Những ứng dụng hiện hữu của công nghệ nhận dạng vân tay như quét vân tay để đóng mở cửa, quản lí số lượng cá nhân ra vào hay điểm danh chấm công trong một công ty, bệnh viện hay trường h
TỔ NG QUAN
Đặ t v ấn đề
Trong thời đại ngày nay, sự phát triển không ngừng của khoa học kỹ thuật đã làm cho cuộc sống và công việc hàng ngày trở nên thuận tiện hơn Với sự bùng nổ của công nghệ thông tin và làn sóng toàn cầu hóa, việc bảo mật thông tin cá nhân và nhận diện một người trong hàng tỉ người trên thế giới đòi hỏi một tiêu chuẩn cùng hệ thống nhận diện uy tín và an toàn Công nghệ sinh trắc học ra đời để đáp ứng những yêu cầu này, mang đến các giải pháp nhận diện chính xác và bảo vệ thông tin cá nhân một cách hiệu quả.
Hiện nay nhiều công nghệ sinh trắc học đang được phát triển và ứng dụng thực tế mang lại hiệu quả cao Các đặc trưng sinh trắc phổ biến gồm vân tay, gương mặt, mống mắt và tiếng nói Mỗi đặc trưng có điểm mạnh và điểm yếu riêng, vì vậy việc lựa chọn đặc trưng phù hợp phụ thuộc vào yêu cầu của từng ứng dụng cụ thể Nhận dạng vân tay được xem là một trong những kỹ thuật nhận dạng hoàn thiện và đáng tin cậy nhất.
Nhóm sinh viên kế thừa và phát triển từ đề tài trước đó là “Thiết kế và thi công hệ thống đóng mở cửa bằng vân tay sử dụng kit Arduino được giám sát bằng máy tính thông qua Internet”, và quyết định mở rộng phạm vi nghiên cứu với một tên đề tài mới Đề tài mở rộng tập trung vào nâng cao tính bảo mật, độ tin cậy và khả năng vận hành từ xa, đồng thời tích hợp các yếu tố IoT và giao diện người dùng thân thiện trên máy tính và thiết bị di động Việc mở rộng nhằm khẳng định tính ứng dụng thực tiễn, tăng cường tính thực nghiệm và trình diễn qua kết nối Internet, đảm bảo hệ thống đóng mở cửa bằng vân tay được giám sát hiệu quả.
Quản lý và cảnh báo sinh viên thông qua hệ thống quét vân tay được triển khai nhằm tăng cường quản lý sinh viên trong trường và cung cấp thông báo, cảnh báo về số lần vi phạm của từng sinh viên trong quá trình tham gia hoạt động học tập trên lớp Hệ thống sẽ tự động ghi nhận điểm danh và các vi phạm, từ đó thông báo đến sinh viên về lịch sử vi phạm của mình để có biện pháp nhắc nhở kịp thời Dữ liệu vi phạm được sử dụng để phân tích xu hướng và cải thiện ý thức tuân thủ nội quy, góp phần nâng cao chất lượng giáo dục và hiệu quả quản trị học tập.
Dấu vân tay của mỗi người là độc nhất và không thay đổi suốt cuộc đời, là một tham số sinh học bất biến theo tuổi tác đặc trưng cho từng cá thể Với sự phát triển của Internet, việc truyền tải và quản lý dữ liệu vân tay qua mạng ngày càng tiện lợi, nhanh chóng và an toàn hơn Đồng thời sự tiến bộ của vi xử lý đã cho ra đời nhiều thiết bị thông minh nhỏ gọn, tích hợp nhiều chức năng để người dùng dễ sử dụng Không thể bỏ qua kit Arduino, một nền tảng được sử dụng rộng rãi trên toàn cầu với cộng đồng lớn, có thể kết nối với nhiều module khác để xây dựng các hệ thống nhận diện và quản lý vân tay hiệu quả.
14 ứng dụng thực tế cho cuộc sống hiện đại ngày nay cho thấy công nghệ có thể được ứng dụng sáng tạo trong nhiều lĩnh vực Nhóm nghiên cứu quyết định xây dựng một mô hình gồm Arduino, module cảm biến vân tay và ma trận phím để tạo hệ thống quét vân tay phục vụ quản lý sinh viên, đồng thời truyền dữ liệu lên Internet và cảnh báo số lần vi phạm bằng cách gửi email cho sinh viên khi có vi phạm.
M ụ c tiêu
Khám phá và nghiên cứu kit Arduino là nền tảng cho các dự án điện tử, đồng thời nắm bắt chi tiết về module cảm biến vân tay R307 và các thiết bị điện liên quan để xây dựng một hệ thống hoàn chỉnh Tìm hiểu kỹ thuật về module cảm biến vân tay R307, từ nguyên lý hoạt động, độ nhạy và thời gian đáp ứng đến yêu cầu cấp nguồn và cách tích hợp an toàn với Arduino Khai thác các thành phần điện tử phụ trợ như nguồn cấp, mạch điều khiển và các linh kiện bảo vệ để đảm bảo hệ thống ổn định và đáng tin cậy Học cách kết nối giữa các module Arduino, R307 và các thiết bị khác bằng các giao thức phổ biến như UART, GPIO hoặc I2C, kèm theo sơ đồ nối mạch và lưu ý về mặt điện-điện từ Thực hành xây dựng mô hình hoàn thiện bằng cách lập trình và tích hợp dữ liệu vân tay để xác thực người dùng, mở khóa hoặc quản lý truy cập, và kiểm tra chức năng trên mô hình thật Nội dung này tối ưu cho SEO với các từ khóa kit Arduino, module cảm biến vân tay R307, thiết bị điện và kết nối giữa các module, đồng thời hữu ích cho các dự án giáo dục và thực nghiệm.
