Thiết kế và thi công hệ thống đóng mở cửa bằng vân tay sử dụng kit arduino được giám sát bằng máy tính thông qua internet
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (9.82 MB, 122 trang )
BỘ GIÁO DỤC & ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH
KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH
---------------------------------
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
NGÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ TRUYỀN THÔNG
ĐỀ TÀI:
GIÁM SÁT VÀ CẢNH BÁO SINH VIÊN THÔNG
QUA HỆ THỐNG QUÉT VÂN TAY ĐIỀU
KHIỂN QUA MẠNG INTERNET
GVHD : ThS. Võ Đức Dũng
SVTH1: Nguyễn Văn Phúc
MSSV : 13141243
SVTH2: Diệp Minh Thiện
MSSV : 13141330
Tp. Hồ Chí Minh - 1/2018
BỘ GIÁO DỤC & ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH
KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH
---------------------------------
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
NGÀNH KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ TRUYỀN THÔNG
ĐỀ TÀI:
GIÁM SÁT VÀ CẢNH BÁO SINH VIÊN THÔNG QUA HỆ
THỐNG QUÉT VÂN TAY ĐIỀU KHIỂN QUA MẠNG
INTERNET
GVHD : ThS. Võ Đức Dũng
SVTH1: Nguyễn Văn Phúc
MSSV : 13141243
SVTH2: Diệp Minh Thiện
MSSV : 13141330
Tp. Hồ Chí Minh - 1/2018
TRƯỜNG ĐH. SƯ PHẠM KỸ THUẬT
CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
TP. HỒ CHÍ MINH
ĐỘC LẬP - TỰ DO - HẠNH PHÚC
KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP Y SINH
Tp. HCM, ngày 15 tháng 01 năm 2018
NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Họ tên sinh viên:
Chuyên ngành:
Hệ đào tạo:
Khóa:
Nguyễn Văn Phúc
Diệp Minh Thiện
Điện tử công nghiệp
Đại học chính quy
2013
MSSV: 13141243
MSSV: 13141330
Mã ngành: 141
Mã hệ:
1
Lớp:
13141DT3A
I. TÊN ĐỀ TÀI: GIÁM SÁT VÀ CẢNH BÁO SINH VIÊN THÔNG QUA HỆ
THỐNG QUÉT VÂN TAY ĐIỀU KHIỂN QUA MẠNG INTERNET
II. NHIỆM VỤ
1. Các số liệu ban đầu:
- Nguyễn Minh Tiến, Phan Hồng Đức, “Thiết kế và thi công hệ thống đóng mở cửa
bằng vân tay sử dụng kit Arduino được giám sát bằng máy tính thông qua Internet”,
Đồ Án Tốt Nghiệp ĐH, Trường ĐH Sư Phạm Kỹ Thuật TP.HCM, 2017.
2. Nội dung thực hiện:
- Tìm hiểu và nghiên cứu về cấu tạo, nguyên lý hoạt động, chức năng của các module
Arduino, cảm biến vân tay R305, module Sim 800A, động cơ Servo, ma trận phím.
-
Tìm hiểu và nghiên cứu về cách lập trình Web Server, tìm hiểu về ngôn ngữ HTML,
CSS, PHP, cơ sở dữ liệu MySQL để tạo nên một trang Web hoàn chỉnh.
-
Cách thiết kế và thi công một mô hình hoàn thiện.
-
Thiết kế hệ thống điều khiển, lưu đồ giải thuật và chương trình điều khiển mô hình.
-
Thiết kế hoàn thiện mô hình thực tế.
-
Chạy thử nghiệm mô hình hệ thống.
-
Cân chỉnh mô hình hệ thống.
- Viết sách luận văn.
- Bảo vệ đề tài tốt nghiệp
i
III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ:
02/10/2017
IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 15/01/2018
V. HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN:
ThS. Võ Đức Dũng
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN
BM. ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP - Y SINH
ii
TRƯỜNG ĐH. SƯ PHẠM KỸ THUẬT
TP. HỒ CHÍ MINH
KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP
CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
ĐỘC LẬP - TỰ DO - HẠNH PHÚC
Tp. HCM, ngày 01 tháng 10 năm 2017
LỊCH TRÌNH THỰC HIỆN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Họ tên sinh viên 1: ...........................................................................................................
Lớp: ............................................................................... MSSV: .......................................
Họ tên sinh viên 2: ...........................................................................................................
Lớp: ............................................................................... MSSV: .......................................
Tên đề tài: .........................................................................................................................
...........................................................................................................................................
Tuần/ngày
Nội dung
Xác nhận
GVHD
GV HƯỚNG DẪN
(Ký và ghi rõ họ và tên)
LỜI CAM ĐOAN
Đề tài này là do nhóm sinh viên Nguyễn Văn Phúc và Diệp Minh Thiện tự thực hiện, dựa vào một số tài
liệu trước đó và không sao chép từ tài liệu hay công trình nào đã có trước đó.
Người thực hiện đề tài
Nguyễn Văn Phúc
Diệp Minh Thiện
v
LỜI CẢM ƠN
Sau quá trình tìm hiểu, nghiên cứu và thực hiện đề tài đồ án tốt nghiệp và hoàn thành
đúng tiến độ, chúng em xin chân thành gửi lời cảm ơn sâu sắc nhất đến quý thầy cô, gia
đình và những người anh, người bạn đã hết mình giúp đỡ, đưa ra những lời khuyên, lời
động viên trong những lúc khó khăn.
