KHOA CUA THONG MINH SMARTDOORLOCK final

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
VIỆN ĐIỆN
----------

------------------

BÁO CÁO ĐỒ ÁN CHUYÊN NGÀNH
------------------

Đề tài: THIẾT KẾ THIẾT BỊ KHÓA
CỬA ĐIỆN TỬ THÔNG MINH.
Giảng viên hướng dẫn:
PGS-TS. Bùi Đăng Thảnh
Nhóm sinh viên thực hiện:
Phan Văn Quân

MSSV: 20143650

Lê Nguyễn Mạnh

MSSV: 20142851

Hà Nội, ngày 18 tháng 6 năm 2018.


MỤC LỤC
DANH MỤC HÌNH VẼ. ..................................................................................................... iii
DANH MỤC BẢNG BIỂU. .................................................................................................iv
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT. ............................................................................................. iv
LỜI NÓI ĐẦU

.................................................................................................................. 5

CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN KHÓA CỬA ĐIỆN TỬ THÔNG MINH TRONG HỆ
THỐNG SMART HOME. ................................................................................................... 6
1.1

Đặt vấn đề ................................................................................................................ 6

1.2

Ứng dụng của khóa cửa điện tử thông minh trong hệ thống Smart Home .................. 7

1.2.1 Các thiết bị khóa cửa điện tử thông minh trong hệ thống Smart Home trên thị
trường. 7
1.2.2
1.3

Ứng dụng khóa cửa điện tử thông minh trong hệ thống Smart Home. .............. 11

Kết luận chương 1. ................................................................................................. 11

CHƯƠNG 2

THIẾT KẾ THIẾT BỊ KHÓA CỬA ĐIỆN TỬ THÔNG MINH. ....... 12

2.1

Mục đích thiết kế.................................................................................................... 12

2.2

Phương pháp thiết kế. ............................................................................................. 12

2.2.1

Phương pháp thiết kế. ...................................................................................... 12

2.2.2

Sơ đồ khối chức năng của thiết bị khóa cửa điện tử thông minh. ...................... 13

2.3

Thiết kế thiết bị khóa cửa điện tử thông minh. ........................................................ 14

2.3.1

Tính toán và lựa chọn thiết bị. ......................................................................... 14

2.3.2

Tìm hiểu giao thức MQTT (Message Queue Telemetry Transport). ................. 22

2.4

Mã hóa bảo mật thông tin của hệ thống. ................................................................. 31

2.4.1

Sơ lược về mã hóa bảo mật.............................................................................. 31

2.4.2

Hệ mã hóa bất đối xứng RSA. ......................................................................... 32

2.5

Thiết kế thiết bị khóa cửa điện tử thông minh. ........................................................ 40

2.5.1

Thiết kế mạch điều khiển phần cứng của thiết bị. ............................................ 40

2.5.2

Thiết kế chương trình điều khiển của thiết bị. .................................................. 41

2.5.3

Nguyên lý hoạt động của thiết bị. .................................................................... 44

2.6

Kết luận chương 2. ................................................................................................. 46

CHƯƠNG 3

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ............................................. 47

3.1

Kết quả đạt được. ................................................................................................... 47

3.2

Kết luận đánh giá đề tài. ......................................................................................... 49

3.3

Hướng phát triển của thiết bị trong tương lai. ......................................................... 49

TÀI LIỆU THAM KHẢO. ................................................................................................. 50

ii


DANH MỤC HÌNH VẼ.
Hình 1-1 Hệ thống Smart Home. ........................................................................................... 7
Hình 1-2 Hình ảnh khóa cửa Kwikset. ................................................................................... 8
Hình 1-3 Hình ảnh khóa cửa August Smart Lock. .................................................................. 9
Hình 1-4 Hình ảnh khóa cửa của Schlage. ........................................................................... 10
Hình 1-5 Hình ảnh khóa cửa thông minh của BKAV. .......................................................... 10
Hình 2-1 Sơ đồ khối chức năng của mạch khóa cửa thông minh. ......................................... 12
Hình 2-2 Sơ đồ khối của thiết bị khóa cửa điện tử thông minh. ........................................... 13
Hình 2-3 Hình ảnh thực tế và sơ đồ chân của module ESP8266-07 ...................................... 15
Hình 2-4 Hình ảnh thực tế và sơ đồ chân LCD 5110C. ........................................................ 16
Hình 2-5 Hình ảnh và sơ đồ chân bàn phím 4x4. .................................................................. 16
Hình 2-6 Hình ảnh và sơ đồ chân SMT32F103RCT6. .......................................................... 17
Hình 2-7 Hình ảnh chốt cửa điện từ. .................................................................................... 18

Hình 2-8 Sơ đồ nguyên lý mạch khối nguồn cung cấp. ........................................................ 18
Hình 2-9 Hình ảnh và sơ đồ chân IC ổn áp LM2596-5.0V và Adapter 12V.......................... 19
Hình 2-10 Sơ đồ nguyên lý mạch khối nguồn 5V................................................................. 19
Hình 2-11 Sơ đồ nguyên lý mạch khối nguồn 3.3V. ............................................................. 20
Hình 2-12 Mô hình giao thức MQTT. .................................................................................. 23
Hình 2-13 Quy trình truyền nhận dữ liệu với cờ clean session =1. ....................................... 28
Hình 2-14 Quy trình truyền dữ liệu khi cờ clean session =0. ................................................ 29
Hình 2-15 QoS level 0: Chế độ “At most once delivery” ..................................................... 29
Hình 2-16 QoS level 1: Chế độ “At least once delivery” ...................................................... 30
Hình 2-17 QoS level 2: Chế độ “Exactly once delivery”. ..................................................... 30
Hình 2-18 Mô hình mã hóa bảo mật..................................................................................... 31
Hình 2-19 Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển của thiết bị. .................................................... 40
Hình 2-20 Lưu đồ thuật toán chương trình điều khiển trung tâm. ......................................... 41
Hình 2-21 Lưu đồ thuật toán chương trình nhận gửi dữ liệu qua wifi. .................................. 43
Hình 2-22 Luồng thông tin quá trình hoạt động trong thiết bị............................................... 45
Hình 3-1 Hình ảnh mặt trước của hệ thống, ......................................................................... 47
Hình 3-2 Hình ảnh mặt sau của hệ thống. ............................................................................ 48
Hình 3-3 Hình ảnh phần mạch điều khiển của hệ thống. ...................................................... 48

iii


DANH MỤC BẢNG BIỂU.
Bảng 2-1 So sánh một số module wifi có sẵn trên thị trường. ............................................... 14
Bảng 2-2 Mức tiêu thụ điện năng tối đa của các linh kiện chính trong mạch. ....................... 20
Bảng 2-3 Danh sách các file, hàm và chức năng hàm trong file. ........................................... 42
Bảng 2-4 Danh sách các file, hàm và chức năng hàm trong file. ........................................... 43

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT.
Từ viết tắt

Từ đầy đủ.

