Hệ thống điều khiển giám sát cửa an ninh cảm biến vân tay, visual, sql server

1


MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN...........................................................................................................1
LỜI CAM ĐOAN.....................................................................................................2
DANH MỤC HÌNH ẢNH..........................................................................................5
DANH MỤC BẢNG..................................................................................................7
LỜI MỞ ĐẦU............................................................................................................8
CHƯƠNG 1 HỆ THỐNG CỬA THÔNG MINH.....................................................9
1.1. Lịch sử phát triển của nhà thông minh...............................................................9
1.2. Nhận dạng vân tay............................................................................................13
1.2.1. Công sinh trắc vân tay và vấn đề bảo mật.................................................13
1.2.2. Hệ thống nhận dạng vân tay......................................................................14
1.3. Hệ thống khóa cửa thông minh.........................................................................16
1.4. Hệ thống cửa sử dụng cảm biến vân tay...........................................................18
CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ CÔNG NGHỆ..........................................20
2.1. Arduino UNO R3.............................................................................................20
2.1.1. Sơ lược về Arduino.....................................................................................20
2.1.2. Arduino UNO U3.......................................................................................21
2.1.3. Sơ lược về phần mềm lập trình Arduino 1.8.11.........................................24
2.2. Cảm biến vân tay..............................................................................................26
2.2.1 . Cảm biến vân tay AS608 (AS608 fingerprint sensor)...............................28
2.2.2. Ứng dụng....................................................................................................30
2.2.3. Giao tiếp thông qua UART........................................................................31
2.2.4. Tài nguyên hệ thống..................................................................................32
2.2.5. Kiểm tra và xác nhận gói dữ liệu...............................................................35
2.3. Các thiết bị khác...............................................................................................36
2.3.1. Màn hình LCD 1602.................................................................................36
2.3.2. Động cơ servo SG90...................................................................................39

2.4. Hệ quản trị cơ sở dữ liệu SQL Server...............................................................41
2.4.1. Giới thiệu chung.........................................................................................41
2.4.2. Các bước xây dựng cơ sở dữ liệu...............................................................43

2


2.5. Giới thiệu về C#................................................................................................47
2.5.1. Lịch sử phát triển.......................................................................................47
2.5.2. Xây dựng form...........................................................................................48
2.5.3. Liên kết cơ sở dữ liệu................................................................................51
CHƯƠNG 3 THIẾT KẾ HỆ THỐNG GIÁM SÁT CỬA DÙNG CẢM BIẾN VÂN
TAY......................................................................................................................... 55
3.1. Nhiệm vụ của hệ thống cửa thông minh...........................................................55
3.1.1. Nhiệm vụ của hệ thống cửa thông minh....................................................55
3.1.2. Giải pháp kỹ thuật.....................................................................................55
3.2 Xây dựng hệ thống............................................................................................56
3.2.1. Xây dựng phần cứng..................................................................................56
3.2.2. Xây dựng phần mềm..................................................................................60
3.3. Kết quả thực hiện..............................................................................................67
3.3.1. Mô tả thực nghiệm.....................................................................................67
3.3.2. Kết quả thực hiện.......................................................................................71
TÀI LIỆU THAM KHẢO.......................................................................................74
PHỤ LỤC................................................................................................................ 75

3


DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 1.1 Hệ thống Echo-IV phát triển bởi Jim Sutherland.............................................9

Hình 1.2 Mô tả hệ thống mạng lưới sử dụng mạng không dây.....................................10
Hình 1.3 Cấu trúc cơ bản của một hê thống nhận dạng vân tay....................................14
Hình 1.4 Hình ảnh vân tay được chụp từ các thiết bị tương tướng................................15
Hình 1.5 Một số hình ảnh thực tế khóa cửa vân tay.....................................................19
Hình 2.1 Một số loại Arduino phổ biến.......................................................................20
Hình 2.2 Hình ảnh thực tế Arduino UNO R3..............................................................21
Hình 2.3 Hình ảnh Arduino 1.8.1.1.............................................................................24
Hình 2.4 Giao diện chương trình Arduino...................................................................26
Hình 2.5 Các ứng dụng của hệ thống nhận dạng vân tay.............................................27
Hình 2.6 Cấu trúc cơ bản của hệ thống nhận dạng vân tay tự động..............................28
Hình 2.7 Hình ảnh thực tế cảu cảm biến AS608..........................................................29
Hình 2.8 Khung truyền định dạng 8bit........................................................................31
Hình 2.9 Hình ảnh thực tế của màn hình LCD1602.....................................................36
Hình 2.10 Sơ đồ chân của màn hình LCD 16x2..........................................................37
Hình 2.11 Mặt sau của LCD 1602..............................................................................38
Hình 2.12 Hình ảnh thực tế của động cơ servo SG90...................................................40
Hình 2.13 Nguyên lý hoạt động của động cơ servo SG90............................................40
Hình 2.14 Các thành phần chính của hệ quản trị cơ sở dữ liệu......................................41
Hình 2.15 Hình ảnh Windows Forms Application.......................................................49
Hình 2.16 Hình ảnh form khi mới được tạo................................................................49
Hình 2.17 Thêm SQL Server được lưu trong máy tính................................................52
Hình 2.18 Kết nối với một database đã tạo với chương trình........................................52
Hình 2.19 Chọn server muốn kết nối và bảng đã được tạo từ SQL server.....................53
Hình 2.20 Test kiểm tra quá trình kết nối....................................................................53
Hình 2.21 Data khi đã được kết nối thành công...........................................................54
Hình 2.22 Kiểm tra chuỗi kết nối...............................................................................54
Hình 2.23 Thông tin chuỗi kết nối từ cơ sở dữ liệu với c#............................................54

