Thiết kế hệ thống cánh cửa tự động sử dụng công nghệ xử lý ảnh

LỜI NÓI ĐẦU
Ngày nay trên thế giới với sự bùng nổ của các nghành công nghệ thông tin, điện
tử v.v... Đã làm cho đời sống của con người ngày càng hoàn thiện. Các thiết bị tự động
hóa đã ngày càng được sử dụng vào trong sản xuất và thậm chí là vào trong cuộc sống
sinh hoạt hằng ngày của mỗi con người. Do đó một ngôi nhà thông minh, có các thiết
bị tự động không còn là mơ ước của con người nữa mà nó đã trở thành hiện thực hóa.
Qua báo chí, các phương tiện truyền thông, internet chúng ta có thể thấy những
mô hình ngôi nhà thông minh, có cánh cửa tự động đã ra đời. Là một sinh viên ngành
Điện, bản thân cũng có những mong ước đóng góp một phần công sức cho xã hội bằng
những việc làm có ý nghĩa thực tế, từ những kiến thức đã được học sau bốn năm rưỡi
theo học trường Đại học Bách Khoa Đà Nẵng.
Sau thời gian học tập tại trường, được sự chỉ bảo hướng dẫn nhiệt tình của thầy
cô giáo trong ngành Điện tự động trường Đại học Bách Khoa Đà Nẵng, em đã kết thúc
khoá học và đã tích luỹ được vốn kiến thức nhất định. Được sự đồng ý của nhà trường
và thầy cô giáo trong khoa em được giao đề tài tốt nghiệp nghiên cứu và chế tạo: “Hệ
thống cửa tự động”.
Đồ án tốt nghiệp của em gồm bốn chương:
Chương 1: Tổng quan về hệ thống cửa tự động
Chương 2: Thiết kế phần cứng của hệ thống
Chương 3: Lập trình điều khiển hệ thống
Chương 4: Thực nghiệm
Bằng sự cố gắng nỗ lực của bản thân và đặc biệt là sự giúp đỡ tận tình, chu đáo
của thầy giáo TS. Lê Tiến Dũng, em đã hoàn thành đồ án đúng thời hạn. Do thời gian
làm đồ án có hạn và trình độ còn nhiều hạn chế nên không thể tránh khỏi những thiếu
sót. Em rất mong nhận được sự đóng góp ý kiến của các thầy cô cũng như là của các
bạn sinh viên để đồ án này hoàn thiện hơn nữa. Một lần nữa, em xin chân thành cảm
ơn thầy giáo TS. Lê Tiến Dũng đã tạo điều kiện giúp đỡ em hoàn thành đồ án, nhờ
thầy mà em đã biết thêm nhiều phương án hay, nhiều kiến thức mới hữu ích cho đề tài
em chọn, đồng thời em cũng gửi lời cảm ơn các thầy cô giáo khoa Điện chuyên ngành
Điện tự động trường Đại học Bách Khoa Đà Nẵng đã tạo điều kiện giúp đỡ em trong
thời gian qua.

Em xin chân thành cảm ơn!
Sinh viên thực hiện


MỤC LỤC
TỔNG QUAN HỆ THỐNG CỬA TỰ ĐỘNG .............................................10
1.1 Đặt vấn đề .................................................................................................................10
1.2 Tổng quan hệ thống cửa tự động ..............................................................................10
1.2.1. Giới thiệu chung về hệ thống cửa tự động ........................................................10
1.2.2. Các hệ thống cửa tự động thực tế và công nghệ sử dụng .................................11
1.2.2.1. Cửa thông minh ở các sân bay Australia ...................................................11
1.2.2.2. Chuông cửa thông minh (Chui smart Doorbell) ........................................12
1.2.2.3. Khóa thông minh nhận dạng khuôn mặt HF6618 ......................................13
1.3 Tính năng, giải pháp công nghệ của đề tài................................................................14
1.3.1. Tính năng, yêu cầu của đề tài............................................................................14
1.3.1.1. Thao tác nhanh khi khóa cửa .....................................................................14
1.3.1.2. Mở cửa dễ dàng ..........................................................................................14
1.3.1.3. Nhiều phương án mở cửa ...........................................................................15
1.3.1.4. Chế độ theo dõi từ xa .................................................................................15
1.3.1.5. Hoạt động khi mất điện ..............................................................................15
1.3.2. Giải pháp, công nghệ của đề tài ........................................................................15
1.3.2.1. Quy trình vận hành.....................................................................................15
1.3.2.2. Phía trong nhà ............................................................................................15
1.3.2.3. Phía ngoài nhà ............................................................................................15
1.3.2.4. Thiết lập hệ thống ......................................................................................16
1.3.3. Sơ đồ khối của hệ thống ....................................................................................16
1.3.4. Các thành phần của hệ thống ............................................................................17
THIẾT KẾ PHẦN CỨNG CỦA HỆ THỐNG ..............................................19
2.1 Thiết kế phần cứng ....................................................................................................20
2.1.1. Khung bao cửa ..................................................................................................20

2.1.2. Cửa ....................................................................................................................20
2.1.3. Tay nắm cửa ......................................................................................................21
2.1.4. Chốt khóa cửa ...................................................................................................22
2.1.5. Bản lề lá ............................................................................................................22
2.2 Lựa chọn linh kiện, thiết bị .......................................................................................23