Chúng em xin gửi lời cảm ơn đến thầy Võ Đức Dũng, giảng viên trường Đại Học Sư
Phạm Kỹ Thuật Tp.HCM đã hướng dẫn và tạo mọi điều kiện điều kiện để nhóm có thể
thực hiện tốt đề tài của mình.
Và chúng em cũng xin gửi lời tri ân đến các thầy cô trong khoa Điện - Điện tử của
trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp.HCM đã tận tình dạy dỗ và giảng dạy cho chúng
em những kiến thức cơ bản đến nâng cao tạo cho chúng em một cơ sở kiến thức vững vàng
để hoàn thành đề tài này.
Gia đình luôn là nguồn động lực và là nguồn cảm hứng để chúng em liên tục phấn
đấu và hoàn thành đề tài, xin cảm ơn đấng sinh thành đã luôn động viên chúng em trong
những lúc bế tắc và chán nản nhất.
Và cuối cùng chúng em xin cảm ơn các anh, chị đi trước và bạn bè đã có những lời
khuyên, lời góp ý chân thành để đề tài của chúng em có thể hoàn thiện hơn.
Một lần nữa, chúng em xin cảm ơn tất cả mọi người đã luôn ở bên cạnh và giúp đỡ
chúng em, tạo động lực để chúng em hoàn thành tốt đề tài này.
Xin chân thành cảm ơn!
Người thực hiện đề tài:
Nguyễn Văn Phúc
Diệp Minh Thiện
vi
MỤC LỤC
Trang bìa ........................................................................................................................ i
Nhiệm vụ đồ án ............................................................................................................. ii
Lịch trình thực hiện đồ án tốt nghiệp ........................................................................... iv
Cam đoan ..................................................................................................................... v
Lời cảm ơn ................................................................................................................... vi
Mục lục ....................................................................................................................... vii
Liệt kê hình vẽ .............................................................................................................. x
Liệt kê bảng vẽ ............................................................................................................ xv
Tóm tắt ...................................................................................................................... xvi
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN ............................................................................ 1
1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ .................................................................................................... 1
1.2 MỤC TIÊU ......................................................................................................... 2
1.3 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU ............................................................................... 2
1.4 GIỚI HẠN........................................................................................................... 3
1.5. BỐ CỤC ............................................................................................................. 3
CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT ................................................................ 5
2.1 TỔNG QUAN VỀ ARDUINO ........................................................................... 5
2.2 TỔNG QUAN VỀ WEB..................................................................................... 6
2.3 NHẬN DẠNG VÂN TAY ................................................................................. 6
2.4 GIỚI THIỆU PHẦN CỨNG............................................................................... 6
2.4.1 Arduino Mega 2560 ......................................................................................... 7
2.4.2 Module Sim 800A ............................................................................................ 7
2.4.3 Module cảm biến vân tay R305 ....................................................................... 7
2.4.8 Màn hình LCD 20x4 ...................................................................................... 11
2.4.9 Mạch chuyển giao tiếp LCD 20x4 ................................................................. 12
2.4.10 Bàn phím ma trận 4x4 (Keypad 4x4) .......................................................... 13
2.4.11 Động cơ Servo SG90 9g Micro ................................................................... 13
2.5 CÁC CHUẨN GIAO TIẾP............................................................................... 14
2.5.1 Chuẩn giao tiếp UART .................................................................................. 14
vii
2.5.2 Chuẩn giao tiếp SPI ....................................................................................... 15
2.5.3 Chuẩn giao tiếp I2C ........................................................................................ 16
2.5.3 Chuẩn giao tiếp One-wire .............................................................................. 16
CHƯƠNG 3. TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ. ................................................ 17
3.1 GIỚI THIỆU ..................................................................................................... 17
3.2 TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG ...................................................... 18
3.2.1 Thiết kế sơ đồ khối hệ thống .......................................................................... 18
3.2.2 Tính toán và thiết kế mạch ............................................................................. 22
3.2.3 Sơ đồ nguyên lý của toàn mạch ..................................................................... 38
CHƯƠNG 4. THI CÔNG HỆ THỐNG ....................................................... 40
4.1 GIỚI THIỆU ....................................................................................................... 40
4.2 THI CÔNG HỆ THỐNG .................................................................................... 40
4.2.1 Thi công bo mạch hệ thống ............................................................................. 42
4.2.2 Lắp ráp và kiểm tra bo mạch hệ thống ............................................................ 42