4

Hình 3.1 Sơ đồ khối trong hệ thống............................................................................56
Hình 3.2 Sơ đồ nguyên lý khối điều khiển trung tâm...................................................57
Hình 3.3 Sự tương quan giữa khối xử lý và khối cảm biến vân tay...............................57
Hình 3.4 Sơ đồ kết nối giữa module cảm biến vân tay và vi điều khiển.......................58
Hình 3.5 Khối hiển thị màn hình LCD 16x2...............................................................59
Hình 3.6 Hình ảnh sơ đồ nguyên lý hệ thống..............................................................59
Hình 3.7 Truy cập SQL Server...................................................................................60
Hình 3.8 Tạo database mới........................................................................................61
Hình 3.9 Tạo bảng trong database chứa các thuộc tính cần dùng..................................61
Hình 3.10 Kết nối từ visual studio và SQL server........................................................62
Hình 3.11 Lưu đồ thuật toán chung của hệ thống.........................................................64
Hình 3.12 Lưu đồ thuật toán quét mã vân tay..............................................................65
Hình 3.13 Lưu đồ thuật toán thêm mã vân tay.............................................................66
Hình 3.14 Giao diện điều khiển..................................................................................67
Hình 3.15 Màn hình Lcd khi đã khởi động thành công................................................67
Hình 3.16 Giao diện khi đã kết nối thành công............................................................68
Hình 3.17 Màn hình LCD khi đã kết nối thành công và cho phép bắt đầu hoạt động.....68
Hình 3.18 Màn hình Lcd hiển thị cho phép đăng nhập bằng vân tay.............................68
Hình 3.19 Giao diện vân tay được nhập đúng hai lần và cho phép cửa mở....................69
Hình 3.20 Màn hình Lcd hiện thị khi cửa được mở.....................................................69
Hình 3.21 Màn hình Lcd hiện thị cảnh báo khi mã vân tay không chính xác.................69
Hình 3.22 Hệ thống cho phép thêm vân tay................................................................70
Hình 3.23 Thực hiện quá trình lưu trữ thành công mã vân tay......................................70
Hình 3.24 Hệ thốngcho phép xuất file excel lưu trữ dữ liệu.........................................70
Hình 3.25 Thực hiện xoá mã vân tay cần thiết.............................................................71
Hình 3.26 Giao diện điều khiển của hệ thống..............................................................71
Hình 3.27 Một số hình ảnh thực tế của mô hình..........................................................72

5

DANH MỤC BẢNG
Bảng 2.1: Các thông số của Arduino UNO.................................................................22
Bảng 2.2 Thông số kỹ thuật cảm biến vân tay AS608..................................................28
Bảng 2.3 Định nghĩa thanh ghi trạng thái hệ thống......................................................33
Bảng 2.4 Các định dạng gói dữ liệu............................................................................34
Bảng 2.5 Tin tin chi tiết các định dạng gói dữ liệu.......................................................34
Bảng 2.6 Thông tin các chân LCD 16X2....................................................................37
Bảng 2.7 Các thông số của động cơ RC Servo 9G.......................................................39
Bảng 2.8 Các kiểu dữ liệu thường dùng khi thiết kế bảng............................................46
Bảng 2.9 Các thuộc tính giống nhau của các Control trong C#.....................................50
Bảng 2.10 Các phương thức thường dùng trong C# - Windows Form..........................51
Bảng 2.11 Các sự kiện thường dùng...........................................................................51
Bảng 3.1 Các thành phần thiết kế trong form..............................................................63