IoT

Internet of Things.

MQTT

Message Queue Telemetry Transport

RSA

Rivest–Shamir–Adleman

TCP

Transmission Control Protocol

App

Applications.

UART

Universal asynchronous receiver-transmitter

SPI

Serial Peripheral Interface bus

LCD

Liquid-crystal display

iv


LỜI NÓI ĐẦU
Trong những năm gần đây, sự phát triển về khoa học kỹ thuật đặc biệt là cuộc
cách mạng 4.0 về khoa học kỹ thuật đang đẩy mạnh trên thế giới. Sự phát triển về IoT
(Internet of Things) mạng lưới vạn vât kết nối internet là sự phát triển vượt bậc của con
người về công nghệ. IoT sẽ giúp nâng cao đời sống và chất lượng của con người càng
ngày càng cao cấp và tiện lợi hơn.
Hiện nay công nghệ nước ta được đánh giá là đang bước đầu bắt kịp với cuộc cách
mạng công nghệ 4.0 của thế giới. Đất nước ta đang phát triển nhưng còn khó khăn chưa
đáp ứng điều kiện tốt nhất cho việc học tập và nghiên cứu của sinh viên, điều này cũng
chính là động lực cho chúng ta có những sáng tạo mới, ý tưởng mới giúp cho việc học
của mình và bạn bè được tốt hơn. Những lần làm đồ án chính là lúc mà chúng ta được
phát huy trí sáng tạo của mình. Chính vì vậy trong lần làm đồ án, dưới sự hướng dẫn
nhiệt tình giáo viên hướng dẫn PGS-TS Bùi Đăng Thảnh, chúng em đã hoàn thành đề
tài “Đề tài: Thiết kế thiết bị khóa cửa điện tử thông minh” đúng thời gian.
Với trình độ và thời gian còn nhiều hạn chế, chúng em đã cố gắng nhưng không
tránh khỏi những thiếu sót, mong quý thầy cô và bạn bè đóng góp ý kiến để đề tài ngày
càng hoàn thiện. Nhóm chúng em xin gửi lời cảm ơn chân thành và sâu sắc nhất đến
thầy Bùi Đăng Thảnh đã nhiệt tình hướng dẫn chúng em đồ án này. Những kiến thức
này sẽ là hành trang cho chúng em trong quá trình học tập và làm việc ở trường cũng
như khi tốt nghiệp. Chúng em cũng xin ơn tất cả những tình cảm nhiệt thành, tâm huyết
của các thầy cô trường Bách Khoa đã dành cho chúng em. Chúng em rất tự hào khi
khoác lên mình tấm áo choàng sinh viên Bách Khoa, kỹ sư Bách Khoa. Cảm ơn tất cả

những gì thuộc về Bách Khoa. Đến đây em cũng xin kính chúc quý thầy cô luôn luôn
có sức khỏe dồi dào, trí lực minh mẫn, tinh thần khoa học để luôn phát triển ngành khoa
học kỹ thuật nước nhà hơn nữa. Chúc Bách Khoa và con người Bách Khoa luôn luôn
phát triển phát triển mạnh mẽ. Chúng em xin chân thành cảm ơn!
Hà Nội, ngày 18 tháng 6 năm 2018
Nhóm sinh viên thực hiện
Phan Văn Quân- Lê Nguyễn Mạnh.

Phan Văn Quân-Lê Nguyễn Mạnh

5

PGS-TS. Bùi Đăng Thảnh


Chương 1. Tổng quan về khóa cửa điện tử thông minh.

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN KHÓA CỬA ĐIỆN TỬ
THÔNG MINH TRONG HỆ THỐNG SMART HOME.
1.1

Đặt vấn đề
Nhà thông minh hay Smart Home là một ngôi nhà, căn hộ được trang bị hệ thống

tự động tiên tiến dành cho điều khển chiếu sáng, nhiệt độ, truyền thông đa phương tiện,
an ninh, rèm cửa, cửa… được điều khiển trực tiếp hay điều khiển từ xa qua smart phone,
tablet hay máy tính cá nhân nhằm mục đích làm cho cuộc sống ngày càng tiện nghi, an
toàn và góp phần sử dụng hợp lý các tài nguyên.
Trong căn nhà thông minh, đồ dùng trong nhà từ phòng ngủ, phòng khách đến
toilet đều gắn các bộ điều khiển điện tử có thể kết nối internet và điện thoại di động, cho

phép chủ nhân điều khiển vật dụng từ xa hoặc thiết lập cho các thiết bị ở nhà tự động
hoạt động theo ý mình.
Một trong những ví dụ cơ bản nhất của nhà thông minh là hệ thống kiểm soát mức
độ chiếu sáng của hệ thống đèn giúp tiết kiệm điện và phù hợp với khung cảnh. Ngoài
ra hệ thống có thể điều chỉnh rèm cửa, kiểm soát nhiệt độ, hệ thống camera. Khóa cửa
tự động, chống trộm. bên cạnh đó còn có những ứng dụng sáng tạo hơn gồm hệ thống
điều khiển giải trí tại gia, điện thoại, hệ thống tưới nước…
Các chức năng này có thể thực hiện nhờ các thiết bị được kết nối với nhau và với
hệ thống máy tính trung tâm có thể theo dõi các trạng thái và ra quyết định thích hợp.
Các thành phần của hệ thống nhà thông minh bao gồm các cảm biến (nhiệt độ, ánh
sáng, khí, ...) các bộ điều khiển, máy chủ và các thiết bị chấp hành.
Tính năng của nhà thông minh:
•
•
•
•
•

An ninh giám sát
Ánh sáng thông minh
Điều khiển âm thanh, giải trí
Duy trì môi trường xanh.
Điều khiển thiết bị từ xa qua Smart Phone, PC

Phan Văn Quân-Lê Nguyễn Mạnh

6

PGS-TS. Bùi Đăng Thảnh

Chương 1. Tổng quan về khóa cửa điện tử thông minh.

