LỜI NÓI ĐẦU
Ngày nay trên thế giới với sự bùng nổ của các nghành công nghệ thông tin, điện
tử v.v... Đã làm cho đời sống của con người ngày càng hoàn thiện. Các thiết bị tự động
hóa đã ngày càng được sử dụng vào trong sản xuất và thậm chí là vào trong cuộc sống
sinh hoạt hằng ngày của mỗi con người. Do đó một ngôi nhà thông minh, có các thiết
bị tự động không còn là mơ ước của con người nữa mà nó đã trở thành hiện thực hóa.
Qua báo chí, các phương tiện truyền thông, internet chúng ta có thể thấy những
mô hình ngôi nhà thông minh, có cánh cửa tự động đã ra đời. Là một sinh viên ngành
Điện, bản thân cũng có những mong ước đóng góp một phần công sức cho xã hội bằng
những việc làm có ý nghĩa thực tế, từ những kiến thức đã được học sau bốn năm rưỡi
theo học trường Đại học Bách Khoa Đà Nẵng.
Sau thời gian học tập tại trường, được sự chỉ bảo hướng dẫn nhiệt tình của thầy
cô giáo trong ngành Điện tự động trường Đại học Bách Khoa Đà Nẵng, em đã kết thúc
khoá học và đã tích luỹ được vốn kiến thức nhất định. Được sự đồng ý của nhà trường
và thầy cô giáo trong khoa em được giao đề tài tốt nghiệp nghiên cứu và chế tạo: “Hệ
thống cửa tự động”.
Đồ án tốt nghiệp của em gồm bốn chương:
Chương 1: Tổng quan về hệ thống cửa tự động
Chương 2: Thiết kế phần cứng của hệ thống
Chương 3: Lập trình điều khiển hệ thống
Chương 4: Thực nghiệm
Bằng sự cố gắng nỗ lực của bản thân và đặc biệt là sự giúp đỡ tận tình, chu đáo
của thầy giáo TS. Lê Tiến Dũng, em đã hoàn thành đồ án đúng thời hạn. Do thời gian
làm đồ án có hạn và trình độ còn nhiều hạn chế nên không thể tránh khỏi những thiếu
sót. Em rất mong nhận được sự đóng góp ý kiến của các thầy cô cũng như là của các
bạn sinh viên để đồ án này hoàn thiện hơn nữa. Một lần nữa, em xin chân thành cảm
ơn thầy giáo TS. Lê Tiến Dũng đã tạo điều kiện giúp đỡ em hoàn thành đồ án, nhờ
thầy mà em đã biết thêm nhiều phương án hay, nhiều kiến thức mới hữu ích cho đề tài
em chọn, đồng thời em cũng gửi lời cảm ơn các thầy cô giáo khoa Điện chuyên ngành
Điện tự động trường Đại học Bách Khoa Đà Nẵng đã tạo điều kiện giúp đỡ em trong
thời gian qua.

2.1.2. Cửa ....................................................................................................................20
2.1.3. Tay nắm cửa ......................................................................................................21
2.1.4. Chốt khóa cửa ...................................................................................................22
2.1.5. Bản lề lá ............................................................................................................22
2.2 Lựa chọn linh kiện, thiết bị .......................................................................................23