4.2.3 Thi công bo mạch module relay điều khiển ngõ ra ......................................... 42
4.2.4 Lắp ráp và khiểm tra bo mạch module relay điều khiển ngõ ra ...................... 44
4.3 ĐÓNG GÓI VÀ THI CÔNG MÔ HÌNH ........................................................... 45
4.3.1 Đóng gói bộ điều khiển ................................................................................... 45
4.3.2 Thi công mô hình ............................................................................................. 45
4.4 LẬP TRÌNH HỆ THỐNG .................................................................................. 46
4.4.1 Lưu đồ giải thuật .............................................................................................. 46
4.4.2 Phần mềm lập trình cho vi điều khiển ............................................................. 58
4.4.3 Phần mềm lập trình Android Studio ................................................................ 63
4.4.4 Phần mềm lập trình web .................................................................................. 69
4.5 VIẾT TÀI LIỆU HƯỚNG DẪN SỬ DỤNG, THAO TÁC ............................... 80
4.5.1 Viết tài liệu hướng dẫn sử dụng ...................................................................... 82
4.5.2 Quy trình thao tác ............................................................................................ 83
CHƯƠNG 5. KẾT QUẢ_NHẬN XÉT_ĐÁNH GIÁ ................................... 85
5.1 KẾT QUẢ. .......................................................................................................... 85
5.2 NHẬN XÉT – ĐÁNH GIÁ .............................................................................. 112
CHƯƠNG 6. KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN. ......................... 114
6.1 KẾT LUẬN ...................................................................................................... 114
viii
6.2 HƯỚNG PHÁT TRIỂN ................................................................................... 115
TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................................................................... 116
PHỤ LỤC………………………….. ........................................................... 117
ix
LIỆT KÊ HÌNH VẼ
Hình
Trang
Hình 2.1 Các loại Board Arduino ................................................................................. 5
Hình 2.2 Arduino Mega 2560 ....................................................................................... 7
Hình 2.3 Module Sim 800A .......................................................................................... 7
Hình 2.4 Module cảm biến vân tay R305 ..................................................................... 8
Hình 2.11 Màn hình LCD 20x4 .................................................................................... 11
Hình 2.12 Mạch chuyển giao tiêp LCD 20x4 ............................................................... 12
Hình 2.13 Sơ đồ nối dây và hình ảnh thực tế của bàn phím ma trận 4x4 ..................... 13
Hình 2.14 Động cơ Servo SG90 9g Micro .................................................................... 13
Hình 2.18 Biểu đồ thời gian của giao thức I2C.. ........................................................... 16
Hình 3.1 Sơ đồ khối hệ thống ....................................................................................... 18
Hình 3.2 Sơ đồ khối hệ thống thiết bị thực tế ............................................................... 19
Hình 3.3 Mô hình hệ thống ........................................................................................... 20
Hình 3.4 Khối xử lý trung tâm sử dụng board Arduino Mega 2560 ............................. 22
Hình 3.5 Cảm biến vân tay R305 .................................................................................. 22
Hình 3.6 Sơ đồ nguyên lý Cảm biến vân tay kết nối Arduino Mega ............................ 23
Hình 3.10 Module Sim 800A ........................................................................................ 26
Hình 3.11 Sơ đồ nguyên lý kết nối Module Sim 800A vào Arduino Mega ................. 27
Hình 3.14 Động cơ servo 9g ......................................................................................... 29
Hình 3.15 Sơ đồ nguyên lý kết nối Arduino Mega với động cơ Servo SG90 .............. 30
Hình 3.16 LCD 20x4 ..................................................................................................... 31
Hình 3.17 Mạch chuyển giao tiếp LCD sang I2C ......................................................... 31
Hình 3.18 Sơ đồ nguyên lý kết nối Arduino Mega với LCD ........................................ 32
Hình 3.19 Sơ đồ nối dây và hình ảnh thực tế của bàn phím ma trận 4x4 ..................... 32
Hình 3.20 Sơ đồ nguyên lý kết nối Arduino Mega với ma trận phím .......................... 33
Hình 3.24 Nguồn tổ ong 12V 5A .................................................................................. 36
Hình 3.25 Nguồn tổ ong 5V 4A .................................................................................... 36
Hình 3.26 Mạch giảm áp LM2596 ................................................................................ 37
Hình 3.27 Sơ đồ nguyên lý toàn mạch .......................................................................... 39
Hình 4.1 Sơ đồ đi dây đã phủ đồng bo mạch hệ thống ................................................. 40
Hình 4.2 Hình dạng 3D lớp top bo mạch hệ thống ....................................................... 41
Hình 4.5 Sơ đồ bố trí linh kiện mặt trước mô hình ....................................................... 45
Hình 4.6 Hình dạng mặt bên mô hình ......................................................................... 45
x
Hình 4.7 Hình dạng mặt trên mô hình .......................................................................... 45
Hình 4.10 Lưu đồ hệ thống đóng mở cửa ..................................................................... 48
Hình 4.11 Lưu đồ mở cửa bằng vân tay ........................................................................ 49
