Thiết kế khóa cửa thông minh

MỤC LỤC

Trang 1


DANH MỤC HÌNH VẼ

Chương 1

Trang 2


DANH MỤC BẢNG BIỂU
Chương 2

Trang 3


LỜI NÓI ĐẦU
Ngày nay, sự phát triển của khoa học công nghệ góp ph ần không nh ỏ trong
sự thay đổi và phát triển cuộc sống con người . Các thi ết bị tự động hóa đã
ngày càng xâm lấn vào trong sản xuất và thậm chí là cu ộc s ống sinh ho ạt h ằng
ngày của con người . Do đó một ngôi nhà thông minh không còn là m ơ ước c ủa
con người nữa mà nó đã trở thành hiện thực . Qua báo chí, các phương ti ện
truyền thông chúng ta có thể thấy những mô hình nhà thông minh ra đời .
Các mô hình nhà thông minh có nhiều sự khác biệt, nhưng đều nh ằm vào
những mục tiêu sau:
•
•
•
•

•
•

Tự động hóa hoạt động của ngôi nhà
Đảm bảo an ninh, an toàn cho ngôi nhà
Đem lại sự thoải mái cho người sử dụng
Cung cấp các dịch vụ giải trí chất lượng cao
Cung cấp khả năng giám sát và điều khiển tử xa
Tăng hiệu suất của hệ thống, giảm mức tiêu thụ điện năng

Với những kiến thức đã có, tôi mong muốn thiết kế một ngôi nhà đáp ứng
được tất cả những yêu cầu trên . Tuy nhiên do thời gian, sức lực và kinh phí
còn hạn chế nên trong đề tài này, tôi chỉ tìm hi ểu về việc đảm bảo an ninh, an
toàn cho ngôi nhà mà cụ thể là thực hiện thiết kế “hệ thống khóa cửa thông
minh” .

 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Với giới hạn của đề tài, tôi thực hiện nghiên cứu những vấn đ ề chính sau
đây :
•

Tìm hiểu về nhà thông minh, tập trung nghiên cứu hệ thống khóa cửa

thông minh
• Thiết kế và chế tạo mô hình hệ thống khóa cửa thông minh
• Tổng kết kinh nghiệm và đưa ra phương hướng phát tri ển cho đề tài
 Phương pháp và phương tiện nghiên cứu
•


Phương pháp
Tham khảo tài liệu

Trang 4




Tìm hiểu ngôn ngữ lập trình chuyên dụng cho Arduino



Thực nghiệm: Kiểm tra chương trình và sửa lỗi trên mô hình thực tế



Khảo sát khả năng ứng dụng, sửa đổi đáp ứng thực tế
•

Phương tiện

•

Sách tham khảo, các tài liệu trên mạng

•

Phần mềm eagle, phần mềm Proteus, phần mềm Arduino IDE 1.8.1

 Nội dung nghiên cứu

Thiết kế và chế tạo mô hình hệ thống nhà thông minh :
•
•
•
•
•

Nghiên cứu về cảm biến vân tay R305
Nghiên cứu về module RFID RC522
Nghiên cứu về cảm biến DHT22
Thiết kế mạch điện
Chế tạo mô hình

Trang 5


CHƯƠNG 1 - HỆ THỐNG KHÓA CỬA THÔNG MINH
1.1 Lịch sử phát triển của nhà thông minh
Tiền đề cho hệ thống nhà thông minh chính là thiết bị điều khi ển từ xa
không dây . Được giới thiệu năm 1898 bởi Nikola Tesla, khi đó ông đã đi ều
khiển mô hình thu nhỏ của một chiếc thuyền bằng cách gửi đi sóng radio qua
điều khiển từ xa .
Thế kỷ 20 bắt đầu với sự phát triển bùng nổ của các thi ết b ị gia d ụng, ví
dụ như máy hút bụi chạy bằng động cơ (1901) và máy hút bụi ch ạy bằng đi ện
(1907) . Hai thập kỷ tiếp theo là một cuộc cách mạng thi ết b ị gia d ụng, s ự
xuất hiện của tủ lạnh, máy sấy, máy giặt,... . Tuy nhiên, giá thành rất đ ắt đ ỏ và
việc sở hữu những món hàng xa xỉ chỉ xuất hiện ở những gia đình giàu có .
Những năm 1930, ý tưởng về tự động hóa nhà ở được khơi gợi lên, nhưng

phải đến năm 1966, hệ thống tự động hóa căn nhà đầu tiên mang tên EchoIV
mới được phát triển bởi Jim Sutherland . Hệ th ống này giúp ch ủ nhà lên danh
sách mua hàng, điều chỉnh nhiệt độ các phòng, bật và tắt các thi ết b ị gia d ụng .
Nhưng đáng tiếc là hệ thống này chưa bao giờ được bán ra thị trường .

Trang 6


Hình 1.1 - Hệ thống Echo-IV phát triển bởi Jim Sutherland
Năm 1969, bếp máy tính Honeywell ra đời . Chức năng của sản ph ẩm này
là tạo ra các công thức món ăn, nhưng chiếc bếp này đã không đạt đ ược thành
công về thương mại do giá thành quá đắt đỏ .
Bước ngoặt lớn đầu tiên đã xảy ra vào năm 1971 khi bộ vi xử lý ra đời,
khiến cho giá các thiết bị điện tử giảm mạnh . Đi ều này cũng đ ồng nghĩa v ới
việc mọi người có khả năng được tiếp cận với công nghệ dễ dàng hơn . Nh ờ
có bước phát triển thần kì ấy, khái niệm "nhà thông minh" lần đầu tiên được
đưa ra vào năm 1984 bởi Hội Liên Hiệp Xây dựng Hoa Kỳ .

Hình 1.2 - Mô tả hệ thống mạng lưới sử dụng mạng không dây
Trong suốt thập niên 90, công nghệ dành cho người cao tuổi đã là một
chủ đề được tập trung nghiên cứu, trong đó người ta cố gắng kết h ợp gi ữa kỹ
thuật hiện đại và khoa học về tuổi già để tạo ra các công nghệ ph ục vụ cho
người cao tuổi . Chính sự tập trung nghiên cứu này cũng đóng góp vào vi ệc
phát triển các tiện nghi gia đình, thiết bị gia dụng, đi ện tử điện l ạnh . Trong
khoảng thời gian này, nhu cầu kết nối các thi ết bị gia dụng cũng b ắt đ ầu xu ất
hiện. Năm 1993, mạng lưới kết nối các thiết bị tại nhà không dây đ ầu tiên
được xây dựng bởi Fujieda, mang đến bước phát tri ển lớn cho hệ th ống không
dây ngày nay... .

Trang 7

Đến cuối thể kỷ 20, thuật ngữ Domotics được sáng tạo và sử dụng để
miêu tả việc các sản phẩm đồ gia dụng được kết hợp với máy tính và robot,
tạo thành một hệ thống và phối hợp để quản lý các công việc trong gia đình .
Năm 1998, Ngôi nhà Thiên niên kỷ (Integer millennium house) được m ở c ửa
trưng bày. Căn nhà mẫu này minh họa cho việc một căn nhà có th ể được tích
hợp công nghệ như thế nào, với các hệ thống sưởi ấm, quản lý đất trồng, các
thiết bị an ninh, chiếu sáng và cửa đều được điều khiển tự động .
Mười năm sau, khi mạng Internet phát tri ển mạnh mẽ và tr ở nên ph ổ
biến, người ta bắt đầu đi vào nghiên cứu để tìm ra cách kết n ối h ệ th ống đi ều
khiển tự động hóa căn nhà với mạng Internet . Hiroshi Kanma và các đ ồng s ự
đã đề xuất việc hệ thống được điều khiển thông qua bluetooth vào năm 2003 .
Năm 2006, hệ thống mạng lưới phức hợp các sản phẩm gia dụng được gi ới
thiệu . Mạng lưới này sử dụng bluetooth hoặc mạng đi ện thoại để gửi dữ li ệu
cho nhà cung cấp và truyền dẫn trở về căn nhà của người s ử dụng . B ằng cách
thức này, người dùng có thể điểu khiển các thiết bị trong nhà k ể cả khi ở bên
ngoài .
Khi các thiết bị công nghệ dần có giá thành rẻ h ơn, chúng cũng đ ược tích
hợp nhiều hơn vào căn nhà của chúng ta . Cùng v ới s ự ph ổ bi ến ấy, ngày càng
có nhiều công ty đầu tư vào việc nghiên cứu nâng cấp và phát tri ển các công
nghệ này để chúng hoạt động hiệu quả hơn và có giá thành h ấp d ẫn h ơn v ới
người dùng .
Hiện nay, công nghệ tự động hóa nhà ở xuất hiện gần như kh ắp m ọi n ơi,
chúng ta thậm chí đôi khi còn chẳng nhận ra . Gi ờ đây, rất nhi ều ng ười trong
chúng ta đã có thể điều khiển ti vi, hệ thống sưởi, chuông báo đ ộng, đèn chi ếu
sáng, cửa ra vào từ điện thoại thông minh và các b ộ đi ều khi ển . V ới s ự phát
triển như vũ bão này, có thể nói rằng những bước tiến này làm thay đổi công
nghệ nhà thông minh, trong tương lai sẽ không còn bất kỳ gi ới h ạn nào ngoài
chính trí tưởng tượng của con người .

1.2 Hệ thống khóa cửa thông minh
Một căn nhà “thông minh” cần phải thông minh ngay từ thềm cửa . M ột
chiếc khóa thông minh sẽ dẫn lối vào tiện nghi trong cuộc sống th ường ngày
của mỗi người .
Khóa cửa thông minh là một thiết bị cơ điện có tác dụng th ực hi ện các
nhiệm vụ mở/khóa khóa cho cửa khi nhận được lệnh từ một thi ết bị được xác

Trang 8


thực, sử dụng kết nối không dây với một khóa mã để thực hiện quá trình xác
nhận .
Cũng như khóa cửa truyền thống, khóa cửa thông minh bao gồm hai b ộ
phận là ổ khóa và chìa khóa . Tuy nhiên, chìa khóa ở khóa thông minh không
tồn tại ở dạng vật chất, mà nó nằm trong ứng dụng của điện thoại thông
minh, thẻ từ hoặc cảm biến sinh trắc học (như vân tay, võng mạc, gi ọng
nói, ...) . Với những loại khóa đơn giản hơn, “chìa khóa” có th ể đ ơn gi ản là m ột
đoạn mã số . Khóa cửa thường được gắn trực tiếp vào ổ khóa thường, bao
gồm các bộ phận thu và phát tín hiệu, cũng như thiết bị mở và khóa chốt .
Các hệ thống khóa cửa thông minh được sử dụng phổ biến hiện nay là:
•

Khóa vân tay: Hệ thống này cho phép vân tay của người sử dụng được
mã hóa trên thiết bị và chỉ khi có bàn tay đó đặt vào thì khóa m ới tự

động mở
• Khóa mật mã: Là loại khóa dùng mật mã thay cho chìa khóa đ ể m ở cửa
• Khóa bằng thẻ RFID: RFID là viết tắt của cụm từ Radio Frequency
Identification, là công nghệ nhận dạng các đối tượng dựa trên bước
sóng vô tuyến

Không chỉ thực hiện thao tác đóng hay mở cửa, khóa thông minh còn cho
phép chủ nhân căn nhà có thể tạo quyền cho bạn bè, người thân hay nh ững
người khác mở được khóa để vào nhà bằng chìa khóa ảo . Chiếc chìa khóa ảo
này có thể được gửi đi qua e-mail, hay tin nhắn SMS . Nắm được mã khóa trong
tay, người nhận có thể mở được cửa nhà vào những thời điểm đã được chủ
nhà chỉ định .
Khóa cửa thông minh còn có thể chấp nhận hay từ chối quy ền truy nh ập
từ xa thông qua ứng dụng điện thoại . Một vài chiếc khóa được cài đặt s ẵn wifi
để thực hiện các hoạt động giám sát như thông báo cho chủ nhà khi có ng ười
vào nhà hay truyền đi hình ảnh từ camera về người ra vào .
Ngoài ra, còn có rất nhiều chức năng, tiện ích khác được các nhà s ản xu ất
phát minh và ứng dụng vào sản phẩm khóa thông minh theo nh ững cách khác
nhau: đèn LED để sử dụng trong bóng tối, quét mã vân tay, quét võng m ạc, tích
hợp chuông báo động,... .
Khóa cửa thông minh đem lại nhiều tiện nghi và yên tâm cho các h ộ gia
đình và nơi công sở . Việc sử dụng khóa thông minh giúp ti ết ki ệm th ời gian và
công sức theo nhiều cách khác nhau:

Trang 9


•

Một trong những tiện ích dễ thấy nhất là tránh được việc làm m ất chìa
khóa. Chìa khóa thường tương đối nhỏ gọn nhưng cũng vì thế nên dễ bị
rơi, mất . Với khóa thông minh, người dùng chỉ cần nhớ được mật mã,
hoặc thậm chí không cần phải nhớ mã số sử dụng ổ khóa có nhận dạng

vân tay
• Với khóa thông minh, người dùng không cần phải mất th ời gian và ti ền

bạc làm thêm bản sao chìa khóa . Tất cả nh ững gì c ần làm ch ỉ đ ơn gi ản
•

là chia sẻ mã khóa qua điện thoại hay e-mail
Thao tác nhanh chóng, thuận tiện . Người dùng sẽ không ph ải v ật l ộn
với một ổ khóa đã cũ trong khi đang vội vã, hay tìm cách xoay x ở khi

đang phải mang vác nhiều đồ đạc.
• Do không cần phải tác động vật lý nhi ều như khóa truy ền th ống nên ổ
khóa thông minh thường bền hơn
• Tự động khóa khi cửa đóng
• Hoạt động với nguồn điện riêng
• Một vài loại khóa thông minh giúp người dùng có thể ki ểm soát, xem
được hình ảnh và lưu trữ dữ liệu về người ra vào, do đó có thể ki ểm
soát tình trạng an ninh của căn hộ và tòa nhà
• Thiết kế sang trọng, đa dạng, phù hợp với nhiều phong cách ki ến trúc
khác nhau
• Dễ dàng thiết lập, cài đặt loại mã khóa phù hợp
• Dễ dàng quản lý đối với những tòa nhà, trung tâm l ớn
Ngoài những tiện ích trên, khóa thông minh cũng ti ềm ẩn nh ững rủi ro
như:
•

Với những loại khóa dùng mã số, mã khóa có thể dễ bị ti ết l ộ hay bị phá

mã
• Chi phí lắp đặt và bảo trì tương đối cao
• Với các hệ thống khóa cửa của các tòa nhà, trung tâm l ớn, do khóa đ ược
vận hành trên hệ thống máy chủ tự động nên có thể ti ềm tàng r ủi ro
•

máy chủ bị xâm nhập
Để duy trì tính an toàn và bảo mật, khóa cửa thông minh cần liên tục

•

được bảo trì và nâng cấp để chống lại xâm nhập
Mặc dù có những rủi ro nhất định, khóa cửa thông minh ch ắc ch ắn v ẫn
sẽ được sử dụng trong tương lai . Trong những năm tiếp theo, việc sử
dụng khóa cửa thông minh như khóa vân tay, khóa dùng thẻ, khóa mã s ố
sẽ dần thay thế cách khóa truyền thống do tính năng vượt trội trong
việc đảm bảo giám sát ra vào ở mức độ cao nhất cho các khu vực c ần có
sự kiểm soát ra vào chặt chẽ
Trang 10


Trang 11


CHƯƠNG 2 - CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ CÔNG NGHỆ
2.1. Giải pháp kỹ thuật
Từ việc phân tích bài toán thiết kế hệ th ống khóa cửa thông minh, Em đ ưa
ra những giải pháp chung và ý tưởng thiết kế cho h ệ th ống khóa cửa thông
minh như sau:
2.1.1. Nhiệm vụ của hệ thống cửa thông minh
Hệ thống cửa thông minh cần thực hiện những nhiệm vụ sau:
Tự động khóa khi cửa đóng
Sử dụng đồng thời 2 loại “chìa khóa thông minh” là thẻ RFID và vân tay
Có thể mở/đóng cửa từ phía trong
• Có hệ thống còi báo động khi cửa bị phá

• Được trang bị cảm biến đo nhiệt độ, độ ẩm và quạt thông gió để bảo vệ h ệ
•
•
•

thống khi nhiệt dộ, độ ẩm vượt mức cho phép
2.1.2. Thiết kế kết cấu tổng thể

Hình 2.3 - Mô hình tổng thể hệ thống khóa cửa thông minh
Từ những nhiệm vụ đã đưa ra cho hệ thống cửa thông minh, Em lựa ch ọn
thiết kế như sau:

Trang 12


Hệ thống khóa cửa gồm 3 phần: phần A, phần B và khối báo động
Phần A (gồm các khối nhận dạng vân tay, khối đọc thẻ RFID, kh ối hi ển

•
•

thị và hệ thống quạt gió) nằm phía bên ngoài cạnh cửa ra vào
• Phần B (gồm khối nguồn, khối điều khiển trung tâm, các nút chức năng
và cơ cấu chấp hành lệnh mở/khóa cửa) nằm phía trong cạnh cửa ra
vào
Khối báo động (gồm 01 còi) được gắn ở vị trí phù hợp

•

2.1.3. Thiết kế mạch điện

Phần A và phần B (không bao gồm cơ cấu chấp hành) s ử dụng ngu ồn m ột
chiều 5 V trong khi khối báo động và cơ cấu chấp hành sử dụng mức ngu ồn
tùy vào thiết bị thực tế khi chế tạo .
Khối điều khiển trung tâm hoạt động ổn định và tốc độ xử lý đạt yêu cầu .
. Dựa vào các phân tích trên, chúng em đưa ra các lựa ch ọn sau:
Sử dụng Arduino UNO R3 làm khối điều khiển trung tâm
Sử dụng cách ly quang hoàn toàn giữa các thi ết bị điều khi ển và c ảm

•
•

biến sử dụng nguồn một chiều 5 V và các thiết bị sử dụng mức ngu ồn
khác
2.1.4. Giải thuật lập trình
Chương trình điều khiển phải đáp ứng được tất cả các yêu cầu đề ra

•

của hệ thống khóa cửa thông minh
• Chương trình đạt được mức tối ưu nhất có thể
2.2. Giới thiệu một số thiết bị dùng trong hệ thống khóa cửa thông
minh
2.2.1. Arduino UNO R3
a, Sơ lược về Arduino
Arduino là một board mạch vi xử lý, nhằm xây dựng các ứng dụng tương
tác với nhau hoặc với môi trường được thuận lợi hơn . Phần cứng bao g ồm
một board mạch nguồn mở được thiết kế trên nền tảng vi xử lý AVR Atmel
8bit, hoặc ARM Atmel 32-bit . Những Model hiện tại được trang bị gồm 1 c ổng
giao tiếp USB, 6 chân đầu vào analog, 14 chân I/O kỹ thu ật s ố t ương thích v ới
nhiều board mở rộng khác nhau .

 Lịch sử phát triển của Arduino

Trang 13


Arduino được khởi động vào năm 2005 như là một dự án dành cho sinh
viên tại Interaction Design Institute Ivrea (Viện thi ết k ế tương tác
Ivrea) tại Ivrea, Italy . Vào thời điểm đó các sinh viên s ử dụng m ột "BASIC
Stamp" (con tem Cơ Bản) có giá khoảng $100, xem như giá dành cho sinh viên .
Massimo Banzi, một trong những người sáng lập, giảng dạy tại Ivrea . Cái tên
"Arduino" đến từ một quán bar tại Ivrea, nơi một vài nhà sáng l ập c ủa d ự án
này thường xuyên gặp mặt . Bản thân quán bar này có được lấy tên là Arduino,
Bá tước của Ivrea, và là vua của Italy từ năm 1002 đến 1014 .
Lý thuyết phần cứng được đóng góp bởi một sinh viên người Colombia
tên là Hernando Barragan . Sau khi nền tảng Wiring hoàn thành, các nhà
nghiên cứu đã làm việc với nhau để giúp nó nhẹ hơn, rẻ hơn, và kh ả d ụng đ ối
với cộng đồng mã nguồn mở . Trường này cuối cùng bị đóng cửa, vì v ậy các
nhà nghiên cứu, một trong số đó là David Cuarlielles, đã phổ biến ý tưởng này .

Trang 14


Hình 2.4 - Một số loại Arduino phổ biến
Một mạch Arduino bao gồm một vi điều khiển AVR v ới nhi ều linh ki ện
bổ sung giúp dễ dàng lập trình và có th ể mở rộng v ới các m ạch khác . M ột
khía cạnh quan trọng của Arduino là các kết nối tiêu chu ẩn của nó, cho phép
người dùng kết nối với CPU của board với các module thêm vào cóth ể d ễ dàng
chuyển đổi, được gọi là shield . Vài shield truyền thông với board Arduino trực
tiếp thông qua các chân khác nhau, nhưng nhiều shield được đ ịnh đ ịa ch ỉ
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 .
Một vài các bộ vi xử lý khác cũng được sử dụng bởi các mạch Aquino tương
thích . Hầu hết các mạch gồm một bộ điều chỉnh tuyến tính 5V và m ột th ạch
anh dao động 16 MHz (hoặc bộ cộng hưởng ceramic trong một vài biến thể),
tuy nhiên một vài thiết kế như LilyPad chạy tại 8 MHz và bỏ qua bộ điều
chỉnh điện áp onboard do hạn chế về kích cỡ thi ết bị . M ột board Arduino
cũng có thể được lập trình sẵn với một boot loader cho phép đ ơn gi ản là
upload chương trình vào bộ nhớ flash on-chip, so v ới các thi ết b ị khác th ường
phải cần một bộ nạp bên ngoài . Điều này giúp cho vi ệc s ử dụng Arduino
được trực tiếp hơn bằng cách cho phép sử dụng 1 máy tính gốc như là một b ộ
nạp chương trình .
b, Arduino UNO R3

Trang 15


Hình 2.5 - Hình ảnh thực tế Arduino UNO R3
Arduino UNO R3 là một board mạch được thiết kế với bộ xử lý trung tâm
là vi điều khiển AVR ATmega 328P . Các thông số chính có th ể xem ở bảng 2.1 .
Nguồn nuôi: Arduino UNO có thể được cấp nguồn 5V thông qua cổng
USB hoặc cấp nguồn ngoài với điện áp khuyên dùng là 7-12V DC và gi ới h ạn là
6-20V . Thường thì cấp nguồn bằng pin vuông 9V là h ợp lí nh ất n ếu không có
sẵn nguồn từ cổng USB . Nếu cấp nguồn vượt quá ngưỡng gi ới hạn trên, bạn
sẽ làm hỏng Arduino UNO .
Bảng 2.1 – Các thông số chính của Arduino UNO
Vi điều khiển:

AVR ATmega 328P

Điện áp hoạt động:

5 V DC (cấp qua cổng USB)

Điện áp đầu vào (đề nghị):

7~12 V DC

Điện áp đầu vào (giới hạn):

6~20 V DC

Chân vào/ra số:

14 (6 chân hardware pwm)

Đầu vào tương tự:

6 (độ phân giải 10 bits)

Trang 16


Dòng tối đa trên mỗi chân
I/O:

30 mA

Dòng ra tối đa (5V):

500 mA

Dòng ra tối đa (3,3 V):

50 mA

Tần số hoạt động:

16 MHz

FLASH:

32 KB (ATmega 328) với 0,5
KB dung bởi bootloader

SRAM:

2 KB

EEPROM:

1 KB

Các chân năng lượng:
•

GND (Ground): cực âm của nguồn điện cấp cho Arduino UNO . Khi b ạn
dùng các thiết bị sử dụng những nguồn điện riêng biệt thì những chân

này phải được nối với nhau .

