mà nó hoạt động theo một nguyên lý chuyển
động nhất định như xoay, chuyển động tịnh tiến với mục đính để mở rộng hay cô lập
một vùng không gian nhất định
Hệ thống truyền động: Thường là các động cơ truyền động cho cánh cửa thông
qua bộ giảm tốc, với mục đích di chuyển cánh cửa
Bộ điều khiển, xử lý: Điều khiển hệ thống truyền động cho cửa để đưa cửa đến
một vị trí mong muốn hay khóa cửa Bộ điều khiển có thể hoạt động độc lập với các
dữ liệu đầu vào như từ camera và các phản hồi từ đầu ra, hoặc dưới sự điều khiển
của con người
Trang 18Hình 1-7: Hình ảnh thiết kế mặt trước và các thiết bị gắn trên cửa trong đề tài
Bộ điều khiển và xử lý được tích hợp các bộ phận chính :
Xử lý hình ảnh (bằng camera gắn trước cửa)
Xử lý giọng nói (có bộ phận thu giọng nói )
Mật khẩu khóa, mở cửa
Màn hình hiển thị LCD
Bộ phận xử lý hình ảnh (camera) có nhiệm vụ thu thập hình ảnh, kiểm tra và đối
chiếu hình ảnh khuôn mặt của người đứng trước cửa nếu đúng hình ảnh khuôn mặt của
người đã được cài đặt vào bộ nhớ thì cửa mở khóa cho người đó vào, nếu không đúng
thì không mở cửa
Bộ phận xử lý giọng nói có nhiệm vụ thu giọng nói của người yêu cầu mở cửa,
tiến hành đối chiếu, phân tích giọng nói đó có đúng với giọng nói đã cài đặt hay
không, nếu đúng thì cửa tự động mở cho người đó vào, nếu không đúng thì không mở
cửa
Bộ phận khóa, mở cửa bằng mật khẩu sẽ mở, đóng mở khóa cửa khi người vào
nhập đúng mật mã, khi nhập sai mật mã quá 3 lần sẽ tiến hành báo động
Màn hình hiển thị dùng để hiển thị hình ảnh, giao tiếp giữa con người và hệ
thống, đồng thời thông báo trạng thái của cửa
Trang 19Hình 1-8: Hình ảnh thiết kế mặt sau của hệ thống cửa trong đề tài
Kết luận chương 1: Trong chương này, chúng ta đã được tìm hiểu rõ hơn về cửa
tự động Khái niệm, ưu nhược điểm của cửa tự động, các ứng dụng của cửa tự động
trong thực tế và đề xuất một giải pháp cửa tự động phù hợp với các nhu cầu trong thực
tế, đặc biệt đối với các hộ gia đình, khu chung cư cao cấp ở nước ta
THIẾT KẾ PHẦN CỨNG CỦA HỆ THỐNG
Trong chương này, chúng ta sẽ đi vào chi tiết các thiết bị phần cứng được sử
dụng trong mô hình, cũng như cách bố trí, kết nối giữa các thiết bị đó
Trang 20Thiết kế phần cứng
Khung bao cửa
Khung bao cửa gỗ được hiểu là khung trung gian giữa toàn bộ cửa với vách
tường có tác dụng giúp cố định cánh cửa Đây là nơi sẽ gắn bản lề liên kết giúp cửa
đóng mở quay quanh trục Phần tô màu hồng bên dưới được gọi làkhung bao
Khung bao có vai trò lớn sau:
Giúp tăng tính ổn định khi đóng mở cửa
Tăng tính thẩm mỹ cho toàn bộ cửa
Cân bằng lực
Trong đề tài này, khung bao mô hình được làm bằng thép có bệ đỡ đứng độc lập
không phải gắn vào tường, có kích thước như hình vẽ
Hình 2-1: Hình dáng và kích thước của khung bao cửa
Cửa
Cửa là một cấu trúc di chuyển được sử dụng để mở hay đóng một lối vào Cửa
thường di chuyển xoay quanh trục và có một bản lề để thay đổi vị trí của các cánh cửa
hoặc có thể trượt hoặc xoay bên trong của một không gian nhất định
Tùy theo tính chất sử dụng và lắp đặt người ta phân loại :
Cửa khép: Là loại cửa thông dụng với cấu trúc là các cánh cửa (một hoặc hai
cánh) gắn vào một hoặc hai trục hoặc bám vào tường nhà
Trang 21Cửa sập: Là một cánh cửa được định hướng theo chiều ngang trong một sàn nhà