2.2.1. Camera ..............................................................................................................23
2.2.2. Bàn phím ...........................................................................................................23
2.2.3. Màn hình hiển thị ..............................................................................................24
2.2.3.1. Màn hình hiển thị bên ngoài ......................................................................24
2.2.3.2. Màn hình hiển thị bên trong .......................................................................25
2.2.4. Động cơ servo ...................................................................................................25
2.2.5. Mạch Arduino Mega 2560 ................................................................................26
2.2.6. Raspberry Pi ......................................................................................................27
2.3 Kết nối thiết bị trong hệ thống ..................................................................................28
2.3.1. Sơ đồ kết nối tổng thể .......................................................................................28
2.3.2. Sơ đồ đấu nối dây chi tiết mạch điều khiển ......................................................34
2.3.2.1. Kết nối LCD I2C với Arduino Mega 2560 ................................................35
2.3.2.2. Nối dây giữa keypad 4x4 và Arduino MEGA 2560 ..................................35
2.3.2.3. Nối dây giữa RFID RC522 và Arduino MEGA2560 ................................36
2.3.2.4. Đấu nối giữa động cơ servo SG90 và Arduino MEGA2560 .....................37
2.3.2.5. Kết nối nút nhấn tới Arduino MEGA2560 ................................................37
2.3.2.6. Kết nối giữa màn hình TFT LCD và Raspberry pi ....................................37
2.4 Thiết kế mạch dự phòng............................................................................................38
LẬP TRÌNH ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG .....................................................41
3.1 Sơ đồ thuật toán ........................................................................................................41
3.2 Thuật toán xử lý ảnh .................................................................................................43
3.2.1. Phát hiện khuôn mặt ..........................................................................................43
3.2.2. Căn chỉnh khuôn mặt ........................................................................................45

3.2.3. Biểu diễn khuôn mặt .........................................................................................48
3.2.4. Xác minh khuôn mặt .........................................................................................48
3.2.5. Kết quả thực nghiệm .........................................................................................49
3.2.6. Đọc ảnh từ server ..............................................................................................51
3.2.7. Lưu ảnh thành video .........................................................................................53
3.3 Chương trình nhận diện người nói (Speaker Identifier) ...........................................54
3.3.1. Giới thiệu về nhận diện người nói ....................................................................54
3.3.2. Thư viện âm thanh MARF ................................................................................55
3.3.3. Cài đặt thư viện .................................................................................................56
3.3.4. Huấn luyện máy nhận diện ...............................................................................56


3.3.5. Nhận diện người nói..........................................................................................57
3.4 Chương trình vi điều khiển Arduino Mega 2560 ......................................................58
3.4.1. Nhiệm vụ của Arduino Mega 2560 ...................................................................58
3.4.2. Các thư viện sử dụng ........................................................................................59
3.4.2.1. Thư viện SPI ..............................................................................................59
3.4.2.2. Thư viện RFID ...........................................................................................59
3.4.2.3. Thư viện LCD I2C .....................................................................................59
3.4.2.4. Thư viện Servo ...........................................................................................59
3.4.2.5. Thư viện Keypad ........................................................................................60
3.4.2.6. Thư viện password .....................................................................................60
3.4.3. Các chương trình con ........................................................................................60
3.5 Kết nối MQTT (Message Queuing Telemetry Transport) ........................................61
3.5.1. Publish và subscribe ..........................................................................................61
3.5.2. QoS....................................................................................................................62
3.5.3. Retain ................................................................................................................62
3.5.4. MQTT với ngôn ngữ Python.............................................................................62
3.6 Truyền ảnh qua Internet ............................................................................................63
THỰC NGHIỆM ...........................................................................................64

4.1 Sản phẩm thực tế sau khi hoàn thành ........................................................................65
4.2 Thử nghiệm độc lập các chế độ bảo mật ...................................................................69
4.2.1. Chế độ bảo mật bằng bàn phím.........................................................................69
4.2.2. Chế độ bảo mật bằng giọng nói ........................................................................69
4.2.3. Chế độ bảo mật bằng hình ảnh ..........................................................................69
4.2.4. Chế độ bảo mật bằng thẻ RFID.........................................................................70
4.3 Điều khiển toàn bộ hệ thống, kết hợp nhiều chế độ bảo mật ....................................71
4.3.1. Chế độ bảo mật bằng hình ảnh kết hợp với bảo mật bằng giọng nói ...............71
4.3.2. Chế độ bảo mật bằng nhận dạng hình ảnh kết hợp thẻ RFID ...........................71
4.3.3. Chế độ bảo mật bằng nhận dạng giọng nói kết hợp thẻ RFID ..........................71
4.4 Đánh giá kết quả thực nghiệm ..................................................................................72


MỤC LỤC HÌNH
Hình 1-1: Đưa hộ chiếu hoặc visa vào máy. .................................................................11
Hình 1-2: Nhận dạng hình ảnh để kiểm tra du khách. ...................................................12
Hình 1-3: Hệ thống Chui smart Doorbell. .....................................................................13
Hình 1-4: Khóa thông minh nhận dạng khuôn mặt HF6618. ........................................13
Hình 1-5: Nhận dạng khuôn mặt với khóa HF6618. .....................................................13
Hình 1-6: Sơ đồ khối của hệ thống. ...............................................................................17
Hình 1-7: Hình ảnh thiết kế mặt trước và các thiết bị gắn trên cửa trong đề tài. ..........18
Hình 1-8: Hình ảnh thiết kế mặt sau của hệ thống cửa trong đề tài ..............................19
Hình 2-1: Hình dáng và kích thước của khung bao cửa. ...............................................20
Hình 2-2: Kích thước của cánh cửa trong hệ thống ......................................................21
Hình 2-3: Ảnh khóa cửa tròn (khóa quả đấm) và cấu tạo. ............................................22
Hình 2-4: Cơ cấu chốt khóa cửa gắn với động cơ Servo...............................................22
Hình 2-5: Hình ảnh của bản lề lá. ..................................................................................22
Hình 2-6: Webcam COLORVIS ...................................................................................23
Hình 2-7: Bàn phím ma trận 4 x 4. ................................................................................23
Hình 2-8: Sơ đồ nguyên lý của bàn phím ma trận 4 x 4 ................................................24

