KHÓA cửa THÔNG MINH sử DỤNG ARDUINO

TÊN ĐỀ TÀI: KHĨA CỬA THƠNG MINH SỬ DỤNG
ARDUINO

Giáo viên hướng dẫn: PGS.TS Trần Đức Thuận

1


MỤC LỤC
MỤC LỤC......................................................................................................... 1
DANH MỤC HÌNH ẢNH ...............................................................................5
DANH MỤC BẢNG BIỂU .............................................................................7
NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP .................................................................8
: TỔNG QUAN VỀ KHĨA THƠNG MINH ..................................9
1 . Lý do chọn đề tài ..........................................................................................9
2 . Mục tiêu .....................................................................................................10
3 . Giới thiệu về khóa thơng minh ..................................................................10
Giới thiệu về khóa thơng minh. ............................................................. 11
Các phương thức mở khóa cửa thơng minh...........................................11
CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ CÁC LINH KIỆN .............................. 13
1 . Tổng quan về arduino ................................................................................13
Giới thiệu về board arduino uno ........................................................... 13
Giới thiệu về board arduino mega 2560 ...............................................17
Nhận dạng vân tay với cảm biến vân tay as608 ....................................22
2 Giới thiệu công nghệ RFID ..........................................................................31
Giới thiệu ............................................................................................... 31
Module RFID-rc522 ..............................................................................32
3 Bàn phím ma trận 4x4 (keypad 4x4)............................................................ 35
Hoạt động của keypad 4x4 ....................................................................36
Khái niệm............................................................................................... 36
Thông số kỹ thuật của keypad 4x4 ........................................................37

Ứng dụng ............................................................................................... 37
4 .Giới thiệu vè module sim 800l ....................................................................37
Giới thiệu chung ....................................................................................37
Thông số kỹ thuật module sim800l .......................................................38
2


Tập lệnh at của module sim800l ............................................................ 38
Sơ đồ chân module gsm gprs .................................................................39
5 .Màn hình lcd 16x2 ......................................................................................40
Giới thiệu ............................................................................................... 40
Module giao tiếp i2c giữa lcd 16x2 với arduino ...................................42
TÍNH TỐN VÀ THIẾT KẾ .....................................................43
1 .THIẾT KẾ SƠ ĐỒ KHỐI HỆ THỐNG .....................................................43
2 .Tính tốn và thiết kế mạch ..........................................................................45
Khối xử lý trung tâm..............................................................................45
Khối cảm biến vân tay ...........................................................................46
Khối module sim 800l. ..........................................................................48
Khối module RFID-rc522 ......................................................................50
Khối ma trận bàn phím 4x4 ...................................................................52
Khối nguồn ............................................................................................ 52
Khối chấp hành ......................................................................................55
Chống nhiễu cho arduino .......................................................................57
THI CƠNG HỆ THỐNG ............................................................ 58
1 Lập trình hệ thống ........................................................................................58
Lưu đồ giải thuật ....................................................................................58
Giới thiệu phần mềm lập trình arduino ide ............................................59
.Giới thiệu về phần mềm mơ phỏng proteus .........................................60
Lập trình code và nạp cho vi điều khiển................................................65
Mơ hình sau khi đã hồn thành .............................................................. 84

NGHIÊN CỨU MỞ KHĨA BẰNG CHỨC NĂNG NHẬN DIỆN
KHN MẶT ...............................................................................................................85
1 Giới thiệu các phương pháp nhận diện khuôn mặt ......................................85
Nhận dạng dựa trên các đặc trưng khuôn mặt .......................................86
Nhận dạng dựa trên xét tồn bộ khn mặt ...........................................86
3


2 Opencv trong việc nhận dạng khuôn mặt ....................................................87
Sơ đồ khối của hệ thống ........................................................................89

4


DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 1-1 Hình ảnh về khóa thơng minh thực tế .................................................10
Hình 2-1 Các loại board arduino ........................................................................13
Hình 2-2 Hình ảnh thực tế về arduino uno ........................................................14
Hình 2-3 Các chân nguồn của arduino uno .......................................................15
Hình 2-4. Hình ảnh thực tế về arduino mega 2560 ............................................18
Hình 2-5 Sơ đồ chân arduino mega 2560 ........................................................... 20
Hình 2-6 Hình ảnh vân tay được nhận dạng.......................................................23
Hình 2-7 Sơ đồ quá trình xủ lý ảnh ....................................................................24
Hình 2-8 Quá trình so sánh vân tay ....................................................................25
Hình 2-9. Hình ảnh thực tế về cảm biến vân tay as608 .....................................26
Hình 2-10 giao thức truyền thơng của as608 .....................................................29
Hình 2-11 Định nghĩa của thanh ghi ..................................................................30
Hình 2-12 Chip bảo mặt trong thẻ RFID ............................................................ 31
Hình 2-13 Hình ảnh thực tế module RFID-rc522 ..............................................32
Hình 2-14 Thẻ từ để quét với module rfid .........................................................34

