Đồ án Thiết kế và thi công hệ thống bảo mật ứng dụng xử lý ảnh

Ngày nay nhiều thiết bị thông minh ra đời nó có thể thay một chìa khóa để mở cửa, có thể thay thế con người để điều khiển vật dụng thông qua một vài cử chỉ, giọng nói và đặc biệt là từ hình ảnh của con người. Hệ thống bảo mật thông minh cũng đang là một trong những sản phẩm phổ biến và được giới công nghệ rất quan tâm. Các hệ thống bảo mật ngày càng được tích hợp thêm nhiều các thiết bị điện tử để tăng cường tối đa độ bảo mật và tạo nên sự tin cậy cho người sử dụng. Thế nên bảo mật hệ thống dần được ứng dụng nhiều hơn vào thực tiễn đời sống với mục đích cơ bản nhất là để bảo vệ các tài sản như: tiền bạc, nhà cửa, hồ sơ Hiện nay cũng có một số bài nghiên cứu của sinh viên cũng làm về nhận dạng khuôn mặt, đồ án tốt nghiệp của Nguyễn Thị Đài Trang và Hà Tiến Dương nghiên cứu về nhận dạng cảm xúc khuôn mặt người để điều khiển Servo mở cửa, trong đó sử dụng Arduino Uno R3 và phương pháp nhận dạng PCA để điều khiển Servo mở cửa theo 3 cảm xúc trên khuôn mặt: vui, buồn, ngạc nhiên. Công nghệ RFID đang được ứng dụng trên thế giới, chủ yếu là các nước phát triển. Tuy nhiên ở Việt Nam, công nghệ RFID vẫn là công nghệ mới và vẫn chưa được áp dụng rộng rãi do thiếu công nghệ sản xuất mà phải phụ thuộc vào linh kiện từ nước ngoài. Với xu thế áp dụng mô hình tự động hóa ngày càng nhiều tại Việt Nam, việc áp dụng mô hình khóa cửa bảo mật tự động kết hợp công nghệ RFID sẽ có nhiều ưu điểm hơn so với mô hình bảo mật truyền thống như:  Tiết kiệm chi phí thuê nhân công.  Kiểm soát tốt hơn.  Dễ dàng quản lý tài sản.  Chi phí hoạt động giảm

pdf98 trang | Chia sẻ: thientruc20 | Lượt xem: 564 | Lượt tải: 4download
Bạn đang xem trước 20 trang tài liệu Đồ án Thiết kế và thi công hệ thống bảo mật ứng dụng xử lý ảnh, để xem tài liệu hoàn chỉnh bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên
i BỘ GIÁO DỤC & ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH --------------------------------- ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ TRUYỀN THÔNG ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG HỆ THỐNG BẢO MẬT ỨNG DỤNG XỬ LÝ ẢNH GVHD: Th.S Nguyễn Duy Thảo SVTH: Lê Hoàng Thành 15141342 Hồ Đình Vương 15141334 Tp. Hồ Chí Minh – 7/2019 ii TRƯỜNG ĐH SPKT TP. HỒ CHÍ MINH KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM ĐỘC LẬP - TỰ DO - HẠNH PHÚC ----o0o---- Tp. HCM, ngày 31 tháng 06 năm 2019 NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Họ tên sinh viên: Lê Hoàng Thành MSSV: 15141342 Lớp: 15141DT1C Hồ Đình Vương MSSV: 15141334 Lớp: 15141DT2B Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử - Truyền thông Mã ngành: 41 Hệ đào tạo: Đại học chính quy Mã hệ: 1 Khóa: 2015 I. TÊN ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG HỆ THỐNG BẢO MẬT ỨNG DỤNG XỬ LÝ ẢNH II. NHIỆM VỤ 1. Các số liệu ban đầu:  Bộ xử lý trung tâm: Raspberry Pi 3.  Camera: Raspberry Pi Camera Module V2.  Đọc – Quét thẻ: RFID RC522 Module.  Bàn phím: 4x4 Matrix keypad Module.  Bộ xử lý tín hiệu ngỏ ra: Arduino Uno R3.  Module điều khiển động cơ: L298 Module.  Động cơ mở cửa: Động cơ 12V DC.  Nguồn cấp: Bộ nguồn 5V và 12V DC.  Số người dùng được hệ thống nhận diện: 1.  Số thẻ RFID được sử dụng nhận diện: 2.  Số thẻ RFID được cho phép thực hiện: 1.  Số mật khẩu có thể nhập vào đúng: 1. iii 2. Nội dung thực hiện: Thu thập dữ liệu quy trình để thiết kế một hệ thống bảo mật. Các giải pháp trong việt thiết kế mô hình. Lựa chọn các thiết bị trong việc thiết kế mô hình hệ thống bảo mật. Thiết kế hệ thống điều khiển. Thiết kế mô hình. Đánh giá kết quả thực hiện. III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 19/03/2019 IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 31/06/2019 V. HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: Th.S Nguyễn Duy Thảo CÁN BỘ HƯỚNG DẪN BM. ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH iv TRƯỜNG ĐH SPKT TP. HỒ CHÍ MINH KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM ĐỘC LẬP - TỰ DO - HẠNH PHÚC ----o0o---- Tp. HCM ngày 31 tháng 06 năm 2019 LỊCH TRÌNH THỰC HIỆN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Họ tên sinh viên 1: Lê Hoàng Thành Lớp: 15141DT1C MSSV: 15141342 Họ tên sinh viên 2: Hồ Đình Vương Lớp: 15141DT2B MSSV: 15141334 Tên đề tài: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG HỆ THỐNG BẢO MẬT ỨNG DỤNG XỬ LÝ ẢNH Tuần/ngày Nội dung Xác nhận GVHD Tuần 1 Từ 19/03/2019 đến 26/03/2019 Gặp GVHD nhận đề tài. Viết đề cương chi tiết. Tuần 2 Từ 27/03/2019 đến 02/04/2019 Tìm hiểu các đề tài đã nghiên cứu liên quan đến ứng dụng xử lý ảnh vào hệ thống bảo mật. Tuần 3 Từ 03/04/2019 đến 09/04/2019 Gặp GVHD để báo cáo về hướng thực hiện đề tài. Tuần 4 Từ 10/04/2019 đến 16/04/2019 Tìm hiểu về Raspberry, RFID, Arduino. Tuần 5 Từ 17/04/2019 đến 23/04/2019 Lập trình giao tiếp Raspberry với Module Camera v Tuần 6 Từ 24/04/2019 đến 30/04/2019 Lập trình giao tiếp Raspberry với RFID và ma trận phím. Tuần 7 Từ 01/05/2019 đến 07/05/2019 Lập trình giao tiếp Arduino với L298N và động cơ. Tuần 8 Từ 08/05/2019 đến 14/05/2019 Thiết kế mô hình. Lập trình kết nối các chương trình lại với nhau. Tuần 9 Từ 15/05/2019 đến 21/05/2019 Báo cáo tiến độ cho GVHD. Hoàn thiện mô hình. Tuần 10 Từ 22/05/2019 đến 29/05/2019 Viết báo cáo. Kiểm tra hoạt động của hệ thống. Tuần 11 Từ 30/05/2019 đến 05/06/2019 Hoàn tất báo cáo. Khắc phục các sự cố. Tuần 12 Từ 06/06/2018 Vá lỗi các sự cố nếu