Nghiên cứu hệ thống cửa bảo mật bằng mật khẩu và thẻ từ RFID (Đề tài NCKH)

Tài liệu đồ án nghiên cứu hệ thống cửa bảo mật bằng mật khẩu và thẻ từ RFID. Mô hình khóa thông minh ứng dụng Arduino, an toàn và chi phí thấp.

• Tác giả: Nguyễn Văn Thắng
• Người hướng dẫn: TS Nguyễn Đức Toàn
• Trường học: Trường Đại Học Tài Nguyên Và Môi Trường Hà Nội
• Chuyên ngành: Công Nghệ Thông Tin
• Đề tài: Hệ Thống Cửa Bảo Mật Bằng Mật Khẩu Và Thẻ Từ RFID
• Loại tài liệu: Báo Cáo Tổng Kết Đề Tài Nghiên Cứu Khoa Học Sinh Viên
• Năm xuất bản: 2020 - 2021
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Giới thiệu về hệ thống khóa cửa bảo mật thông minh

Hệ thống khóa cửa bảo mật bằng mật khẩu và thẻ từ RFID là một giải pháp hiện đại trong lĩnh vực an ninh bảo vệ. Đây là kết quả nghiên cứu của sinh viên Khoa Công nghệ Thông tin, Trường Đại học Tài Nguyên và Môi trường Hà Nội. Hệ thống kết hợp giữa công nghệ bo mạch nhúng Arduino và cảm biến RFID để tạo ra một thiết bị bảo mật cao, an toàn và tiết kiệm chi phí. Khác với các khóa điện tử truyền thống sử dụng vi xử lý, hệ thống này mang tính chuyên dụng, nhỏ gọn và tự vận hành. Ứng dụng của khóa thông minh RFID rất đa dạng, từ khu chung cư, ký túc xá sinh viên đến các văn phòng công ty. Công nghệ này mang lại sự thuận tiện cho người sử dụng nhờ khả năng đọc thẻ mà không cần tiếp xúc vật lý.

1.1. Khái niệm và đặc điểm nổi bật

Khóa cửa bảo mật RFID là thiết bị sử dụng công nghệ thẻ từ RFID kết hợp với mật khẩu để kiểm soát truy cập. Đặc điểm nổi bật bao gồm: tính bảo mật cao nhờ xác thực hai lớp, khả năng sao chép liên kết giữa thẻ chính và thẻ thành viên, chi phí đầu tư thấp, dễ lắp ráp và sử dụng. Hệ thống hoạt động tự động, không cần nguồn năng lượng lớn, phù hợp với điều kiện kinh tế của gia đình và doanh nghiệp.

1.2. Ứng dụng thực tiễn hiện nay

Hệ thống khóa thông minh có khả năng ứng dụng rộng rãi trong đời sống. Có thể sử dụng để khóa cửa tòa nhà chung cư, phòng ký túc xá sinh viên, tủ văn phòng của các công ty, hoặc các kho lưu trữ quan trọng. Tính linh hoạt của hệ thống cho phép tích hợp cùng thẻ học sinh, thẻ nhân viên của các tổ chức, giúp quản lý truy cập hiệu quả và an toàn.

II. Cấu trúc và nguyên lý hoạt động của hệ thống

Hệ thống khóa cửa thông minh được xây dựng từ các thành phần cứng cơ bản nhưng vô cùng hiệu quả. Thành phần chính bao gồm bo mạch nhúng Arduino Uno R3 đóng vai trò là bộ não điều khiển, và bộ cảm biến RFID để nhận diện thẻ từ. Nguyên lý hoạt động của khóa RFID bảo mật tương đối đơn giản nhưng hiệu quả. Khi người dùng đưa thẻ từ RFID vào vùng đọc của cảm biến, thiết bị sẽ nhận tín hiệu và gửi thông tin đến bo mạch Arduino để xác thực. Nếu thẻ hợp lệ, hệ thống sẽ yêu cầu nhập mật khẩu. Khi mật khẩu đúng, cửa tự động mở. Nếu có lỗi ở bất kỳ bước nào, chuông cảnh báo sẽ kêu để thông báo sự cố. Thiết kế này đảm bảo bảo mật cao với xác thực kép.

2.1. Thành phần phần cứng chính

Bo mạch nhúng Arduino Uno là trái tim của hệ thống, xử lý logic và điều khiển toàn bộ quy trình. Cảm biến RFID dùng để đọc thông tin từ thẻ từ mà không cần tiếp xúc vật lý. Ngoài ra, hệ thống còn bao gồm khóa điện tử, màn hình LCD hiển thị thông tin, bàn phím nhập mật khẩu, chuông cảnh báo, và các linh kiện điện tử khác. Tất cả được tích hợp thành một thiết bị nhỏ gọn, dễ lắp ráp.

2.2. Quy trình xác thực bảo mật hai lớp

Quy trình xác thực của hệ thống diễn ra theo hai bước. Thứ nhất, cảm biến RFID nhận diện thẻ từ và kiểm tra xem thẻ có trong danh sách được phép không. Thứ hai, nếu thẻ hợp lệ, hệ thống yêu cầu nhập mật khẩu số. Chỉ khi cả hai điều kiện đều đúng, cửa mới mở. Cơ chế này tăng tính bảo mật đáng kể so với các khóa truyền thống.

