Sau đây em xin tìm hiểu và khảo sát các đặc tính của công nghệ nhận dạng bằng sóng vô tuyến RFID, dấu vân tay và cảnh báo an ninh nhắn tin về điện thoại cũng như thiết kế một ứng dụng th
TỔNG QUAN
GIỚI THIỆU TÌNH HÌNH HIỆN NGHIÊN CỨU HIỆN NAY
Ngày nay, sự phát triển mạnh mẽ của khoa học kỹ thuật, đặc biệt trong lĩnh vực điện tử viễn thông, đã thúc đẩy sự phát triển của các ngành công nghiệp khác để đáp ứng nhu cầu con người Nhờ vào máy móc và công cụ thông minh, con người không còn phải trực tiếp làm những công việc khó khăn mà chỉ cần điều khiển chúng, mang lại lợi ích to lớn và tối ưu hóa công việc Sự tiến bộ này không chỉ đáp ứng nhu cầu cuộc sống hiện đại mà còn hỗ trợ nghiên cứu và phát triển trong khoa học kỹ thuật Đối với sinh viên điện tử, việc nghiên cứu công nghệ nhận dạng đối tượng bằng sóng vô tuyến RFID và sinh trắc học là rất quan trọng, giúp trang bị kiến thức hiện đại và kỹ năng làm việc trong lĩnh vực điện tử viễn thông, theo kịp sự phát triển của khoa học kỹ thuật.
Ngày nay, các gia đình đều hướng đến một cuộc sống tiện nghi và an toàn, dẫn đến sự phát triển mạnh mẽ của các giải pháp bảo mật Từ những hệ thống khóa cửa cao cấp tại các cơ quan cho đến ổ khóa thông thường ở hộ gia đình, công nghệ bảo mật ngày càng được nâng cao với chi phí hợp lý Sự phát triển không ngừng của khoa học kỹ thuật giúp người dùng dễ dàng tiếp cận các linh kiện điện tử, cho phép lắp đặt các hệ thống bảo vệ như ổ khóa thông minh với mật khẩu số, công nghệ sinh trắc học như vân tay và võng mạc, hay các hệ thống AI nhận diện giọng nói.
Công nghệ RFID và bảo mật vân tay quang học đã được áp dụng rộng rãi trên thế giới, nhưng vẫn còn mới mẻ tại Việt Nam Đất nước chúng ta đang tích cực triển khai các công nghệ này để tận dụng những ưu điểm nổi bật của chúng Hiện nay, RFID đang được ứng dụng trong kiểm soát vào-ra, chấm công điện tử, quản lý phương tiện qua trạm thu phí và kiểm soát bãi đỗ xe tự động Đồng thời, công nghệ bảo mật vân tay cũng đang phát triển mạnh mẽ với các ứng dụng như mở khóa bằng vân tay, check in/out cho nhân viên và nhận diện thông tin cá nhân.
Công nghệ RFID và bảo mật vân tay ngày càng phổ biến, tạo ra thách thức cho hệ thống công nghiệp Việt Nam trong việc nâng cao chất lượng, tự động hóa và hiện đại hóa nền công nghiệp.
Ngày nay, nhu cầu bảo vệ và an toàn cho nhà cửa ngày càng tăng, đặc biệt là sự phát triển của hệ thống khóa cửa thông minh Các chung cư và nhà ở hiện nay ngày càng tích cực áp dụng các hệ thống khóa cửa thông minh tiện lợi, giúp nâng cao an ninh và bảo mật cho mái ấm của mọi người.
Chúng em thực hiện đề tài “THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐÓNG/MỞ CỦA TỰ ĐỘNG THÔNG MINH” nhằm ứng dụng công nghệ RFID và bảo mật vân tay vào một dự án thực tế Đề tài này kết hợp kiến thức đã học và sử dụng các module như LCD, servo, và arduino để nâng cao tính hiện đại của hệ thống.