có. Hoàn thiện chỉnh chu báo cáo, chuẩn bị gặp GVPB và bảo vệ. GV HƯỚNG DẪN (Ký và ghi rõ họ và tên) vi LỜI CAM ĐOAN Đề tài này là do nhóm đồ án tự nghiên cứu và thực hiện dựa vào một số tài liệu tham khảo trước đó và không sao chép từ tài liệu hay các công trình nào. Nhóm thực hiện. vii LỜI CẢM ƠN Nhóm thực hiện đồ án xin gửi lời cảm ơn đến thầy GVHD Th.S Nguyễn Duy Thảo đã trực tiếp hướng dẫn, tham gia đóng góp, gợi ý các ý kiến, chia sẽ nhiều những kinh nghiệm và tận tình giúp đỡ cũng như tạo điều kiện tốt và thoải mái nhất để chúng em có thể hoàn thành tốt đề tài này. Em xin gửi lời cảm ơn đến các quý thầy cô khoa Điện – Điện tử đã giúp đỡ và tạo điều kiện tốt cho chúng em thực hiện đề tài. Ngoài ra, chúng em cũng cảm ơn các bạn học ở lớp 15141DT1C cũng như 15141DT2B đã chia sẽ và giúp đỡ chúng em rất nhiều trong đề tài này. Xin chân thành cảm ơn tất cả ! Nhóm thực hiện. viii MỤC LỤC Trang bìa ............................................................................................................................ i Nhiệm vụ đồ án tốt nghiệp ................................................................................................ ii Lịch trình thực hiện đồ án tốt nghiệp ............................................................................... iv Lời cam đoan .................................................................................................................... vi Lời cảm ơn ...................................................................................................................... vii Mục lục .......................................................................................................................... viii Liệt kê hình vẽ .................................................................................................................. xi Liệt kê bảng .................................................................................................................... xiv CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN ........................................................................................... 1 1.1. Đặt vấn đề .............................................................................................................. 1 1.2. Mục tiêu ................................................................................................................. 2 1.3. Nội dung nghiên cứu .............................................................................................. 2 1.4. Giới hạn .................................................................................................................. 3 1.5. Bố cục..................................................................................................................... 3 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT .............................................................................. 4 2.1. Tổng quan về xử lý ảnh .......................................................................................... 4 2.1.1. Giới thiệu về xử lý ảnh ........................................................................................... 4 2.1.2. Các bước cơ bản trong xử lý ảnh ........................................................................... 5 2.1.3. Phương pháp nhận diện khuôn mặt ........................................................................ 6 2.1.4. Ngôn ngữ Python và thư viện OpenCV ................................................................. 7 2.2. Quy trình hoạt động của khóa cửa thông minh .................................................... 12 2.2.1. Mô tả quy trình nhận diện khuôn mặt .................................................................. 12 2.2.2. Quá trình hoạt động của khóa thông minh bằng công nghệ RFID kết hợp với 4x4 Matrix Keypad Module. ........................................................................................... 12 2.3. Giới thiệu phần cứng ............................................................................................ 13 2.3.1. Giới thiệu các chuẩn giao tiếp ........................................................................................ 13 2.3.2. Raspberry Pi 3 Model B .................................................................................................. 17 2.3.3. Camera Raspberry ........................................................................................................... 22 2.3.4. Module RFID MFRC522 ................................................................................................ 25 2.3.5. Giới thiệu về ma trận phím 4x4. ..................................................................................... 27 ix 2.3.6. Lcd 20x4 ......................................................................................................................... 29 2.3.7. Arduino Uno R3 .............................................................................................................. 31 2.3.8. Module điều khiển động cơ L298 ................................................................................... 33 CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ ............................................................... 36 3.1. Giới thiệu.............................................................................................................. 36 3.2. Tính toán và thiết kế hệ thống .............................................................................. 