Hình 2-9: Màn hình LCD 16x2 .....................................................................................24
Hình 2-10: Màn hình hiển thị TFT ................................................................................25
Hình 2-11: Động cơ servo SG90 ...................................................................................25
Hình 2-12: Mạch Arduino Mega 2560 ..........................................................................26
Hình 2-13: Mạch Rasberry Pi 2 .....................................................................................27
Hình 2-14: Sơ đồ kết nối tổng thể các thiết bị ...............................................................28
Hình 2-15: Kết nối động cơ Servo với Arduino Mega 2560 .........................................28
Hình 2-16: Kết nối màn hình LCD 16x2 với Arduino Mega 2560 ...............................29
Hình 2-17: Kết nối 3 nút nhấn ( Open, Close, Exit) với Arduino Mega 2560 ..............29
Hình 2-18: Kết nối bàn phím với Arduino Mega 2560 .................................................30
Hình 2-19: Kết nối Modul RFID RC522 với Arduino Mega 2560 ...............................30
Hình 2-20: Kết nối màn hình TFT LCD với Raspberry Pi............................................31
Hình 2-21: Kết nối Camera với Raspberry Pi ...............................................................31
Hình 2-22: Kết nối Usb âm thanh với Raspberry Pi .....................................................32
Hình 2-23: Kết nối USB Wifi với Raspberry pi ............................................................33
Hình 2-24: Sơ đồ đấu nối dây chi tiết của hệ thống ......................................................34
Hình 2-25: Kết nối chân LCD I2C và Arduino Mega 2560 ..........................................35
Hình 2-26: Kết nối chân KeyPad và Arduino Mega 2560 ............................................35
Hình 2-27: Kết nối đèn LED và Arduino Mega 2560 ...................................................36
Hình 2-28: Kết nối chân mô đun RFID-RC522 và Arduino Mega 2560 ......................36
Hình 2-29: Kết nối chân KeyPad và Arduino Mega 2560 ............................................37
Hình 2-30: Kết nối chân ba nút nhấn (Open, Close, Exit) và Arduino Mega 2560 ......37
Hình 2-31: Kết nối chân màn hình TFT LCD và Raspberry Pi ....................................38
Hình 2-32: Sơ đồ nguyên lý mạch dự phòng.................................................................38
Hình 2-33: Mô đun ổn áp LM2596 ...............................................................................39
Hình 2-34: Cầu chì bảo vệ 2A .......................................................................................40


Hình 2-35: Sơ đồ mạch in..............................................................................................40
Hình 2-36: Hình ảnh mạch thực tế khi sử dụng ............................................................40

Hình 3-1: Sơ đồ thuật toán của hệ thống .......................................................................41
Hình 3-2: Kết quả của đoạn chương trình phát hiện khuôn mặt. ..................................44
Hình 3-3: Kết quả tìm các điểm landmarks và căn chỉnh khuôn mặt. ..........................45
Hình 3-4: Các điểm landmarks chuẩn được sử dụng trong đề tài. ................................46
Hình 3-5: Các bức ảnh được sử dụng để test.................................................................50
Hình 3-6: Lưu đồ thuật toán đọc chuỗi trả về và xuất thành ảnh. .................................52
Hình 3-7: Mô đun nhận diện giọng nói VR3 .................................................................55
Hình 3-8: Giới thiệu MARF ..........................................................................................55
Hình 3-9: Minh họa cơ chế publish/subscribe của giao thức MQTT. ...........................61
Hình 4-1: Hình ảnh mặt trước và mặt sau của cửa sau khi hoàn thiện. .........................65
Hình 4-2: Hình ảnh chi tiết vị trí các thiết bị ở mặt trước của cửa. ...............................66
Hình 4-3: Hình ảnh chi tiết vị trí các thiết bị ở mặt sau của cửa. ..................................67
Hình 4-4: Hình ảnh các thiết bị mặt trước của cửa (camera, micro, nút nhấn, bàn phím,
LCD hiển thị, tay khóa đấm) .................................................................................68
Hình 4-5: Hình ảnh bo mạch điều khiển trung tâm. ......................................................68
Hình 4-6: Hình ảnh các thiết bị mặt sau của cửa. ..........................................................68
Hình 4-7: Những khuôn mặt đang có trong dữ liệu của hệ thống. ................................70


MỤC LỤC BẢNG
Bảng 1-1: Thứ tự ưu tiên của các chế độ mở cửa .................................................16
Bảng 2-1: Thông số của Arduino Mega 2560 ......................................................26
Bảng 3-1: Kết quả xác minh các khuôn mặt ở hình 3- 5 ......................................50
Bảng 4-1 : Bảng tổng hợp kết quả thử nghiệm. ....................................................71


DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT
RFID:

Radio Frequency Identifier (Xác nhận dùng tần số sóng radio)

CAM:

Camera Identifier (Chế độ xác nhận sử dụng camera)

VOICE: Voice Identifier (Chế độ xác nhận giọng nói, người nói)
DSP:

Departures SmartGate

CSD:

Chui smart Doorbell

SPI:

Serial Peripheral Interface (Chuẩn truyền thông ngoại vi nối tiếp)

MQTT: Message Queuing Telemetry Transport
LCD:

Lyquid Crystal Display

TFT:

Thin Film Transistor (trong từ TFT LCD)

MARF: Modular Audio Recogniton Framework
QoS:

Quality of Service

LAN:

Local Area Network

QR:

Quick Response

CTHT:

Công tắc hành trình

IDE:

