Thiết kế thi công hệ thống cửa bảo mật và camera giám sát cho hộ gia đình

TRƯỜNG ĐH SPKT TP. HỒ CHÍ MINH
KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ

CỘNG HỊA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
ĐỘC LẬP - TỰ DO - HẠNH PHÚC

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

----o0o---Tp. HCM, ngày 01 tháng 08 năm 2020

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Họ tên sinh viên: Phan Viết Tùng
Dương Thanh Hải

MSSV: 16141336
MSSV: 16141141

Chuyên ngành:

Điện tử công nghiệp

Mã ngành: 01

Hệ đào tạo:

Đại học chính quy

Mã hệ:

Khóa:

2016

Lớp: 16141DT1A – 16141DT1B

1

I. TÊN ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ THI CÔNG HỆ THỐNG CỬA BẢO MẬT VÀ
CAMERA GIÁM SÁT CHO HỘ GIA ĐÌNH
II. NHIỆM VỤ
1. Các số liệu ban đầu:
(ghi những thông số, tập tài liệu tín hiệu, hình ảnh,…) ...............................................

......................................................................................................................................
......................................................................................................................................
......................................................................................................................................
......................................................................................................................................

2. Nội dung thực hiện:
(ghi những nội dung chính cần thực hiện như trong phần tổng quan) ........................

......................................................................................................................................
......................................................................................................................................
......................................................................................................................................
......................................................................................................................................
......................................................................................................................................
ii


III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ:

09/03/2020

IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 15/07/2020
V. HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN:

ThS. Nguyễn Đình Phú

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

BM. ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SPKT TPHCM
Khoa Điện - Điện Tử

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

Bộ Môn Điện Tử Công Nghiệp
Tp. HCM, ngày tháng năm 2020

LỊCH TRÌNH THỰC HIỆN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Họ tên sinh viên 1: Dương Thanh Hải
MSSV: 16141141

Lớp: 16141DT1B

Họ tên sinh viên 2: Phan Viết Tùng

Lớp: 16141DT1A

MSSV: 16141336

Tên đề tài:
THIẾT KẾ THI CÔNG HỆ THỐNG CỬA BẢO MẬT VÀ CAMERA GIÁM SÁT
CHO HỘ GIA ĐÌNH.

Tuần/ngày

Nội dung

Xác nhận GVHD

- Gặp GVHD để nghe phổ biến yêu cầu làm
Tuần 1đồ án, tiến hành nhận đồ án.
(9/3 – 15/3)
Tuần 2
(16/3 – 22/3)

- GVHD tiến hành xét duyệt đề tài, viết
đề cương tóm tắt nội dung đồ án.

- Tìm hiểu hướng làm đề tài, chọn vi xử lí
điều khiển, tìm hiểu ngơn ngữ lập trình.

iii


- Tìm hiểu tổng quan và phương thức hoạt
Tuần 3động của các Module hệ thống, Camera.
(23/3 – 29/3) - Tìm hiểu lý thuyết,phương pháp

cơng nghệ Xử lí ảnh.
- Tìm hiểu nghiên cứu phương pháp điều
Tuần 4khiển các module và giải thuật dùng
(30/03 –
Raspberry Pi 3.
05/04)

- Tìm hiểu kết nối Camera với Vi điều khiển
trung tâm để xử lí hình ảnh thu được.

Tuần 5

- Tiến hành lập trình giải thuật điều khiển

(06/04 –

module cảm biến vân tay và RFID.

12/04)

- Nghiên cứu lập trình Web Localhost.

Tuần 6

- Nghiên cứu giải thuật theo dõi chuyển động

(13/04 –
19/04)

trong nhà

- Lập trình phương pháp nhận diện khuôn
mặt.
- Nghiên cứu phương pháp điều khiển gửi,

Tuần 7 - 8
(20 – 03/05)

nhận tin nhắn về điện thoại.
- Lập trình kết nối các module trong hệ thống
lại với nhau.

Tuần 9, 10
(04 – 17/05)

- Tiến hành kết nối dây.
- Vẽ sơ đồ mạch in, Layout, PCB.
- Thi công mạch phần cứng.
- Hoàn thiện hệ thống.

Tuần 11, 12

- Tiến hành chạy thử nghiệm và đánh giá sơ

(18 – 31/05)

bộ.
- Tiến hành viết báo cáo.

Tuần 13-14

- Hoàn thành báo cáo và chỉnh sửa lại

(01 – 14/06)

- Gửi giáo viên hướng dẫn xem và chỉnh sửa.

Tuần 15
(15/03 –
21/06)
Tuần 16

- Hoàn thiện báo cáo
- Tiến hành làm Slide.
- Hoàn thành nhiệm vụ đồ án.

iv


(22/06 –

28/06)

GV HƯỚNG DẪN
(Ký và ghi rõ họ và tên)

v


LỜI CAM ĐOAN
Đề tài này là do chúng em tự thực hiện dựa vào một số tài liệu tham

khảo và cơng trình nghiên cứu trước đó, khơng sao chép từ tài liệu hay cơng
trình đã có trước đó. Nếu có sao chép chúng em hoàn toàn chịu trách nhiệm.

