Đồ án tốt nghiệp thiết kế và thi công hệ thống bảo mật ứng dụng xử lý ảnh

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:
THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG HỆ THỐNG BẢO MẬT ỨNG DỤNG XỬ LÝ ẢNH

GVHD: Th.S Nguyễn Duy Thảo
SVTH: Lê Hoàng Thành
Hồ Đình Vương

15141342
15141334

Tp. Hồ Chí Minh – 7/2019
i


TRƯỜNG ĐH SPKT TP. HỒ CHÍ MINH

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ

ĐỘC LẬP - TỰ DO - HẠNH PHÚC

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

----o0o----

Tp. HCM, ngày 31 tháng 06 năm 2019

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Họ tên sinh viên:

Lê Hoàng Thành

MSSV: 15141342

Lớp: 15141DT1C

Hồ Đình Vương

MSSV: 15141334

Lớp: 15141DT2B

Chuyên ngành:

Kỹ thuật Điện tử - Truyền thông Mã ngành:

41

Hệ đào tạo:

Đại học chính quy

1

Khóa:

2015

Mã hệ:

I. TÊN ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG HỆ THỐNG BẢO MẬT ỨNG DỤNG
XỬ LÝ ẢNH
II. NHIỆM VỤ
1. Các số liệu ban đầu:
 Bộ xử lý trung tâm: Raspberry Pi 3.
 Camera: Raspberry Pi Camera Module V2.
 Đọc – Quét thẻ: RFID RC522 Module.
 Bàn phím: 4x4 Matrix keypad Module.
 Bộ xử lý tín hiệu ngỏ ra: Arduino Uno R3.
 Module điều khiển động cơ: L298 Module.
 Động cơ mở cửa: Động cơ 12V DC.
 Nguồn cấp: Bộ nguồn 5V và 12V DC.
 Số người dùng được hệ thống nhận diện: 1.
 Số thẻ RFID được sử dụng nhận diện: 2.
 Số thẻ RFID được cho phép thực hiện: 1.
 Số mật khẩu có thể nhập vào đúng: 1.
ii


2. Nội dung thực hiện:

Thu thập dữ liệu quy trình để thiết kế một hệ thống bảo mật.
Các giải pháp trong việt thiết kế mô hình.
Lựa chọn các thiết bị trong việc thiết kế mô hình hệ thống bảo mật.
Thiết kế hệ thống điều khiển.
Thiết kế mô hình.
Đánh giá kết quả thực hiện.
III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ:

19/03/2019

IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 31/06/2019
V. HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: Th.S Nguyễn Duy Thảo
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

BM. ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

iii


TRƯỜNG ĐH SPKT TP. HỒ CHÍ MINH

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ

ĐỘC LẬP - TỰ DO - HẠNH PHÚC

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

----o0o----

Tp. HCM ngày 31 tháng 06 năm 2019

LỊCH TRÌNH THỰC HIỆN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Họ tên sinh viên 1: Lê Hoàng Thành
Lớp: 15141DT1C

MSSV: 15141342

Họ tên sinh viên 2: Hồ Đình Vương
Lớp: 15141DT2B

MSSV: 15141334

Tên đề tài: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG HỆ THỐNG BẢO MẬT ỨNG DỤNG
XỬ LÝ ẢNH
Tuần/ngày
Tuần 1
Từ 19/03/2019

Nội dung

Xác nhận
GVHD

Gặp GVHD nhận đề tài.
Viết đề cương chi tiết.

đến 26/03/2019
Tuần 2

Từ 27/03/2019

Tìm hiểu các đề tài đã nghiên cứu liên quan đến ứng
dụng xử lý ảnh vào hệ thống bảo mật.

đến 02/04/2019
Tuần 3

Gặp GVHD để báo cáo về hướng thực hiện đề tài.

Từ 03/04/2019
đến 09/04/2019
Tuần 4

Tìm hiểu về Raspberry, RFID, Arduino.

Từ 10/04/2019
đến 16/04/2019
Tuần 5

Lập trình giao tiếp Raspberry với Module Camera

Từ 17/04/2019
đến 23/04/2019

iv


Tuần 6
Từ 24/04/2019

Lập trình giao tiếp Raspberry với RFID và ma trận
phím.

đến 30/04/2019
Tuần 7

Lập trình giao tiếp Arduino với L298N và động cơ.

Từ 01/05/2019
đến 07/05/2019
Tuần 8
Từ 08/05/2019

Thiết kế mô hình.
Lập trình kết nối các chương trình lại với nhau.

đến 14/05/2019
Tuần 9
Từ 15/05/2019

Báo cáo tiến độ cho GVHD.
Hoàn thiện mô hình.

đến 21/05/2019
Tuần 10
Từ 22/05/2019

Viết báo cáo.
Kiểm tra hoạt động của hệ thống.

đến 29/05/2019
Tuần 11
Từ 30/05/2019

Hoàn tất báo cáo.
Khắc phục các sự cố.

