Đồ án Thiết kế và thi công mô hình khóa điện tử có giám sát từ xa sử dụng GSM và RFID

i TRƢỜNG 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 05 tháng 07 năm 2019 NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Họ tên sinh viên: Nguyễn Thành Dương MSSV: 14141051 Trần Vỉnh Sơn MSSV: 14141266 Chuyên ngành: Điện tử công nghiệp Mã ngành: 141 Hệ đào tạo: Đại học chính quy Mã hệ: 1 Khóa: 2014 Lớp: 14141DT3 I. TÊN ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG MÔ HÌNH KHÓA ĐIỆN TỬ CÓ GIÁM SÁT TỪ XA SỬ DỤNG GSM VÀ RFID II. NHIỆM VỤ 1. Các số liệu ban đầu: - Pham Minh Tuan, ebook :Internet Of Things(IoT): cho người mới bắt đầu, 2017 (https://iotmakervn.github.io/iot-starter-book/). - Nguyễn Ngọc Lực, “Thiết kế , thi công mô hình hệ thông điều khiển điện và giám sát nhà” , đồ án tốt nghiệp , trường ĐHSPKT Tp HCM, 2018. - Phạm Hưng Thịnh, “Thiết kế, thi công hệ thống điều khiển và giám sát thiết bị nhà có hỗ trờ Google Assistant”, đồ án tốt nghiệp, trường ĐHSPKT TpHCM, 2018. - Hướng dẫn sử dụng Module sim900-MLAB ( dung-module-sim900.html). - Nguyen Dinh Phu, Truong Ngoc Anh, giáo trình vi xử lý , Xuất bản ĐH Quốc Gia, Tp.HCM, 2013. - Hướng dẫn sử dụng Module cảm biến chuyển động HC - SR501-MLAB ( sr501.html). ii - Lập trình và sử dụng module đọc thẻ RFID-RC522 – Arduino.vn ( 2. Nội dung thực hiện: - Tìm hiểu Arduino, module sim900, module RFID, cảm biến chuyển động, phím ma trận 4x4. - Thiết kế, tính toán, thi công mạch giao tiếp module sim với Arduino. - Thiết kế, tính toán, thi công mạch giao tiếp cảm biến chuyển động với Arduino. - Thiết kế, tính toán, thi công mạch giao tiếp cảm biến chuyển động với Arduino. - Thiết kế, tính toán, thi công mạch giao tiếp module RFID với Arduino. - Viết chương trình điều khiển mô hình. - Thiết kế nguồn cung cấp cho mô hình. - Chạy thử nghiệm mô hình. - Viết báo cáo. - Báo cáo cáo đề tài tốt nghiệp. III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 19/02/2019 IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 05/07/2019 V. HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƢỚNG DẪN: PGS.TS Nguyễn Thanh Hải CÁN BỘ HƯỚNG DẪN BM. ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – YSINH iii TRƢỜNG ĐH SPKT TP. HỒ CHÍ MINH KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH CỘNG HÕA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM ĐỘC LẬP - TỰ DO - HẠNH PHÖC ----o0o---- Tp. HCM, ngày 4 tháng 1 năm 2019 LỊCH TRÌNH THỰC HIỆN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Họ tên sinh viên: Trần Vỉnh Sơn Lớp: 14141DT3B MSSV: 14141266 Họ tên sinh viên: Nguyễn Thành Dƣơng Lớp: 14141DT3A MSSV: 14141051 Tên đề tài: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG MÔ HÌNH KHÓA ĐIỆN TỬ CÓ GIÁM SÁT TỪ XA SỬ DỤNG GSM VÀ RFID Tuần/ngày Nội dung Xác nhận GVHD Tuần 1 (18/02 - 24/02) Gặp gỡ GVHD và trao đổi về đề tài tốt nghiệp. Tuần 2 (25/02 - 03/03) Tìm hiểu các đề tài nghiên cứu có liên quan. Tuần 3 (04/03 - 10/03) Gặp và báo cáo với GVHD về đề tài sẽ thực hiện. Tìm hiểu về các linh kiện sẽ sử dụng Tuần 4 (11/03 - 17/03) Tìm hiểu về giao tiếp giữa module Sim với Arduino. Vẽ sơ đồ khối và nội dung từng khối. Tuần 5 (18/03 - 24/03) Thiết kế và lập trình cho Arduino và module Sim Báo cáo tiến độ với GVHD. Tuần 6 (25/03 - 31/03) Hoàn thành cơ sở lý thuyết, thiết kế nguyên lý từng khối. Hoàn thành giao tiếp (gửi sms) giữa module Sim và Arrduino. Tuần 7 (01/04 - 07/04) Tìm hiểu giao tiếp Arduino và phím ma trận. Viết code cho phím ma trận và Arduino. iv Tuần 8 (08/04 - 14/04) Báo cáo tiến độ cho GVHD. Viết báo cáo thiết kế khối mở khóa dùng phím ma trận. Tuần 9 (15/04 - 21/04) Tìm hiểu và giao tiếp giữa RFID và Arduino Hoàn thành giao tiếp phím ma trận và viết code RFID. Viết báo cáo. Tuần 10 (22/04 - 28/04) Báo cáo tiến độ cho GVHD. Gửi tài liệu, hình ảnh, báo cáo tiến độ 50% Viết code cho RFID , ma trận phím và Arduino. Tuần 11 (29/04 - 05/05) Tìm hiểu giao