Hình 2-15 Hình ảnh thực tế của bàn phím ma trận 4x4 ....................................36
Hình 2-16 Hình ảnh thực tế về module sim800l ...............................................38
Hình 2-17 Hình ảnh thực tế màn hình lcd 16x2 .................................................40
Hình 2-18 Hình ảnh thực tế module giao tiếp i2c ..............................................42
Hình 3-1 Sơ đồ khối hệ thống ............................................................................44
Hình 3-2 Board arduino mega 2560 ...................................................................46
Hình 3-3 Khối xử lý và khối cảm biến vân tay .................................................46
Hình -4 Phương thức truyền thơng nối tiếp uart ................................................48
Hình 3-5 Cảm biến vân tay kết nối arduino mega..............................................48
Hình 3-6. Hình ảnh thực tế module giảm áp lm2596 .........................................49
Hình 3-7 Phương thức giao tiếp spi....................................................................51
Hình 3-8 Hình ảnh thực tế của bàn phím ma trận 4x4 ......................................52
Hình 3-9 Hình ảnh nguồn adapter 12v 3a thực tế ..............................................53
5


Hình 3-10 Nguồn pin 9v dự phịng ....................................................................53
Hình 3-11 Dây cáp cấp nguồn cho arduino ........................................................53
Hình 3-12 Mạch chuyển nguồn tự động ............................................................ 54
Hình 3-13 Hình ảnh relay thực tế .......................................................................55
Hình 3-14 Khóa điện 12v ...................................................................................56
Hình 3-15 Hình ảnh về tip 41c ...........................................................................57
Hình 4-1 Lưu đồ giải thuật .................................................................................58
Hình 4-2 Giao diện phần mềm lập arduino ide .................................................59
Hình 4-3 Ma trận bàn phím 4x4 hiển thị lên màn lcd ........................................61
Hình 4-4 Cửa mở khi nhập mật khẩu đúng ........................................................65
Hình 4-5 Đăng ký vân tay thành cơng ................................................................ 71
Hình 4-6 Chạy thử 3 chức năng mở cửa ............................................................ 83
Hình 4-7 Mơ hình cửa thơng minh khi đã hồn thành .......................................84
Hình 5-1 Hình ảnh raspberry pi 3…………….………………………………..88

Hình 5-2 Sơ đồ khối của hệ thống mở cửa bằng phương pháp nhận diện khuôn
mặt ......................................................................................................................89
Hình 5-3 Kết quả đoạn trương trình phát hiện khn mặt ................................ 91
Hình 5-4 Kết quả tìm điểm landmarks và căn chỉnh khn mặt .......................92
Hình 5-5 Các điểm landmarks chuẩn được sử dụng .........................................93

6


DANH MỤC BẢNG BIỂU
bảng 2-1 Thông số kỹ thuật của arduino uno .....................................................15
Bảng 2-2 Chức năng các chân của cảm biến vân tay .........................................28
bảng 5-3 Sơ đò các chân của màn hình lcd 16x2 ...............................................40

7


NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
TÊN ĐỀ TÀI : KHÓA CỬA THƠNG MINH SỬ DỤNG ARDUINO
U CẦU: Mơ hình thực tế và phần mềm mô phỏng
Nội dung thực hiện:
+ Nhiệm vụ chung :
-

Tìm hiểu và nghiên cứu về cấu tạo, nguyên lý hoạt động, chức năng của các
module Arduino R3, arduino Mega 2560 , cảm biến vân tay AS608, module
Sim 800l, ma trận phím 4x4, module RFID và màn hình LCD, nguồn giảm áp
…

-

Tìm hiểu về phần mềm lập trình cho Arduino

-

Tìm hiểu phần mềm mơ phỏng mạch điện trên Proteus

-

Thiết kế và lắp đặt một mơ hình hồn thiện.

-

Viết báo cáo tốt nghiệp.
+ Nhiệm vụ riêng:

-

Tìm hiểu thêm phương pháp mở cửa bằng nhận diện khn mặt.

-

Lập trình điều khiển khóa cửa với cách : mở cửa bằng mật khẩu và mở cửa
bằng cuộc gọi bằng phần mềm Arduino IDE