2.2.1. Camera ..............................................................................................................23
2.2.2. Bàn phím ...........................................................................................................23
2.2.3. Màn hình hiển thị ..............................................................................................24
2.2.3.1. Màn hình hiển thị bên ngoài ......................................................................24
2.2.3.2. Màn hình hiển thị bên trong .......................................................................25
2.2.4. Động cơ servo ...................................................................................................25
2.2.5. Mạch Arduino Mega 2560 ................................................................................26
2.2.6. Raspberry Pi ......................................................................................................27
2.3 Kết nối thiết bị trong hệ thống ..................................................................................28
2.3.1. Sơ đồ kết nối tổng thể .......................................................................................28
2.3.2. Sơ đồ đấu nối dây chi tiết mạch điều khiển ......................................................34
2.3.2.1. Kết nối LCD I2C với Arduino Mega 2560 ................................................35
2.3.2.2. Nối dây giữa keypad 4x4 và Arduino MEGA 2560 ..................................35
2.3.2.3. Nối dây giữa RFID RC522 và Arduino MEGA2560 ................................36
2.3.2.4. Đấu nối giữa động cơ servo SG90 và Arduino MEGA2560 .....................37
2.3.2.5. Kết nối nút nhấn tới Arduino MEGA2560 ................................................37
2.3.2.6. Kết nối giữa màn hình TFT LCD và Raspberry pi ....................................37
2.4 Thiết kế mạch dự phòng............................................................................................38
LẬP TRÌNH ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG .....................................................41
3.1 Sơ đồ thuật toán ........................................................................................................41
3.2 Thuật toán xử lý ảnh .................................................................................................43
3.2.1. Phát hiện khuôn mặt ..........................................................................................43
3.2.2. Căn chỉnh khuôn mặt ........................................................................................45

4.1 Sản phẩm thực tế sau khi hoàn thành ........................................................................65
4.2 Thử nghiệm độc lập các chế độ bảo mật ...................................................................69
4.2.1. Chế độ bảo mật bằng bàn phím.........................................................................69
4.2.2. Chế độ bảo mật bằng giọng nói ........................................................................69
4.2.3. Chế độ bảo mật bằng hình ảnh ..........................................................................69
4.2.4. Chế độ bảo mật bằng thẻ RFID.........................................................................70
4.3 Điều khiển toàn bộ hệ thống, kết hợp nhiều chế độ bảo mật ....................................71
4.3.1. Chế độ bảo mật bằng hình ảnh kết hợp với bảo mật bằng giọng nói ...............71
4.3.2. Chế độ bảo mật bằng nhận dạng hình ảnh kết hợp thẻ RFID ...........................71
4.3.3. Chế độ bảo mật bằng nhận dạng giọng nói kết hợp thẻ RFID ..........................71
4.4 Đánh giá kết quả thực nghiệm ..................................................................................72


MỤC LỤC HÌNH
Hình 1-1: Đưa hộ chiếu hoặc visa vào máy. .................................................................11
Hình 1-2: Nhận dạng hình ảnh để kiểm tra du khách. ...................................................12
Hình 1-3: Hệ thống Chui smart Doorbell. .....................................................................13
Hình 1-4: Khóa thông minh nhận dạng khuôn mặt HF6618. ........................................13
Hình 1-5: Nhận dạng khuôn mặt với khóa HF6618. .....................................................13
Hình 1-6: Sơ đồ khối của hệ thống. ...............................................................................17
Hình 1-7: Hình ảnh thiết kế mặt trước và các thiết bị gắn trên cửa trong đề tài. ..........18
Hình 1-8: Hình ảnh thiết kế mặt sau của hệ thống cửa trong đề tài ..............................19
Hình 2-1: Hình dáng và kích thước của khung bao cửa. ...............................................20
Hình 2-2: Kích thước của cánh cửa trong hệ thống ......................................................21
Hình 2-3: Ảnh khóa cửa tròn (khóa quả đấm) và cấu tạo. ............................................22
Hình 2-4: Cơ cấu chốt khóa cửa gắn với động cơ Servo...............................................22
Hình 2-5: Hình ảnh của bản lề lá. ..................................................................................22
Hình 2-6: Webcam COLORVIS ...................................................................................23
Hình 2-7: Bàn phím ma trận 4 x 4. ................................................................................23
Hình 2-8: Sơ đồ nguyên lý của bàn phím ma trận 4 x 4 ................................................24