Integrated Development Environment


KẾ HOẠCH THỰC HIỆN


TỔNG QUAN HỆ THỐNG CỬA TỰ ĐỘNG
Trong chương này, chúng ta sẽ tìm hiểu về cửa tự động là gì, tại sao lại dùng cửa
tự động và cùng xem qua giải pháp cửa tự động của đề tài đề xuất.
Đặt vấn đề
Ngày nay, khi xã hội ngày một phát triển mạnh mẽ, nhu cầu về sự an ninh được
đặt lên hàng đầu. Đặc biệt đối các vị trí nhạy cảm và quan trọng như các tòa nhà Quốc
hội, các ngân hàng, các nhà kho lưu trữ dữ liệu quan trọng, hay các ngôi nhà của
chung cư cao cấp. Mà thực tế hiện nay, việc đầu tư vào hệ thống an ninh ở nước ta

đang dậm chân tại chỗ. Điển hình ở việc người ta đang sử dụng con người cho mục
đích an ninh là chính như việc thuê các bảo vệ viên hay lắp đặt các hệ thống camera
thông thường mà một kẻ gian hiểu biết có thể qua mặt được. Để thấy được đây đang là
một vấn đề cần được giải quyết tốt hơn. Và một giải pháp được đề cập đến trong đề tài
này đó là sử dụng một hệ thống cửa tự động nhận diện khuôn mặt, giọng nói, đồng
thời thêm nhiều tính năng bảo mật để có thể lắp đặt đối với những vị trí quan trọng nói
trên.
Trong khuôn khổ đề tài này, chúng tôi sẽ xây dựng một mô hình hệ thống cửa tự
động với cấp độ bảo mật cao. Hệ thống cửa này sử dụng camera để phân biệt, nhận
diện các đối tượng được phép mở cửa làm phương thức bảo mật chính. Ngoài ra hệ
thống cửa còn chấp nhận các yêu cầu khác như việc nhập khẩu từ bàn phím có sẵn hay
nhận dạng giọng nói. Khi yêu cầu mở cửa của người dùng được chấp nhận, một cái
chốt khóa sẽ tự động được kéo ra cho phép người dùng có thể mở cửa. Cũng như cái
chốt sẽ gài lại khi có yêu cầu từ người dùng.
Ngoài ra hệ thống còn có một số tính năng bổ sung khác như truyền hình ảnh từ
camera đến các thiết bị khác như điện thoại, máy tính, cũng như chế độ từ chối tiếp
khách liên động với chuông cửa. Cái cốt lõi nhất mà đề tài này hướng đến đó là giải
pháp tự động hóa mang tính cải tiến và nâng cao bảo mật và ứng dụng thực tế cao. Và
mô hình của đề tài mang hơi hướng cánh cửa của các ngôi nhà ở đó là cửa chính của
các khu chung cư cao cấp.
Tổng quan hệ thống cửa tự động
Giới thiệu chung về hệ thống cửa tự động
Cửa tự động (automatic gate) là một khái niệm chỉ đến một hệ thống cửa có khả
năng tự điều kiển hoặc có thể được điều khiển từ xa. Cửa tự động được sử dụng rộng
rãi với mục đích kiểm soát hoạt động ra vào của của con người ở một khu vực được
bảo vệ nhất định.
Giải pháp cửa tự động có nhiều cấp độ khác nhau. Từ đơn giản nhất là tự động
mở cửa khi có người đến đỉnh cao là các cửa tự động có trang bị hệ thống bảo vệ tân
tiến như hệ thống nhận diện đối tượng bằng camera, nhận diện đối tượng bằng cảm
biến vân tay, giọng nói, thậm chí tại thời điểm viết đề tài này một công nghệ bảo mật

tuyệt vời đã được ra mắt bởi SAMSUNG đó là công nghệ quét mống mắt. Đây là một


công nghệ mang tính bảo mật tuyệt đối cho tới thời điểm hiện tại, bằng việc chụp hình
ảnh mắt với độ phân giải cao và phân tích, so sánh với mẫu được đặt trước để phân
biệt được người dùng.
Tùy thuộc vào từng vị trí và yêu cầu, mà các giải pháp cửa tự động khác nhau sẽ
được sử dụng cho phù hợp. Việc sử dụng cửa tự động đem lại nhiều lợi ích thiết thực.
Lấy việc tăng cường hệ thống an ninh làm một ví dụ. Để làm được một hệ thống an
ninh thì phải bao gồm rất nhiều hệ thống an ninh nhỏ như hệ thống cửa tự động, hệ
thống cảnh báo nguy hiểm, cũng như các hệ thống an ninh nhỏ ấy phải liên kết được
với nhau để hoạt động cho một mục đích chung. Sử dụng cửa tự động thay thế cho các
bảo vệ viên giúp tiết kiệm nhân công và nâng cao sự an toàn. Bởi vì các thiết bị tự
động sẽ luôn sẵn sàng hoạt động không ngừng nghỉ, đảm bảo yêu cầu an ninh ngay cả
lúc con người rất khó khăn để làm việc đó.
Các hệ thống cửa tự động thực tế và công nghệ sử dụng
Ngày nay, rất nhiều hệ thống cửa thông minh đang được sử dụng rộng rãi ở nhiều
vị trí khác nhau. Tùy thuộc vào từng vị trí và yêu cầu, mà các giải pháp cửa tự động
khác nhau sẽ được sử dụng cho phù hợp. Sau đây là một số hệ thống cửa thông minh
tiêu biểu đang được sử dụng.
Cửa thông minh ở các sân bay Australia
Cửa thông minh ở các sân bay Australia (Departures SmartGate) là một hệ thống
đơn giản và bảo mật nhằm tự động hóa việc kiểm tra thường được tiến hành bởi nhân
viên biên phòng (Border Force Officer). Khách du lịch đến đây sẽ sử dụng SmarGate
để tự thực hiện việc kiểm tra thông qua việc kiểm soát hộ chiếu.
Departures SmartGate (DSP) sử dụng thông tin trong hộ chiếu điện tử
(ePassports) và kỹ thuật nhận dạng khuôn mặt để tiến hành việc kiểm tra ở các sân
bay, mà thông thường được tiến hành bởi con người. DSP có thể kiểm tra du khách từ
16 tuổi trở lên đến từ các nước: Úc, Canada, Trung Quốc, Pháp, Hồng Kông, Ireland,
Nhật Bản, Hàn Quốc, Macau, New Zealand, Singapore, Thụy Điển, Thụy Sĩ, Vương