Hình 4.12 Lưu đồ chuyển dữ liệu lên web .................................................................... 50
Hình 4.13 Lưu đồ chế độ mở cửa bằng ma trận phím .................................................. 51
Hình 4.14 Lưu đồ mở lại hệ thống khi bị khóa ............................................................. 52
Hình 4.15 Lưu đồ quản trị admin .................................................................................. 53
Hình 4.16 Lưu đồ thêm vân tay .................................................................................... 54
Hình 4.17 Lưu đồ xóa vân tay ....................................................................................... 55
Hình 4.20 Quy trình làm việc của arduino .................................................................... 58
Hình 4.21 Giao diện lập trình arduino .......................................................................... 58
Hình 4.22 Giao diện menu arduino IDE...................................................................... 59
Hình 4.23 Giao diện file menu arduino IDE ................................................................ 59
Hình 4.28 Board Arduino sử dụng ................................................................................ 61
Hình 4.29 Hiển thị Board và Serial Port đã kết nối ...................................................... 62
Hình 4.30 Arduino Toolbar ........................................................................................... 62
Hình 4.42 Tạo file mới trên Sublime Text .................................................................... 69
Hình 4.43 Lưu file php .................................................................................................. 70
Hình 4.44 Phác thảo giao diện website quản lý thời gian ............................................. 72
Hình 4.45 Đăng nhập vào trang phpMyAdmin .......................................................... 73
Hình 4.46 Khởi tạo CSDL ............................................................................................. 73
Hình 4.47 Tạo bảng dữ liệu bằng cách thủ công ........................................................ 74
Hình 4.48 Bảng dữ liệu “giamsat” được tạo ra .......................................................... 74
Hình 4.49 Các bảng trong cơ sở dữ liệu ..................................................................... 75
Hình 4.50 Giao diện phần mềm Filezilla quản lý các file nguồn ............................... 75
Hình 4.51 Các file và nguồn dữ liệu cho website ......................................................... 76
Hình 4.52 Lưu đồ tương tác dữ liệu giữa người dùng và MySQL. .............................. 77
Hình 4.53 Lưu đồ chương trình điều khiển thiết bị Internet ......................................... 79
Hình 4.54 Quy trình thao tác hệ thống đóng mở cửa .................................................... 83
Hình 4.55 Quy trình thao tác hệ thống điều khiển thiết bị và hệ thống cảnh báo ......... 84
Hình 5.1 Menu lựa chọn................................................................................................ 86
Hình 5.2 Menu quản trị admin ...................................................................................... 86
Hình 5.3 Nhập mật khẩu quản trị .................................................................................. 86
Hình 5.4 Nhập lại mật khẩu quản trị ............................................................................. 86
xi
Hình 5.5 Chờ quét vân tay để mở cửa ........................................................................... 87
Hình 5.6 Mở cửa bằng vân tay thành công ................................................................... 87
Hình 5.7 Cập nhật vân tay lên website .......................................................................... 88
Hình 5.8 Vân tay sai ...................................................................................................... 88
Hình 5.9 Thêm ID người dùng mới ............................................................................ 89
Hình 5.10 Quét vân tay người dùng mới lần 1 .............................................................. 89
Hình 5.11 Quét vân tay người dùng mới lần 2 .............................................................. 89
Hình 5.12 Nhập ID cần xóa vân tay .............................................................................. 89
Hình 5.13 Nhập mật khẩu mở cửa ................................................................................ 90
Hình 5.14 Mở cửa bằng mật khẩu thành công .............................................................. 90
Hình 5.15 Nhập mật khẩu sai ........................................................................................ 90
Hình 5.17 Nhập mật khẩu cũ......................................................................................... 91
Hình 5.18 Nhập mật khẩu mới ...................................................................................... 91
Hình 5.20 Mở hệ thống thành công............................................................................... 92
Hình 5.22 Nhiệt độ, độ ẩm, khí gas trên Internet .......................................................... 93
Hình 5.23 Kết quả điều khiển thiết bị trên Smartphone................................................ 93
Hình 5.24 Kết quả điều khiển khiển thiết bị trên Internet............................................. 94
Hình 5.25 Kết quả trên hệ thống ................................................................................... 94
Hình 5.26 Hẹn giờ tắt/mở thiết bị trên Internet............................................................. 95
Hình 5.27 Cú pháp kiểm tra hệ thống và tin nhắn phản hồi từ hệ thống ...................... 95
Hình 5.28 Tin nhắn cảnh báo khí gas trên hệ thống vượt ngưỡng cho phép ................ 96
Hình 5.29 Cửa sổ đăng nhập hệ thống .......................................................................... 97
Hình 5.30 Trang chủ chế độ admin ............................................................................... 98
Hình 5.31 Lọc dữ liệu thời gian mở cửa ....................................................................... 98