Hình 3-1: Sơ đồ thuật toán của hệ thống .......................................................................41
Hình 3-2: Kết quả của đoạn chương trình phát hiện khuôn mặt. ..................................44
Hình 3-3: Kết quả tìm các điểm landmarks và căn chỉnh khuôn mặt. ..........................45
Hình 3-4: Các điểm landmarks chuẩn được sử dụng trong đề tài. ................................46
Hình 3-5: Các bức ảnh được sử dụng để test.................................................................50
Hình 3-6: Lưu đồ thuật toán đọc chuỗi trả về và xuất thành ảnh. .................................52
Hình 3-7: Mô đun nhận diện giọng nói VR3 .................................................................55
Hình 3-8: Giới thiệu MARF ..........................................................................................55
Hình 3-9: Minh họa cơ chế publish/subscribe của giao thức MQTT. ...........................61
Hình 4-1: Hình ảnh mặt trước và mặt sau của cửa sau khi hoàn thiện. .........................65
Hình 4-2: Hình ảnh chi tiết vị trí các thiết bị ở mặt trước của cửa. ...............................66
Hình 4-3: Hình ảnh chi tiết vị trí các thiết bị ở mặt sau của cửa. ..................................67
Hình 4-4: Hình ảnh các thiết bị mặt trước của cửa (camera, micro, nút nhấn, bàn phím,
LCD hiển thị, tay khóa đấm) .................................................................................68
Hình 4-5: Hình ảnh bo mạch điều khiển trung tâm. ......................................................68
Hình 4-6: Hình ảnh các thiết bị mặt sau của cửa. ..........................................................68
Hình 4-7: Những khuôn mặt đang có trong dữ liệu của hệ thống. ................................70


MỤC LỤC BẢNG
Bảng 1-1: Thứ tự ưu tiên của các chế độ mở cửa .................................................16
Bảng 2-1: Thông số của Arduino Mega 2560 ......................................................26
Bảng 3-1: Kết quả xác minh các khuôn mặt ở hình 3- 5 ......................................50
Bảng 4-1 : Bảng tổng hợp kết quả thử nghiệm. ....................................................71


DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT
RFID:

Radio Frequency Identifier (Xác nhận dùng tần số sóng radio)

Quality of Service

LAN:

Local Area Network

QR:

Quick Response

CTHT:

Công tắc hành trình

IDE:

Integrated Development Environment


KẾ HOẠCH THỰC HIỆN


TỔNG QUAN HỆ THỐNG CỬA TỰ ĐỘNG
Trong chương này, chúng ta sẽ tìm hiểu về cửa tự động là gì, tại sao lại dùng cửa
tự động và cùng xem qua giải pháp cửa tự động của đề tài đề xuất.
Đặt vấn đề
Ngày nay, khi xã hội ngày một phát triển mạnh mẽ, nhu cầu về sự an ninh được
đặt lên hàng đầu. Đặc biệt đối các vị trí nhạy cảm và quan trọng như các tòa nhà Quốc
hội, các ngân hàng, các nhà kho lưu trữ dữ liệu quan trọng, hay các ngôi nhà của
chung cư cao cấp. Mà thực tế hiện nay, việc đầu tư vào hệ thống an ninh ở nước ta

