Hệ thống quét vân tay sử dụng kit Arduino được giám sát vàcảnh báo bằng máy tính qua Internet bao gồm: Quá trình quét vân tay sẽ được gửi lên Internet nhằm thống kê thời gian ra vàolớp h
TỔNG QUAN
Đặt vấn đề
Trong thời đại ngày nay, sự phát triển không ngừng của khoa học kỹ thuật và công nghệ thông tin đang làm cho cuộc sống và công việc hằng ngày của con người trở nên thuận tiện hơn Với sự bùng nổ của công nghệ thông tin, quá trình toàn cầu hóa diễn ra nhanh chóng, đồng thời việc bảo mật thông tin cá nhân và nhận diện một người giữa hàng tỉ người đòi hỏi các tiêu chuẩn và hệ thống đáng tin cậy để đảm nhận các chức năng này Công nghệ sinh trắc học ra đời và đáp ứng các yêu cầu trên bằng những phương thức nhận diện chính xác, an toàn và hiệu quả.
Hiện nay, nhiều công nghệ sinh trắc học đang được phát triển và ứng dụng thực tế, cho thấy hiệu quả cao trong nhiều lĩnh vực Các đặc trưng sinh trắc phổ biến gồm vân tay, gương mặt, mống mắt và tiếng nói; mỗi đặc trưng có ưu điểm và nhược điểm riêng, vì vậy việc lựa chọn đặc trưng phù hợp phụ thuộc vào yêu cầu của từng ứng dụng Nhận dạng vân tay được xem là một trong những kỹ thuật nhận diện 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 đề tài để nâng cao tính ứng dụng và độ tin cậy của hệ thống Việc mở rộng nhấn mạnh tích hợp thêm các chức năng bảo mật, tối ưu hóa giao diện người dùng và nâng cao khả năng giám sát từ xa thông qua Internet, đồng thời giữ nguyên nguyên lý điều khiển đóng mở cửa bằng vân tay với Arduino Đề tài mới thể hiện sự tiếp nối khoa học, mang lại những đóng góp thực tiễn trong lĩnh vực hệ thống nhận diện và kiểm soát truy cập, phù hợp với các từ khóa SEO liên quan đến thiết kế hệ thống đóng mở cửa bằng vân tay, Arduino, và giám sát qua Internet.
Quản lý và cảnh báo sinh viên thông qua hệ thống quét vân tay nhằm tối ưu hóa công tác quản lý sinh viên trong trường học và cung cấp thông báo, cảnh báo cho sinh viên về số lần vi phạm trong quá trình tham gia hoạt động học tập trên lớp Hệ thống này cho phép nhận diện vân tay để tự động điểm danh và theo dõi vi phạm một cách chính xác, tăng tính công bằng và minh bạch trong quản lý nề nếp Những vi phạm được ghi nhận và hiển thị cho sinh viên để nắm rõ tình trạng tham gia của mình, đồng thời dữ liệu được lưu trữ để các tổ chức giáo dục có cơ sở đánh giá hiệu quả tham gia và triển khai nhắc nhở hoặc biện pháp cải thiện kỷ luật phù hợp.
Dấu vân tay mỗi người là duy nhất và không đổi theo thời gian, trở thành một tham số sinh học bất biến theo tuổi Với sự phát triển của Internet, việc truyền dữ liệu vân tay lên mạng để quản lý dữ liệu sinh trắc học ngày càng tiện lợi và nhanh chóng Tiến bộ của vi xử lý đã cho ra đời nhiều thiết bị thông minh nhỏ gọn, tích hợp nhiều chức năng cho người dùng dễ sử dụng Kit Arduino được sử dụng rộng rãi trên toàn cầu với cộng đồng người dùng lớn và khả năng kết hợp với nhiều module để triển khai các ứng dụng thực tế Nhóm đã xây dựng mô hình hệ thống quét vân tay cho quản lý sinh viên, gồm Arduino, module cảm biến vân tay và ma trận phím, gửi dữ liệu lên Internet và cảnh báo số lần vi phạm qua email tới sinh viên Hệ thống này giúp tự động hóa quản lý danh sách điểm danh và an ninh trường học.