Sinh viên thực hiện đề tài

Dương Thanh Hải
Phan Viết Tùng

vi


LỜI CẢM ƠN
Đầu tiên nhóm em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến Thầy Nguyễn Đình Phú,
Thạc sỹ, giảng viên Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh, người
đã tận tình hướng dẫn, chỉ bảo cho nhóm chúng em trong suốt q trình làm khố luận.

Em cũng xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo trong trường Đại Học
Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh, các thầy cơ trong Bộ mơn Điện
Tử Cơng Nghiệp nói riêng đã dạy dỗ cho em kiến thức về các môn đại cương
cũng như các môn chuyên ngành, giúp em có được cơ sở lý thuyết vững
vàng và tạo điều kiện giúp đỡ em trong suốt quá trình thực hiện đồ án này.
Cuối cùng, em xin chân thành cảm ơn gia đình và bạn bè, đã ln tạo điều kiện, quan
tâm, giúp đỡ, động viên em trong suốt q trình học tập và hồn thành đồ án tốt nghiệp.

Xin chân thành cảm ơn!

Người thực hiện đề tài
Dương Thanh Hải

Phan Viết Tùng

vii


MỤC LỤC
TRANG BÌA.............................................................................................................................................. ii
NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP................................................................................................... ii
LỊCH TRÌNH THỰC HIỆN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP.................................................................... iii
LỜI CAM ĐOAN.................................................................................................................................... vi
LỜI CẢM ƠN......................................................................................................................................... vii
MỤC LỤC............................................................................................................................................... viii
LIỆT KÊ HÌNH VẼ................................................................................................................................ xii
LIỆT KÊ BẢNG.................................................................................................................................. xvii
TÓM TẮT............................................................................................................................................. xviii
Chương 1. TỔNG QUAN................................................................................................................... 1
1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ.............................................................................................................................. 1
1.2 MỤC TIÊU...................................................................................................................................... 2
1.3 NỘI DUNG THỰC HIỆN.......................................................................................................... 2
1.4 GIỚI HẠN ĐỀ TÀI....................................................................................................................... 3
1.5 BỐ CỤC.......................................................................................................................................... 3
Chương 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT..................................................................................................... 5
2.1 TỔNG QUAN VỀ XỬ LÝ ẢNH.............................................................................................. 5
2.1.1 Giới thiệu về thuật toán xử lý ảnh [1].................................................................... 5
2.1.2 Các bước cơ bản trong xử lý ảnh........................................................................... 6
2.1.3 Hệ Không Gian Màu RGB............................................................................................. 7
2.1.4 Mức xám (Gray level)...................................................................................................... 9
2.1.5 Nhị phân hóa ảnh.............................................................................................................. 9
2.1.6 Chuyển ảnh màu RGB thành ảnh mức xám Gray level [4]......................10
2.1.7 Bộ lọc ảnh........................................................................................................................... 11
2.2 PHƯƠNG PHÁP NHẬN DIỆN KHUÔN MẶT ỨNG DỤNG THUẬT TOÁN

PHÁT HIỆN ĐỐI TƯỢNG HAAR CASCADE...................................................................... 14
2.2.1 Các đặc trưng Haar – like........................................................................................... 15
2.2.2 Thuật tốn Adaboost.................................................................................................... 17
2.2.3 Mơ hình phân tầng Cascade..................................................................................... 18
viii


2.3 PHƯƠNG PHÁP NHẬN DIỆN VÂN TAY....................................................................... 19
2.4 NGÔN NGỮ LẬP TRÌNH...................................................................................................... 20
2.4.1 Ngơn ngữ Python........................................................................................................... 20
2.4.2 Thư viện OpenCV........................................................................................................... 21
2.5 GIỚI THIỆU PHẦN CỨNG................................................................................................... 22
2.5.1 Raspberry Pi 3 Model B............................................................................................... 22
a. Giới thiệu tổng quan..................................................................................................... 22
b. Cấu tạo phần cứng của kit Raspberry Pi 3....................................................... 23
c. Hệ điều hành của kit Raspberry Pi 3.................................................................... 25
2.5.2 Module RFID MFRC522................................................................................................ 27
2.5.3 USB Camera Logitech C270...................................................................................... 30
2.5.4 Module Cảm biến nhận dạng vân tay R305 Fingerprint Sensor ............31
a. Các đặc tính....................................................................................................................... 32
b. Sơ đồ chân......................................................................................................................... 32
c. Thông số kỹ thuật........................................................................................................... 33
2.5.5 Module GSM GPRS Sim800L.................................................................................... 34
2.5.6 Màn hình hiển thị............................................................................................................ 35
a. LCD20X4.............................................................................................................................. 35
b. Module LCD I2C............................................................................................................... 38
c. Kết nối LCD20X4 với Module LCD I2C................................................................ 38
2.5.7 Mạch Chuyển USB UART CP2102......................................................................... 39
2.5.8 Các linh kiện khác.......................................................................................................... 40
2.6 TỔNG QUAN VỀ CÁC CHUẨN TRUYỀN DỮ LIỆU................................................. 40