đến 05/06/2019
Tuần 12
Từ 06/06/2018

Vá lỗi các sự cố nếu có.
Hoàn thiện chỉnh chu báo cáo, chuẩn bị gặp GVPB
và bảo vệ.
GV HƯỚNG DẪN
(Ký và ghi rõ họ và tên)

v


LỜI CAM ĐOAN
Đề tài này là do nhóm đồ án tự nghiên cứu và thực hiện dựa vào một số tài liệu tham khảo
trước đó và không sao chép từ tài liệu hay các công trình nào.
Nhóm thực hiện.

vi


LỜI CẢM ƠN

Nhóm thực hiện đồ án xin gửi lời cảm ơn đến thầy GVHD Th.S Nguyễn Duy Thảo
đã trực tiếp hướng dẫn, tham gia đóng góp, gợi ý các ý kiến, chia sẽ nhiều những kinh
nghiệm và tận tình giúp đỡ cũng như tạo điều kiện tốt và thoải mái nhất để chúng em có thể
hoàn thành tốt đề tài này.
Em xin gửi lời cảm ơn đến các quý thầy cô khoa Điện – Điện tử đã giúp đỡ và tạo
điều kiện tốt cho chúng em thực hiện đề tài.
Ngoài ra, chúng em cũng cảm ơn các bạn học ở lớp 15141DT1C cũng như
15141DT2B đã chia sẽ và giúp đỡ chúng em rất nhiều trong đề tài này.
Xin chân thành cảm ơn tất cả !
Nhóm thực hiện.

vii


MỤC LỤC
Trang bìa ............................................................................................................................ i
Nhiệm vụ đồ án tốt nghiệp ................................................................................................ii
Lịch trình thực hiện đồ án tốt nghiệp ............................................................................... iv
Lời cam đoan .................................................................................................................... vi
Lời cảm ơn ......................................................................................................................vii
Mục lục .......................................................................................................................... viii
Liệt kê hình vẽ .................................................................................................................. xi
Liệt kê bảng .................................................................................................................... xiv
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 .............................................................................. 4
2.1.

Tổng quan về xử lý ảnh .......................................................................................... 4

2.1.1. Giới thiệu về xử lý ảnh ........................................................................................... 4
2.1.2. Các bước cơ bản trong xử lý ảnh ........................................................................... 5
2.1.3. Phương pháp nhận diện khuôn mặt ........................................................................ 6
2.1.4. Ngôn ngữ Python và thư viện OpenCV ................................................................. 7
2.2.

Quy trình hoạt động của khóa cửa thông minh .................................................... 12

2.2.1. Mô tả quy trình nhận diện khuôn mặt .................................................................. 12
2.2.2. Quá trình hoạt động của khóa thông minh bằng công nghệ RFID kết hợp với
4x4 Matrix Keypad Module. ...........................................................................................12

2.3.

Giới thiệu phần cứng ............................................................................................ 13

2.3.1. Giới thiệu các chuẩn giao tiếp ........................................................................................13
2.3.2. Raspberry Pi 3 Model B..................................................................................................17

2.3.3. Camera Raspberry...........................................................................................................22
2.3.4. Module RFID MFRC522 ................................................................................................25
2.3.5. Giới thiệu về ma trận phím 4x4. .....................................................................................27

viii


2.3.6. Lcd 20x4 .........................................................................................................................29
2.3.7. Arduino Uno R3 ..............................................................................................................31
2.3.8. Module điều khiển động cơ L298 ...................................................................................33

CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ ............................................................... 36
3.1.

Giới thiệu.............................................................................................................. 36

3.2.

Tính toán và thiết kế hệ thống .............................................................................. 36

3.2.1. Thiết kế sơ đồ khối hệ thống ................................................................................ 36
3.2.2. Tính toán và thiết kế mạch ................................................................................... 38

3.2.3. Sơ đồ kết nối toàn mạch ........................................................................................ 46
3.2.4. Sơ đồ nguyên lý của toàn mạch ........................................................................... 47
CHƯƠNG 4: THI CÔNG HỆ THỐNG ...................................................................... 48
4.1.

Giới thiệu.............................................................................................................. 48

4.2.

Lập trình cho hệ thống ......................................................................................... 49

4.2.1 Lưu đồ giải thuật ................................................................................................... 49
4.4.2. Phần mềm lập trình cho vi điều khiển................................................................... 55
4.3.

Viết tài liệu hướng dẫn sử dụng, thao tác ............................................................ 59

CHƯƠNG 5: KẾT QUẢ – NHẬN XÉT – ĐÁNH GIÁ ............................................. 63
5.1.

Kết quả đạt được .................................................................................................. 63

5.2.

Kết quả thực nghiệm ............................................................................................ 64

5.2.1. Mô hình sản phẩm ................................................................................................ 64
5.2.2. Khởi động hệ thống .............................................................................................. 64
5.2.3. Kết quả thực nghiệm từ việc nhận diện khuôn mặt ............................................. 65
5.2.4. Chọn chế độ hoạt động cho hệ thống ................................................................... 66

5.2.5. Kiểm tra thông tin người dùng ............................................................................. 68
5.2.6. Xóa và tạo thẻ thành viên mới ............................................................................. 68
5.2.7. Kiểm tra mật khẩu và tạo mật khẩu mới .............................................................. 73
5.2.8. Kiểm tra hoạt động của động cơ .......................................................................... 76
5.3.

Nhận xét – đánh giá ............................................................................................. 77

5.3.1. Nhận xét ............................................................................................................... 77
5.3.2. Đánh giá ............................................................................................................... 78
ix


CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ........................................... 81
6.1.

Kết luận ................................................................................................................ 81

6.2.