1.1.2 Tính cấp thiết của đề tài
Thẻ RFID là thiết bị nhỏ gọn dùng để quản lý hàng hóa và người, chứa chip silicon và anten cho phép nhận lệnh từ đầu đọc RFID qua tần số vô tuyến Tín hiệu được ghi vào thẻ và có thể được đọc mà không phụ thuộc vào hướng, miễn là nằm trong vùng phủ sóng Khi thẻ tiến gần thiết bị đọc, năng lượng sóng điện từ cung cấp cho thẻ để bắt đầu quá trình trao đổi dữ liệu Sau khi hoàn tất, thẻ sẽ không tiếp nhận thêm thông tin cho đến khi vào vùng phủ sóng tiếp theo Công nghệ bảo mật dấu vân tay sử dụng cấu trúc vân tay độc nhất của mỗi người để xác định danh tính, tương tự như một thẻ nhận dạng Hệ thống này cũng cảnh báo khi nhập sai vân tay, RFID hoặc mật khẩu nhiều lần, giúp cải thiện an ninh và xử lý kịp thời các trường hợp xâm nhập.
Vì vậy, em đã thực hiện đề tài “THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐÓNG/MỞ THÔNG MINH” để đảm bảo sự an ninh, bảo mật cho nhà cửa thông minh.
MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU
Nhu cầu bảo mật và tiện ích tại Việt Nam đang gia tăng, tạo cơ hội cho các nhà nghiên cứu và sản xuất Tuy nhiên, để phát triển hệ thống mới, cần có hiểu biết về công nghệ Công nghệ RFID và bảo mật vân tay chưa phổ biến do chi phí cao và ứng dụng hạn chế Khóa thông minh mang lại giải pháp bảo mật hiệu quả hơn so với khóa truyền thống, giúp kiểm soát ra vào tốt hơn và giảm thiểu tình trạng trộm cắp Hiện nay, nhiều quốc gia phát triển ưa chuộng khóa cửa sử dụng vân tay và sinh trắc học, làm cho việc mở khóa trở nên phức tạp hơn Công nghệ vân tay không chỉ cá nhân hóa việc mở cửa mà còn cho phép người dùng theo dõi ai đã ra vào nhà.
Phương thức mở khóa thông minh mang lại sự an toàn và đáng tin cậy cho ngôi nhà, giúp chúng ta yên tâm hơn trong cuộc sống Việc sử dụng khóa thông minh không chỉ tiện lợi mà còn giảm thiểu nỗi lo về việc mất chìa khóa hay bị trộm cắp Khóa truyền thống thường dễ bị phá, trong khi khóa thông minh khó bị xâm nhập, góp phần bảo vệ tài sản hiệu quả hơn Nhận thấy tiềm năng của công nghệ tiên tiến, tôi quyết định thực hiện đề tài: “Thiết kế hệ thống đóng/mở cửa thông minh”.
ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU
- Module cảm biến nhận diện vân tay AS608
BỐ CỤC ĐỒ ÁN
Chương 1: Tổng quan: Trong chương này, chúng em thực hiện đề tài trình bày tổng quan về tình hình nghiên cứu về công nghệ RFID và công nghệ nhận diện vân tay hiện nay Mục tiêu, đối tượng và mục tiêu nghiên cứu của đề tài
Chương 2: Cơ sở lý thuyết: Trong chương này, em thực hiện đề tài sẽ giới thiệu về sơ lược về module RFID, LCD I2C, Servo, module cảm biến nhận diện vân tay, module sim 800A,…
Chương 3: Thiết kế và thi công: Trong chương này, em thực hiện đề tài sẽ đưa ra các yêu cầu khi thiết kế, các thiết kế về phần cứng và phần mềm
Chương 4: Kết quả thi công: Trong chương này, em thực hiện đề tài sẽ đưa ra kết quả mà đạt được, video, hình ảnh hệ thống sau khi thi công
Chương 5: Kết luận và hướng phát triển: Trong chương này, em sẽ đưa ra kết luận, những hạn chế và hướng phát triển của đề tài.
