TỔNG QUAN
Giới thiệu
Ổ khoá đóng vai trò quan trọng trong việc bảo vệ tài sản, đảm bảo an ninh và tạo sự riêng tư cho cá nhân và tổ chức Chức năng chính của ổ khoá là ngăn chặn truy cập trái phép, cho phép chỉ những người có chìa khóa hoặc mã xác thực mới có thể vào không gian được bảo vệ Các biện pháp bảo vệ truyền thống như ổ khoá cửa không đủ an toàn cho nhà cửa, do đó, cần sử dụng thiết bị khóa cửa với công nghệ bảo mật cao để tăng cường sự an toàn cho tài sản.
Công nghệ RFID sử dụng tín hiệu sóng radio để nhận dạng và truyền dữ liệu từ thẻ điện tử đến đầu đọc mà không cần tiếp xúc trực tiếp, mang lại sự tiện lợi và tự động hóa trong quản lý thông tin Hiện nay, RFID được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực, như trong hệ thống tính cước phí đường sắt metro với mô hình thu phí sử dụng board Arduino UNO và module RFID RF522 Ngoài ra, RFID còn được tích hợp trong hệ thống bảo mật, ví dụ như mô hình khóa điện tử giám sát từ xa sử dụng GSM và RFID, cho phép đóng mở cửa bằng thẻ RFID và theo dõi qua tin nhắn, giúp giảm thiểu tình trạng trộm cắp.
Công nghệ bảo mật bằng vân tay đang ngày càng phổ biến nhờ vào tính duy nhất của mỗi dấu vân tay, giúp xác định danh tính cá nhân một cách đáng tin cậy Mỗi người có các đặc điểm vân tay khác nhau như đường viền và mẫu nếp gấp, điều này khiến không có hai người nào có cùng một dấu vân tay Nhiều đề tài nghiên cứu đã ứng dụng công nghệ quét vân tay, chẳng hạn như “Hệ thống quản lý, giám sát phòng họp” sử dụng vi điều khiển Arduino và module cảm biến vân tay R305 để giám sát người ra vào, hay “Thiết kế và thi công tủ đựng vật dụng của giảng viên bảo mật bằng vân tay” nhằm bảo vệ đồ dùng của giảng viên và thông báo trạng thái tủ qua ứng dụng trên điện thoại.
Nhóm đã chọn đề tài “Thiết kế và thi công mô hình khoá cửa điện tử có giám sát từ xa” nhằm nâng cao sự tiện lợi và linh hoạt cho người dùng, đồng thời đảm bảo tính bảo mật và an toàn, giúp giảm thiểu rủi ro mất mát tài sản so với các phương thức bảo mật truyền thống Hệ thống sử dụng vi điều khiển trung tâm Arduino Mega 2560, Servo SG90, cảm biến vân tay AS608, module RFID RC522 và màn hình LCD 16x2.
Để nâng cao khả năng bảo mật và bảo vệ tài sản, bài viết đề xuất áp dụng ba phương pháp: quẹt thẻ RFID, quét vân tay và nhập mật mã, kết hợp với module SIM800L nhằm gửi cảnh báo đến điện thoại khi có xác thực mở khóa không chính xác.
Mục tiêu đề tài
Hệ thống khóa điện tử được thiết kế và thi công với vi điều khiển Arduino làm bộ xử lý trung tâm, cho phép mở cửa bằng ba phương pháp: quét thẻ RFID, nhận diện vân tay và nhập mật mã qua ma trận phím Đặc biệt, hệ thống sẽ gửi thông báo đến điện thoại khi có cố gắng mở khóa không hợp lệ.
Giới hạn đề tài
Đề tài có một số giới hạn sau:
- Mô hình thử nghiệm có kích thước 20cm x 20cm và 1 mạch xử lý chỉ điều khiển 1 cửa.
- Hệ thống giám sát qua cảnh báo tin nhắn tới điện thoại.
- Mô hình có thể được áp dụng cho cửa nhà gia đình.
Nội dung nghiên cứu
Đề tài được thực hiện gồm có những nội dung chính sau:
- Nội dung 1:Tham khảo tài liệu, đọc và tóm tắt tài liệu các hướng đề tài.
- Nội dung 2:Thiết kế sơ đồ khối, sơ đồ nguyên lý.
- Nội dung 3: Thiết kế, tính toán, kết nối board Arduino các module RFID RC522, module AS608, màn hình LCD 16x2, Servo SG90, module SIM800L
- Nội dung 4:Thiết kế, xây dựng phần cứng, thi công mạch.
- Nội dung 5:Viết chương trình điều khiển cho mô hình.
- Nội dung 7:Chạy thử, kiểm tra, đánh giá, hiệu chỉnh.
- Nội dung 7:Thiết kế mô hình sản phẩm.
- Nội dung 8:Viết báo cáo thực hiện.
- Nội dung 9:Bảo vệ luận văn.
Bố cục
Chương này giới thiệu lý do lựa chọn đề tài, mục tiêu nghiên cứu, nội dung chính của nghiên cứu, các giới hạn về thông số và cấu trúc của đồ án.
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Các mô hình, hệ thống bảo mật
2.1.1 Mô hình khoá điện tử có giám sát từ xa sử dụng GSM và RFID
Với sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ IoT, Wifi, Bluetooth và mạng viễn thông, người dùng có thể dễ dàng quản lý thiết bị từ xa qua điện thoại thông minh và máy tính bảng Công nghệ GSM và RFID đã được áp dụng như một giải pháp thay thế cho hệ thống bảo vệ truyền thống, nhằm bảo vệ tài sản và giảm thiểu nguy cơ trộm cắp.
Mô hình sử dụng board Arduino Mega 2560 làm trung tâm điều khiển, kết hợp công nghệ RFID và bàn phím ma trận 4x4 để mở cửa, đồng thời giám sát ngôi nhà qua GSM gửi tin nhắn cảnh báo Ưu điểm nổi bật là hai lớp bảo mật từ thẻ RFID và mật khẩu, tuy nhiên, nhược điểm là không hoạt động khi mất điện do sử dụng nguồn trực tiếp và cảm biến chuyển động không phân biệt được người và vật di chuyển.