Hướng phát triển .................................................................................................. 82

TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................................ xv

x


LIỆT KÊ HÌNH VẼ
Hình

Trang

Hình 2.1 Các bước trong xử lý ảnh ................................................................................... 5
Hình 2.2 Giao diện của Raspberry chạy hệ điều hành Raspbian ...................................... 8
Hình 2.3 Cửa sổ cho phép hoạt động các chuẩn giao tiếp ................................................ 8
Hình 2.4 Phần mềm Python ............................................................................................ 10
Hình 2.5 Hướng dẫn mở máy ảo để sử dụng thư viện OpenCv ...................................... 11
Hình 2.6 Phần trăm chu kỳ xung ..................................................................................... 15
Hình 2.7 Raspberry Pi 1 Model B ................................................................................... 17
Hình 2.8 Raspberry Pi 2 Model B ................................................................................... 17
Hình 2.9 Raspberry Pi 3 Model B ................................................................................... 18
Hình 2.10 Sơ đồ chân Raspberry Pi 3 ............................................................................. 20
Hình 2.11 Cấu trúc phần cứng của Raspberry Pi 3 ......................................................... 20
Hình 2.12 Raspberry Pi Camera Module ........................................................................ 21
Hình 2.13 Raspberry Pi Camera Module V2 .................................................................. 21
Hình 2.14 Kết nối Camera với Raspberry Pi 3 ............................................................... 23
Hình 2.15 Mở Camera cách 1 ......................................................................................... 24
Hình 2.16 Mở Camera cách 2 ......................................................................................... 24
Hình 2.17 Ảnh được chụp và lưu .................................................................................... 25
Hình 2.18 Thẻ RFID S50 loại móc khóa ........................................................................ 25
Hình 2.19 Thẻ nhựa NFC RFID ...................................................................................... 25
Hình 2.20 RFID Reader .................................................................................................. 26
Hình 2.21 Module RFID RC522 ..................................................................................... 26
Hình 2.22 Mở chạy file để kiểm tra RFID ...................................................................... 27
Hình 2.23 Kết quả kiểm tra RFID lần 1 .......................................................................... 28
Hình 2.24 Kết quả kiểm tra RFID lần 2 .......................................................................... 28
Hình 2.25 Bàn phím ma trận 4x4 .................................................................................... 28
Hình 2.26 Sơ đồ chân ma trận phím 4x4 ........................................................................ 29
Hình 2.27 Lcd 20x4......................................................................................................... 29
Hình 2.28 Sơ đồ chân Lcd 20x4 ...................................................................................... 30

xi


Hình 2.29 Arduino Uno R3 ............................................................................................. 31
Hình 2.30 Module điều khiển động cơ L298 .................................................................. 33
Hình 2.31 Sơ đồ chân của module L298 ......................................................................... 34
Hình 2.32 Mạch nguyên lý của module L298 ................................................................. 34
Hình 3.1 Sơ đồ khối của hệ thống ................................................................................... 36
Hình 3.2 Sơ đồ nguyên lý kết nối khối thu tín hiệu hình ảnh với Raspberry ................. 38
Hình 3.3 Kết nối Camera thực tế .................................................................................... 39
Hình 3.4 Sơ đồ nguyên lý kết nối RC522, ma trận phím 4x4 với Raspberry Pi 3 .......... 40
Hình 3.5 Sơ đồ nguyên lý kết nối LCD 20x4 với Raspberry Pi 3 .................................. 41
Hình 3.6 Sơ đồ nguyên lý kết nối khối điều khiển động cơ ............................................ 42
Hình 3.7 Sơ đồ nguyên lý ngoại vi sử dụng .................................................................... 43
Hình 3.8 Sơ đồ kết nối thẻ nhớ với Raspberry ................................................................ 44
Hình 3.9 Sơ đồ chân Raspberry Pi 3 ............................................................................... 44
Hình 3.10 Sơ đồ kết nối toàn mạch ................................................................................. 46
Hình 3.11 Sơ đồ nguyên lý của mạch ............................................................................. 47
Hình 4.1 Lưu đồ chương trình chính ............................................................................... 49
Hình 4.2 Lưu đồ chương trình nhận dạng ....................................................................... 51
Hình 4.3 Lưu đồ chương trình xử lý ảnh chụp ................................................................ 52
Hình 4.4 Lưu đồ chương trình điều khiển động cơ ......................................................... 53
Hình 4.5 Lưu đồ chương trình cho phép chạy động cơ chạy thuận ................................ 54
Hình 4.6 Lưu đồ chương trình cho phép chạy động cơ chạy nghịch .............................. 54
Hình 4.7 Lưu đồ chương trình dừng động cơ ................................................................. 55
Hình 4.8 Phần mềm lập trình Arduino IDE .................................................................... 56
Hình 4.9 Giao diện chính của phần mềm Arduino IDE .................................................. 56
Hình 4.10 Trang web phpMyadmin ................................................................................ 57
Hình 4.11 Tạo tên bảng và số cột .................................................................................... 58
Hình 4.12 Cài đặt các thông số cho các cột .................................................................... 58

Hình 4.13 Bảng đã hoàn thành ........................................................................................ 59
Hình 4.14 Bật công tắc cấp nguồn cho hệ thống ............................................................ 60
Hình 4.15 Lệnh mở môi trường ảo.................................................................................. 60
xii


