Đồ án tốt nghiệp: “THIẾT KẾ KHÓA CỬA THÔNG MINH ĐA NĂNG DỰA TRÊN ARDUINO”
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (3.23 MB, 89 trang )
HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍ NH VIỄN THÔNG
KHOA VIỄN THÔNG I
---------------------------------------
ĐỒ ÁN
TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
TÊN ĐỀ TÀI: “THIẾT KẾ KHĨA CỬA THƠNG
MINH ĐA NĂNG DỰA TRÊN ARDUINO”
Giảng viên hướng dẫn: PGS.TS ĐẶNG THẾ NGỌC
Sinh viên thực hiện :
TRẦN THỊ BÌNH MINH
Lớp:
D17CQVT08-B
Khóa:
2017 - 2022
Hệ:
ĐẠI HỌC CHÍNH QUY
HÀ NỘI - 2021
NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN
.....................................................................................................................................
.....................................................................................................................................
.....................................................................................................................................
.....................................................................................................................................
.....................................................................................................................................
.....................................................................................................................................
.....................................................................................................................................
.....................................................................................................................................
.....................................................................................................................................
.....................................................................................................................................
.....................................................................................................................................
....................................................................................................................................
....................................................................................................................................
....................................................................................................................................
....................................................................................................................................
....................................................................................................................................
....................................................................................................................................
....................................................................................................................................
....................................................................................................................................
....................................................................................................................................
....................................................................................................................................
.....................................................................................................................................
....................................................................................................................................
....................................................................................................................................
....................................................................................................................................
....................................................................................................................................
....................................................................................................................................
Ngày…..tháng 12 năm 2021
Chữ ký của giáo viên hướng dẫn
(Ký và ghi rõ họ tên)
PGS.TS Đặng Thế Ngọc
NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN
…………………………………………………………………………………………..
…………………………………………………………………………………………..
…………………………………………………………………………………………..
…………………………………………………………………………………………..
…………………………………………………………………………………………..
…………………………………………………………………………………………..
…………………………………………………………………………………………..
…………………………………………………………………………………………..
…………………………………………………………………………………………..
…………………………………………………………………………………………..
…………………………………………………………………………………………..
…………………………………………………………………………………………..
…………………………………………………………………………………………..
…………………………………………………………………………………………..
…………………………………………………………………………………………..
…………………………………………………………………………………………..
…………………………………………………………………………………………..
…………………………………………………………………………………………..
…………………………………………………………………………………………..
…………………………………………………………………………………………..
…………………………………………………………………………………………..
…………………………………………………………………………………………..
…………………………………………………………………………………………..
…………………………………………………………………………………………..
…………………………………………………………………………………………..
…………………………………………………………………………………………..
…………………………………………………………………………………………..
…………………………………………………………………………………………..
…………………………………………………………………………………………..
…………………………………………………………………………………………..
…………………………………………………………………………………………..
Điểm: …………………….……… (bằng chữ:…..……………….)
…………, ngày… tháng… năm 20…
CÁN BỘ - GIẢNG VIÊN PHẢN BIỆN
(ký, họ tên)
Lời cảm ơn
Đồ án tốt nghiệp Đại học
LỜI CẢM ƠN
Sau một thời gian dài được học tập, nghiên cứu tại trường em cũng đã hoàn thành
đồ án tốt nghiệp cuối khóa. Ngồi sự nỗ lực của bản thân, em cịn nhận được sự quan
tâm giúp đỡ của nhiều tập thể và cá nhân.
Lời đầu tiên, em xin gửi tới toàn thể các thầy, cô giáo trong Khoa Viễn thông I,
cùng thầy cơ trong Học viện Cơng nghệ Bưu chính Viễn thông lời cảm ơn chân thành
nhất.
Và đặc biệt, , em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới thầy PGS.TS Đặng Thế Ngọc
đã tạo điều kiện tốt nhất và chỉ bảo em trong quá trình làm đồ án. Đồ án cịn nhiều thiếu
xót mong thầy cơ và các bạn góp ý để em phát triển thêm . Cảm ơn thầy cô đã đọc báo
cáo của chúng em. Chúc thầy cô thành công trong mọi công việc giảng dạy cũng như
trong cuộc sống.