Mục tiêu
Khảo sát và nghiên cứu kit Arduino cùng với module cảm biến vân tay R307 là bước đầu để hiểu cách thiết kế hệ thống điện và cách kết nối giữa các module nhằm hoàn thiện một mô hình thực tế Bạn sẽ tìm hiểu cấu trúc và nguyên lý hoạt động của cảm biến vân tay R307, cách giao tiếp với Arduino thông qua UART và các yêu cầu về nguồn cấp, Ground và ổn định tín hiệu Bài viết hướng dẫn cách lên sơ đồ nối dây, bố trí trên breadboard hoặc PCB, cũng như các lưu ý về điện trở, nguồn và an toàn mạch để đảm bảo hoạt động tin cậy Cuối cùng, quá trình lắp ráp và kiểm tra sẽ đánh giá hiệu suất của mô hình hoàn thiện, tối ưu thời gian đáp ứng và độ chính xác của nhận diện vân tay, từ đó điều chỉnh tham số để đạt kết quả tốt nhất.
Xây dựng hệ thống quét dấu vân tay nhằm điều khiển đóng mở cửa qua cảm biến vân tay và kết nối Internet bằng module ESP8266 Dữ liệu dấu vân tay được truyền tới Internet thông qua ESP8266 để quản lý truy cập từ xa, ghi nhận lịch sử và tăng cường an ninh cho cửa thông minh Đây là giải pháp IoT cho cửa ra vào, tích hợp công nghệ nhận diện sinh trắc học với khả năng mở rộng, tối ưu hóa tiện ích và an toàn cho các ứng dụng gia đình và doanh nghiệp.
Trong hệ thống quản lý truy cập, dữ liệu vân tay, thống kê thời gian ra vào, số lần ra vào và số lần trễ so với quy định của người dùng sẽ được quản lý và lưu trữ qua Internet Việc quản lý qua Internet giúp theo dõi, đối chiếu và báo cáo một cách nhanh chóng, an toàn và chính xác, đồng thời tăng tính minh bạch cho hoạt động ra/vào của từng người dùng.
Cảnh báo sinh viên ra số lần ra vào, số lần trễ, vắng bằng cách gửi cảnh báo về mail của người dùng.
Nội dung thực hiện
Nội dung 1 tập trung tìm hiểu và nghiên cứu cấu tạo phần cứng, nguyên lý hoạt động và tính năng của các module Arduino, cảm biến vân tay R307, ma trận phím và ESP2688 (thường được gọi là ESP8266) Bài viết giới thiệu cấu tạo của Arduino gồm vi điều khiển, nguồn và các chân I/O, giải thích nguyên lý làm việc của cảm biến vân tay R307 dựa trên công nghệ nhận diện đặc trưng và so sánh mẫu vân, mô tả cách ma trận phím quét hàng‑cột để nhận diện phím nhấn với tối ưu hóa số chân, và trình bày chức năng Wi-Fi của ESP2688 để kết nối mạng và điều khiển từ xa cho các dự án IoT, từ đó cho phép tích hợp mượt mà các module này vào các hệ thống nhúng.
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.
Bố cục
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
Bài viết này cung cấp cái nhìn tổng quan về các yêu cầu của đề tài thiết kế và các bước tính toán, thiết kế mạch Nội dung chính được trình bày qua các phần thiết kế sơ đồ khối hệ thống, sơ đồ nguyên lý toàn mạch và tính toán thiết kế mạch nhằm đảm bảo đáp ứng đúng chức năng, độ tin cậy và hiệu suất của hệ thống Cụ thể, sơ đồ khối hệ thống cho thấy luồng tín hiệu và các thành phần chính; sơ đồ nguyên lý toàn mạch làm rõ kết nối giữa các linh kiện và mạch con; còn phần tính toán thiết kế mạch tập trung vào các tham số thiết kế, biện pháp kiểm tra và tối ưu hóa hiệu năng.
Chương 4: Thi công hệ thống
Trong bài viết này, chúng ta trình bày toàn diện quy trình thiết kế và sản xuất mạch in (PCB): từ vẽ sơ đồ mạch và bố trí các linh kiện, đến lắp ráp thiết bị, đo kiểm tra mạch và lắp ráp mô hình hoàn chỉnh Đồng thời bài viết thiết kế lưu đồ giải thuật cho chương trình và viết chương trình cho hệ thống để tối ưu luồng xử lý và hiệu suất Cuối cùng, chúng tôi hướng dẫn quy trình sử dụng hệ thống, từ vận hành ban đầu đến kiểm tra, bảo trì và nâng cấp, nhằm giúp người dùng nắm bắt các bước thực hiện một cách rõ ràng và tin cậy.