6


LỜI MỞ ĐẦU
Ngày ngay trên thế giới với sự bùng nổ của các ngành công nghệ thông tin,
điện tử v.v… Đã làm cho đời sống của con người ngày càng hoàn thiện. Các thiết bị
tự động hóa đã ngày càng được con người áp dụng vào cuộc sống sinh hoạt hàng
ngày của mỗi con người. Do đó một hệ thống cửa thông minh không còn là mơ ước
của con người nữa mà nó đã trở thành hiện thực hóa. Qua báo chí, các phương tiện
truyền thông, internet chúng ta có thể thấy những mô hình hệ thống cửa thông minh
đã ra đời. Là sinh viên khoa kỹ thuật điều khiển và tự động hóa của Trường Đại Học
Công Nghê Thông Tin Và Truyền Thông Thái Nguyên, với những kiến thức đã học
cùng với mong muốn thiết kế được một hệ thống cửa thông minh đáp ứng được nhu
cầu của mọi người, em đã chọn đề tài "Thiết kế hệ thống giám sát và chế tạo mô

hình cửa an ninh thông qua cảm biến vân tay" làm đề tài thực tập tốt nghiệp của
mình.
Trong quá trình thực hiện báo cáo của mình, em đã cố gắng hết sức để hoàn
thiện một cách tốt nhất. Nhưng với kiến thức và sự hiểu biết có hạn nên sẽ không
tránh khỏi những thiết sót mong thầy cô và các bạn đóng góp ý kiến cho đề tài của
em được hoàn hiện hơn.
Em xin chân thành cảm ơn

7


CHƯƠNG 1 HỆ THỐNG 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 khiển từ xa không
dây . Được giới thiệu năm 1898 bởi Nikola Tesla, khi đó ông đã điều 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 thiết bị gia dụng, ví dụ
như máy hút bụi chạy bằng động cơ (1901) và máy hút bụi chạy bằng điện (1907) .
Hai thập kỷ tiếp theo là một cuộc cách mạng thiết bị gia dụng, sự xuất hiện của tủ
lạnh, máy sấy, máy giặt,... . Tuy nhiên, giá thành rất đắt đỏ 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 thống này giúp chủ nhà lên danh sách mua
hàng, điều chỉnh nhiệt độ các phòng, bật và tắt các thiết bị gia dụng . Nhưng đáng
tiếc là hệ thống này chưa bao giờ được bán ra thị trường

Hình 1.1 Hệ thống Echo-IV phát triển bởi Jim Sutherland
Năm 1969, bếp máy tính Honeywell ra đời . Chức năng của sản phẩm này là
tạo ra các công thức món ăn, nhưng chiếc bếp này đã không đạt được 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 . Điều này cũng đồng nghĩa với việc mọi
8


người có khả năng được tiếp cận với công nghệ dễ dàng hơn . Nhờ 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 hợp giữa kỹ thuật hiện đại
và khoa học về tuổi già để tạo ra các công nghệ phục vụ cho người cao tuổi . Chính
sự tập trung nghiên cứu này cũng đóng góp vào việc phát triển các tiện nghi gia
đình, thiết bị gia dụng, điện tử điện lạnh . Trong khoảng thời gian này, nhu cầu kết
nối các thiết bị gia dụng cũng bắt đầu xuất hiện. Năm 1993, mạng lưới kết nối các
thiết bị tại nhà không dây đầu tiên được xây dựng bởi Fujieda, mang đến bước phát
triển lớn cho hệ thống không dây ngày nay... .
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 mở cửa trưng bày. Căn nhà mẫu này
minh họa cho việc một căn nhà có thể được tích hợp công nghệ như thế nào, với các

9


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 triển mạnh mẽ và trở nên phổ biến,
người ta bắt đầu đi vào nghiên cứu để tìm ra cách kết nối hệ thống điều khiển tự
động hóa căn nhà với mạng Internet . Hiroshi Kanma và các đồng sự 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 giới thiệu . Mạng lưới này sử
dụng bluetooth hoặc mạng điện thoại để gửi dữ liệu cho nhà cung cấp và truyền dẫn
trở về căn nhà của người sử dụng . Bằng cách thức này, người dùng có thể điểu
khiển các thiết bị trong nhà kể cả khi ở bên ngoài .
Khi các thiết bị công nghệ dần có giá thành rẻ hơn, chúng cũng được tích hợp
nhiều hơn vào căn nhà của chúng ta . Cùng với sự phổ biến ấy, ngày càng có nhiều
công ty đầu tư vào việc nghiên cứu nâng cấp và phát triển các công nghệ này để
chúng hoạt động hiệu quả hơn và có giá thành hấp dẫn hơn với người dùng .
Hiện nay, công nghệ tự động hóa nhà ở xuất hiện gần như khắp mọi nơi,
chúng ta thậm chí đôi khi còn chẳng nhận ra . Giờ đây, rất nhiều người trong chúng
ta đã có thể điều khiển ti vi, hệ thống sưởi, chuông báo động, đèn chiếu sáng, cửa ra
vào từ điện thoại thông minh và các bộ điều khiển . Với sự 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 giới hạn nào ngoài chính trí tưởng tượng của
con người .
- Tình hình ứng dụng công nghệ nhận dạng vân tay ở thế giới và Việt Nam