Xây dựng hệ thống quét dấu vân tay để điều khiển đóng mở cửa qua cảm biến vân tay, trong đó dữ liệu vân tay được gửi lên Internet thông qua module ESP8266 Hệ thống cho phép nhận diện nhanh chóng và an toàn, liên kết Internet of Things (IoT) để quản lý truy cập từ xa và ghi nhận nhật ký truy cập Thiết kế này phù hợp cho cửa ra vào văn phòng hoặc căn hộ, dễ tích hợp với các giải pháp an ninh hiện có và có thể mở rộng chức năng bảo mật bằng các biện pháp mã hóa và phân quyền truy cập, hướng tới cửa thông minh tiện lợi và an toàn.
Dữ liệu vân tay, thống kê thời gian ra vào, số lần ra vào, số lần trễ so với quy định của người dùng sẽ được quản lý thông qua Internet
Cảnh báo sinh viên ra số lần ra vào, số lần trễ, vắng bằng cách gửi cảnh báo về mail của người dùng.
N ộ i dung th ự c hi ệ n
Nội dung 1: Tìm hiểu và nghiên cứu về cấu tạo phần cứng, nguyên lí hoạt động, tính năng của các module Adruino, cảm biến vân tay R307, ma trận phím, ESP2688
Nội dung 2: Tìm hiểu và nghiên cứu về lập trình Wed, Exel, cơ sở dữ liệu Database, gửi thông tin đến gmail sinh viên
Nội dung 3: Các giải pháp thiết kế hệ thống và thi công mô hình
Nội dung 4: Thiết kế hệ thống điều khiển, lưu đồ giải thuật và chương trình điều khiển mô hình hệ thống
Nội dung 5: Thiết kế hoàn chỉnh mô hình thực tế
Nội dung 6: Tiến hành chạy thử nghiệm mô hình hệ thống
Nội dung 7: Cân chỉnh mô hình hệ thống
Nội dung 8: Viết sách luận văn.
Nội dung 9: Bảo vệ tiểu luận tốt nghiệp
B ố c ụ c
Trình bày về đặt vấn đề dẫn nhập lý do chọn đề tài, mục tiêu, nội dung nghiên cứu,các giới hạn thông số và bố cục đồ án
Chương 2: Cơ sở lí thuyết
Trình bày về các lý thuyết có liên quan đến các vấn đề mà đề tài sẽ dùng để thực hiện thiết kế, thi công cho đề tài
Chương 3: Tính toán và thiết kế
Giới thiệu tổng quan về các yêu cầu của đề tài mà mình thiết kế và các bước tính toán, thiết kế liên quan đến hệ thống điện tử Thiết kế gồm những phần chính như sơ đồ khối hệ thống, sơ đồ nguyên lý toàn mạch và các bước tính toán thiết kế mạch nhằm đảm bảo tính khả thi, hiệu suất và độ tin cậy Bài viết trình bày cách xác định yêu cầu kỹ thuật, phương pháp thiết kế, cách kết nối các thành phần qua sơ đồ khối và sơ đồ nguyên lý, đồng thời nêu rõ quy trình tính toán mạch để tối ưu hiệu suất và đảm bảo hoạt động ổn định Các phần này giúp người đọc nắm vững cấu trúc hệ thống, mối quan hệ giữa các thành phần và tiêu chí đánh giá thiết kế trong quá trình triển khai.
Chương 4: Thi công hệ thống
Bài viết trình bày chi tiết quá trình thiết kế và vẽ mạch in (PCB), lắp ráp các thiết bị và đo kiểm tra mạch, đồng thời lắp ráp mô hình để kiểm thử thực tế Nội dung cũng thiết kế lưu đồ giải thuật cho chương trình và viết chương trình cho hệ thống, nhằm tối ưu luồng xử lý và hiệu suất làm việc Hướng dẫn quy trình sử dụng hệ thống được trình bày rõ ràng từ bước khởi động, cấu hình, vận hành cho người dùng đến các bước kiểm tra chất lượng và an toàn Toàn bộ nội dung được liên kết chặt chẽ giữa thiết kế mạch in, đo kiểm mạch, lắp ráp mô hình, thiết kế thuật toán và triển khai chương trình, cùng với hướng dẫn sử dụng nhằm tối ưu hiệu quả vận hành và tối ưu SEO với các từ khóa liên quan như PCB, lắp ráp thiết bị, đo kiểm mạch và hệ thống.
Chương 5: Kết quả-Nhận xét-Đánh giá
Trong báo cáo này, trình bày những kết quả đạt được sau quá trình nghiên cứu và thi công, đồng thời thể hiện mức độ hoàn thành so với các mục tiêu đã đề ra Các kết quả cho thấy tiến độ và chất lượng được đảm bảo, từ đó có thể đánh giá phần trăm mức độ hoàn thành của dự án dựa trên các tiêu chí đã xác định Việc phân tích các hạng mục đã hoàn tất, đang thực hiện và còn lại giúp ước lượng tỷ lệ phần trăm hoàn thành cho từng nhóm công việc và cho toàn dự án Trên cơ sở đó, các biện pháp điều chỉnh kế hoạch và tối ưu hóa tiến độ có thể được đề xuất nhằm đảm bảo dự án đạt mục tiêu chất lượng với chi phí hợp lý và thời gian hoàn thiện đúng hạn.
Chương 6: Kết luận và hướng phát triển
Đồ án được trình bày rõ ràng với các kết quả đạt được qua quá trình nghiên cứu, đồng thời phân tích kỹ lưỡng các hạn chế còn tồn tại Từ đó rút ra các kết luận mang tính định hướng và đề xuất các hướng phát triển nhằm khắc phục các vấn đề tồn đọng, nâng cao tính khả thi và hiệu quả của đồ án Những đề xuất này bao gồm các biện pháp cụ thể, lộ trình triển khai và tiêu chí đánh giá để đồ án hoàn thiện hơn, đồng thời phù hợp với yêu cầu nghiên cứu và ứng dụng thực tiễn.