36 3.2.1. Thiết kế sơ đồ khối hệ thống ................................................................................ 36 3.2.2. Tính toán và thiết kế mạch ................................................................................... 38 3.2.3. Sơ đồ kết nối toàn mạch ........................................................................................ 46 3.2.4. Sơ đồ nguyên lý của toàn mạch ........................................................................... 47 CHƯƠNG 4: THI CÔNG HỆ THỐNG ...................................................................... 48 4.1. Giới thiệu.............................................................................................................. 48 4.2. Lập trình cho hệ thống ......................................................................................... 49 4.2.1 Lưu đồ giải thuật ................................................................................................... 49 4.4.2. Phần mềm lập trình cho vi điều khiển ................................................................... 55 4.3. Viết tài liệu hướng dẫn sử dụng, thao tác ............................................................ 59 CHƯƠNG 5: KẾT QUẢ – NHẬN XÉT – ĐÁNH GIÁ ............................................. 63 5.1. Kết quả đạt được .................................................................................................. 63 5.2. Kết quả thực nghiệm ............................................................................................ 64 5.2.1. Mô hình sản phẩm ................................................................................................ 64 5.2.2. Khởi động hệ thống .............................................................................................. 64 5.2.3. Kết quả thực nghiệm từ việc nhận diện khuôn mặt ............................................. 65 5.2.4. Chọn chế độ hoạt động cho hệ thống ................................................................... 66 5.2.5. Kiểm tra thông tin người dùng ............................................................................. 68 5.2.6. Xóa và tạo thẻ thành viên mới ............................................................................. 68 5.2.7. Kiểm tra mật khẩu và tạo mật khẩu mới .............................................................. 73 5.2.8. Kiểm tra hoạt động của động cơ .......................................................................... 76 5.3. Nhận xét – đánh giá ............................................................................................. 77 5.3.1. Nhận xét ............................................................................................................... 77 5.3.2. Đánh giá ............................................................................................................... 78 x CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ........................................... 81 6.1. Kết luận ................................................................................................................ 81 6.2. Hướng phát triển .................................................................................................. 82 TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................................ xv xi LIỆT KÊ HÌNH VẼ Hình Trang Hình 2.1 Các bước trong xử lý ảnh ................................................................................... 5 Hình 2.2 Giao diện của Raspberry chạy hệ điều hành Raspbian ...................................... 8 Hình 2.3 Cửa sổ cho phép hoạt động các chuẩn giao tiếp ................................................ 8 Hình 2.4 Phần mềm Python ............................................................................................ 10 Hình 2.5 Hướng dẫn mở máy ảo để sử dụng thư viện OpenCv ...................................... 11 Hình 2.6 Phần trăm chu kỳ xung ..................................................................................... 15 Hình 2.7 Raspberry Pi 1 Model B ................................................................................... 17 Hình 2.8 Raspberry Pi 2 Model B ................................................................................... 17 Hình 2.9 Raspberry Pi 3 Model B ................................................................................... 18 Hình 2.10 Sơ đồ chân Raspberry Pi 3 ............................................................................. 20 Hình 2.11 Cấu trúc phần cứng của Raspberry Pi 3 ......................................................... 20 Hình 2.12 Raspberry Pi Camera Module ........................................................................ 21 Hình 2.13 Raspberry Pi Camera Module V2 .................................................................. 21 Hình 2.14 Kết nối Camera với Raspberry Pi 3 ............................................................... 23 Hình 2.15 Mở Camera cách 1 ......................................................................................... 24 Hình 2.16 Mở Camera cách 2 ......................................................................................... 24 Hình 2.17 Ảnh được chụp và lưu .................................................................................... 25 Hình 2.18 Thẻ RFID S50 loại móc khóa ........................................................................ 