Thiết kế hệ thống khóa thông minh. Sử dụng RFID và vân tay

Đề tài bao gồm các chức năng: + Mở khóa bằng vân tay và thẻ RFID + Mở khóa từ xa thông qua website +Quản lí thông tin người dùng và nhật kí mở khóa bằng website +Xem video trực tuyến và chụp hình bằng camera bên ngoài cửa - Đề tài sử dụng ngôn ngữ python3 và KIT Raspberry Pi. -Website được thiết kế riêng biết, dễ dàng sử dụng trên điện thoại và máy tính. Sử dụng tên miền miễn phí và CSDL miễn phí dễ lưu trữ thông tin trực tuyến, không phải local như các dự án khác

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HỒ CHÍ MINH

KHOA ĐIỆN ĐIỆN TỬ

BỘ MÔN KỸ THUẬT MÁY TÍNH - VIỄN THÔNG

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

THIẾT KẾ HỆ THỐNG KHÓA THÔNG MINH

NGÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ - TRUYỀN THÔNG

Sinh viên: LÊ QUANG PHÚC

MSSV: 15141245

TRẦN THANH DUY

MSSV: 15141120

TP HỒ CHÍ MINH – 6/2019

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HỒ CHÍ MINH

KHOA ĐIỆN ĐIỆN TỬ

BỘ MÔN KỸ THUẬT MÁY TÍNH - VIỄN THÔNG

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

THIẾT KẾ HỆ THỐNG KHÓA THÔNG MINH

NGÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ TRUYỀN THÔNG

Sinh viên: LÊ QUANG PHÚC

THÔNG TIN KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP

1 Thông tin sinh viên

Họ và tên sinh viên: Lê Quang Phúc

Email: 15141245@student.hcmute.edu.vn

MSSV: 15141245 Điện thoại: 0368066817

Họ và tên sinh viên: Trần Thanh Duy

Email: 15141120@student.hcmute.edu.vn

MSSV: 15141120 Điện thoại: 0388487784

2 Thông tin đề tài

- Tên của đề tài: Thiết kế hệ thống khóa thông minh

- Đơn vị quản lý: Bộ môn Kỹ Thuật Máy Tính - Viễn Thông, Khoa Điện Điện Tử, Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp Hồ Chí Minh

- Thời gian thực hiện: Từ ngày 18 / 02 / 2019 đến ngày 07 / 06 / 2019

- Thời gian bảo vệ trước hội đồng: Ngày 20 / 06 / 2019

3 Lời cam đoan của sinh viên

Chúng tôi – Lê Quang Phúc và Trần Thanh Duy cam đoan KLTN là công trình nghiên cứu của bản thân chúng tôi dưới sự hướng dẫn của thạc sỹ Lê Minh Thành Kết quả công

bố trong KLTN là trung thực và không sao chép từ bất kỳ công trình nào khác

Tp.HCM, ngày tháng 06 năm 2019

SV thực hiện đồ án

(Ký và ghi rõ họ tên)

Lê Quang Phúc Trần Thanh Duy

Giảng viên hướng dẫn xác nhận quyển báo cáo đã được chỉnh sửa theo đề nghị được ghi trong biên bản của Hội đồng đánh giá Khóa luận tốt nghiệp

………

Xác nhận của Bộ Môn Tp.HCM, ngày tháng 06 năm 2019

Giáo viên hướng dẫn

(Ký, ghi rõ họ tên và học hàm - học vị)

Th.s Lê Minh Thành

BẢN NHẬN XÉT KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP

(Dùng cho giảng viên phản biện)

Đề tài: Thiết kế hệ thống khóa thông minh

Sinh viên thực hiện: 1 Lê Quang Phúc MSSV: 15141245

2 Trần Thanh Duy MSSV: 15141120 Giảng viên hướng dẫn: Ths Lê Minh Thành

Nhận xét bao gồm các nội dung sau đây:

1 Tính hợp lý trong cách đặt vấn đề và giải quyết vấn đề; ý nghĩa khoa học và thực tiễn [15/100]:

Đặt vấn đề rõ ràng, mục tiêu cụ thể [5] ; đề tài có tính mới, cấp thiết [5] ; đề tài có khả năng ứng dụng, tính sáng tạo [5]

2 Phương pháp thực hiện/ phân tích/ thiết kế [25/100]:

Phương pháp hợp lý và tin cậy dựa trên cơ sở lý thuyết [10] ; có phân tích và đánh giá phù hợp [10] ; có tính mới và tính sáng tạo [5]

3 Kết quả thực hiện/ phân tích và đánh giá kết quả/ kiểm định thiết kế [25/100]:

Phù hợp với mục tiêu [10] ; phân tích và đánh giá / kiểm thử thiết kế hợp lý [10] ; có tính sáng tạo/ kiểm định chặt chẽ và đảm bảo độ tin cậy [5]

4 Kết luận và đề xuất [10/100]:

Kết luận phù hợp với cách đặt vấn đề, đề xuất mang tính cải tiến và thực tiễn [5] ; kết luận có đóng góp mới mẻ, đề xuất sáng tạo và thuyết phục [5]

5 Hình thức trình bày, bố cục và chất lượng báo cáo [15/100]:

Văn phong nhất quán, bố cục hợp lý, cấu trúc rõ ràng, đúng định dạng mẫu [5] ; có tính hấp dẫn, thể hiện năng lực tốt, văn bản trau chuốt [15]

6 Tài liệu trích dẫn [10/100]

Tính trung thực trong việc trích dẫn tài liệu tham khảo; tính phù hợp của các tài liệu trích dẫn; trích dẫn theo đúng chỉ dẫn APA

7 Đánh giá về sự trùng lặp của đề tài

Cần khẳng định đề tài có trùng lặp hay không? Nếu có, đề nghị ghi rõ mức độ, tên đề tài, nơi công bố, năm công bố của đề tài đã công bố

8 Những nhược điểm và thiếu sót, những điểm cần được bổ sung và chỉnh sửa*

Câu hỏi sinh viên phải trả lời trước hội đồng* (ít nhất 02 câu

Đánh giá chung

- Điểm (Quy về thang điểm 10 không làm tròn): …………./10

- Xếp loại chung (Xuất sắc, Giỏi, Khá, Trung bình, Yếu, Kém):………

Đề nghị của giảng viên phản biện

Ghi rõ: “Báo cáo đạt/ không đạt yêu cầu của một khóa luận tốt nghiệp kỹ sư, và được phép/ không được phép bảo vệ khóa luận tốt nghiệp”

Tp HCM, ngày tháng 06 năm 2019

Người nhận xét

LỜI CẢM ƠN

Nhóm chúng em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến thầy Lê Minh Thành Thầy đã tận tình hướng dẫn, góp ý cho chúng em trong toàn bộ thời gian thực hiện đồ án

