ĐỒ án 1 hệ THỐNG KHÓA cửa THÔNG MINH NGÀNH CÔNG NGHỆ kỹ THUẬT máy TÍNH

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HỒ CHÍ MINH KHOA ĐIỆN ĐIỆN TỬ BỘ MÔN KỸ THUẬT MÁY TÍNH - VIỄN THƠNG - ĐỒÁN1 HỆ THỐNG KHĨA CỬA THƠNG MINH NGÀNH CƠNG NGHỆ KỸ THUẬT MÁY TÍNH Sinh viên: NGUYỄN ĐỨC NGỌC CẢNH MSSV: 17119059 BÙI VIẾT DANH MSSV: 17119061 TP HỒ CHÍ MINH – 07/2020 TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HỒ CHÍ MINH KHOA ĐIỆN ĐIỆN TỬ BỘ MƠN KỸ THUẬT MÁY TÍNH - VIỄN THÔNG - ĐỒÁN1 HỆ THỐNG KHĨA CỬA THƠNG MINH NGÀNH CƠNG NGHỆ KỸ THUẬT MÁY TÍNH Sinh viên: NGUYỄN ĐỨC NGỌC CẢNH MSSV: 17119059 BÙI VIẾT DANH MSSV: 17119061 Hướng dẫn: PGS.TS PHAN VĂN CA TP HỒ CHÍ MINH – 07/2020 MỤC LỤC CHƯƠNG TỔNG QUAN ĐỀ TÀI 1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ 1.2 MỤC TIÊU ĐỀ TÀI 1.3 NỘI DUNG ĐỀ TÀI 1.4 GIỚI HẠN ĐỀ TÀI 1.5 BỐ CỤC CHƯƠNG CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 PHẦN CỨNG 2.1.1 Giới thiệu Arduino Uno R3 2.1.2 Giới thiệu ESP8266 NodeMCU 2.1.3 Giới thiệu RFID RC522 11 2.1.4 Giới thiệu động Servo 13 2.1.5 Giới thiệu MC-38 14 2.2 CÁC CHUẨN GIAO TIẾP ĐƯỢC SỬ DỤNG 15 2.2.1 Chuẩn giao tiếp UART 15 2.2.2 Chuẩn giao tiếp SPI 16 2.3 PHẦN MỀM 17 2.3.1 Giới thiệu Firebase 17 2.3.2 Arduino IDE 19 CHƯƠNG TÍNH TỐN VÀ THIẾT KẾ 21 3.1 GIỚI THIỆU 21 3.2 TÍNH TỐN VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG 21 3.2.1 Thiết kế sơ đồ khối hệ thống 21 3.2.2 Tính tốn thiết kế mạch 22 CHƯƠNG THI CÔNG HỆ THỐNG 28 4.1 GIỚI THIỆU 28 4.2 THI CÔNG HỆ THỐNG 28 4.2.1 Thi công bo mạch 28 4.2.2 Lắp ráp kiểm tra 29 4.3 LẬP TRÌNH HỆ THỐNG 31 4.3.1 Lưu đồ giải thuật 31 4.3.2 Viết chương trình cho mạch 34 CHƯƠNG KẾT QUẢ VÀ NHẬN XÉT 39 5.1 KẾT QUẢ 39 5.1.1 Kết đạt 39 5.1.2 Kết thực 40 5.2 NHẬN XÉT 44 CHƯƠNG KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 46 6.1 KẾT LUẬN 46 6.2 HƯỚNG PHÁT TRIỂN 47 TÀI LIỆU THAM KHẢO 48 LỜI MỞ ĐẦU Ngày khoa học ngày phát triển tiến vượt bậc, mang lại cho sống tiện nghi Sự đa dạng phát triển khoa học kỹ thuật làm cho có nhiều lựa chọn để giải vấn đề khác Việc ứng dụng thành tựu khoa học kỹ thuật đại tất lĩnh vực phổ biến toàn giới, thay dần phương thức thủ công, lạc hậu ngày cải tiến đại Trong sống ngày, việc đường luôn phải cầm theo hay chùm chìa khóa vất vả, phải tìm chìa nhỏ nhắn để mở cửa hay nằm nơi khơng thể tìm thấy túi mình, làm nhiều thời gian Nó cịn có rủi ro thất lạc Trước tình hình đó, “Hệ Thống Khóa Cửa Thơng Minh” đời để giúp người không bị thất lạc chìa khóa, rút ngắn thời gian mở cửa Sau vài tháng thiết kế thi cơng mơ hình với hướng dẫn thầy Phan Văn Ca, đề tài hoàn thành hoạt động tương đối ổn định Tuy nhiên tầm hiểu biết thời gian hạn chế nên khó tránh khỏi sai sót Rất cảm ơn hướng dẫn Thầy bạn bè làm cho đồ án hoàn chỉnh Trong báo cáo gồm có chương: CHƯƠNG I: TỔNG QUAN ĐỀ TÀI CHƯƠNG II: CƠ SỞ LÝ THUYẾT CHƯƠNG III: TÍNH TỐN VÀ THIẾT KẾ CHƯƠNG IV: THI CƠNG HỆ THỐNG CHƯƠNG V: KẾT QUẢ VÀ NHẬN XÉT CHƯƠNG VI: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CHƯƠNG