Quốc Anh, Mỹ. Hệ thống này hiện đã có mặt ở tám sân bay quốc tế lớn ở Australia,
bao gồm: Sân bay Adelaide, sân bay Bribane, sân bay Cairns, sân bay Darwin, sân bay
Gold Coast, sân bay Melbourne, sân bay Perth và sân bay Sydney.

Hình 1-1: Đưa hộ chiếu hoặc visa vào máy.
Sử dụng cửa thông minh DSP được tiến hành qua hai bước như sau:


Bước 1: Đưa passport vào khe tiếp nhận của máy, chấp nhận điều khoản về sự
riêng tư (Privacy Statement) và sử dụng màn hình cảm ứng để trả lời các câu hỏi.
Nếu du khách đủ điều kiện để sử dụng DSP, máy sẽ in ra cho du khách một tấm
vé để sử dụng cho bước 2. Nếu không đủ điều kiện sử dụng thẻ thì du khách sẽ được
hướng dẫn đến bàn trợ giúp để nhân viên kiểm tra.
Bước 2: Đưa tấm vé được cấp ở bước 1 vào cổng. Nhìn thẳng khi hệ thống đang
chụp ảnh. Cố gắng bắt chước càng giống càng tốt diện mạo trong ảnh hộ chiếu, chẳng
hạn trong ảnh hộ chiếu không đeo kính thì khi kiểm tra nên tháo bỏ kính. Hệ thống sẽ
sử dụng kỹ thuật xử lý và nhận dạng hình ảnh để đối chiếu ảnh chụp được với ảnh
trong hộ chiếu, nếu nhận dạng được thì được xem là thành công. Lúc này, du khách
lấy lại vé và tiếp tục đến quầy hành lý.

Hình 1-2: Nhận dạng hình ảnh để kiểm tra du khách.
Nếu hệ thống nhận dạng không thành công thì du khách sẽ được hướng dẫn ra
bàn trợ giúp để nhân viên biên phòng kiểm tra.
Chuông cửa thông minh (Chui smart Doorbell)
Chui smart Doorbell (CSD) là một hệ thống điều khiển truy cập thông minh sử
dụng kỹ thuật thống kê sinh học (biometrics), thị giác máy tính và các kỹ thuật khác để
nhận dạng con người, trao quyền truy cập và phân tích đưa ra quyết định.CSD có thể
được dùng như một chuông cửa thông minh hoặc một hệ thống an ninh cho ngôi nhà.
CSD có thể thu âm lời nhắn của chủ nhà cho người nào đó và phát lại chỉ cho chính
người đó nghe (bằng cách nhận dạng khuôn mặt để nhận ra người nhận tin nhắn đó).

Ngoài ra, nếu chủ nhân đang bận không ra nói chuyện được thì CSD có thể chọn chế
độ hội thoại một chiều hoặc hội thoại hai chiều để thông báo và nói chuyện với khách.
Về chức năng an ninh, CSD có thể nhận dạng khuôn mặt để phân biệt người nhà,
bạn bè và người lạ, từ đó có thể ra quyết định mở khóa hay không. Ngoài ra, có thể sử
dụng mã QR và password như là một lớp bảo vệ thứ hai. Ngay cả khi mã QR bị ăn cắp
thì CSD vẫn không mở khóa cho kẻ cắp đó vì nó phối hợp giữa mã QR và nhận dạng
khuôn mặt.


Hình 1-3: Hệ thống Chui smart Doorbell.
Các thông báo, tin nhắn cũng như hình ảnh sẽ được gửi đến smartphone của chủ
nhà để thuận tiện sử dụng và giám sát.
Khóa thông minh nhận dạng khuôn mặt HF6618

Hình 1-4: Khóa thông minh nhận dạng khuôn mặt HF6618.
Hệ thống khóa thông minh HF6618 của hãng HongLG có thể nhận dạng khuôn
mặt trong vòng 1 giây bất kể background như thế nào hoặc độ sáng bao nhiêu. Các chế
độ bảo mật bao gồm: nhận dạng khuôn mặt, mật khẩu, thẻ từ, khóa cơ hoặc kết hợp.

Hình 1-5: Nhận dạng khuôn mặt với khóa HF6618.


Việc sử dụng khóa rất đơn giản với hệ thống hướng dẫn bằng lời nói (voice
guidance). Hệ thống khóa này đã được ứng dụng trong một số ngôi nhà, cơ quan, căn
hộ, phòng tài chính, phòng bí mật.
Hệ thống khóa cửa thông minh của HF6618 của hãng HongLG có thể nhận dạng
khuôn mặt trong vòng 1 giây bất kể background như thế nào hoặc độ sáng bao nhiêu.
Các chế độ bảo mật của cửa bao gồm: Nhận dạng khuôn mặt, mật khẩu, thẻ từ, khóa
cơ hoặc kết hợp.
Các hệ thống cửa tự động đã khảo sát ở trên đều sử dụng camera và các thuật