để chúng em có thể hoàn thành đồ án tốt nhất

Nhóm cũng xin gửi lời cảm ơn chân thành đến quý thầy cô khoa Điện – Điện

tử, đặc biệt là quý thầy cô thuộc bộ môn Kỹ Thuật Máy Tính - Viễn Thông đã tận tình chỉ dạy những kiến thức từ cơ bản đến chuyên sâu để nhóm có thể tiến hành thực hiện và hoàn tất đồ án này

Xin chân thành gửi lời cảm ơn đến các thầy cô trong hội đồng bảo vệ đã dành

ra chút thời gian để xem bài luận văn tốt nghiệp này, giúp em chỉ ra mặt tích cực

và hạn chế của đồ án

Cuối cùng, nhóm xin gửi lời cảm ơn đến bậc cha mẹ, người thân đã động viên

và giúp đỡ chúng em trong suốt con đường học tập cũng như quá trình nghiên cứu

và thực hiện đồ án Đồng thời cảm ơn các anh chị đi trước và bạn bè đã có những lời khuyên, lời góp ý chân thành để chúng em hoàn thiện hơn và hoàn thành đồ án đúng thời hạn

Mặc dù đã cố gắng thực hiện đồ án một cách tốt nhất nhưng do còn hạn chế về mặt kiến thức nên chúng em còn nhiều thiếu sót về nội dung và hình thức Chúng

em hy vọng quý thầy cô thông cảm và rất mong nhận được những ý kiến quý báu

từ quý thầy cô để chúng em có thể hoàn thiện hơn

Một lần nữa chúng em xin chân thành cảm ơn !

Nhóm thực hiện đề tài

Lê Quang Phúc Trần Thanh Duy

TÓM TẮT

Khái niệm khóa cửa thông minh đã trở nên quen thuộc trong đời sống hiện nay Chúng xuất hiện trong các tòa nhà thông minh, khách sạn, trung tâm thương mại và những nơi cần sự an ninh cao Khóa cửa thông minh mở khóa dựa trên các công nghệ hiện đại như công nghệ sinh trắc học, công nghệ RFID và tích hợp nhiều tiện ích khác nhằm mang đến sự tiện lợi cho người dùng, nâng cao mức độ an ninh nhưng vẫn đảm bảo tính thẩm mỹ Trong đồ án này, hệ thống khóa thông minh sẽ

sử dụng công nghệ nhận diện vân tay và công nghệ RFID để mở khóa từ bên ngoài cửa hoặc mở khóa bằng nút nhấn từ bên trong cửa Ngoài ra, người dùng có thể giám sát an ninh bên ngoài cửa từ giao diện web và chụp lại hình ảnh khi cần thiết Khi mở khóa nhật ký được lưu trữ với các thông tin như họ tên và thời gian mở khóa Người dùng có thể xem hoặc tải về dưới dạng file Excel để lưu trữ trên website Sau khi thực hiện thêm vân tay hoặc thêm thẻ RFID, người dùng sẽ cập nhật thông tin cho vân tay hoặc thẻ RFID này từ website một cách nhanh chóng