25 Hình 2.19 Thẻ nhựa NFC RFID ...................................................................................... 25 Hình 2.20 RFID Reader .................................................................................................. 26 Hình 2.21 Module RFID RC522 ..................................................................................... 26 Hình 2.22 Mở chạy file để kiểm tra RFID ...................................................................... 27 Hình 2.23 Kết quả kiểm tra RFID lần 1 .......................................................................... 28 Hình 2.24 Kết quả kiểm tra RFID lần 2 .......................................................................... 28 Hình 2.25 Bàn phím ma trận 4x4 .................................................................................... 28 Hình 2.26 Sơ đồ chân ma trận phím 4x4 ........................................................................ 29 Hình 2.27 Lcd 20x4 ......................................................................................................... 29 Hình 2.28 Sơ đồ chân Lcd 20x4 ...................................................................................... 30 xii Hình 2.29 Arduino Uno R3 ............................................................................................. 31 Hình 2.30 Module điều khiển động cơ L298 .................................................................. 33 Hình 2.31 Sơ đồ chân của module L298 ......................................................................... 34 Hình 2.32 Mạch nguyên lý của module L298 ................................................................. 34 Hình 3.1 Sơ đồ khối của hệ thống ................................................................................... 36 Hình 3.2 Sơ đồ nguyên lý kết nối khối thu tín hiệu hình ảnh với Raspberry ................. 38 Hình 3.3 Kết nối Camera thực tế .................................................................................... 39 Hình 3.4 Sơ đồ nguyên lý kết nối RC522, ma trận phím 4x4 với Raspberry Pi 3 .......... 40 Hình 3.5 Sơ đồ nguyên lý kết nối LCD 20x4 với Raspberry Pi 3 .................................. 41 Hình 3.6 Sơ đồ nguyên lý kết nối khối điều khiển động cơ ............................................ 42 Hình 3.7 Sơ đồ nguyên lý ngoại vi sử dụng .................................................................... 43 Hình 3.8 Sơ đồ kết nối thẻ nhớ với Raspberry ................................................................ 44 Hình 3.9 Sơ đồ chân Raspberry Pi 3 ............................................................................... 44 Hình 3.10 Sơ đồ kết nối toàn mạch ................................................................................. 46 Hình 3.11 Sơ đồ nguyên lý của mạch ............................................................................. 47 Hình 4.1 Lưu đồ chương trình chính ............................................................................... 49 Hình 4.2 Lưu đồ chương trình nhận dạng ....................................................................... 51 Hình 4.3 Lưu đồ chương trình xử lý ảnh chụp ................................................................ 52 Hình 4.4 Lưu đồ chương trình điều khiển động cơ ......................................................... 53 Hình 4.5 Lưu đồ chương trình cho phép chạy động cơ chạy thuận ................................ 54 Hình 4.6 Lưu đồ chương trình cho phép chạy động cơ chạy nghịch .............................. 54 Hình 4.7 Lưu đồ chương trình dừng động cơ ................................................................. 55 Hình 4.8 Phần mềm lập trình Arduino IDE .................................................................... 56 Hình 4.9 Giao diện chính của phần mềm Arduino IDE .................................................. 56 Hình 4.10 Trang web phpMyadmin ................................................................................ 57 Hình 4.11 Tạo tên bảng và số cột .................................................................................... 58 Hình 4.12 Cài đặt các thông số cho các cột .................................................................... 58 Hình 4.13 Bảng đã hoàn thành ........................................................................................ 59 Hình 4.14 Bật công tắc cấp nguồn cho hệ thống ............................................................ 60 Hình 4.15 Lệnh mở môi trường ảo .................................................................................. 60 xiii Hình 4.16 Đi đến đường dẫn lưu file chạy chương trình ................................................ 61 Hình 4.17 Chạy chương trình .......................................................................................... 61 Hình 4.18 Camera đang quay video để nhận diện khuôn mặt ........................................ 61 Hình 4.19 Mô hình cửa mặt trước ................................................................................... 62 Hình 4.20 Tiến hành đọc thẻ RFID ................................................................................. 62 Hình 5.1 Mô hình hệ thống ............................................................................................. 64 Hình 5.2 Bật khởi động Raspberry.................................................................................