Hơn 100 năm qua so sánh dấu vân tay vốn được coi là một phương tiện hữu
hiệu hỗ trợ cho các nhà điều tra trong quá trình phá án và xét xử. Người ta có thể
tìm ra tung tích tội phạm cũng như nạn nhân thông qua dấu vân tay ở trên hiện
trường. Tuy nhiên phương pháp này vẫn bộc lộ một vài khuyết điểm do tác động
của các yếu tố khách quan như môi trường thời tiết, hiện trường sau khi khảo sát,…
và các yếu tố chủ quan gây nhiễu. Nếu chỉ đơn thuần dựa vào yếu tố kỹ thuật mà bỏ
qua một loạt các biện pháp nghiệp vụ khác, sai số này có thể lên tới 10%. Mặc dù
vậy, phương pháp nhận dạng vân tay hiện vẫn còn phổ biến ở nhiều nơi và nhiều

10


quốc gia,mặc nhiên phương pháp nhận dạng vân tay vẫn được sử dụng trong việc
điều tra phá án của cảnh sát vì thế việc nâng cao sự chính xác khi nhận dạng vân tay
là một vấn để thiết yếu.
Ngày nay, người ta cũng lợi dụng các đặc điểm riêng biệt của vân tay để xây
dựng các hệ thống bảo mật các thông tin riêng tư cho người sở hữu chúng, từ việc
dùng các ổ khóa vân tay thay thế cho các ổ khóa thông thường cho đến việc dùng
vân tay thay thế mật khẩu đã quá phổ biến trong thời đại công nghệ thông tin.
Người ta chỉ cần quét dấu vân tay của mình qua các thiết bị chức năng là có thể mở
được một cánh cửa, đăng nhập vào hệ thống máy vi tính, qua một phòng bí mật hay
các trạm bảo vệ bí mật. Đó là giải pháp an ninh tuyệt đối cho những yêu cầu bảo
mật của con người trong nhiều lĩnh vực như: Kiểm soát an ninh trong các cơ quan
của Chính phủ, trong quân đội, ngân hàng, trung tâm lưu trữ dữ liệu... hoặc để kiểm
soát ra vào của nhân viên tại các trung tâm thương mại, các tập đoàn, các đại sứ
quán...
Trong lĩnh vực quản lý nhân sự, phương pháp nhận dạng vân tay còn hỗ trợ
đắc lực cho việc quản lý và chấm công tại các nhà máy, xí nghiệp, công ty bằng
máy các máy chấm công vân tay. Tuy nhiên, phổ biến nhất có lẽ là dấu vân tay của
chúng ta qua mặt sau của chứng minh thư để xác định một cách nhanh nhất các đặc
điểm, hồ sơ của một công dân đã được lưu trong cơ sở dữ liệu.
Trên thế giới hiện nay đã xuất hiện nhiều sản phẩm công nghệ cao sử dụng
phương pháp nhận dạng vân tay như khóa vân tay, máy chấm công vân tay, máy
tính xác tay,... . Tuy nhiên đây vẫn là vấn đề còn chưa được nghiên cứu nhiều ở Việt
Nam. Ở nước ta, phương pháp này mới chỉ phổ biến ở việc quản lý nhân sự thông
qua chứng minh thư nhân dân và phục vụ điều tra phá án. Các sản phẩm công nghệ
cao nói trên chúng ta vẫn phải nhập khẩu với giá thành khá cao, do đó chúng vẫn
chưa được phổ biến rộng rãi.

11


1.2. Nhận dạng vân tay
1.2.1. Công sinh trắc vân tay và vấn đề bảo mật
Trong thời đại ngày nay, sự phát triển không ngừng của khoa học kỹ thuật đã
giúp cho con người thuận tiện hơn trong các công việc hằng ngày. Với sự bùng nổ
về công nghệ thông tin, quá trình toàn cầu hóa diễn ra nhanh chóng, sự bảo mật
riêng tư thông tin cá nhân cũng như để nhận biết một người nào đó trong hàng tỉ
người trên trái đất đòi hỏi phải có một tiêu chuẩn, hệ thống đảm nhận các chức năng
đó. Công nghệ sinh trắc ra đời và đáp ứng được các yêu cầu trên.
Nhiều công nghệ sinh trắc đã và đang được phát triển, một số chúng đang
được sử dụng trong các ứng dụng thực tế và phát huy hiệu quả cao. Các đặc trưng
sinh trắc thường được sử dụng là vân tay, gương mặt, mống mắt, tiếng nói. Mỗi đặc
trưng sinh trắc có điểm mạnh và điểm yếu riêng, nên việc sử dụng đặc trưng sinh
trắc cụ thể là tùy thuộc vào yêu cầu của mỗi ứng dụng nhất định. Các đặc trưng sinh
trắc có thể được so sánh dựa vào các yếu tố sau: tính phổ biến, tính phân biệt, tính
ổn định, tính thu thập, hiệu quả, tính chấp nhận. Trong yêu cầu về bảo mật và tìm
kiếm, tính phân biệt (hai người khác nhau thì đặc trưng sinh trắc này phải khác
nhau) và ổn định (đặc trưng sinh trắc này không thay đổi theo từng giai đoạn thời
gian tương ứng với hạng mục đối sánh nhất định) được quan tâm nhiều hơn cả. Vân
tay đã được biết tới với tính phân biệt (tính chất cá nhân) và ổn định theo thời gian
cao nhất, vì vậy nó là đặc trưng sinh trắc được sử dụng rộng rãi nhất. Nhận dạng
sinh trắc đề cập đến việc sử dụng các đặc tính hành vi và thể chất (ví dụ: vân tay,
gương mặt, chữ kí…) có tính chất khác biệt để nhận dạng một người một cách tự
động. Nhận dạng vân tay được xem là một trong những kỹ thuật nhận dạng hoàn
thiện và đáng tin cậy nhất.
Trong các tổ chức, cơ quan an ninh, quân sự, hành chính, khoa học… luôn có
nhu cầu kiểm tra và trả lời các câu hỏi: “người này có phải là đối tượng đó hay
không ? ”, “người này có được quyền truy cập và sử dụng thiết bị đó ? ”, “người