toán nhận dạng khuôn mặt để bảo mật; tuy nhiên, chúng vẫn còn thiếu chức năng
truyền hình ảnh qua mạng Internet để giúp cho người dùng dễ dàng giám sát được
ngôi nhà của mình từ xa. Ngoài ra, các hệ thống đó cũng không lưu lại video để người
sử dụng xem lại khi cần thiết. Vì vậy, bên cạnh các chức năng bảo mật như mật khẩu,
thẻ từ hay nhận dạng khuôn mặt, hệ thống của đề tài này sẽ có thêm chức năng truyền
hình ảnh qua mạng Internet và lưu lại video để tăng thêm tính bảo mật và thuận tiện
cho người sử dụng.
Tính năng, giải pháp công nghệ của đề tài
Tính năng, yêu cầu của đề tài
Đối với hệ thống cửa tự động này, yêu cầu đặt ra là hệ thống phải vận hành
nhanh, dễ dàng và tiết kiệm thời gian, thuận tiện cho người sử dụng. Người dùng có
thể lựa chọn kích hoạt các chế độ bảo vệ khác nhau phù hợp với nhu cầu sử dụng. Tuy
nhiên để được phép thiết lập các chế độ người dùng phải thông qua một lớp bảo mật
bằng phím bấm. Hệ thống của đề tài không dùng động cơ để mở cửa vì động cơ rất
cồng kềnh, đòi hỏi hệ thống lưu điện phức tạp, đắt tiền mới có thể vận hành được khi
mất điện, với những yêu cầu đó thì không phù hợp với các ứng dụng trong nhà, nơi đòi
hỏi không chỉ hoạt động đúng yêu cầu đặt ra mà còn phải có tính thẩm mỹ.
Các tính năng yêu cầu của đề tài:
Thao tác nhanh khi khóa cửa
Khi đi ra ngoài, muốn kích hoạt hệ thống bảo vệ thì chỉ khép cửa lại và ấn nút
EXIT trên cửa. Khi đó chốt cửa sẽ được tự động gài lại và hệ thống bảo vệ ngôi nhà sẽ
được kích hoạt.
Mở cửa dễ dàng
Khi muốn mở cửa, đơn giản nhất người dùng chỉ cần đứng trước cửa, khi đó
camera sẽ chụp ảnh và bộ điều khiển sẽ xử lý, kiểm tra và quyết định mở cửa. Ngoài ra
còn một số tùy chọn khác để nâng cao tính bảo mật như người dùng có thể sử dụng
tính năng nhận diện kèm theo xác minh bằng thẻ RFID. Việc này phải không tốn quá
nhiều thời gian và phải đem lại tính bảo mật cao hơn cho hệ thống.

Nhiều phương án mở cửa
Để dự phòng cho các trường hợp xấu có thể xảy ra như camera bị hỏng, người
dùng quên mật khẩu...Thì các phương án tiếp cận khác nhau được đưa ra để đảm bảo
tối đa hệ thống hoạt động bình thường. Các phương pháp tiếp cận cánh cửa như: Nhận
diện giọng nói, nhận diện khuôn mặt, xác minh bằng mật khẩu hay bằng thẻ RFID.
Chế độ theo dõi từ xa
Bộ xử lý ngoài nhiệm vụ xác minh người dùng thì nó còn có chức năng truyền
hình ảnh nhận được từ camera qua mạng internet. Điều này sẽ giúp người dùng theo
dõi được ngôi nhà từ xa.
Hoạt động khi mất điện
Hệ thống cửa phải đảm bảo hệ thống hoạt động liên tục ngay cả khi mất điện, yêu
cầu đặt ra là hệ thống cửa phải có hệ thống điện dự phòng được sử dụng để cung cấp
nguồn điện cho toàn bộ hệ thống làm việc. Hệ thống điện này sẽ được mô tả kỹ hơn ở
phần sau.
Giải pháp, công nghệ của đề tài
Quy trình vận hành
Cửa tự động trong đề tài này có nhiều chế độ khác nhau, do vậy sẽ có nhiều quy
trình vận hành cửa khác nhau tùy vào chế độ đang được cài đặt. Hệ thống có các chế
độ sau: Xác nhận bằng khuôn mặt, xác nhận bằng khuôn mặt kết hợp giọng nói.
Hệ thống cửa này có thể vận hành từ hai phía là phía trong nhà và ngoài nhà như
sau:
Phía trong nhà
Mặt cửa phía trong nhà bao gồm hai nút nhấn là Open và Close tương ứng với
mở cửa và đóng cửa.
Khi người dùng muốn kích hoạt bảo vệ cho cửa thì ấn nút Close. Khi đó chốt cửa
sẽ tự động gài lại và hệ thống bảo vệ được kích hoạt
Khi người dùng muốn tắt kích hoạt bảo vệ thì chỉ cần ấn nút Open. Hệ thống sẽ
mở chốt và tắt hệ thống bảo vệ.
Một nút khởi động chế độ từ chối tiếp khách trong trường hợp người dùng không
muốn bị làm phiền.

Phía ngoài nhà
a. Khóa cửa
Khi đi ra ngoài người dùng nên kiểm tra, kích hoạt các chế độ bảo vệ mong
muốn và nhấn nút EXIT ngay trên cửa. Khi đó chốt cửa sẽ đóng lại và hệ thống bảo vệ
sẽ được kích hoạt, người dùng yên tâm đi ra ngoài.


b. Mở cửa
Việc mở cửa là một quy trình phức tạp đối với hệ thống bảo vệ, tuy nhiên đối với
người dùng đây là một thao tác khá đơn giản. Tùy thuộc vào các chế độ bảo vệ được
kích hoạt mà việc mở cửa yêu cầu người dùng những thao tác phối hợp khác nhau.
Cụ thể như sau :
Bảng 1-1: Thứ tự ưu tiên của các chế độ mở cửa

Chế độ

Yêu cầu

Ưu tiên

Nhập mật khẩu để mở cửa

RFID

Quẹt thẻ RFID để mở cửa

CAM

Người dùng hướng mặt vào camera và giữ yên
lặng khoảng ba giây để mở cửa.