CƠ SỞ LÝ THUY Ế T
T Ổ NG QUAN V Ề ARDUINO
Hình 2.1: Các loại Arduino 2.1.1.Giới thiệu
Arduino là một bo mạch vi xử lý được dùng để lập trình tương tác với cảm biến, động cơ và nhiều thiết bị điện tử khác Điểm nổi bật của Arduino là môi trường phát triển dễ sử dụng và ngôn ngữ lập trình thân thiện hiếm gặp khó khăn, giúp người mới bắt đầu về điện tử và lập trình học nhanh và áp dụng dễ dàng Với mức giá thấp, tính nguồn mở và cộng đồng người dùng rộng lớn, Arduino mang lại lợi thế về chi phí và sự hỗ trợ từ cộng đồng Nhờ những ưu điểm về giá thành và cộng đồng, Arduino được sử dụng phổ biến từ học sinh phổ thông đến sinh viên đại học và mở ra nhiều ứng dụng đa dạng trong giáo dục và dự án sáng tạo.
Board mạch Arduino được sử dụng để thực hiện nhiều ứng dụng đa dạng, từ các hệ thống robot như cánh tay robot đến việc điều khiển và giám sát nhiệt độ, độ ẩm trong phòng thí nghiệm Arduino còn được dùng để điều khiển động cơ đóng mở cửa và tự động hóa các quá trình khác, phục vụ từ giáo dục đến các dự án tự động hóa quy mô nhỏ Nhờ khả năng mở rộng qua cảm biến và module, nền tảng Arduino trở thành lựa chọn phổ biến cho các dự án về robot, quản lý môi trường và hệ thống điều khiển động cơ.
Phần cứng của hệ thống là một board mạch nguồn mở được thiết kế trên nền tảng vi xử lý AVR Atmel 8-bit hoặc ARM Atmel 32-bit Board Arduino sẽ cung cấp hầu hết các chân I/O của vi điều khiển để kết nối với các mạch ngoài, cảm biến và module mở rộng, phục vụ cho các dự án nhúng và phát triển nhanh.
Các mô hình Arduino hiện nay được trang bị 1 cổng USB, 6 chân đầu vào analog, 14 chân I/O kỹ thuật số tương thích với nhiều shield (mạch mở rộng), giúp dễ dàng lập trình và mở rộng với các mạch khác; các module thêm vào có thể dễ dàng chuyển đổi và gọi là shield Một số shield kết nối trực tiếp với board Arduino qua các chân khác nhau, trong khi nhiều shield được định địa chỉ qua bus I2C và có thể xếp chồng để hoạt động song song Arduino chính thức sử dụng các dòng chip MegaAVR, đặc biệt là ATMega8, ATMega168, ATMega328, ATMega1280 và ATMega2560.
Theo nguyên tắc sử dụng phần mềm Arduino, tất cả các board được lập trình qua một kết nối RS-232, nhưng cách thực hiện phụ thuộc vào đời phần cứng Các board Serial Arduino tích hợp một mạch chuyển đổi RS-232 sang TTL để giao tiếp với vi điều khiển, còn các board Arduino hiện đại được lập trình qua cổng USB và thực hiện thông qua chip chuyển đổi USB-to-serial như FTDI FT232.
NH Ậ N D Ạ NG VÂN TAY
2.2.1.Giới thiệu sơ lược về dấu vân tay và nhận dạng vân tay a Khái niệm về dấu vân tay
Vân tay hình thành từ các gai da trên lớp biểu bì, nơi tập trung miệng các tuyến mồ hôi và tuyến bã nhờn, và được hình thành ngay từ thai 4 tháng trong bụng mẹ; khi trẻ lớn lên, vân tay được phóng đại nhưng vẫn giữ nguyên dạng cho đến khi già, và nếu tay bị bỏng, thương tổn hay bệnh tật rồi lành thì vân tay sẽ tái lập y hệt như cũ, chỉ có tổn thương sâu hủy hoại hoàn toàn và sẹo chằng chịt mới xóa bỏ được vân tay; vân tay không ai giống ai, đặc sắc nhất ở ngón cái và ngón trỏ.
18 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 Đến thế kỷ XX, nhờ những tiến bộ của sinh học và khoa học nhận diện, vân tay được công nhận là đặc điểm sinh trắc học duy nhất và không thay đổi theo thời gian Các nghiên cứu cho thấy mỗi người có mẫu vân tay độc nhất và khớp với nhau chỉ với một tỉ lệ sai khác rất nhỏ, tạo nền tảng cho công nghệ nhận dạng bằng vân tay Công nghệ ghi nhận và so sánh vân tay đã được áp dụng rộng rãi trong an ninh, ngân hàng, quản lý thẻ và điều tra hình sự Ngày nay, nhận dạng bằng vân tay vẫn là một trong những phương pháp đáng tin cậy nhất, được cải thiện liên tục nhờ AI và học máy để tăng độ chính xác và tốc độ xử lý.
Các kỹ thuật vân tay khoa học hiện đại đã xuất hiện, từ đó các lý thuyết và các chương trình mô tả, nhận dạng vân tay mới phát triển mau chóng Vào năm 1888, Francis Galton đã giới thiệu các đặc trưng chi tiết phục vụ cho đối sánh vân tay, đánh dấu bước ngoặt quan trọng trong lĩnh vực nhận dạng dựa trên đặc điểm vân tay.
Đầu thế kỉ 20 đánh dấu sự công nhận chính thức của nhận dạng vân tay như một phương pháp nhận dạng cá nhân có giá trị và nó dần trở thành một tiêu chuẩn trong pháp luật.