TỔNG QUAN ĐỀ TÀI 1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ Mỗi người sở hữu smartphone chạy hệ điều hành android tay, có người cịn sử dụng để phục vụ nhu cầu riêng họ Điện thoại vật có giá trị, nên người ý đến mà giữ gìn bảo quản kỹ càng, cịn chìa khóa nhỏ bé lại dễ bị đánh rơi cho dù muốn hay không muốn Với mức sống ngày cao xã hội nay, cộng với việc kinh tế xã hội phát triển cực nhanh vấn đề bảo mật đáng quan tâm Chúng ta muốn biết nhà cửa mở hay đóng khơng, nhà có an tồn khơng, đề tài giúp tăng tính bảo mật chủ động gia chủ, trực quan gia chủ vắng nhà Vì thế, nhóm chúng em nghĩ ý tưởng kết hợp chìa khóa vào điện thoại thơng minh, khắc phục vấn đề khỏi nhà phải cầm theo chìa khóa, có điện thoại mở cửa dễ dàng Ngồi ra, điện thoại hết pin hệ thống có biện pháp đề phòng mở thẻ từ Sự đời điện thoại thông minh thẻ từ làm thay đổi phương thức mở khóa Làm cho việc mở cửa trở nên nhanh chóng, đại, hiệu Có thể nói đề tài “Hệ Thống Khóa Cửa Thơng Minh” mang lại hiệu cao sống, mang tính bảo mật tốt thuận tiện, dễ sử dụng Đề tài sử dụng KIT nodeMCU kit phát triển dựa chip Wifi SoC ESP8266 với thiết kế dễ dàng sử dụng tích hợp chip nạp board Ngơn ngữ lập trình sử dụng trực tiếp phần mềm IDE Arduino để lập trình với thư viện riêng 1.2 MỤC TIÊU ĐỀ TÀI - Tiếp nhận tín hiệu từ cảm biến điều khiển thiết bị - Có chức giám sát trạng thái đóng mở cửa - Điều khiển điện thoại - Có thể thi cơng đồ án mơ hình 1.3 NỘI DUNG ĐỀ TÀI - Tìm hiểu Arduino - Tìm hiểu module ESP8266 nodeMCU - Tìm hiểu module RFID RC522 - Tìm hiểu cách trao đổi liệu FireBase ESP thông qua Wifi - Tìm hiểu cách trao đổi liệu ESP Arduino thông qua UART - Thiết kế ứng dụng điều khiển thiết bị 1.4 GIỚI HẠN ĐỀ TÀI Vì số yếu tố khách quan (điều kiện tài chính…) yếu tố chủ quan (hạn chế kiến thức chuyên môn…) mà nội dung đề tài thực phạm vi sau đây: - Hệ thống sử dụng Wifi để điều khiển Thay vào thực tế có nhiều loại sóng khác điều khiển giám sát như: sóng Bluetooth… - Kích thước mơ hình - Sử dụng tảng có sẵn thư viện mở để phát triển sản phẩm - Giao diện ứng dụng điện thoại tự thiết kế, đơn giản dễ sử dụng 1.5 BỐ CỤC Nội dung để tài trình bày sau, thành chương sau: - Chương Tổng quan đề tài: Trình bày tổng quan tình hình nghiên cứu, mục tiêu nghiên cứu phạm vi nghiên cứu đề tài - Chương Cơ sở thiết kế: Ở chương nhóm trình bày sở lý thuyết vấn đề liên quan hệ thống Giới thiệu thiết bị phần cứng giao thức truyền thông thiết bị hệ thống - Chương Tính tốn thiết kế: Chương thiết kế sơ đồ khối hệ thống Từ lựa chọn linh kiện thích hợp để xây dựng sơ đồ nguyên lý toàn hệ thống - Chương Thi cơng hệ thống: Trình bày thiết kế phần cứng, đưa lưu đồ giải thuật cho phần mềm Thiết kế giao diện điện thoại, trình điều khiển, giám sát hoạt động hệ thống - Chương Kết nhận xét: Những kết đạt sau thời gian thực hiện, kết thực nghiệm, từ đưa đánh giá nhận xét - Chương Kết luận hướng phát triển: Tóm tắt nội dung đề tài kết luận việc làm được, hạn chế Từ rút