tiếp cảm biến chuyển động PIR, nút nhấn đơn với Arduino Viết code cho PIR, nút nhấn với Arduino. Tuần 12 (06/05 - 12/05) Tổng hợp code toàn mạch. Viết báo cáo. Tuần 13(13/05 - 19/05) Báo cáo tiến độ với GVHD. Chỉnh sửa báo cáo. Tuần 14,15,16 (20/05 – 09/06) Kiểm tra và chỉnh sửa toàn mạch Đi dây, hoàn thành mô hình. Viết nhận xét đánh giá Hoàn thành báo cáo GV HƢỚNG DẪN (Ký và ghi rõ họ và tên) v LỜI CAM ĐOAN Chúng em xin cam đoan đề tài này do chúng em thực hiện dựa trên tài liệu trước đó và không sao chép tài liệu hay công trình trước đó. Tp. HCM, ngày 05 tháng 07 năm 2019 Người thực hiện đề tài Trần Vỉnh Sơn Nguyễn Thành Dƣơng vi LỜI CẢM ƠN Trong quá trình thực hiện đồ án tốt nghiệp, chúng em đã nhận được nhiều sự giúp đỡ từ Thầy/Cô người thân và bạn bè. Đặc biệt, chúng em xin gửi lời cảm ơn chân thành, sâu sắc tới Thầy PGS.TS Nguyễn Thanh Hải đã hướng dẫn và góp ý tận tình, cũng như chia sẻ nhiều kinh nghiệm quý báu, tạo điều kiện tốt nhất để chúng em hoàn thành tốt đề tài. Chúng em cũng xin cảm ơn các Thầy, Cô khoa Điện Điện tử đã tạo điều kiện tốt nhất để chúng em hoàn thành tốt đề tài. Và xin cảm ơn tất cả bạn bè, người thân đã ủng hộ và giúp đỡ nhiệt tình cho chúng em. Sau cùng, dù có nhiều cố gắng và sự giúp đỡ của mọi người nhưng do thời gian thực hiện chỉ 15 tuần, kinh nghiệm còn hạn chế nên chúng em không tránh được những thiếu sót. Chúng em mong quý Thầy /Cô, người thân, bạn bè cảm thông và chân thành góp ý để chúng em hoàn thiện tốt đề tài hơn. Chúng em xin chân thành cảm ơn! Tp. HCM, ngày 05 tháng 07 năm 2019 Người thực hiện đề tài Trần Vỉnh Sơn Nguyễn Thành Dƣơng vii MỤC LỤC NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ................................................................................. i LỊCH TRÌNH THỰC HIỆN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ................................................... iii LỜI CAM ĐOAN .............................................................................................................. v LỜI CẢM ƠN ................................................................................................................... vi MỤC LỤC ........................................................................................................................ vii LIỆT KÊ HÌNH ẢNH ...................................................................................................... ix LIỆT KÊ BẢNG ................................................................................................................ x TÓM TẮT ......................................................................................................................... xi Chƣơng 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 ........................................................................................................ 2 1.5 BỐ CỤC ............................................................................................................ 3 Chƣơng 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT ..................................................................................... 4 2.1 GIỚI THIỆU VỀ IOTS (INTERNET OF THINGS) ................................... 4 2.2 GIỚI THIỆU PHẦN CỨNG ........................................................................... 4 2.2.1 Module cảm biến chuyển động PIR HC – SR501 ....................................... 4 2.2.2 Phím ma trận 4x4 ........................................................................................ 6 2.2.3 Module Sim900a ......................................................................................... 7 2.2.4 Vi điều khiển ............................................................................................... 8 2.2.5 Công nghệ RFID ......................................................................................... 9 2.3 GIAO TIẾP I2C ........................................................................................... 