2.6.1 Chuẩn giao tiếp I2C....................................................................................................... 40
2.6.2 Chuẩn giao tiếp UART.................................................................................................. 41
Chương 3. TÍNH TỐN THIẾT KẾ.............................................................................................. 49
3.1 GIỚI THIỆU................................................................................................................................. 49
3.2 SƠ ĐỒ KHỐI.............................................................................................................................. 49
3.3 TÍNH TỐN THIẾT KẾ MẠCH............................................................................................ 50
3.3.1 Khối điều khiển trung tâm......................................................................................... 50
3.3.2 Khối thu tín hiệu hình ảnh......................................................................................... 52
3.3.3 Khối RFID, Cảm biến vân tay.................................................................................... 53
ix


a. Sơ đồ kết nối Module RFID MFRC522 với Raspberry Pi 3....................... 53
b. Sơ đồ kết nối Module Cảm biến nhận dạng vân tay R305 Fingerprint Sensor với

Raspberry Pi 3....................................................................................................................... 55
3.3.4 Khối Module Sim............................................................................................................. 55
3.3.5 Khối điều khiển đóng mở cửa................................................................................. 56
3.3.6 Khối hiển thị...................................................................................................................... 61
3.3.7 Khối nút nhấn................................................................................................................... 62
3.3.8 Khối cảnh báo................................................................................................................... 63
3.3.9

Khối Wed Localhost.................................................................................................. 65

a. JavaScript [14].................................................................................................................. 65
b. HTML [15]............................................................................................................................ 66
c. CSS [16]................................................................................................................................ 67
3.4.10 Khối nguồn...................................................................................................................... 68
a. Nguồn cho khối điều khiển trung tâm Raspberry Pi 3................................ 69

b. Nguồn cho khối Module Sim.................................................................................... 72
3.4.11 Sơ đồ nguyên lý tồn mạch.................................................................................... 73
Chương 4. THI CƠNG HỆ THỐNG............................................................................................. 74
4.1 GIỚI THIỆU................................................................................................................................. 74
4.2 THI CƠNG HỆ THỐNG.......................................................................................................... 74
4.2.1. Thi cơng board mạch.................................................................................................. 74
a. Thiết kế sơ đồ mạch in................................................................................................ 76
b. Thi cơng và lắp ráp........................................................................................................ 76
4.2.2. Đóng gói và thi cơng mơ hình................................................................................ 77
a. Đóng gói Board vào hệ thống.................................................................................. 77
b. Bố trí các ngoại vị trên hệ thống và mơ hình cửa......................................... 78
c. Thiết kế buồng sáng...................................................................................................... 79
4.3 LẬP TRÌNH HỆ THỐNG........................................................................................................ 80
4.3.1 Lưu đồ giải thuật............................................................................................................. 82
a. Lưu đồ chương trình chính....................................................................................... 82
b. Lưu đồ chương trình qt thẻ RFID và vân tay............................................. 84
c. Lưu đồ chương trình con nhận diện khn mặt........................................... 85
d. Lưu đồ chương trình con thêm vân tay và thẻ mới..................................... 86
x


e. Lưu đồ chương trình con xóa thơng tin thẻ và vân tay............................. 87
f. Lưu đồ giải thuật phát hiện chuyển động trong nhà .................................... 88
g. Lưu đồ giải thuật nhận diện khn mặt............................................................. 89
4.3.2 Phần mềm lập trình cho hệ thống......................................................................... 90
4.3.3 Chụp ảnh và tranning để nhận diện khuôn mặt............................................. 92
4.3.4 Tập dữ liệu dung để huấn luyện nhận dạng khn mặt ...........................98
4.4 LẬP TRÌNH WEB LOCALHOST........................................................................................ 99
4.5 VIẾT TÀI LIỆU HƯỚNG DẪN SỬ DỤNG – THAO TÁC...................................... 101
Chương 5. KẾT QUẢ – NHẬN XÉT – ĐÁNH GIÁ............................................................. 122

5.1 KẾT QUẢ TỔNG QUAN..................................................................................................... 122
5.2 KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC......................................................................................................... 122
5.2.1 Kết quả mơ hình hệ thống thực tế...................................................................... 123
5.2.2 Kết quả thiết kế Web Localhost............................................................................ 123
5.2.3 Kết quả nhận dạng khuôn mặt.............................................................................. 124
a. Kết quả nhận diện trên máy tính.......................................................................... 124
b. Kết quả nhận diện thực tế....................................................................................... 125
5.2.4 Kết quả thực tế với chế độ RFID + Vân tay.................................................... 127
5.2.5 Kết quả phát hiện chuyển động của Camera giám sát trong ngôi nhà
............................................................................................................................................................ 127