Hình 4.16 Đi đến đường dẫn lưu file chạy chương trình ................................................ 61
Hình 4.17 Chạy chương trình .......................................................................................... 61
Hình 4.18 Camera đang quay video để nhận diện khuôn mặt ........................................ 61
Hình 4.19 Mô hình cửa mặt trước ................................................................................... 62
Hình 4.20 Tiến hành đọc thẻ RFID ................................................................................. 62
Hình 5.1 Mô hình hệ thống ............................................................................................. 64
Hình 5.2 Bật khởi động Raspberry.................................................................................. 64
Hình 5.3 Khuôn mặt đặt đúng chuẩn .............................................................................. 65
Hình 5.4 Đúng khuôn mặt nhưng đặt quá xa .................................................................. 65
Hình 5.5 Nhận diện khuôn mặt của người lạ .................................................................. 66
Hình 5.6 LCD hiển thị khi nhận diện khuôn mặt ............................................................ 66
Hình 5.7 Đổi chế độ hoạt động cho hệ thống.................................................................. 67
Hình 5.8 Cách thức quét thẻ thành viên .......................................................................... 68
Hình 5.9 Nhấn nút Delete để xóa thẻ .............................................................................. 69
Hình 5.10 Sau khi xóa thẻ ............................................................................................... 69
Hình 5.11 Một thẻ RFID mới .......................................................................................... 70
Hình 5.12 Sau khi nhấn nút Insert ................................................................................... 70
Hình 5.13 Nhập tuổi ........................................................................................................ 71
Hình 5.14 Nhập giới tính................................................................................................. 71
Hình 5.15 Kết quả của việc thêm thẻ .............................................................................. 72
Hình 5.16 Quét thẻ đúng và cho phép nhập mật khẩu .................................................... 73
Hình 5.17 Bắt đầu nhập mật khẩu ................................................................................... 74
Hình 5.18 Mật khẩu đúng................................................................................................ 75
Hình 5.19 Mật khẩu sai ................................................................................................... 75

Hình 5.20 Nhấn phím ‘A’ để thay đổi mật khẩu ............................................................. 76
Hình 5.21 Nhập đủ 5 kí tự ............................................................................................... 76

xiii


LIỆT KÊ BẢNG
Bảng

Trang

Bảng 3.1 Bảng thống kê dòng tiêu thụ của các thiết bị ................................................... 45
Bảng 5.1 Bảng giám sát đánh giá hệ thống bảo mật
ở phương thức nhận diện khuôn mặt ............................................................................... 79

xiv


CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN

Chương 1. TỔNG QUAN
1.1. ĐẶT VẤN ĐỀ
Ngày nay nhiều thiết bị thông minh ra đời nó có thể thay một chìa khóa để mở cửa,
có thể thay thế con người để điều khiển vật dụng thông qua một vài cử chỉ, giọng nói và
đặc biệt là từ hình ảnh của con người. Hệ thống bảo mật thông minh cũng đang là một trong
những sản phẩm phổ biến và được giới công nghệ rất quan tâm. Các hệ thống bảo mật ngày
càng được tích hợp thêm nhiều các thiết bị điện tử để tăng cường tối đa độ bảo mật và tạo
nên sự tin cậy cho người sử dụng. Thế nên bảo mật hệ thống dần được ứng dụng nhiều hơn
vào thực tiễn đời sống với mục đích cơ bản nhất là để bảo vệ các tài sản như: tiền bạc, nhà
cửa, hồ sơ…

Hiện nay cũng có một số bài nghiên cứu của sinh viên cũng làm về nhận dạng khuôn
mặt, đồ án tốt nghiệp của Nguyễn Thị Đài Trang và Hà Tiến Dương nghiên cứu về nhận
dạng cảm xúc khuôn mặt người để điều khiển Servo mở cửa, trong đó sử dụng Arduino
Uno R3 và phương pháp nhận dạng PCA để điều khiển Servo mở cửa theo 3 cảm xúc trên
khuôn mặt: vui, buồn, ngạc nhiên.
Công nghệ RFID đang được ứng dụng trên thế giới, chủ yếu là các nước phát triển.
Tuy nhiên ở Việt Nam, công nghệ RFID vẫn là công nghệ mới và vẫn chưa được áp dụng
rộng rãi do thiếu công nghệ sản xuất mà phải phụ thuộc vào linh kiện từ nước ngoài.
Với xu thế áp dụng mô hình tự động hóa ngày càng nhiều tại Việt Nam, việc áp dụng
mô hình khóa cửa bảo mật tự động kết hợp công nghệ RFID sẽ có nhiều ưu điểm hơn so
với mô hình bảo mật truyền thống như:
 Tiết kiệm chi phí thuê nhân công.
 Kiểm soát tốt hơn.
 Dễ dàng quản lý tài sản.
 Chi phí hoạt động giảm.
Với mục tiêu muốn tiếp cận với công nghệ đang phát triển và được quan tâm trên
chúng em quyết định làm đề tài “THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG HỆ THỐNG BẢO MẬT
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

1


CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN
ỨNG DỤNG XỬ LÝ ẢNH”. Nhóm thực hiện đồ án mong muốn tạo ra một hệ thống bảo
mật sử dụng xử lí ảnh để nhận dạng khuôn mặt kết hợp với thẻ master card RFID và mã
PIN Keypad trên Raspberry Pi 3 Model B và dùng Arduino để điều khiển động cơ DC 12V
để mở hoặc đóng cửa.