-

Mô phỏng nguyên lý hoạt động của cách mở cửa bằng mật khẩu trên phần mềm
Proteus

8


: TỔNG QUAN VỀ KHĨA THƠNG MINH
1 . Lý do chọn đề tài
Ngày nay, khi đời sống kinh tế - xã hội phát triển, vấn đề an ninh được quan tâm
nhiều hơn. Ở nước ta, việc bảo vệ an ninh đang dẫm chân tại chỗ ở việc người ta vẫn
đang sử dụng con người cho mục đích an ninh là chính như việc thuê các bảo vệ viên,
hay lắp đặt các hệ thống camera thông thường mà một kẻ gian hiểu biết có thể qua mắt
được.
Thời đại 4.0 thời đại của công nghệ mọi thứ đang dần được công nghệ hóa, hiện
đại hóa và và Smart home thì cần có smartlock. Thiết kế khóa cửa thơng minh tại thời
điểm này khơng phải là q sớm hay mới mẻ nhưng đó cũng chưa là muộn khi xã hội
đang dần tiếp cận gần hơn và rất ưa chuộng với thiết bị điện tử thơng minh có tính bảo
mật cao này.
Khóa cửa thơng minh là một thiết bị cơ điện khác biệt với các loại khóa truyền
thống có tác dụng thực hiện các nhiệm vụ đóng/mở khi nhận được lệnh từ một thiết bị
được xác thực. Smartlock sử dụng kết nối không dây với một khóa mã để thực hiện q
trình xác nhận. Khóa cửa thơng minh cũng đồng thời nhận diện bất kỳ sự tiếp cận nào
và gửi thông báo về các tình huống khẩn cấp khác liên quan đến tình trạng của thiết bị.
Mặt khác, việc phát triển không ngừng của vi xử lý đã cho ra đời nhiều loại sản
phẩm thơng minh nhỏ gọn, tích hợp nhiều chứ năng cho người dùng dễ sử dụng. Không
thể không kể đến kit Arduino- một sản phẩm được sử dụng trên toàn cầu và có cộng
đồng người dùng rất lớn. Kit Arduino có thể kết hợp với nhiều module khác để tạo nên
những ứng dụng thiết thực cho cuộc sống hiện đại ngày nay. Với những đặc tính trên,
nhóm đã quyết định thực hiện mơ hình bao gồm Arduino, module cảm biến vân tay, bàn
phím, thẻ từ để làm bộ khóa cửa thơng minh. Trong bài báo này, chúng em sẽ xây dựng
một mơ hình hệ thống cửa tự động với cấp độ bảo mật cao và khắc phục các vấn đề còn
tồn tại khi sử dụng nguồn nhân lực là con người.

9


2 . Mục tiêu
-Tìm hiểu và nghiên cứu về kit Arduino, module cảm biến vân tay AS608, thiết
bị điện và cách kết nối giữa các module để hồn thành mơ hình hồn thiện.
-Xây dựng hệ thống qt dấu vân tay để điều khiển đóng mở cửa qua cảm biến
vân tay và dữ liệu vân tay sẽ được gửi lên máy tính qua cổng truyền thơng giao tiếp.
-Xây dựng mật khẩu qua ma trận bàn phím 4x4, và hiển thị lên màn hình LCD
-Kết nối module RFID để quá trình mở cửa nhanh nhất, và sử dụng module
sim 800l để điều khiển mở cửa từ xa.
-Trình bày được giao diện mơ phỏng trên máy tính.
-Thiết kế hồn chỉnh mơ hình thực tế.
-Tiến hành chạy thử nghiệm mơ hình hệ thống.

3 . Giới thiệu về khóa thơng minh

Hình 1-1 Hình ảnh về khóa thơng minh thực tế

10


Giới thiệu về khóa thơng minh.
Cũng như khóa cửa truyền thống, Giới thiệu về khóa cửa thơng minh có cấu tạo
bao gồm hai bộ phận là ổ khóa và chìa khóa.
Tuy nhiên, chìa khóa ở khóa thơng minh khơng tồn tại ở dạng vật chất, mà nó
nằm trong ứng dụng của điện thoại thông minh, thẻ từ hoặc một loại móc chìa khóa
đặc biệt được định dạng dành riêng cho khóa thơng minh.
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.
Khóa cửa thơng minh trong cuộc sống số thời đại 4.0 là điều cần thiết giúp chúng
ta tiếp cần gần hơn với cuộc sống hiện đại, nâng cao chất lượng cuộc sống. Một ngôi
nhà thông minh sẽ thông minh từ cánh cửa.
Các phương thức mở khóa cửa thơng minh
Từ phương thức hoạt động đến cấu tạo kết hợp với công nghệ cao, chúng em xin
thiết kế khóa của thơng minh có các phương thức mở cơ bản sau:
Mở khóa bằng vân tay. 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.
Mở khóa bằng chuỗi mật mã: Là loại khóa dùng mật mã thay cho chìa khóa để
mở cửa. Mỗi thẻ có mỗi mã ID, và chỉ mã ID được cài đặt thì mới có thể mở khóa.
Khóa bằng Card RFID: RFID là viết tắt của cụm từ Radio Frequency
Identification, là công nghệ nhận dạng các đối tượng dựa trên bước sóng vơ tuyến. Nhờ
áp dụng cơng nghệ này mà các thiết bị khóa hiện đại có thể nhanh hơn các phương thức
khác.
Khơng chỉ thực hiện thao tác đóng hay mở cửa, giới thiệu về khóa cửa thơng
minh cịn có ứng dụng mở rộng 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 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.