5.3 NHẬN XÉT – ĐÁNH GIÁ.................................................................................................... 129
5.3.1 Nhận xét............................................................................................................................ 129
5.3.2 Đánh giá kết quả........................................................................................................... 129
Chương 6. KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN........................................................... 130
6.1 KẾT LUẬN................................................................................................................................ 130
6.2 HƯỚNG PHÁT TRIỂN......................................................................................................... 131
TÀI LIỆU THAM KHẢO....................................................................................................................... 1

xi


LIỆT KÊ HÌNH VẼ
Hình

Trang

Hình 2. 1. Các bước trong xử lý ảnh......................................................................................... 6
Hình 2. 2 Khơng gian màu RGB................................................................................................... 8
Hình 2. 3. Hệ tọa độ màu RGB....................................................................................................... 8

Hình 2. 4. Ảnh Grayscale và ảnh trắng đen......................................................................... 10
Hình 2. 5. Minh họa việc nhân ma trận ảnh......................................................................... 12
Hình 2. 6. Ma trận đầu vào I được nhân với ma trận lọc (phần xám ở hình trái) để tạo thành

ma trận đầu ra O................................................................................................................................. 12
Hình 2. 7. Biểu diễn ma trận lọc Gauss.................................................................................. 14
Hình 2. 8. Hình ảnh các đặc trưng Haar – Like.................................................................. 15
Hình 2. 9. Bốn đặc trưng cơ bản do Viola và Jones cơng bố.................................... 15
Hình 2. 10. Đặc trưng cạnh........................................................................................................... 15
Hình 2. 11. Đặc trưng đường....................................................................................................... 16
Hình 2. 12 Đặc trưng quanh tâm................................................................................................ 16
Hình 2. 13. Cách tính Integral Image....................................................................................... 16
Hình 2. 14. Tính nhanh giá trị vùng ảnh D............................................................................ 17
Hình 2. 15. Hình ảnh minh họa việc kết hợp các bộ phân loại yếu thành bộ phân loại mạnh.

18
Hình 2. 16. Mơ hình phân tần Cascade................................................................................... 19
Hình 2. 17. Phương pháp nhận dạng vân tay quang học............................................ 20
Hình 2. 18. Bo mạch Raspberry Pi 3........................................................................................ 23
Hình 2. 19. Sơ đồ chân GPIO trên Raspberry Pi 3........................................................... 24
Hình 2. 20. Cấu trúc thành phần trên Raspberry Pi3. ..................................................... 24
Hình 2. 21. Giao diện của Raspberry chạy hệ điều hành Raspbian. ...................... 27
Hình 2. 22. Cửa sổ cho phép hoạt động các chuẩn giao tiếp. ................................... 27
xii


Hình 2. 23. Module RFIF RC522.................................................................................................. 28
Hình 2. 24. Các loại Thẻ Tag......................................................................................................... 29
Hình 2. 25. Camera Logitech C270........................................................................................... 31
Hình 2. 26. Module cảm biến vân tay R305.......................................................................... 32

Hình 2. 27. Sơ đồ chân R305....................................................................................................... 33
Hình 2. 28. Sơ đồ chân Module GSM GPRS Sim800L.................................................... 34
Hình 2. 29. Màn hình LCD 20x4.................................................................................................. 36
Hình 2. 30. Sơ đồ chân LCD 20x4............................................................................................. 36
Hình 2. 31. Hình ảnh Module LCD I2C trong thực tế....................................................... 38
Hình 2. 32. Hình ảnh kết nối LCD20X4 với Module LCD I2C trong thực tế. .......39
Hình 2. 33. Mạch Chuyển USB UART CP2102.................................................................... 39
Hình 2. 34. Dạng sóng mơ tả hoạt động của chuẩn giao tiếp I2C........................... 41
Hình 2. 35. Giao tiếp UART............................................................................................................ 42
Hình 3. 1. Sơ đồ khối của hệ thống....................................................................................... 49
Hình 3. 2. Sơ đồ các cổng ngoại vi sử dụng. ................................................................... 51
Hình 3. 3. Sơ đồ ngun lý kết nối khối thu tín hiệu hình ảnh với Raspberry Pi 3.
................................................................................................................................................................... 52

Hình 3. 4. Sơ đồ kết nối Module RFID MFRC522 với Raspberry Pi 3..................54
Hình 3. 5. Sơ đồ kết nối Module Cảm biến nhận dạng vân tay R305 Fingerprint Sensor với

Raspberry Pi 3 thông qua USB UART.................................................................................. 55
Hình 3. 6. Sơ đồ kết nối Module GSM GPRS SIM800L với Raspberry Pi 3 thơng qua USB