1.2. MỤC TIÊU
Tạo được một hệ thống bảo mật 2 phương pháp. Với phương pháp thứ nhất là ứng

dụng xử lí ảnh để nhận dạng khuôn mặt dựa trên ngôn ngữ Python với thư viện chính là
OpenCV. Phương pháp thứ hai là phương pháp dự phòng nhằm trường hợp hệ thống nhận
dạng khuôn mặt không thành công vì các nguyên nhân khách quan đơn cử như mặt bị biến
dạng, phương pháp thứ 2 bao gồm công nghệ RFID có chức năng cho phép Keypad hoạt
động. Nếu thẻ tag đưa đến đầu đọc Reader mà có UID trùng với dữ liệu được lưu thì hệ
thống sẽ cho phép nhập mã PIN từ Keypad. Tất cả đều được viết bằng ngôn ngữ Python
trên Board mạch Raspberry PI 3. Từ đó những mục tiêu được đặt ra trong đề tài là:
 Thiết kế được mô hình cửa tự động
 Thiết kế buồng sáng
 Thiết kế một cơ sở dữ liệu để lưu thông tin người dùng
 Thiết kế giao tiếp giữa Module RFID với máy tính
 Thiết kế cơ sở dữ liệu để lưu hình ảnh được huấn luyện

1.3. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU
 Thiết kế và thi công hệ thống bảo mật.
 Lắp ráp các khối điều khiển vào mô hình cửa.
 Chạy thử nghiệm hệ thống bảo mật.
 Cân chỉnh hệ thống.
 Viết sách đồ án.
 Báo cáo đề tài tốt nghiệp.

1.4. GIỚI HẠN
 Thiết kế mô hình cửa để thay thế hệ thống bảo mật.
 Sử dụng động cơ DC 12V để điều khiển cửa.
 Nhận diện khuôn mặt bằng Camera Raspberry Pi với kit Raspberry.
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

2

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN
 Dùng Arduino Uno R3 để điều khiển động cơ DC 12V
 Có buồng sáng sử dụng đèn led trắng 12V để cho phương pháp nhận dạng đạt
kết quả tốt trong mọi điều khiện thời tiết.
 Có 3 nút nhấn: nút Mode chuyển chế độ nhận dạng, nút Insert để cài đặt thông
tin và thêm thẻ mới và cuối cùng nút Delete để xóa thẻ.
 Dữ liệu đọc từ thẻ RFID sẽ được lưu trên MySQL gồm có 4 thông số: Tên,
ID, tuổi, giới tính.
 Dùng thẻ RFID RC522 để cho phép nhập mật khẩu từ bàn phím ma trận 4x4
để mở cửa làm mã dự phòng.

1.5. BỐ CỤC
Chương 1: Tổng Quan
Chương này trình bày lý do chọn đề tài, mục tiêu, nội dung nghiên cứu, các giới hạn và
bố cục đồ án.
Chương 2: Cơ Sở Lý Thuyết.
Chương này trình bày về xử lý ảnh, giới thiệu ngôn ngữ Python và thư viện OpenCv,
nguyên lý hoạt động của hệ thống qua hai phương pháp, giới thiệu các chuẩn giao tiếp được
sử dụng trong hệ thống, giới thiệu phần cứng.
Chương 3: Thiết Kế và Tính toán
Ở chương này chúng em trình bày về: thiết kế sơ đồ khối cho hệ thống, tính toán thiết
kế cho từng khối, sơ đồ nguyên lý của toàn mạch, thiết kế buồng sáng.
Chương 4: Thi công hệ thống
Chương này trình bày sơ đồ: mạch in, các linh kiện sử dụng trong mạch, thi công mô
hình, lập trình hệ thống, viết lưu đồ giải thuật, viết tài liệu hướng dẫn sử dụng thao tác.
Chương 5: Kết Quả, Nhận Xét và Đánh Giá
Chương này trình bày kết quả của quá trình nghiên cứu, nếu ra những khó khăn trong
quá trình làm và cách khắc phục, nhận xét mô hình đã làm có đạt hay không.
Chương 6: Kết Luận và Hướng Phát Triển
Chương này trình bày: đánh giá mô hình hoạt động ổn hay không, đạt bao nhiêu

phần trăm so với ban đầu đặt ra.
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

3


CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Chương 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.1. TỔNG QUAN VỀ XỬ LÝ ẢNH
2.1.1. Giới thiệu về xử lý ảnh [6]
Xử lý ảnh là một lĩnh vực mang tính khoa học và công nghệ. Nó là một ngành khoa
học mới so với nhiều ngành khoa học khác nhưng tốc độ phát triển đang rất nhanh, kích
thích các trung tâm nghiên cứu, ứng dụng, đặc biệt là máy tính chuyên dụng riêng cho nó.
Các phương pháp xử lý ảnh bắt đầu từ các ứng dụng chính: nâng cao chất lượng ảnh
và phân tích ảnh. Ứng dụng đầu tiên được biết đến là nâng cao chất lượng ảnh báo được
truyền qua cáp từ Luân Đôn đến New York từ những năm 1920. Hiện nay xử lý ảnh được
ứng dụng trong nhiều lĩnh vực: Chính trị, y tế, giáo dục... Xử lý tín hiệu là một môn học
trong kỹ thuật điện tử, viễn thông và trong toán học. Nghiên cứu và xử lý tín hiệu kỹ thuật
số và analog, giải quyết các vấn đề về lưu trữ, các thành phần bộ lọc, các hoạt động khác
trên tín hiệu… Các tín hiệu này bao gồm truyền dẫn tín hiệu, âm thanh hoặc giọng nói, hình
ảnh, và các tín hiệu khác.
Cũng như xử lý dữ liệu bằng đồ hoạ, xử lý ảnh số là một lĩnh vực của tin học ứng
dụng. Xử lý dữ liệu bằng đồ họa đề cập đến những ảnh nhân tạo, các ảnh này được xem xét
như là một cấu trúc dữ liệu và được tạo bởi các chương trình. Xử lý ảnh số bao gồm các
phương pháp và kỹ thuật biến đổi, để truyền tải hoặc mã hoá các ảnh tự nhiên. Mục đích
của xử lý ảnh gồm:
 Biến đổi ảnh làm tăng chất lượng ảnh.
 Tự động nhận dạng ảnh, đoán nhận ảnh, đánh giá các nội dung của ảnh.
Trong số các phương pháp xử lý tín hiệu kể trên, lĩnh vực giải quyết với các loại tín