2.1.2 Tủ đựng vật dụng của giáo viên bảo mật bằng vân tay
Mục tiêu của đề tài là cung cấp giải pháp an toàn và tiện lợi cho giảng viên trong việc lưu trữ và quản lý các vật dụng quan trọng như tài liệu, chìa khóa và thiết bị giảng dạy Tủ được thiết kế đặc biệt, đảm bảo chỉ giảng viên mới có quyền truy cập thông qua xác thực vân tay.
Mô hình sử dụng Arduino Mega 2560 làm vi điều khiển trung tâm kết hợp với Wifi Node MCU ESP8266 để gửi dữ liệu trạng thái tủ và thời gian lên Firebase Hệ thống bao gồm cảm biến vân tay R305 cho việc xác thực mở khóa tủ, chốt khóa điện, module thời gian thực, màn hình LCD TFT hiển thị thông tin, và đèn LED báo trạng thái Ưu điểm nổi bật là người dùng có thể kiểm tra vị trí tủ còn trống qua ứng dụng điện thoại với giao diện trực quan, giới hạn thời gian gửi đồ dùng và tương tác điều khiển trên màn hình cảm ứng Tủ còn có khả năng hoạt động khi mất điện nhờ nguồn dự phòng Tuy nhiên, ứng dụng theo dõi trạng thái tủ hiện chỉ hỗ trợ trên nền tảng Android.
2.1.3 Thiết kế và thi công mô hình tủ khoá ngân hàng Đề tài “Thiết kế và thi công mô hình tủ khóa ngân hàng” [5] của Nguyễn Hải mại ở Việt Nam trong việc cung cấp dịch vụ cho thuê tủ khóa và két sắt để bảo vệ tài sản có giá trị của khách hàng Bên cạnh đó, an toàn thông tin trong hệ thống ngân hàng số cũng đề cập Việc chuyển đổi sang ngân hàng số đã tạo ra cơ hội cho tội phạm mạng thực hiện các hình thức gian lận và trộm cắp danh tính trực tuyến.
Để duy trì lòng tin của người tiêu dùng và doanh nghiệp trong ngân hàng số, cần có hệ thống bảo mật hiệu quả Xác thực thích ứng là giải pháp cho phép người dùng lựa chọn phương pháp chứng minh danh tính phù hợp Bài viết này nhằm đóng góp vào việc phát triển mô hình tủ khóa ngân hàng bảo mật, đảm bảo an toàn thông tin trong hệ thống bảo mật.
Mô hình bảo mật sử dụng board Arduino Mega 2560 làm vi xử lý trung tâm kết hợp với cảm biến vân tay R305, module RFID RC522 và module SIM800C để gửi tin nhắn cảnh báo đột nhập Giao diện hướng dẫn quá trình thực hiện hiển thị trên màn hình LCD 1602 Hệ thống thiết kế ba lớp xác thực để mở tủ bao gồm xác thực mật khẩu, xác thực RFID và xác thực vân tay Người dùng có thể mở tủ từ xa bằng cách gửi tin nhắn yêu cầu mở cửa Nếu xác thực mật khẩu sai, hệ thống sẽ gửi tin nhắn thông báo đến điện thoại và phát báo động âm thanh qua buzzer Tuy nhiên, mô hình này có hạn chế là không có nguồn điện dự phòng.
2.1.4 Thiết kế và thi công hệ thống khoá cửa thông minh Đề tài “Thiết kế và thi công hệ thống khóa cửa thông minh” [6] của Nguyễn Tăng Gia Bảo và nhóm nghiên cứu khoa học, với mục đích giúp các chủ nhà trọ và chủ khu tập thể giám sát tập thể cư dân sinh sống một cách dễ dàng hơn, đồng thời nâng cao mức độ an ninh và tạo dựng sự yên tâm cho người sinh sống Ở thành phố
Nhiều cư dân tại Hồ Chí Minh và các đô thị khác sống trong khu trọ hoặc khu tập thể do tính tiện lợi và giá cả phải chăng, nhưng thường gặp rủi ro về an ninh với nhiều vụ trộm cắp Để nâng cao an ninh, việc lắp đặt hệ thống khóa cửa thông minh là rất cần thiết, giúp giám sát và ngăn chặn xâm nhập từ người lạ Đề tài sử dụng ESP32 làm khối điều khiển trung tâm, với ESP32 Cam hoạt động độc lập qua ứng dụng, và module RFID RC522 để quản lý việc mở cửa Ứng dụng di động thiết kế cho hệ điều hành Android yêu cầu đăng nhập tài khoản và mật khẩu, cho phép giám sát qua camera từ xa, mở khóa cửa, và theo dõi thời gian sử dụng thẻ RFID Nếu mở cửa bằng RFID sai quá 3 lần, hệ thống sẽ phát báo động bằng buzzer Tuy nhiên, hạn chế của hệ thống là camera chỉ hỗ trợ quan sát hình ảnh trực tuyến mà không lưu trữ video.
Các hệ thống quản lý, nhận dạng
2.2.1 Hệ thống tính cước phí đường sắt metro sử dụng RFID Đề tài "Hệ thống thanh toán cước đường sắt metro sử dụng RFID" nhằm áp dụng công nghệ RFID vào việc quản lý hành khách và thanh toán vé trên các tuyến đường sắt metro Việc áp dụng công nghệ RFID đã được sử dụng rộng rãi tại Việt Nam trong việc quản lý nhân viên và bãi đỗ xe Với sự ra mắt của tuyến đường sắt metro Bến Thành - Suối Tiên tại TP.HCM và các tuyến khác, việc sử dụng công nghệ RFID trong quản lý và thanh toán cước di chuyển trở nên cần thiết, đem lại sự tiện lợi và tiết kiệm cùng với việc khắc phục nhược điểm của việc mua vé giấy truyền thống.