Hình 1-1 Hệ thống Smart Home.

Vấn đề đảm bảo an ninh của ngôi nhà là điều cực kỳ quan trọng, cần thiết nhất của một
hệ thống Smart Home, có chức năng bảo vệ ngôi nhà tránh sự tấn công gây thiệt hại về
tài sản của ngôi nhà. Do đó, đây chính là lý do để nhóm chúng em quyết định lựa chọn
và nghiên cứu và thực hiện “Đề tài: Thiết kế thiết bị khóa cửa điện tử thông minh”
cho lần thực hiện đồ án chuyên ngành này.

1.2

Ứng dụng của khóa cửa điện tử thông minh trong hệ thống Smart Home
1.2.1
Các thiết bị khóa cửa điện tử thông minh trong hệ thống Smart Home
trên thị trường.
1.2.1.1 Các thiết bị khóa cửa điện tử thông minh trên thị trường quốc tế.
Trên thế giới, đã có rất nhiều hãng nổi tiếng dự đoán được sức phát triển mạnh

mẽ của thị trường khóa cửa điện tử thông minh Smart Key, Smart Lock, … có thể bao
gồm nhiều tính năng như mở khóa bằng vân tay, thẻ từ, bluetooth, keypad, App, … điển
hình có một số công ty có sản phẩm nổi bật được đánh giá rất cao như Kwikset, August,
Schlage, Yale assure, Kaadas, Samsung, …
Kwikset

[1]

là một Smartkey đầu tiên trên thị trường, được sản xuất bởi Unikey

với tính năng Tap-to-Unlock làm cho nó trở thành ổ khóa rất dễ sử dụng. Ngoài sự lựa
chọn khóa bằng chìa khóa thông thường thì nó cho phép mở khóa thông qua Bluetooth
trên điện thoại. Mỗi khi điện thoại nằm trong phạm vi thì chỉ cần 1 lần chạm vào khóa
nó sẽ tự động mở. Để đảm bảo an toàn ổ khóa sẽ nhận biết được điện thoại đang ở bên

Phan Văn Quân-Lê Nguyễn Mạnh

7

PGS-TS. Bùi Đăng Thảnh


Chương 1. Tổng quan về khóa cửa điện tử thông minh.
trong cánh cửa (trong nhà) hay là ngoài nhà. Khi người dùng ở phía ngoài thì tính năng
này mới kích hoạt nhằm đảm bảo an toàn. Ngoài ra hãng cũng đã phát triển nó có thể
điều khiển thông qua app điện thoại (có tên là Kevo) cho phép đóng, mở, thêm người
trong gia đình, lưu lại các lịch sử đóng mở khóa cũng như đặt lịch hẹn để khóa mở tự
động thông qua Internet và Bluetooth (cho bất cứ người nào có Smartphone). Ngoài ra
nó cũng cung cấp bộ Kevo convert cho phép chuyển đổi từ ổ khóa thông thường thành
một smartkey có các tính năng trên.

Hình 1-2 Hình ảnh khóa cửa Kwikset.

Với August

[2]

thì có tính năng khá ít hơn so với Kwikset, chỉ cung cấp tiện ích

giám sát, điều khiển đóng mở từ xa qua app, tự động mở khi tiếp cận và đóng khi rời

khỏi nhà. Tuy nhiên, ngoài kết nối Internet và Bluetooth nó còn hỗ trợ Z-wave. Bên
cạnh đó, August Smart Lock cũng làm việc được với các bộ điều khiển trung tâm
Smarthome cùng trợ lý ảo của các công ty lớn Apple-Homekit & Siri, Amazon-Echo &
Alexa, Google-Google Home & Assistant.

Phan Văn Quân-Lê Nguyễn Mạnh

8

PGS-TS. Bùi Đăng Thảnh


Chương 1. Tổng quan về khóa cửa điện tử thông minh.

Hình 1-3 Hình ảnh khóa cửa August Smart Lock.

Schlage [3] là hãng chuyên về khóa cửa với dòng sản phẩm khóa cửa thông minh
Sense Smart Deadbolt. Thiết bị này sẽ ghép với adapter Sense Wi-Fi của hãng cho các
kết nối không dây và khả năng truy cập từ xa. Ban đầu, sản phẩm khóa thông minh này
chỉ tương thích với HomeKit và yêu cầu phải có Apple TV để sử dụng truy cập từ xa.
Sau đó, hãng đã tung ra thị trường adapter Sense Wi-Fi, cho phép cả người dùng iOS
lẫn Android có thể truy cập vào khóa thông minh từ xa thông qua ứng dụng Schlage
Sense của hãng. Ứng dụng này cho phép bạn thiết lập mã mở khóa duy nhất cho mọi
người, lập lịch mở khóa dành cho người ngoài chẳng hạn như khách tới chơi hay liên hệ
công tác, và thậm chí thông báo đến chủ nhà khi khóa được ai đó sử dụng. Và nay thì
dòng sản phẩm này đã hỗ trợ nền tảng Google Home, cho phép người dùng Android có
thể sử dụng trợ lý ảo Assistant để khóa cửa hoặc yêu cầu mở hoặc khóa cửa bằng giọng
nói, thông qua điện thoại hay truy xuất vào phần mềm. Việc hỗ trợ Google Assistant đã
đưa dòng khóa thông minh Sense Smart Deadbolt trở thành một trong số ít sản phẩm
trên thị trường hỗ trợ cả ba ông lớn Amazon, Apple và Google thông qua trợ lý ảo và

nền tảng nhà thông minh riêng của từng hệ sinh thái.

Phan Văn Quân-Lê Nguyễn Mạnh

9

PGS-TS. Bùi Đăng Thảnh


Chương 1. Tổng quan về khóa cửa điện tử thông minh.