11


Giới thiệu về khóa của thơng minh chúng em muốn đưa đến các góc nhìn thực
tế cả về ưu và nhược điểm của thiết bị công nghệ thời đại 4.0 này.
a) Ưu điểm nổi bật mà khóa của thơng minh sở hữu:
-Khóa cửa thơng minh dần được ưa chuộng và là sự lựa chọn cho cuộc sống số
chứng tỏ chứng đang sở hữu nhiều ưu điểm nổi bật so với các dịng khóa truyền thống khác:

-Khơng cịn lo lắng về việc rơi, hay để qn chìa khóa, chúng ta chỉ cần nhớ
mật mã hoặc có card từ hay đơn giản chỉ là ngón tay của mình.
-Khơng cần mất thời gian tiền bạc để đánh chìa khóa, tất cả được sao lưu trong
bộ nhớ máy và điện thoại của bạn
-Thao tác nhanh chóng, thuận tiện ngay cả khi chúng ta đang mang vác nặng nhọc.
-Vật liệu của khóa thơng minh thường chắc chắn, chịu được sự ăn mịn tốt.
Cũng do khơng cần phải tác động vật lý nhiều như khóa truyền thống, do vậy, ổ khóa
thơng minh thường bền hơn.
-Tự động khóa khi cửa đóng.
-Hoạt động với nguồn điện riêng.
-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.
b) Hạn chế, rủi ro và cũng là nhược điểm của dịng khóa cửa thơng minh
-Hai mặt ưu và nhược điểm sẽ luôn tồn tại song song và mơ hình về khóa cửa
thơng minh chúng em cũng không lẩn tránh những hạn chế của thiết bị này.
-Với những loại khóa dùng mã số, mã khóa có thể dễ bị tiết lộ hay bị phá mã.
-Để duy trì tính an tồn và bảo mật, khóa cửa thơng 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 thơng minh chắc chắn vẫn sẽ được
sử dụng trong tương lai. Trong những năm tiếp theo, việc sử dụng khóa cửa thơng
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 sốt ra vào chặt chẽ.

12


CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ CÁC LINH KIỆN
1 . Tổng quan về arduino

Hình 2-1 Các loại board arduino
Giới thiệu về board arduino uno
1.1.1 Giới thiệu
Arduino thật ra là một bo mạch vi xử lý được dùng để lập trình tương tác với các
thiết bị phần cứng như cảm biến, động cơ hoặc các thiết bị khác. Đặc điểm nổi bật của
Arduino là môi trường phát triển ứng dụng cực kỳ dễ sử dụng, với một ngơn ngữ lập
trình có thể học một cách nhanh chóng ngay cả với người ít am hiểu về điện tử và lập
trình cũng có thể sử dụng một cách dễ dàng. Arduino có mức giá thấp, phù hợp với nhu
cầu người dùng, có tính chất nguồn mở và cộng đồng người dùng đông đảo. Với lợi thế
đến từ giá thành cũng như lợi thế về cộng đồng người dùng, không quá ngạc nhiên khi
được biết số người sử dụng Arduino trải rộng từ học sinh phổ thông đến sinh viên đại
học.

13


Board mạch Arduino được sử dụng để thực hiện nhiều ứng dụng như: cánh tay
robot, điều khiển và giám sát nhiệt độ, độ ẩm phịng thí nghiệm, điều khiển động cơ
đóng mở cửa, ...
Arduino Uno là một bảng mạch vi điều khiển nguồn mở dựa trên vi điều khiển
Microchip ATmega328 được phát triển bởi Arduino.cc. Bảng mạch được trang bị các
bộ chân đầu vào/ đầu ra Digital và Analog có thể giao tiếp với các bảng mạch mở rộng
khác nhau. Mạch Arduino Uno thích hợp cho những bạn mới tiếp cận và đam mê về
điện tử, lập trình...Dựa trên nền tảng mở do Arduino.cc cung cấp các bạn dễ dàng xây
dựng cho mình một dự án nhanh nhất ( lập trình Robot, xe tự hành, điều khiển bật tắt
led...).

Hình 2-2 Hình ảnh thực tế về arduino uno
1.1.2 .Phần cứng
a) Nguồn

-LED: Có 1 LED được tích hợp trên bảng mạch và được nối vào chân D13. Khi
chân có giá trị mức cao (HIGH) thì LED sẽ sáng và LED tắt khi ở mức thấp (LOW).
-VIN: Chân này dùng để cấp nguồn ngoài (điện áp cấp từ 7-12VDC).
14


-5V: Điện áp ra 5V (dòng điện trên mỗi chân này tối đa là 500mA).
-3V3: Điện áp ra 3.3V (dòng điện trên mỗi chân này tối đa là 50mA).
-GND: Là chân mang điện cực âm trên board.
-IOREF: Điệp áp hoạt động của vi điều khiển trên Arduino UNO và có thể đọc
điện áp trên chân IOREF. Chân IOREF không dùng để làm chân cấp nguồn.