Ví dụ, năm 1924 FBI đã thiết lập một cơ sở dữ liệu có 810.000 thẻ vân tay
2.2.2.Việc ứng dụng công nghệ nhận dạng vân tay hiện nay
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 xách tay và điện thoại thông minh Tuy nhiên, nghiên cứu về công nghệ nhận dạng vân tay ở Việt Nam vẫn còn hạn chế Ở Việt Nam, phương pháp này mới chỉ phổ biến trong quản lý nhân sự bằng chứng minh thư nhân dân và phục vụ cho công tác điều tra phá án Các sản phẩm công nghệ cao dựa trên nhận dạng vân tay vẫn phải nhập khẩu với giá thành khá cao, do đó chưa được phổ biến rộng rãi.
2.2.3.Nguyên lý hoạt động cơ bản của nhận dạng vân tay
Nguyên lý hoạt động của công nghệ nhận dạng vân tay bắt đầu khi người dùng đặt ngón tay lên thiết bị quét dấu vân tay Thiết bị sẽ quét hình ảnh ngón tay và đối chiếu các đặc điểm nhận dạng với dữ liệu đã được lưu trữ trong hệ thống; quá trình xử lý được chuyển sang dữ liệu số và cho biết dấu vân tay có hợp lệ hay không để cho phép các chức năng tiếp theo Hệ thống sinh trắc học ghi nhận mẫu vân tay của người dùng và lưu trữ thành một mẫu nhận diện được số hoá toàn phần Có hai phương pháp để lấy dấu vân tay.
Phương pháp thứ nhất (cổ điển) để sao chép hình dạng vân tay là thông qua tiếp xúc và in ấn dấu vân tay lên một bề mặt, như lăn tay bằng mực hoặc chạm vào một vật để lại dấu Những dấu vân tay này sau đó được quét và xử lý bởi máy quét nhận diện sinh trắc học để tạo ra bản sao có thể phân tích Đây là một trong những cách tấn công bảo mật cổ điển liên quan đến hệ thống nhận diện vân tay, nhấn mạnh tầm quan trọng của các biện pháp phòng thủ bổ sung để tăng độ tin cậy của hệ thống.
- 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
2.2.4 Các bước xử lý trong quá trình nhận dạng vân tay
Quá trình nhận dạng vân tay được chia thành hai quá trình lớn: xử lý ảnh và so sánh vân tay Trong quá trình xử lý ảnh, dữ liệu hình ảnh được làm sạch, chuẩn hóa và trích xuất các đặc trưng quan trọng của vân tay để đảm bảo chất lượng đầu vào cho bước nhận dạng tiếp theo Sau đó, quá trình so sánh vân tay sử dụng các đặc trưng đã được trích xuất để đối chiếu với cơ sở dữ liệu mẫu nhằm xác định sự khớp hoặc khác biệt Việc tối ưu hóa cả hai bước này sẽ nâng cao độ chính xác và hiệu suất của hệ thống nhận dạng vân tay.
Hình 2.2: Sơ đồ quá trình xử lý ảnh
Quá trình này được thể hiện qua hình 2.2, với mục tiêu tăng cường chất lượng ảnh vân tay và sau đó rút trích các đặc trưng từ ảnh đã được cải thiện Quá trình được thực hiện qua một chuỗi các bước nhỏ nhằm tối ưu hóa độ rõ nét và độ phân biệt của các đặc trưng vân tay khi tiến hành trích xuất.
Trong hệ thống nhận diện vân tay, tăng cường ảnh là bước cốt lõi nhằm làm rõ ảnh vân tay được thu từ thiết bị đầu đọc Do các đầu đọc vân tay đôi khi không ghi nhận ảnh ở chất lượng tối ưu, cùng với tình trạng vân tay người dùng có thể bị hao mòn, dính bụi bẩn hoặc lực ấn khi đặt ngón không đồng nhất, ảnh vân tay có thể bị mờ hoặc nhiễu Vì vậy, bước tăng cường ảnh là một trong những bước quan trọng nhất của quá trình xử lý để cải thiện độ nét và đảm bảo việc trích xuất đúng và đầy đủ các đặc trưng phân biệt của vân tay.
+ Phân tích ảnh (Image Analysis): Thông qua phân tích ảnh, ảnh sẽ được loại bỏ những thông tin làm nhiễu hay những thông tin không cần thiết
Nhị phân hóa ảnh vân tay là quá trình biến đổi ảnh vân tay thành ảnh trắng đen, phục vụ cho bước Làm mỏng vân tay trong quy trình xử lý Bước này có thể được thực hiện hoặc bỏ qua tùy thuộc vào thuật toán rút trích đặc trưng được sử dụng, nhưng khi áp dụng sẽ tối ưu hóa dữ liệu và chuẩn bị cho các bước xử lý sau, bao gồm làm mỏng vân tay.
Quá trình làm mỏng (thinning) là bước làm mỏng các đường vân trên ảnh vân tay, nhằm tối ưu hóa quá trình rút trích đặc trưng của vân tay Bước này có thể được thực hiện hoặc không tùy thuộc vào thuật toán rút trích đặc trưng được sử dụng.
+ Rút trích đặc trưng (Minutiae Extraction): Rút trích những đặc trưng cần thiết cho quá trình so sánh vân tay b.Quá trình so sánh vân tay
Hình 2.3: Sơ đồ quá trình so sánh vân tay
Mục đích của quá trình này, được biểu diễn trên hình 2.3, là so sánh vân tay dựa trên các đặc trưng đã được rút trích nhằm xác định mức độ khớp và độ tin cậy của nhận diện Quá trình được thực hiện qua các bước nhỏ từ tiền xử lý hình ảnh vân tay, trích xuất và chuẩn hóa các đặc trưng cho mỗi mẫu, đến bước so sánh các đặc trưng đã rút trích với các mẫu lưu trữ trong cơ sở dữ liệu để đưa ra kết luận khớp hay không và đánh giá độ chắc chắn của quyết định Việc này giúp cải thiện độ chính xác của hệ thống nhận diện vân tay, đồng thời tăng tính ổn định và khả năng chống giả mạo của quá trình xác thực.