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN vi

TÓM TẮT vii

MỤC LỤC viii

DANH MỤC HÌNH x

DANH MỤC BẢNG xii

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT xiii

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1

1.1 TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU 1

1.2 MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU 2

1.3 GIỚI HẠN NGHIÊN CỨU 3

1.4 BỐ CỤC 3

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 4

2.1 CÔNG NGHỆ SINH TRẮC HỌC 4

2.2 CÔNG NGHỆ NHẬN DẠNG SÓNG VÔ TUYẾN 9

2.3 HỆ THỐNG QUẢN LÝ BẰNG WEBSITE 10

2.4 CÁC HỆ THỐNG AN NINH 12

CHƯƠNG 3 THIẾT KẾ HỆ THỐNG KHÓA THÔNG MINH 15

3.1 YÊU CẦU HỆ THỐNG 15

3.2 SƠ ĐỒ KHỐI HỆ THỐNG 15

3.3 THIẾT KẾ TỪNG KHỐI 16

3.3.1 Khối cảm biến vân tay 16

3.3.2 Khối camera 18

3.3.3 Khối đọc thẻ RFID 18

3.3.4 Khối cảm biến từ 20

3.3.5 Khối hiển thị 21

3.3.6 Khối chuông báo 22

3.3.7 Khối nút nhấn 23

3.3.8 Khối điều khiển chốt khóa cửa 23

3.3.9 Khối nguồn 24

3.3.10 Khối điều khiển trung tâm 25

3.4 THIẾT KẾ PHẦN MỀM 26

3.4.1 Lưu đồ giải thuật 26

3.4.2 Thiết kế giao diện website 31

CHƯƠNG 4 KẾT QUẢ 36

4.1 HÌNH ẢNH MÔ HÌNH THỰC TẾ 36

4.2 PHÂN TÍCH VÀ ĐÁNH GIÁ HOẠT ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG 42

CHƯƠNG 5 KẾT LUẬN 55

5.1 KẾT LUẬN 55

5.2 HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 55

TÀI LIỆU THAM KHẢO 56

Phụ lục A 58

DANH MỤC HÌNH

Hình 2.1: Công nghệ sinh trắc học 4

Hình 2.2: Nhận diện khuôn mặt 5

Hình 2.3: Nhận diện mống mắt 6

Hình 2.4: Nhận diện vân tay 7

Hình 2.5: Nhận diện giọng nói 8

Hình 2.6: Công nghệ RFID 9

Hình 2.7: Giao diện điều khiển nhà thông minh 11

Hình 2.8: Vườn rau thông minh 11

Hình 2.9: Camera an ninh 12

Hình 2.10: Hệ thống báo động xâm nhập 13

Hình 2.11: Hệ thống cảnh báo hỏa hoạn 13

Hình 2.12: Khóa cửa vân tay 14

Hình 3.1: Sơ đồ khối hệ thống 15

Hình 3.2: Mô-đun cảm biến vân tay R305 16

Hình 3.3: Sơ đồ kết nối Raspberry Pi với mô-đun vân tay và camera 17

Hình 3.4: Webcam Logitech C170 18

Hình 3.5: Mô-đun RFID 18

Hình 3.6: Sơ đồ kết nối Raspberry Pi với mô-đun RFID 19

Hình 3.7: Cảm biến từ MC-38 20

Hình 3.8: Nguyên lý hoạt động 21

Hình 3.9: Sơ đồ kết nối Raspberry Pi với công tắc từ 21

Hình 3.10: Màn hình OLED 21

Hình 3.11: Sơ đồ kết nối Raspberry Pi với màn hình OLED 22

Hình 3.12: Còi buzzer 5V 22

Hình 3.13: Sơ đồ kết nối Raspberry Pi với buzzer, nút nhấn và led 23

Hình 3.14: Nút nhấn 23

Hình 3.15: Động cơ servo MG996 24

Hình 3.16: Sơ đồ kết nối Raspberry Pi với động cơ servo 24

Hình 3.17: Raspberry Pi 3 26

Hình 3.18: Lưu đồ chương trình chính 27

Hình 3.19: Lưu đồ chương trình quét vân tay 28

Hình 3.20: Lưu đồ chương trình đọc thẻ RFID 29

Hình 3.21: Lưu đồ chương trình điều khiển chốt khóa cửa 30

Hình 3.22: Lưu đồ lưu nhật ký lên cơ sở dữ liệu 31

Hình 3.23: Bố cục giao diện quản lý 32

Hình 3.24: Tạo website mới 33

Hình 3.25: Địa chỉ URL của website 34

Hình 3.26: Lưu đồ chương trình chụp ảnh 34

Hình 3.27: Lưu đồ chương trình mở khóa 35

Hình 4.1: Mặt trước của mô hình cửa 36

Hình 4.2: Mặt sau của mô hình cửa 37

Hình 4.3: Các bộ phận của mặt sau mô hình cửa 38

Hình 4.4: Kích thước của mô hình khung cửa 38

Hình 4.5: Thông số kích thước hộp chứa Raspberry Pi 39

Hình 4.6: Bộ phận xử lý 39

Hình 4.7: Thông số kích thước khung hộp của bộ phận xử lý 40

Hình 4.8: Cơ cấu điều khiển chốt khóa cửa 40

Hình 4.9: Thông số kích thước cơ cấu điều khiển chốt khoá cửa 41

Hình 4.10: Khung kẹp chốt khóa cửa 41

Hình 4.11: Giao diện trang chủ website quản lý hệ thống 42

Hình 4.12: Màn hình hiển thị thời gian hiện tại 42

Hình 4.13: Màn hình hiển thị trạng thái khóa “LOCKED” 43

Hình 4.14: Trạng thái mở khóa “UNLOCKED” và tên người mở 43

Hình 4.15: Cảnh báo khi cửa bị vô hiệu hóa 43

Hình 4.16: Mở khóa bằng vân tay 44

Hình 4.17: Màn hình hiển thị khi sai vân tay 44

Hình 4.18: Mở khóa bằng thẻ RFID 45

Hình 4.19: Màn hình hiển thị khi sai mã thẻ 45

Hình 4.20: Nút mở khóa từ bên trong 46

Hình 4.21: Giao diện trang đăng nhập 47

Hình 4.22: Đăng ký tài khoản 47

Hình 4.23: Lấy lại mật khẩu 48

Hình 4.24: Giao diện trang chủ 48

Hình 4.25: Giao diện trang nhật ký 49

Hình 4.26: Bảng thông báo xóa hoặc tải về nhật ký 49

Hình 4.27: Giao diện trang camera 50

Hình 4.28: Giao diện mục hình ảnh đã lưu 50

Hình 4.29: Thông báo dung lượng lưu ảnh gần đầy 50

Hình 4.30: Giao diện trang thông tin vân tay 51

Hình 4.31: Giao diện chức năng thêm vân tay 51

Hình 4.32: Giao diện trang thông tin thẻ RFID 52

Hình 4.33: Giao diện chức năng thêm mã thẻ mới 52

Hình 4.34: Các khóa so sánh 53

DANH MỤC BẢNG

Bảng 3.1: Thông số kỹ thuật cảm biến vân tay 17

Bảng 3.2: Thông số kỹ thuật mô-đun RFID 19

Bảng 3.3: Thông số kỹ thuật MC-38 20

Bảng 3.4: Thông số điện áp và dòng điện của các mô-đun 24

Bảng 3.5: Thông số kỹ thuật Raspberry Pi 3 26

Bảng 4.1: So sánh tính năng giữa các khóa 53

Bảng 4.2: Giá thành chi tiết từng bộ phận 54

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT

CHƯƠNG 1

TỔNG QUAN

1.1 TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU

Trong những năm gần đây, cùng với sự phát triển của xã hội thì khoa học và

kỹ thuật cũng phát triển với những bước tiến vượt bậc Tất cả những phát minh được tạo ra nhằm phục vụ cho con người, giúp nâng cao chất lượng cuộc sống và mang lại cảm giác thoải mái hơn Chúng ta có thể kể đến một vài ví dụ điển hình như robot thông minh với trí tuệ nhân tạo, lĩnh vực nhà thông minh, trang trại thông minh hay thành phố thông minh Đề tài tập trung nghiên cứu và thiết kế hệ thống khóa thông minh, một phần của công nghệ nhà ở thông minh cho các căn hộ chung

cư

Khóa cửa là một phần quan trọng của ngôi nhà giúp bảo vệ con người và tài sản của họ trong nhà Do đó, việc nghiên cứu ra một hệ thống khóa thông minh đảm bảo tính an ninh nhằm khắc phục các điểm yếu của khóa truyền thống là một vấn đề được các nhà khoa học quan tâm Khái niệm khóa đã được phát minh ra từ

4000 năm trước [1] nhưng theo thời gian khoa học kỹ thuật phát triển, khóa truyền thống cũng được cải tiến Chẳng hạn như dùng mật khẩu để mở khóa [2], hình thức

mở khóa này đảm bảo tính an toàn hơn khóa truyền thống, tránh được trường hợp chủ nhà quên hoặc đánh mất chìa khóa nhưng không được đánh giá cao vì mật khẩu có thể bị theo dõi bởi kẻ trộm Sau đó công nghệ nhận dạng bằng sóng vô tuyến RFID được áp dụng vào hệ thống khóa nhằm khắc phục nhược điểm trên Mật khẩu sẽ được tích hợp trên thẻ RFID và người dùng sẽ mở khóa bằng cách đưa thẻ đến gần đầu đọc để lấy thông tin thẻ, giúp loại bỏ trường hợp bị theo dõi [3] Trong một số trường hợp, việc mở khóa phải thực hiện tự động nhưng vẫn đảm bảo sự an toàn, một vài nghiên cứu đã sử dụng công nghệ Bluetooth để thực hiện điều này Khi trong phạm vi hoạt động của khóa, hệ thống khóa sẽ tự động kết nối với điện thoại của người dùng có chức năng Bluetooth để lấy thông tin mã nhận dạng và xác minh với cơ sở dữ liệu, nếu tương thích cửa sẽ tự động mở [4] Tuy nhiên phạm vi hoạt động của Bluetooth khá ngắn, người dùng không thể truy

cập hoặc cấp quyền để mở khóa từ khoảng cách xa Những cải tiến trên đều có những ưu điểm riêng nhưng chúng vẫn còn tồn tại một vài hạn chế như người dùng