này có được biết những thông tin đó?”… Phương pháp dựa vào thẻ bài truyền thống
(ví dụ dùng chìa khóa…), phương pháp dựa vào trí thức (ví dụ dùng mật khẩu và
PIN – Personal Identification Number) đã được sử dụng phổ biến nhưng thực tế đã
chứng minh là không hiệu quả vì tính an toàn không cao và khó nhớ. Người ta nhận
12


thấy các đặc trưng sinh trắc không thể dễ dàng bị thay thế, chia sẻ hay giả mạo..,
chúng được xem là đáng tin cậy hơn trong nhận dạng một người so với các phương
pháp trên. Vân tay là một trong những đặc điểm khá đặc biệt của con người bởi vì
tính đa dạng của nó, mỗi người sở hữu một dấu vân tay khác nhau, rất ít trường hợp
những người có dấu vân tay trùng nhau. Bằng việc sử dụng vân tay và mật mã, việc
xác nhận một người có thể được thực hiện bằng một hệ thống nhận dạng vân tay an
toàn và nhanh chóng.
1.2.2. Hệ thống nhận dạng vân tay
Hệ thống nhận dạng:là hệ thống xác thực một cá nhân bằng cách tìm kiếm và
đối sánh đặc tính sinh trắc của người này với toàn bộ các mẫu sinh trắc được lưu
giữ trong cơ sở dữ liệu.

Hình 1.3 Cấu trúc cơ bản của một hê thống nhận dạng vân tay
Hệ thống gồm hai phần chính:
Verification (Xác nhận dấu vân tay): Đầu tiên một người sẽ cung cấp dấu vân
tay cùng với thông hoặc đặc điểm cá nhân của người đó như họ tên, ngày sinh, quê
quán… (trong chứng minh thư) hoặc là Username, tên tài khoản, các quyền hạn của
ngươi đó,…(trong bảo mật). Bước này nhằm tạo ra một cơ sở dữ liệu tương ứng dấu
vân tay và các đặc điểm liên quan . Nguyên lý cơ bản của hệ thống này là sử dụng
các diot phát sáng để truyền các tia gần hồng ngoại (Near Infrared NIR) tới ngón
tay và chúng sẽ được hấp thụ lại bởi hồng cầu trong máu. Vùng các tia bị hấp thụ
13

trở thành vùng tối trong hình ảnh và được chụp lại bởi camera CCD. Sau đó, hình
ảnh được xử lý và tạo ra mẫu vân tay. Mẫu vân tay được chuyển đổi thành tín hiệu
số và là dữ liệu để nhận dạng người sử dụng chỉ trong vòng chưa đến 2 giây. Công
nghệ truyền ánh sáng của Hitachi cho phép ghi lại rõ nét sơ đồ vân nhờ độ tương
phản cao và khả năng tương thích với mọi loại da tay, kể cả da khô, da dầu hay có
vết bẩn, vết nhăn hoặc bị khiếm khuyết do tạo hoá trên bề mặt của các ngón tay.
Lượng dữ liệu nhỏ đó là căn cứ cho việc nhận dạng và tạo nên một hệ thống nhỏ
gọn, an toàn, thân thiện và nhanh nhất trên thế giới. Hệ thống này có thể lưu trữ từ
6.000 - 8.000 ngón tay trong một máy và mỗi người có thể được nhận dạng bởi 1
trong 5 ngón tay khác nhau đã đăng ký trước đó. Ưu điểm vượt trội của hệ thống
này là chỉ tương tác với cơ thể sống nên việc bắt chước, giả mạo hoặc ăn cắp dữ liệu
là điều hoàn toàn bất khả thi.

Hình 1.4 Hình ảnh vân tay được chụp từ các thiết bị tương tướng
Identification (Nhận diện dấu vân tay): Dấu vân tay sẽ được đưa thu thập từ
một sensor để đối chiếu với database chứa các vân tay để truy ra các đặc điểm muốn
truy xuất. Việc đối sánh ảnh vân tay cần nhận dạng chỉ cần được tiến hành trên các
vân tay (có trong cơ sở dũ liệu) thuộc loại đã được xác định nhờ quá trình phân loại.
Đây là giai đoạn quyết định xem hai ảnh vân tay có hoàn toàn giống nhau hay
không và đưa ra kết quả nhận dạng, tức là ảnh vân tay cần nhận dạng tương ứng với
vân tay của cá thể nào đã được lưu trữ trong cơ sỏ dữ liệu.