hoặc trần nhà, khi đóng hoặc mở thì có thao tác chuyển động theo chiều dọc của ngôi
nhà
Cửa kéo: Là loại cửa đóng mở theo chiều ngang của ngôi nhà, thông thường cánh
cửa nằm trên một thanh trượt cho phép nó có thể di chuyển tới lui
Cửa cuốn: Là loại cửa có thể cuộn lên xuống, thường sử dụng trong các garage
Trong đề tài này sử dụng loại cửa khép có 1 cánh
Hình 2-2: Kích thước của cánh cửa trong hệ thống
Tay nắm cửa
Là loại khóa cửa tay nắm tròn (khóa quả đấm), được làm từ chất liệu inox được
dùng phổ biến và rộng rãi Trong đề tài này, với yêu cầu đặt ra là cửa phải được bảo
mật đồng thời phải thao tác nhanh, do đó có 1 khóa chốt kín được điều khiển bằng
động cơ servo nên tay nắm cửa chỉ đóng vai trò như tay nắm để mở cửa và không có
chức năng khóa
Trang 22Hình 2-3: Ảnh khóa cửa tròn (khóa quả đấm) và cấu tạo
Chốt khóa cửa
Trong đề tài này, chốt khóa cửa được chế tạo để phù hợp với tính năng yêu cầu
của đề tài, cụ thể nó được gắn với động cơ Servo thông qua một cơ cấu chuyển động
có tác dụng đóng, mở chốt để cửa để khóa cửa, mở cửa
Hình 2-4: Cơ cấu chốt khóa cửa gắn với động cơ Servo
Bản lề lá
Bản lề là loại dụng cụ kỹ thuật được thiết kế và cấu tạo để làm cầu nối cố định
các cánh cửa, bản lề chỉ cho phép là một góc hạn chế luân phiên giữa chúng (góc cố
định) góc còn lại có thể lưu động
Trong đề tài này sử dụng bàn lề lá được làm từ chất liệu thép không gỉ
Hình 2-5: Hình ảnh của bản lề lá
Trang 23Lựa chọn linh kiện, thiết bị
Camera
Camera được gắn lên cửa để thu thập hình ảnh Trong đề tài này, camera được
chọn dùng là webcam máy tính, hiệu COLORVIS có các thông số như sau:
Độ phân giải ảnh: 640x480, 380 000 điểm ảnh
Kết nối USB
Đèn LED tăng độ sáng
Hình 2-6: Webcam COLORVIS
Bàn phím
Bàn phím dùng để cài đặt mật khẩu cho cửa và nhập mật khẩu khi vào nhà, đây
là một trong ba phần tử của khối tín hiệu đầu vào của hệ thống Loại bàn phím mà
chúng em chọn trong đề tài này là bàn phím ma trận 4x4 có các thông số như sau:
Kích cỡ: 77 x 70 x 0.8mm
Hình 2-7: Bàn phím ma trận 4 x 4
Trang 24Đầu nối: 8 chân, 0.1” Pitch
Điện áp, dòng điện định mức: 35VDC, 100mA
Là thiết bị điện tử gắn liền với cửa với mục đích chính là hiển thị và giao tiếp
giữa người sử dụng với hệ thống, cũng như các thông tin cài đặt và báo lỗi Gồm có 2
loại: Hiển thị bên ngoài và màn hình bên trong
Màn hình hiển thị bên ngoài
Màn hình hiển thị bên ngoài giúp thông báo trạng thái đóng mở của cửa
Hình 2-9: Màn hình LCD 16x2
Trong đề tài này, màn hình được chọn để hiển thị bên ngoài là LCD 16x2 của
hãng Vishay có các thông số như sau:
Điện áp định mức: 3V – 5V
Trang 25 Dòng điện định mức ở điện áp 5V: 1.2mA
Dòng điện max ở điện áp 5V: 3mA
Nhiệt độ hoạt động: -20oC đến 70oC
Màn hình hiển thị bên trong
Màn hình bên trong dùng với mục đích chuyển tiếp hình ảnh từ camera thông qua
Raspberry Đây là loại màn hình TFT tương thích với Raspberry pi
Hình 2-10: Màn hình hiển thị TFT
Thông số:
Loại màn hình TFT (thin film transistor - Bóng bán dẫn dạng phim mỏng)
Giao tiếp : SPI
Động cơ Servo thông qua cơ cấu, được dùng để kéo chốt cửa theo yêu cầu khi
cần khóa cửa hay mở cửa
Hình 2-11: Động cơ servo SG90
Trang 26Điều khiển: Kết nối dây màu đỏ với 5V, dây màu nâu với mass, dây màu cam với
chân phát xung của vi điều khiển Ở chân xung cấp một xung từ 1ms-2ms theo để điều
khiển góc quay theo ý muốn