có thể quên đi mật khẩu hoặc đánh mất thiết bị có quyền điều khiển cửa

Công nghệ sinh trắc học được lựa chọn và áp dụng để tăng tính an ninh và độ tin cậy cho các hệ thống khóa cửa Naser Abbas Hussein và cộng sự của ông đã thực hiện một hệ thống khóa thông minh sử dụng mật khẩu kết hợp với công nghệ nhận diện khuôn mặt để mở khóa [5] Hình ảnh từ camera được so sánh với cơ sở

dữ liệu của hệ thống, nếu tương thích cửa sẽ mở, ngược lại hệ thống sẽ gửi thông báo đến e-mail của chủ sở hữu ngôi nhà Hệ thống này buộc người dùng phải thường xuyên kiểm tra e-mail và phản hồi lại chúng, điều này không thật sự thoải mái đối với người dùng Mặt khác, công nghệ nhận diện khuôn mặt không được đánh giá cao về mức độ an ninh cũng như sự bất tiện khi sử dụng Công nghệ nhận diện vân tay được xem là một trong những phương pháp sinh trắc học đáng tin cậy bởi đặc tính ổn định và duy nhất của nó Trong công trình [6], tác giả đã thiết kế một hệ thống khóa đơn giản dựa trên công nghệ nhận diện vân tay đồng thời kết hợp chuông gọi cửa khi có khách Người dùng sẽ quét vân tay từ mô-đun quét vân tay, dữ liệu này được lưu trữ và chia thành ba loại người khác nhau là “thành viên gia đình”, “khách quen biết” và “khách không quen biết” Nếu là thành viên trong gia đình, khi quét vân tay hệ thống khóa sẽ mở khóa mà không bật chuông cửa Nếu là khách, tùy vào từng loại khách mà hệ thống sẽ phát ra tiếng chuông cửa khác nhau để người trong nhà có thể phân biệt Sau khi đã xác minh được danh tính khách, họ sử dụng một nút nhấn bên cạnh khóa để mở khóa

Sau khi đã phân tích các ưu điểm và nhược điểm của các công trình trên, chúng tôi lựa chọn thiết kế hệ thống khóa thông minh ứng dụng công nghệ sinh trắc học vân tay và công nghệ RFID nhằm kế thừa các điểm mạnh và khắc phục những hạn chế còn tồn tại Bên cạnh đó, một số tính năng mới được thêm vào để hệ thống khóa trở nên hoàn thiện hơn

1.2 MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU

Mục tiêu của đề tài là thiết kế và thi công một hệ thống khóa với tính năng mở khóa trực tiếp bằng vân tay hoặc thẻ RFID Ngoài ra, đề tài mong muốn xây dựng

một website để điều khiển và quản lý hệ thống khóa từ xa nhằm hướng đến sự tiện lợi cho người dùng Website được xây dựng bao gồm các tính năng mở khóa từ

xa, quan sát tình trạng an ninh và lưu lại nhật ký vào cửa

Việc sử dụng nhiều công nghệ trên cùng hệ thống cho phép người dùng có nhiều sự lựa chọn và mang lại cảm giác thoải mái nhất khi sử dụng

1.3 GIỚI HẠN NGHIÊN CỨU

Hệ thống khóa được thiết kế với phạm vi mô hình, chưa thể áp dụng vào thực

tế Quá trình nghiên cứu chỉ tập trung vào thiết kế và xây dựng hệ thống để thực hiện những tính năng đã nêu ra, không tập trung vào nghiên cứu sâu các thuật toán nhận dạng

1.4 BỐ CỤC

➢ Chương 1: Tổng quan Trình bày về tình hình nghiên cứu, mục tiêu nghiên

cứu, giới hạn đề tài và bố cục của đề tài

➢ Chương 2: Cơ sở lý thuyết Chương này giới thiệu về công nghệ sinh trắc

học, công nghệ RFID, các kỹ thuật sinh trắc học đang được sử dụng và ứng dụng của nó Ngoài ra chương còn trình bày về các hệ thống quản lý, giám sát an ninh bằng website

➢ Chương 3: Thiết kế hệ thống khóa thông minh Chương này trình bày các

yêu cầu của đề tài sau đó phân tích đưa ra những phương án phù hợp cho thiết kế

Từ cơ sở đó bắt đầu thực hiện thiết kế sơ đồ khối hệ thống, tính toán các thông số

kỹ thuật, thiết kế lưu đồ giải thuật và tiến hành lập trình cho hệ thống

➢ Chương 4: Kết quả Chương trình bày kết quả thi công hệ thống, hình ảnh

mô hình thực tế, quá trình thực hiện mô hình Hướng dẫn sử dụng mô hình Phân

tích và đánh giá hoạt động của khóa và giao diện của website

➢ Chương 5: Kết Luận Trình bày về những kết quả đạt được của đề tài, so

sánh với mục tiêu đã đề ra sau quá trình nghiên cứu và thi công Đưa ra hướng phát

triển cho mô hình trong tương lai

để bảo vệ dữ liệu nhạy cảm Sinh trắc học hành vi sẽ giúp mật khẩu trở nên mạnh

mẽ hơn bằng cách cung cấp một lớp bảo mật nhận dạng bổ sung và liên tục Mỗi phương pháp đều có ưu và nhược điểm riêng tùy vào mục đích sử dụng, chúng ta

có thể kết hợp chúng với nhau để bảo mật trở nên hiệu quả hơn

Hình 2.1: Công nghệ sinh trắc học

Một số công nghệ sinh trắc học sinh lý phổ biến:

❖ Công nghệ nhận diện khuôn mặt

Hình 2.2: Nhận diện khuôn mặt

Nhận diện khuôn mặt là công nghệ xác định danh tính một cá nhân qua một hình ảnh kỹ thuật số hoặc một khung hình từ một nguồn video Một số thuật toán nhận diện khuôn mặt xác định các đặc điểm khuôn mặt bằng cách trích xuất các ranh giới hoặc đặc điểm từ khuôn mặt của đối tượng Tùy vào tính chất của từng ứng dụng mà người ta sử dụng các thuật toán như PCA, Linear Discriminate Analysis, Fisherface và một số thuật toán khác để nhận diện khuôn mặt Một xu hướng mới tuyên bố có thể cải thiện được độ chính xác là nhận diện khuôn mặt ba chiều, kỹ thuật này sử dụng các cảm biến 3D để nắm bắt thông tin về hình dạng của khuôn mặt [8] Thông tin này sau đó được sử dụng để xác định các điểm đặc biệt trên bề mặt của một khuôn mặt chẳng hạn như các đường viền của hốc mắt, mũi và cằm Một lợi thế của nhận diện khuôn mặt 3D là nó không bị ảnh hưởng bởi những thay đổi trong ánh sáng như các kỹ thuật khác, nó cũng có thể xác định một khuôn mặt từ nhiều góc nhìn khác nhau Một kỹ thuật khác sử dụng các chi tiết của da được gọi là phân tích kết cấu da Nó đưa các đường đặc trưng, hình dạng và các điểm nốt trên làn da của một người vào một không gian toán học Các thử nghiệm đã chỉ ra rằng với việc bổ sung các phân tích cấu trúc của da, hiệu quả trong việc nhận ra khuôn mặt có thể tăng 20% đến 25% [9]