Hình 1-4 Hình ảnh khóa cửa của Schlage.

1.2.1.2 Các thiết bị khóa cửa thông minh trên thị trường Việt Nam.
Tại Việt Nam nhắc đến nhà thông minh người ta nghĩ ngay đến thương hiệu BKAV
Smarthome

[4]

. Với BKAV Smarthome, họ đưa ra giải pháp cho phép bạn quản lý và

điều khiển toàn bộ các thiết bị trong nhà thông qua máy tính bảng hoặc Smartphone.
Bạn sẽ dễ dàng kiểm soát ngôi nhà, từ việc điều khiển hệ thống ánh sáng, điều hoà, rèm
cửa, hệ thống âm thanh, hệ thống an ninh, …trực tiếp trên giao diện điều khiển 3D. Hệ
thống khóa cửa của BKAV kiểm soát việc vào ra ngôi nhà bằng nhập mật mã, quét vân
tay hoặc dùng thẻ RFID, camera được lắp đặt trên thiết bị để xem ai trước cửa, hình ảnh
được gửi lên màn hình điều khiển.

Hình 1-5 Hình ảnh khóa cửa thông minh của BKAV.

Phan Văn Quân-Lê Nguyễn Mạnh

10

PGS-TS. Bùi Đăng Thảnh


Chương 1. Tổng quan về khóa cửa điện tử thông minh.
1.2.1.3 Các công nghệ được sử dụng trong Smart Home.
Các công nghệ không dây được sử dụng phổ biến trong hệ thống SmartHome.
-

Công nghệ không dây Wifi: Apple, Samsung, LG, Google, BKA, ACIS …

-

Công nghệ không dây Bluetooth: BlueTech, Home Seer, ...

-

Công nghệ không dây Zigbee:

-

Công nghệ không dây Z-wave, 3G, …
1.2.2

Lumi, ACIS,

Ứng dụng khóa cửa điện tử thông minh trong hệ thống Smart Home.

Như đã trình bày, hệ thống khóa cửa điện tử thông minh là một phần không thể
thiếu của hệ thống smart home, và thành phần quan trọng nhất của hệ thống này chính
là bảo mật và an ninh. Ứng dụng của khóa cửa điện tử thông minh trong nhà thông minh
có thể kể đến như sau:
❖ Tự động mở hoặc đóng cửa khi cần thiết.
❖ Điều khiển đóng hoặc mở cửa từ xa qua các thiết bị.
❖ Ứng dụng phát hiện và cảnh báo trộm và chống trộm.
❖ Mở rộng tầm kiểm soát gián tiếp bên ngoài ngôi nhà.

1.3 Kết luận chương 1.
Chương 1 đã giới thiệu những khái niệm cơ bản về hệ thông Smart Home, về
những ứng dụng của Smart Home và đặc biệt là các ứng dụng của khóa cửa điện tử
thông minh trong Smart Home. Chương này cũng đã đề cập đến các mô hình các hệ
thông khóa cửa điện tử thông minh trong Smart Home đã có trên thế giới và tại Việt
Nam, các công nghệ được sử dụng trong các hệ thống Smart Home. Hi vọng chương
đầu tiên này đã đem lại cho độc giả những cái nhìn tống quan và những hiểu biết cơ bản
về thiết bị mà nhóm em muốn xây dựng. Tiếp theo chương 1, sau đây nhóm em sẽ trình
bày chi tiết về những yêu cầu đặt ra và phương pháp thiết kế chi tiết cho hệ thống của
mình.

Phan Văn Quân-Lê Nguyễn Mạnh

11

PGS-TS. Bùi Đăng Thảnh


Chương 2. Thiết kế thiết bị khóa cửa điện tử thông minh

CHƯƠNG 2 THIẾT KẾ THIẾT BỊ KHÓA CỬA
ĐIỆN TỬ THÔNG MINH.
2.1 Mục đích thiết kế.
Từ những vấn đề và lý do đã nêu ở trên nhóm chúng em quyết định chọn “Đề tài:
Thiết kế thiết bị khóa cửa điện tử thông minh” cho đồ án chuyên ngành. Nhóm chúng
em hy vọng sẽ thiết kế thiết bị đạt được kết quả sau:
❖ Thiết kế thiết bị khóa cửa đảm bảo an ninh về mặt cơ khí và thẩm mỹ.
❖ Thiết kế thiết bị khóa cửa đảm bảo an ninh về mặt điện tử phần mềm.
❖ Thiết bị có thể đóng mở cửa bằng các thiết bị điều khiển từ xa, thông qua Internet.
❖ Thiết bị có thể đóng mở cửa bằng “KEYPAD” tại chỗ.
❖ Thiết bị có kết nối mạng, kết nối được với hệ thống Smart Home.
❖ Thiết bị có tính mã hóa bảo mật cao, không thể xâm nhập từ bên ngoài.
❖ Có màn hình hiển thị các thông tin trạng thái.

2.2 Phương pháp thiết kế.
2.2.1

Phương pháp thiết kế.

Từ các mục đích thiết kế mong muốn, công việc đầu tiền để có thể thiết kế thiết bị
khóa cửa điện tử thông minh đó chính là thiết kế từng các khối chức năng được thể hiện
như hình 2-1.

KHỐI NGUỒN CUNG CẤP.

KHỐI TRUYỀN
NHẬN KHÔNG
DÂY

KHỐI HIỂN THỊ

KHỐI XỬ
LÝ
TRUNG
TÂM

KHỐI RƠ LE
ĐỐNG CẮT

KHỐI BÀN PHÍM

CHỐT
KHÓA
CỬA
ĐIỆN
TỪ

Hình 2-1 Sơ đồ khối chức năng của mạch khóa cửa thông minh.