Mạch Arduino Mega 2560
Mạch Arduino Mega 2560 làm việc như bộ xử lý trung tâm Bo mạch Arduino
này quyết định việc đóng mở cửa có xác thực dựa trên yêu cầu của người dùng Ngoài
ra bo mạch này còn đảm nhiệm giao tiếp với các thiết bị đầu vào/ra như bàn phím,
Trang 27Raspberry Pi là một máy tính cỡ nhỏ, có tốc độ xử lý tương đối tốt Trong đề tài
này, máy tính Raspberry Pi làm nhiệm vụ xử lý công việc nhận dạng người nói
(Speaker Identifier), truyền hình ảnh qua mạng LAN và tiếp nhận phản hồi việc xử lý
ảnh từ một máy tính khác
Hình 2-13: Mạch Rasberry Pi 2
Thông số của Rasberry pi 2 :
Model: Raspberry Pi 2, model B
CPU: A 900MHz quad-core ARM Cortex-A7
RAM: 1GB
4 cổng USB
Trang 28 40 chân giao tiếp GPIO
Hỗ trợ HDMI, giao tiếp camera, màn hình TFT, khe thẻ nhớ
Kết nối thiết bị trong hệ thống
Sơ đồ kết nối tổng thể
Mô hình trên là tập hợp nhiều các thiết bị phần cứng được ghép nối với nhau với
mục đích điều khiển một cơ cấu chấp hành, đó là động cơ servo SG90 được gắn vào
chốt cửa
Hình 2-14: Sơ đồ kết nối tổng thể các thiết bị
Động cơ servo được điều khiển bằng bo mạch Arduino MEGA 2560, và cánh tay
của nó được truyền động tới một cái chốt cửa Khi động cơ servo quay nó kéo chốt cửa
đẩy ra hay kéo vào, làm cho cửa được khóa lại hay mở ra Vì vậy có thể nói động cơ
servo là phần tử điều khiển cuối cùng và cũng là phần tử quan trọng nhất của hệ thống
cửa
Hình 2-15: Kết nối động cơ Servo với Arduino Mega 2560
Trang 29Màn hình LCD 16x2 là một dạng màn hình hiển thị đơn giản, nó có khả năng
hiển thị chữ, số, và một số ký tự khác Khi được ứng dụng trong hệ thống cửa này,
LCD này có chức năng hiển thị các hướng dẫn giúp người dùng giao tiếp với hệ thống
dễ dàng hơn, cũng như hiển thị điểm số của các chức năng nhận diện giọng nói và
nhận diện khuôn mặt, điều này giúp người dùng hiểu tại sao hệ thống không mở cửa
khi hệ thống nhận diện không thể xác minh người dùng
Hình 2-16: Kết nối màn hình LCD 16x2 với Arduino Mega 2560
Nút nhấn được ghép nối trực tiếp tới các chân số (digital) của bo mạch Arduino
MEGA2560 Nút nhấn có dạng tiếp điểm thường hở, khi nhấn xuống thì tiếp điểm
đóng lại, dựa vào đặc tính này của nút nhấn chúng ta có thể sử dụng nó như một kênh
tương tác giữa người dùng và bo mạch Arduino Trên cánh cửa của đề tài này có tổng
cộng ba nút nhấn, hai nút nhấn màu xanh lá cây và màu đỏ tương ứng với chức năng
mở cửa và đóng cửa phía trong nhà và một nút nhấn còn lại màu vàng được đặt phía
ngoài cửa có tên EXIT, dùng để đóng cửa khi đi ra ngoài
Hình 2-17: Kết nối 3 nút nhấn ( Open, Close, Exit) với Arduino Mega 2560
Bàn phím 4x4 là một dạng bàn phím nhỏ đơn giản (keypad) được dùng để tương
tác với vi điều khiển, Arduino MEGA2560 được phát triển từ vi điều khiển
ATMEGA2560 vì vậy bo mạch hoàn toàn có thể giao tiếp được với bàn phím dạng
này Việc sử dụng bàn phím 4x4 để cao tính nhỏ gọn và linh hoạt, ở đề tài này bàn
Trang 30phím được dùng với chức năng chính là nhập mật khẩu để mở cửa và lựa chọn các chế
độ bảo mật của cửa Mức độ tương tác giữa người dùng thông qua bàn phím là khá
đơn giản Mọi thao tác đều bắt đầu từ phím ‘*’ tiếp đến là chuỗi mật khẩu được đặt
trước Sau khi nhập mật khẩu đúng người dùng chọn tiếp các phím chức năng khác
như phím ‘#’ để mở cửa, hay các phím ‘A’, ‘B’, ‘C’… để bật tắt các chế độ bảo mật