13 2.4 CHUẨN TRUYỀN THÔNG UART ............................................................ 13 2.5 GIAO TIẾP SPI ............................................................................................. 14 2.6 PHẦN MỀM ARDUINO IDE....................................................................... 15 Chƣơng 3. TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ ...................................................................... 16 3.1 GIỚI THIỆU .................................................................................................. 16 viii 3.2.2 Thiết kế chi tiết .......................................................................................... 18 3.2.3 Sơ đồ nguyên lý toàn mạch ....................................................................... 28 Chƣơng 4. THI CÔNG MÔ HÌNH ................................................................................ 30 4.1 GIỚI THIỆU .................................................................................................. 30 4.2 THI CÔNG MÔ HÌNH ................................................................................. 30 4.2.1 Danh sách linh kiện ................................................................................... 30 4.2.2 Lắp ráp mô hình ........................................................................................ 31 4.3 LẬP TRÌNH CHO MÔ HÌNH...................................................................... 34 4.3.1 Lưu đồ chương trình .................................................................................. 34 Chƣơng 5. KẾT QUẢ_NHẬN XÉT_ĐÁNH GIÁ ........................................................ 40 5.1 GIỚI THIỆU .................................................................................................. 40 5.2 KẾT QUẢ ....................................................................................................... 40 5.1.1 Kết quả đạt được ....................................................................................... 40 5.1.2 Kết quả thực nghiệm ................................................................................. 40 5.3 NHẬN XÉT .................................................................................................... 45 5.3.1 Ưu điểm ..................................................................................................... 45 5.3.2 Hạn chế ...................................................................................................... 46 5.4 ĐÁNH GIÁ ..................................................................................................... 46 Chƣơng 6. KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN .................................................. 47 6.1 KẾT LUẬN ..................................................................................................... 47 6.2 HƢỚNG PHÁT TRIỂN ................................................................................ 47 TÀI LIỆU THAM KHẢO .............................................................................................. 48 PHỤ LỤC ......................................................................................................................... 49 ix LIỆT KÊ HÌNH ẢNH Hình 2.1 Hình dạng của cảm biến PIR HC-SR501. ................................................... 5 Hình 2.2 Hình ảnh nguyên lý hoạt động của cảm biến PIR. ....................................... 5 Hình 2.3 Hình ảnh sơ đồ chân của cảm biến PIR. ...................................................... 6 Hình 2.4 Hình ảnh sơ đồ kết nối của phím ma trận 4x4. ............................................ 7 Hình 2.5 Hình ảnh phim ma trận 4x4. ......................................................................... 7 Hình 2.6 Hình ảnh Module SIM900A ........................................................................ 