Chương 5: Kết quả-Nhận xét-Đánh giá
Trong bài viết này, trình bày rõ các kết quả đạt được sau quá trình nghiên cứu và thi công so với những mục tiêu đã đề ra Các chỉ tiêu hiệu suất và chất lượng được đo lường cụ thể ở từng hạng mục, giúp xác định mức độ đáp ứng mục tiêu và tổng thể của dự án Từ những kết quả thu được, có thể đánh giá phần trăm tiến độ hoàn thành của toàn bộ quá trình, và ước tính mức độ hoàn thành ở khoảng X%, đồng thời chỉ ra các yếu tố ảnh hưởng và đề xuất biện pháp điều chỉnh để tối ưu hóa tiến độ, chi phí và chất lượng ở các giai đoạn tiếp theo Nhờ so sánh dữ liệu thực tế với kế hoạch ban đầu, bài viết cung cấp cái nhìn rõ ràng về độ tin cậy của kết quả và định hướng cho các hoạt động sau này.
Chương 6: Kết luận và hướng phát triển
Đồ án đạt được các kết quả thể hiện sự tiến bộ rõ rệt về hiệu quả, độ chính xác và tính khả thi của các giải pháp đề xuất, đồng thời cho thấy tính logic và tính nhất quán của phương pháp luận được áp dụng Tuy nhiên, vẫn tồn tại một số hạn chế như hạn chế về dữ liệu, phạm vi thử nghiệm còn hẹp và mức độ tổng quát hoá của mô hình Từ các kết quả này rút ra kết luận rằng đồ án có tiềm năng cải thiện hiệu suất và ứng dụng thực tiễn, song cần tiếp tục hoàn thiện các khâu tiền xử lý dữ liệu, tối ưu hoá thuật toán và mở rộng phạm vi kiểm thử Để giải quyết các tồn đọng, hướng phát triển được đề xuất gồm: tăng cường nguồn dữ liệu và đánh giá trên nhiều ngữ cảnh, tối ưu hoá tham số và cấu trúc mô hình, đồng thời xây dựng khung đánh giá liên tục và tài liệu hoá đầy đủ nhằm đảm bảo đồ án hoàn thiện hơn và sẵn sàng chuyển giao.
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
TỔNG QUAN VỀ 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 các thiết bị phần cứng như cảm biến, động cơ và nhiều thiết bị khác Điểm nổi bật của Arduino là môi trường phát triển Arduino IDE dễ sử dụng và ngôn ngữ lập trình có thể học nhanh ngay cả với người mới bắt đầu, giúp người dùng tiếp cận điện tử và lập trình một cách dễ dàng Với mức giá thấp, tính nguồn mở và một cộng đồng người dùng đông đảo, Arduino vừa tiết kiệm chi phí vừa nhận được sự hỗ trợ phong phú từ cộng đồng Nhờ các ưu thế về giá thành và sự hiện diện của cộng đồng, Arduino được sử dụng rộng rãi từ học sinh phổ thông đến sinh viên đại học.
Board mạch Arduino là nền tảng phát triển phổ biến cho các dự án tự động hóa và nhúng, được ứng dụng đa dạng như cánh tay robot, hệ thống giám sát và điều khiển nhiệt độ độ ẩm trong phòng thí nghiệm, và điều khiển động cơ đóng mở cửa cùng với nhiều thiết bị tự động hóa khác Nhờ dễ lập trình, thư viện hỗ trợ phong phú và chi phí hợp lý, Arduino cho phép người dùng thiết kế, kiểm tra và triển khai nhanh các giải pháp từ cấp độ học tập đến ứng dụng công nghiệp nhẹ, tích hợp cảm biến, actuator và các giao tiếp như I2C, SPI, UART để thu thập dữ liệu môi trường và điều khiển thiết bị từ xa.
Phần cứng bao gồm 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 và điều khiển các mạch ngoài, cho phép tích hợp cảm biến và cơ cấu chấp hành cùng các mạch mở rộng một cách linh hoạt.
Arduino hiện nay được trang bị cổng USB, 6 chân đầu vào analog và 14 chân I/O kỹ thuật số, tương thích với nhiều shield mở rộng để dễ lập trình và có thể mở rộng với các mạch khác; các module shield có thể dễ dàng ghép chồng và hoạt động song song, một số shield kết nối trực tiếp qua các chân của board, trong khi nhiều shield được định địa chỉ qua giao thức I2C; Arduino chính thức thường dùng các dòng chip MegaAVR, đặc biệt là ATMega8, ATMega168, ATMega328, ATMega1280 và ATMega2560.