14


1.3. Hệ thống khóa cửa thông minh
Một căn nhà “thông minh” cần phải thông minh ngay từ thềm cửa . Một chiếc
khóa thông minh sẽ dẫn lối vào tiện nghi trong cuộc sống thường ngày của mỗi
người .

Khóa cửa thông minh là một thiết bị cơ điện có tác dụng thực hiện các nhiệm
vụ mở/khóa khóa cho cửa khi nhận được lệnh từ một thiết bị được xác 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 bộ 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, giọng nói, ...) . Với những loại khóa
đơn giản hơn, “chìa khóa” có thể đơn giản là một 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 mới tự động mở
Khóa mật mã: Là loại khóa dùng mật mã thay cho chìa khóa để mở 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 những 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 quyền truy nhập từ xa
thông qua ứng dụng điện thoại . Một vài chiếc khóa được cài đặt sẵn wifi để thực
hiện các hoạt động giám sát như thông báo cho chủ nhà khi có người vào nhà hay
truyền đi hình ảnh từ camera về người ra vào .

15


Ngoài ra, còn có rất nhiều chức năng, tiện ích khác được các nhà sản xuất phát

minh và ứng dụng vào sản phẩm khóa thông minh theo những cách khác nhau: đèn
LED để sử dụng trong bóng tối, quét mã vân tay, quét võng mạc, tích hợp chuông
báo động,... .
Khóa cửa thông minh đem lại nhiều tiện nghi và yên tâm cho các hộ gia đình
và nơi công sở . Việc sử dụng khóa thông minh giúp tiết kiệm thời gian và công sức
theo nhiều cách khác nhau:
Một trong những tiện ích dễ thấy nhất là tránh được việc làm mất 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 thời gian và tiền bạc
làm thêm bản sao chìa khóa . Tất cả những gì cần làm chỉ đơn giản là chia sẻ mã
khóa qua điện thoại hay e-mail
Thao tác nhanh chóng, thuận tiện . Người dùng sẽ không phải vật lộn với một
ổ khóa đã cũ trong khi đang vội vã, hay tìm cách xoay xở khi đang phải mang vác
nhiều đồ đạc.
Do không cần phải tác động vật lý nhiều như khóa truyền thống 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 kiểm soát, xem được
hình ảnh và lưu trữ dữ liệu về người ra vào, do đó có thể kiểm soát tình trạng an
ninh của căn hộ và tòa nhà
Thiết kế sang trọng, đa dạng, phù hợp với nhiều phong cách kiến 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 lớn
Ngoài những tiện ích trên, khóa thông minh cũng tiềm ẩn những rủi ro như:
Với những loại khóa dùng mã số, mã khóa có thể dễ bị tiết lộ hay bị phá mã

16


Chi phí lắp đặt và bảo trì tương đối cao
Với các hệ thống khóa cửa của các tòa nhà, trung tâm lớn, do khóa được vận
hành trên hệ thống máy chủ tự động nên có thể tiềm tàng rủi 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 chắc chắn vẫn 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 số 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 cần có sự kiểm soát ra vào chặt chẽ
1.4. Hệ thống cửa sử dụng cảm biến vân tay
Hệ thống cửa sử dụng cảm biến vân tay đã không còn xa lạ đối với xã hội
ngày nay. Sử dụng hệ thống khóa cửa vân tay chính là mang lại sự tiện nghi cho
mọi người song bên cạnh đó cũng có hai mặt ưu điểm và nhược điểm cụ thể :
Ưu điểm:
 Độ bảo mật cao
 Tất cả đều được thực hiện tự động, đơn giản, dễ sử dụng.
 Không còn lo lắng về việc rơi, hay để quên chìa khóa, đơn giản chỉ là ngón
tay
 Thao tác nhanh chóng, thuận tiện ngay cả khi bạn đang mang vác nặng nhọc
 Dễ dàng thiết lập, cài đặt các mã vân tay khóa khác nhau
 Sử dụng nền công nghệ tiên tiến, có thể kiểm tra, kiểm soát trực tiếp được
trên hệ thống dự liệu lưu trữ của khóa
 Thiết kế sang trọng, đa dạng, phù hợp với nhiều phong cách kiến trúc khác
nhau
Nhược điểm:




Chi phí lắp đặt và bảo trì tương đối cao so với các loại khóa khác
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 vân tay chắc chắn vẫn sẽ được sử

dụng trong tương lai. Trong những năm tiếp theo, việc sử dụng khóa cửa vân tay sẽ

17


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 cần có sự kiểm soát ra vào chặt chẽ.
Đó sẽ điều cần thiết giúp chúng ta tiếp cần gần hơn với cuộc sống hiện đại, nâng
cao chất lượng cuộc sống
Hệ thống được sử dụng rộng rãi trong xã hội hiện nay một số đối tượng như :
 Nhà kho tại các công ty xưởng sản xuất
 Văn phòng chứa các giấy tờ hay vật tư quan trọng
 Cửa nhà ở hay trong các nhà nghỉ, khách sạn

Hình 1.5 Một số hình ảnh thực tế khóa cửa vân tay
CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ CÔNG NGHỆ
2.1. Arduino UNO R3
2.1.1. 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 gồm 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 cổng giao tiếp USB, 6

chân đầu vào analog, 14 chân I/O kỹ thuật số tương thích với nhiều board mở rộng
khác nhau .