tương ứng
Hình 2-18: Kết nối bàn phím với Arduino Mega 2560
Một công nghệ có thể xem là tiến tiến của thế kỳ trước đó là bộ nhận diện RFID
RFID là viết tắt của từ Radio Frequency Identifier hay tạm dịch là bộ xác minh dùng
tần số radio
Có hai dạng thẻ phổ biến cho loại RFID này đó là thẻ nhựa và tag, thẻ nhựa nhìn
gần giống với thẻ ngân hàng còn tag có hình bầu dục nhìn Tuy nhiên dù là thẻ hay tag
đều có chức năng giống nhau Mỗi thẻ hay tag đều chứa trong mình một con số nhất
định mà con số này có thể được đọc thông qua bộ đọc RFID (trong đề tài này dùng bộ
đọc RFID RC522) Đây cũng được xem như một cách xác minh khá tốt, mặc dù nó
vẫn tồn tại một nhược điểm rất lớn đó là có thể bị đánh cắp thông tin bảo mật, bởi vì
nó không kén bất kỳ trình đọc thẻ nào hết và nó có thể bị sao chép, sửa đổi mã số Đối
với hệ thống cửa này chúng tôi khuyến cáo người dùng nên nếu dùng xác minh RFID
nên kết hợp với một phương pháp khác để nâng cao tính bảo mật của hệ thống cửa
Hình 2-19: Kết nối Modul RFID RC522 với Arduino Mega 2560
Trang 31Màn hình LCD đi kèm theo Raspberry pi là một công cụ hữu hiệu để hiển thị
hình ảnh từ camera Trong hệ thống cửa ở đề tài này, việc thêm màn hình hiển thị phía
trong nhà giúp cho người trong nhà biết ai đang ở ngoài cửa để quyết định có mở cửa
hay không Đặc biệt đối với trẻ em là những đối tượng nhạy cảm cần được bảo vệ Cần
dạy cho chúng nên mở cửa cho những ai Màn hình được sử dụng trong đề tài này là
màn hình KEDEI v6.1, độ phân giải 480x320 tương thích khá tốt với Raspberry pi
Ngoài việc hiển thị, màn hình còn hỗ trợ đầu vào cảm ứng dùng để điều khiển con trỏ,
thực hiện các tác vụ liên quan đến con trỏ Vì sử dụng chuẩn giao tiếp là SPI không
được xem như một phương pháp truyền dữ liệu hình ảnh phổ biến bởi tốc độ tương đối
chậm Hình ảnh hiển thị từ camera có phần giật lag, tuy nhiên màn hình như vậy cũng
đáp ứng khá tốt với yêu cầu của đề tài
Hình 2-20: Kết nối màn hình TFT LCD với Raspberry Pi
Hình 2-21: Kết nối Camera với Raspberry Pi
Trang 32Camera là phần tử khá quan trọng trong hệ thống cửa này, nó được dùng như một
nguồn cấp hình ảnh phục vụ cho chế độ xác nhận (Identifier) cũng như việc truyền
hình ảnh đi tới các thiết bị khác trong mạng LAN (local area network) Có nhiều loại
camera với những giao thức giao tiếp khác nhau, Raspberry pi hỗ trợ camera dạng mô
đun và trên bo mạch Raspberry có sẵn một khe cắm cho riêng loại camera này Tuy
nhiên ngoài loại camera đó, Raspberry cũng như các máy tính khác nó cũng hỗ trợ
web camera hay viết gọn là webcam (hình 2-21) Trong đề tài này chúng tôi chọn
webcam như là nguồn hình ảnh chính thức bởi tính dễ dùng cũng như phổ biến của nó
Và tất nhiên việc giao tiếp giữa webcam với Raspberry pi thông qua chuẩn USB, bởi
vì webcam không phải được thiết kế riêng cho Raspberry pi Webcam được sử dụng
trong đề tài này của hãng Colorvis với độ phân giải 640x480 điểm ảnh, tương đương
1.3 Mpx, và có chất lượng hình ảnh khá tốt
Để có thể sử dụng chức năng nhận diện người nói, giọng nói, thì trong đề tài này
cần phải dùng đến một cái microphone với chức nằng là ghi lại giọng nói Trong khi
đó bo mạch Raspberry sử dụng trong đề tài này là Raspberry pi 2 model B Đối với bo
mạch này, nó không hỗ trợ đầu vào microphone, tuy nhiên nó lại hỗ trợ kết nối các