Hình 2-3 Các chân nguồn của arduino uno
b) Thông số kỹ thuật

bảng 2-1 Thông số kỹ thuật của arduino uno
Chip điều khiển

ATmega328P

Điện áp hoạt động

5V

Điện áp đầu vào(khuyên
dùng)

7-12V

Điện áp đầu vào (giới hạn)

6-20V

Số chân Digital

14 (of which 6 provide PWM output)

Số chân PWM Digital

6
15


Số chân Analog

6

Dòng điện DC trên mỗi
chân I/O

20 mA

Dòng điện DC trên chân
3.3V

50 mA

Flash Memory

32 KB (ATmega328P) of which 0.5 KB used

by bootloader

SRAM

2 KB (ATmega328P)

EEPROM

1 KB (ATmega328P)

Tốc độ thạch anh

16 MHz

LED_BUILTIN

13

Chiều dài

68.6 mm

Chiều rộng

53.4 mm

Cân nặng

25 g

c) Bộ nhớ
Vi điều khiển ATmega328:
-32 KB bộ nhớ Plash: trong đó bootloader chiếm 0.5KB.
-2 KB cho SRAM: (Static Random Access Memory): giá trị các biến khai báo sẽ
được lưu ở đây. Khai báo càng nhiều biến thì càng tốn nhiều bộ nhớ RAM. Khi mất
nguồn dữ liệu trên SRAM sẽ bị mất.
-1 KB cho EEPROM: (Electrically Eraseble Programmable Read Only Memory):
Là nơi có thể đọc và ghi dữ liệu vào đây và không bị mất dữ liệu khi mất nguồn.
16


d) Các chân đầu vào và đầu ra
Trên Board Arduino Uno có 14 chân Digital được sử dụng để làm chân đầu vào
và đầu ra và chúng sử dụng các hàm pinMode(), digitalWrite(), digitalRead(). Giá trị
điện áp trên mỗi chân là 5V, dòng trên mỗi chân là 20mA và bên trong có điện trở kéo
lên là 20-50 ohm. Dịng tối đa trên mỗi chân I/O không vượt quá 40mA để tránh trường
hợp gây hỏng board mạch.
Ngoài ra, một số chân Digital có chức năng đặt biệt:
-Serial: 0 (RX) và 1 (TX): Được sử dụng để nhận dữ liệu (RX) và truyền dữ liệu
(TX) TTL.
-Ngắt ngoài: Chân 2 và 3.
-PWM: 3, 5, 6, 9 và 11 Cung cấp đầu ra xung PWM với độ phân giải 8 bit bằng
hàm analogWrite ().
-SPI: 10 (SS), 11 (MOSI), 12 (MISO), 13 (SCK). Các chân này hỗ trợ giao tiếp
SPI bằng thư viện SPI.
-LED: Có 1 LED được tích hợp trên bảng mạch và được nối vào chân D13. Khi
chân có giá trị mức cao (HIGH) thì LED sẽ sáng và LED tắt khi ở mức thấp (LOW).
-TWI/I2C: A4 (SDA) và A5 (SCL) hỗ trợ giao tiếp I2C/TWI với các thiết bị khác.
-Arduino Uno R3 có 6 chân Analog từ A0 đến A5, đầu vào cung cấp độ phân giải
là 10 bit.

Giới thiệu về board arduino mega 2560
1.2.1 Giới thiệu
Arduino Mega 2560 CH340 là phiên bản nâng cấp của Arduino Uno R3 với số
chân giao tiếp, ngoại vi và bộ nhớ nhiều hơn. Mạch được thiết kế và sử dụng các linh
kiện tương đương với phiên bản chính hãng trên Arduino.cc, phù hợp cho các ứng dụng
cần nhiều bộ nhớ hoặc nhiều chân, cổng giao tiếp hơn so với Arduino Uno. Arduino
Mega 2560 CH340 chỉ thay đổi chip dán so với Arduino Mega 2560 R3.
Arduino Mega 2560 là board mạch vi điều khiển dựa trên chip xử lý Atmega2560
được mở rộng thêm bộ nhớ và các chân I / O so với các bo mạch khác có sẵn trên thị
trường.
17


Arduino Mega được thiết kế đặc biệt cho các dự án địi hỏi mạch phức tạp và cần
nhiều khơng gian bộ nhớ hơn. Hầu hết các dự án điện tử có thể được thực hiện khá tốt
bởi các Arduino khác có sẵn trên thị trường như Arduino Uno R3, Arduino Nano,
Arduino Pro Mini khiến Arduino Mega không được dụng phổ biến cho các dự án thơng
thường. Tuy nhiên, có một số dự án chỉ được thực hiện bởi Arduino Mega như chế tạo
máy in 3D hoặc điều khiển nhiều động cơ DC, nhiều động cơ bước, vì khả năng lưu trữ
nhiều thông tin, dữ liệu hơn trong bộ nhớ mã hóa và cần nhiều các chân I/O

Hình 2-4. Hình ảnh thực tế về arduino mega 2560
1.2.2 Phần cứng
a) Nguồn
-Có ba cách để cấp nguồn cho Arduino Mega. Bạn có thể sử dụng cáp USB để
cấp nguồn cho bo Arduino Mega hoặc sử dụng chân cấp nguồn Vin hoặc từ giắc cắm
nguồn vào DC.