7 Hình 2.7 Hình ảnh Arduino Mega............................................................................... 9 Hình 2.8 Hình ảnh Module RFID RC522. ................................................................ 10 Hình 2.9 Hình ảnh LCD 16x2. .................................................................................. 11 Hình 2.10 Mạch chuyển giao tiếp LCD 16x2. .......................................................... 13 Hình 2.11 Hình ảnh kết nối giữa Master và Slave. ................................................... 15 Hình 2.12 Logo phần mềm IDE ................................................................................ 15 Hình 2.13 Hình ảnh giao diện phần mềm IDE .......................................................... 16 Hình 3.1 Sơ đồ khối của mô hình.............................................................................. 17 Hình 3.2 Sơ đồ nguyên lý của khối điều khiển arduino. ........................................... 19 Hình 3.3 Sơ đồ nguyên lý của khối giám sát. ........................................................... 20 Hình 3.4 Sơ đồ nguyên lý khối cảm biến. ................................................................. 20 Hình 3.5 Sơ đồ nguyên lý khối báo động. ................................................................. 21 Hình 3.6 Sơ đồ nguyên lý khối động cơ và nút nhấn. ............................................... 22 Hình 3.7 Sơ đồ nguyên lý khối mở khóa. ................................................................. 23 Hình 3.8 Sơ đồ nguyên lý mạch mở khóa dùng RFID. ............................................. 24 Hình 3.9 Sơ đồ nguyên lý mạch mở khóa dùng ma trận phím. ................................ 25 Hình 3.10 Sơ đồ nối dây ma trận phím 4x4. ............................................................. 25 Hình 3.11 Sơ đồ nguyên lý khối hiển thị. ................................................................. 26 Hình 3.12 Hình ảnh module hạ áp LM2596. ............................................................ 27 Hình 3.13 Sơ đồ nguyên lý mô hình khóa thông minh. ............................................ 28 Hình 4.1 Hình ảnh mạch xử lý trung tâm.................................................................. 31 Hình 4.2 Hình ảnh mạch giám sát module sim. ........................................................ 31 Hình 4.4 Hình ảnh mạch báo động. .......................................................................... 32 Hình 4.5 Hình ảnh mô hình hoàn thiện. .................................................................... 33 Hình 4.6 Lưu đồ chương trình tổng quát toàn bộ hoạt động. .................................... 34 Hình 4.7 Lưu đồ chương trình chính. ........................................................................ 35 Hình 4.8 Lưu đồ chương trình con thêm thẻ, xóa thẻ và đổi pass. ........................... 36 Hình 4.9 Lưu đồ chương trình kiểm tra ngắt của nút nhấn và cánh báo PIR ........... 37 Hình 5.1 Hình ảnh màn hình LCD trạng thái chờ quẹt thẻ. ...................................... 41 Hình 5.2 Hình ảnh LCD khi quẹt thẻ sai. .................................................................. 41 x Hình 5.3 Hình ảnh mạch báo động hoạt động. .......................................................... 42 Hình 5.4 Hình ảnh module Sim gửi tin nhắn cảnh báo quẹt thẻ sai. ........................ 42 Hình 5.5 Hình ảnh màn hình LCD ở trạng thái quản lý ............................................ 43 Hình 5.6 Hình ảnh LCD khi ở chế độ thêm thẻ ........................................................ 43 Hình 5.7 Hình ảnh LCD khi chọn chế độ xóa thẻ. .................................................... 44 Hình 5.8 Hình ảnh LCD yêu cầu nhập mật khẩu cũ khi chọn chế độ đổi mật khẩu. 44 Hình 5.9 Hình ảnh tin nhắn cảnh báo khi PIR phát hiện có người lạ xâm nhập. ...... 