+ 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
Độ tương đồng cục bộ (local similarity) là khía cạnh then chốt trong thuật toán so sánh vân tay Thuật toán này dựa vào thông tin cục bộ của các đặc trưng, gồm tọa độ (x, y), hướng của đặc trưng và góc tạo bởi tiếp tuyến của đường vân tại đặc trưng với trục ngang, để xác định các cặp đặc trưng giống nhau giữa hai vân tay và ước lượng mức độ tương đồng giữa chúng.
Xét độ tương tự toàn cục (Global Similarity) là quá trình bắt đầu từ các khu vực có độ tương đồng cao ở mức cục bộ, sau đó mở rộng phạm vi so sánh lên mức toàn cục Thuật toán sẽ từ các vùng tương tự trên bề mặt cục bộ tiếp tục mở rộng các phép so sánh để tìm các tương đồng ở quy mô lớn hơn và liên kết chúng với cấu trúc toàn cục Việc kết hợp giữa tương đồng cục bộ và toàn cục giúp nâng cao độ chính xác của nhận diện và khả năng khái quát hóa của phân tích dữ liệu, đồng thời tối ưu hóa hiệu suất xử lý.
TÍNH TOÁN VÀ THIẾ T K Ế
GI Ớ I THI Ệ U
❖ Đề tài “Quản lý và cảnh báo sinh viên qua hệ thống quét vân tay” bao gồm:
Hệ thống có chức năng chính là quét vân tay, phục vụ cho việc chấm công sinh viên Thông tin quét vân tay được gửi lên web để hiển thị giờ vào của sinh viên, sau đó dữ liệu được nhập liệu qua Excel để tính toán số lần đi trễ, thời gian đi trễ và số ngày vắng học Khi sinh viên đi trễ hoặc vắng học, hệ thống sẽ gửi cảnh báo tới email của sinh viên Bên cạnh đó, hệ thống cho phép thêm và xóa vân tay và quản lý dữ liệu liên quan.
THI CÔNG HỆ TH Ố NG
ĐÓNG GÓI VÀ THI CÔNG MÔ HÌNH
4.1.1.Đóng gói bộ điều khiển
Sau khi kiểm tra mạch hoạt động đúng, ta tiến hành đóng hộp để tạo thành mô hình hoàn chỉnh Quá trình đóng hộp đảm bảo sự đồng bộ giữa khối điện và vỏ bảo vệ, chuẩn bị cho giai đoạn hoàn thiện sản phẩm Hình 4.1 trình bày sơ đồ bố trí các linh kiện, cho thấy cách sắp xếp và hiển thị chi tiết trên mặt trước của mô hình.
Hình 4.1: Sơ đồ bố trí linh kiện mặt trước mô hình
Hình 4.2: Hình dạng bên ngoài mô hình
Hình 4.3: Hình dạng bên trong mô hình
L Ậ P TRÌNH H Ệ TH Ố NG
Hệ thống thực hiện ba chức năng chính: quét vân tay điểm danh, quản lý admin và thêm vân tay để quản lý sinh viên trong một lớp học Việc điểm danh bằng quét vân tay giúp quản lý thời gian ra vào lớp của sinh viên Sau khi quét vân tay, dữ liệu ID của người quét được gửi qua mạng Internet để hiển thị các thông tin như thời gian ra vào, số lần đi trễ, thời gian đi trễ, số ngày vắng và thông tin sinh viên Hệ thống cũng cho phép thêm và xóa vân tay dễ dàng, từ đó duy trì danh sách sinh viên và quyền quản trị một cách linh hoạt.
- Khi cấp điện vào hệ thống, khởi động Arduino, module ESP 8266, cảm biến vân tay, LCD, … Kết nối wifi: (chỉ làm 1 lần khi muốn đổi mạng wifi)
Ngay sau khi cấp nguồn cho thiết bị, giữ nút reset màu vàng trong 5 giây Đèn wifi sẽ nhấp nháy rồi sáng liên tục, cho thấy toàn bộ cấu hình wifi đã lưu đã bị xóa.
Khi hoạt động, module sẽ phát sóng một mạng WiFi có tên FINGERPRINT_SERVER Dùng điện thoại kết nối tới mạng này với mật khẩu 12345678 Sau khi kết nối thành công, mở trình duyệt Chrome và nhập địa chỉ 192.168.4.1 để vào trang cấu hình WiFi cho hệ thống.
- Sau hi chọn mạng wifi kết nối cho hệ thống xong bấm nút save để lưu lại
Khi hệ thống khởi động và kết nối wifi, đèn wifi sẽ chớp 3 lần rồi tắt báo hiệu quá trình thiết lập đã hoàn tất Màn hình LCD hiển thị địa chỉ IP Web của hệ thống để bạn có thể truy cập và xem dữ liệu Sau khi khởi động xong, hệ thống sẽ vào màn hình chính.
• Bấm nút * để hiện lại IP Web
• Bấm nút # đề vào menu
Các chức năng chính của hệ thống bao gồm thêm vân tay, xóa vân tay, xóa toàn bộ dữ liệu vân tay của hệ thống và đổi mật khẩu Các thao tác này được thực hiện theo hướng dẫn hiển thị trên màn hình LCD để người dùng thao tác dễ dàng và an toàn dữ liệu.