thiết bị ngoại vi (peripheral) rất tốt, vì vậy chúng tôi chọn cách chuyển đổi tín hiệu âm
thanh sang tín hiệu số sử dụng USB âm thanh, USB này có chức năng chuyển đổi tín
hiệu tương tự từ microphone sang tín hiệu số để truyền đến Raspberry Ngoài chức
năng chuyển đổi đầu vào thì USB âm thanh này còn hỗ trợ chuyển đổi tín hiệu số sang
tương tự để truyền tải âm thanh ra loa Tuy nhiên trong đề tài chưa sử dụng đến chức
năng này Việc nhận diện người nói có thể thực hiện bằng chương trình xử lý từ
Raspberry pi được viết trên ngôn ngữ python hoặc bằng cách sử dụng một mô đun
nhận diện giọng nói có bán sẵn trên thị trường Trong đề tài này chúng tôi chọn cách
nhận diện giọng nói bằng chương trình viết bằng python chạy trên máy tính Raspberry
pi Một phần nâng cao khả năng tương tác, phần nữa giảm chi phí cho đề tài
Hình 2-22: Kết nối Usb âm thanh với Raspberry Pi
Một phần tử của hệ thống cũng rất quan trọng đó là USB wifi Như tên gọi, usb
này cung cấp một giải pháp truy cập mạng cho Raspberry pi thông qua sóng wifi Đối
Trang 33với phiên bản máy tính Raspberry sử dụng trong đề tài này, nó hỗ trợ kết nối mạng có
dây thông qua jack cắm RJ45 ngay trên bo mạch Tuy nhiên có thể thấy wifi là một lựa
chọn tốt hơn bởi tính gọn gàng và linh hoạt của nó Trong đề tài này việc xử lý ảnh
không nằm ở máy tính Raspberry mà là ở một máy tính khác trong mạng LAN Lý do
bởi vì sau một thời gian trải nghiệm thực tế, chúng tôi nhận thấy với tốc độ xử lý còn
tương đối chậm so với các máy tính khác cũng như nguồn tài nguyên RAM khá hạn
chế, vì vậy chúng tôi quyết định để tính năng xử lý, nhận diện khuôn mặt cho một máy
tính khác trong mạng LAN Để thực hiện được điều này Raspberry cần phải gửi được
hình ảnh qua mạng LAN, và USB wifi sẽ là cầu nối giúp máy tính Raspberry pi thực
hiện được điều này
Ngoài ra USB wifi cũng giúp chúng tôi có thể truy cập, điều khiển máy tính
Raspberry pi từ xa Bằng việc tìm kiếm giải pháp điều khiển Raspberry pi từ xa trên
internet các bạn sẽ tìm thấy những bài viết khá chi tiết về cách điều khiển Và ở trong
khuôn khổ đề tài này chúng tôi sử dụng USB wifi với mục đích chính là truyền hình
ảnh lên mạng LAN cũng như kết nối với với máy tính có nhiệm vụ xử lý ảnh để xác
minh người dùng Việc kết nối tới máy tính có nhiệm vụ xử lý ảnh được thông qua
giao thức MQTT Đối với giao thức này, một broker có tên là mosquito được lập trên
máy tính Raspberry pi có địa chỉ trong mạng LAN tại 192.168.1.6 cổng 1883 Đồng
thời Raspberry cũng đăng ký vào một kênh (hay topic) tại broker này có tên “dutdoor”
Khi máy tính xử lý ảnh trong mạng LAN xác nhận đúng người dùng thì nó sẽ publish
(đẩy nội dung) lên broker vào đúng kênh mà máy tính Raspberry pi đăng ký
(“dutdoor”) chú ý tên kênh là tùy chọn Khi nội dung được đẩy lên thì máy tính
Raspberry pi ngay lập tức nhận được nội dung và sẽ gửi lệnh tương ứng tới bo mạch
Arduino MEGA2560
Hình 2-23: Kết nối USB Wifi với Raspberry pi
Trang 34Sơ đồ đấu nối dây chi tiết mạch điều khiển
Hình 2-24: Sơ đồ đấu nối dây chi tiết của hệ thống
Trên hình là sơ đồ nối dây chi tiết của hệ thống Đối với các thiết bị có chuẩn
giao tiếp là USB, đồ án không mô tả chi tiết ở đây, bởi vì đây là một chuẩn giao tiếp
được thống nhất và chỉ cần đấu nối với các Modul