Mục tiêu của đề tài là thiết kế mô hình phần cứng mô phỏng dựa trên các hệ thống tương tự ở các quốc gia phát triển, bao gồm việc phát triển giao diện quản lý và thanh toán cước vé cho hành khách Đề tài tập trung vào việc mô phỏng mô hình với 2 nhà ga, mỗi nhà ga có một cổng lên và xuống, đồng thời sử dụng hệ thống thông báo cho hành khách qua màn hình LCD 16x2 và loa Cơ sở dữ liệu sẽ hoạt động trên một máy tính, đảm bảo tính hiệu quả và dễ dàng quản lý.
Hệ thống được thiết kế với khối điều khiển trung tâm sử dụng Arduino Mega 2560 và module RFID RC522 để quét thẻ RFID Nó bao gồm các thiết bị ngoại vi như màn hình LCD và loa, cùng với máy tính và cơ sở dữ liệu Giao diện quản lý hệ thống trên máy tính cho phép quản lý thông tin khách hàng và thẻ RFID, liên kết với cơ sở dữ liệu trên SQL Server Quá trình quản lý hành trình diễn ra khi người dùng quét thẻ RFID tại các trạm lên và xuống Sau khi hoàn tất hành trình, phí dịch vụ sẽ tự động được trừ từ tài khoản người dùng.
Một trong những hạn chế của đề tài là phần cứng không phải lúc nào cũng hoạt động ổn định, và dữ liệu từ thẻ RFID được truyền từ Arduino đến máy tính thông qua kết nối có dây.
2.2.2 Quản lý hệ thống, giám sát phòng họp
Việc thiết kế phòng họp thông minh với hệ thống nhận dạng vân tay giúp xác định danh tính khách mời dễ dàng, đồng thời ngăn chặn sự tham gia của những người không liên quan Khi quét vân tay, những người không phải khách mời sẽ không được phép vào Hệ thống cũng hỗ trợ xác định vị trí ngồi cho khách mời, giúp họ biết chính xác chỗ ngồi của mình thông qua màn hình hiển thị Sau khi nhập đúng thông tin, màn hình sẽ sáng lên để xác nhận Kiểm soát số lượng người trong phòng họp là một tính năng thiết yếu của phòng họp thông minh hiện đại.
Hệ thống đề tài gồm:
- Module cảm biến vân tay R305: lấy mã vân tay và gửi lên Raspberry Pi 3.
- Raspberry Pi 3: đọc mã vân tay từ module R305 và gửi lên máy tính.
- Phần mềm Visual Studio 2015: tạo giao diện bằng ngôn ngữ C#, tạo cầu nối liên kết dữ liệu nhận từ Raspberry Pi 3 và cơ sở dữ liệu.
- Cơ sở dữ liệu lưu trên file Excel: lưu trữ dữ liệu cá nhân.
- Board Arduino Mega 2560: lưu vị trí, thông tin khách mời và gửi về máy tính để hiển thị.
Cảm biến siêu âm HC-SR04 được sử dụng để xác định vị trí khách mời trong hệ thống Ưu điểm nổi bật của hệ thống là khách mời có thể dễ dàng tra cứu vị trí ngồi bằng cách nhập số điện thoại và có khả năng đăng ký thông tin khách mời mới Tuy nhiên, nhược điểm của hệ thống là phải chờ khách mời trước tra cứu vị trí ngồi, điều này làm cho khách mời tiếp theo không thể tra cứu ngay lập tức.
2.2.3 Thiết bị điểm danh lớp thực hành bằng cảm biến vân tay Đề tài “Thiết bị điểm danh lớp thực hành bằng cảm biến vân tay” [7] của Trần Đình Linh đặt mục tiêu loại bỏ tình trạng gian lận trong học đường: học hộ, điểm danh hộ, thi hộ Điều này giúp giáo viên quản lý và điểm danh học sinh một cách chính xác và giúp sinh viên chủ động thời gian học tập Việc điểm danh tự động nhanh chóng và chính xác giúp tiết kiệm thời gian và tăng tính chuyên nghiệp trong nhà trường. Đề tài sử dụng Arduino Uno và Kit STM32F103 làm khối xử lý trung tâm,module ESP8266 đóng vai trò truyền dữ liệu danh sách điểm danh lên Google Sheet qua kết nối mạng Internet, module thời gian thực DS1307 dùng để đọc ghi thời gian thực, module RFID RC522 và module cảm biến vân tay AS608 thực hiện chức năng điểm danh sinh viên Ưu điểm của thiết bị: hệ thống chạy ổn định, thiết lập được hệ thống điểm danh cho sinh viên Hạn chế: phụ thuộc nhiều vào mạng Internet, xử lý cập nhật danh sách điểm danh có thể bị chậm do tốc độ Internet.
2.2.4 Hệ thống bán hàng tự động
Trong thời gian gần đây, hệ thống bán hàng hiện đại đang ngày càng phổ biến tại các thành phố lớn, đáp ứng nhu cầu mua sắm ngày càng tăng của người dân Sự hiện đại hóa trong lĩnh vực bán hàng và bán lẻ là yêu cầu quan trọng, mặc dù thị trường đã phát triển nhưng việc xác định chiến lược cho hình thức bán hàng hiện đại vẫn còn mới mẻ Công nghệ RFID đã được áp dụng rộng rãi trên thế giới, nhưng tại Việt Nam, việc sử dụng công nghệ này còn hạn chế do thiếu nguồn lực sản xuất Mô hình bán hàng tự động kết hợp công nghệ RFID mang lại nhiều ưu điểm như tiết kiệm chi phí nhân công, quản lý hàng hóa hiệu quả và giảm chi phí hoạt động để tăng lợi nhuận Vì vậy, đề tài "Hệ thống bán hàng tự động" của Hồ Đình Khải đã được chọn để nghiên cứu và áp dụng công nghệ RFID trong mô hình bán hàng hiện đại tại Việt Nam.