Phan Văn Quân-Lê Nguyễn Mạnh

12

PGS-TS. Bùi Đăng Thảnh


Chương 2. Thiết kế thiết bị khóa cửa điện tử thông minh
Đối với khối nguồn cung cấp, cần tính toán và thiết kế phù hợp đảm bảo cung cấp
nguồn với các điện áp khác nhau từng khối, đảm bảo công suất tiêu thụ.
Đối với khối Rơ le đóng cắt cần chọ Rơ lê hoạt động ổn định, đóng cắt chính xác

dưới tín hiệu điều khiển của vi điều khiển trung tâm.
Đối với khối bàn phím có chức năng thực hiện nhập mật khẩu (passcode) để điều
khiển trạng thái đóng mở cửa.
Đối với khối hiển thị, cần chọn các màn hình hiển thị phù hợp với yêu cầu thẩm
mỹ, nhỏ gọn, đáp ứng các tính năng kỹ thuật hiển thị các trạng thái cần thiết.
Đối với vi điểu khiển cần lựa chọn vi điều khiển có bộ vi xử lý mạnh để đảm bảo
về bảo mật, tốc độ xử lý nhanh, độ chính xác cao và cần hỗ trợ các chuẩn giao tiếp như:
UART, SPI, I2C, … để có thể giao tiếp với các module truyền nhận không dây.
Đối với module truyền nhận không dây, cần phân tích và lựa chọn công nghệ không
dây wifi, zigbee, bluetooth, LoRaWan, … phù hợp với yêu cầu tích hợp vào hệ thống
Smart Home trong thực tế.
2.2.2

Sơ đồ khối chức năng của thiết bị khóa cửa điện tử thông minh.

KHỐI NGUỒN CUNG CẤP.

KHỐI TRUYỀN
NHẬN KHÔNG
DÂY

KHỐI HIỂN THỊ

KHỐI XỬ
LÝ
TRUNG
TÂM

KHỐI RƠ LE
ĐỐNG CẮT

KHỐI BÀN PHÍM

CHỐT
KHÓA
CỬA
ĐIỆN
TỪ

Hình 2-2 Sơ đồ khối của thiết bị khóa cửa điện tử thông minh.

Phan Văn Quân-Lê Nguyễn Mạnh

13

PGS-TS. Bùi Đăng Thảnh


Chương 2. Thiết kế thiết bị khóa cửa điện tử thông minh

2.3 Thiết kế thiết bị khóa cửa điện tử thông minh.
2.3.1

Tính toán và lựa chọn thiết bị.

2.3.1.1 Tính toán và lựa chọn module truyền nhận không dây.
Đối với module truyền nhận không dây, qua tìm hiểu một số hệ thống Smart Home
trên thị trường nhóm chúng em lựa chọn sử sụng công nghệ truyền không dây Wifi, để
giao tiếp với mạng Wifi nhóm chúng em sẽ sử dụng module truyền nhận không dây Wifi
để thực hiện giao tiếp với modem wifi.

Dưới đây là bảng so sánh một số loại module Wifi hiện nay tại Việt Nam.
Bảng 2-1 So sánh một số module wifi có sẵn trên thị trường.

Tên Module

Điện áp
hoạt
động(V)

Số
kênh
giao
tiếp

Khoảng cách
truyền
nhận(m)

Tốc độ
truyền nhận
tối
đa(bits/s)

Giá bán
trên thị
trường

ESP8266 ESP01

3.3V

5

100-400

115200

90.000

ESP8266 ESP07

3.3V

5

100 - 500

115200

95.000

ESP8266 ESP12

3.3V

5

100 – 600

115200

105.000

ESP8266-202

3.3V

5

---

115200

100.000

Em đã lựa chọn module Wifi ESP8266-07 với giá thành rẻ, đạt đủ yêu cầu đặt ra
để tiến hành thực hiện, module Wifi ESP8266 - 07 với các thông số kỹ thuật chi tiết sau:
o MCU: ESP8266EX, vi điều khiển 32bit, tiết kiệm năng lượng.
o Chuẩn điện áp hoạt động 3.3V.
o Giao tiếp với vi điều khiển dựa trên chuẩn truyền thông UART.
o Tốc độ Baurate lên tới 115200 (bit/s).
o Hỗ trợ chuẩn 802.11 b/g/n.
o Wifi 2.4 GHz, hỗ trợ WPA/WPA2.
o Hỗ trợ nhiều chuẩn bảo mật như OPEN, WEB, WPA_PSK, WPA2_PSK.
o Hỗ trợ 2 giao tiếp TCP và UDP.
o Số chân I/O: 11 (I/O đều có Interrupt/PWM/I2C/One-wire, trừ chân D0)
o Làm việc như các máy chủ có thể kết nối tới 5 máy con.

Phan Văn Quân-Lê Nguyễn Mạnh

14

PGS-TS. Bùi Đăng Thảnh


Chương 2. Thiết kế thiết bị khóa cửa điện tử thông minh
Lí do chọn module ESP8266 -07 là vì:
❖ Giá thành rẻ, đạt đủ yêu cầu đặt ra để thực hiện.
❖ Làm việc ổn định (ổn định hơn ESP 8266-V01).
❖ Đảm bảo giao tiếp Wifi ổn định, hỗ trợ các chuẩn giao tiếp phù hợp.

Hình 2-3 Hình ảnh thực tế và sơ đồ chân của module ESP8266-07

2.3.1.2 Tính toán và lựa chọn khối hiển thị
Với yêu cầu đơn giản chỉ để hiện thị trạng thái của thiết bị, nhóm em đã tìm hiểu
và sử dụng màn hình LCD Nokia 5110C. Với màn hình này ta có thể lập trình để hiện
thị toàn bộ thông tin trạng thái được lên màn hình để người sử dụng có thể quan sát.
Nokia 5110C là một màn hình LCD đồ họa cơ bản cho nhiều ứng dụng. Nokia
5110C Graphic LCD sử dụng bộ điều khiển PCD8544. Các PCD8544 là một sức mạnh
CMOS LCD điều khiển/điều khiển thấp, được thiết kế để lái xe một màn hình hiển thị
đồ họa của 48 hàng và 84 cột. Tất cả các chức năng cần thiết cho màn hình hiển thị được
cung cấp trong một chip duy nhất, bao gồm cả trên chip thế hệ cung cấp màn hình LCD
và thiên vị điện áp, dẫn đến mức tối thiểu các thành phần bên ngoài và tiêu thụ điện năng
thấp. Các giao diện PCD8544 để vi điều khiển thông qua một giao diện SPI.
Các thông số kỹ thuật của màn hình LCD Nokia 5110C:
• Điện áp làm việc 3V - 5V.
•

Độ phân giải: 84x48 pixels

• Điều khiển độ sáng màn hình bằng xung.
• Chuẩn giao tiếp SPI.