Nhiều quốc gia trên thế giới đã kết hợp công nghệ này vào hệ thống camera quan sát trong thành phố để phát hiện những tên tội phạm Trong sân bay, hệ thống giám sát toàn sân bay sử dụng hàng trăm camera nhận diện khuôn mặt để xác định các cá nhân đi qua sân bay Một ứng dụng khác của công nghệ này là mở khóa màn hình trên điện thoại Công nghệ nhận diện khuôn mặt đã mang đến cho con người tiện ích như:

- Tăng cường tính bảo mật cho thiết bị

- Hệ thống tự động phát hiện và nhận diện đối tượng

Tuy nhiên công nghệ này không được đánh giá cao vì:

- Khó thực hiện trong một số điều kiện nhất định như thiếu ánh sáng, người dùng đeo kính mát, một phần khuôn mặt bị che hoặc hình ảnh có độ phân giải thấp

- Mức độ bảo mật không cao

❖ Công nghệ nhận diện mống mắt

Hình 2.3: Nhận diện mống mắt

Mống mắt là một trong những bộ phận lý tưởng cho công nghệ nhận dạng sinh trắc học vì nó ít bị tổn hại và ổn định theo thời gian Công nghệ nhận diện mống mắt sử dụng thuật toán hình ảnh để nhận diện một người nào đó dựa vào cấu trúc phức tạp và độc nhất của mống mắt, thậm chí ngay cả khi họ đang đeo kính hoặc

sử dụng áp tròng từ một khoảng cách nhất định Công nghệ này được áp dụng trên dòng điện thoại cao cấp của Samsung nhằm mang đến một trải nghiệm mới cho người dùng và tăng độ bảo mật

Ưu điểm:

- Mức độ bảo mật cao

- Nhận diện cực nhanh

Nhược điểm:

người sử dụng

❖ Công nghệ nhận diện vân tay

Hình 2.4: Nhận diện vân tay

Khoa học về dấu vân tay được Francis Galton khởi xướng vào cuối thế kỉ thứ XIX Argentina là quốc gia đầu tiên trên thế giới sử dụng việc lăn tay để làm phương pháp nhận dạng thay cho phép đo người Bertillon của Alphonse Bertillon [10] Vân tay của con người không thay đổi theo thời gian, xác suất hai cá nhân thậm chí hai người sinh đôi có cùng dấu vân tay là rất thấp Đây được xem là một trong những công nghệ sinh trắc học tin cậy nhất hiện nay bởi sự ổn định và duy nhất của nó Công nghệ nhận diện vân tay hoạt động theo nguyên tắc: khi đặt ngón tay lên thiết bị đọc dấu vân tay, thiết bị này sẽ quét hình ảnh vân tay và đưa vào hệ thống Hệ thống sẽ xử lý hình ảnh vân tay, chuyển sang dạng dữ liệu số rồi đối chiếu các đặc điểm của vân tay đó với dữ liệu đã được lưu trữ trong hệ thống Nếu dấu vân tay này khớp với dữ liệu sẽ cho phép hệ thống thực hiện các chức năng tiếp theo [10]

Hầu hết các thiết bị di động hoặc laptop hiện nay đều sử dụng công nghệ này

để mở khóa Không chỉ gói gọn trong phạm vi mở khoá màn hình, cảm biến vân tay trên laptop còn giúp chúng ta nhập nhanh thông tin tài khoản trên nhiều trang web khác nhau Trong lĩnh vực giáo dục, sinh trắc vân tay hỗ trợ cho việc phân tích trí thông minh của mỗi cá nhân, điểm mạnh, điểm hạn chế để từ đó giúp mỗi

người có thể định hướng cho sự nghiệp của mình Ngoài ra, nhận diện vân tay còn được sử dụng để điểm danh và chấm công trong trường học Trong y học, dựa trên những hình ảnh vân tay đặc trưng, người ta phát hiện ra những bệnh do sai lệch

Ưu điểm:

- Hoạt động tốt trong những điều kiện ánh sáng khác nhau

- Tốc độ xử lý nhanh

Nhược điểm:

- Nhận diện bằng vân tay trong trường hợp ngón tay bị ướt sẽ rất khó khăn

- Sử dụng không hiệu quả vào mùa lạnh

Sinh trắc học hành vi:

❖ Nhận diện giọng nói

Hình 2.5: Nhận diện giọng nói

Công nghệ này đã bắt đầu được nghiên cứu từ năm 1936, hệ thống nhận diện giọng nói ban đầu chỉ hiểu chữ số Năm 1952, Bell Laboratories thiết kế ra hệ thống nhận diện chữ số từ một giọng nói nhất định là “Audrey” Sau mười năm, tại triển lãm World’s Fair, IBM trình diễn hệ thống “Shoebox” có thể nhận diện

16 từ tiếng Anh khác nhau Ngày nay, nhận diện giọng nói được sử dụng rất nhiều trong lĩnh vực trí tuệ nhân tạo mà Siri hay Google Assistant là những ví dụ điển hình [12]

Ưu điểm:

- Giúp nhập liệu hay điều khiển thiết bị một cách dễ dàng

- Hạn chế sự tác động của con người

Nhược điểm:

- Quá trình ghi nhận, làm quen với giọng nói tốn thời gian

- Bị nhiễu do môi trường

- Giọng nói con người có thể bị thay đổi do lão hóa hoặc bị bệnh

2.2 CÔNG NGHỆ NHẬN DẠNG SÓNG VÔ TUYẾN

RFID là công nghệ nhận dạng đối tượng bằng sóng vô tuyến Công nghệ này cho phép nhận biết các đối tượng thông qua hệ thống thu phát sóng radio, từ đó có thể giám sát, quản lý từng đối tượng Công nghệ RFID có thể xác định đối tượng

ở khoảng cách xa từ vài mét cho tới hàng chục mét trong không gian ba chiều, đây

là một ưu điểm vượt trội của RFID so với các công nghệ khác

Hình 2.6: Công nghệ RFID

Một hệ thống RFID gồm hai thành phần chính là thẻ RFID và đầu đọc thông tin trên thẻ Thẻ RFID được cầu tạo gồm chip và ăng–ten Chip lưu trữ một số thứ

tự duy nhất hoặc thông tin khác dựa trên loại thẻ, chúng có thể chứa từ 96 bit đến

512 bit dữ liệu Ăng-ten có chức năng truyền thông tin từ chip đến đầu đọc, công suất càng lớn thì phạm vi đọc càng lớn Đầu đọc có nhiệm vụ kích hoạt thẻ, nhận

dữ liệu bằng sóng vô tuyến từ thẻ RFID Sau đó thực hiện giải điều chế và giải mã tín hiệu nhận được từ thẻ ra dạng tín hiệu cần thiết để chuyển về máy chủ, đồng thời cũng nhận lệnh từ máy chủ để thực hiện các yêu cầu đọc hay ghi thẻ