b) Thơng số kỹ thuật
-Chíp ATMEGA2560

-Điện Áp Hoạt Động : 5VDC
-Nguồn Cấp : 7-12V ( Giới Hạn 6-20V )
18


-Dòng Max chân 5V : 500mA
- Dòng Max 3.3V : 50mA
- Dòng Max Chân I/O : 40mA
- 54 Chân Digital I/O (15 Chân PWM)
-16 Chân Analog Inputs
- Bộ Nhớ Flash : 256K
- 16Mhz Clock Speed
- SRAM 8 KB
-EEPROM 4 KB
c) Các cổng vào ra
-Có 54 chân I / O digital và 16 chân analog được tích hợp trên bo mạch giúp thiết
bị này trở nên riêng biệt và nổi bật so với các thiết bị khác.
- Có 15 chân được sử dụng cho xuất xung PWM
-Một bộ dao động thạch anh có tần số 16 MHz được tích hợp trên board Arduino
Mega2560
- Arduino Mega2560 có cổng USB được sử dụng để kết nối và chuyển mã từ máy
tính đến mạch Arduino Mega dựa trên phần mềm IDE
- Tích hợp jack nguồn DC để cấp nguồn cho bo mạch. Một số phiên bản Arduino
khác thiếu tính năng này như Arduino Pro Mini không đi kèm jack cắm nguồn DC.
- Đầu jack kết nối ICSP ( Header đôi gần nút reset) được bổ sung đáng chú ý cho
Arduino Mega, sử dụng để lập trình Arduino và tải file lên từ máy tính qua phần mềm
IDE
- Arduino Mega2560 có hai mức điện áp là 5V và 3.3V cung cấp sự linh hoạt để
điều chỉnh điện áp theo yêu cầu so với Arduino Pro Mini chỉ đi kèm với một bộ điều
chỉnh điện áp.

-So sánh với Arduino Uno thì Arduino Mega khơng có nhiều sự khác biệt giữa
Arduino Uno và Arduino Mega ngoại trừ Arduino Mega được mở rộng bộ nhớ và các
chân I/O nhiều hơn, kích thước lớn hơn.
- Về phần mềm lập trình, Tất cả các loại Arduino đều dùng chung phần mềm IDE
19


- Tính khả dụng của Atmega16 trên bo mạch Arduino Mega làm cho nó khác với
Arduino Pro Mini chỉ sử dụng USB để chuyển đổi nối tiếp để lập trình
-Tích hợp nút reset trên board mạch và 4 cổng nối tiếp phần cứng được gọi là
USART, tạo ra tốc độ tối đa để giao tiếp.

Hình 2-5 Sơ đồ chân arduino mega 2560
Arduino Mega2560 được thiết kế với cầu chì tự phục hồi mục đích ngăn cổng
USB của máy tính sinh nhiệt khi xảy ra hiện tượng quá dòng trên mạch Arduino do các
chân I/O chạm chập. Hầu hết máy tính laptop hay desktop đều có cơ chế bảo vệ q
dịng thông qua cổng USB, tuy nhiên trên board mạch Arduino Mega2560 tích hợp sẵn
sẽ tạo được lớp bảo vệ thứ 2 khi kết nối giao tiếp với máy tính.
Mỗi chân I/O của Arduino Mega2560 đi kèm với một chức năng cụ thể liên quan
đến chân đó. Tất cả các chân analog có thể được sử dụng làm chân I / O số.
d) Chi tiết về các chân trên board mạch Arduino Mega2560
- Chân 5V & 3.3V : Chân này được sử dụng để cung cấp điện áp đầu ra khoảng 5V.
- Chân GND : Có 5 chân nối mass có sẵn trên board Arduino Mega, giúp dễ dàng
kết nối nếu thực hiện dự án với nhiều kết nối thiết bị ngoại vi
20


-Chân reset : Được sử dụng để thiết lập lại board mạch về lại ban đầu. Mức tích
cực LOW được thiết lập sẽ reset lại board mạch.
- Chân Vin : Là chân điện áp đầu vào cung cấp cho mạch Arduino Mega, điện áp