UART...................................................................................................................................................... 56
Hình 3. 7. Khóa chốt điện từ..................................................................................................... 56
Hình 3. 8. Sơ đồ chân Relay...................................................................................................... 57
Hình 3. 9. Kí hiệu chân của Transistor 2SC1815............................................................ 59
Hình 3. 10. Sơ đồ nguyên lý khối điều khiển đóng mở cửa.................................... 60
Hình 3. 11. Kết nối Module LCD I2C với LCD20X4........................................................ 61
xiii


Hình 3. 12. Kết nối Module LCD I2C với Raspberry Pi 3............................................ 62

Hình 3. 13. Sơ đồ kết nối giữa khối nút nhấn và Raspberry Pi 3. ......................... 63
Hình 3. 14. Buzer 5V....................................................................................................................... 64
Hình 3. 15. Sơ đồ kết nối của khối cảnh báo................................................................... 64
Hình 3. 16. Nguồn tổ ong 20V-10A......................................................................................... 68
Hình 3. 17. Sơ đồ nguồn chung cấp cho hệ thống....................................................... 69
Hình 3. 18. Mạch Giảm Áp DC LM2596 3A......................................................................... 71
Hình 3. 19. Sơ đồ nguồn cấp cho Raspberry Pi 3......................................................... 72
Hình 3. 20. Sơ đồ nguồn cấp cho Module Sim................................................................ 73
Hình 3. 21. Sơ đồ ngun lý tồn mạch.............................................................................. 74
Hình 4. 1. Sơ đồ mạch in board mạch................................................................................. 76
Hình 4. 2. Mặt trước board mạch sau khi thi cơng.......................................................... 77
Hình 4. 3. Mặt sau board mạch sau khi thi cơng............................................................... 77
Hình 4. 4. Đóng gói Board mạch vào hệ thống.................................................................. 78
Hình 4. 5. Bố trí các ngoại vi mơ hình hệ thống................................................................ 79
Hình 4. 6. Buồng sáng..................................................................................................................... 80
Hình 4. 7. Lưu đồ chương trình chính thứ nhất. ............................................................... 82
Hình 4. 8. Lưu đồ chương trình chính thứ hai................................................................... 83
Hình 4. 9. Lưu đồ chương trình quét thẻ RFID và vân tay........................................... 84
Hình 4. 10. Lưu đồ chương trình con nhận diện khn mặt..................................... 85
Hình 4. 11. Lưu đồ chương trình con thêm vân tay và thẻ RFID mới.................... 86
Hình 4. 12. Lưu đồ chương trình con xóa thẻ RFID và vân tay................................ 87
Hình 4. 13. Lưu đồ giải thuật theo dõi chuyển động...................................................... 88
Hình 4. 14. Lưu đồ giải thuật nhận diện khn mặt người......................................... 90
Hình 4. 15. Phần mềm Visual Studio Code.......................................................................... 91
xiv


Hình 4. 16. Giao diện khi mới khởi động của Visual Studio Code..........................91
Hình 4. 17. Cài đặt Python và Remote – SSH cho Visua Studio Code..................92
Hình 4. 18. Phần mềm Xlaunch.................................................................................................. 92

Hình 4. 19. Kết nối vào Raspberry Pi 3................................................................................... 93
Hình 4. 20. Khởi động phần mềm Xlaunch. ......................................................................... 94
Hình 4. 21. Giao diện địa chỉ Ip của máy tính..................................................................... 95
Hình 4. 22. Chương trình capture.py....................................................................................... 95
Hình 4. 23. Giao diện phát hiện khn mặt hay khơng. ................................................ 96
Hình 4. 24. Chụp ảnh và hiển thị ảnh trên phần mềm Xlaunch. ................................ 96
Hình 4. 25. Xóa ảnh khỏi Datasets trên Raspberry pi. ................................................... 97
Hình 4. 26. Giao diện trainning khn mặt đã đã chụp để nhận diện. .................. 97
Hình 4. 27. Chương trình application.py............................................................................... 98
Hình 4. 28. Dữ liệu khn mặt Fodder “Hai”...................................................................... 98
Hình 4. 29. Dữ liệu khn mặt Fodder “Tung”................................................................... 99
Hình 4. 30. Giao diện đăng nhập của trang Web.............................................................. 99
Hình 4. 31. Đăng nhập của trang Web.................................................................................. 100
Hình 4. 32. Giao diện trang web sau khi đăng nhập vào............................................ 100
Hình 4. 33. Hệ thống lúc mới bật nguồn............................................................................. 101
Hình 4. 34. Bốn nút nhấn điều khiển trên mơ hình........................................................ 102
Hình 4. 35. Chọn chế độ qt thẻ và nhận dạng vân tay. ........................................... 103
Hình 4. 36. Quét vân tay đúng và cửa được mở............................................................ 103
Hình 4. 37. Thẻ đã qt khơng có trong database, vân tay khơng đúng. .........104
Hình 4. 38. Hệ thống đã khóa.................................................................................................... 105
Hình 4. 39. Nội dung tin nhắn hệ thống gửi về điện thoại......................................... 105
Hình 4. 40. Nội dung tin nhắn chủ nhà cho phép bật trở lại.................................... 105
xv