Sau đây là cách đấu nối của các thiết bị khác với Arduino MEGA 2560:
Trang 35Kết nối LCD I2C với Arduino Mega 2560
LCD I2C sử dụng giao thức giao tiếp I2C hay còn gọi là “wire” hay giao thức hai
dây Rất nhiều dòng vi điều khiển trên thị trường hiện nay hỗ trợ giao thức giao tiếp
này, Arduino MEGA2560 hỗ trợ một cổng kết nối I2C Chuẩn giao tiếp I2C cơ bản
gồm 4 dây: hai dây nguồn, một dây clock (sck hay SCL), một dây dữ liệu (sda) Để
Arduino có thể giao tiếp được với dạng LCD này chúng ta cần nối nguồn cho LCD
qua 2 dây nguồn Đối với dòng LCD này điện áp hoạt động tiêu chuẩn là 5V, vì vậy
chúng ta có thể đấu trực tiếp từ chân 5V của bo mạch Arduino MEGA Tiếp đến dây
SCL của LCD nối với chân SCL của Arduino (chân 21), dây sda của LCD nối đến
chân sda của Arduino (chân 20) Hai chân này là cố định và được đánh dấu sẵn ở mỗi
bên
Hình 2-25: Kết nối chân LCD I2C và Arduino Mega 2560 Nối dây giữa keypad 4x4 và Arduino MEGA 2560
Keypad 4x4 có tổng cộng 8 chân ra, Hình thức giao tiếp với loại bàn phím này
thông qua chân vào ra (I/O) thông thường vì thế chúng ta có thể kết nối tới chân bất kỳ
của Arduino MEGA2560 Trong đề tài này chúng tôi kết nối như hình trên: Các chân
1,2,3,4,5,6,7,8, của bàn phím nối đến các chân 22, 24, 26, 28, 30, 32, 34, 36 của
Arduino MEGA2560
Hình 2-26: Kết nối chân KeyPad và Arduino Mega 2560
Trong hệ thống cửa này sử dụng các đèn LED để hiển thị trạng thái của các chế
độ bảo mật Việc nối LED với Arduino cũng khá đơn giản, vì dòng điện tiêu thụ của
đèn LED ở tầm 20mA trong khoảng dòng ra cho phép của Arduino MEGA2560 nên
Trang 36các đèn LED có thể được nối trực tiếp tới các chân của Arduino thông qua một điện
trở hạn dòng 220 Ohm Như sơ đồ trên bốn chân anode của bốn đèn LED được đấu
vào bốn chân 31, 33, 35, 37 của bo mạch Arduino, bốn chân còn lại được đấu chung
xuống GND (0V)
Hình 2-27: Kết nối đèn LED và Arduino Mega 2560
Nối dây giữa RFID RC522 và Arduino MEGA2560
Mô đun RC522 giao tiếp với Arduino mega thông qua giao thức SPI, điều này có
nghĩa sẽ có các chân mặc định cho hình thức kết nối này đó là các chân sck (chân xung
nhịp), chân MOSI (chủ ra tớ vào) và chân MISO (tớ ra chủ vảo) ngoài ra để sử dụng
giao thức này cần thêm ít nhất một chân nữa là chân SS, đây là chân tự chọn và có
chức năng chọn thiết bị trên đường truyền SPI Arduino MEGA2560 hỗ trợ một cổng
SPI, và giao thức SPI này cần nhiều chân hơn giao thức I2C như đã giới thiệu trên
Trên mô đun RFID RC522 có các chân SPI tương tự, tuy nhiên chân SS được tùy biến
thành tên sda và có thêm một chân rst để khởi động lại mô đun Ngoài ra trên mô đun
này có thêm chân IRQ là chân ngắt khi có thẻ hay tag đặt vào, tuy nhiên chương trình
Arduino trong đề tài này sẽ chủ động đọc thẻ RFID thay vì sử dụng ngắt nên chân IRQ
sẽ không cần nối vào bo mạch Arduino Cách nối chân như sau: chân SCK của RC522
nối vào chân SCK (52) của bo mạch Arduino, tương tự chân MISO nối đến chân
MISO (50), chân MOSI nối đến chân MOSI (51) của bo mạch Arduino Các chân còn
lại là sda và rst ở đây nối vào chân 48 và chân 53 của bo mạch Arduino Ngoài ra cần
chú ý nguồn cấp cho mô đun này sử dụng điện áp 3.3V nên có thể sử dụng từ chân
3.3V của bo mạch Arduino MEGA2560 và chân GND thì đấu đến GND
Hình 2-28: Kết nối chân mô đun RFID-RC522 và Arduino Mega 2560