hiệu mà đầu vào là một hình ảnh và đầu ra cũng là một hình ảnh, sản phẩm đầu ra được
thực hiện trong một quá trình xử lý, đó chính là quá trình xử lý ảnh. Nó có thể được chia
thành xử lý hình ảnh tương tự và xử lý hình ảnh kỹ thuật số. Để dễ tưởng tượng, xét các
bước cần thiết trong xử lý ảnh. Đầu tiên, ảnh tự nhiên từ thế giới ngoài được thu nhận qua
các thiết bị thu (như Camera, máy chụp ảnh) sau đó nó được chuyển trực tiếp thành ảnh số
tạo thuận lợi cho xử lý tiếp theo.
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

4


CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.1.2. Các bước cơ bản trong xử lý ảnh [6]
Thu nhận ảnh

Tiền xử lý ảnh

Phân đoạn ảnh

Biểu diễn ảnh

Nhận dạng ảnh

Hình 2.1. Các bước trong xử lý ảnh
Phần thu nhận ảnh (Image Acquisition): Ảnh có thể nhận qua camera màu hoặc
đen trắng. Thường ảnh nhận qua camera là ảnh tương tự (loại camera ống chuẩn CCIR với
tần số 1/25, mỗi ảnh 25 dòng), cũng có loại camera đã số hoá (như loại CCD – Change
Coupled Device) là loại photodiot tạo cường độ sáng tại mỗi điểm ảnh. Camera thường
dùng là loại quét dòng; ảnh tạo ra có dạng hai chiều. Chất lượng một ảnh thu nhận được
phụ thuộc vào thiết bị thu, vào môi trường (ánh sáng, phong cảnh).

Tiền xử lý (Image Processing): Sau bộ thu nhận, ảnh có thể nhiễu độ tương phản
thấp nên cần đưa vào bộ tiền xử lý để nâng cao chất lượng. Chức năng chính của bộ tiền xử
lý là lọc nhiễu, nâng độ tương phản để làm ảnh rõ hơn, nét hơn.
Phân đoạn ảnh: Phân đoạn ảnh là tách một ảnh đầu vào thành các vùng thành phần
để biểu diễn phân tích, nhận dạng ảnh. Đây là phần phức tạp khó khăn nhất trong xử lý ảnh
và cũng dễ gây lỗi, làm mất độ chính xác của ảnh. Kết quả nhận dạng ảnh phụ thuộc rất
nhiều vào công đoạn này.
Biểu diễn ảnh: Đầu ra ảnh sau phân đoạn chứa các điểm ảnh của vùng ảnh (ảnh đã
phân đoạn) cộng với mã liên kết với các vùng lận cận. Việc biến đổi các số liệu này thành
dạng thích hợp là cần thiết cho xử lý tiếp theo bằng máy tính. Việc chọn các tính chất để
thể hiện ảnh gọi là trích chọn đặc trưng (Feature Selection) gắn với việc tách các đặc tính
của ảnh dưới dạng các thông tin định lượng hoặc làm cơ sở để phân biệt lớp đối tượng này
với đối tượng khác trong phạm vi ảnh nhận được. Ví dụ: trong nhận dạng ký tự trên phong
bì thư, chúng ta miêu tả các đặc trưng của từng ký tự giúp phân biệt ký tự này với ký tự
khác.
Nhận dạng và nội suy ảnh: Nhận dạng ảnh là quá trình xác định ảnh. Quá trình này
thường thu được bằng cách so sánh với mẫu chuẩn đã được học (hoặc lưu) từ trước. Nội
suy là phán đoán theo ý nghĩa trên cơ sở nhận dạng. Ví dụ: một loạt chữ số và nét gạch
ngang trên phong bì thư có thể được nội suy thành mã điện thoại. Có nhiều cách phân loai
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

5


CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT
ảnh khác nhau về ảnh. Theo lý thuyết về nhận dạng, các mô hình toán học về ảnh được
phân theo hai loại nhận dạng ảnh cơ bản: - Nhận dạng theo tham số. - Nhận dạng theo cấu
trúc. Một số đối tượng nhận dạng khá phổ biến hiện nay đang được áp dụng trong khoa học
và công nghệ là: nhận dạng ký tự (chữ in, chữ viết tay, chữ ký điện tử), nhận dạng văn bản
(Text), nhận dạng vân tay, nhận dạng mã vạch, nhận dạng mặt người…