nhận xét khả ứng dụng thực tế hướng phát triển đề tài Đặt móng cho đề tài nghiên cứu sau hồn thiện tiến mặt kết thực nghiệm CHƯƠNG CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 PHẦN CỨNG 2.1.1 Giới thiệu Arduino Uno R3 Arduino board mạch vi xử lý, nhằm xây dựng ứng dụng tương tác với với môi trường thuận lợi Phần cứng bao gồm board mạch nguồn mở thiết kế tảng vi xử lý AVR Atmel 8bit, ARM Atmel 32-bit Những Model trang bị gồm cổng giao tiếp USB, chân đầu vào analog, 14 chân I/O kỹ thuật số tương thích với nhiều board mở rộng khác Được giới thiệu vào năm 2005, Những nhà thiết kế Arduino cố gắng mang đến phương thức dễ dàng, không tốn cho người yêu thích, sinh viên giới chuyên nghiệp để tạo thiết bị có khả tương tác với mơi trường thông qua cảm biến cấu chấp hành Những ví dụ phổ biến cho người yêu thích bắt đầu bao gồm robot đơn giản, điều khiển nhiệt độ phát chuyển động Hình 2.1 Arduino UNO R3 Hình 5.3 Mơ hình khóa cửa cửa khơng khóa lại chưa khép Hình 5.4 Mơ hình khóa cửa cửa khóa lại khép 43 Hình 5.5 Mơ hình khóa cửa cửa mở khóa app Hình 5.6 Mơ hình khóa cửa cửa khóa lại app 44 b) Phần mềm: Hình 5.7 Giao diện khóa cửa sử dụng điện thoại Giao diện khóa cửa có phần chính: tên khóa cửa, ổ khóa thể trạng thái khóa, trạng thái cửa khép chưa khép Khi có mạng, ứng dụng tự động đồng liệu với sở liệu thể trạng thái khóa Tốc độ phản hồi ứng dụng so với động đầu bên gần realtime Khách hàng tải ứng dụng cách quét mã QR đây, sau nhóm tiến hành cài đặt tài khoản Firebase, tên mật wifi khách hàng để khóa cửa hoạt động 45 Hình 5.8 Mã QR để tải ứng dụng khóa cửa 5.2 NHẬN XÉT Nhìn chung, mơ hình hoạt động tương đối ổn định (vì thử nghiệm hoạt động khoảng 1h, nhóm chưa có điều kiện thử nghiệm khoảng thời gian dài để đưa kết luận độ ổn định hệ thống) Có thể làm việc liên tục (nếu nguồn sử dụng adapter sạc) Hệ thống sử dụng nguồn cấp nhỏ từ 5V trở xuống nên an toàn cho người sử dụng trước nguy điện giật Thời gian đáp ứng từ phản hồi từ động khoảng 1s Khoảng cách điều khiển điện thoại khơng giới hạn Sản phẩm phụ thuộc hồn tồn vào mạng wifi Vùng phủ sóng mạnh sản phẩm hoạt động tốt Việc thay đổi wifi sử dụng tiến hành dễ dàng Phần mềm phản hồi tốt, nhanh chóng, khơng có thời gian trễ (nếu tín hiệu mạng thơng suốt) 46 Bảng 5.1 Số liệu điều khiển thiết bị thực tế ST T Phương thức điều khiển Số lần thực Số lần thành công Tỉ lệ thành công RFID 10 10 100% Ứng dụng điện thoại thông minh 10 10 100% Bảng kết nhóm thu từ việc điều khiển động mở khóa, ta thấy thiết bị điều kiện lý tưởng (cấp đủ nguồn, wifi mạnh, khoảng cách qt thẻ từ đủ gần…) tỉ lệ thành cơng tuyệt đối Tuy nhiên, hạn chế kiến thức thời gian thực hiện, nguồn tài liệu tham khảo chủ yếu thông qua Internet nên đề tài khơng tránh khỏi sai sót cịn số hạn chế: Hạn chế lớn chưa có nguồn điện dự trữ để cung cấp cho hệ thống hoạt động nguồn Hoạt động chủ yếu mơi trường có phủ sóng wifi Mơ hình chưa hồn thiện, cịn nhiều thiếu sót, tính thẩm mỹ chưa cao Phần mềm cịn đơn giản, chưa