Mô hình này sử dụng board Arduino Uno làm vi điều khiển trung tâm, kết hợp với module RFID RC522 để đọc và quản lý thẻ Hệ thống sử dụng băng chuyền để vận chuyển và thanh toán hàng hóa, cùng với xy lanh khí nén để đẩy hàng Cảm biến hồng ngoại được tích hợp để phát hiện hàng hóa Quá trình thanh toán và quản lý sản phẩm được thực hiện thông qua phần mềm trên máy tính, được lập trình bằng ngôn ngữ C# Khách hàng thực hiện các thao tác thanh toán trên máy tính.
Mô hình này mang lại nhiều lợi ích, như chi phí thấp và yêu cầu đầu tư ít hơn so với các hệ thống bán hàng tự động khác, đồng thời vẫn đáp ứng đầy đủ các tiêu chí của hình thức bán hàng tự động Giao diện thanh toán trực quan giúp người dùng dễ dàng thực hiện giao dịch Tuy nhiên, nhược điểm lớn của mô hình là không có khả năng tự động đóng gói hàng hóa, đòi hỏi sự can thiệp của con người để hoàn tất quá trình này.
2.2.5 Mô hình hệ thống quản lý trang trại heo
Ngành chăn nuôi ở Việt Nam đang đối mặt với nhiều thách thức, bao gồm mô hình sản xuất nhỏ lẻ và thiếu ứng dụng công nghệ hiện đại, dẫn đến năng suất và chất lượng sản phẩm không đạt yêu cầu Để cải thiện tình hình này, Nguyễn Ngọc Thạch và Đoàn Quốc Duyệt đã phát triển ý tưởng "Thiết kế mô hình hệ thống quản lý trại heo", kết hợp quản lý và chăn nuôi, đồng thời sử dụng điện thoại di động để quản lý từ xa, nhằm giải quyết các vấn đề trong quá trình nuôi.
Mô hình sử dụng vi điều khiển Arduino Mega 2560 để điều khiển các hoạt động và động cơ DC cho mái che trong mô phỏng trang trại Nó kết hợp động cơ bước với động cơ DC để tạo ra hệ thống cho ăn uống tự động cho mô hình nhỏ Đồng thời, mô hình giám sát trang trại theo thời gian thực qua điện thoại di động nhờ vào phần mềm Android Studio, cho phép điều khiển tự động các hoạt động như cho ăn, uống, tắm rửa, dọn vệ sinh, làm mát và điều chỉnh mái che cho trang trại.
Mô hình chăn nuôi tự động này mang lại nhiều lợi ích, bao gồm khả năng điều khiển các thiết bị cơ bản như cho ăn, uống, bật đèn, máy bơm nước và điều chỉnh nhiệt độ, tạo ra quy trình chăn nuôi chuyên nghiệp Thông tin về vật nuôi được quản lý hiệu quả thông qua hệ thống RFID, sử dụng các thẻ tag gắn trên từng con vật.
Mô hình quản lý từ xa qua ứng dụng Android Studio mang lại tiện ích cho người nuôi trong việc theo dõi hoạt động trang trại, nhưng vẫn gặp phải hạn chế về tốc độ truyền nhận dữ liệu qua Internet Bên cạnh đó, khả năng quản lý và giám sát quy mô lớn còn yếu, chưa cung cấp các thông số phù hợp cho chăn nuôi chuyên nghiệp và độ tuổi của heo nuôi.
2.2.6 Hệ thống điểm danh nhân viên sử dụng vi điều khiển ARM
Công nghệ cảm biến đã cách mạng hóa quy trình công nghiệp và dân dụng, đáp ứng nhu cầu về độ chính xác, tốc độ và khả năng hoạt động liên tục Việc kết hợp vi xử lý với cảm biến đã tạo ra nhiều ứng dụng hữu ích, đặc biệt trong máy chấm công tại trường học và doanh nghiệp Một thách thức lớn trong việc quản lý đối tượng là đảm bảo nhận diện chính xác, tránh sai sót và gian lận Mặc dù giải pháp quét vân tay và quét thẻ đã được áp dụng, nhưng thường hoạt động riêng lẻ Nhằm khắc phục vấn đề này, nhóm tác giả Trần Thị Linh Đa và Nguyễn Châu Ngân đã phát triển mô hình điểm danh nhân viên kết hợp công nghệ RFID và quét vân tay trong đề tài "Thiết kế và thi công hệ thống điểm danh nhân viên sử dụng vi điều khiển ARM".
Giới thiệu về khoá điện tử
Khoá cửa điện tử là giải pháp bảo mật hiện đại, giúp quản lý truy cập hiệu quả tại nhiều địa điểm Với sự gia tăng của tài sản quan trọng, nhu cầu bảo vệ an toàn ngày càng cao Sử dụng khoá cửa điện tử không chỉ đáng tin cậy mà còn giúp giới hạn quyền truy cập cho những người được ủy quyền, đảm bảo an ninh cho tài sản.
Khóa cửa điện tử, với thiết kế tương tự như khóa cửa thông thường, tích hợp nhiều tính năng bảo mật tiên tiến như mật khẩu số, thẻ RFID và nhận dạng vân tay, mang lại sự tiện lợi và linh hoạt cho người dùng Người dùng có thể dễ dàng thay đổi mật khẩu, quản lý quyền truy cập và theo dõi lịch sử mở cửa từ xa qua ứng dụng điện thoại thông minh, giúp việc mở cửa trở nên nhanh chóng mà không cần chìa khóa vật lý Đặc biệt, tính bảo mật cao của khóa điện tử đảm bảo chỉ những người được ủy quyền mới có quyền truy cập vào không gian cần bảo vệ.
Hình 2.1 Khoá cửa điện tử
TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ
Giới thiệu
Nhóm sẽ thiết kế một hệ thống khoá điện tử đa chức năng cho phép mở cửa bằng ba phương pháp: nhập mật khẩu, quẹt thẻ RFID và quét vân tay Hệ thống còn tích hợp chức năng giám sát từ xa, gửi tin nhắn cảnh báo khi mật khẩu sai, thẻ RFID không hợp lệ hoặc dấu vân tay không khớp.