Phan Văn Quân-Lê Nguyễn Mạnh

15

PGS-TS. Bùi Đăng Thảnh


Chương 2. Thiết kế thiết bị khóa cửa điện tử thông minh

Hình 2-4 Hình ảnh thực tế và sơ đồ chân LCD 5110C.

2.3.1.3 Tính toán và lựa chọn khối bàn phím.
Thiết bị sử dụng bàn phím 4x4 SMD, với ưu điểm thiết kế nhỏ gọn, mỏng dễ dàng lắp
đặt trên thực tế.

Hình 2-5 Hình ảnh và sơ đồ chân bàn phím 4x4.

2.3.1.4 Tính toán và lựa chọn khối rơ le đóng cắt.
Thiết bị sử dụng Rơ le SRD-05VDC-SL-C với điện áp điều khiển 5VDC, chịu
được tải với điện áp 250 VAC-10A. Phù hợp đáp ứng với yêu cầu đóng cắt nhanh và
chính xác của thiết bị.

Phan Văn Quân-Lê Nguyễn Mạnh

16

PGS-TS. Bùi Đăng Thảnh

Chương 2. Thiết kế thiết bị khóa cửa điện tử thông minh
2.3.1.5 Tính toán và lựa chọn khối vi điều khiển trung tâm.
Với yêu cầu của vi điểu khiển trung tâm cần lựa chọn vi điều khiển có bộ vi xử lý
mạnh để đảm bảo về bảo mật, tốc độ xử lý nhanh, độ chính xác cao và cần hỗ trợ các
chuẩn giao tiếp như: UART, SPI, I2C, … để có thể giao tiếp với các module truyền nhận
không dây.
Nhóm chúng em đã tìm hiểu và lựa chọn dòng vi điều khiển 32bit STM32 của
hãng STMicroelectronics. có khả năng xử lý tính toán tốt, tiết kiệm điện năng, giá thành
thấp. Với thư viện Standard Peripheral do nhà sản xuất cung cấp cấp có thể dễ dàng lập
trình, cộng đồng hỗ trợ lớn, rất thích hợp với mục đích nghiên cứu khoa học.
Vi điều khiển được lựa chọn là STM32F103RCT6 được thiết kế dựa trên dòng
Cortex-M3: hiệu suất hệ thống cao, tiêu thụ năng lượng thấp, được thiết kế trên nền kiến
trúc mới.
Sự linh hoạt:
• Kích thước: 14x14 mm
• Có ngoại vi đa dạng, nhiều chân I/O.
•

Hai bộ chuyển đổi ADC, Timer, …

• Tốc độ xung nhịp CPU: 72MHz.
• Bộ nhớ: SRAM 64Kb, FLASH 256Kb.
• Điện áp hoạt động 2.0 -3.6V
• Hỗ trợ giao tiếp: UART, SPI, I2C, CAN, …

Hình 2-6 Hình ảnh và sơ đồ chân SMT32F103RCT6.

Phan Văn Quân-Lê Nguyễn Mạnh

17

PGS-TS. Bùi Đăng Thảnh


Chương 2. Thiết kế thiết bị khóa cửa điện tử thông minh
2.3.1.6 Tính toán và lựa chọn khối chốt khóa cửa.
Thiết bị sử dụng khối chốt khóa cầ đảm bảo yêu cầu kỹ thuật và cơ khí và điện tử, nhóm
chúng em lựa chọn:
o Sử dụng khóa điện từ 12V được kích mở đóng bằng điện.
o Được áp dụng nhiều trong các ứng dụng khóa điện, tử điện
o Chất lượng tốt, độ bền cao.
o Thông số kỹ thuật:
✓ Điện áp: 12 VDC
✓ Dòng điện 1A
✓ Tốc độ phản ứng <1s
✓ Kích thước: 55x40x25mm

Hình 2-7 Hình ảnh chốt cửa điện từ.

2.3.1.7 Tính toán và lựa chọn khối nguồn.
❖ Sơ đồ nguyên lý mạch khối nguồn cung cấp:

Hình 2-8 Sơ đồ nguyên lý mạch khối nguồn cung cấp.

Phan Văn Quân-Lê Nguyễn Mạnh

18

PGS-TS. Bùi Đăng Thảnh


Chương 2. Thiết kế thiết bị khóa cửa điện tử thông minh
Khối nguồn 5V DC: với khối nguồn 5V, ta đưa điện áp đo vào IC nguồn ổn áp điện áp
của ADAPTER 12V-1A. Ở đây ta lựa chọn IC nguồn LM2576-5V thông dụng do Texas
Instrument sản xuất tạo ra dòng điện ổn áp 5VDC.
Một số thông số kỹ thuật cơ bản của IC nguồn LM2576-5V:
• Điện áp cấp tối đa: 40V DC
• Dòng tiêu thụ tối đa: 30mA
• Điện áp đầu ra: 5V DC ± 4%
• Điều kiện hoạt động: 8V ≤ VIN ≤ 40V
• Dòng ra tải: 0.5 - 3A
• Dải nhiệt độ hoạt động: -400C - 1250C

Hình 2-9 Hình ảnh và sơ đồ chân IC ổn áp LM2596-5.0V và Adapter 12V

Hình 2-10 Sơ đồ nguyên lý mạch khối nguồn 5V.

Khối nguồn 3.3V DC: Khối nguồn 3V3 sử dụng IC ổn áp thông dụng AMS1117-3V3
thuộc kiểu IC nguồn tuyến tính. Dòng ổn áp 5VDC được tạo ra bởi LM2576-5V trong
khối 5VDC được cấp cho AMS1117-3V3 để tạo ra dòng điện ổn áp 3.3VDC.
Một số thông số kỹ thuật chính của IC nguồn AMS1117-3V3:Điện áp cấp tối đa: 15V
• Dòng tiêu thụ tối đa: 11mA
• Điện áp đầu ra: 3.3V ± 3%

Phan Văn Quân-Lê Nguyễn Mạnh

19

PGS-TS. Bùi Đăng Thảnh


Chương 2. Thiết kế thiết bị khóa cửa điện tử thông minh
• Điều kiện hoạt động: 1.5V ≤ (VIN - VOUT) ≤ 12V
• Dòng ra tải tối đa: 0.8A
• Dải nhiệt độ hoạt động: -400C - 1250C

Hình 2-11 Sơ đồ nguyên lý mạch khối nguồn 3.3V.