Hình 4. 41. Chế độ nhận diện khn mặt........................................................................... 106
Hình 4. 42. Khn mặt đúng mở cửa................................................................................... 106
Hình 4. 43. Cú pháp tin nhắn để mở cửa............................................................................ 107
Hình 4. 44. Chế độ thêm thẻ và vân tay............................................................................... 107
Hình 4. 45. Thêm thẻ tag mới và vân tay mới.................................................................. 108

Hình 4. 46. Giao diện xóa thẻ và vân tay............................................................................. 108
Hình 4. 47. Xóa UID thẻ và mã vân tay.................................................................................. 109
Hình 4. 48. Cú pháp bật camera theo dõi........................................................................... 109
Hình 4. 49. Tín hiệu đèn xanh Camera được bật theo dõi........................................ 110
Hình 4. 50. Cú pháp cảnh báo đang có người đột nhập vào nhà. ........................110
Hình 4. 51. Cú pháp tin nhắn tắt hệ thống camera giám sát.................................... 110
Hình 4. 52. Giao diện đăng nhập trang Web..................................................................... 111
Hình 4. 53. Giao diện trang wed sau khi đăng nhập. .................................................... 111
Hình 5. 1. Mặt trước, mặt sau của mơ hình hệ thống sau khi hồn thành. .. .123
Hình 5. 2. Giao diện Web sau khi hồn thiện. ................................................................ 124
Hình 5. 3. Hình ảnh nhận diện đúng khn mặt........................................................... 124
Hình 5. 4. Hình ảnh khơng phát hiện được khn mặt............................................ 125
Hình 5. 5. Background chung từ camera chụp lại...................................................... 127
Hình 5. 6. Vùng phát hiện chuyển động........................................................................... 128
Hình 5. 7. Ngưỡng phát hiện của vật thể......................................................................... 128
Hình 5. 8. Sự khác nhau giữa Background và vật thể di chuyển. ...................... 128
Hình 5. 9. Kết quả theo dõi chuyển động theo mức logic...................................... 129

xvi


LIỆT KÊ BẢNG
Bảng

Trang

Bảng 2. 1. Chức năng các chân R305.................................................................................. 33
Bảng 2. 2. Sơ đồ chân LCD 20x4............................................................................................ 36
Bảng 3. 1. Bảng kết nối chân Module RFID MFRC522 với Raspberry Pi 3. .....54
Bảng 3. 2. Thông số kỹ thuật của relay............................................................................... 57

Bảng 3. 3. Thông số kỹ thuật của 2SC1815...................................................................... 59
Bảng 3. 4. Kết nối chân Module LCD I2C với Raspberry Pi 3. ................................ 62
Bảng 3. 5. Thống kê nguồn tiêu thụ của Raspberry Pi 3 và các ngoại vi. ........70
Bảng 4. 1. Thông tin các thiết bị, linh kiện sử dụng cho mạch. ............................ 74
Bảng 5. 1. Bảng giám sát đánh giá hệ thống bảo mật ở phương thức nhận diện khuôn mặt.

125

xvii


TĨM TẮT
Đề tài “THIẾT KẾ THI CƠNG HỆ THỐNG CỬA BẢO MẬT VÀ CAMERA GIÁM
SÁT CHO HỘ GIA ĐÌNH” là hệ thống cửa bảo mật, camera giám sát trong nhà. Cửa
bảo mật cho phép đóng mở cửa bằng hai chế độ, Camera giám sát theo dõi chuyển
động trong nhà phát hiện và đưa ra cảnh báo. Hệ thống sử dụng Kit Raspberry Pi 3
làm bộ điều khiển trung tâm với ngơn ngữ lập trình python và thư viện OpenCV.
Ngồi ra thì hệ thống có thể điều khiển đóng mở cửa, bật hoặc tắt camera theo dõi
thông qua tin nhắn gửi từ điện thoại của chủ nhà cùng giao diện Web Localhost để
mở cửa và truy xuất thông tin thời gian ra vào nhà. Kết quả thực hiện đề tài là có thể
tạo ra được một hệ thống cửa bảo mật và camera giám sát chuyển động trong nhà.