❖ Lưu đồ hệ thống menu tự chọn
ESP 8266, cảm biến vân tay, LCD
Ch ế độ 2 Nhập đúng m ậ t kh ẩ u
Thêm ho ặ c xóa vân tay
Quy trình làm việc của hệ thống được thể hiện qua sơ đồ hình 4.4: chương trình bắt đầu bằng khởi động ESP8266 và LCD, khởi tạo các biến, sau đó kiểm tra xem cảm biến vân tay có kết nối hay không; nếu chưa kết nối, chương trình dừng và chờ cho đến khi có kết nối Vòng lặp chính được thực hiện và mặc định ở chế độ 0; ở chế độ 0 hệ thống hiển thị menu lựa chọn gồm hai tùy chọn là 1) Quét vân tay và 2) Xóa vân tay, sau đó nhấn nút # để qua phần quản lý Admin Cùng lúc đó, bàn phím ma trận được kiểm tra: nếu phím 1 được nhấn thì sẽ vào chế độ 1, nếu phím 2 được nhấn thì sẽ vào chế độ 2.
Ở chế độ 1, hệ thống cho phép quét dấu vân tay của người dùng Dữ liệu ID của người sử dụng (tương ứng với vân tay đã được lưu trữ từ trước) sẽ được cập nhật lên website thông qua kết nối WiFi trên module ESP8266 Khi việc gửi dữ liệu hoàn tất, hệ thống sẽ quay về menu lựa chọn.
Trong chế độ 2, quyền quản trị chỉ dành cho Admin Trước khi truy cập vào menu quản trị Admin, người dùng bắt buộc nhập đúng mật khẩu Admin; sau khi xác thực thành công, hệ thống mới cho phép thêm và xóa vân tay.
❖ Lưu đồ quét vân tay
Hình 4.5: Lưu đồ quét vân tay
Quá trình quét vân tay được thực hiện theo lưu đồ hình 4.5 ở phía trên Chương trình kiểm tra xem hệ thống đang ở chế độ 1 hay không; nếu đúng, ta đưa dấu vân tay vào cảm biến Khi vân tay được quét, hệ thống sẽ so sánh nó với các dấu vân tay đã lưu trước đó; nếu trùng khớp, màn hình LCD sẽ thông báo đã quét vân tay.
❖ Lưu đồ truyền dữ liệu Wed
Hình 4.6: Lưu đồ truyền dữ liệu lên wed
- Giải thích Lưu đồ truyền dữ liệu Wed
Quy trình chuyển dữ liệu ID người dùng lên web được mô tả như lưu đồ hình 4.6 Chương trình kiểm tra xem có dữ liệu từ serial 12 hay không; nếu có, hệ thống sẽ tự động kết nối WiFi Sau khi kết nối thành công, dữ liệu ID người dùng sẽ được gửi lên web và quá trình truyền tải diễn ra an toàn Khi quá trình gửi dữ liệu hoàn tất, kết nối WiFi sẽ được ngắt để kết thúc phiên làm việc.
❖ Lưu đồ quản lý admin
Hình 4.7: Lưu đồ quản trị
Quy trình quản trị admin được thực thi theo lưu đồ hình 4.7, trong đó hệ thống kiểm tra xem chương trình có đang ở chế độ bằng 3 hay không; nếu đúng, người quản trị nhập mật khẩu để truy cập vào menu hiển thị các tùy chọn quản trị Menu này cung cấp hai chế độ quản trị khác nhau, cho phép người dùng chọn chế độ phù hợp để quản lý và vận hành các chức năng quản trị một cách an toàn và hiệu quả.
• Ở chế độ 1 cho phép thêm vân tay Sau khi hoàn tất quay về menu quản trị admin
• Ở chế độ 2 cho phép xóa vân tay Sau khi hoàn tất quay về menu quản trị admin
4.2.2.Phần mềm lập trình cho vi điều khiển
❖ Giới thiệu phần mềm lập trình Arduino IDE
Arduino IDE là môi trường phát triển tích hợp giúp bạn lập trình cho các dòng sản phẩm Arduino như Arduino Uno, Arduino Mega và Nano Lập trình trên Arduino IDE là cách tiếp cận đơn giản cho những người đam mê điện tử và muốn tạo ra những sản phẩm nhúng ấn tượng mà không cần quá nhiều kiến thức chuyên sâu về điện tử Môi trường phát triển tích hợp Arduino IDE là một ứng dụng đa nền tảng, được viết bằng Java, giúp người dùng làm quen nhanh và triển khai dự án điện tử trên nhiều nền tảng khác nhau.
- Arduino IDE hình 4.8 là nơi để soạn thảo code, kiểm ra lỗi và upload code
Hình 4.8: Giao diện lập trình arduino
- Arduino Toolbar có một số button và chức năng của chúng như sau:
+ Verify (1): kiểm tra code có lỗi hay không
+ Upload (2): nạp code đang soạn thảo vào Arduino
+ New, Open, Save (3): Tạo mới, mở và lưu sketch
+ Serial Monitor (4): Đây là màn hình hiển thị dữ liệu từ Arduino gửi lên máy tính
Espressif ESP8266 hiện nay hỗ trợ 3 nền tảng SDK độc lập gồm NONOS SDK, RTOS SDK và Arduino, mỗi nền tảng đều có ưu điểm riêng phù hợp với từng loại ứng dụng Arduino đang được sử dụng rộng rãi nhất nhờ tính dễ sử dụng, kiến trúc phần mềm tốt và khả năng tận dụng đa thư viện cộng đồng phong phú.
- Arduino là một IDE tích hợp sẵn editor, compiler, programmer và đi kèm với nó là các firmware có bootloader, các bộ thư viện được xây dựng sẵn và dễ dàng tích hợp
Arduino sử dụng ngôn ngữ C/C++, đều là dự án nguồn mở được đóng góp và phát triển liên tục bởi cộng đồng trên toàn cầu Triết lý thiết kế của Arduino giúp người mới và người không chuyên dễ tiếp cận, đồng thời tạo điều kiện cho các công ty cũng như phần cứng dễ dàng tích hợp Bên cạnh đó, trình biên dịch C/C++ và các thư viện chất lượng được xây dựng trên nền tảng Arduino ngày càng phổ biến, mang lại hiệu suất mạnh mẽ và không thua kém các trình biên dịch chuyên nghiệp cho các chip khác.