từ 7V đến 20V. Mặt khác điện áp được cấp bởi jack nguồn DC có thể được lấy thông
qua chân này. Tuy nhiên, điện áp đầu ra thông qua chân này đến mạch Arduino sẽ được
tự động thiết lập là 5V.
- Chân truyền thông nối tiếp ( Serial Communication ) : RXD và TXD là các chân
nối tiếp được sử dụng để truyền và nhận dữ liệu nối tiếp, chân Rx đại diện cho việc
truyền dữ liệu cịn Tx được sử dụng để nhận dữ liệu. Có tất cả 4 kết hợp các chân nối
tiếp này được sử dụng trong đó Serial 0 là chân RX(0) và TX(1), Serial 1là chân TX(18)
và RX(19), Serial 2 là chân TX(16) và RX(17), và Serial 3 là chân TX(14) và RX(15).
- Chân Ngắt ngoài ( External Interrupts) : 6 chân được sử dụng để tạo các ngắt
ngồi đó là ngắt 0 (chân 0), ngắt 1 (chân 3), ngắt 2 (chân 21), ngắt 3 (chân 20), ngắt 4
(chân 19), ngắt 5 (chân 18). Các chân này tạo ra các ngắt bằng một số cách tức là cung
cấp giá trị LOW, tăng hoặc giảm hoặc thay đổi giá trị cho các chân ngắt.
- Đèn LED : Arduino Mega 2560 tích hợp đèn LED trên board mạch kết nối với
chân 13. Giá trị HIGH đèn LED được bật và LOW đèn LED tắt. Giúp người lập trình
quan sát trực quan khi test, kiểm tra chương trình trên board Arduino
-Chân AREF : Chân tạo điện áp tham chiếu cho đầu vào analogs
- Các chân tương tự ( Analogs) : Có 16 chân analog được tích hợp trên board
Arduino có ký hiệu là A0 đến A15. Điều quan trọng cần lưu ý là tất cả các chân analog
này có thể được sử dụng làm chân I / O Digital. Mỗi chân analog đi kèm với độ phân
giải 10 bit. Các chân này có thể có điện áp thay đổi tử 0V đến 5V. Tuy nhiên, giá trị trên
có thể được thay đổi bằng cách sử dụng hàm ISF và analogReference ().
- Giao tiếp I2C : Hai chân 20 và 21 hỗ trợ giao tiếp I2C trong đó 20 đại diện cho
SDA (Dịng dữ liệu nối tiếp chủ yếu được sử dụng để giữ dữ liệu) và 21 đại diện cho
SCL (Dòng đồng hồ nối tiếp chủ yếu được sử dụng để cung cấp đồng bộ hóa dữ liệu
giữa các thiết bị)
- Truyền thơng SPI : Được sử dụng để truyền dữ liệu giữa Arduino và các thiết
bị ngoại vi khác. Chân 50 (MISO), Chân51 (MOSI), Chân 52 (SCK), Chân 53 (SS) được
sử dụng để liên lạc SPI.
21

Nhận dạng vân tay với cảm biến vân tay as608
1.3.1 Sơ lược về dấu vân tay và nhận dạng vân tay
a) Khái niệm về dấu vân tay
Vân tay là do các gai da đội lớp biểu bì lên mà thành. Đó là nơi tập kết miệng các
tuyến mồ hơi, tuyến bã nhờn… Nó đã định hình khi con người cịn là cái thai 4 tháng
trong bụng mẹ. Khi đứa bé ra đời, lớn lên, vân tay được phóng đại nhưng vẫn giữ nguyên
dạng cho đến khi về già. Nếu tay có bị bỏng, bị thương, bị bệnh thì khi lành, vân tay lại
tái lập y hệt như cũ. Chỉ khi có tổn thương sâu huỷ hoại hồn tồn, sẹo chằng chịt mới
xố mất vân tay.
Vân tay khơng ai giống ai, đặc sắc nhất là vân ngón cái và ngón trỏ.
b) Giới thiệu về nhận dạng vân tay
Từ xa xưa, con người đã nhận ra mỗi cá nhân đều có một vân tay riêng nhưng
chưa có một cơ sở khoa học nào để nghiên cứu và nhận dạng. Nhưng đến thế kỷ 16, các
kỹ thuật vân tay khoa học hiện đại đã xuất hiện và từ đó các lí thuyết và chương trình
mơ tả, nhận dạng vân tay mới phát triển mau chóng. Năm 1888, Francis Galton giới
thiệu các đặc trưng chi tiết phục vụ cho đối sánh vân tay.
Nhưng đến đầu thế kỉ 20, nhận dạng vân tay chính thức được chấp nhận như một
phương pháp nhận dạng cá nhân có giá trị và trở thành tiêu chuẩn trong pháp luật. Ví
dụ, năm 1924 FBI đã thiết lập một cơ sở dữ liệu có 810.000 thẻ vân tay
1.3.2 Việc ứng dụng công nghệ nhận dạng vân tay hiện nay
Ngày nay, để đáp ứng được yêu cầu về bảo vệ dữ liệu, đảm bảo an ninh an tồn
với độ chính xác cao, công nghệ nhận dạng vân tay đã được ứng dụng phổ biến trong
các lĩnh vực đời sống xã hội thông qua các thiết bị điện tử: máy quét vân tay,…
Trong ngành cơng nghiệp Khóa cửa điện tử, cơng nghệ nhận dạng vân tay được
ứng dụng đã cho ra đời nhiều dịng Khóa cửa vân tay dần thay thế những khóa cửa điện
tử thơng thường chỉ đơn thuần sử dụng chìa cơ, thẻ từ hay mã số. Tuy nhiên để đảm bảo
an ninh tuyệt đối, các khóa cửa vân tay thường kết hợp với các phương pháp nhận diện
bằng mã số và thẻ từ.

22


Khơng chỉ dừng lại ở đó, dịng khóa cửa vân tay ngày càng được ứng dụng công
nghệ nhận dạng vân tay tân tiến để việc cảm biến vân tay nhanh chóng và chính xác hơn
cơng nghệ quang học đã cũ, đó là cơng nghệ nhận dạng vân tay bán dẫn.