Theo nguyên tắc, khi sử dụng phần mềm Arduino, tất cả các board được lập trình thông qua một kết nối RS-232, nhưng cách thức thực hiện lại tùy thuộc vào đời phần cứng Các board Serial Arduino có chứa một mạch chuyển đổi giữa RS-232 và TTL, còn các board Arduino hiện tại được lập trình thông qua cổng USB và thực hiện qua chip chuyển đổi USB-to-serial như là FTDI FT232.
NHẬN DẠNG 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 gờ da ở lớp biểu bì, nơi tập trung các tuyến mồ hôi và tuyến bã nhờn, và bắt đầu hình thành khi thai nhi khoảng 4 tháng tuổi Khi cơ thể lớn lên, vân tay được phóng đại nhưng vẫn giữ nguyên dạng mẫu cho đến khi già đi; dù tay có bỏng, bị thương hay mắc bệnh, sau khi lành vân tay vẫn tái hiện y hệt như cũ, chỉ có tổn thương sâu và sẹo chằng chịt mới có thể xoá bỏ hoàn toàn vân tay Mỗi người có vân tay riêng biệt, đặc sắc nhất ở ngón cái và ngón trỏ Nhận dạng vân tay là phương pháp xác định danh tính dựa trên các mẫu vân tay cá nhân, vốn ổn định và khó giả mạo nhờ tính độc nhất được hình thành từ trong thai kỳ, và được ứng dụng rộng rãi trong an ninh, thẩm định danh tính và quản lý truy cập.
Ngay từ xa xưa, con người đã nhận ra mỗi cá nhân có một vân tay riêng, nhưng chưa có một cơ sở khoa học để nghiên cứu và nhận dạng Đến thế kỷ 16, các kỹ thuật vân tay khoa học hiện đại xuất hiện, mở ra thời kỳ phát triển nhanh chóng của các lý thuyết và chương trình mô tả, nhận dạng vân tay Từ đó, lịch sử nhận diện vân tay dần được hệ thống hóa và ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực nhờ các phương pháp phân tích và xác thực dấu vân tay.
Francis Galton giới thiệu các đặc trưng chi tiết phục vụ cho đối sánh vân tay.
Đến đầu thế kỉ 20, nhận dạng vân tay được công nhận chính thức như một phương pháp nhận dạng cá nhân có giá trị và dần trở thành tiêu chuẩn trong pháp luật Ví dụ, năm 1924 FBI đã thiết lập một cơ sở dữ liệu với 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, điện thoại thông minh Tuy nhiên đây vẫn là vấn đề còn chưa được nghiên cứu nhiều ở Việt Nam Ở nước ta, phương pháp này mới chỉ phổ biến ở việc quản lý nhân sự thông qua chứng minh thư nhân dân và phục vụ điều tra phá án Các sản phẩm công nghệ cao nói trên chúng ta vẫn phải nhập khẩu với giá thành khá cao, do đó chúng vẫn chưa được phổ biến rộng rãi.
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 là khi đặt ngón tay lên thiết bị quét, thiết bị sẽ quét hình ảnh ngón tay và đối chiếu các đặc điểm với dữ liệu đã được lưu trữ trong hệ thống Quá trình xử lý dữ liệu được chuyển thành dữ liệu số và hệ thống trả về kết quả hợp lệ hay không hợp lệ để cho phép các chức năng tiếp theo Hệ thống sinh trắc học ghi nhận mẫu vân tay của người dùng và lưu trữ tất cả các đặc điểm này thành một mẫu nhận diện số hoá toàn phần Có hai phương pháp để lấy dấu vân tay.
Cách thứ nhất (cổ điển) là sao chép hình dạng vân tay bằng cách lăn tay trong mực hoặc chạm lên một vật nào đó để in lại dấu vân, sau đó máy quét nhận diện ghi nhận và xử lý hình ảnh vân tay để tạo mẫu Phương pháp này tập trung vào việc tái hiện cấu trúc đường vân và phân tích dữ liệu sinh trắc học qua hệ thống quét Trong bối cảnh bảo mật, cách sao chép vân tay cổ điển có thể đặt ra thách thức về độ tin cậy và yêu cầu các biện pháp xác thực bổ sung để đảm bảo an toàn.