xviii


CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN

Chương 1. TỔNG QUAN
1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ
Trong thời buổi kinh tế phát triển, cuộc sống của con người ngày càng được

nâng cao trên nhiều lĩnh vực. Con người có nhu cầu được ăn mặc đẹp hơn, mua
sắm nhiều thứ hơn, sở hữu trong tay nhiều tài sản có giá trị, khơng gian ngơi nhà
được cải thiện chất lượng cao hơn với nhiều món đồ đắt giá…Chính vì vấn đề đó
nên để bảo vệ được những tài sản của mình thì ngơi nhà, nơi trang trí cũng như tổ
ấm của chúng ta cần được trang bị hệ thống bảo mật và an ninh phù hợp.
Hiện nay những thiết bị để bảo mật cho ngơi nhà của bạn có rất nhiều loại đặc biệt là
các loại khóa…Nhưng hầu hết là khóa cơ khí, các loại khóa cơ khí này đều gặp vấn đề lớn đó
là tính bảo mật của các khóa này khơng cao, nên dễ dàng bị phá bỏ bởi các chìa khóa đa
năng. Về khóa kỹ thuật số đang có bán trên thị trường đều có giá khá cao và chủ yếu là các
loại tay nắm ta thường thấy trong khách sạn và trong các căn hộ chung cư. Khóa sử dụng
phương pháp cài đặt mã số để khóa hoặc mở và người sử dụng có thể cài đặt số bất kì. Hệ
thống số của khóa được thiết kế bằng các phím số nên khá tiện lợi khi sử dụng. Bên cạnh
loại chỉ có chức năng khóa bằng mã số, cịn có loại kèm theo chức năng khóa bằng thẻ. Nếu
như bạn trót qn mã số thì có thể dùng thẻ để mở khóa.

Hiện tại hệ thống cửa bảo mật cũng đang là một trong những sản phẩm phổ biến
và được giới công nghệ rất quan tâm nó có thể thay thế con người để điều khiển vật
dụng thơng qua một vài cử chỉ, giọng nói và đặc biệt là từ hình ảnh của con người . Các
hệ thống bảo mật ngày càng được tích hợp thêm nhiều các thiết bị điện tử, công nghệ
thông minh để tăng cường tối đa độ bảo mật và tạo nên sự tin cậy cho người sử dụng.

Để đảm bảo vấn đề an ninh cho ngơi nhà thì hiện tại trên thị trường
cũng có các hệ thống giám sát an ninh bằng camera, hệ thống báo động, theo
dõi. Tuy nhiên thì các hệ thống này tương đối lớn và chi phí khá cao nên sẽ
không phù hợp với một số hộ gia đình nhỏ hay các khu nhà trọ.
Với mục đích tạo ra được một hệ thống bảo mật và an ninh để bảo vệ tốt ngôi nhà,
phù hợp với giá thành, thân thiện với người dùng nên nhóm chúng em xin giới thiệu đề tài:
“THIẾT KẾ THI CÔNG HỆ THỐNG CỬA BẢO MẬT VÀ CAMERA GIÁM SÁT CHO

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

1


CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN
HỘ GIA ĐÌNH”, do chính nhóm tiến hành nghiên cứu và thực hiện. Với mơ hình này,
chúng ta sẽ có một hệ thống bảo mật và an ninh, an tồn cho ngơi nhà của chính mình.

1.2 MỤC TIÊU
Mục tiêu nghiên cứu của đề tài “THIẾT KẾ THI CÔNG HỆ THỐNG CỬA
BẢO MẬT VÀ CAMERA GIÁM SÁT CHO HỘ GIA ĐÌNH” đầu tiên là tạo được
một hệ thống bảo mật mở cửa bằng hai chế độ:
Chế độ 1: Mở cửa bằng phương pháp nhận diện khuôn mặt với việc ứng dụng xử lí ảnh để
nhận dạng khn mặt dựa trên ngơn ngữ Python với thư viện chính là OpenCV.

Chế độ 2: Mở cửa thông qua thẻ RFID kết hợp với hệ thống cảm biến
nhận dạng vân tay.
Thứ hai đó là tạo được một hệ thống camera giám sát bằng cách sử dụng Ứng
Dụng Phát Hiện Chuyển Động dựa trên ngơn ngữ lập trình Python với thư viện chính là
OpenCV đưa ra cảnh báo phát hiện thông qua Module Sim và chuông báo động.

Thứ ba thiết kế được một Web Localhost có khả năng mở cửa, lưu trữ
các thơng tin khi vào nhà từ xa.

1.3 NỘI DUNG THỰC HIỆN
NỘI DUNG 1: Tổng quan về Xử Lí Ảnh, các giải pháp thiết kế hệ thống
bảo mật và an ninh, giao diện Web Localhost.
NỘI DUNG 2: Nghiên cứu thuật toán xử lí ảnh ứng dụng vào nhận diện
khn mặt, tìm hiểu thuật toán Cảm biến vân tay và Thẻ RFID. Module
SIM để gửi nhận tin nhắn.