Tính toán và thiết kế phần cứng
Theo yêu cầu của đề tài, nhóm đã thiết kế sơ đồ khối cho hệ thống, bao gồm các khối: xử lý trung tâm, điều khiển, hiển thị, cảm biến vân tay, RFID, khoá cửa, nguồn, cảnh báo và giám sát Sơ đồ khối này được mô tả trong hình 3.1.
Hình 3.1 Sơ đồ khối của hệ thống khoá điện tử có giám sát từ xa
Khối xử lý trung tâm là bộ điều khiển chính của hệ thống, có nhiệm vụ xử lý tín hiệu và dữ liệu từ các khối RFID và cảm biến vân tay Nó gửi tín hiệu thực thi đến khối khóa cửa để thực hiện chức năng mở và đóng cửa, đồng thời truyền dữ liệu hiển thị đến khối hiển thị.
Khối RFID đọc dữ liệu từ thẻ RFID, trong khi khối cảm biến vân tay sử dụng màn hình LCD để hiển thị trạng thái cửa Khi người dùng mở cửa, khối xử lý trung tâm gửi tín hiệu điều khiển đến khối khóa cửa để thực hiện việc mở hoặc đóng cửa.
Khối điều khiển sử dụng ma trận phím để nhập mật khẩu và chuyển đổi giữa các chế độ, tính năng khác nhau Khối giám sát gửi tin nhắn cảnh báo đến điện thoại người dùng khi dữ liệu xác thực mở cửa không chính xác, trong khi khối cảnh báo phát ra âm thanh cảnh báo Khối nguồn cung cấp năng lượng cho toàn bộ hệ thống, đảm bảo hoạt động ổn định.
Tính toán và thiết kế sơ đồ mạch
3.3.1 Thiết kế khối xử lý trung tâm
Khối xử lý trung tâm đóng vai trò quan trọng nhất trong hệ thống, chịu trách nhiệm thu thập và xử lý các tín hiệu điều khiển Nó cũng hiển thị thông tin để người dùng theo dõi, đảm bảo toàn bộ hoạt động của hệ thống diễn ra thông qua khối này.
Hệ thống này đáp ứng yêu cầu đóng mở khóa chính xác theo nhu cầu người dùng, với nhiều phương thức khác nhau để thực hiện việc này Nó cung cấp khả năng kết nối với nhiều thiết bị ngoại vi, lưu trữ dữ liệu vân tay và thẻ RFID, đồng thời có chức năng gửi cảnh báo để giám sát từ xa Để đạt được các tiêu chí trên, nhóm đã quyết định sử dụng board Arduino Mega 2560 làm bộ xử lý trung tâm.
Sơ đồ kết nối của Arduino Mega 2560 với các ngoại vi được thể hiện trong hình 3.2 Nhóm sẽ sử dụng các chân sau đây để kết nối:
- Chân 27, 29, 31, 33, 35, 37, 39, 41: giao tiếp với ma trận phím 4x4 để nhập mật khẩu và thực hiện các chức năng khác.
- Chân 45, 47, 50, 51, 52: giao tiếp với module RFID RC522 để đọc dữ liệu từ thẻ RFID.
- Chân TX2, RX2: giao tiếp với module SIM800L để gửi cảnh báo giám sát.
- Chân TX3, RX3: giao tiếp với module vân tay AS608 để quét vân tay người dùng.
- Chân SCL, SDA: giao tiếp với màn hình LCD 16x2 thông qua module I2C để hiển thị các thông tin trạng thái mở cửa.
- Chân 5: giao tiếp với Buzzer để phát âm thanh cảnh báo khi cần thiết.
- Chân 6: giao tiếp với servo SG90 để điều khiển cơ chế mở cửa.
Hệ thống kết hợp giữa các ngoại vi và Arduino Mega 2560 có khả năng xử lý và điều khiển tín hiệu từ khối RFID, khối vân tay, ma trận phím, màn hình LCD và servo Điều này cho phép thực hiện các chức năng mở và đóng cửa, hiển thị trạng thái và cung cấp cảnh báo khi cần thiết.
Hình 3.2 Sơ đồ khối xử lý trung tâm
Khối RFID đóng vai trò quan trọng trong việc đọc thẻ RFID và mở khoá Để thực hiện nhiệm vụ này, nhóm đã sử dụng module RC522 kết nối với Arduino Mega qua giao tiếp SPI, với các kết nối được cấu hình cụ thể.
- Chân MISO của module RC522 được nối với chân 45 của Arduino Mega.
- Chân MOSI của module RC522 được nối với chân 47 của Arduino Mega.
- Chân SCK của module RC522 được nối với chân 50 của Arduino Mega.
- Chân SDA của module RC522 được nối với chân 51 của Arduino Mega.
- Chân RST của module RC522 được nối với chân 52 của Arduino Mega.
Để module RC522 hoạt động, cần cấp nguồn 3,3V Nhóm có thể lấy nguồn này từ Arduino Mega bằng cách kết nối chân VCC của module RC522 với nguồn 3,3V trên Arduino Mega.
RFID RC522 là một module RFID không có cơ chế mã hóa tích hợp, chỉ cung cấp chức năng đọc và ghi dữ liệu từ thẻ RFID thông qua phương pháp truyền thông không tiếp xúc Thẻ RFID hoạt động ở tần số 13.56 MHz và sử dụng các công nghệ truyền thông như ISO/IEC 14443A hoặc ISO/IEC 14443B, dẫn đến việc dữ liệu trên thẻ được truyền đi một cách rõ ràng và không được mã hóa.
Nhóm đã kết nối module RC522 với Arduino Mega qua giao tiếp SPI, cấu hình đúng các chân kết nối, tạo ra khối RFID có khả năng đọc thẻ RFID và mở khóa Hệ thống này cho phép nhận diện và xác thực thông tin từ thẻ RFID, phục vụ cho việc điều khiển và quản lý truy cập hiệu quả.