Hình 5.32 Xuất file Excel thống kê thời gian mở cửa .................................................. 99
Hình 5.33 Nội dung file Excel thống kê thời gian mở cửa ........................................... 99
Hình 5.34 Tổng kết thời gian ........................................................................................ 100
Hình 5.35 Xuất file Excel tổng kết thời gian ................................................................ 100
Hình 5.36 Nội dung file Excel tổng kết thời gian ......................................................... 100
Hình 5.37 Danh sách quản lý người dùng ..................................................................... 102
Hình 5.38 Xuất file Excel danh sách quản lý người dùng ............................................ 102
Hình 5.39 Thêm người dùng ......................................................................................... 103
Hình 5.40 Phản hồi ........................................................................................................ 103
Hình 5.41 Trang chủ supervisor .................................................................................... 103
xii
Hình 5.42 Tổng kết thời gian supervisor ...................................................................... 105
Hình 5.43 Hồ sơ cá nhân supervisor ............................................................................. 106
Hình 5.44 Gửi phản hồi ................................................................................................. 106
Hình 5.45 Trang chủ user .............................................................................................. 107
Hình 5.46 Hồ sơ cá nhân supervisor ............................................................................. 108
Hình 5.47 Hình thực tế gắn linh kiện cho mặt trên ....................................................... 109
Hình 5.48 Hình ảnh thực tế gắn linh kiện cho mặt dưới ............................................... 109
Hình 5.50 Mặt ngoài mô hình ....................................................................................... 110
Hình 5.51 Mặt trong mô hình ........................................................................................ 111
Hình 5.52 Mặt sau mô hình ........................................................................................... 111
xiii
LIỆT KÊ BẢNG
Bảng
Trang
Bảng 2.1 Các chân của LCD ................................................................................. 12
Bảng 4.1 Danh sách các linh kiện mạch chính ................................................... 41
Bảng 4.2 Danh sách các linh kiện mạch relay .................................................... 44
xv
TÓM TẮT
Ngày nay, với sự phát triển vượt bậc của khoa học công nghệ, kéo theo các công nghệ
nhận dạng sinh trắc học phát triển. Do tính bảo mật cũng như giá thành không quá đắt nên
công nghệ nhận dạng vân tay được được sử dụng rộng rãi trong đời sống. Công nghệ nhận
dạng vân tay được tích hợp trong nhiều thiết bị điện tử mang lại những ứng dụng cần thiết
cho nhu cầu của con người. Những ứng dụng hiện hữu của công nghệ nhận dạng vân tay
như quét vân tay để đóng mở cửa, quản lí số lượng cá nhân ra vào hay điểm danh chấm
công trong một công ty, bệnh viện hay trường học,…
Được sự gợi ý từ giáo viên hướng dẫn cũng như mong muốn tìm hiểu các công nghệ
đang phát triển trên thế giới. Nên nhóm thực hiện đồ án này với mong muốn chế tạo ra một
hệ thống giám sát và cảnh báo thời gian ra vào lớp học của sinh viên thông qua việc quét
vân tay. Hệ thống quét vân tay sử dụng kit Arduino được giám sát và cảnh báo bằng máy
tính qua Internet bao gồm:
Hệ thống bao gồm cửa được đóng mở bằng hệ thống quét vân tay hoặc bằng ma trận
phím. Quá trình quét vân tay sẽ được gửi lên Internet nhằm thống kê thời gian ra vào lớp
học, số lần đi trễ, số ngày vắng, thông tin sinh viên, giảng viên… Hệ thống cho phép thêm
vân tay hay xóa vân tay người dung, đổi mật khẩu,… Hệ thống sẽ gửi cảnh báo về mail
của người dùng về thời gian ra vào cũng như số ngày trễ, vắng.
Mô hình sử dụng kit Arduino Mega 2560 làm vi điều khiển trung tâm để điều khiển
các module mở rộng như cảm biến vân tay R305, Sim 800, ma trận phím,…
Cửa được điều khiển bằng động cơ servo qua việc quét vân tay hay nhập mật khẩu.
Người dùng dễ dàng tương tác sử dụng thông qua cảm biến vân tay, ma trận phím. Giám
sát và cảnh báo người dùng thông qua mạng Internet.
xvi
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN
Chương 1. TỔNG QUAN
1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ
Trong thời đại ngày nay, sự phát triển không ngừng của khoa học kỹ thuật đã giúp
cho con người thuận tiện hơn trong các công việc hằng ngày. Với sự bùng nổ về công
nghệ thông tin, quá trình toàn cầu hóa diễn ra nhanh chóng, sự bảo mật riêng tư thông
tin cá nhân cũng như để nhận biết một người nào đó trong hàng tỉ người trên trái đất
đòi hỏi phải có một tiêu chuẩn, hệ thống đảm nhận các chức năng đó. Công nghệ sinh
trắc ra đời và đáp ứng được các yêu cầu trên.
Nhiều công nghệ sinh trắc đã và đang được phát triển, một số chúng đang được sử
dụng trong các ứng dụng thực tế và phát huy hiệu quả cao. Các đặc trưng sinh trắc
thường được sử dụng là vân tay, gương mặt, mống mắt, tiếng nói. Mỗi đặc trưng sinh
trắc có điểm mạnh và điểm yếu riêng, nên việc sử dụng đặc trưng sinh trắc cụ thể là tùy
thuộc vào yêu cầu của mỗi ứng dụng nhất định. Nhận dạng vân tay được xem là một
trong những kỹ thuật nhận dạng hoàn thiện và đáng tin cậy nhất.
Với việc kế thừa và phát triển từ đề tài trước đó “Thiết kế và thi công hệ thống đóng
mở cửa bằng vân tay sử dụng kit Arduino được giám sát bằng máy tính thông qua
Internet”., nhóm sinh viên quyết định thực hiện mở rộng thêm với tên đề tài “GIÁM
SÁT VÀ CẢNH BÁO SINH VIÊN THÔNG QUA HỆ THỐNG QUÉT VÂN TAY
ĐIỀU KHIỂN QUA MẠNG INTERNET” nhằm mục đích kiểm soát tốt hơn trong việc
quản lý sinh viên trong trường học cũng như thông báo, cảnh báo cho sinh viên biết
được số lần vi phạm của mỗi sinh viên trong quá trình tham gia hoạt động học tập trên
lớp.
Dấu vân tay của mỗi cá nhân là độc nhất và không thay đổi trong suốt cuộc đời.