- 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 làm hai quá trình lớn: quá trình xử lý ảnh và quá trình so sánh vân tay a Quá trình xử lý ảnh là bước tiền xử lý hình ảnh nhằm làm sạch và tăng cường đặc trưng của vân tay, khử nhiễu, chuẩn hóa và tăng cường độ tương phản để đảm bảo chất lượng dữ liệu cho các bước nhận diện tiếp theo Sau khi ảnh được xử lý, quá trình so sánh vân tay sẽ tiến hành trích xuất các đặc trưng then chốt và đối chiếu với cơ sở dữ liệu để xác nhận bản ghi phù hợp, từ đó tối ưu hóa độ chính xác và tốc độ nhận diện trong các ứng dụng thực tế.
Hình 2.2: Sơ đồ quá trình xử lý ảnh
Mục tiêu của quá trình xử lý được thể hiện qua hình 2.2 là tăng cường ảnh vân tay và sau đó rút trích các đặc trưng từ ảnh đã được tăng cường Quá trình này được thực hiện thông qua một chuỗi các bước nhỏ được mô tả dưới đây, nhằm tối ưu hóa chất lượng ảnh và nâng cao độ chính xác của việc trích xuất đặc trưng vân tay.
Tăng cường ảnh (Image Enhancement) là bước quan trọng giúp làm rõ ảnh được lấy từ thiết bị đầu đọc vân tay Do đầu đọc vân tay đôi khi không lấy được ảnh tốt, hoặc vân tay người dùng bị hao mòn, dơ bẩn, hoặc lực ấn ngón tay khi lấy vân tay không ổn định, ảnh vân tay có thể bị mờ hoặc thiếu chi tiết Vì vậy bước này giúp làm nổi bật các đặc điểm vân tay và rút trích đúng và đầy đủ các đặc trưng nhận diện Đây là một trong những bước then chốt của quá trình nhận diện 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 (Binarization) là quá trình biến đổi ảnh vân tay thành ảnh trắng đen, nhằm chuẩn hóa dữ liệu và tăng độ tương phản giữa các đường vân và nền Bước này phục vụ cho bước làm mỏng vân tay và có thể được thực hiện hoặc bỏ qua tùy thuộc vào thuật toán rút trích đặc trưng được áp dụng.
Trong xử lý ảnh vân tay, bước làm mỏng (thinning) là quá trình làm mỏng các đường vân nổi trên ảnh để tối ưu hóa việc rút trích đặc trưng Mục đích của bước này là tối ưu hóa các đặc trưng của vân tay và cải thiện hiệu quả nhận diện bằng cách làm nổi bật các yếu tố quan trọng của đường vân Bước làm mỏng có thể được thực hiện hoặc bỏ qua 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 tiêu của quá trình này, được thể hiện trên hình 2.3, là so sánh vân tay dựa trên các đặc trưng đã được rút trích; quá trình này được thực hiện qua một chuỗi các bước nhỏ được mô tả tiếp theo.
+ 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.
Để đánh giá độ tương tự cục bộ (Local Similarity), thuật toán so sánh vân tay 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 so với trục ngang Khi đối chiếu hai vân tay, các đặc trưng cục bộ được so sánh để tìm ra các cặp đặc trưng giống nhau, từ đó xác định mức độ khớp giữa hai mẫu vân tay dựa trên sự tương đồng của các điểm đặc trưng địa phương này.
Độ tương tự toàn cục (Global Similarity) được đánh giá bằng cách bắt đầu từ các khu vực có mức độ tương đồng cao ở cấp độ cục bộ, sau đó thuật toán sẽ mở rộng phạm vi so sánh lên toàn bộ dữ liệu Quá trình này cho phép nhận diện các mẫu và cấu trúc tương tự ở quy mô lớn, từ đó tối ưu hóa các phép so sánh và phát hiện liên kết giữa các khu vực khác nhau Nhờ sự kết hợp giữa so sánh cục bộ và so sánh toàn cục, hệ thống có thể tăng độ chính xác và hiệu quả trong phân tích, nhận diện mẫu và tổng hợp thông tin ở mức độ toàn cầu.
Điểm so sánh (Matching Score) là chỉ số đo mức độ tương đồng giữa hai ảnh vân tay dựa trên các cặp đặc trưng đã được phân tích Quá trình tính toán sẽ xác định tỷ lệ phần trăm giống nhau giữa các đặc trưng, từ đó cho ra một giá trị điểm tương đồng giữa hai mẫu vân tay Điểm so sánh này cho biết mức độ giống nhau giữa hai ảnh vân tay và là cơ sở để đánh giá độ chính xác của hệ thống nhận diện và xác thực dựa trên vân tay.
TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ
THI CÔNG HỆ THỐNG
ĐÓNG GÓI VÀ THI CÔNG MÔ HÌNH
4.1.1 Đóng gói bộ điều khiển
Sau khi kiểm tra mạch hoạt động tốt, ta tiến hành đóng hộp để tạo thành mô hình hoàn chỉnh Hình 4.1 cho thấy sơ đồ bố trí các linh kiện được hiển thị trên mặt trước, giúp người đọc dễ dàng nhận diện vị trí và vai trò của từng thành phần trong hệ thống.
Hình 4.1: Sơ đồ bố trí linh kiện mặt trước mô hình
Hình 4.3: Hình dạng bên trong mô hình
LẬP TRÌNH HỆ THỐNG
Hệ thống thực hiện ba chức năng chính: quét vân tay để 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 theo dõi thời gian ra vào lớp và xác thực danh tính sinh viên một cách nhanh chóng Sau khi quét vân tay, dữ liệu được lưu trữ và xử lý để cập nhật danh sách sinh viên, thời gian ra vào và tạo các báo cáo quản trị cho lớp học.
ID của người quét được gửi lên mạng Internet để hiển thị thông tin liên quan đến giờ 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 để quản lý danh sách người dùng và tăng cường bảo mật cho quá trình điểm danh.
- 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, nhấn và giữ nút reset màu vàng trong 5 giây; đèn wifi sẽ nhấp nháy rồi sáng lên, cho biết quá trình reset đang diễn ra Khi quá trình hoàn tất, toàn bộ cấu hình wifi đã lưu sẽ bị xóa.
- Sau đó module sẽ phát 1 wifi có tên FINGERPRINT_SERVER Dùng điện thoại kết nối tới wifi này pass: 12345678 Sau đó mở trình duyệt chrom nhập IP
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.
Sau khi hệ thống khởi động và kết nối Wi-Fi, đèn WiFi sẽ chớp 3 lần rồi tắt Màn hình LCD hiển thị địa chỉ IP Web của hệ thống để bạn truy cập và xem dữ liệu.
+ Sauk hi hệ thống khởi động xong, Sẽ vào màn hình chính.
• Bấm nút * để hiện lại IP Web.
• Bấm nút # đề vào menu
Hệ thống quản lý vân tay có các chức năng chính gồm thêm vân tay, xóa vân tay, xóa toàn bộ dữ liệu vân tay trong hệ thống và đổi mật khẩu Các chức năng này được thực hiện theo hướng dẫn hiển thị trên màn hình LCD, đảm bảo thao tác nhanh chóng, an toàn và thuận tiện cho người dùng khi quản lý danh sách vân tay, quyền truy cập và bảo mật dữ liệu.
❖ Lưu đồ hệ thống menu tự chọn
ESP 8266, cảm biến vân tay, LCD
(hiển thị menu tự chọn)
Thêm hoặc Chế độ 1 xóa vân tay Đ
Quy trình làm việc được mô tả trong sơ đồ hình 4.4: hệ thống khởi động ESP8266 và LCD, khởi tạo biến và kiểm tra kết nối của cảm biến vân tay; nếu cảm biến chưa được kết nối, chương trình sẽ dừng để đợi cho tới khi có kết nối Vòng lặp chương trình bắt đầu ở chế độ 0, nơi hiển thị menu điều khiển với hai lựa chọn là 1 Quét vân tay và 2 Xóa vân tay, và người dùng nhấn nút # để vào phần quản trị Admin Đồng thời, bàn phím ma trận được kiểm tra liên tục: nhấn phím 1 sẽ đưa hệ thống sang chế độ 1, nhấn phím 2 sẽ đưa hệ thống sang chế độ 2.
Trong chế độ 1, hệ thống cho phép quét dấu vân tay của người dùng Dữ liệu ID tương ứng với vân tay đã được lưu trữ trước đó được cập nhật lên website thông qua kết nối Wifi trên Module ESP8266 Khi việc gửi dữ liệu hoàn tất, hệ thống sẽ trở về menu lựa chọn. -**Support Pollinations.AI:**🌸 **Quảng cáo** 🌸 Sử dụng [Pollinations.AI free text APIs](https://pollinations.ai/redirect/kofi) để tối ưu hóa nội dung SEO cho hệ thống quét vân tay với Module ESP8266 ngay hôm nay!
Trong chế độ 2 cho phép quản trị Admin Trước khi vào menu quản trị Admin, người dùng phải nhập đúng mật khẩu Admin; chỉ sau khi xác thực thành công, hệ thống mới cho phép thêm vân tay hoặc 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 phía trên Chương trình kiểm tra ở chế độ 1 để nhận diện vân tay được đưa vào Nếu vân tay được quét trùng khớp với vân tay đã được lưu trước đó, 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 dữ liệu từ serial 12; nếu có dữ liệu từ serial 12, hệ thống sẽ kết nối WiFi Sau khi kết nối thành công, chương trình tiến hành gửi dữ liệu ID người dùng lên web Khi quá trình hoàn tất, kết nối WiFi sẽ được ngắt.
❖ Lưu đồ quản lý admin
Hình 4.7: Lưu đồ quản trị
Quy trình quản trị admin được thực hiện theo lưu đồ hình 4.7 Chương trình kiểm tra xem có đang ở chế độ bằng 3 hay không; nếu đúng, người dùng nhập mật khẩu để truy cập menu hiển thị các tùy chọn quản trị admin Menu tùy chọn này gồm hai chế độ.
• 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
4.2.2 Phần mềm lập trình cho vi điều khiển
❖ Giới thiệu phần mềm lập trình Arduino IDE
- Arduino IDE là phần mềm giúp ta lập trình cho các dòng sản phẩm của
Arduino gồm các phiên bản phổ biến như Arduino Uno, Arduino Mega và Arduino Nano cùng nhiều mô-đun khác, phù hợp với các dự án từ đơn giản đến phức tạp Lập trình trên Arduino IDE được xem là cách tiếp cận đơn giản dành cho những người đam mê điện tử muốn tạo ra các sản phẩm nhúng ấn tượng mà không cần phải có kiến thức điện tử chuyên sâu Môi trường phát triển tích hợp Arduino IDE là một ứng dụng đa nền tảng được viết bằng Java, giúp người dùng viết, biên dịch và nạp mã lên board Arduino trên nhiều hệ điều hành một cách thuận tiện.
- 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.
ESP8266 của Espressif hiện đã hỗ trợ ba nền tảng SDK độc lập để viết chương trình: NONOS SDK, RTOS SDK và Arduino, mỗi nền tảng có ưu điểm riêng phù hợp với từng ứng dụng Hiện nay Arduino được sử dụng rộng rãi nhất nhờ tính dễ sử dụng, kiến trúc phần mềm tốt và tận dụng được nhiều thư viện của cộng đồng.
Arduino is an integrated development environment (IDE) that combines a built-in editor, compiler, and programmer in a single, user-friendly platform It ships with firmware that includes a bootloader and provides a rich set of pre-built libraries that are easy to integrate, enabling rapid prototyping and deployment of microcontroller projects.
Ngôn ngữ C/C++ dành cho Arduino là nền tảng nguồn mở được cộng đồng đóng góp và phát triển hàng ngày, đảm bảo sự tiến bộ liên tục và ổn định Triết lý thiết kế của Arduino giúp người mới bắt đầu và các doanh nghiệp dễ tiếp cận, đồng thời hỗ trợ việc tích hợp phần cứng dễ dàng với nhiều hệ thống và dự án Với trình biên dịch C/C++ và thư viện chất lượng được xây dựng dưới nền tảng này, Arduino ngày càng phổ biến và hiệu năng của hệ sinh thái đã sánh vai với các trình biên dịch chuyên nghiệp cho các chip khác.
KẾT QUẢ, NHẬN XÉT, ĐÁNH GIÁ
KẾT QUẢ
Sau quá trình nghiên cứu song song giữa các tài liệu chuyên ngành tiếng Việt và tiếng Anh, nhóm đã tổng hợp và hệ thống hóa kiến thức suốt 4 năm học, tìm hiểu qua mạng Internet và nhận được sự hướng dẫn tận tình của giáo viên hướng dẫn Nguyễn Đăng Khoa; từ 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”, nhằm nâng cao hiệu quả quản lý và an toàn cho sinh viên trong nhà trường.
Quá trình thực hiện đồ án này giúp nhóm em tích lũy nhiều kiến thức mới và bổ sung hành trang kỹ năng cho công việc tương lai Những kiến thức sâu về nghiên cứu, phân tích và ứng dụng công cụ chuyên môn được tích lũy qua thực hành, từ đó nâng cao năng lực làm việc nhóm, tư duy giải quyết vấn đề và hiệu quả trong quản lý thời gian Nhờ những trải nghiệm này, nhóm có nền tảng vững chắc để tiếp tục phát triển nghề nghiệp và tự tin đối mặt với các dự án thực tế sau này.