Hình 2-6 Hình ảnh vân tay được nhận dạng
1.3.3 Nguyên lý hoạt động cơ bản của nhận dạng vân tay
Nguyên lý hoạt động của công nghệ nhận dạng vân tay là khi đặt ngón tay lên
trên một thiết bị nhận dạng dấu vân tay, ngay lập tức thiết bị này sẽ qt hình ảnh ngón
tay đó và đối chiếu các đặc điểm của ngón tay đó với dữ liệu đã được lưu trữ trong hệ
thống. Quá trình xử lý dữ liệu sẽ được thiết bị chuyển sang các dữ liệu số và ra thơng
báo rằng dấu vân tay đó là hợp lệ hay không hợp lệ để cho phép hệ thống thực hiện các
chức năng tiếp theo. Hệ thống sinh trắc học sẽ ghi nhận mẫu vân tay của người dùng và
lưu trữ tất cả những dữ liệu đặc biệt này thành một mẫu nhận diện được số hố tồn
phần. Có hai phương pháp để lấy dấu vân tay.
Cách thứ nhất (cổ điển) là sao chép lại hình dạng vân tay (như lăn tay bằng mực,
hay chạm vào một vật gì đó) thơng qua máy qt ghi nhận và xử lý.
Cách thứ hai, hiện tại đa số các nước đều sử dụng phần mềm hoặc thiết bị quét
vân tay để nhận dạng vân tay.

23


Cách chúng em dùng là sử dụng cảm biến quét vân tay AS608, vì thuận tiện và
tiết kiệm thời gian.
1.3.4 Các bước xử lý trong quá trình nhận dạng vân tay
Quá trình xử lý nhận dạng vân tay được chia làm hai quá trình lớn: quá trình xử
lý ảnh và quá trình so sánh vân tay.

a) Quá trình xử lý ảnh

Tăng cường
ảnh

Phân tích ảnh

Làm mỏng

Nhị phân hóa

Rút trích đặc trưng

Hình 2-7 Sơ đồ q trình xử lý ảnh
Mục đích của quá trình này được biểu diễn qua hình II-7 là tăng cường ảnh vân
tay, sau đó, rút trích các đặc trưng vân tay từ ảnh đã được tăng cường. Quá trình này
được thực hiện qua các bước nhỏ sau:
-Tăng cường ảnh (Image Enhancement): Ảnh được lấy từ thiết bị đầu đọc vân
tay sẽ được làm rõ. Do các thiết bị đầu đọc vân tay không lấy ảnh tốt hay do vân tay
của người dùng trong lúc lấy bị hao mòn, dơ bẩn, hay do lực ấn ngón tay trong lúc lấy
vân tay. Vì vậy, bước này là một trong các bước quan trọng nhất của quá trình này để
làm rõ ảnh vân tay để rút trích các đặc trưng đúng và đầy đủ.
-Phân tích ảnh (Image Analysis): Thơng qua phân tích ảnh, ảnh sẽ được loại bỏ
những thơng tin làm nhiễu hay những thơng tin khơng cần thiết.
-Nhị phân hóa (Binarization): Nhị phân hóa ảnh vân tay thành ảnh trắng đen.
Bước này phục vụ cho bước Làm mỏng vân tay. Bước này có thể có hoặc khơng vì
phục thuộc vào thuật tốn rút trích đặc trưng.
24

-Làm mỏng (Thinning): Làm mỏng các đường vân lồi của ảnh vân tay. Bước
này nhằm mục đích cho việc rút trích đặc trưng của vân tay. Bước này cũng có thể có
hoặc khơng vì phục thuộc vào thuật tốn rút trích đặc trưng.
-Rút trích đặc trưng (Minutiae Extraction): Rút trích những đặc trưng cần thiết
cho quá trình so sánh vân tay.
b) Q trình so sánh vân tay

Phân tích đặc
trưng

Tính điểm so sánh

Xét độ tương tự
cục bộ

Xét độ tương tự toàn cục

Hình 2-8 Q trình so sánh vân tay
Mục đích của quá trình này được biểu diễn trên hình II-8 là so sánh vân tay dựa
trên các đặc trưng đã được rút trích. Q trình này được thực hiện qua các bước nhỏ sau:
-Phân tích đặc trưng (Minutiae Analysis): Phân tích các đặc điểm cần thiết của
các đặc trưng để phục vụ cho việc so sánh vân tay.
-Xét độ tương tự cục bộ (Local Similarily): Thuật toán so sánh vân tay sẽ dựa
vào các thông tin cục bộ của các đặc trưng (gồm: tọa độ (x, y), hướng của đặc trưng, góc
tạo bởi tiếp tuyến của đường vân tại đặc trưng và trục ngang) của vân tay để tìm ra các
cặp đặc trưng giống nhau giữa hai vân tay.
-Xét độ tương tự toàn cục (Global Similarily): Từ nhưng khu vực tương tự nhau
trên cục bộ, thuật toán sẽ tiếp tục mở rộng so sánh trên tồn cục.
-Tính điểm so sánh (Calculate Matching Score): Tính tốn tỷ lệ độ giống nhau
giữa các cặp đặc trưng. Điểm so sánh này sẽ cho biết độ giống nhau của hai ảnh vân tay

là bao nhiêu.

25