Vân tay là một tham số sinh học bất biến theo tuổi tác đặc trưng cho mỗi cá thể. Mạng
Internet đang ngày càng phát triển, nhờ có nó mà cuộc sống và công việc của con người
ngày càng hiện đại hơn. Vì vậy, việc truyền dữ liệu lên mạng quản lý dữ liệu vân tay
bằng Internet trở nên tiện lợi, nhanh chóng và chính xác. Mặt khác, việc phát triển không
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN
ngừng của vi xử lý đã cho ra đời nhiều loại sản phẩm thông minh nhỏ gọn, tích hợp
nhiều chứ năng cho người dùng dễ sử dụng. Không thể không kể đến kit Arduino- một
sản phẩm được sử dụng trên toàn 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, nhóm đã quyết định thực hiện mô hình
bao gồm Arduino, module cảm biến vân tay, động cơ servo và ma trận phím để làm một
hệ thống quét vân tay quản lí sinh viên và gửi dữ liệu lên Internet, cảnh báo số lần vi
phạm của sinh viên thông qua việc mail thông báo cho sinh viên.
1.2 MỤC TIÊU
Tìm hiểu và nghiên cứu về kit Arduino, module cảm biến vân tay R305, thiết bị điện
và cách kết nối giữa các module để hoàn thành mô hình hoàn thiện.
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 Internet thông qua module Sim 800A.
Dữ liệu vân tay, thống kê thời gian ra vào, số lần ra vào, số lần trễ so với quy định
của người dùng sẽ được quản lý thông qua Internet.
Cảnh báo sinh viên ra số lần ra vào, số lần trễ, vắng bằng cách gửi bảng thống kê về
mail của người dùng.
1.3 NỘI DUNG THỰC HIỆN
NỘI DUNG 1: Tìm hiểu và nghiên cứu về cấu tạo phần cứng, nguyên lý hoạt
động, tính năng của các module Arduino, R305, động cơ servo, ma trận phím.
NỘI DUNG 2: Tìm hiểu và nghiên cứu về lập trình Web Server, tìm hiểu về
ngôn ngữ HTML, CSS, PHP, cơ sở dữ liệu MySQL, gửi thông tin đến mail sinh
viên.
NỘI DUNG 3: Các giải pháp thiết kế hệ thống, thi công mô hình.
NỘI DUNG 4: Thiết kế hệ thống điều khiển, lưu đồ giải thuật và chương trình
điều khiển mô hình hệ thống.
NỘI DUNG 5: Thiết kế hoàn chỉnh mô hình thực tế.
NỘI DUNG 6: Tiến hành chạy thử nghiệm mô hình hệ thống.
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN
NỘI DUNG 7: Cân chỉnh mô hình hệ thống.
NỘI DUNG 8: Viết sách luận văn.
NỘI DUNG 9: Bảo vệ đề tài tốt nghiệp.
1.4 GIỚI HẠN
Thiết kế mô hình cửa có kích thước dài, rộng, cao là 30 x 30 x 30 cm bằng mica và
giấy foam.
Cảm biến vân tay R305 có thể quét và lưu trữ hơn 120 mẫu vân tay khác nhau.
Hệ thống sử dụng được khi cấp điện, không có nguồn dự phòng.
Hai nguồn tổ ông cấp cho toàn hệ thống có thông số: 12V 5A và 5V 4A.
1.5 BỐ CỤC
Chương 1: Tổng Quan
Trình bày về đặt vấn đề dẫn nhập lý do chọn đề tài, mục tiêu, nội dung nghiên cứu,
các giới hạn thông số và bố cục đồ án.
Chương 2: Cơ Sở Lý Thuyết
Trình bày về các lý thuyết có liên quan đến các vấn đề mà đề tài sẽ dùng để thực hiện
thiết kế, thi công cho đề tài.
Chương 3: Tính Toán Và Thiết Kế
Giới thiệu tổng quan về các yêu cầu của đề tài mà mình thiết kế và các tính toán, thiết
kế gồm những phần nào. Như: thiết kế sơ đồ khối hệ thống, sơ đồ nguyên lý toàn mạch,
tính toán thiết kế mạch.
Chương 4: Thi Công Hệ Thống
Trình bày về quá trình vẽ mạch in lắp ráp các thiết bị, đo kiểm tra mạch, lắp ráp mô
hình. Thiết kế lưu đồ giải thuật cho chương trình và viết chương trình cho hệ thống. Hướng
dẫn quy trình sử dụng hệ thống.
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN
Chương 5: Kết Quả_Nhận Xét_Đánh Giá
Trình bày về những kết quả đã được mục tiêu đề ra sau quá trình nghiên cứu thi công.
Từ những kết quả đạt được để đánh giá quá trình hoàn thành được bao nhiêu phần trăm.
Chương 6: Kết Luận Và Hướng Phát Triển
Trình bày về những kết quả mà đồ án đạt được, những hạn chế, từ đó rút ra kết luận
và hướng phát triển để giải quyết các vấn đề tồn đọng để đồ án hoàn thiện hơn.