KẾ T QU Ả , NH ẬN XÉT, ĐÁNH GIÁ
K Ế T QU Ả
Qua quá trình tìm hiểu và nghiên cứu song song giữa các tài liệu chuyên ngành tiếng Việt và tiếng Anh, nhóm đã tổng hợp toàn bộ kiến thức tích lũy trong 4 năm học và tham khảo thêm từ Internet dưới sự hướng dẫn tận tình của giáo viên hướng dẫn Nguyễn Đăng Khoa Nhờ đó, nhóm đã hoàn thành đồ án tốt nghiệp với đề tài "Quản lý và cảnh báo sinh viên thông qua hệ thống quét vân tay," thể hiện sự kết nối giữa lý thuyết và thực tiễn trong quản trị và an ninh sinh viên Đề tài nhằm ứng dụng các kiến thức đã học vào việc quản lý và cảnh báo sinh viên một cách hiệu quả, đồng thời nâng cao chất lượng đào tạo và nghiên cứu của nhóm.
Qua quá trình thực hiện đồ án này, nhóm em đã tích lũy được nhiều kiến thức mới, bổ sung hành trang kỹ thuật cho các dự án sau này Nhóm đã nắm vững cách sử dụng và khai thác các tính năng của Arduino, đặc biệt là khả năng giao tiếp giữa Arduino và các module mở rộng như cảm biến vân tay R307 và module ESP, từ đó nâng cao khả năng tích hợp phần cứng và phần mềm cho các ứng dụng thực tế.
8266, ma trận phím, màn hình LCD
+ Tìm hiểu và tiến hành kết nối Arduino với các module mở rộng như cảm biến vân tay R375, module ESP 8266, ma trận phím, màn hình LCD
ESP8266 là một module wifi phổ biến cho các dự án IoT, và cách sử dụng module ESP8266 bắt đầu từ hiểu nguyên lý hoạt động của chip wifi 2.4 GHz, các thông số kỹ thuật quan trọng như điện áp hoạt động 3.3V, UART giao tiếp, tốc độ baud, dung lượng flash và RAM, cùng khả năng lập trình bằng Arduino IDE hoặc ESP8266 SDK Các tính năng của ESP8266 bao gồm thiết lập mạng wifi, làm client hoặc server TCP/UDP, hỗ trợ OTA và gửi dữ liệu lên website nhờ WIFI Thiết lập cho module ESP8266 bao gồm cấp nguồn ổn định 3.3V, kết nối đúng chân, cấu hình SSID và mật khẩu wifi, và tải mã lên bằng USB-UART; người dùng có thể chọn chế độ AT command hoặc lập trình từ môi trường phát triển để tùy biến Để gửi dữ liệu lên website nhờ WIFI, ESP8266 có thể thực hiện HTTP POST/GET tới API của website hoặc MQTT tới broker, giúp truyền tải dữ liệu cảm biến, điều khiển từ xa và hiển thị thông tin trên giao diện web.
Hiểu nguyên lý hoạt động của cảm biến vân tay R307, các thông số kỹ thuật và các tính năng nổi bật cũng như cách sử dụng cảm biến sao cho hiệu quả Nắm được quy trình lấy mẫu dấu vân tay và lịch sử hình thành, phát triển của ngành sinh trắc học vân tay để có cái nhìn toàn diện về công nghệ bảo mật sinh trắc học Những kiến thức này giúp ứng dụng cảm biến vân tay R307 trong hệ thống kiểm soát truy cập và xác thực diễn ra an toàn, nhanh chóng và đáng tin cậy.
+ Lập trình được một website với giao diện trực quan, thao tác đơn giản
Sau quá trình nghiên cứu và thi công đề tài “QUẢN LÝ VÀ CẢNH BÁO SINH VIÊN THÔNG QUA HỆ THỐNG QUÉT VÂN TAY”, nhóm đã hoàn thành và triển khai thành công các tính năng cốt lõi của hệ thống Hệ thống hỗ trợ quản lý danh sách sinh viên bằng công nghệ quét vân tay, tự động chấm công và kiểm soát ra/vào dựa trên sinh trắc học, đồng thời phát hiện và cảnh báo các sự cố hoặc hành vi bất thường và gửi thông báo đến quản trị viên Dữ liệu chấm công được lưu trữ an toàn, đảm bảo tính toàn vẹn và có khả năng báo cáo nhanh chóng, phục vụ cho việc theo dõi giờ giấc ra vào và nâng cao an ninh của khuôn viên trường Dự án cho thấy tính khả thi về kỹ thuật, độ chính xác của quét vân tay và tiềm năng mở rộng trong tương lai.
❖ Hiển thị trên màn hình LCD
- Khi khởi động hệ thống, màn hình LCD sẽ hiển thị phần check vân tay
Hình 5.1: Phần check vân tay
Để thêm hoặc xóa vân tay cũng như thay đổi quản trị viên, người dùng chỉ cần nhấn phím # trên ma trận bàn phím Ngay lập tức, menu quản trị admin sẽ hiển thị trên màn hình LCD, cho phép thực hiện các thao tác quản trị liên quan đến vân tay và quyền quản trị một cách nhanh chóng, an toàn và thuận tiện.
Hình 5.2: Phần thêm vân tay và xóa vân tay
Hình 5.3: Phần quản lí Admin
❖ Thao tác quét vân tay
- Sau khi hệ thống khởi động xong đưa ngón tay của người cần quét vân tay vào để quét vân tay
Hình 5.4: Đưa ngón tay vào cảm biến Hình 5.5: Hệ thống xác nhận vân tay
- Khi hệ thống xác nhận quét vân tay thành công thì dữ liệu sẽ được chuyển từ Arduino mega thông qua Module ESP8266 để gửi dữ liệu lên Wedserver
❖ Thao tác thêm vân tay và xóa vân tay
- Sau khi hệ thống khởi động bấm phím # để vào phần thêm vân tay và xóa vân tay
Hình 5.6: Phần thêm vân tay và xóa vân tay Hình 5.7: Phần nhập mật mã
Để quản lý vân tay, người dùng nhấn phím 1 để thêm vân tay và nhấn phím 2 để xóa vân tay Khi vào mục thêm hoặc xóa vân tay, bắt buộc phải nhập mật mã để xác thực.
- Khi đăng nhập đúng mật mã sẽ vào phần thêm vân tay hoặc vào phần xóa vân tay, thao tác thêm vân tay như sau:
Hình 5.8: Phần thêm vân tay Hình 5.9: Thao tác thêm vân tay
Hình 5.10: Phần xóa vân tay
- Người dung truy cập vào ip hiển thị trên màn hình led qua phím bấm *
Hình 5.11: Phần hiển thị thông tin quét vân tay trên wed server
❖ Giao diện exel cảnh báo sinh viên
- Sử dụng Exel để thống kể và gửi cảnh báo về gmail của sinh viên
Hình 5.12: Hệ thống cảnh báo sinh viên
KẾ T LU ẬN VÀ HƯỚ NG PHÁT TRI Ể N
K ế t lu ậ n
- Sau thời gian tìm hiểu, nghiên cứu và thực hiện, nhóm đã hoàn thành đề tài
Hệ thống quản lý và cảnh báo thông tin sinh viên bằng máy quét vân tay được thiết kế để đáp ứng đầy đủ các tính năng, nội dung và mục tiêu ban đầu đã đề ra, mang lại xác thực nhanh chóng và an toàn cho dữ liệu sinh viên Giải pháp cho phép xác thực bằng vân tay chính xác, đồng thời áp dụng các biện pháp bảo mật để bảo vệ thông tin nhạy cảm và đảm bảo tính toàn vẹn dữ liệu Hệ thống cung cấp các chức năng quản lý thông tin sinh viên, tra cứu và cập nhật hồ sơ, cũng như báo cáo chi tiết để theo dõi hiệu suất và hoạt động quản lý Các cảnh báo kịp thời được kích hoạt khi phát hiện truy cập trái phép hoặc sự cố bất thường, giúp nâng cao an ninh và kiểm soát rủi ro cho toàn hệ thống Tất cả yếu tố này hỗ trợ quản lý danh sách sinh viên, quản lý thời gian và tối ưu quy trình vận hành theo mục tiêu ban đầu đã đề ra.
+ Giao tiếp và truyền dữ liệu thành công giữa Arduino Mega 2560 với các module cảm biến vân tay R307, module ESP 8266, màn hình LCD, ma trận phím
+ Điểm danh thành công thông qua việc quét nhận dạng dấu vân tay
+ Có thể thêm hoặc xóa vân tay khi quản trị viên cần lấy mẫu vân tay một lớp + Cập nhật dữ liệu vân tay lên webserver thành công
+ Quản lý người dùng trên website bao gồm thời gian vào, số lần trễ, số ngày vắng, thông tin người dùng
+ Cảnh báo sinh viên đi trễ hoặc vắng để sinh viên có hướng khắc phục
+ Gửi về mail sinh viên thông tin trễ học hoặc vắng thông qua giao diện trên website
Nhóm đã nỗ lực triển khai đề tài nhưng vẫn tồn tại một số hạn chế về kiến thức và thời gian thực hiện, khiến kết quả chưa hoàn thiện và có thể phát sinh sai sót; để nâng cao hiệu quả, nhóm đề xuất thay thế hệ thống tự động cảnh báo sinh viên bằng phần mềm Excel nhằm cảnh báo sinh viên kịp thời, tăng tính trực quan và tối ưu quy trình quản lý thông báo.
+ Sử dụng Wedserver có sẵn trển module ESP 8266 để thay thế
- Tuy còn tồn động những mặt hạn chế nhưng nhìn chung mô hình hoạt động tốt so với những yêu cầu đã đề ra:
Hệ thống vận hành ổn định ở mức tương đối và dữ liệu vân tay được cập nhật liên tục, đảm bảo nhận diện nhanh và tin cậy Module cảm biến vân tay R307 hoạt động tốt, ổn định và có độ chính xác rất cao, tăng hiệu quả xác thực người dùng Đồng thời module ESP8266 duy trì hoạt động ổn định, hỗ trợ kết nối mạng và quản lý hệ thống một cách mượt mà.
+ Hệ thống website quản lý thời gian ra vào của người dùng dễ sử dụng, nhiều tính năng đáp ứng nhu cầu thực tiễn
+ Gửi email thông báo về thời gian ra vào cũng như số lần đi trễđến mail.
HƯỚ NG PHÁT TRI Ể N
- Có thể gửi dữ liệu người dùng lên website quản lý thời gian thông qua Wifi
Việc mở rộng khả năng lấy nhiều mẫu vân tay nhằm nâng cao khả năng ứng dụng của đề tài không chỉ giới hạn ở quản lý lớp học mà còn có thể hỗ trợ quản lý nhà máy, xí nghiệp và các quy trình sản xuất khác Đồng thời thiết kế giao diện website sinh động hơn và dễ tương tác với người dùng, giúp người quản trị và sinh viên có trải nghiệm trực quan và thuận tiện Hệ thống cũng có thể tự động gửi email thông báo đến những sinh viên đi trễ hoặc vắng mặt, từ đó tăng cường hiệu quả quản lý và nhắc nhở một cách chủ động.