có chức thêm, xóa thẻ từ 47 CHƯƠNG KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 6.1 KẾT LUẬN Sau thời gian tìm hiểu, nghiên cứu thực đề tài nhóm, hướng dẫn giáo viên nhóm hồn thành đề tài “HỆ THỐNG KHĨA CỬA THƠNG MINH” Hệ thống đáp ứng tính năng, nội dung mục tiêu sau: Giao tiếp truyền liệu thành công Arduino UNO R3 với module ESP8266 nodeMCU, module đọc thẻ RFID, cảm biến từ MC38, động Servo SG90 Điều khiển động thẻ từ ứng dụng điện thoại Có thể giám sát trạng thái đóng/mở cửa Hiển thị trạng thái khóa khép hình ứng dụng điện thoại Cập nhật liệu điều khiển lên sở liệu Firebase thành công Thông qua Bảng 5.1 nêu chương 5, sản phẩm đạt 100% mục tiêu đề thiết bị 90% mục tiêu đề đề tài Sản phẩm chưa thể thương mại hóa hoàn thiện thêm chút để sử dụng hộ gia đình với phạm vi định Các hạn chế mà chưa thể thương mại hóa: Tác động điều khiển cịn hạn chế hoạt động thơng qua wifi Chưa quan tâm đến công suất tiêu thụ thiết bị Kích thước sản phẩm cịn thơ, thiếu tính thẩm mỹ, chưa hồn thiện Chưa có tính thêm, xóa mã thẻ RFID Phải nạp lại KIT cần thêm/bớt thẻ, thay đổi wifi 48 6.2 HƯỚNG PHÁT TRIỂN Hệ thống điều khiển cửa mở rộng khả điều khiển theo thời gian, đặt lịch hẹn bật tắt thiết bị, có thêm chế độ sleep mode Thiết kế điều khiển công tắc tổng xảy cố cháy nổ Thiết kế nguồn điện dự phòng điện đột ngột thời gian dài Cải tiến thêm/xóa thẻ từ, wifi mà khơng cần đến việc nạp lại mạch Có thêm camera để nhận diện chủ nhà, hay gửi thông báo đến người khơng có nhà cửa có tác động Nâng cấp thiết bị để lưu trữ điều khiển nhiều thiết bị Nâng cấp hệ thống sở liệu phù hợp cho việc quản lý số lượng lớn thiết bị lúc nhà Cải tiến lại phần mềm vận hành, quản lý cho hiệu tối ưu 49 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Phan Văn Ca – Trương Văn Phúc, Giáo trình Thiết kế hệ thống nhúng TPHCM, Việt Nam: Nhà xuất Đại học Quốc gia TP Hồ Chí Minh, 2017 [2] Nguyễn Văn Hiệp, Giáo trình Lập trình Android Ứng dụng điều khiển TPHCM, Việt Nam: Nhà xuất Đại học Quốc gia TP Hồ Chí Minh, 2016 [3] Datasheet Atmega328p http://www.microchip.com/wwwproducts/en/ATmega328p [4] Datasheet Động Servo http://www.micropik.com/PDF/SG90Servo.pdf [5] Diễn đàn Vi điều khiển, Bài 8: Giao tiếp UART Mcu.banlinhkien.vn, 07/2020 [6] Học ARM, Giao tiếp ESP8266 Arduino Uno/Mega Hocarm.org, 07/2020 [7] Iotguider, Serial communication between NodeMCU and Arduino Iot-guider.com, 07/2020 50 ...TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HỒ CHÍ MINH KHOA ĐIỆN ĐIỆN TỬ BỘ MÔN KỸ THUẬT MÁY TÍNH - VIỄN THƠNG - Đ? ?ÁN1 HỆ THỐNG KHĨA CỬA THƠNG MINH NGÀNH CƠNG NGHỆ KỸ THUẬT MÁY TÍNH Sinh viên: NGUYỄN... Thiết kế sơ đồ khối hệ thống 21 3.2.2 Tính tốn thiết kế mạch 22 CHƯƠNG THI CÔNG HỆ THỐNG 28 4 .1 GIỚI THIỆU 28 4.2 THI CÔNG HỆ THỐNG 28 4.2 .1 Thi công bo mạch... 17 2.3 .1 Giới thiệu Firebase 17 2.3.2 Arduino IDE 19 CHƯƠNG TÍNH TỐN VÀ THIẾT KẾ 21 3 .1 GIỚI THIỆU 21 3.2 TÍNH TỐN VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG 21 3.2 .1 Thiết