tuyệt vời đã được ra mắt bởi SAMSUNG đó là công nghệ quét mống mắt. Đây là một


công nghệ mang tính bảo mật tuyệt đối cho tới thời điểm hiện tại, bằng việc chụp hình
ảnh mắt với độ phân giải cao và phân tích, so sánh với mẫu được đặt trước để phân
biệt được người dùng.
Tùy thuộc vào từng vị trí và yêu cầu, mà các giải pháp cửa tự động khác nhau sẽ
được sử dụng cho phù hợp. Việc sử dụng cửa tự động đem lại nhiều lợi ích thiết thực.
Lấy việc tăng cường hệ thống an ninh làm một ví dụ. Để làm được một hệ thống an
ninh thì phải bao gồm rất nhiều hệ thống an ninh nhỏ như hệ thống cửa tự động, hệ
thống cảnh báo nguy hiểm, cũng như các hệ thống an ninh nhỏ ấy phải liên kết được
với nhau để hoạt động cho một mục đích chung. Sử dụng cửa tự động thay thế cho các
bảo vệ viên giúp tiết kiệm nhân công và nâng cao sự an toàn. Bởi vì các thiết bị tự
động sẽ luôn sẵn sàng hoạt động không ngừng nghỉ, đảm bảo yêu cầu an ninh ngay cả
lúc con người rất khó khăn để làm việc đó.
Các hệ thống cửa tự động thực tế và công nghệ sử dụng
Ngày nay, rất nhiều hệ thống cửa thông minh đang được sử dụng rộng rãi ở nhiều
vị trí khác nhau. Tùy thuộc vào từng vị trí và yêu cầu, mà các giải pháp cửa tự động
khác nhau sẽ được sử dụng cho phù hợp. Sau đây là một số hệ thống cửa thông minh
tiêu biểu đang được sử dụng.
Cửa thông minh ở các sân bay Australia
Cửa thông minh ở các sân bay Australia (Departures SmartGate) là một hệ thống
đơn giản và bảo mật nhằm tự động hóa việc kiểm tra thường được tiến hành bởi nhân
viên biên phòng (Border Force Officer). Khách du lịch đến đây sẽ sử dụng SmarGate
để tự thực hiện việc kiểm tra thông qua việc kiểm soát hộ chiếu.
Departures SmartGate (DSP) sử dụng thông tin trong hộ chiếu điện tử
(ePassports) và kỹ thuật nhận dạng khuôn mặt để tiến hành việc kiểm tra ở các sân
bay, mà thông thường được tiến hành bởi con người. DSP có thể kiểm tra du khách từ
16 tuổi trở lên đến từ các nước: Úc, Canada, Trung Quốc, Pháp, Hồng Kông, Ireland,
Nhật Bản, Hàn Quốc, Macau, New Zealand, Singapore, Thụy Điển, Thụy Sĩ, Vương

Ngoài ra, nếu chủ nhân đang bận không ra nói chuyện được thì CSD có thể chọn chế
độ hội thoại một chiều hoặc hội thoại hai chiều để thông báo và nói chuyện với khách.
Về chức năng an ninh, CSD có thể nhận dạng khuôn mặt để phân biệt người nhà,
bạn bè và người lạ, từ đó có thể ra quyết định mở khóa hay không. Ngoài ra, có thể sử
dụng mã QR và password như là một lớp bảo vệ thứ hai. Ngay cả khi mã QR bị ăn cắp
thì CSD vẫn không mở khóa cho kẻ cắp đó vì nó phối hợp giữa mã QR và nhận dạng
khuôn mặt.


Hình 1-3: Hệ thống Chui smart Doorbell.
Các thông báo, tin nhắn cũng như hình ảnh sẽ được gửi đến smartphone của chủ
nhà để thuận tiện sử dụng và giám sát.
Khóa thông minh nhận dạng khuôn mặt HF6618

Hình 1-4: Khóa thông minh nhận dạng khuôn mặt HF6618.
Hệ thống khóa thông minh HF6618 của hãng HongLG có thể nhận dạng khuôn
mặt trong vòng 1 giây bất kể background như thế nào hoặc độ sáng bao nhiêu. Các chế
độ bảo mật bao gồm: nhận dạng khuôn mặt, mật khẩu, thẻ từ, khóa cơ hoặc kết hợp.

Hình 1-5: Nhận dạng khuôn mặt với khóa HF6618.


Việc sử dụng khóa rất đơn giản với hệ thống hướng dẫn bằng lời nói (voice
guidance). Hệ thống khóa này đã được ứng dụng trong một số ngôi nhà, cơ quan, căn
hộ, phòng tài chính, phòng bí mật.
Hệ thống khóa cửa thông minh của HF6618 của hãng HongLG có thể nhận dạng
khuôn mặt trong vòng 1 giây bất kể background như thế nào hoặc độ sáng bao nhiêu.
Các chế độ bảo mật của cửa bao gồm: Nhận dạng khuôn mặt, mật khẩu, thẻ từ, khóa
cơ hoặc kết hợp.
Các hệ thống cửa tự động đã khảo sát ở trên đều sử dụng camera và các thuật