Cơ sở tri thức: Như đã nói ở trên, ảnh là một đối tượng khá phức tạp về đường nét,
độ sáng tối, dung lượng điểm ảnh, môi trường để thu ảnh phong phú kéo theo nhiễu. Trong
nhiều khâu xử lý và phân tích ảnh ngoài việc đơn giản hóa các phương pháp toán học đảm
bảo tiện lợi cho xử lý, người ta mong muốn bắt chước quy trình tiếp nhận và xử lý ảnh theo
cách của con người. Trong các bước xử lý đó, nhiều khâu hiện nay đã xử lý theo các phương
pháp trí tuệ con người. Vì vậy, ở đây các cơ sở tri thức được phát huy.
2.1.3. Phương pháp nhận diện khuôn mặt
Có nhiều nghiên cứu tìm phương pháp xác định khuôn mặt người, từ ảnh xám đến
ngày nay là ảnh màu. Dựa vào tính chất của các phương pháp xác định khuôn mặt người
trên ảnh. Các phương pháp này được chia làm bốn hướng tiếp cận chính. Ngoài bốn hướng
này, nhiều nghiên cứu có khi liên quan đến không những một hướng tiếp cận mà có liên
quan nhiều hơn một hướng chính:
 Hướng tiếp cận dựa trên tri thức.
 Hướng tiếp cận dựa trên đặc trưng không thay đổi.
 Hướng tiếp cận dựa trên so khớp mẫu.
 Hướng tiếp cận dựa trên diện mạo.
Trong đề tài này chúng em thực hiện theo hướng tiếp cận dựa trên so khớp mẫu:
Dùng các mẫu chuẩn của khuôn mặt người (các mẫu này được chọn lựa và lưu trữ) để mô
tả cho khuôn mặt người hay các đặc trưng khuôn mặt. Các mối tương quan giữa dữ liệu ảnh
đưa vào và các mẫu dùng để xác định khuôn mặt người. Và sử dụng phương pháp phân tích
thành phần chính – PCA.
Phương pháp nhận dạng PCA: Phân tích thành phần chính PCA (Principal
Component Analysis) là một thuật toán sử dụng phép biến đổi trực giao để biến đổi một tập
hợp dữ liệu từ một không gian nhiều chiều sang một không gian mới ít chiều hơn (2 hoặc
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

6


CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT

3 chiều) nhằm tối ưu hóa việc thể hiện sự biến thiên của dữ liệu. PCA một trong những ứng
dụng hữu ích trong việc nhận dạng mặt và nén ảnh, là phương pháp phân tích dữ liệu nhiều
biến đơn giản nhất [8].
Phép biến đổi tạo ra những ưu điểm như:
 Giảm sổ chiều của không gian chứa dữ liệu: tạo ra một ảnh mới từ ảnh ban đầu, ảnh
này có kích thướt nhỏ hơn nhiều so với ảnh ban đầu nhưng vẫn giữ lại những nét
đặc trưng nhất từ ảnh ban đầu.
 Thay vì giữ lại các trục tọa độ của không gian cũ. PCA xây dựng những trục tọa độ
mới nhưng có khả năng biểu diễn dữ liệu tương đương, và đảm bảo độ biến thiên
của dữ liệu trên mỗi chiều mới.
 Trong không gian mới, các liên kết tiềm ẩn của dữ liệu có thể được khám phá, mà
nếu đặt trong không gian cũ thì khó phát hiện hơn vì những liên kết này không thể
hiện rõ.
 Các trục tọa độ trong không gian mới là tổ hợp tuyến tính của không gian cũ. Các
trục này luôn được trực giao đôi một với nhau mặc dù trong không gian ban đầu các
trục có thể không trực giao.
Nói một cách ngắn gọn, mục tiêu của PCA là tìm một không gian mới với số chiều
nhỏ hơn không gian cũ. Các trục tọa độ không gian mới được xây dựng sao cho trên mỗi
trục, độ biến thiên của dữ liệu trên đó là lớn nhất.
Các khái niệm toán học được sử dụng trong PCA bao gồm: Độ lệch chuẩn, phương
sai, hiệp phương sai, véctơ riêng, giá trị riêng.
2.1.4. Ngôn ngữ Python và thư viện OpenCV
Trước tiên để Raspberry hoạt động thì ta phải cài hệ điều hành cho nó, chúng em
chọn hệ điều hành Raspbian để cài đặt cho Raspberry thông qua thẻ nhở SD 32GB.
Hệ điều hành Raspbian: Đây là hệ điều hành cơ bản, phổ biến nhất và do chính
Raspberry Pi Foundation cung cấp. Nó cũng được hãng khuyến cáo sử dụng, nhất là cho
người mới bắt đầu làm quen với RPI. Raspbian có dung lượng sau khi giải nén là khoảng
gần 4GB, bạn cần tối thiểu 1 cái thẻ 4GB để có thể sử dụng Raspbian. Tuy nhiên, chúng tôi
nghĩ bạn nên sử dụng thẻ tối thiểu 8GB vì bạn cần cài thêm các ứng dụng khác nữa [8].
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

7


CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Raspbian được hướng đến người dùng có mục đích:
 Sử dụng Raspberry Pi như máy tính văn phòng để lướt web, soạn văn bản, check
mail và thi thoảng nghe nhạc/xem phim.
 Nghiên cứu phát triển các thiết bị điều khiển tự động.
 Sử dụng như một máy chủ cung cấp các dịch vụ như web, file server, printer server,...
Sau khi cài xong thì giao diện của Raspberry như hình:

Hình 2.2. Giao diện của Raspberry chạy hệ điều hành Raspbian

Hình 2.3. Cửa sổ cho phép hoạt động các chuẩn giao tiếp
Đây là cửa sổ để chỉnh và cho phép các chuẩn hoạt động của Raspberry
 Camera: cho phép camera
 SSH: hoặc được gọi là Secure Shell, là một giao thức điều khiển từ xa cho phép
người dùng kiểm soát và chỉnh sửa server từ xa qua Internet.
 VNC(Virtual Network Computing) là một công nghệ kĩ thuật dùng để chia sẻ giao
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