Các tần số thường được sử dụng trong hệ thống RFID:

- Tần số thấp: 125 kHz - 134,2 kHz

- Tần số cao: 13.56 MHz

- Tần số cực tao: 860 MHz - 960 MHz

- Tần số siêu cao: 2.45 GHz [13]

Trên thực tế, RFID được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như nông nghiệp, công nghiệp và giáo dục Trong nông nghiệp, thẻ RFID được cấy lên vật nuôi để nhận dạng nguồn gốc và theo dõi vật nuôi để tránh thất lạc Trong công nghiệp, đưa vào sản phẩm để xác định thông tin mã số series, nguồn gốc sản phẩm, kiểm soát được sản phẩm nhập xuất Trong thư viện, các thẻ RFID được gắn với các cuốn sách giúp giảm thời gian tìm kiếm và kiểm kê, hạn chế tình trạng mất sách Công nghệ RFID còn có thể ứng dụng lưu trữ thông tin bệnh nhân trong y khoa bằng cách mang theo người bệnh nhân, đặc biệt là bệnh nhân tâm thần

Ngoài ra, công nghệ RFID là một phần không thể thiếu trong hệ thống kiểm soát ra vào hiện nay Hệ thống này có thể kiểm soát cửa ra vào trực tuyến hoặc không trực tuyến, hiển thị thông tin của người sử dụng, giờ vào ra chính xác hoặc phân quyền người sử dụng Đó là lí do vì sao khóa cửa từ có mặt tại hầu hết các công trình kiến trúc lớn nhỏ, đặc biệt là những nơi có nhu cầu sử dụng cao như khách sạn

Một số ưu điểm của công nghệ RFID:

- Giúp quản lý và giám sát đối tượng đơn giản hơn

- Khả năng đọc ghi dữ liệu nhiều lần

- Thẻ RFID hoạt động tốt trong môi trường không thuận lợi

Triển khai hệ thống RFID trong công nghiệp giúp tự động hóa quá trình sản xuất, tăng năng suất lao động, tăng sự thỏa mãn khách hàng và tăng lợi nhuận Mặc

dù RFID có nhiều ưu điểm và lợi thế phát triển, tuy nhiên vẫn còn một số nhược điểm:

- Chi phí triển khai cao

- Khả năng kiểm soát thiết bị còn hạn chế

2.3 HỆ THỐNG QUẢN LÝ BẰNG WEBSITE

Hệ thống quản lý bằng website ngày càng phổ biến và được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực Hệ thống quản lý nhà thông minh là một ví dụ điển hình, các thiết bị trong nhà như đèn, quạt hay điều hòa có thể điều khiển từ xa thông qua giao diện website một cách dễ dàng

Hình 2.7: Giao diện điều khiển nhà thông minh

Trong nông nghiệp, các thông tin về nhiệt độ không khí, độ ẩm đất, hình ảnh của vườn rau được cập nhật liên tục và hiển thị trên website Người dùng có thể theo dõi các thông số này và điều khiển các thiết bị phù hợp để chăm sóc vườn rau ngay khi ở cơ quan hoặc bất kỳ đâu thông qua website

Hình 2.8: Vườn rau thông minh

Trong lĩnh vực giáo dục, quản lý thông tin của học sinh qua website cũng mang lại nhiều tiện ích, phụ huynh có thể xác định tình trạng của con mình từ website của nhà trường mà không cần phải đến trường học để xác minh Đối với hệ thống chấm công nhân viên, thông tin về họ tên và thời gian của người điểm danh sẽ được cập nhật nhanh chóng lên website, điều này giúp công ty tiết kiệm chi phí và đánh giá nhân viên chính xác hơn

Qua những hệ thống kể trên, chúng ta thấy rằng quản lý hệ thống qua website không bị giới hạn về mặt địa lý, hỗ trợ con người rất nhiều trong cuộc sống bận

rộn ngày nay Hơn nữa, người dùng không cần cài đặt thêm phần mềm hổ trợ nào khi sử dụng website bởi hầu hết các thiết bị như điện thoại, laptop hiện nay đều trang bị sẵn trình duyệt web Internet hầu như có mặt ở khắp mọi nơi, khi đó con người có thể điều khiển các thiết bị, vườn rau và quản lý con của mình từ bất kỳ nơi đâu với website

2.4 CÁC HỆ THỐNG AN NINH

Quản lý, giám sát về trật tự công cộng và an toàn giao thông bằng hệ thống camera trong thời đại hiện nay là rất cần thiết Để đảm bảo an ninh cho thành phố, các camera được lắp đặt trên nhiều tuyến đường nhằm ghi lại các trường hợp gây rối trật tự hoặc trộm cướp, hỗ trợ trong việc xác minh danh tính của các đối tượng

vi phạm Ngoài ra, hệ thống này còn hỗ trợ giám sát giao thông, phát hiện và xử lý nhanh chóng các lỗi vi phạm, phát hiện các sự cố giao thông để hỗ trợ kịp thời, giúp tiết kiệm thời gian cho lực lượng cảnh sát giao thông và chi phí cho Nhà nước

An ninh trường học, đặc biệt là các trường mầm mon cũng đang được chú ý Việc trang bị hệ thống camera an ninh không chỉ giúp nhà trường theo dõi, quản

lý cơ sở vật chất mà còn giám sát hoạt động giảng dạy của giáo viên Điều này góp phần giảm thiểu các vụ bạo hành trẻ em trong thời gian qua Trong sân bay đòi hỏi mức độ an ninh cao hơn, các hệ thống camera không chỉ đơn thuần là sự ghi lại những hình ảnh camera quan sát, mà còn tích hợp công nghệ nhận dạng và phân tích khuôn mặt con người dù cho có nhiều nhóm người di chuyển liên tục trong tầm quan sát của nó, hỗ trợ phát hiện các tội phạm để ngăn chặn kịp thời

Hình 2.9: Camera an ninh

Hệ thống báo động xâm nhập là một hệ thống an ninh được sử dụng trong các khu vực có nguy cơ mất cắp cao Hệ thống này theo dõi tất cả các cửa ra vào bằng nhiều cảm biến và báo động bằng loa khi phát hiện sự xâm nhập trái phép