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH
CHUONG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Chương 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.1
TỔNG QUAN VỀ ARDUINO
Hình 2.1. Các loại Board Arduino
2.2.1 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. Đặc điểm nổi bật của
Arduino là môi trường phát triển ứng dụng cực kỳ dễ sử dụng, với một ngôn 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, không quá ngạc nhiên khi
được biết số người sử dụng Arduino trải rộng từ học sinh phổ thông đến sinh viên đại
học.
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH
CHUONG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT
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, ...
2.2.2 Phần cứng
Phần cứng bao gồm một board mạch nguồn mở được thiết kế trên nền tảng vi xử
lý AVR Atmel 8-bit, hoặc ARM Atmel 32-bit. Board Arduino sẽ đưa ra hầu hết các chân
I/O của vi điều khiển để sử dụng cho những mạch ngoài.
Những Model hiện tại được trang bị gồm 1 cổng giao tiếp USB, 6 chân đầu vào
analog, 14 chân I/O kỹ thuật số tương thích với nhiều board mở rộng khác nhau giúp dễ
dàng lập trình và có thể mở rộng với các mạch khác, các module thêm vào có thể dễ
dàng chuyển đổi, được gọi là shield. Vài shield kết nối với board Arduino trực tiếp thông
qua các chân khác nhau, nhưng nhiều shield được định địa chỉ thông qua serial bus I2C,
nhiều shield có thể được xếp chồng và sử dụng dưới dạng song song. Arduino chính
thức thường sử dụng các dòng chip MegaAVR, đặc biệt là ATMega8, ATMega168,
ATMega328, ATMega1280, và ATMega2560.
Theo nguyên tắc, khi sử dụng phần mềm Arduino, tất cả các board được lập trình
thông qua một kết nối RS-232, nhưng cách thức thực hiện lại tùy thuộc vào đời phần
cứng. Các board Serial Arduino có chứa một mạch chuyển đổi giữa RS-232 sang TTL.
Các board Arduino hiện tại được lập trình thông qua cổng USB, thực hiện thông qua
chip chuyển đổi USB-to-serial như là FTDI FT232.
2.2
NHẬN DẠNG VÂN TAY
2.2.1 Giới thiệu sơ lược về dấu vân tay và nhận dạng vân tay
a. Khái niệm về dấu vân tay
Vân tay [1] là do các gai da đội lớp biểu bì lên mà thành. Đó là nơi tập kết miệng
các tuyến mồ hôi, tuyến bã nhờn… Nó đã định hình khi con người còn là cái thai 4 tháng
trong bụng mẹ. Khi đứa bé ra đời, lớn lên, vân tay được phóng đại nhưng vẫn giữ nguyên
dạng cho đến khi về già. Nếu tay có bị bỏng, bị thương, bị bệnh thì khi lành, vân tay lại
tái lập y hệt như cũ. Chỉ khi có tổn thương sâu huỷ hoại hoàn toàn, sẹo chằng chịt mới
xoá mất vân tay.
Vân tay không ai giống ai, đặc sắc nhất là vân ngón cái và ngón trỏ.
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH
CHUONG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT
b. Giới thiệu về nhận dạng vân tay
Từ xa xưa, con người đã nhận ra mỗi cá nhân đều có một vân tay riêng nhưng chưa
có một cơ sở khoa học nào để nghiên cứu và nhận dạng. Nhưng đến thế kỷ 16, các kỹ
thuật vân tay khoa học hiện đại đã xuất hiện và từ đó các lí thuyết và chương trình mô
tả, nhận dạng vân tay mới phát triển mau chóng. Năm 1888, Francis Galton giới thiệu
các đặc trưng chi tiết phục vụ cho đối sánh vân tay.
Nhưng đến đầu thế kỉ 20, nhận dạng vân tay chính thức được chấp nhận như một
phương pháp nhận dạng cá nhân có giá trị và trở thành tiêu chuẩn trong pháp luật. Ví
dụ, năm 1924 FBI đã thiết lập một cơ sở dữ liệu có 810.000 thẻ vân tay.
2.2.2 Việc ứng dụng công nghệ nhận dạng vân tay hiện nay
Trên thế giới hiện nay đã xuất hiện nhiều sản phẩm công nghệ cao sử dụng phương
pháp nhận dạng vân tay như khóa vân tay, máy chấm công vân tay, máy tính xách tay,
điện thoại thông minh... Tuy nhiên đây vẫn là vấn đề còn chưa được nghiên cứu nhiều
ở Việt Nam. Ở nước ta, phương pháp này mới chỉ phổ biến ở việc quản lý nhân sự thông
qua chứng minh thư nhân dân và phục vụ điều tra phá án. Các sản phẩm công nghệ cao
nói trên chúng ta vẫn phải nhập khẩu với giá thành khá cao, do đó chúng vẫn chưa được
phổ biến rộng rãi.
2.2.3 Nguyên lý hoạt động cơ bản của nhận dạng vân tay
Nguyên lý hoạt động của công nghệ nhận dạng vân tay là khi đặt ngón tay lên trên
một thiết bị nhận dạng dấu vân tay, ngay lập tức thiết bị này sẽ quét hình ảnh ngón tay
đó và đối chiếu các đặc điểm của ngón tay đó với dữ liệu đã được lưu trữ trong hệ thống.