Trang 37Đấu nối giữa động cơ servo SG90 và Arduino MEGA2560
Việc đấu nối động cơ servo SG90 tới bo mạch Arduino cũng khá đơn giản nhưng
cần phải lưu ý một số điều sau Thứ nhất động cơ servo SG90 là động cơ servo loại
nhỏ, nguồn điện cấp V+ có thể dùng trực tiếp từ chân 5V của bo mạch Arduino Thứ
hai, động cơ servo SG90 cũng như nhiều loại động cơ servo khác được điều khiển
bằng độ rộng xung PWM, do vậy để điều khiển được động cơ servo cần nối chân W
(SIG) của động cơ vào chân của Arduino có hỗ trợ PWM Củ thể Arduino MEGA2560
có các chân sau hỗ trợ PWM chân 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 44, 45, 46 Ở
trong đề tài này động cơ servo được đấu vào chân 46 của bo mạch Arduino MEGA
2560
Hình 2-29: Kết nối chân KeyPad và Arduino Mega 2560 Kết nối nút nhấn tới Arduino MEGA2560
Việc kết nối nút nhấn tới bo mạch Arduino trong đề tài này cũng tương đối đơn
giản, chúng ta chỉ cần kết nối một chân của nút nhấn tới chân số bất kỳ của bo mạch
Arduino và chân còn lại của nút nhấn kết nối vào 0V hay GND Trong đề tài này các
nút nhấn được kết nối vào các chân 8, 9, 10 của bo mạch Arduino MEGA 2560 tương
ứng với các chức năng CLOSE, OPEN, EXIT như đã giới thiệu ở trên
Hình 2-30: Kết nối chân ba nút nhấn (Open, Close, Exit) và Arduino Mega 2560
Kết nối giữa màn hình TFT LCD và Raspberry pi
Màn hình TFT LCD được giới thiệu ở trên kết nối với máy tính Raspberry pi
thông qua giao thức SPI Như đã giới thiệu đối với giao thức này, các chân mặc định là
MISO, MOSI, SCK, ngoài ra vì việc hiển thị tương đối phức tạp nên cần thêm một số
chân khác như DC/RS, LED, RESET Chân SS ở trên màn hình được tùy biến thành
CS Màn hình sử dụng điện áp 5v được lấy trực tiếp từ bo mạch Raspberry pi Cách
Trang 38nối chân tương tự như đối với mô đun RFID RC522 Chân MOSI nối đến MOSI, chân
MISO nối đến MISO, chân SCK nối đến SCK của Raspberry pi Chân CS nối vào
chân 24, chân DC/RS nối vào chân 22, chân RESET đấu vào chân 26 của bo mạch
Raspberry pi, chân LED đấu vào 5V
Hình 2-31: Kết nối chân màn hình TFT LCD và Raspberry Pi
Thiết kế mạch dự phòng
Hệ thống cửa tự động phải được hoạt động liên tục, ngay cả khi mất điện Vì thế
bắt buộc phải có một giải pháp thay thế được sử dụng trong trường hợp mất điện
Trong đề tài này chúng tôi chọn giải pháp lưu trữ năng lượng bằng ắc quy 12V để sử
dụng vào lúc mất điện, bởi vì đây là giải pháp phổ biến, hiệu quả, và dễ thực hiện Để
sử dụng được ắc quy trong nhiều lần thì cần phải nạp điện và việc nạp điện cho ắc quy
không quá phức tạp Tuy nhiên về cơ bản khi sạc ắc quy ta cần cấp một dòng điện hợp
lý và khi ắc quy đã đầy thì cần phải ngắt dòng sạc, để tăng tuổi thọ ắc quy
Trên nguyên tắc sử dụng ắc quy khi mất điện, và tự ngắt điện khi sạc ắc quy,
chúng tôi thiết kế một mạch điện dựa trên những linh kiện điện tử cơ bản
Hình 2-32: Sơ đồ nguyên lý mạch dự phòng
Trong sơ đồ trên chúng tôi sử dụng hai rơ le làm nhiệm vụ chuyển nguồn và ngắt
sạc, cũng là hai chức năng chính của mạch này Rơ le K1 dùng để ngắt dòng sạc khi ắc
quy đã được sạc đầy Rơ le K2 được dùng để chuyển nguồn giữa biến áp sạc (adapter)
và ắc quy
Trang 39Chức năng sạc tự ngắt: Nguồn điện áp một chiều có giá trị tầm 16 - 20V được
đưa vào hai chân V-IN-1 (cực dương) và chân V-IN-2 (cực âm), trong đề tài này sử