Hình 2.10: Hệ thống báo động xâm nhập

Hình 2.11: Hệ thống cảnh báo hỏa hoạn

Hệ thống cảnh báo hỏa hoạn nói chung bao gồm nhiều thiết bị đầu vào như cảm biến phát hiện khói hoặc khí gas, cảnh báo nhiệt Khi có dấu hiệu cháy như

nhiệt độ gia tăng đột ngột, có sự xuất hiện của khói hoặc các tia lửa, các thiết bị đầu vào nhận tín hiệu và truyền thông tin của sự cố về trung tâm báo cháy Tại đây trung tâm sẽ xử lý thông tin nhận được, xác định vị trí nơi xảy ra sự cháy và truyền thông tin đến các thiết bị đầu ra, các thiết bị này sẽ phát tín hiệu âm thanh, ánh sáng để mọi người nhận biết khu vực đang xảy ra sự cháy và xử lý kịp thời Hệ thống hỗ trợ công tác phòng cháy chữa cháy phát hiện kịp thời vị trí của đám cháy, đồng thời cảnh báo cho cư dân trong tòa nhà và các hộ dân lân cận

Ngoài những hệ thống đã kể trên, khóa cửa thông minh được xem là hệ thống

an ninh phổ biến và quan trọng hiện nay bởi sự tiện nghi cũng như tính bảo mật cao của nó Trên thị trường cung cấp đa dạng các loại khóa với tính năng và giá thành khác nhau Khóa Samsung SHP DP728 được đánh giá là một trong những khóa thông minh tốt nhất hiện nay, nó được trang bị các công nghệ như công nghệ sinh trắc học vân tay, công nghệ RFID và mã giả Ngoài ra, hệ thống còn tích hợp các tính năng cảnh báo để đảm bảo sự an ninh cho hệ thống khóa

Hình 2.12: Khóa cửa vân tay

- Có khả năng chụp ảnh và xem video trực tuyến từ camera

- Bật chuông gọi cửa khi vân tay không trùng khớp và cảnh báo khi có người

quả sau đó kết nối với cơ sở dữ liệu và kiểm tra kết quả nhận được có tồn tại hay không Nếu tồn tại nhật ký sẽ được lưu trữ trong cơ sở dữ liệu và hiển thị lên website, đồng thời khối điều khiển chốt khóa của được kích hoạt để mở khóa Ngược lại nếu kết quả không trùng khớp, khóa sẽ không mở và khối chuông báo

sẽ được kích hoạt để tạo âm thanh cảnh báo người dùng Trong cả hai trường hợp, khối hiển thị sẽ hiển thị thông tin người mở khóa và trạng thái của khóa

Khối đọc thẻ RFID sẽ đọc dữ liệu trên thẻ sau đó gửi về khối điều khiển trung tâm Kết quả trả về được so sánh với mã thẻ đã lưu trên cơ sở dữ liệu để thực hiện

mở khóa

Khối nút nhấn được dùng trong trường hợp mở khóa từ bên trong nhà Khối điều khiển trung tâm sẽ kích hoạt khối điều khiển chốt khóa cửa để mở khóa khi nút nhấn được nhấn

Khối cảm biến từ kiểm tra trạng thái cửa đang đóng hay đang mở và trả về kết quả phù hợp Khi cửa đang đóng, hệ thống sẽ tự động khóa sau 3 giây

3.3 THIẾT KẾ TỪNG KHỐI

3.3.1 Khối cảm biến vân tay

Hiện nay có nhiều loại cảm biến vân tay được cung cấp trên thị trường như mô-đun cảm biến vân tay R303S và R101 có khả năng lưu trữ lên đến 1000 mẫu vân tay, mô-đun R301 có thể lưu trữ 500 mẫu vân tay và mô-đun R305 là 256 vân tay Dung lượng lưu trữ càng lớn thì giá thành của các mô-đun này càng cao Do

hệ thống khóa được thiết kế sử dụng cho căn hộ, chung cư nên số lượng thành viên trong một gia đình là hạn chế Cảm biến vân tay R305 được chọn sử dụng trong

đồ án này để tránh gây lãng phí về dung lượng cũng như giảm chi phí cho hệ thống khóa

Hình 3.2: Mô-đun cảm biến vân tay R305.

❖ Giao tiếp với Raspberry Pi

Mô-đun cảm biến vân tay R305 kết nối với USB TTL để giao tiếp UART với Raspberry Pi 3 qua cổng USB 2.0, tiết kiệm các chân I/O để giao tiếp với các mô-đun khác

Sau khi kết nối cảm biến vân tay với Raspberry, việc xử lý vân tay bao gồm 2 phần: đăng ký vân tay và kiểm tra vân tay Khi đăng ký vân tay, người dùng cần phải thực hiện quét vân tay hai lần thông qua cảm biến quang học Hệ thống sẽ tiến hành xử lý hình ảnh của 2 lần quét và tạo ra một bản mẫu vân tay, sau đó lưu trữ mẫu này vào thư viện Khi kiểm tra vân tay, người dùng quét vân tay và hệ thống

sẽ so sánh vân tay vừa quét với các mẫu vân tay được lưu trữ trong thư viện

❖ Sơ đồ kết nối

Hình 3.3: Sơ đồ kết nối Raspberry Pi với mô-đun vân tay và camera

3.3.2 Khối camera

Webcam Logitech C170 có thể chụp ảnh với độ phân giải cao lên đến 5MP, quay video với độ phân giải XGA và tích hợp micro với công nghệ RightSound giúp giảm tiếng ồn Độ phân giải cao cho hình ảnh chân thực, giúp người dùng có thể xác minh danh tính qua hình ảnh một cách dễ dàng Webcam giao tiếp với Raspberry Pi 3 qua chuẩn giao tiếp USB với thiết lập “cấm và chạy” đơn giản Sơ

đồ kết nối Camera với Raspberry Pi được thể hiện như Hình 3.3

Hình 3.4: Webcam Logitech C170

3.3.3 Khối đọc thẻ RFID

Module RFID sử dụng IC MFRC522 để đọc và ghi dữ liệu cho thẻ hoạt động

ở tần số 13.56 MHz Đây là mô-đun RFID hoạt động ở tần số cao và được sử dụng phổ biến hiện nay

Hình 3.5: Mô-đun RFID

❖ Chuẩn giao tiếp

- Giao tiếp SPI lên tới 10 Mbit/s

- Chuẩn I2C lên đến 400 kbit/s ở chế độ Fast và 3400 kbit/s ở chế độ speed

Mô-đun RFID giao tiếp với khối điều khiển trung tâm qua chuẩn giao tiếp SPI

vì chuẩn giao tiếp này có tốc độ hoạt động cao nhất, giúp hệ thống khóa đáp ứng nhanh hơn