VOICE

Người dùng ghé sát miệng vào mic và nói rõ từ
đã được huấn luyện trước để mở cửa.

RFID+CAM

Người dùng quẹt thẻ RFID xong đứng yên
trước camera khoảng 3s để mở cửa.

RFID+VOICE

Người dùng quẹt thẻ RFID xong nói rõ từ đã
được huấn luyện trước để mở cửa.

CAM+VOICE

Người dùng đứng yên trước camera khoảng 3s,
sau khi nghe tiếng beep từ hệ thống thì nói rõ từ đã
được huấn luyện trước để mở cửa.

Thiết lập hệ thống
Để thiết lập các chế độ bảo vệ cho cửa, người dùng nhập mật khẩu bằng bàn
phím và chọn setting. Sau đó ấn A, B, C, D tùy vào chế độ lựa chọn. A tương ứng với
RFID, B tương ứng với CAM, C tương ứng với VOICE. Sau khi chọn xong ấn # hoặc
để 10s hệ thống sẽ tự lưu lại và thoát. Các chế độ được kích hoạt sẽ được hiển thị bằng
LED xanh cạnh bên. Hệ thống tiếp nhận tối đa 2 chế độ bảo mật làm việc song song.
Sơ đồ khối của hệ thống
Sơ đồ khối bao gồm: Khối nhận tín hiệu đầu vào, khối xử lý trung tâm, khối hiển

thị, khối vi điều khiển, khối mạch động lực, khối chấp hành.

KHỐI NHẬN TÍN
HIỆU ĐẦU VÀO
-

Camera


Hình 1-6: Sơ đồ khối của hệ thống.
Các thành phần của hệ thống
Hệ thống cửa tự động thiết kế thường bao gồm ba thành phần chính:
Cửa: Đây là một đối tượng vật lý mà nó hoạt động theo một nguyên lý chuyển
động nhất định như xoay, chuyển động tịnh tiến... với mục đính để mở rộng hay cô lập
một vùng không gian nhất định.
Hệ thống truyền động: Thường là các động cơ truyền động cho cánh cửa thông
qua bộ giảm tốc, với mục đích di chuyển cánh cửa.
Bộ điều khiển, xử lý: Điều khiển hệ thống truyền động cho cửa để đưa cửa đến
một vị trí mong muốn hay khóa cửa. Bộ điều khiển có thể hoạt động độc lập với các
dữ liệu đầu vào như từ camera... và các phản hồi từ đầu ra, hoặc dưới sự điều khiển
của con người...


Hình 1-7: Hình ảnh thiết kế mặt trước và các thiết bị gắn trên cửa trong đề tài.
Bộ điều khiển và xử lý được tích hợp các bộ phận chính :

Xử lý hình ảnh (bằng camera gắn trước cửa)

Xử lý giọng nói (có bộ phận thu giọng nói )


Mật khẩu khóa, mở cửa

Màn hình hiển thị LCD
Bộ phận xử lý hình ảnh (camera) có nhiệm vụ thu thập hình ảnh, kiểm tra và đối
chiếu hình ảnh khuôn mặt của người đứng trước cửa nếu đúng hình ảnh khuôn mặt của
người đã được cài đặt vào bộ nhớ thì cửa mở khóa cho người đó vào, nếu không đúng
thì không mở cửa.
Bộ phận xử lý giọng nói có nhiệm vụ thu giọng nói của người yêu cầu mở cửa,
tiến hành đối chiếu, phân tích giọng nói đó có đúng với giọng nói đã cài đặt hay
không, nếu đúng thì cửa tự động mở cho người đó vào, nếu không đúng thì không mở
cửa.
Bộ phận khóa, mở cửa bằng mật khẩu sẽ mở, đóng mở khóa cửa khi người vào
nhập đúng mật mã, khi nhập sai mật mã quá 3 lần sẽ tiến hành báo động.
Màn hình hiển thị dùng để hiển thị hình ảnh, giao tiếp giữa con người và hệ
thống, đồng thời thông báo trạng thái của cửa.


Hình 1-8: Hình ảnh thiết kế mặt sau của hệ thống cửa trong đề tài
Kết luận chương 1: Trong chương này, chúng ta đã được tìm hiểu rõ hơn về cửa
tự động. Khái niệm, ưu nhược điểm của cửa tự động, các ứng dụng của cửa tự động
trong thực tế và đề xuất một giải pháp cửa tự động phù hợp với các nhu cầu trong thực
tế, đặc biệt đối với các hộ gia đình, khu chung cư cao cấp ở nước ta.

THIẾT KẾ PHẦN CỨNG CỦA HỆ THỐNG
Trong chương này, chúng ta sẽ đi vào chi tiết các thiết bị phần cứng được sử
dụng trong mô hình, cũng như cách bố trí, kết nối giữa các thiết bị đó.


Thiết kế phần cứng
Khung bao cửa

Khung bao cửa gỗ được hiểu là khung trung gian giữa toàn bộ cửa với vách
tường có tác dụng giúp cố định cánh cửa. Đây là nơi sẽ gắn bản lề liên kết giúp cửa
đóng mở quay quanh trục. Phần tô màu hồng bên dưới được gọi là khung bao.
Khung bao có vai trò lớn sau:




Giúp tăng tính ổn định khi đóng mở cửa.
Tăng tính thẩm mỹ cho toàn bộ cửa.
Cân bằng lực.

Trong đề tài này, khung bao mô hình được làm bằng thép có bệ đỡ đứng độc lập
không phải gắn vào tường, có kích thước như hình vẽ.