Quá trình xử lý dữ liệu sẽ được thiết bị chuyển sang các dữ liệu số và ra thông báo rằng
dấu vân tay đó là hợp lệ hay không hợp lệ để cho phép hệ thống thực hiện các chức năng
tiếp theo. Hệ thống sinh trắc học sẽ ghi nhận mẫu vân tay của người dùng và lưu trữ tất
cả những dữ liệu đặc biệt này thành một mẫu nhận diện được số hoá toàn phần. Có hai
phương pháp để lấy dấu vân tay.
Cách thứ nhất (cổ điển) là sao chép lại hình dạng vân tay (như lăn tay bằng mực,
hay chạm vào một vật gì đó) thông qua máy quét ghi nhận và xử lý.
Cách thứ hai, hiện tại đa số các nước đều sử dụng phần mềm hoặc thiết bị quét vân
tay để nhận dạng vân tay.
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH
CHUONG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.2.4 Các bước xử lý trong quá trình nhận dạng vân tay
Quá trình xử lý nhận dạng vân tay được chia làm hai quá trình lớn: quá trình xử lý
ảnh và quá trình so sánh vân tay.
a. Quá trình xử lý ảnh
Image Enhancement
Image Analysis
Thinning
Binarization
Minutiae Extraction
Hình 2.2. Sơ đồ quá trình xử lý ảnh
Mục đích của quá trình này được biểu diễn qua hình 2.2 là tăng cường ảnh vân tay,
sau đó, rút trích các đặc trưng vân tay từ ảnh đã được tăng cường. Quá trình này được
thực hiện qua các bước nhỏ sau:
-
Tăng cường ảnh (Image Enhancement): Ảnh được lấy từ thiết bị đầu đọc vân
tay sẽ được làm rõ. Do các thiết bị đầu đọc vân tay không lấy ảnh tốt hay do vân tay của
người dùng trong lúc lấy bị hao mòn, dơ bẩn, hay do lực ấn ngón tay trong lúc lấy vân
tay. Vì vậy, bước này là một trong các bước quan trọng nhất của quá trình này để làm
rõ ảnh vân tay để rút trích các đặc trưng đúng và đầy đủ.
-
Phân tích ảnh (Image Analysis): Thông qua phân tích ảnh, ảnh sẽ được loại
bỏ những thông tin làm nhiễu hay những thông tin không cần thiết.
-
Nhị phân hóa (Binarization): Nhị phân hóa ảnh vân tay thành ảnh trắng đen.
Bước này phục vụ cho bước Làm mỏng vân tay. Bước này có thể có hoặc không vì phục
thuộc vào thuật toán rút trích đặc trưng.
-
Làm mỏng (Thinning): Làm mỏng các đường vân lồi của ảnh vân tay. Bước
này nhằm mục đích cho việc rút trích đặc trưng của vân tay. Bước này cũng có thể có
hoặc không vì phục thuộc vào thuật toán rút trích đặc trưng.
-
Rút trích đặc trưng (Minutiae Extraction): Rút trích những đặc trưng cần
thiết cho quá trình so sánh vân tay.
b. Quá trình so sánh vân tay
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH
CHUONG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Minutiae Analysis
Local
Similarily
Calculate
Matching Score
Global
Similarily
Hình 2.3. Sơ đồ quá trình so sánh vân tay
Mục đích của quá trình này được biểu diễn trên hình 2.3 là so sánh vân tay dựa trên
các đặc trưng đã được rút trích. Quá trình này được thực hiện qua các bước nhỏ sau:
-
Phân tích đặc trưng (Minutiae Analysis): Phân tích các đặc điểm cần thiết
của các đặc trưng để phục vụ cho việc so sánh vân tay.
-
Xét độ tương tự cục bộ (Local Similarily): Thuật toán so sánh vân tay sẽ dựa
vào các thông tin cục bộ của các đặc trưng (gồm: tọa độ (x, y), hướng của đặc trưng, góc
tạo bởi tiếp tuyến của đường vân tại đặc trưng và trục ngang) của vân tay để tìm ra các
cặp đặc trưng giống nhau giữa hai vân tay.
-
Xét độ tương tự toàn cục (Global Similarily): Từ nhưng khu vực tương tự
nhau trên cục bộ, thuật toán sẽ tiếp tục mở rộng so sánh trên toàn cục.
-
Tính điểm so sánh (Calculate Matching Score): Tính toán tỷ lệ độ giống nhau
giữa các cặp đặc trưng. Điểm so sánh này sẽ cho biết độ giống nhau của hai ảnh vân tay
là bao nhiêu.
2.3 GIỚI THIỆU PHẦN CỨNG
Thiết bị đầu vào: bàn phím ma trận 4x4, module cảm biến vân tay R305,
Module Ethernet Shield, Module Bluetooth HC-05.
Thiết bị đầu ra: màng hình LCD 20x4, động cơ Servo SG90, relay
Thiết bị điều khiển trung tâm: Board Arduino Mega 2560.
Các chuẩn truyền dữ liệu UART, SPI, chuẩn giao tiếp 1 Wire.
2.3.1 Arduino Mega 2560
Arduino Mega 2560 sử dụng chip ATmega2560. Nó có 54 chân digital I/O (trong
đó có 15 chân điều chế độ rộng xung PWM), 16 chân đầu vào tương tự (Analog Inputs),
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH