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
GIỚI THIỆU
Với chương này, nội dung chủ yếu giới thiệu khái niệm của các linh kiện sử dụng và các phương thức giao tiếp
Công nghệ RFID (Radio Frequency Identification) là phương pháp nhận dạng đối tượng thông qua sóng vô tuyến, cho phép thiết bị đọc thu thập thông tin từ thiết bị khác mà không cần tiếp xúc vật lý Hệ thống RFID bao gồm hai thành phần chính: thẻ tag (chip RFID chứa thông tin) và bộ đọc (reader) để đọc thông tin từ chip.
Hệ thống RFID bị động là dạng đơn giản và phổ biến nhất hiện nay, trong đó bộ đọc phát tín hiệu tần số vô tuyến qua anten đến con chip Sau đó, bộ đọc nhận thông tin phản hồi từ chip và gửi đến máy tính để xử lý Các chip từ thẻ Tag không cần nguồn nuôi, mà sử dụng năng lượng từ tín hiệu do bộ đọc phát ra.
Thẻ RFID bao gồm một chip bán dẫn nhỏ với bộ nhớ chứa từ 96 đến 512 bit dữ liệu, gấp 64 lần so với mã vạch, và một anten được thu nhỏ trong nhiều hình thức đóng gói Một số thẻ RFID giống như nhãn giấy và được sử dụng để bỏ vào hộp và đóng gói, trong khi những thẻ khác được sản xuất thành miếng da bao cổ tay Mỗi thẻ được lập trình với một nhận dạng duy nhất, cho phép theo dõi không dây đối tượng hoặc con người gắn thẻ Khi thẻ đi vào sóng điện từ, nó phát hiện tín hiệu kích hoạt từ đầu đọc và truyền thông tin nhận dạng đến đầu đọc Đầu đọc sau đó giải mã dữ liệu mã hóa trong chip và gửi vào hệ thống để xử lý.
Thiết bị RFID reader phát sóng điện từ ở tần số nhất định, cho phép RFID tag trong vùng hoạt động nhận diện và thu nhận năng lượng Khi đó, tag sẽ gửi lại mã số cho RFID reader, giúp thiết bị xác định tag nào đang ở trong vùng hoạt động.
Arduino là một bo mạch vi xử lý cho phép lập trình tương tác với các thiết bị phần cứng như cảm biến, động cơ và đèn Điểm nổi bật của Arduino là môi trường phát triển dễ sử dụng và ngôn ngữ lập trình dễ học, phù hợp cho cả những người không có nhiều kiến thức về điện tử và lập trình Hiện tượng Arduino được thúc đẩy bởi mức giá thấp và tính chất nguồn mở của cả phần cứng và phần mềm Các phiên bản Arduino đa dạng như Arduino MEGA và Arduino LilyPad phục vụ cho nhiều mục đích khác nhau, trong đó Arduino Mega 2560 cung cấp đầy đủ các thành phần cần thiết để hỗ trợ vi điều khiển.
Arduino Mega2560 khác biệt so với các vi xử lý trước đây vì không sử dụng chip FTDI để điều khiển chuyển tín hiệu từ USB Thay vào đó, nó sử dụng ATmega16U2 được lập trình như một công cụ chuyển đổi tín hiệu USB Mặc dù vậy, Arduino Mega2560 vẫn giữ những đặc điểm cơ bản giống như Arduino MEGA, với số lượng chân nhiều hơn và nhiều tính năng mạnh mẽ hơn, cho phép lập trình viên sử dụng chương trình lập trình cho Arduino MEGA để lập trình cho vi điều khiển này.
Arduino Mega 2560 là một bo mạch tích hợp nhiều tính năng nổi bật, bao gồm hệ thống I/O lớn với 16 bộ chuyển đổi tương tự và 54 bộ chuyển đổi digital hỗ trợ UART cùng các chế độ giao tiếp khác Ngoài ra, bo mạch còn được trang bị RTC và các tính năng như bộ so sánh, timer, và ngắt, giúp điều khiển hoạt động hiệu quả, tiết kiệm điện năng và tăng tốc độ với xung thạch anh 16MHz.
Bo mạch này hỗ trợ JTAG cho lập trình, gỡ lỗi và xử lý sự cố, giúp tối ưu hóa quy trình phát triển Với bộ nhớ FLASH lớn và SRAM, nó có khả năng xử lý các chương trình hệ thống phức tạp một cách hiệu quả Ngoài ra, bo mạch còn tương thích với các loại tín hiệu mức cao (5V) và mức thấp (3.3V) thông qua chân nạp I/O, đảm bảo tính linh hoạt trong ứng dụng.
Hình 2 1 Module RFID RC522 watchdog giúp hệ thống đáng tin cậy và mạnh mẽ hơn Nó hỗ trợ ICSP cũng như lập trình vi điều khiển USB với PC
Bảng 2 1 Thông số kĩ thuật Arduino Mega
Vi điều khiển AVR ATmega2560 (8 bit) Điện áp hoạt động 5V Điện áp đầu vào (khuyên dùng) 7-12V Điện áp đầu vào (giới hạn) 6-20V
Giao tiếp USB (Lập trình với Atmega), ICSP
(Lập trình), SPI, I2C và UART
Bộ TIMER 2 (8 bit) + 4 (16 bit) = 6 Timer
Arduino Mega 2560 được trang bị mạch reset với nút ấn, cho phép thiết lập lại hệ thống một cách dễ dàng Chân reset này cũng có thể được sử dụng khi kết nối với các thiết bị khác để khôi phục bộ điều khiển.
XTAL1, XTAL2: Thạch anh(16Mhz) được kết nối với xung clock cung cấp cho bộ điều khiển
AREF: Chân này được sử dụng khi áp dụng ADC để chuyển đổi tín hiệu với điện áp tham chiếu bên ngoài, thay vì sử dụng điện áp tham chiếu nội bộ là 1.1V hoặc 5V.
Chân số từ 0-53 và 0-15 có thể được sử dụng làm đầu vào hoặc đầu ra cho thiết bị thông qua các hàm Mode(), digitalWrite() và digitalRead() Ứng dụng của chân số bao gồm thiết bị đầu ra như relay, LED, buzzer, LCD và các thiết bị khác, cũng như thiết bị đầu vào như nút ấn, cảm biến siêu âm, cần điều khiển và nhiều thiết bị khác.
Từ 0-15 (analog) có thể được sử dụng như chân đầu vào tương tự cho bộ ADC, nếu không sử dụng nó hoạt động như chân digital bình thường Nó được thiết lập bởi các hàm pinMode () khai báo chân, analogRead () để đọc trạng thái chân và nhận giá trị kỹ thuật số cho tín hiệu analog Lưu ý phải cẩn thận để lựa chọn điện áp tham chiếu bên trong hoặc bên ngoài và chân Aref Ứng dụng : Thiết bị đầu vào: Cảm biến nhiệt độ, cảm biến (như ldr, irled và độ ẩm) và các thiết bị khác
Chân có chức năng thay thế:
Chân SPI: Chân 22-SS, 23_SCK, 24-MOSI, 25-MISO
Các chân này được sử dụng cho giao tiếp nối tiếp qua giao thức SPI, cho phép kết nối giữa hai thiết bị trở lên Để bắt đầu giao tiếp, các bit phải được thiết lập đúng cách Ứng dụng của giao thức này bao gồm lập trình điều khiển AVR và giao tiếp với các thiết bị ngoại vi như LCD và thẻ SD.
Chân I2C trên vi điều khiển bao gồm chân 20 cho SDA và chân 21 cho SCL, cho phép tốc độ truyền dữ liệu lên đến 400kHz Để khởi động giao tiếp I2C, sử dụng hàm `wire.begin()`, trong khi `wire.read()` được dùng để đọc dữ liệu và `wire.write()` để ghi dữ liệu Ứng dụng của I2C bao gồm kết nối với thiết bị đầu ra như LCD và giao tiếp giữa nhiều thiết bị qua hai dây, cũng như kết nối với thiết bị đầu vào như RTC và các thiết bị khác.
Chân PWM từ 2 đến 13 có khả năng hoạt động như đầu ra PWM thông qua hàm analogWrite(), cho phép ghi giá trị PWM trong khoảng từ 0 đến 255 Ứng dụng của chúng bao gồm điều khiển tốc độ động cơ, điều chỉnh độ sáng đèn, và hệ thống điều khiển PID để nâng cao hiệu quả.
THIẾT KẾ VÀ XÂY DỰNG HỆ THỐNG
YÊU CẦU VÀ SƠ ĐỒ KHỐI HỆ THỐNG
3.1.1 Yêu cầu của hệ thống
Hệ thống có các chức năng sau:
Quét thẻ RFID hoặc quét vân tay hoặc nhập mật khẩu để mở cửa
Hiển thị trạng thái cửa trên LCD
Cảnh báo về điện thoại khi quét sai thẻ hoặc vân tay hoặc nhập mật khẩu nhiều lần
Báo hiệu bằng còi khi mở/đóng cửa hoặc khi quẹt sai thẻ
Mở khóa cửa khi nhận được đúng vân tay, thẻ tag hoặc mật khẩu
Sơ đồ khối và chức năng mỗi khối:
Khối xử lý trung tâm đảm nhiệm việc truyền dữ liệu và hiển thị thông tin lên màn hình LCD, đồng thời gửi dữ liệu đến khối báo hiệu Nó cũng nhận tín hiệu điều khiển từ khối RFID, khối cảm biến nhận diện vân tay và bàn phím.
Khối hiển thị: Nhận dữ liệu từ khối xử lý trung tâm để hiển thị trạng thái cửa và hiển thị nhập password
Hình 3 1 Sơ đồ khối hệ thống
Khối cảm biến vân tay truyền tín hiệu đến khối xử lý trung tâm, giúp thực hiện thao tác mở cửa và hiển thị trạng thái mở cửa trên màn hình LCD.
Khối RFID: Truyền dữ liệu điều khiển đến khối xử lý trung tâm để chuyển đổi trạng thái cửa và hiển thị trên LCD
Khối nút nhấn: Truyền mật khẩu đến khối xử lý trung tâm để chuyển đổi thành trạng thái mở cửa
Khối báo hiệu: Tiếp nhận dữ liệu từ khối xử lý trung tâm để báo hiệu khi cửa mở/đóng và khi dùng sai thẻ, sai vân tay
Khối Module Sim có chức năng nhận dữ liệu từ khối xử lý trung tâm để cảnh báo khi hệ thống ghi nhận việc nhập sai vân tay, mật khẩu hoặc thẻ RFID quá 3 lần Sau đó, nó sẽ thực hiện cuộc gọi và gửi tin nhắn đến số điện thoại đã được thiết lập trước đó.
Khối động cơ nhận tín hiệu từ khối xử lý trung tâm để thực hiện chức năng mở và đóng cửa, trong khi khối nguồn cung cấp năng lượng cho các thành phần như hiển thị LCD, khối báo hiệu và trung tâm xử lý.
3.1.3 Hoạt động của hệ thống
Khi hệ thống được cấp nguồn hệ thống sẽ hoạt động theo trình tự như sau:
Khi hệ thống được cấp nguồn, toàn bộ hệ thống sẽ khởi động, và các khối hiển thị cùng khối báo hiệu sẽ chờ tín hiệu từ khối xử lý trung tâm.
Khối xử lý trung tâm nhận dữ liệu từ khối RFID và cảm biến vân tay khi được cấp nguồn Nếu thẻ tag RFID hoặc vân tay được quét hợp lệ, Servo sẽ mở cửa Sau khi xử lý dữ liệu, khối trung tâm gửi thông tin đến khối hiển thị để cập nhật trạng thái cửa mở hoặc đóng trên LCD.
Nhập mật khẩu từ ma trận phím, sau đó khối xử lý sẽ nhận dữ liệu và truyền đến khối hiển thị Đồng thời, Servo sẽ mở cửa nếu mật khẩu đúng.
Bước 4: Khối báo hiệu sẽ nhận tín hiệu từ khối xử lý trung tâm và báo hiệu khi cửa mở/đóng hoặc dùng sai thẻ.
TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG PHẦN CỨNG
Yêu cầu thiết kế: Khối RFID có nhiệm vụ đọc mã UID từ thẻ RFID sau đó chuyển mã UID thành chuỗi số rồi gửi về Arduino
Trên thị trường hiện nay, có nhiều loại RFID như RC522, RC531, PN512 Để thực hiện việc đóng/mở cửa một cách tiện lợi và bảo mật thông qua thao tác quẹt thẻ, tôi đã chọn sử dụng IC RC522 cho dự án của mình.
Đầu đọc thẻ 13.56MHz này có thiết kế nhỏ gọn, giá cả phải chăng và không yêu cầu khoảng cách xa, rất phù hợp cho các mô hình điện tử nhỏ Nó sử dụng giao tiếp SPI để kết nối với Arduino thông qua 4 chân: SCK, MISO, MOSI và SS (SDA).
SCK đóng vai trò quan trọng trong việc điều phối giao tiếp SPI, vì SPI là một chuẩn truyền đồng bộ cần có một đường giữ nhịp Mỗi nhịp trên SCK sẽ truyền tải một bit dữ liệu, cho phép dữ liệu được gửi đi hoặc nhận về một cách chính xác.
MISO (Master Input / Slave Output) là đường truyền dữ liệu, trong đó chip Master sử dụng MISO như là đường Input, trong khi chip Slave sử dụng MISO như là đường Output MISO của chip Master và các chip Slave được kết nối trực tiếp với nhau.
MOSI - Master Output / Slave Input: Khi là chip Master, MOSI hoạt động như một đường Output, trong khi với chip Slave, MOSI trở thành Input MOSI của chip Master và các chip Slave được kết nối trực tiếp với nhau.
SS(SDA) - Slave Select: đường chọn Slave cần giao tiếp, tích cực mức thấp
Hình 3 2 Sơ đồ nguyên lý của khối RFID
Dòng ở chế độ chờ: 1013mA
Dòng ở chế độ nghỉ: Ví dụ > MFRC522 > DumpInfo và tải lên Arduino Mã này có sẵn trong IDE Arduino sau khi cài đặt các thư viện RFID.
Sau đó, mở màn hình nối tiếp Ta sẽ thấy như hình bên dưới:
Để sử dụng Serial Monitor RFID, hãy đưa các thẻ RFID hoặc keychain lại gần thẻ đọc Đảm bảo rằng thẻ đọc được đặt gần cho đến khi tất cả thông tin được hiển thị đầy đủ.
ID của từng thẻ đã quét được hiển thị trong Hình 4.36, với UID thẻ được đánh dấu màu vàng Thông tin lưu trữ trong bộ nhớ được tổ chức thành các phân đoạn và khối, như đã trình bày trong hình ảnh trước đó.
Ta đã 1024 byte dung lượng lưu trữ dữ liệu chia thành 16 ngành, từng lĩnh vực được bảo vệ bởi hai khóa khác nhau, A và B.