18


Lịch sử phát triển của Arduino:
Arduino được khởi động vào năm 2005 như là một dự án dành cho sinh viên
tại Interaction Design Institute Ivrea (Viện thiết kế tương tác Ivrea) tại Ivrea, Italy .
Vào thời điểm đó các sinh viên sử dụng một "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 lập của dự 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 khả dụng đối với
cộng đồng mã nguồn mở . Trường này cuối cùng bị đóng cửa, vì vậy các nhà nghiên
cứu, một trong số đó là David Cuarlielles, đã phổ biến ý tưởng này .

Hình 2.1 Một số loại Arduino phổ biến
Một mạch Arduino bao gồm một vi điều khiển AVR với nhiều linh kiện bổ
sung giúp dễ dàng lập trình và có thể mở rộng với các mạch khác . Một khía cạnh
quan trọng của Arduino là các kết nối tiêu chuẩn của nó, cho phép người dùng kết
nối với CPU của board với các module thêm vào cóthể dễ 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 định địa chỉ thông qua serial bus I2C nhiều shield có thể được xếp chồng và sử dụng dưới dạng song song . Arduino
chính thức thường sử dụng các dòng chip megaAVR, đặc biệt là ATmega8,
ATmega168, ATmega328, ATmega1280, và ATmega2560 . Một vài các bộ vi xử lý
khác cũng được sử dụng bởi các mạch Aquino tương thích . Hầu hết các mạch gồm

19


một bộ điều chỉnh tuyến tính 5V và một thạch 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 thiết bị .
Một board Arduino cũng có thể được lập trình sẵn với một boot loader cho phép
đơn giản là upload chương trình vào bộ nhớ flash on-chip, so với các thiết bị khác
thường phải cần một bộ nạp bên ngoài . Điều này giúp cho việc sử dụng Arduino
được trực tiếp hơn bằng cách cho phép sử dụng 1 máy tính gốc như là một bộ nạp
chương trình .
2.1.2. Arduino UNO U3

Hình 2.2 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 thể xem ở bảng dưới
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 giới hạn là 6-20V .
Thường thì cấp nguồn bằng pin vuông 9V là hợp lí nhất nếu không có sẵn nguồn từ
cổng USB . Nếu cấp nguồn vượt quá ngưỡng giới hạn trên, bạn sẽ làm hỏng
Arduino UNO
Bảng 2.1: Các thông số của Arduino UNO
Vi điều khiển
Điện áp hoạt động
Điện áp đầu vào (đề nghị)

AVR ATmega 328P
5 V DC (cấp qua cổng USB)
7~12 V DC

20


Điện áp đầu vào (giới hạn)
Chân vào/ra số
Đầu vào tương tự
Dòng tối đa trên mỗi chân I/O
Dòng ra tối đa (5V)
Dòng ra tối đa (3,3 V)
Tần số hoạt động
FLASH
SRAM
EEPROM
 Các chân năng lượng

6~20 V DC
14 (6 chân hardware pwm)
6 (độ phân giải 10 bits)
30 mA
500 mA
50 mA
16 MHz
32 KB (ATmega 328) với 0,5 KB dung
bởi bootloader
2 KB
1 KB

GND (Ground): cực âm của nguồn điện cấp cho Arduino UNO . Khi bạn 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 nối cực
dương của nguồn với chân này và cực âm của nguồn với chân GND
IOREF: điện áp hoạt động của vi điều khiển trên Arduino UNO có thể được đo
ở chân này . Và dĩ nhiên nó luôn là 5V . Mặc dù vậy, không được lấy nguồn 5V từ
chân này để sử dụng bởi chức năng của nó không phải là cấp nguồn
RESET: việc nhấn nút Reset trên board để reset vi điều khiển tương đương với
việc chân RESET được nối với GND qua 1 điện trở 10KΩ.
 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 nhiều biến thì càng cần nhiều bộ
nhớ RAM . Tuy vậy, thực sự thì cũng hiếm khi nào bộ nhớ RAM lại trở thành thứ
mà bạn phải bận tâm. Khi mất điện, dữ liệu trên SRAM sẽ bị mất