45 LIỆT KÊ BẢNG Bảng 4.1 Danh sách linh kiện sử dụng..30 xi TÓM TẮT Ngày nay trước sự phát triển không ngừng của khoa học kỹ thuật, đặc biệt là thành công của cuộc cách mạng kỹ thuật 4.0 làm cho thế giới của chúng ta ngày càng thay đổi, cuộc sống trở nên văn minh và hiện đại hơn. Cùng với sự phát triển đó thì các tệ nạn xảy ra ngày càng tinh vi và khó diều tra được. Trong đó, tệ nạn trộm cấp cũng là vấn đề đáng lo ngại. vì thế,” Thiết kế và thi công mô hình khóa điện tử có giám sát từ xa sử dụng GSM và RFID” đã đưa ra một giải pháp thay thế những hệ thống bảo mật truyền thống. Mô hình sử dụng board Arduino Mega 2560 để làm khối điều khiển trung tâm. Sử dụng công nghệ thẻ từ RFID để mở lớp đầu tiên kết hợp phím ma trận 4x4 để mở khóa. Giám sát ngôi nhà qua GSM để gửi tin nhắn cảnh báo cho người dùng. Mô hình phát hiện chuyển động bằng việc sử dụng cảm biến chuyển động PIR. CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 1 Chƣơng 1. TỔNG QUAN 1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ Ngày nay với sự phát triển không ngừng của khoa học và công nghệ đã làm cho cuộc sống của con người được tốt hơn và hoàn thiện hơn. Các thiết bị điều khiển thông minh và tự động cũng được phát triển. Trong đó có nhà thông mình với các thiết bị trong nhà hoạt động một cách tự động hoặc bán tự động và việc giám sát điều khiển trở nên thuận lợi, an toàn và an ninh hơn nhờ được điều khiển từ xa.Với sự xuất hiện và phát triển mạnh mẽ của công nghệ IoT [1], việc quản lý căn nhà càng được cải thiện hơn, các thiết bị được kết nối với nhau thông qua wifi, bluetooth, mạng viễn thông và được điều khiển bởi người dùng trên các thiết bị như smart phone, máy tính bảng ở bất kỳ đâu. Hiện nay có rất nhiều đề tài nghiên cứu về nhà thông minh như đồ án tốt nghiệp của Nguyễn Ngọc Lực về đề tài “Thiết kế, thi công mô hình hệ thông điều khiển điện và giám sát nhà” dùng board Arduino Mega 2560 làm bộ điều khiển trung tâm kết hợp module ESP8266 Node MCU và module sim900A thông qua App Android và Web server để điều khiển và giám sát các thiết bị trong nhà như đo nhiệt độ, độ ẩm, báo động rò rỉ khí ga, khi có người đột nhập thì báo động và gửi tin nhắn đến người sử dụng, hệ thống còn nhận biết khi mất điện thì tự động chuyển sang nguồn dự phòng (acquy) và gửi tin nhắn cho người sử dụng [2]. Tác giả Phạm Hưng Thịnh với đề tài “ Thiết kế, thi công hệ thống điều khiển và giám sát thiết bị nhà có hỗ trờ Google Assistant”. Hệ thống này sử dụng board Arduino, module wifi ESP8266 Node MCU, cảm biến nhiệt độ, khí gas, chuyển động. Người dùng có thể giám sát bằng smartphone hệ đều hành android truy cập Web bất kỳ nơi nào có wifi hoặc internet. Có thể giám sát hệ thống từ xa, hiển thị nhiệt độ, báo động khi rò rỉ khí gas hoặc có trộm đột nhập [3]. Bên cạnh sự phát triển của đời sống con người thì các tệ nạn xã hội xảy ra ngày càng nhiều với hình thức ngày càng tinh vi hơn, trong đó có nạn trộm cắp tài sản. Các biện pháp bảo bệ truyền thống không thể đáp ứng yêu cầu bảo vệ an toàn cho tài CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 2 sản. Vì thế, yêu cầu có một thiết bị thông minh hơn giúp bảo vệ tài sản được an toàn hơn. Từ các thực tiễn trên, nhóm em quyết định lựa chọn đề tài “Thiết kế và thi công mô hình khóa điện tử có giám sát từ xa sử dụng GSM và RFID” để góp phần hạn chế tối đa mất mát tài sản. Hệ thống sử dụng bộ điều khiển trung tâm là board Arduino giao tiếp với module sim900A [4], phím ma trận 4x4 [5], cảm biến chuyển động HC-SR501 [6], module RFID RC522 [7]. 1.2 MỤC TIÊU Thiết kế và thi công mô hình điều khiển và giám sát khóa chống trộm thông minh. Có thể giám sát từ xa qua mạng viễn thông (tin nhắn) và điều khiển trực tiếp từ ma trận phím 4x4, thẻ RFID. 1.3 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU - Tìm hiểu Arduino, module sim900, module RFID, cảm biến chuyển động, phím ma trận 4x4. - Thiết kế, tính toán, thi công mạch giao tiếp module sim với Arduino. - Thiết kế, tính toán, thi công mạch