Nhiều phương án mở cửa
Để dự phòng cho các trường hợp xấu có thể xảy ra như camera bị hỏng, người
dùng quên mật khẩu...Thì các phương án tiếp cận khác nhau được đưa ra để đảm bảo
tối đa hệ thống hoạt động bình thường. Các phương pháp tiếp cận cánh cửa như: Nhận
diện giọng nói, nhận diện khuôn mặt, xác minh bằng mật khẩu hay bằng thẻ RFID.
Chế độ theo dõi từ xa
Bộ xử lý ngoài nhiệm vụ xác minh người dùng thì nó còn có chức năng truyền
hình ảnh nhận được từ camera qua mạng internet. Điều này sẽ giúp người dùng theo
dõi được ngôi nhà từ xa.
Hoạt động khi mất điện
Hệ thống cửa phải đảm bảo hệ thống hoạt động liên tục ngay cả khi mất điện, yêu
cầu đặt ra là hệ thống cửa phải có hệ thống điện dự phòng được sử dụng để cung cấp
nguồn điện cho toàn bộ hệ thống làm việc. Hệ thống điện này sẽ được mô tả kỹ hơn ở
phần sau.
Giải pháp, công nghệ của đề tài
Quy trình vận hành
Cửa tự động trong đề tài này có nhiều chế độ khác nhau, do vậy sẽ có nhiều quy
trình vận hành cửa khác nhau tùy vào chế độ đang được cài đặt. Hệ thống có các chế
độ sau: Xác nhận bằng khuôn mặt, xác nhận bằng khuôn mặt kết hợp giọng nói.
Hệ thống cửa này có thể vận hành từ hai phía là phía trong nhà và ngoài nhà như
sau:
Phía trong nhà
Mặt cửa phía trong nhà bao gồm hai nút nhấn là Open và Close tương ứng với
mở cửa và đóng cửa.
Khi người dùng muốn kích hoạt bảo vệ cho cửa thì ấn nút Close. Khi đó chốt cửa
sẽ tự động gài lại và hệ thống bảo vệ được kích hoạt
Khi người dùng muốn tắt kích hoạt bảo vệ thì chỉ cần ấn nút Open. Hệ thống sẽ
mở chốt và tắt hệ thống bảo vệ.
Một nút khởi động chế độ từ chối tiếp khách trong trường hợp người dùng không
muốn bị làm phiền.


VOICE

Người dùng ghé sát miệng vào mic và nói rõ từ
đã được huấn luyện trước để mở cửa.

RFID+CAM

Người dùng quẹt thẻ RFID xong đứng yên
trước camera khoảng 3s để mở cửa.

RFID+VOICE

Người dùng quẹt thẻ RFID xong nói rõ từ đã
được huấn luyện trước để mở cửa.

CAM+VOICE

Người dùng đứng yên trước camera khoảng 3s,
sau khi nghe tiếng beep từ hệ thống thì nói rõ từ đã
được huấn luyện trước để mở cửa.

Thiết lập hệ thống
Để thiết lập các chế độ bảo vệ cho cửa, người dùng nhập mật khẩu bằng bàn
phím và chọn setting. Sau đó ấn A, B, C, D tùy vào chế độ lựa chọn. A tương ứng với
RFID, B tương ứng với CAM, C tương ứng với VOICE. Sau khi chọn xong ấn # hoặc
để 10s hệ thống sẽ tự lưu lại và thoát. Các chế độ được kích hoạt sẽ được hiển thị bằng
LED xanh cạnh bên. Hệ thống tiếp nhận tối đa 2 chế độ bảo mật làm việc song song.
Sơ đồ khối của hệ thống
Sơ đồ khối bao gồm: Khối nhận tín hiệu đầu vào, khối xử lý trung tâm, khối hiển

Mật khẩu khóa, mở cửa

Màn hình hiển thị LCD
Bộ phận xử lý hình ảnh (camera) có nhiệm vụ thu thập hình ảnh, kiểm tra và đối
chiếu hình ảnh khuôn mặt của người đứng trước cửa nếu đúng hình ảnh khuôn mặt của
người đã được cài đặt vào bộ nhớ thì cửa mở khóa cho người đó vào, nếu không đúng
thì không mở cửa.
Bộ phận xử lý giọng nói có nhiệm vụ thu giọng nói của người yêu cầu mở cửa,
tiến hành đối chiếu, phân tích giọng nói đó có đúng với giọng nói đã cài đặt hay
không, nếu đúng thì cửa tự động mở cho người đó vào, nếu không đúng thì không mở
cửa.
Bộ phận khóa, mở cửa bằng mật khẩu sẽ mở, đóng mở khóa cửa khi người vào
nhập đúng mật mã, khi nhập sai mật mã quá 3 lần sẽ tiến hành báo động.
Màn hình hiển thị dùng để hiển thị hình ảnh, giao tiếp giữa con người và hệ
thống, đồng thời thông báo trạng thái của cửa.