NỘI DUNG 3: Nghiên cứu thuật tốn xử lí ảnh ứng dụng vào việc phát
hiện chuyển động, giải pháp báo động bằng module sim thông qua tin
nhắn và qua chuông báo động.
NỘI DUNG 4: Giải pháp thiết kế giao diện Web Localhost hiển thị thông
tin người vào nhà (thời gian, hình ảnh) và mở cửa từ xa.
NỘI DUNG 5: Hoàn thiện hệ thống điều khiển và mơ hình, tiến hành
chạy thử nghiệm.
NỘI DUNG 6: Đánh giá kết quả thực hiện.
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

2


CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN
NỘI DUNG 7: Viết báo cáo đề tài

1.4 GIỚI HẠN ĐỀ TÀI
- Thiết kế mơ hình nhà cơ bản.
- Sử dụng khóa chốt điện tử để đóng mở cửa.
- Nhận dạng khuôn mặt và phát hiện chuyển động bằng thuật tốn xử lí
ảnh thơng qua Camera.
- Cảnh báo bằng tin nhắn thông qua Module SIM.
- Dùng Raspberry Pi 3 mode B làm Vi Xử Lí trung tâm có chức năng xử lí,
nhận biết hình ảnh người, nhận diện, hiển thị thông tin người dùng và
điều khiển các module cảm biến khác.
- Cho phép hệ thống thêm hoặc xóa vân tay và thẻ RFID.
-

Giao diện Web Localhost đơn giản để hiện thị thông tin của đề tài,

thông tin người vào nhà (thời gian, hình ảnh).

1.5 BỐ CỤC
Chương 1: Tổng Quan
Chương này nhóm 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 ngơn ngữ Python3 và
thư viện OpenCV, phương pháp nhận diện khuôn mặt, cảm biến vân tay,
RFID, nguyên lý hoạt động của hệ thống, giới thiệu các chuẩn giao tiếp được
sử dụng trong hệ thống, giới thiệu phần cứng.
Chương 3: Thiết Kế và Tính tốn
Ở chương này chúng em trình bày về: Thiết kế sơ đồ khối cho hệ
thống, tính tốn thiết kế cho từng khối, sơ đồ nguyên lý của toàn mạch.
Chương 4: Thi cơng hệ thống

BỘ MƠN ĐIỆN TỬ CƠNG NGHIỆP – Y SINH

3


CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN
Chương này trình bày sơ đồ mạch in, các linh kiện sử dụng trong mạch, thi công mơ
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, nêu ra những khó khăn
trong q trình làm và cách khắc phục, nhận xét mơ hình đã làm có đạt hay khơng.

Chương 6: Kết Luận và Hướng Phát Triển

Chương này trình bày đánh giá mơ hình hoạt động ổn hay khơng, đạt
bao nhiêu phần trăm so với mục tiêu ban đầu đặt ra.

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

4


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 thuật toán xử lý ảnh [1]
Xử lý ảnh là một lĩnh vực mang tính khoa học và cơng 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 chun dụng
riêng cho nó đặc biệt là trong thời đại công nghệ phát triển mạnh như hiện nay.
Các phương pháp xử lý ảnh bắt đầu từ các ứng dụng chính như: 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...Như lĩnh vực
Xử lý tín hiệu là một môn học trong kỹ thuật điện tử, viễn thơng và trong tốn 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 q trình xử lý, đó chính là q 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

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

5


CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT
thu (như Camera, máy chụp ảnh) sau đó nó được chuyển trực tiếp thành ảnh
số tạo thuận lợi cho xử lý tiếp theo.

2.1.2 Các bước cơ bản trong xử lý 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 hố (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 thơng 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.

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

6


CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT
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 loại ảnh khác nhau về ảnh. Theo lý thuyết về nhận
dạng, các mơ 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 ngồi việc đơn giản hóa các
phương pháp tốn 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 Hệ Không Gian Màu RGB
Không gian màu RGB là một không gian màu cơ bản trong xử lý ảnh, sử
dụng mơ hình bổ sung trong đó ánh sáng đỏ, xanh lá cây, xanh da trời được tổ
hợp với nhau theo nhiều phương thức khác nhau để tạo thành các màu khác
nhau. Tất cả đều là sự pha trộn của 3 màu cơ bản là Red, Green và Blue.

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

7


CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Hình 2. 2 Khơng gian màu RGB.

Ta cũng cần lưu ý rằng, tự bản thân mơ hình màu RGB khơng định nghĩa thế
nào là “đỏ”, “xanh lá”, “xanh dương” một cách chính xác, vì thế với cùng các giá trị

như nhau của RGB có thể mô tả các màu tương đối khác nhau trên các thiết bị khác
nhau có cùng một mơ hình màu. Trong khi chúng cùng chia sẻ một mơ hình màu
chung, khơng gian màu thực sự của chúng là dao động một cách đáng kể.

Trong biểu diễn số trên máy tính, ảnh màu RGB có thể sử dụng số bit
màu là 16, 24, 32 hoặc 48 bit. Điểm ảnh có số bit màu càng cao thì màu sắc
của điểm ảnh càng được biểu diễn chính xác.
Mơ hình màu RGB được biểu diễn bởi khối lập phương với các trục R, G, B như sau:

Hình 2. 3. Hệ tọa độ màu RGB.
Thơng thường ảnh số được mã hóa bằng 24 bit thơng tin cho mỗi điểm ảnh (bit per
pixel hay bpp), nghĩa là 8 bit ứng với mỗi kênh R, G, B, thì mỗi kênh màu này sẽ nhận giá

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

8