Hình 3.3 Sơ đồ kết nối khối RFID với khối xử lý trung tâm
3.3.3 Thiết kế khối cảm biến vân tay
Khối vân tay đóng vai trò quan trọng trong việc quét và truyền tín hiệu vân tay đến khối xử lý trung tâm Để thực hiện chức năng này, nhóm đã sử dụng module AS608 kết nối với Arduino Mega thông qua giao tiếp UART.
Việc kết nối giữa module AS608 và Arduino Mega được thực hiện theo sơ đồ kết nối như trong hình 3.4 Các chân kết nối được cấu hình như sau:
Chân TX của module AS608 được kết nối với chân RX3 của Arduino Mega, cho phép truyền dữ liệu từ module AS608 đến Arduino Mega qua kết nối này.
Chân RX của module AS608 được kết nối với chân TX3 của Arduino Mega, cho phép module này nhận dữ liệu từ Arduino Mega qua kết nối đó.
Nhóm đã kết nối module AS608 với Arduino Mega qua giao tiếp UART và cấu hình chính xác các chân kết nối, tạo ra khối vân tay có khả năng quét vân tay và truyền tín hiệu đến khối xử lý trung tâm Điều này cho phép hệ thống xác thực và định danh người dùng dựa trên thông tin vân tay, nâng cao tính năng bảo mật và kiểm soát truy cập trong hệ thống.
Hình 3.4 Sơ đồ kết nối khối cảm biến vân tay với khối xử lý trung tâm
3.3.4 Thiết kế khối điều khiển
Khối điều khiển của hệ thống sử dụng bàn phím ma trận 4x4, kết nối với các chân 27, 29, 31, 33, 35, 37, 39, 41 của Arduino Mega Bàn phím này có vai trò quan trọng trong việc nhập mật khẩu và điều khiển các tính năng của hệ thống.
Để đảm bảo hoạt động chính xác của ma trận phím, cần sử dụng điện trở kéo lên Theo datasheet của vi điều khiển ATmega2560, thông số dòng rò ngược vào cho mức cao IIH là 1µA và điện áp ngược vào thấp nhất cho mức cao VIH là 0,3×VCC Do đó, để đảm bảo rằng VIH không thấp hơn giá trị cho phép, tức là ngõ vào ở trạng thái mức cao khi không có phím nào được nhấn, cần tính toán giá trị của điện trở kéo lên R.
Ta cú: VCC= 5V; VIH= 0,3ìVCC; IIH= 1àA. Áp dụng định luật Ohm, tính R:
- VCClà điện áp cung cấp cho Arduino Mega.
- VIHlà giá trị điện áp ngõ vào thấp nhất cho mức cao.
⇒lựa chọn điện trở kéo có giá trị nhỏ hơn 3,5×10 6 Ω Vậy nhóm đã lựa chọn điện trở kéo lên cho ma trận phím có giá trị 10kΩ.
Việc tính toán giá trị điện trở kéo lên (R) là cần thiết để duy trì ngõ vào của ma trận phím ở mức cao khi không có phím nào được nhấn, từ đó đảm bảo tính chính xác và độ tin cậy trong quá trình nhập mật khẩu và điều khiển hệ thống.
Hình 3.5 Sơ đồ kết nối khối điều khiển với khối xử lý trung tâm
3.3.5 Thiết kế khối hiển thị
Màn hình LCD 16x2 được sử dụng trong hệ thống để hiển thị thông tin trạng thái, giúp người dùng theo dõi và tương tác hiệu quả Để kết nối màn hình này với Arduino Mega 2560, nhóm đã sử dụng module I2C, cho phép truyền dữ liệu qua giao thức I2C giữa màn hình và khối xử lý trung tâm Việc áp dụng module I2C không chỉ giảm số lượng chân kết nối trên Arduino Mega mà còn đơn giản hóa quá trình kết nối.
THI CÔNG HỆ THỐNG
Giới thiệu
Trong chương này, nhóm sẽ trình bày quá trình thi công, lắp ráp, kiểm tra phần cứng cho hệ thống.
KẾT QUẢ - NHẬN XÉT - ĐÁNH GIÁ
Kết quả thực hiện mô hình
Chương trình này trình bày và đánh giá kết quả nghiên cứu của nhóm, bao gồm mô hình phần cứng, các chế độ cảnh báo của hệ thống, cùng với các chức năng mà hệ thống cung cấp.
5.1.1 Mô hình phần cứng của hệ thống
Mô hình hệ thống khóa điện có giám sát từ xa đã hoàn thiện, bao gồm bàn phím số, màn hình hiển thị, đầu đọc RFID và cảm biến vân tay được lắp đặt trên cửa Hình 5.1 minh họa mô hình khi cửa đang trong trạng thái khóa, cho phép người dùng dễ dàng điều khiển việc mở cửa.
Hình 5.1 Mặt trước của mô hình khoá điện tử sau khi hoàn thiện
Toàn bộ board mạch được lắp đặt bên trong theo sơ đồ hình 5.2, bao gồm: board mạch điều khiển, board mạch nguồn, board mạch gửi cảnh báo, board mạch chuông cảnh báo, board mạch servo đóng/mở cửa, ma trận phím và cảm biến vân tay.
Hình 5.2 Bố trí và kết nối các mạch bên trong mô hình khoá điện tử
5.1.2 Giao diện điều khiển của hệ thống a Giao diện màn hình chính
Ngay sau khi được cấp nguồn, màn hình hiển thị giao diện chương trình chính, cho phép người dùng chọn phương thức mở khóa trong trạng thái chờ, bao gồm quẹt thẻ, quét vân tay hoặc nhập mật khẩu từ bàn phím hiển thị Sau khi thiết lập xong, màn hình LCD sẽ hiện thông báo “NHAP: ” để người dùng nhập mật khẩu và “MOI QUET THE” để hướng dẫn quẹt thẻ.
Hình 5.3 Hình ảnh màn hình LCD trạng thái chờ mở khoá b Chế độ nhập mật khẩu
Giao diện nhập mật khẩu yêu cầu người dùng nhập một chuỗi gồm 3 số Khi mật khẩu được nhập đúng, hệ thống sẽ chuyển sang giao diện mở cửa Ngược lại, nếu mật khẩu sai, màn hình sẽ hiển thị thông báo lỗi.
Trong chế độ quẹt thẻ, giao diện hiển thị thông tin yêu cầu đặt thẻ lên đầu đọc Nếu quét thẻ đúng, hệ thống sẽ chuyển đến giao diện mở cửa Ngược lại, nếu quét sai thẻ, màn hình sẽ hiển thị thông báo lỗi.
Hình 5.6 Giao diện yêu cầu quét thẻ Hình 5.7 Giao diện mở cửa
Hình 5.8 Giao diện thông báo sai thẻ d Chế độ quét vân tay
Người dùng đặt vân tay đã lưu lên cảm biến; nếu vân tay khớp, hệ thống sẽ hiển thị giao diện mở cửa cùng với vân tay đúng trên màn hình Ngược lại, nếu vân tay không khớp do đặt lệch, màn hình sẽ thông báo không khớp.
Hình 5.9 Giao diện mở bằng vân tay Hình 5.10 Giao diện sai vân tay e Giao diện mở cửa
Sau khi nhập đúng mật khẩu, quẹt thẻ hoặc xác nhận vân tay, cửa sẽ mở và thông báo sẽ hiển thị trên màn hình Đồng thời, thông tin về việc mở cửa cũng được gửi đến điện thoại của người dùng.
Hình 5.11 Giao diện mở cửa f Chế độ đổi mật khẩu
Khi cửa mở, người dùng có thể nhấn phím B để đổi mật khẩu Hệ thống yêu cầu nhập mật khẩu mới hai lần và nhấn phím D để hoàn tất Giao diện nhập mật khẩu mới được hiển thị theo thứ tự như hình 5.12 và 5.13, và giao diện sau khi đổi mật khẩu thành công được minh họa trong hình 5.14.
Hình 5.12 Giao diện nhập mật khẩu mới lần 1
Hình 5.13 Giao diện nhập mật khẩu lần 2
Hình 5.14 Giao diện khi đổi mật khẩu thành công g Chế độ thêm/xoá thẻ RFID
Khi cửa mở, người dùng chỉ cần nhấn phím C một lần và quét thẻ mới để thêm thẻ, giao diện sẽ hiển thị như hình 5.15 Để xóa thẻ đã lưu, người dùng nhấn phím C hai lần và quét thẻ, giao diện xóa thẻ được hiển thị như hình 5.16 Nếu quá trình thêm hoặc xóa thẻ thành công, màn hình sẽ hiển thị thông báo như hình 5.17.
Hình 5.15 Giao diện thêm thẻ từ mới Hình 5.16 Giao diện xoá thẻ từ
Để thêm vân tay mới, người dùng cần đặt ngón tay lên cảm biến để thu thập mẫu lần đầu tiên Sau khi hoàn thành bước này, hệ thống sẽ yêu cầu người dùng đặt ngón tay lên cảm biến một lần nữa để thu thập mẫu vân tay thứ hai.
Hình 5.18 Quét vân tay mới lần 1 Hình 5.19 Quét vân tay mới lần 2
Khi hai mẫu vân tay khớp nhau, người dùng sẽ được thêm vân tay mới vào hệ thống Ngay sau đó, màn hình sẽ hiển thị thông báo thành công, như minh họa trong hình 5.20.
Nếu hai mẫu vân tay không khớp, hệ thống sẽ hiển thị thông báo không khớp trên màn hình và cửa sẽ tự động đóng lại.
Hình 5.20 Thông báo thêm vân tay mới thành công
Chức năng chuyển đổi các chế độ cảnh báo đã được nhóm thiết kế để mang lại sự thuận tiện cho người dùng, với thông báo quét vân tay mới thất bại được hiển thị rõ ràng.
Khi người dùng không chọn chế độ nào của hệ thống, chế độ mặc định sẽ là mode 0 Trong chế độ này, hệ thống sẽ tự động gửi tin nhắn điện thoại.
Nhận xét, đánh giá
Sau khi vận hành hệ thống, nhóm đã thu thập dữ liệu thực nghiệm, được trình bày trong bảng 5.1 Bảng này thể hiện các chức năng của hệ thống dựa trên số lần vận hành và số lần thành công, từ đó giúp đưa ra đánh giá tổng quan về hiệu quả hoạt động của hệ thống.
Bảng 5.1 Số liệu thực nghiệm quá trình vận hành hệ thống
STT Quá trình Số lần thực nghiệm Số lần thành công
1 Mở cửa bằng mật khẩu 20 20
3 Mở cửa bằng vân tay 20 15
8 Chuyển đổi các chế độ của cảnh báo 20 20
9 Cảnh báo qua điện thoại 20 20
Dựa trên quá trình vận hành và dữ liệu thực nghiệm, tất cả các phương án mở cửa đều hoạt động hiệu quả, ngoại trừ phương án sử dụng vân tay, do tình trạng không ổn định khi vân tay ướt hoặc cảm biến bị bụi bẩn.
Sau khi phát hiện rằng phương pháp mở cửa bằng vân tay có tỷ lệ thành công thấp nhất, nhóm đã tiến hành thử nghiệm mở cửa trong các tình huống khác nhau, bao gồm khi tay đã được rửa sạch, khi vân tay được đặt đúng vị trí lấy mẫu và khi vân tay bị lệch vị trí Chi tiết về quy trình này được trình bày trong bảng 5.2.
Bảng 5.2 Số liệu thực nghiệm quá trình mở bằng vân tay trong nhiều trường hợp
STT Quá trình Số lần thực nghiệm Số lần thành công
1 Vân tay đặt đúng vị trí lấy mẫu 10 7
2 Vân tay đặt lệch vị trí lấy mẫu 10 4
3 Vân tay đặt đúng vị trí lấy mẫu, sau khi rửa tay sạch 10 9
Vân tay đặt lệch vị trí lấy mẫu, sau khi rửa tay sạch 10 7
Dựa trên quá trình vận hành các phương án và thông tin từ bảng 5.1 và bảng 5.2, nhóm đã đưa ra những đánh giá chi tiết về hiệu quả và tính khả thi của từng phương án.
Phương án mở cửa bằng mật khẩu và thẻ mang lại tính ổn định cao, với thao tác nhập mật khẩu và sử dụng đầu đọc thẻ dễ dàng và nhanh chóng Ngược lại, phương án mở cửa bằng vân tay thường gặp vấn đề về độ ổn định, khi người dùng thường phải quét nhiều lần để nhận diện vân tay Để đảm bảo hiệu quả, người sử dụng cần giữ vân tay và cảm biến sạch sẽ, cũng như đặt đúng vị trí đã lấy mẫu.
Chức năng đổi mật khẩu, thêm hoặc xóa thẻ, thêm vân tay và chuyển đổi chế độ cảnh báo được thiết kế với độ ổn định cao, mang lại sự thuận tiện và đơn giản cho người sử dụng.
Chức năng cảnh báo qua điện thoại và âm thanh mang lại sự tiện lợi và nhạy bén, cho phép người sử dụng gửi tin nhắn và thực hiện cuộc gọi ngay lập tức Điều này hỗ trợ quản lý linh hoạt từ xa, giúp người dùng phản ứng kịp thời trong mọi tình huống.
Sau quá trình vận hành và đánh giá, nhóm nhận thấy hệ thống có mạch điều khiển hoạt động ổn định và đáng tin cậy Hệ thống cung cấp nhiều phương pháp mở cửa như nhập mật khẩu, sử dụng vân tay và thẻ Ngoài ra, ứng dụng điện thoại và âm thanh cảnh báo giúp người dùng dễ dàng quản lý Hệ thống cũng hỗ trợ các chức năng như đổi mật khẩu, thêm và xóa thẻ, cùng với việc thêm vân tay một cách hiệu quả.
Tài liệu hướng dẫn sử dụng
Để người dùng có thể hiểu và vận hành mô hình một cách hiệu quả nhất, nhóm xin giới thiệu các bước thực hiện mô hình.
Để khởi động mô hình, hãy sử dụng adapter 9V/2A Sau khi cấp nguồn, module SIM sẽ khởi động trong vài giây và đạt trạng thái ổn định, sẵn sàng hoạt động.
Bước 2: Mô hình chờ để thực hiện quét vân tay, quẹt thẻ hoặc nhập mật khẩu Nhập mật khẩu và nhấn phím D để xác nhận; nếu đúng, mô hình chuyển sang trạng thái quản lý Để mở khóa bằng vân tay, đặt ngón tay đã lưu lên cảm biến; nếu trùng khớp, cửa sẽ mở, ngược lại, màn hình hiển thị "SAI VAN TAY" Đối với thẻ RFID, đưa thẻ đã lưu lên đầu đọc; nếu dữ liệu trùng khớp, cửa mở, nếu không, màn hình hiển thị “THE SAI” Mỗi lần xác thực sai sẽ tăng biến đếm; sau 3 lần sai, mô hình phát âm thanh cảnh báo và gửi thông báo từ xa qua tin nhắn hoặc cuộc gọi tới số điện thoại người dùng.
Bước 3: Khi cửa đang trong trạng thái mở người dùng có quyền quản lý, có thể thực hiện các chức năng sau:
Người dùng có thể thêm hoặc xóa thẻ bằng cách nhấn phím C và theo dõi màn hình LCD Khi màn hình hiển thị "THEM THANH VIEN", hãy đưa thẻ mới lên đầu đọc RFID; nếu thêm thành công, màn hình sẽ hiện "THANH CONG" Để xóa thẻ, khi màn hình hiển thị "XOA THANH VIEN", đưa thẻ cần xóa lên đầu đọc RFID Nếu thẻ đã được thêm trước đó, màn hình sẽ hiện "THANH CONG", còn nếu thẻ chưa được thêm, màn hình sẽ hiển thị "CHUA THEM THE".
Để đổi mật khẩu, người dùng cần nhấn phím B và nhập mật khẩu mới cùng với việc xác nhận lại mật khẩu đó Sau khi hoàn tất, nhấn phím D để xác nhận thay đổi Hệ thống sẽ tự động thoát khỏi chế độ đổi mật khẩu khi mật khẩu mới được cập nhật thành công Tuy nhiên, nếu mật khẩu xác nhận không chính xác, hệ thống sẽ tự động đóng lại và rời khỏi chế độ đổi mật khẩu.
- Thêm vân tay (nhấn phím #): sau khi nhấn phím #, màn hình hiển thị
Người dùng đặt ngón tay lên cảm biến để lấy mẫu vân tay Sau khi mẫu vân tay đầu tiên được lấy thành công, màn hình sẽ hiển thị "NHAP LAI VAN TAY" Người dùng cần đặt ngón tay lên cảm biến lần nữa để thực hiện mẫu vân tay thứ hai Nếu hai mẫu vân tay khớp nhau, màn hình sẽ hiển thị "THANH CONG", ngược lại, nếu không khớp, màn hình sẽ hiện "KHONG KHOP".
Để xóa vân tay, người dùng chỉ cần nhấn phím * hai lần Màn hình LCD sẽ hiển thị thông báo "DA XOA VAN TAY", và hệ thống sẽ tiến hành xóa toàn bộ vân tay đã được lưu trước đó.
- Đổi chế độ cảnh báo (nhấn phím C): người dùng nhấn phím C cho đến khi màn hình hiển thị "MODE 1" hoặc "MODE 2" hoặc "MODE 3" Sau đó, nhấn phím
D để lựa chọn chế độ cảnh báo Ví dụ: màn hình sẽ hiển thị "DA CHON MODE 1" nếu người dùng chọn chế độ cảnh báo mode 1.
Khi hệ thống sử dụng nguồn DC từ adapter và mất điện, mạch nguồn sẽ tự động chuyển sang nguồn pin để đảm bảo hoạt động liên tục.