Hình 1-8: Hình ảnh thiết kế mặt sau của hệ thống cửa trong đề tài
Kết luận chương 1: Trong chương này, chúng ta đã được tìm hiểu rõ hơn về cửa
tự động. Khái niệm, ưu nhược điểm của cửa tự động, các ứng dụng của cửa tự động
trong thực tế và đề xuất một giải pháp cửa tự động phù hợp với các nhu cầu trong thực
tế, đặc biệt đối với các hộ gia đình, khu chung cư cao cấp ở nước ta.

THIẾT KẾ PHẦN CỨNG CỦA HỆ THỐNG
Trong chương này, chúng ta sẽ đi vào chi tiết các thiết bị phần cứng được sử
dụng trong mô hình, cũng như cách bố trí, kết nối giữa các thiết bị đó.


Thiết kế phần cứng
Khung bao cửa

Cửa cuốn: Là loại cửa có thể cuộn lên xuống, thường sử dụng trong các garage.
Trong đề tài này sử dụng loại cửa khép có 1 cánh.

Hình 2-2: Kích thước của cánh cửa trong hệ thống
Tay nắm cửa
Là loại khóa cửa tay nắm tròn (khóa quả đấm), được làm từ chất liệu inox được
dùng phổ biến và rộng rãi. Trong đề tài này, với yêu cầu đặt ra là cửa phải được bảo
mật đồng thời phải thao tác nhanh, do đó có 1 khóa chốt kín được điều khiển bằng
động cơ servo nên tay nắm cửa chỉ đóng vai trò như tay nắm để mở cửa và không có
chức năng khóa.


Hình 2-3: Ảnh khóa cửa tròn (khóa quả đấm) và cấu tạo.
Chốt khóa cửa
Trong đề tài này, chốt khóa cửa được chế tạo để phù hợp với tính năng yêu cầu
của đề tài, cụ thể nó được gắn với động cơ Servo thông qua một cơ cấu chuyển động
có tác dụng đóng, mở chốt để cửa để khóa cửa, mở cửa.

Hình 2-4: Cơ cấu chốt khóa cửa gắn với động cơ Servo.
Bản lề lá
Bản lề là loại dụng cụ kỹ thuật được thiết kế và cấu tạo để làm cầu nối cố định
các cánh cửa, bản lề chỉ cho phép là một góc hạn chế luân phiên giữa chúng (góc cố
định) góc còn lại có thể lưu động.
Trong đề tài này sử dụng bàn lề lá được làm từ chất liệu thép không gỉ

Hình 2-5: Hình ảnh của bản lề lá.


Lựa chọn linh kiện, thiết bị
Camera

Hình 2-9: Màn hình LCD 16x2
Trong đề tài này, màn hình được chọn để hiển thị bên ngoài là LCD 16x2 của
hãng Vishay có các thông số như sau:


Điện áp định mức: 3V – 5V






Dòng điện định mức ở điện áp 5V: 1.2mA
Dòng điện max ở điện áp 5V: 3mA
Nhiệt độ hoạt động: -20oC đến 70oC
Màn hình hiển thị bên trong

Màn hình bên trong dùng với mục đích chuyển tiếp hình ảnh từ camera thông qua
Raspberry. Đây là loại màn hình TFT tương thích với Raspberry pi.

Hình 2-10: Màn hình hiển thị TFT
Thông số:
 Loại màn hình TFT (thin film transistor - Bóng bán dẫn dạng phim mỏng)
 Giao tiếp : SPI
 Điện áp hoạt động: 3 – 5.5V
 Độ phân giải: 320*480
 Tỷ lệ màn hình: 8:5

Đèn nền : LED
Động cơ servo