Biết cách sử dụng và khai thác các tính năng của Arduino là nền tảng để triển khai các dự án nhúng, đặc biệt là khi giao tiếp giữa Arduino và các module mở rộng như cảm biến vân tay R307, module ESP8266, ma trận phím và màn hình LCD Việc thiết lập các kênh giao tiếp như UART, I2C hoặc SPI cho phép Arduino thu thập dữ liệu từ cảm biến, điều khiển các module và hiển thị kết quả trên màn hình LCD, đồng thời truyền dữ liệu qua ESP8266 lên Internet đối với các ứng dụng từ xa Cảm biến vân tay R307 cho phép xác thực nhanh chóng và an toàn, ma trận phím cung cấp phương án nhập liệu tiện lợi, còn màn hình LCD giúp người dùng theo dõi trạng thái hệ thống một cách trực quan Kỹ năng tích hợp này mở ra nhiều ứng dụng thực tế từ điều khiển thiết bị thông minh đến hệ thống giám sát và tự động hóa, đồng thời tối ưu hóa quy trình thiết kế và dự án Arduino của bạn.
+ 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 module WiFi nhúng cho phép điều khiển từ xa và giao tiếp với Internet, có thể hoạt động ở vai trò client hoặc server; Cách sử dụng ESP8266 đòi hỏi nắm vững nguyên lý hoạt động của nó, một SoC 80 MHz với khả năng xử lý và kết nối qua UART/SPI/I2C, bộ nhớ flash và các GPIO đa dạng, hỗ trợ chuẩn 802.11 b/g/n ở tần số 2.4 GHz; các thông số kỹ thuật và tính năng nổi bật gồm CPU tốc độ, dung lượng RAM và flash, số GPIO có thể dùng, ADC/PWM/SPI/I2C/UART, cùng khả năng tiết kiệm năng lượng và OTA, mang lại tính linh hoạt cho nhiều dự án IoT; thiết lập cho module ESP8266 gồm cấp nguồn ổn định 3.3V, kết nối đúng các chân RX/TX ở mức điện áp 3.3V, lập trình bằng AT commands hoặc bằng môi trường như Arduino IDE hoặc NodeMCU, và cấu hình ở chế độ AP hoặc STA với SSID và mật khẩu mạng; gửi dữ liệu lên website nhờ WIFI sau khi kết nối mạng để thu thập dữ liệu từ cảm biến và truyền đi qua HTTP/HTTPS POST hoặc GET hoặc MQTT, định dạng dữ liệu phổ biến như JSON, và đích đến là một endpoint trên website hoặc backend để hiển thị và lưu trữ.
Hiểu rõ nguyên lý hoạt động của cảm biến vân tay R307, các thông số kỹ thuật, tính năng và cách sử dụng cảm biến, đồng thời nắm vững quy trình lấy mẫu dấu vân tay và lịch sử hình thành, phát triển của ngành sinh trắc học vân tay để nhận diện xu hướng và ứng dụng Ngoài ra, có thể lập trình một website với giao diện trực quan, thao tác đơn giản, đáp ứng nhu cầu quản lý dữ liệu sinh trắc học và mang lại trải nghiệm người dùng hiệu quả.
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 dự án và triển khai thành công các tính năng liên quan, nhằm nâng cao hiệu quả quản lý sinh viên và hệ thống cảnh báo thông qua công nghệ quét vân tay.
❖ Hiển thị trên màn hình LCD
- Khi khởi động hệ thống, màn hình LCD sẽ hiển thị phần check vân tay 63
Hình 5.1: Phần check vân tay
Để thêm vân tay, xóa vân tay hoặc thay quản trị viên, người dùng chỉ cần nhấn phím # từ ma trận phím Ngay lúc đó, menu quản trị sẽ hiển thị trên màn hình LCD để bạn thực hiện các thao tác quản lý vân tay và quyền truy cập.
Hình 5.2: Phần thêm vân tay và xóa vân tay
❖ 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
Trong phần quản lý vân tay, nhấn phím 1 để thêm vân tay và nhấn phím 2 để xóa vân tay; để vào các chức năng thêm hoặc xóa vân tay, người dùng phải nhập mật mã nhằm tăng cường bảo mật.
- 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 *.
❖ 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