Hình 2-1: Hình dáng và kích thước của khung bao cửa.
Cửa
Cửa là một cấu trúc di chuyển được sử dụng để mở hay đóng một lối vào. Cửa
thường di chuyển xoay quanh trục và có một bản lề để thay đổi vị trí của các cánh cửa
hoặc có thể trượt hoặc xoay bên trong của một không gian nhất định.
Tùy theo tính chất sử dụng và lắp đặt người ta phân loại :
Cửa khép: Là loại cửa thông dụng với cấu trúc là các cánh cửa (một hoặc hai
cánh) gắn vào một hoặc hai trục hoặc bám vào tường nhà


Cửa sập: Là một cánh cửa được định hướng theo chiều ngang trong một sàn nhà
hoặc trần nhà, khi đóng hoặc mở thì có thao tác chuyển động theo chiều dọc của ngôi
nhà
Cửa kéo: Là loại cửa đóng mở theo chiều ngang của ngôi nhà, thông thường cánh
cửa nằm trên một thanh trượt cho phép nó có thể di chuyển tới lui

Cửa cuốn: Là loại cửa có thể cuộn lên xuống, thường sử dụng trong các garage.
Trong đề tài này sử dụng loại cửa khép có 1 cánh.

Hình 2-2: Kích thước của cánh cửa trong hệ thống
Tay nắm cửa
Là loại khóa cửa tay nắm tròn (khóa quả đấm), được làm từ chất liệu inox được
dùng phổ biến và rộng rãi. Trong đề tài này, với yêu cầu đặt ra là cửa phải được bảo
mật đồng thời phải thao tác nhanh, do đó có 1 khóa chốt kín được điều khiển bằng
động cơ servo nên tay nắm cửa chỉ đóng vai trò như tay nắm để mở cửa và không có
chức năng khóa.


Hình 2-3: Ảnh khóa cửa tròn (khóa quả đấm) và cấu tạo.
Chốt khóa cửa
Trong đề tài này, chốt khóa cửa được chế tạo để phù hợp với tính năng yêu cầu
của đề tài, cụ thể nó được gắn với động cơ Servo thông qua một cơ cấu chuyển động
có tác dụng đóng, mở chốt để cửa để khóa cửa, mở cửa.

Hình 2-4: Cơ cấu chốt khóa cửa gắn với động cơ Servo.
Bản lề lá
Bản lề là loại dụng cụ kỹ thuật được thiết kế và cấu tạo để làm cầu nối cố định
các cánh cửa, bản lề chỉ cho phép là một góc hạn chế luân phiên giữa chúng (góc cố
định) góc còn lại có thể lưu động.
Trong đề tài này sử dụng bàn lề lá được làm từ chất liệu thép không gỉ

Hình 2-5: Hình ảnh của bản lề lá.


Lựa chọn linh kiện, thiết bị
Camera

Camera được gắn lên cửa để thu thập hình ảnh. Trong đề tài này, camera được
chọn dùng là webcam máy tính, hiệu COLORVIS có các thông số như sau:
Độ phân giải ảnh: 640x480, 380 000 điểm ảnh
Kết nối USB
Đèn LED tăng độ sáng

Hình 2-6: Webcam COLORVIS
Bàn phím
Bàn phím dùng để cài đặt mật khẩu cho cửa và nhập mật khẩu khi vào nhà, đây
là một trong ba phần tử của khối tín hiệu đầu vào của hệ thống. Loại bàn phím mà
chúng em chọn trong đề tài này là bàn phím ma trận 4x4 có các thông số như sau:
Kích cỡ: 77 x 70 x 0.8mm

Hình 2-7: Bàn phím ma trận 4 x 4.


Đầu nối: 8 chân, 0.1” Pitch
Điện áp, dòng điện định mức: 35VDC, 100mA
Cách điện: 100M Ohm, 100V
Tuổi thọ: 1 triệu lần bấm
Nhiệt độ hoạt động: -20oC đến 40oC

Hình 2-8: Sơ đồ nguyên lý của bàn phím ma trận 4 x 4
Màn hình hiển thị
Là thiết bị điện tử gắn liền với cửa với mục đích chính là hiển thị và giao tiếp
giữa người sử dụng với hệ thống, cũng như các thông tin cài đặt và báo lỗi. Gồm có 2
loại: Hiển thị bên ngoài và màn hình bên trong
Màn hình hiển thị bên ngoài
Màn hình hiển thị bên ngoài giúp thông báo trạng thái đóng mở của cửa.

Hình 2-9: Màn hình LCD 16x2
Trong đề tài này, màn hình được chọn để hiển thị bên ngoài là LCD 16x2 của
hãng Vishay có các thông số như sau:


Điện áp định mức: 3V – 5V






Dòng điện định mức ở điện áp 5V: 1.2mA
Dòng điện max ở điện áp 5V: 3mA
Nhiệt độ hoạt động: -20oC đến 70oC
Màn hình hiển thị bên trong

Màn hình bên trong dùng với mục đích chuyển tiếp hình ảnh từ camera thông qua
Raspberry. Đây là loại màn hình TFT tương thích với Raspberry pi.

Hình 2-10: Màn hình hiển thị TFT
Thông số:
 Loại màn hình TFT (thin film transistor - Bóng bán dẫn dạng phim mỏng)
 Giao tiếp : SPI
 Điện áp hoạt động: 3 – 5.5V
 Độ phân giải: 320*480
 Tỷ lệ màn hình: 8:5

Đèn nền : LED
Động cơ servo

Động cơ Servo thông qua cơ cấu, được dùng để kéo chốt cửa theo yêu cầu khi
cần khóa cửa hay mở cửa.

Hình 2-11: Động cơ servo SG90