dụng nguồn từ biến áp sạc đã qua chỉnh lưu, có điện áp đầu ra khoảng 19-20V Công
tắc F1 dùng để đóng cắt nguồn vào Khi nguồn được cấp và công tắc F1 đóng lại thì
ngay lập tức có dòng sạc chạy vào ắc quy Khi ắc quy tương đối đầy, tức là điện áp lớn
hơn 15V khi đó đi-ốt zener 15V D8 sẽ cho dòng ngược chạy qua để kích transistor T2
Khi transistor kích đủ dòng thì cuộn dây rơ le K1 sẽ hút tiếp điểm lại, tiếp điểm
thường đóng để sạc ắc quy mở ra và dòng sạc bị ngắt Khi dòng sạc bị ngắt, điện áp
trên dây Net-$2 sẽ tăng lên bằng điện áp nguồn, và vì thế trạng thái của rơ le sẽ giữ
nguyên không đổi trong khi nguồn cấp đang hoạt động
Chức năng chuyển nguồn: Việc chuyển nguồn có ý nghĩa khá quan trọng, bởi vì
nếu không có chuyển nguồn thì nguồn mặc định sẽ là nguồn từ ắc quy Và dĩ nhiên khi
sử dụng nguồn từ ắc quy thì ắc quy phải nạp xả nhiều lần hơn thay vì chỉ xả khi mất
điện và nạp lại khi có điện, ảnh hưởng rất nhiều tới tuổi thọ của nó
Khi bình đã được sạc “đầy”, tiếp điểm K1 chuyển sang ‘S’ (Tiếp điểm thường
hở), trên dây Net-$1 có điện, làm transistor T1 kích cuộn hút rơ le K2 đóng tiếp điểm
lại, nguồn đi vào khối ổn áp 5V giờ chuyển sang Net-$1 tức là nguồn từ adapter Khi
đó hệ thống sẽ không sử dụng nguồn từ ắc quy nữa cho tới khi mất điện
Một điểm hay của mạch này có thể được kể đến đó là khả năng tự sạc: Khi
nguồn cấp V-IN bị ngừng lại (tạm gọi là mất điện) thì tiếp điểm của rơ le K1 sẽ trở lại
vị trí ban đầu, đồng thời trong thời gian mất điện thì bộ chuyển mạch chuyển qua sử
dụng nguồn ắc quy, và vì thế dung lượng ắc quy bị hao hụt và cần phải được sạc lại
khi có điện Khi có điện trở lại thì quá trình sạc tự ngắt sẽ được thực hiện lại
Các rơ le sử dụng trong mạch sạc ở đề tài này là rơ le một chiều 12V, trong khi
đện áp cao nhất mà rơ le phải chịu là điện áp từ adapter lớn hơn rất nhiều so với điện
áp định mức của rơ le, vì vậy ta cần phải mắc thêm điện trở để hạn dòng cho rơ le
Theo bảng mô tả về rơ le thì dòng tiêu thụ định mức của dạng rơ le là 30mA,
điện áp cao nhất 120% điện áp định mức Ta có thể tính ra giá trị điện trở R6, R7 để
hạn chế dòng cho rơ le như sau:
R6 = R7 = (V-IN – 12x1.2)/0.03 = (20– 14.4)/0.03 = 186 Ohm Để an toàn chúng
tôi chọn R6, R7 = 220 Ohm
Hệ thống cửa trong đề tài này sử dụng điện áp 5V, vì vậy để sử dụng được điện
áp từ ắc quy cũng như từ adapter, chúng ta cần một bộ chuyển đổi Trong đề tài này
chúng tôi sử dụng điều chỉnh và ổn định điện áp LM2596 được điều chỉnh đầu ra
thành 5V
Hình 2-33: Mô đun ổn áp LM2596
Trang 40Để bảo vệ hệ thống khỏi quá tải và ngắn mạch, một cầu chì 2A được lắp ngay
sau mô đun LM2596
Hình 2-34: Cầu chì bảo vệ 2A
Sau quá trình thiết kế và đi dây trên phần mềm eagle chúng tôi thu được mạch in
(PCB) từ máy tính
Hình 2-35: Sơ đồ mạch in
Và cuối cùng là mạch thực tế sau khi hàn linh kiện:
Hình 2-36: Hình ảnh mạch thực tế khi sử dụng
Kết luận của chương 2: Trong chương này, chúng ta đã nắm được các cấu trúc
cơ bản của một cánh cửa tự động Từ cấu trúc của một cánh cửa thông thường, cửa tự
động được lắp thêm một bộ điều khiển có nhiệm vụ đóng mở cửa một cách tự động mà
vẫn đảm bảo tính bảo mật của cánh cửa, cách kết nối giữa các thiết bị có trong cánh
cửa này, và cuối cùng là cách tự động sạc và chuyển nguồn khi mất điện của hệ thống