• 5V: cấp điện áp 5V đầu ra . Dòng tối đa cho phép ở chân này là 500mA
• 3.3V: cấp điện áp 3.3V đầu ra . Dòng tối đa cho phép ở chân này là 50mA
• Vin (Voltage Input): để cấp nguồn ngoài cho Arduino UNO, bạn n ối cực
dương của nguồn với chân này và cực âm của nguồn với chân GND
• IOREF: điện áp hoạt động của vi điều khi ển trên Arduino UNO có th ể
được đo ở chân này . Và dĩ nhiên nó luôn là 5V . Mặc dù vậy, không đ ược
lấy nguồn 5V từ chân này để sử dụng bởi chức năng của nó không ph ải
•

là cấp nguồn
RESET: việc nhấn nút Reset trên board để reset vi đi ều khi ển tương
đương với việc chân RESET được nối với GND qua 1 điện trở 10K Ω.
Bộ nhớ:
Vi điều khiển Atmega 328P tiêu chuẩn cung cấp cho người dùng:

•

32KB bộ nhớ Flash: những đoạn lệnh lập trình sẽ được lưu trữ trong bộ

nhớ Flash của vi điều khiển
• 2KB cho SRAM (Static Random Access Memory): giá trị các biến bạn
khai báo khi lập trình sẽ lưu ở đây. Bạn khai báo càng nhi ều bi ến thì
càng cần nhiều bộ nhớ RAM . Tuy vậy, thực sự thì cũng hi ếm khi nào b ộ
nhớ RAM lại trở thành thứ mà bạn phải bận tâm. Khi mất đi ện, d ữ li ệu
trên SRAM sẽ bị mất
• 1KB cho EEPROM (Electrically Eraseble Programmable Read Only
Memory): đây giống như một chiếc ổ cứng mini – nơi bạn có thể đ ọc và
Trang 17

ghi dữ liệu của mình vào đây mà không phải lo bị mất khi cúp đi ện
giống như dữ liệu trên SRAM
Các cổng vào/ra:
Arduino UNO có 14 chân digital dùng đ ể đọc hoặc xuất tín hi ệu . Chúng ch ỉ có
2 mức điện áp là 0V và 5V với dòng vào/ra tối đa trên mỗi chân là 40mA . Ở
mỗi chân đều có các điện trở pull-up được cài đặt ngay trong vi đi ều khi ển
Atmega 328P (mặc định thì các điện trở này không được kết nối) .
Một số chân digital có các chức năng đặc biệt như sau:
•

2 chân Serial: 0 (RX) và 1 (TX): dùng để gửi (transmit – TX) và nhận
(receive – RX) dữ liệu TTL Serial . Arduino Uno có thể giao ti ếp v ới thi ết
bị khác thông qua 2 chân này. Kết nối bluetooth thường thấy nói nôm na
chính là kết nối Serial không dây. Nếu không cần giao ti ếp Serial, bạn

không nên sử dụng 2 chân này nếu không cần thiết
• Chân PWM (~): 3, 5, 6, 9, 10, và 11: cho phép xuất ra xung PWM với độ
phân giải 8bit (giá trị từ 0 → 255 tương ứng với 0V → 5V) bằng hàm
analogWrite()
• Chân giao tiếp SPI: 10 (SS), 11 (MOSI), 12 (MISO), 13 (SCK), ngoài các
chức năng thông thường, 4 chân này còn dùng để truy ền phát dữ li ệu
bằng giao thức SPI với các thiết bị khác
• LED 13: trên Arduino UNO có 1 đèn led màu cam được n ối v ới chân s ố
13
Arduino UNO có 6 đầu vào tương tự (A0 → A5) với độ phân gi ải tín hi ệu là
10bit (0 → 1023) để đọc giá trị điện áp trong khoảng 0V → 5V . V ới
chân AREF trên board, bạn có thể để đưa vào điện áp tham chi ếu khi s ử dụng
các chân analog . Tức là nếu bạn cấp đi ện áp 2.5V vào chân này thì b ạn có th ể
dùng các chân analog để đo điện áp trong khoảng từ 0V → 2.5V với độ phân
giải vẫn là 10bit .

Đặc biệt, Arduino UNO có 2 chân A4 (SDA) và A5 (SCL) h ỗ tr ợ giao ti ếp
I2C/TWI với các thiết bị khác .
2.2.2. Cảm biến vân tay R305 (R305 fingerprint sensor)
a, Hệ thống nhận dạng vân tay

Trang 18


Hệ thống nhận dạng: là hệ thống xác thực cá nhân bằng cách tìm ki ếm và
đối sánh đặc tính sinh trắc của một người với toàn bộ các mẫu sinh tr ắc được
lưu giữ trong cơ sở dữ liệu .

Hình 2.6 - Các ứng dụng của hệ thống nhận dạng vân tay
Việc sử dụng vân tay để định danh một cá nhân nào đó là do vân tay có
tính duy nhất và bền vững, với xác suất trùng lặp là 10 -6, và với hai bàn tay đầy
đủ 10 ngón thí xác suất này tiệm cận tới 0 . Hơn nữa, hình d ạng vân tay ổn
định từ lúc sinh ra cho đến khi chết đi, ít có đi ều ki ện thay đ ổi, k ể c ả nh ờ các
biện pháp hiện đại như giải phẫu .
Ngày nay, trong tất cả các phương pháp nhận dạng sinh tr ắc h ọc thì vi ệc
nhận dạng vân tay được sử dụng thông dụng nhất và mang lại hiệu quả cao
trong việc định danh một cá nhân . Tổng số ứng dụng công ngh ệ nh ận d ạng
vân tay chiếm gần một nửa tổng số các ứng dụng sinh trắc h ọc, đi ều này ph ản
ánh nhu cầu ứng dụng là rất lớn .

Trang 19


Hình 2.7– Cấu trúc cơ bản của hệ thống nhận dạng vân tay tự động
b, Cảm biến vân tay R305 (R305 fingerprint sensor)
Cảm biến nhận dạng vân tay R305 sử dụng giao tiếp UART TTL hoặc USB

1.1 để giao tiếp với vi điều khiển hoặc kết nối trực ti ếp v ới máy tính ( thông
qua mạch chuyển USB-UART hoặc giao tiếp USB 1.1) .
Cảm biến nhận dạng vân tay R305 được tích hợp nhân xử lý nhận dạng
vân tay phía trong, tự động gán vân tay với 1 chuỗi data và truyền qua giao ti ếp
UART ra ngoài nên hoàn toàn không cần các thao tác x ử lý hình ảnh, đ ơn gi ản
chỉ là phát lệnh đọc/ghi và so sánh chuỗi UART nên rất dễ s ử d ụng và l ập
trình .
Bảng 2.2 - Các thông số chính của cảm biến vân tay R305
Nguồn cấp:

3.6 - 6VDC

Giao tiếp:

TTL-UART hoặc USB 1.1

Dòng điện hoạt động:

100 - 150mA

Chế độ nhận dạng:

1:1 hoặc 1:N (1 ID nhiều vân

Trang 20


Tốc độ truyền thông:

tay, tùy thuộc vào cấu hình)

9600xN bps (mặc định N=6
tức 9600x6 = 57600bps)

Kích thước tập tin cá nhân:

256 bytes

Thời gian chụp ảnh mẫu :

<0.5s

Kích thước mẫu vân tay :

512 bytes

Số lượng vân tay có thể lưu
trữ:

120

Mức độ bảo mật:

5 (1,2,3,4,5 (cao nhất))

FAR:

< 0.001%

FFR:

< 0,1%

Thời gian nhận dạng trung
bình:

< 0.8s (1:880)

Kích thước:

18mm*22mm

Nhiệt độ và độ ẩm hoạt động:
Nhiệt độ và độ ẩm bảo quản:

-10 đến 40 độ C, RH: 40%85%
-40 đến 85 độ C, RH: <85%

Hình 2.8 - Hình ảnh thực tế của cảm biến vân tay R305
Nguyên lý hoạt động của module cảm biến vân tay R305:
•

Lấy dữ liệu hình ảnh của vân tay: module thực hiện lấy dữ liệu hình
ảnh vân tay 2 lần thông qua cảm biến quang học và kết h ợp các d ữ li ệu

•

của hai hình ảnh này, thực hiện xử lý để tạo ra một mẫu
Nhận dạng mẫu vân tay: module thực hiện lấy dữ liệu hình ảnh và so
sánh với các mẫu trong cơ sở dữ liệu, sau đó gửi đi thông tin tương ứng

Trang 21


2.2.3. Module RFID RC522 và thẻ RFID S50 13,56 MHz
a, Tổng quan về RFID
RFID (Radio Frequency Identification) là công nghệ nhận dạng đối tượng
bằng sóng vô tuyến . Công nghệ này cho phép nhận bi ết các đối tượng thông
qua hệ thống thu phát sóng radio, từ đó có th ể giám sát, qu ản lý ho ặc l ưu v ết
từng đối tượng . Ví dụ, bạn đi siêu thị, bỏ hàng vào xe đ ẩy và ch ỉ đ ơn gi ản đ ẩy
thẳng xe qua cổng giám sát . Một thiết bị tự động nhận dạng từng món hàng
bạn mua và tự động trừ vào tài khoản thanh toán của bạn . Nhanh và ti ện l ợi
biết bao! Đó chỉ là một trong rất nhiều ứng dụng tiện ích của công nghệ RFID .
Công nghệ RFID được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực, nhất là
trong quản lý và tồn trữ hàng hóa . Ví dụ, dùng những th ẻ RFID theo dõi nhi ệt
độ gắn lên hàng hóa có thể giúp nhà sản xuất theo dõi nhiệt độ trong kho lạnh
. Những thẻ này sẽ truyền dữ liệu qua đầu đọc, đầu đọc liên tục truyền dữ
liệu thu được từ các thẻ để truyền về máy tính trung tâm và l ưu l ại d ữ li ệu
thu được . Từ đó, nhà sản xuất có thể truy cập vào internet từ b ất c ứ n ơi nào
cũng có thể theo dõi được dữ liệu bảo quản hàng hóa của mình trong các kho
lạnh .
Ngoài ra còn có thể sử dụng thẻ RFID cấy vào vật nuôi đ ể nhận dạng
nguồn gốc và theo dõi vật nuôi tránh thất lạc và bị đánh cắp . Trong th ư vi ện,
các thẻ RFID được gắn với các cuốn sách giúp giảm th ời gian tìm ki ếm và ki ểm
kê, chống được tình trạng ăn trộm sách . Một s ố lĩnh v ực có kh ả năng s ử d ụng
một số lượng lớn các thẻ RFID như thẻ thông minh, chứng minh nhân dân, h ộ
chiếu điện tử, hàng hóa trong siêu thị, quản lý hành lý trong hàng không, h ệ
thống giao thông công cộng, các ngành may mặc, giày dép… .
b, Module RFID RC522
Module RFID RC522 sử dụng IC MF RC522 của Phillip dùng đ ể đ ọc và ghi
dữ liệu cho thẻ NFC tần số 13,56 MHz . Dưới đây là bảng thông s ố kỹ thu ật

chính của module RFID RC522
Bảng 2.3 - Các thông số chính của module RFID R305
Nguồn cấp:

3,3 V DC, 13-26 mA

Dòng ở chế độ chờ:

10-13 mA

Dòng ở chế độ nghỉ:

< 80 uA

Tần số sóng mang:

13,56 MHz

Khoảng cách hoạt động:

0~60 mm (mifare card)
Trang 22


Giao thức truyền thông:

SPI

Tốc độ truyền dữ liệu:

< 10 Mbit/s

Kích thước:

40x60 mm
Mifare 1 S50, Mifare 1 S70,

Các loại card hỗ trợ:

Mifare Ultra Light, Mifare Pro,
Mifare Desfire

Hình 2.9 - Hình ảnh thực tế của module RFID RC522
b, Thẻ RFID S50 13,56MHz
Thẻ RFID S50 13.56 MHz (thẻ NFC) dùng để đọc/ghi dữ li ệu v ới tốc độ
cao . Thẻ được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như bảo mật, nhà thông minh,
chấm công, gửi xe thông minh, v.v... . Thẻ tương thích v ới module RFID RC522
13.56MHz và các module tương tự .
Bảng 2.4 - Các thông số chính của thẻ RFID S50 13,56 MHz
Chip:

Mifare 1 S50

Bộ nhớ:

8 Kb, 16 phân vùng

Tần số hoạt động:

13,56 MHz

Trang 23


Khoảng cách đọc:

2,5~10 mm

Thời gian đọc:

1~2 ms

Độ bền:

100.000 lần

Thời gian lưu trữ dữ liệu:

10 năm

Kích thước:

Tùy từng loại

Hình 2.10 - Một số hình ảnh thực tế của thẻ RFID S50 13,56 MHz
2.2.4. Cảm biến nhiệt độ, độ ẩm DHT 22
Cảm biến độ ẩm và nhiệt độ DHT22 là cảm biến rất thông dụng hiện nay
vì chi phí rẻ và rất dễ lấy dữ liệu thông qua giao ti ếp 1 wire v ới đ ộ chính xác
tương đối .

Hình 2.11 - Hình ảnh thực tế của cảm biến DHT22

Trang 24


Bảng 2.5 - Các thông số chính của cảm biến DHT22
Nguồn:

3~5 V DC

Dòng sử dụng:

< 2,5 mA

Đo tốt ở độ ẩm:

0~100% RH (sai số 2-5%)

Đo tốt ở nhiệt độ:

-40~80 oC (sai số 0,5oC)

Tần số lấy mẫu tối đa:

0,5 Hz (2 giây 1 lần)

2.2.5. Màn hình LCD 128x64 GPHONE
Màn hình LCD 128x64 GPHONE là màn hình thường được sử dụng trong
các ứng dụng vừa và nhỏ hiện nay .

Hình 2.12 - Hình ảnh thực tế của LCD 128x64 GPHONE
Bảng 2.6 - Các thông số chính của thẻ LCD 128x64 GPHONE
Nguồn:

4,5~5,5 V DC

Kích thước đường bao:

60x90,5x10 mm

Kích thước màn hình:

70x47 mm

Loại LCD:

GPHONE

Độ phân giải:

128x64

Giao thức truyền thông:

SPI

Trang 25