Yêu cầu đặt ra của mạch điều khiển về tiêu thụ điện năng có những chỉ tiêu cụ thể. Vì
vậy ta xây dựng bảng tiêu thụ điện năng của thiết bị để khảo sát sự phù hợp của các linh
kiện trong thiết bị như sau:
Bảng 2-2 Mức tiêu thụ điện năng tối đa của các linh kiện chính trong mạch.
Số

Vcc

Imax

ΣImax

ΣPmax

lượng

(V)

(mA)

(mA)

(mW)

STM32F103RCT6

1

3.3

21

21

69.3

2

LCD 5110

1

3.3

80.0

80.0

264

3

ESP8266

1

3.3

80

80

264

4

LM2576-5V

1

5.0

30.0

30.0

150

5

Relay-5V

2

5.0

71.4

142.8

714

6

AMS1117-3V3

1

3. 3

11.0

11.0

36

7

Led ϕ 3mm

3

5.0

5.0

15.0

75

311.8

1641

STT

Linh kiện

1

Tổng

Đối với 2 khối nguồn tạo dòng tải chính cho thiết bị là khối nguồn 5V DC và khối nguồn
3.3V DC, ta cần xét thêm thông số công suất tiêu tán của chúng.
Cụ thể đối với IC nguồn LM2576-5V, công suất tiêu tán được tính theo công thức dưới
đây.

Phan Văn Quân-Lê Nguyễn Mạnh

20

PGS-TS. Bùi Đăng Thảnh


Chương 2. Thiết kế thiết bị khóa cửa điện tử thông minh

Pd = VIN  I Q +
Trong đó:

VO
 I LOAD VSAT
VIN

Pd là công suất tiêu tán của LM2576-5V (W).
VIN là trị số điện áp đầu vào LM2576-5V (V).
IQ là giá trị dòng không tải (Quiescent current) (A).
VO là trị số điện áp ra từ LM2576-5V (V).
ILOAD là cường độ dòng điện ra tải (A).
VSAT là điện áp bão hòa của LM2576-5V (Saturated voltage) (V).

Tra tài liệu kĩ thuật của LM2576-5V, ta có IQmax = 10mA, VSATmax = 2V . Bên cạnh đó, ta
có VO = 5V, điện áp đầu vào VIN của LM2576-5V được lấy từ đầu ra của adapter 12V
Với tính toán sơ bộ theo bảng 2.2, ta có ILOAD = 331 mA. Như vậy, áp dụng công thức ta
tính được công suất tiêu tán của LM2576-5V:
𝑃𝑑 = 12𝑉 × 10𝑚𝐴 +

5𝑉
× 331𝑚𝐴 × 2𝑉 ≈ 0.396𝑊
12𝑉

Đối với IC nguồn AMS1117-3V3, công suất tiêu tán (Power Dissipation) trên IC nguồn
này được tính theo công thức trên.
Pd = (U IN − U OUT )  I LOAD

Trong đó:

Pd là công suất tiêu tán của AMS1117-3V3 (W).
UIN là điện áp của dòng điện cấp cho AMS1117-3V3.
UOUT là điện áp của dòng điện do AMS1117-3V3 tạo ra.
ILOAD là dòng tiêu thụ bởi các linh kiện hoạt động ở điện áp UOUT .

Như đã trình bày, nguồn cấp cho AMS1117-3V3 được lấy từ dòng điện có điện áp 5V
do LM2576-5V tạo ra, vì vậy UIN = 5V. Từ bảng 2-2, ta tính được dòng tải tiêu thụ bởi
các linh kiện hoạt động ở điện áp 3.3V DC là ILOAD (3.3V) = 91 mA. Áp dụng công thức
vào tính toán công suất tiêu tán cho AMS1117-3V3, ta có:
Pd= (5V-3.3V) ×91mA=0.155W

Phan Văn Quân-Lê Nguyễn Mạnh

21

PGS-TS. Bùi Đăng Thảnh


Chương 2. Thiết kế thiết bị khóa cửa điện tử thông minh
Từ các dữ kiện đã tính toán, ta có thể tính được công suất tiêu thụ tối đa của thiết bị theo
công thức dưới đây.
Pt =  Pmax (i) +  Pd (i)

Trong đó:

Pmax (i) là công suất tiêu thụ tối đa của linh kiện thứ i.
Pd (i) là công suất tiêu tán của linh kiện thứ i
Pt là công suất tiêu thụ tối đa của thiết bị.

Theo tính toán, công suất tiêu thụ tối đa của khối thiết bị khóa cửa điện tử thông minh
là:
𝑃𝑡 = ∑ 𝑃𝑚𝑎𝑥 (𝑖 ) + ∑ 𝑃𝑑 (𝑖 ) = 1.641𝑊 + 0.551 = 2.192 𝑊

2.3.2

Tìm hiểu giao thức MQTT (Message Queue Telemetry Transport).

2.3.2.1 Các khái niệm cơ bản
MQTT được tạo ra bởi Tiến sĩ Andy Standford-Clark của IBM và Arlen Nipper of
Arcom năm 1999 như một phương thức đáng tin cậy hiệu quả với chi phí để kết nối các
thiết bị giám sát.
MQTT là giao thức truyền “message” theo mô hình xuất bản/đăng kí
(publish/subcribe). Nó dựa trên một Broker (điểm trung gian) "nhẹ" (khá ít xử lý), và
được thiết kế có tính mở (không đặc trưng cho ứng dụng nào), rất đơn giản và dễ để tích
hợp. MQTT phù hợp cho các ứng dụng M2M (Mobile to mobile), WSN (Wireless
Sensor Networks) hay IoT (Internet of Things). Những đặc trưng này khiến MQTT rất
lý tưởng để sử dụng trong các môi trường bị giới hạn tài nguyên như:
• Những nơi mà giá mạng quá đắt hoặc băng thông thấp, hoặc độ tin cậy thấp.
• Khi chạy trên một thiết bị nhúng bị giới hạn về tài nguyên tốc độ và bộ nhớ
Các đặc trưng chính của giao thức bao gồm:
• Dạng truyền message cung cấp/thuê bao (publish/subcribe) cung cấp việc truyền
tin phân tán 1-nhiều
• Việc truyền message là luôn không quan tâm đến nội dung truyền

Phan Văn Quân-Lê Nguyễn Mạnh

22

PGS-TS. Bùi Đăng Thảnh


Chương 2. Thiết kế thiết bị khóa cửa điện tử thông minh
• Dựa trên nền TCP/IP để cung cấp đường truyền
• Dữ liệu bao bọc dữ liệu truyền (overhead) nhỏ (độ dài cố định luôn là 2 byte),
and là gia thức giảm đến mức tối thiểu traffic đường truyền
• Có 3 loại QoS được đưa ra:
▪ At most once: “message” được truyền nhận dựa hoàn toàn vào tính tin cận
của TCP/IP. Việc mất hoặc lặp message có thể xảy ra.
▪ At least once: các message được đảm bảo nhận được nhưng có thể xảy ra lặp.
▪

Exactly once: “message” được đảm bảo đến nơi đúng 1 lần.

2.3.2.2 Mô hình của giao thức MQTT.

Hình 2-12 Mô hình giao thức MQTT.

MQTT client (publisher, subscriber): Client thực hiện subscribe đến topics để publish
và receive các gói tin.
MQTT server (broker): Servers thực hiện run các topic, đồng thời nhận subscriptions
từ clients yêu cầu các topics, nhận các messages từ clients và forward chúng.
Topic: Về mặt kỹ thuật, topics là các hàng đợi chứa message. Về logic, topics cho phép
clients trao đổi thông tin và dữ liệu.
Session: Một session được định nghĩa là kết nối từ client đến server. Tất cả các giao tiếp

giữa client và server đều là 1 phần của session
Subscription: Không giống như sessions, subscription về mặt logic là kết nối từ client
đến topic. Khi thực hiện subscribed đến topic, client có thể trao đổi messages với topic.
Subscriptions có thể ở trạng thái ‘transient’ hoặc ‘durable’, phụ thuộc vào cờ clean
session trong gói Connect.
Message: Messages là các đơn vị dữ liệu được trao đổi giữa các topic clients.

Phan Văn Quân-Lê Nguyễn Mạnh

23

PGS-TS. Bùi Đăng Thảnh


Chương 2. Thiết kế thiết bị khóa cửa điện tử thông minh
2.3.2.3 Các gói tin quan trọng trong MQTT.
a) Định dạng của message
❖

Phần header cố định

Tất cả các message luôn chứa phần cố định theo bảng

Byte 1: Chứa loại Message và các cờ (DUP, QoS level, and RETAIN)
Byte 2: (Ít nhất 1 byte) quy định độ dài còn lạ
❖

Loại Message

Một số 4-bit không dấu diễn tảcác giá trị được miêu tả dưới bảng sau:

❖

Các cờ
➢ DUP: Cờ này được bật khi client hoặc server đang cố chuyển lại một gói

PUBLISH, PUBREL, SUBSCRIBE hoặc UNSUBSCRIBE. Giá trị này được sử dụng
trong các mesage mà có QoSS lớn hơn 0 và yêu cầu ACK. Khi bit DUP được set, phần
header thay đổi sẽ chứa Message ID. Nhìn vào giá trị này sẽ biết được gói tin đã nhận
được trước đó hay không. Nó không nên sử dụng để tin ngay rằng có duplicates hay
không.
➢ QoS: Cờ này sẽ cho biết độ đảm bảo việc nhận message PUBLISH.

Phan Văn Quân-Lê Nguyễn Mạnh

24

PGS-TS. Bùi Đăng Thảnh


Chương 2. Thiết kế thiết bị khóa cửa điện tử thông minh

➢ RETAIN: Cờ này chỉ được sử dụng ở message PUBLISH. Khi client gửi 1
message PUBLISH đến server, nếu cờ Retain được set (1), thì server phải hiểu rằng nên
giữ message này ngay cả sau khi chuyển nó đến các subcribers hiện tại. Khi có 1
subcription mới được thiết lập trên 1 topic, message cuối cùng của topic đó nên được
gửi đến subscriber với 1 trường Retain được set trong header. Nếu không có messsage
nào còn, thì không cần gửi gì hết.
❖

Độ dài còn lại
Miêu tả độ dài bao gồm cả phần header và payload có trong message. Việc encoding

với độ dài thay đổi sử dụng 1-byte để miêu tả độ dài, vì thế độ dài tối đa sẽ là 127.
b) CONNECT - Client yêu cầu connect đến server
Khi một một kết nối TCP/IP được thiết lập từ client đến server, thì một session ở
mức protocol cũng được tạo sử dụng luồng CONNECT. Server sẽ gửi message
CONNACK để trả lời message CONNECT từ client. Nếu server không nhận được
mesage CONNET từ client trong một khoang thời gian nào đó sau khi thiết lập kết nối
TCP/IP, thì server nên đóng kết nối đó lại. Nếu client không nhận được một message
CONNACK từ server trong một khoảng thời gian nhất định, thì client cũng nên đóng
kết nối đó lại, và restart session bằng một socket mới đến server rồi tiếp tục gửi yêu cầu
kết nối bằng gói CONNECT. Trong cả 2 trường hợp trên, thời gian chờ để nhận được
message CONNECT hoặc CONNACK phụ thuộc vào ứng dụng và điều kiện kết nối.
Nếu một client kết nối bằng một Client ID đang được kết nối với Server rồi, thì client
trước đó phải được disconnect bắt buộc bởi server trước khi thực hiện luồng CONNECT
với client mới.
Nếu client gửi một một message CONNECT không hợp lệ, server nên đóng kết nối luôn.
Không hợp ở đây bao gồm việc khác nhau về Protocol Name hoặc Protocol Version
Numbers. Nếu server đã parse message CONNECT rồi mới phát hiện ra có một trường
nào đó không hợp lệ, nó nên gửi lại message CONNACK chứa nội dung mã có nội dung

Phan Văn Quân-Lê Nguyễn Mạnh

25

PGS-TS. Bùi Đăng Thảnh