Trần Thị Bình Minh – D17CQVT08-B
i
Đồ án tốt nghiệp Đại học
Mục lục
MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN ...................................................................................................ii
DANH MỤC HÌNH ẢNH ................................................................................ v
DANH MỤC BẢNG BIỂU ............................................................................. vi
LỜI NÓI ĐẦU .................................................................................................. 1
CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ KHÓA THÔNG MINH ................................... 2
1.1 Lý do chọn đề tài ......................................................................................... 2
1.2 Mục tiêu ...................................................................................................... 2
1.3 Giới thiệu về khóa thơng minh .................................................................... 3
CHƯƠNG II CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ CÁC LINH KIỆN ............................. 10
2.1 Tổng quan về Arduino ............................................................................... 10
2.1.1 Giới thiệu về Board Arduino Uno .................................................... 10
2.1.2 Giới thiệu về Board Arduino Mega 2560 ........................................ 14
2.2 Nhận dạng vân tay với cảm biến vân tay AS608 ....................................... 19
2.2.1 Sơ lược về dấu vân tay và nhận dạng vân tay ................................. 19
2.2.2 Giới thiệu về cảm biến vân tay AS608 ............................................. 22
2.3 Giới thiệu công nghệ RFID ...................................................................... 28
2.3.1 Giới thiệu......................................................................................... 28
2.3.2 Module RFID-RC522 ...................................................................... 29
2.4 Bàn phím ma trận 4x4 (KEYPAD 4X4) ................................................... 33
2.4.1 Hoạt động của keypad 4x4 ............................................................... 33
2.4.2 Khái niệm ........................................................................................ 33
2.4.3 Thông số kỹ thuật của keypad 4x4 ................................................... 34
2.4.4 Ứng dụng ......................................................................................... 34
2.5 Giới thiệu về Module SIM 800L ............................................................... 34
2.5.1 Giới thiệu chung .............................................................................. 34
2.5.2 Thông số kỹ thuật Module SIM800L ............................................... 35
2.5.3 Tập lệnh AT của Module SIM800L ................................................. 35
2.5.4 Sơ đồ chân Module GSM GPRS ...................................................... 37
2.6 Màn hình LCD 16x2 ................................................................................. 37
2.6.1 Giới thiệu......................................................................................... 37
Trần Thị Bình Minh – D17CQVT08-B
ii
Đồ án tốt nghiệp Đại học
Mục lục
2.6.2 Module giao tiếp I2C giữa LCD 16x2 với ARDIUNO ..................... 39
CHƯƠNG III TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ ................................................... 41
3.1 Thiết kế sơ đồ khối hệ thống ..................................................................... 41
3.2 Tính tốn và thiết kế mạch ........................................................................ 42
3.2.1 Khối xử lý trung tâm ....................................................................... 42
3.2.2 Khối cảm biến vân tay .................................................................... 43
3.2.3 Khối Module SIM 800L .................................................................. 45
3.2.5 Khối ma trận bàn phím 4x4 .............................................................. 48
CHƯƠNG IV THI CÔNG HỆ THỐNG .......................................................... 55
4.1 Lưu đồ giải thuật ....................................................................................... 55
4.2 Giới thiệu phần mềm lập trình ARDUINO IDE ......................................... 56
4.3 Lập trình code và nạp cho vi điều khiển .................................................... 57
4.4 Mơ hình sau khi đã hoàn thành .................................................................. 61
KẾT LUẬN .................................................................................................... 62
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................... 63
CODE NẠP VÀ CHÚ THÍCH ĐÍNH KÈM .................................................... 64
Trần Thị Bình Minh – D17CQVT08-B
iii
Đồ án tốt nghiệp Đại học
Thuật ngữ viết tắt
THUẬT NGỮ VIẾT TẮT
DSP
Digital Signal Processor
Bộ xử lý tín hiệu số
GND
Ground
Đất
I2C
Inter-Integrated Circuit
giao tiếp nối tiếp 2 dây
IC
Integrated circuit
Vi mạch
ICSP
In Circuit serial Programming
Lập trình nối tiếp trong mạch
IDE
Integrated Development Environment
Mơi trường phát triển tích hợp
PCB
Printed Circuit Board
Bảng mạch PCB
PWM
Pulse-width modulation
Điều chế độ rộng xung
RF
Radio Frequency
Tần số vô tuyến
RFID
Radio Frequency Identification
Nhận dạng vô tuyến điện
RX
Reciever
Phía thu
SCK
Serial Clock
Xung liên tiếp
SPI
Serial Peripheral Interface
Giao diện Ngoại vi Nối tiếp
SRAM
Static Random Access Menory
Bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên tĩnh
TX
Transmiter
Universal Asynchronous
Receiver/Transmitter
Phía phát
Giao thức truyền thơng nối tiếp
khơng đồng bộ
UART
Trần Thị Bình Minh – D17CQVT08-B
iv
Danh mục hình ảnh, bảng biểu
Đồ án tốt nghiệp Đại học
DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 1.1 Hình ảnh về khóa thơng minh thực tế ............................................................ 3
Hình 1.2 Khóa thơng minh mở khóa bằng vân tay ....................................................... 4
Hình 1.3 Khóa thơng minh mở khóa bằng thẻ từ, mã số ............................................... 5
Hình 1.4 Khóa thơng minh mở khóa bằng điện thoại, app, wifi, bluetooth ................... 6
Hình 2.1 Các loại board Arduino ............................................................................... 10
Hình 2.2 Hình ảnh thực tế về Arduino Uno ................................................................ 11
Hình 2.3 Các chân nguồn của Arduino Uno ............................................................... 12
Hình 2.4 Hình ảnh thực tế về Ardiuno Mega 2560 ..................................................... 15
Hình 2.4 Sơ đồ chân Ardiuno Mega 2560 .................................................................. 17
Hình 2.6 Hình ảnh vân tay được nhận dạng ............................................................... 20
Hình 2.7 Sơ đồ quá trình xủ lý ảnh............................................................................. 21
Hình 2.8 Quá trình so sánh vân tay ............................................................................ 22
Hình 2.9 Hình ảnh thực tế về cảm biến vân tay AS608 .............................................. 23
Hình 2.10 Giao thức truyền thơng của AS608 ............................................................ 26
Hình 2.11 Định nghĩa của thanh ghi ........................................................................... 28
Hình 2.12 Chip bảo mật trong thẻ RFID .................................................................... 29
Hình 2.13 Hình ảnh thực tế Module RFID-RC522 ..................................................... 29
Hình 2.14 Thẻ từ để quét với Module RFID ............................................................... 31
Hình 2.15 Hình ảnh thực tế của bàn phím ma trận 4X4 ............................................. 33
Hình 2.16 Hình ảnh thực tế về module SIM800L ...................................................... 35
Hình 2.17 Hình ảnh thực tế màn hình LCD 16x2 ....................................................... 37
Hình 2.18 Hình ảnh thực tế Module giao tiếp I2C ...................................................... 39
Hình 3.1 Sơ đồ khối hệ thống .................................................................................... 41
Hình 3.3 Khối xử lý và khối cảm biến vân tay ........................................................... 43
Hình 3.4 Phương thức truyền thơng nối tiếp UART ................................................... 44
Hình 3.5 Cảm biến vân tay kết nối Arduino Mega ..................................................... 45
Hình 3.6 Hình ảnh thực tế Module giảm áp LM2596 ................................................. 46
Hình 3.7 Phương thức giao tiếp SPI ........................................................................... 47
Hình 3.8 Hình ảnh thực tế của bàn phím ma trận 4x4 ................................................. 48
Hình 3.9 Hình ảnh nguồn Adapter 12V 3A thực tế .................................................... 49
Hình 3.10 Nguồn pin 9V dự phịng ............................................................................ 50
Trần Thị Bình Minh – D17CQVT08-B
v
Danh mục hình ảnh, bảng biểu
Đồ án tốt nghiệp Đại học
Hình 3.11 Dây cáp cấp nguồn cho Arduino ................................................................ 50
Hình 3.12 Mạch chuyển nguồn tự động ..................................................................... 50
Hình 3.13 Hình ảnh relay thực tế ............................................................................... 51
Hình 3.14 Khóa điện 12V .......................................................................................... 52
Hình 3.15 Hình ảnh về tip 41C .................................................................................. 53
Hình 4.1 Lưu đồ giải thuật ......................................................................................... 55
Hình 4.2 Giao diện phần mềm lập Arduino IDE ........................................................ 56
Hình 4.3 Đăng ký vân tay thành cơng ........................................................................ 57
Hình 4.4 Chạy thử 3 chức năng mở cửa ..................................................................... 60
Hình 4.5 Mơ hình cửa thơng minh khi đã hồn thành ................................................. 61
DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 2.1 Thông số kỹ thuật của Arduino Uno ........................................................... 11
Bảng 2.2 Thông số kỹ thuật của cảm biến vân tay AS608O ....................................... 22
Bảng 2.3 Chức năng các chân của cảm biến vân tay .................................................. 24
Bảng 2.4 Sơ đò các chân của màn hình LCD 16x2 ..................................................... 37
Trần Thị Bình Minh – D17CQVT08-B
vi
Lời nói đầu
Đồ án tốt nghiệp Đại học
LỜI NĨI ĐẦU
Với xu hướng hội nhập và phát triển cùng nền công nghệ kĩ thuật tiên tiến hiện đại
trên thế giới, có rất nhiều các công nghê được áp dụng thực thế đời sống của con người.
Trong đó khơng thể khơng nhắc đến vấn đề giữ bảo mật và an toàn tài sản cá nhân của
họ. Để đáp ứng nhu cầu đó thì từ xa xưa, con người chúng ta đã tạo ra những chiếc ổ
khóa và chìa khóa truyền thống dựa trên cơ học để giữ gìn của cải của mình.
Nhưng như đã nói, trong thời đại 4.0 hiến nay có rất nhiều cơng nghệ tiên tiến, ưu
việt được tích hợp để tạo ra 1 chiếc khóa thơng minh hay cịn được biết đến với tên là
SmartLocks hay SmartKeys, với nhiều tính năng hiện đại, tiện lợi hơn cho người dùng
mà vẫn đảm bảo tính an tồn hơn nữa cịn có tính bảo mật cao hơn loại khóa truyền
thống. Hiện nay nó ngày càng được phát triển và ứng dụng rộng rãi nhờ các ưu điểm mà
nó đem lại trong thực tế đã chứng minh.
Với xu hướng đó, em đã quyết định thực hiện đề tài “Thiết kế khóa cửa thơng minh
đa năng dựa trên ARDUINO” để làm báo cáo Đồ án Tốt nghiệp sau 4 năm rưỡi học tập
và tích lũy kiến thức trong chuyên ngành Kĩ thuật Điện tử Truyền thơng của Học viện
Cơng nghệ Bưu chính Viễn Thơng.
Đồ án của em trình bày 5 chương:
Chương I. Tổng quan về khóa thơng minh
Chương II. Cơ sở lý thuyết về các linh kiện
Chương III. Tính tốn và thiết kế
Chương IV. Thi công hệ thống
Bằng sự cố gắng nỗ lực của bản thân và đặc biệt là sự giúp đỡ tận tình của thầy giáo
PGS.TS Đặng Thế Ngọc, em đã hồn thành đồ án đúng thời hạn. Do thời gian làm đồ
án có hạn và trình độ cịn nhiều hạn chế nên khơng 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 bài đồ án này hoàn thiện hơn nữa.
Sinh viên thực hiện
Trần Thị Bình Minh
Trần Thị Bình Minh – D17CQVT08-B
1
Đồ án tốt nghiệp Đại học
Chương I. Tổng quan về khóa thơng minh
CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ KHĨA THƠNG MINH
1.1 Lý do chọn đề tài
Thời đại 4.0 - thời đại của công nghệ, mọi thứ đang dần được công nghệ hóa, hiện
đại hóa và Smart home thì cần có smartlock. Cơng nghệ hiện đại ngày càng phát triển,
những chiếc khóa cửa thơng minh dần thay thế những khóa chìa truyền thống. Khóa cửa
thơng minh tốt giúp hạn chế những nguy cơ nhà bị đột nhập, mất cắp, bảo vệ an tồn
những tài sản có giá trị trong gia đình bạn.
Thiết kế khóa cửa thơng minh tại thời điểm này khơng phải là quá sớm hay mới mẻ
nhưng đó cũng chưa là muộn khi xã hội đang dần tiếp cận gần hơn và rất ưa chuộng với
thiết bị điện tử thông minh có tính bảo mật cao. Trong vài năm trở lại đây, nhu cầu sử
dụng khóa thơng minh ngày càng trở nên phổ biến, đặc biệt là các khu chung cư, biệt
thự cao cấp.
Khóa cửa thơng minh là một thiết bị cơ điện khác biệt với các loại khóa truyền thống
có tác dụng thực hiện các nhiệm vụ đóng/mở khi nhận được lệnh từ một thiết bị được
xác thực. Smartlock sử dụng kết nối khơng dây với một khóa mã để thực hiện q trình
xác nhận. Khóa cửa thơng minh cũng đồng thời nhận diện bất kỳ sự tiếp cận nào và gửi
thơng báo về các tình huống khẩn cấp khác liên quan đến tình trạng của thiết bị.
Mặt khác, việc phát triển không ngừng của vi xử lý đã cho ra đời nhiều loại sản
phẩm thông minh nhỏ gọn, tích hợp nhiều chức năng cho người dùng dễ sử dụng. Không
thể không kể đến kit Arduino- một sản phẩm được sử dụng trên tồn cầu và có cộng
đồng người dùng rất lớn. Kit Arduino có thể kết hợp với nhiều module khác để tạo nên
những ứng dụng thiết thực cho cuộc sống hiện đại ngày nay.
Với những đặc tính trên, em đã quyết định thực hiện mơ hình bao gồm Arduino,
module cảm biến vân tay, bàn phím, thẻ từ để làm bộ khóa cửa thơng minh.
Phù hợp với một đề tài tốt nghiệp vì chi phí rẻ hợp với sinh viên, có tính liên kết
với nhiều mơn học, mang tính thực tiễn cao.
1.2 Mục tiêu
-
Tìm hiểu và nghiên cứu về kit Arduino, module cảm biến vân tay AS608,
thiết bị điện và cách kết nối giữa các module để hoàn thành mơ hình hồn
thiện.
Trần Thị Bình Minh – D17CQVT08-B
2
Chương I. Tổng quan về khóa thơng minh
Đồ án tốt nghiệp Đại học
-
Xây dựng hệ thống quét dấu vân tay để điều khiển đóng mở cửa qua cảm
biến vân tay và dữ liệu vân tay sẽ được gửi lên máy tính qua cổng truyền
thơng giao tiếp.
-
Xây dựng mật khẩu qua ma trận bàn phím 4x4, và hiển thị lên màn hình LCD
-
Kết nối mudun RFID để quá trình mở cửa nhanh nhất, và sử dụng mudun
SIM 800L để điều khiển mở cửa từ xa.
-
Trình bày được giao diện mơ phỏng trên máy tính.
-
Thiết kế hồn chỉnh mơ hình thực tế.
-
Tiến hành chạy thử nghiệm mơ hình hệ thống.
1.3 Giới thiệu về khóa thơng minh
Hình 1.1 Hình ảnh về khóa thơng minh thực tế
1.3.1 Giới thiệu về khóa thơng minh
a) Khái qt về khóa thơng minh
Khóa cửa thơng minh cịn gọi là khóa cửa kỹ thuật số (Digitallock), là loại khóa
được tích hợp rất nhiều tính năng mở cửa hiện đại như dùng vân tay, thẻ từ, mã số, thậm
chí là mở cửa qua bluetooth, bằng điện thoại, app, wifi. Đây là loại khóa cửa ứng dụng
khoa học kĩ thuật hiện đại với thiết kế đặc biệt sử dụng mạch điện tử thơng qua nguồn
Trần Thị Bình Minh – D17CQVT08-B
3
Đồ án tốt nghiệp Đại học
Chương I. Tổng quan về khóa thơng minh
điện 4V để hoạt động hoặc sử dụng pin sạc nhiều lần. Do đó, khơng cần sử dụng những
chiếc chìa khóa cơ thơng thường để mở cửa và quên đi nỗi lo khi làm rơi, mất chìa hoặc
quên chìa khi ra khỏi nhà như các dịng khóa cơ truyền thống.
b) Các tính năng của khóa cửa thơng minh điện tử
Mở khóa bằng vân tay
Hình 1.2 Khóa thơng minh mở khóa bằng vân tay
Khóa thơng minh mở khóa bằng vân tay trong ứng dụng đời sống hàng ngày có thiết
kế tương tự Hình 1.2.Tính năng này giúp khóa cửa thơng minh nâng tính bảo mật và an
tồn lên rất cao và được nhiều người ưa chuộng. Khóa ứng dụng công nghệ sinh trắc
học vân tay - đặc trưng nhận diện của mỗi người, những lí thuyết tưởng chừng chỉ áp
dụng trong quản lí con người, điều tra tội phạm trong hình sự.
Chỉ có những người cài đặt trên hệ thống vân tay mới có khả năng mở cửa, đảm bảo
an tồn tối đa cho gia đình bạn. Bất kì ai, dù là người trong nhà nếu không cài đặt trên
hệ thống vân tay của khóa cửa thơng minh này cũng không thể mở cửa. Sản phẩm này
thường được áp dụng tại nhiều chung cư, nhà phố cao cấp hay bất kì nơi nào địi hỏi u
cầu bảo mật cao.
Trần Thị Bình Minh – D17CQVT08-B
4
Đồ án tốt nghiệp Đại học
Chương I. Tổng quan về khóa thơng minh
Mở khóa bằng thẻ từ, mã số
Hình 1.3 Khóa thơng minh mở khóa bằng thẻ từ, mã số
Khóa thơng minh mở khóa bằng thẻ từ, mã số rất phổ biến rồi, không cần giới thiệu
chắc bạn cũng biết, chúng có kiểu dáng tương tự như loại khóa trên Hình 1.3. Thay vì
dùng những chiếc chìa khóa thơng thường, bạn chỉ cần quệt nhẹ thẻ từ vào ổ khóa cửa,
cửa của bạn đã được mở dễ dàng. Thẻ từ thường được sử dụng tại các hệ thống khách
sạn, resort nhằm đảm bảo sự an toàn và thoải mái cho du khách. Hơn nữa, khóa từ rất
dễ sử dụng và có thể cung cấp số lượng thẻ lớn. Khi kết hợp với các sản phẩm khác như
hệ thống quản lí khách sạn thông minh, chủ doanh nghiệp sẽ rất dễ quản lí.
Trần Thị Bình Minh – D17CQVT08-B
5
Đồ án tốt nghiệp Đại học
Chương I. Tổng quan về khóa thơng minh
Điều khiển từ xa bằng điện thoại, app, wifi, bluetooth
Hình 1.4 Khóa thơng minh mở khóa bằng điện thoại, app, wifi, bluetooth
Khóa thơng minh mở khóa bằng điện thoại, app, wifi, bluetooth trong thực tế sẽ
tương tự như Hình 1.4.Tiện lợi và hữu dụng là thế mạnh của dịng khóa cửa thơng minh
này. Khi sử dụng loại khóa này, bạn không cần phải lo lắng về những bất cập mà các
dịng khóa khác đem đến như kẹt khóa, qn chìa… Hơn nữa, chủ nhà hồn tồn có thể
chia sẻ các phím ảo cho người khác nhưng sẽ bị giới hạn về thời gian. Vì thế, những vị
khách này chỉ có thể truy cập khóa thơng minh cũng như vào được nhà khi chủ nhà cho
phép. Khóa thơng minh sẽ gửi thơng tin tín hiệu cho chủ nhà khi có người bước vào và
ra khỏi nhà. Chủ nhà cũng có thể hủy lệnh mở cửa bất kì khi nào, đặc biệt trong tình
trạng cấp bách.
Mở cửa bằng chìa cơ dự phịng
Khi tất cả những tính năng trên của khóa cửa thơng minh đều có vấn đề và gặp trục
trặc, bạn vẫn có thể sử dụng chìa cơ để mở. Dù hiện đại đến đâu cũng sẽ không tránh
khỏi được những sai sót và những trường hợp bất khả kháng. Do đó, tính năng này bắt
buộc phải có ở mỗi chiếc khóa cửa thơng minh.
Trần Thị Bình Minh – D17CQVT08-B
6
Đồ án tốt nghiệp Đại học
Chương I. Tổng quan về khóa thơng minh
c) Các loại cửa khóa cửa thơng minh có thể lắp đặt
Hầu hết các loại chất liệu làm cửa đều có thể lắp được những chiếc khóa cửa thơng
minh. Từ cửa nhơm kính, cửa gỗ, cửa thép, cửa kính thủy lực… Tùy vào kích thước và
độ dày của cửa, cần lựa chọn những loại khóa điện tử phù hợp. Thơng thường với khóa
cửa thơng minh thì cửa có kích thước từ 85 mm trở lên và độ dày từ 35 mm trở lên là có
thể lắp được khóa.
Trong thực tế, phần khóa cửa thơng minh thường được lắp vào những cửa lớn và có
thiết kế hiện đại. Những dịng cửa truyền thống thường thiên về loại khóa chìa hơn. Tuy
nhiên, trong một số trường hợp, có nhiều loại cửa khơng nên hoặc khơng thường được
lắp đặt khóa cửa thơng minh, ví dụ của cuốn, hoặc cửa xếp.
Cũng như khóa cửa truyền thống, khóa cửa thơng minh có cấu tạo bao gồm hai bộ
phận là ổ khóa và chìa khóa.
Tuy nhiên, chìa khóa ở khóa thơng minh khơng tồn tại ở dạng vật chất, mà nó nằm
trong ứng dụng của điện thoại thông minh, thẻ từ hoặc một loại móc chìa khóa đặc biệt
được định dạng dành riêng cho khóa thơng minh.
Với những loại khóa đơn giản hơn, “chìa khóa” có thể đơn giản là một đoạn mã
số. Khóa cửa thường được gắn trực tiếp vào ổ khóa thường, bao gồm các bộ phận thu
và phát tín hiệu, cũng như thiết bị mở và khóa chốt.
Khóa cửa thơng minh trong cuộc sống số thời đại 4.0 là điều cần thiết giúp chúng
ta tiếp cần gần hơn với cuộc sống hiện đại, nâng cao chất lượng cuộc sống. Một ngôi
nhà thông minh sẽ thông minh từ cánh cửa.
1.3.2 Các phương thức mở khóa trong đồ án
Từ phương thức hoạt động đến cấu tạo kết hợp với công nghệ cao, em xin thiết kế
khóa của thơng minh có các phương thức mở cơ bản sau:
Mở khóa bằng vân tay. Khóa vân tay: hệ thống này cho phép vân tay của
người sử dụng được mã hóa trên thiết bị và chỉ khi có bàn tay đó đặt vào thì
khóa mới tự động mở.
Mở khóa bằng chuỗi mật mã: Là loại khóa dùng mật mã thay cho chìa khóa
để mở cửa. Mỗi thẻ có mỗi mã ID, và chỉ mã ID được cài đặt thì mới có thể
mở khóa.
Trần Thị Bình Minh – D17CQVT08-B
7
Đồ án tốt nghiệp Đại học
Chương I. Tổng quan về khóa thơng minh
Mở khóa bằng Card RFID: RFID là viết tắt của cụm từ Radio Frequency
Identification, là công nghệ nhận dạng các đối tượng dựa trên bước sóng vơ
tuyến. Nhờ áp dụng công nghệ này mà các thiết bị khóa hiện đại có thể nhanh
hơn các phương thức khác.
Mở khóa bằng chìa khóa ảo: Khơng chỉ thực hiện thao tác đóng hay mở cửa,
ở khóa cửa thơng minh này cịn có ứng dụng mở rộng cho phép chủ nhân căn
nhà có thể tạo quyền cho bạn bè, người thân hay những người khác mở được
khóa để vào nhà bằng chìa khóa ảo. Chiếc chìa khóa ảo này có thể được gửi
đi tin nhắn SMS. Nắm được mã khóa trong tay, người nhận có thể mở được
cửa nhà vào những thời điểm đã được chủ nhà chỉ định.
1.3.3 Ưu nhược điểm của khóa cửa thơng minh
Giới thiệu về khóa của thơng minh em muốn đưa đến các góc nhìn thực tế cả về ưu
và nhược điểm của thiết bị công nghệ thời đại 4.0 này.
a) Ưu điểm nổi bật mà khóa của thơng minh sở hữu:
-
Khóa cửa thơng minh dần được ưa chuộng và là sự lựa chọn cho cuộc sống số
chứng tỏ chứng đang sở hữu nhiều ưu điểm nổi bật so với các dịng khóa truyền
thống khác:
-
Khơng cịn lo lắng về việc rơi, hay để qn chìa khóa, chúng ta chỉ cần nhớ
mật mã hoặc có card từ hay đơn giản chỉ là ngón tay của mình.
-
Khơng cần mất thời gian tiền bạc để đánh chìa khóa, tất cả được sao lưu trong
bộ nhớ máy và điện thoại của bạn
-
Thao tác nhanh chóng, thuận tiện ngay cả khi chúng ta đang mang vác nặng
nhọc.
-
Vật liệu của khóa thơng minh thường chắc chắn, chịu được sự ăn mịn tốt.
Cũng do không cần phải tác động vật lý nhiều như khóa truyền thống, do vậy,
ổ khóa thơng minh thường bền hơn.
-
Tự động khóa khi cửa đóng.
-
Hoạt động với nguồn điện riêng.
-
Thiết kế sang trọng, đa dạng, phù hợp với nhiều phong cách kiến trúc khác
nhau.
-
Dễ dàng thiết lập, cài đặt loại mã khóa phù hợp.
Trần Thị Bình Minh – D17CQVT08-B
8
Đồ án tốt nghiệp Đại học
Chương I. Tổng quan về khóa thơng minh
b) Hạn chế, rủi ro và cũng là nhược điểm của dịng khóa cửa thơng minh
Ln có mặt ưu và nhược điểm sẽ tồn tại song song và mơ hình về khóa cửa thơng
minh em cũng khơng lẩn tránh những hạn chế của thiết bị này.
-
Với những loại khóa dùng mã số, mã khóa có thể dễ bị tiết lộ hay bị phá mã.
-
Để duy trì tính an tồn và bảo mật, khóa cửa thơng minh cần liên tục được bảo
trì và nâng cấp để chống lại xâm nhập.
Mặc dù có những rủi ro nhất định, khóa cửa thông minh chắc chắn vẫn sẽ được
sử dụng trong tương lai. Trong những năm tiếp theo, việc sử dụng khóa cửa thơng minh
như khóa vân tay, khóa dùng thẻ, khóa mã số sẽ dần thay thế cách khóa truyền thống do
tính năng vượt trội trong việc đảm bảo giám sát ra vào ở mức độ cao nhất cho các khu
vực cần có sự kiểm sốt ra vào chặt chẽ.
Trần Thị Bình Minh – D17CQVT08-B
9
Chương II. Cơ sở lý thuyết về các linh kiện
Đồ án tốt nghiệp Đại học
CHƯƠNG II CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ CÁC LINH KIỆN
2.1 Tổng quan về Arduino
Hình 2.1 Các loại board Arduino
2.1.1 Giới thiệu về Board Arduino Uno
2.1.1.1 Giới thiệu
Arduino thật ra là một bo mạch vi xử lý được dùng để lập trình tương tác với các
thiết bị phần cứng như cảm biến, động cơ hoặc các thiết bị khác. Chúng có rất nhiều loại
để đáp ứng nhu cầu sử dụng đa dạng, có thể thấy trong Hình 2.1 trên. Đặc điểm nổi bật
của Arduino là môi trường phát triển ứng dụng cực kỳ dễ sử dụng, với một ngơn ngữ
lập trình có thể học một cách nhanh chóng ngay cả với người ít am hiểu về điện tử và
lập trình cũng có thể sử dụng một cách dễ dàng. Arduino có mức giá thấp, phù hợp với
nhu cầu người dùng, có tính chất nguồn mở và cộng đồng người dùng đông đảo. Với lợi
thế đến từ giá thành cũng như lợi thế về cộng đồng người dùng, số người sử dụng
Arduino trải rộng từ học sinh phổ thông đến sinh viên đại học.
Board mạch Arduino được sử dụng để thực hiện nhiều ứng dụng như: Cánh tay
robot, điều khiển và giám sát nhiệt độ độ ẩm phòng thí nghiệm, điều khiển động cơ đóng
mở cửa...
Trần Thị Bình Minh – D17CQVT08-B
10
Chương II. Cơ sở lý thuyết về các linh kiện
Đồ án tốt nghiệp Đại học
Arduino Uno là một bảng mạch vi điều khiển nguồn mở dựa trên vi điều khiển
Microchip ATmega328 được phát triển bởi Arduino.cc. Bảng mạch được trang bị các
bộ chân đầu vào/đầu ra Digital và Analog có thể giao tiếp với các bảng mạch mở rộng
khác nhau. Mạch Arduino Uno (có thể thấy rõ hình ảnh thực tế trong Hình 2.2) thích
hợp cho những bạn mới tiếp cận và đam mê về điện tử, lập trình... Dựa trên nền tảng mở
do Arduino.cc cung cấp các bạn dễ dàng xây dựng cho mình một dự án nhanh nhất (lập
trình Robot, xe tự hành, điều khiển bật tắt led...).
Hình 2.2 Hình ảnh thực tế về Arduino Uno
2.1.1.2 Phần cứng
a) Nguồn
- LED: Có 1 LED được tích hợp trên bảng mạch và được nối vào chân D13.
Khi chân có giá trị mức cao (HIGH) thì LED sẽ sáng và LED tắt khi ở mức
thấp (LOW).
- VIN: Chân này dùng để cấp nguồn ngoài (điện áp cấp từ 7-12VDC).
- 5V: Điện áp ra 5V (dòng điện trên mỗi chân này tối đa là 500mA).
- 3V3: Điện áp ra 3.3V (dòng điện trên mỗi chân này tối đa là 50mA).
Trần Thị Bình Minh – D17CQVT08-B
11
Chương II. Cơ sở lý thuyết về các linh kiện
Đồ án tốt nghiệp Đại học
- GND: Là chân mang điện cực âm trên board.
- IOREF: Điện áp hoạt động của vi điều khiển trên Arduino UNO và có thể
đọc điện áp trên chân IOREF. Chân IOREF không dùng để làm chân cấp
nguồn.
Hình 2.1 Các chân nguồn của Arduino Uno
b) Thơng số kỹ thuật
Chip điều khiển
ATmega328P
Điện áp hoạt động
5V
Điện áp đầu vào(khuyên dùng)
7-12V
Điện áp đầu vào (giới hạn)
6-20V
Số chân Digital
14 (of which 6 provide PWM(điều chế độ
rộng xung) output)
Số chân PWM Digital
6
Số chân Analog
6
Dòng điện DC trên mỗi chân I/O
20 mA
Dòng điện DC trên chân 3.3V
50 mA
Trần Thị Bình Minh – D17CQVT08-B
12
Chương II. Cơ sở lý thuyết về các linh kiện
Đồ án tốt nghiệp Đại học
Flash Memory(bộ nhớ chương
trình)
32 KB (ATmega328P) of which 0.5 KB
used by bootloader
SRAM
2 KB (ATmega328P)
EEPROM
1 KB (ATmega328P)
Tốc độ thạch anh
LED_BUILTIN(Led tích hợp)
16 MHz
13
Chiều dài
68.6 mm
Chiều rộng
53.4 mm
Cân nặng
25 g
Bảng 2.1 Thông số kỹ thuật của Arduino Uno
c) Bộ nhớ
Vi điều khiển ATmega328:
-
32 KB bộ nhớ Plash: Trong đó bootloader chiếm 0.5KB.
-
KB cho SRAM (Static Random Access Menory): Giá trị các biến khai báo sẽ
được lưu ở đây. Khai báo càng nhiều biến thì càng tốn nhiều bộ nhớ RAM.
Khi mất nguồn dữ liệu trên SRAM sẽ bị mất.
-
1 KB cho EEPROM: (Electrically Eraseble Programmable Read Only
Memory): Là nơi có thể đọc và ghi dữ liệu vào đây và không bị mất dữ liệu khi
mất nguồn.
d) Các chân đầu vào và đầu ra
Trên Board Arduino Uno có 14 chân Digital được sử dụng để làm chân đầu vào và
đầu ra và chúng sử dụng các hàm pinMode(), digitalWrite(), digitalRead(). Giá trị điện
áp trên mỗi chân là 5V, dòng trên mỗi chân là 20mA và bên trong có điện trở kéo lên là
20-50 ohm. Dòng tối đa trên mỗi chân I/O không vượt quá 40mA để tránh trường hợp
gây hỏng board mạch.
Ngồi ra, một số chân Digital có chức năng đặt biệt:
Trần Thị Bình Minh – D17CQVT08-B
13
Đồ án tốt nghiệp Đại học
-
Chương II. Cơ sở lý thuyết về các linh kiện
Serial: 0 (RX) và 1 (TX): Được sử dụng để nhận dữ liệu (RX) và truyền dữ
liệu (TX) TTL.
-
Ngắt ngoài: Chân 2 và 3.
-
PWM: 3, 5, 6, 9 và 11 Cung cấp đầu ra xung PWM với độ phân giải 8 bit bằng
hàm analogWrite ().
-
SPI (Serial Peripheral Interface :Giao diện Ngoại vi Nối tiếp): 10 (SS), 11
(MOSI), 12 (MISO), 13 (SCK). Các chân này hỗ trợ giao tiếp SPI bằng thư
viện SPI.
-
LED: Có 1 LED được tích hợp trên bảng mạch và được nối vào chân D13. Khi
chân có giá trị mức cao (HIGH) thì LED sẽ sáng và LED tắt khi ở mức thấp
(LOW).
-
TWI/I2C: A4 (SDA) và A5 (SCL) hỗ trợ giao tiếp I2C/TWI với các thiết bị
khác.
-
Arduino Uno R3 có 6 chân Analog từ A0 đến A5, đầu vào cung cấp độ phân
giải là 10 bit.
2.1.2 Giới thiệu về Board Arduino Mega 2560
2.1.2.1 Giới thiệu
Arduino Mega 2560 CH340 là phiên bản nâng cấp của Arduino Uno R3 với số chân
giao tiếp, ngoại vi và bộ nhớ nhiều hơn. Mạch được thiết kế và sử dụng các linh kiện
tương đương với phiên bản chính hãng trên Arduino.cc, phù hợp cho các ứng dụng cần
nhiều bộ nhớ hoặc nhiều chân, cổng giao tiếp hơn so với Arduino Uno. Arduino Mega
2560 CH340 chỉ thay đổi chip dán so với Arduino Mega 2560 R3.
Arduino Mega 2560 là board mạch vi điều khiển dựa trên chip xử lý Atmega2560
được mở rộng thêm bộ nhớ và các chân I/O so với các bo mạch khác có sẵn trên thị
trường.
Arduino Mega được thiết kế đặc biệt cho các dự án đòi hỏi mạch phức tạp và cần
nhiều không gian bộ nhớ hơn như có thể thấy trong Hình 2.4. Hầu hết các dự án điện tử
có thể được thực hiện khá tốt bởi các Arduino khác có sẵn trên thị trường như Arduino
Uno R3, Arduino Nano, Arduino Pro Mini khiến Arduino Mega không được dủng phổ
biến cho các dự án thông thường. Tuy nhiên, có một số dự án chỉ được thực hiện bởi
Arduino Mega như chế tạo máy in 3D hoặc điều khiển nhiều động cơ DC, nhiều động
Trần Thị Bình Minh – D17CQVT08-B
14
Đồ án tốt nghiệp Đại học
Chương II. Cơ sở lý thuyết về các linh kiện
cơ bước, vì khả năng lưu trữ nhiều thông tin, dữ liệu hơn trong bộ nhớ mã hóa và cần
nhiều các chân I/O
Hình 2.4 Hình ảnh thực tế về Ardiuno Mega 2560
2.1.2.2 Phần cứng
a)
Nguồn
Có ba cách để cấp nguồn cho Arduino Mega. Bạn có thể sử dụng cáp USB để cấp
nguồn cho bo Arduino Mega hoặc sử dụng chân cấp nguồn Vin hoặc từ giắc cắm nguồn
vào DC.
b)
Thơng số kỹ thuật
-
Chíp ATMEGA2560
-
Điện áp hoạt động: 5V DC
-
Nguồn Cấp: 7-12V (Giới Hạn 6-20V)
-
Dòng Max chân 5V : 500mA
-
Dòng Max 3.3V: 50mA
-
Dòng Max Chân I/O: 40mA
-
54 Chân Digital I/O (15 Chân PWM)
-
16 Chân Analog Inputs
-
Bộ Nhớ Flash: 256K
-
16Mhz Clock Speed
Trần Thị Bình Minh – D17CQVT08-B
15
Đồ án tốt nghiệp Đại học
-
SRAM 8 KB
-
EEPROM 4 KB
c)
Các cổng vào ra
-
Chương II. Cơ sở lý thuyết về các linh kiện
Có 54 chân I/O digital và 16 chân analog được tích hợp trên bo mạch giúp
thiết bị này trở nên riêng biệt và nổi bật so với các thiết bị khác.
-
Có 15 chân được sử dụng cho xuất xung PWM
-
Một bộ dao động thạch anh có tần số 16 MHz được tích hợp trên board
Arduino Mega2560
-
Arduino Mega2560 có cổng USB được sử dụng để kết nối và chuyển mã
từ máy tính đến mạch Arduino Mega dựa trên phần mềm IDE
-
Tích hợp jack nguồn DC để cấp nguồn cho bo mạch. Một số phiên bản
Arduino khác thiếu tính năng này như Arduino Pro Mini không đi kèm
jack cắm nguồn DC.
-
Đầu jack kết nối ICSP (Header đôi gần nút reset) được bổ sung đáng chú
ý cho Arduino Mega, sử dụng để lập trình Arduino và tải file lên từ máy
tính qua phần mềm IDE
-
Arduino Mega2560 có hai mức điện áp là 5V và 3.3V cung cấp sự linh
hoạt để điều chỉnh điện áp theo yêu cầu so với Arduino Pro Mini chỉ đi
kèm với một bộ điều chỉnh điện áp.
-
So sánh với Arduino Uno thì Arduino Mega khơng có nhiều sự khác biệt
giữa Arduino Uno và Arduino Mega ngoại trừ Arduino Mega được mở
rộng bộ nhớ và các chân I/O nhiều hơn, kích thước lớn hơn.
-
Về phần mềm lập trình, tất cả các loại Arduino đều dùng chung phần mềm
IDE.
-
Tính khả dụng của Atmega16 trên bo mạch Arduino Mega làm cho nó
khác với Arduino Pro Mini chỉ sử dụng USB để chuyển đổi nối tiếp để
lập trình.
-
Tích hợp nút reset trên board mạch và 4 cổng nối tiếp phần cứng được gọi
là USART, tạo ra tốc độ tối đa để giao tiếp.
Trần Thị Bình Minh – D17CQVT08-B
16