21


1KB cho EEPROM (Electrically Eraseble Programmable Read Only
Memory): đây giống như một chiếc ổ cứng mini – nơi bạn có thể đọc và ghi dữ liệu
của mình vào đây mà không phải lo bị mất khi cúp điện giống như dữ liệu trên
SRAM
 Các cổng vào và ra
Arduino UNO có 14 chân digital dùng để đọc hoặc xuất tín hiệu . Chúng chỉ
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 điều khiển 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 tiếp với thiết 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 tiếp 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 truyền phát dữ liệu bằng giao thức
SPI với các thiết bị khác
LED 13: trên Arduino UNO có 1 đèn led màu cam được nối với chân số 13
Arduino UNO có 6 đầu vào tương tự (A0 → A5) với độ phân giải tín hiệu là
10bit (0 → 1023) để đọc giá trị điện áp trong khoảng 0V → 5V . Với chân AREF trên
board, bạn có thể để đưa vào điện áp tham chiếu khi sử dụng các chân analog . Tức là
nếu bạn cấp điện áp 2.5V vào chân này thì bạn có thể 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) hỗ trợ giao tiếp
I2C/TWI với các thiết bị khác.
2.1.3. Sơ lược về phần mềm lập trình Arduino 1.8.11
Giới thiệu chung

22


Arduino cung cấp đến môi trường lập trình tích hợp mã nguồn mở hỗ trợ
người dùng viết code và tải nó lên bo mạch Arduino. Đây là môi trường đa nền
tảng, hỗ trợ một loạt các bo mạch Arduino cùng rất nhiều tính năng độc đáo. Ứng
dụng lập trình này có giao diện được sắp xếp hợp lý, phù hợp với cả những người
dùng chuyên nghiệp lẫn không chuyên. Arduino có môi trường lập trình được viết

bằng java, hiện đang được sử dụng cho các bo mạch Arduino và Genuido, được
nhiều công ty trên thế giới sử dụng để lập trình cho các thiết bị của họ.

Hình 2.3 Hình ảnh Arduino 1.8.1.1
Arduino là môi trường phát triển tích hợp đa nền tảng, hỗ trợ cho một loạt các
bo mạch Arduino như Arduino Uno, Nano, Mega, Esplora, Ethernet, Fio, Pro hay
Pro Mini cũng như LilyPad Arduino. Phần mềm này cũng phù hợp cho những lập
trình viên C và C ++ là thay thế hoàn hảo cho các IDE khác.
Arduino có các chức năng hữu ích như làm nổi bật cú pháp, thụt đầu dòng tự
động,...trên giao diện đồ họa được sắp xếp hợp lý. Phần mềm này còn tích hợp các
bộ sưu tập ví dụ mẫu trợ giúp cho những người lần đầu tiên sử dụng cùng với một
mảng thư viện phong phú như EEPROM, Firmata, GSM, Servo, TFT, WiFi,...
Đặc điểm nổi bật của Arduino
Chương trình đa nền tảng Arduino hoạt động trên 3 hệ điều hành phổ biến
nhất là Windows, Mac OS và Linux. Ngoài ra, người dùng có thể truy cập vào công
cụ từ đám mây. Điều này cho phép các nhà lập trình lựa chọn tạo và lưu dự án của

23


mình trên đám mây hoặc xây dựng chương trình trên máy tính và upload nó lên bo
mạch Arduino.
Quản lý bo mạch
Arduino đi kèm với mô-đun quản lý bo mạch, nơi người dùng có thể chọn bo
mạch mà họ muốn làm việc cùng tại thời điểm hiện tại và có thể thay đổi từ menu
thả xuống. Sửa đổi lựa chọn cũng tự động cập nhật các thông tin PORT với dữ liệu
họ cần, liên quan đến bo mạch mới.
Tạo Sketch đơn giản
Người dùng có thể tạo chương trình gọi là Sketch, được xây dựng bằng
chương trình hiệu chỉnh văn bản Text Editor.

Tài liệu mô tả dự án
Arduino cung cấp cho các nhà lập trình tùy chọn để ghi lại dự án của mình.
Chức năng này cho phép họ theo dõi tiến độ và bất kỳ thay đổi nào được tạo ra.
Ngoài ra, người dùng dễ dàng triển khai Sketch trên bo mạch của riêng mình với
tính năng này.
Chia sẻ Sketch dễ dàng
Mỗi Sketch có một URL riêng và người dùng có thể chia sẻ Sketch với người
khác. Người nhận có thể truy cập vào code, lưu lại trên đám mây hoặc download để
sử dụng.
Thư viện đồ sộ
Arduino tích hợp với hơn 700 thư viện, được viết và chia sẻ bởi thành viên
trong cộng đồng Arduino. Mọi người có thể tận dụng chúng cho dự án của riêng
mình mà không cần cài đặt bất cứ thứ gì.
Hỗ trợ phần cứng bên thứ 3
Trong khi Arduino được thiết kế riêng cho bo mạch Arduino, nhưng nó cũng
hỗ trợ các kết nối với phần cứng từ bên thứ 3. Điều này giúp mở rộng khả năng ứng
dụng của chương trình thay vì giới hạn trong các bo mạch độc quyền.

24