❖ Sơ đồ kết nối

Hình 3.6: Sơ đồ kết nối Raspberry Pi với mô-đun RFID

3.3.4 Khối cảm biến từ

Cảm biến cửa từ gồm hai loại có dây và không dây Giá thành của cảm biến từ không dây cao hơn cảm biến từ có dây Mặt khác, hệ thống khóa được lắp đặt cho cửa chính của căn hộ nên khoảng cách từ bộ điều khiển trung tâm đến cảm biến từ

là gần nhau, do đó cảm biến từ có dây được lựa để tiết kiệm chi phí cho hệ thống,

cụ thể là cảm biến cửa từ cửa MC-38

hở mạch

Hình 3.8: Nguyên lý hoạt động

❖ Sơ đồ kết nối

Hình 3.9: Sơ đồ kết nối Raspberry Pi với công tắc từ

3.3.5 Khối hiển thị

Hiện nay trên thị trường có nhiều loại màn hình hiển thị như LCD, TFT-LCD

có khả năng hiển thị thông tin văn bản, hình ảnh, video và khả năng tương tác với người dùng thông qua màn hình cảm ứng Trong đồ án này, màn hình chỉ có chức năng hiển thị thông tin dạng văn bản và không có chức năng tương tác người dùng Kết hợp với tiêu chí nhỏ gọn của hệ thống khóa nên màn hình OLED 0.91 inch là

sự lựa chọn phù hợp Đây là một công nghệ mỏng và hiệu quả hơn so với LCD vì OLED phát ra ánh sáng thay vì cần đèn nền nên tạo ra độ tương phản cao và giúp giảm công suất Màn hình sử dụng chuẩn giao tiếp I2C cho chất lượng đường truyền ổn định

Hình 3.10: Màn hình OLED

❖ Sơ đồ kết nối

Hình 3.11: Sơ đồ kết nối Raspberry Pi với màn hình OLED

3.3.6 Khối chuông báo

Hệ thống khóa được thiết kế ở phạm vi mô hình nên không cần sử dụng chuông cửa có điện áp lớn để tránh gây ồn ào Còi buzzer 5VDC được lựa chọn để thay thế chuông cửa vì chúng có tuổi thọ cao, hiệu suất ổn định, thiết kế nhỏ gọn phù hợp với các mạch báo động Nguyên lí hoạt động của buzzer rất đơn giản, kết nối trực tiếp buzzer với Raspberry Pi và bật điện trở kéo lên của chân GPIO kết nối với buzzer, xuất tín hiệu mức thấp để điểu khiển buzzer phát ra âm thanh

Hình 3.14: Nút nhấn.

3.3.8 Khối điều khiển chốt khóa cửa

Chốt khóa cửa được điều khiển xoay bằng động cơ, cơ cấu này có thể áp dụng cho nhiều loại khóa cửa khác nhau và vẫn có thể mở khóa khi hệ thống khóa mất điện Có hai loại động cơ với góc quay chính xác là động cơ servo và động cơ bước Mặc dù có góc quay chính xác và đa dạng hơn động cơ servo, tuy nhiên kích thước và trọng lượng cửa động cơ bước không phù hợp với tiêu chí nhỏ gọn của khóa Chốt khóa cửa chỉ cần xoay 90 độ là có thể mở nên động cơ servo là lựa chọn hợp lý hơn Động cơ RC Servo MG996 có lực kéo mạnh, các khớp và bánh

răng được làm hoàn toàn bằng kim loại nên có độ bền cao Động cơ được tích hợp sẵn driver điều khiển bên trong theo cơ chế phát xung - quay góc nên rất dễ sử dụng

Bảng 3.4: Thông số điện áp và dòng điện của các mô-đun

3 Cảm biến vân tay R305 5V 100mA

Tổng dòng diện: 1.249A – 1.262A

Raspberry Pi 3 cung cấp 40 chân bao gồm 28 chân GPIO, 2 chân nguồn 5V, 2 chân nguồn 3.3V và 8 chân GND Nó cần 2.5A từ nguồn cung cấp và yêu cầu khoảng 750mA để khởi động Khi đó, chân 5V của Raspberry Pi 3 có thể cung cấp dòng tối đa khoảng 1.7A và chân 3.3V cung cấp 50mA

Với những thông số từ bảng, ta thấy rằng dòng điện tối đa của các mô-đun sử dụng điện áp 3.3V là 26mA (nhỏ hơn 50mA) Dòng điện tối đa của các mô-đun sử dụng điện áp 5V là 900mA (nhỏ hơn 1.7A), trong đó mô-đun vân tay kết nối với USB TTL để thực hiện giao tiếp UART Webcam và mô-đun vân tay giao tiếp với Raspberry Pi 3 qua cổng USB 2.0 Do đó, tất cả mô-đun trên có thể sử dụng nguồn trực tiếp từ Raspberry Pi 3 mà không cần dùng thêm nguồn bên ngoài

Từ những phân tích trên, đề tài lựa chọn nguồn pin dự phòng có dung lượng 10000mAh với điện áp đầu ra 5V và dòng 2.4A để cung cấp cho Raspberry Pi 3 Kết quả thực nghiệm cho thấy dung lượng pin này ước tính có thể cung cấp liên tục cho Raspberry Pi 3 trong vòng 24 giờ

3.3.10 Khối điều khiển trung tâm

Để giao tiếp với các khối còn lại của hệ thống, bo mạch Arduino hoặc các dòng

vi điều khiển như PIC, ARM hoàn toàn có thể thực hiện được Tuy nhiên, dữ liệu sau khi thu thập sẽ được truyền lên web, các vi điều khiển kể trên không đáp ứng công việc này, chúng cần giao tiếp thêm với mô-đun wifi để để có thể truyền nhận

dữ liệu qua mạng Khi đó, Raspberry Pi 3 được tích hợp khả năng kết nối wifi hỗ trợ gửi dữ liệu lên web dễ dàng, đảm bảo tính nhỏ gọn của hệ thống khóa

Khe cắm thẻ nhớ Micro SDIO

3.4 THIẾT KẾ PHẦN MỀM

3.4.1 Lưu đồ giải thuật

❖ Lưu đồ chương trình chính

Khi cấp nguồn cho hệ thống, chương trình chính sẽ tiến hành khởi tạo GPIO, khởi tạo hàm thiết lập thời gian Hai chương trình con quét vân tay và đọc thẻ RFID hoạt động xoay vòng sau mỗi 10 giây Mỗi chương trình con sau khi kết thúc

sẽ trả về giá trị và gửi giá trị đó đến chương trình con điều khiển chốt khóa cửa và hiển thị thông tin ra màn hình

Hình 3.18: Lưu đồ chương trình chính

❖ Lưu đồ chương trình quét vân tay

Khi ở chế độ quét vân tay, màn hình sẽ hiển thị yêu cầu người dùng đặt ngón tay vào cảm biến để nhận diện Nếu vân tay vừa quét trùng khớp với mẫu vân tay được lưu trữ trong bộ nhớ thì các thông tin bao gồm ID vân tay, họ tên, ngày và giờ mở cửa sẽ được cập nhật lên cơ sở dữ liệu, sau đó chương trình sẽ gởi tín hiệu

mở cửa về chương trình chính để thực hiện mở cửa Nếu vân tay không trùng khớp với dữ liệu được lưu trong bộ nhớ, hệ thống sẽ kích hoạt chuông gọi cửa để