8


CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT
diện màn hình từ xa (remote desktop sharing).
 SPI: là một chuẩn đồng bộ nối tiếp để truyền dữ liệu ở chế độ song công toàn phần.
 I2C: chuẩn giao tiếp nối tiếp 2 dây
Ngôn ngữ Python:

Python là một ngôn ngữ lập trình bậc cao cho các mục đích lập trình đa năng, do
Guido van Rossum tạo ra và lần đầu ra mắt vào năm 1991. Python được thiết kế với ưu
điểm mạnh là dễ đọc, dễ học và dễ nhớ. Python là ngôn ngữ có hình thức rất sáng sủa, cấu
trúc rõ ràng, thuận tiện cho người mới học lập trình. Cấu trúc của Python còn cho phép
người sử dụng viết mã lệnh với số lần gõ phím tối thiểu.
Python là một ngôn ngữ lập trình được sử dụng phổ biến ngày nay từ trong môi
trường học đường cho tới các dự án lớn. Ngôn ngữ phát triển nhiều loại ứng dụng, phần
mềm khác nhau như các chương trình chạy trên desktop, server, lập trình các ứng dụng
web... Ngoài ra Python cũng là ngôn ngữ ưa thích trong xây dựng các chương trình trí tuệ
nhân tạo trong đó bao gồm machine learning. Ban đầu, Python được phát triển để chạy trên
nền Unix, nhưng sau này, nó đã chạy trên mọi hệ điều hành từ MS-DOS đến Mac OS, OS/2,
Windows, Linux và các hệ điều hành khác thuộc họ Unix.
Python do Guido van Rossum tạo ra năm 1990. Python được phát triển trong một dự
án mã mở, do tổ chức phi lợi nhuận Python Software Foundation quản lý. Mặc dù sự phát
triển của Python có sự đóng góp của rất nhiều cá nhân, nhưng Guido van Rossum hiện nay
vẫn là tác giả chủ yếu của Python. Ông giữ vai trò chủ chốt trong việc quyết định hướng
phát triển của Python.
Qua nhiều năm phát triển thì có nhiều phiên bản: Python 1, Python 2, Python 3.
Nhóm em sử dụng phiên bản Python 3.5.7 để viết chương trình [8].

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

9


CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Giới thiệu ngôn ngữ Python

Hình 2.4. Phần mềm Python
Đặc Điểm Nổi Bật Của Python

Python là ngôn ngữ có hình thức đơn giản, cú pháp ngắn gọn, sử dụng một số lượng ít các
từ khoá, do đó Python là một ngôn ngữ dễ học đối với người mới bắt đầu tìm hiểu. Python
là ngôn ngữ có mã lệnh (source code hay đơn giản là code) không mấy phức tạp. Cả trường
hợp bạn chưa biết gì về Python bạn cũng có thể suy đoán được ý nghĩa của từng dòng lệnh
trong source code.
Python có nhiều ứng dụng trên nhiều nền tảng, chương trình phần mềm viết bằng ngôn ngữ
Python có thể được chạy trên nhiều nền tảng hệ điều hành khác nhau bao gồm Windows,
Mac OSX và Linux.
Thư viện OpenCV [8]
Giới thiệu OpenCV
OpenCV (Open Source Computer Vision Library) là một thư viện mã nguồn mở, nó
là miễn phí cho những ai bắt đầu tiếp cận với các học thuật. OpenCV được ứng dụng trong
nhiều lĩnh vực như cho thị giác máy tính hay xử lý ảnh và máy học. Thư viện được lập trình
trên các ngôn ngữ cấp cao: C++, C, Python, hay Java và hỗ trợ trên các nền tảng Window,
Linux, Mac OS, iOS và Android. OpenCV đã được tạo ra tại Intel vào năm 1999 bởi Gary
Bradsky, và ra mắt vào năm 2000. Opencv có rất nhiều ứng dụng: Nhận dạng ảnh, xử lý
hình ảnh, phục hồi hình ảnh/video, thực tế ảo,… Ở đề tài này thư viện OpenCV được chạy

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

10


CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT
trên ngôn ngữ Python. OpenCV được dùng làm thư viện chính để xử lý hình ảnh đầu vào
và sau đó đi nhận dạng ảnh
Đặc điểm OpenCv
OpenCV Là một thư viện mở nên sử dụng các thuật toán một cách miễn phí, cùng
với việc chúng ta cũng có thể đóng góp thêm các thuật toán giúp Thư viện thêm ngày càng
phát triển.

Một số ứng dụng nổi bật Opencv như: Nhận dạng ảnh, Xử lý hình ảnh, Phục hồi
hình ảnh/video, Thực tế ảo, ứng dụng trong Machine Learning…
Các tính năng của thư viện OpenCV:
 Đối với hình ảnh, chúng ta có thể đọc và lưu hay ghi chúng.
 Về Video cũng tương tự như hình ảnh cũng có đọc và ghi.
 Xử lý hình ảnh có thể lọc nhiễu cho ảnh, hay chuyển đổi ảnh.
 Thực hiện nhận dạng đặc điểm của hình dạng trong ảnh.
 Phát hiện các đối tượng xác định được xác định trước như khuôn mặt, mắt, xe trong
video hoặc hình ảnh.
 Phân tích video,... ước lượng chuyển động của nó, trừ nền ra và theo dõi các đối
tượng trong video.
Sau khi cài đặt xong thì ta thực hiện lệnh trên Terminal để mở máy ảo

Hình 2.5. Hướng dẫn mở máy ảo để sử dụng thư viện OpenCv

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

11