III. Tính mới và sáng tạo của đề tài nghiên cứu

Đề tài khóa cửa bảo mật RFID mang nhiều yếu tố mới mẻ và sáng tạo. So với các khóa điện tử hiện nay, sự khác biệt chính nằm ở việc sử dụng bo mạch nhúng chuyên dụng thay vì vi xử lý phức tạp, giúp tiết kiệm tài nguyên và chi phí. Sáng tạo nổi bật nhất là hệ thống thẻ chính quản lý thẻ thành viên - cho phép thẻ chính thêm hoặc xóa thẻ con theo nhu cầu. Tính năng này rất hữu ích trong các khu ký túc xá, nơi sinh viên thường xuyên thay đổi, hoặc trong các công ty khi có nhân viên mới vào hoặc cũ rời đi. Hệ thống bảo mật kép kết hợp RFID và mật khẩu cũng là điểm sáng tạo, vừa đảm bảo bảo mật cao vừa khó bị sao chép trái phép. Thiết bị còn có khả năng tích hợp với thẻ học sinh hoặc thẻ nhân viên hiện có.

3.1. Sự cải tiến so với công nghệ cũ

Khóa cửa thông minh Arduino cải tiến đáng kể so với các khóa điện tử cơ bản. Hệ thống mở rộng quy mô nhỏ gọn, dễ vận hành, không yêu cầu kỹ thuật cao. Chi phí đầu tư thấp so với các giải pháp bảo mật hiện đại khác. Hệ thống tự vận hành hiệu quả, mục tiêu thiết kế phù hợp với điều kiện kinh tế của người dân Việt Nam.

3.2. Điểm sáng tạo trong quản lý quyền truy cập

Tính sáng tạo lớn nhất là thẻ chính có khả năng quản lý thẻ thành viên. Có thể linh hoạt thêm thẻ mới khi có sinh viên vào mới, xóa thẻ khi sinh viên chuyển đi. Hệ thống cũng hỗ trợ tích hợp với thẻ hiện có của nhà trường hoặc công ty, tối ưu hóa quy trình quản lý truy cập một cách hiệu quả.

IV. Ứng dụng và tiền đề phát triển trong tương lai

Hệ thống khóa cửa bảo mật RFID có tiềm năng ứng dụng rất lớn trong các lĩnh vực khác nhau. Với những ưu điểm về bảo mật cao, chi phí thấp, dễ sử dụng, và khó bị giả mạo, thiết bị này phù hợp cho cơ sở giáo dục, chung cư dân cư, và các doanh nghiệp. Trong các khu ký túc xá, khóa thông minh RFID giúp quản lý truy cập sinh viên hiệu quả và an toàn. Trong các công ty, nó có thể được sử dụng để bảo vệ phòng máy chủ, tủ tài liệu mật. Tiền đề phát triển trong tương lai rất sáng sủa. Hệ thống có thể được tích hợp với công nghệ AI, hệ thống nhận diện khuôn mặt, hoặc theo dõi lịch sử truy cập chi tiết. Có thể nâng cấp hệ thống với tính năng thông báo từ xa, kết nối Internet of Things (IoT) để quản lý từ xa. Điều này mở ra những khả năng nâng cao tính bảo mật và quản lý hiện đại cho các tổ chức.

4.1. Lợi ích kinh tế xã hội

Khóa cửa bảo mật thông minh mang lại nhiều lợi ích thiết thực. Về kinh tế, chi phí đầu tư thấp hơn nhiều so với các hệ thống bảo mật cao cấp khác. Về xã hội, nó giúp tăng cường an ninh cho các cộng đồng, giảm tình trạng trộm cắp, bảo vệ tài sản cá nhân và công cộng. Về giáo dục, dự án này giúp sinh viên áp dụng kiến thức thực tế, phát triển kỹ năng kỹ thuật, tạo nền tảng cho các nghiên cứu tiếp theo.

4.2. Hướng phát triển và nâng cấp công nghệ

Trong tương lai, hệ thống khóa RFID có thể được nâng cấp với công nghệ AI để nhận diện mô hình hành vi, phát hiện hành động bất thường. Tích hợp công nghệ IoT cho phép kiểm soát từ xa qua điện thoại thông minh. Kết hợp camera giám sát, hệ thống báo động để tạo nên giải pháp bảo mật toàn diện. Những hướng phát triển này sẽ nâng cao tính ứng dụng và giá trị thực tế của công nghệ.

Trích đoạn nội dung tài liệu

MỞ ĐẦU 1 Lý do chọn đề tài Từ xưa đến nay bảo vệ tài sản cá nhân luôn là một trong những vấn đề được con người quan tâm. Cùng với sự phát triển của khoa học kĩ thuật thì các thiết bị bảo vệ, cảnh báo chống trộm ra đời. Nhưng có lẽ thiết bị được sử dụng nhiều nhất chính là khóa cửa, khóa cửa vẫn được hiểu là một dụng cụ bằng kim loại được làm ra với mục đích để ngăn không cho phép người khác mở cửa nếu không được phép. Muốn mở cửa thì phải có chìa khóa làm bằng kim loại đối với khóa cơ.

Hiện nay các khóa cửa cơ đơn giản như: Khóa bấm, khóa chốt, khóa cơ. như trước không còn hiệu quả và cũng bộc lộ nhiều bất tiện. Vì vậy ngày càng nhiều các loại khóa bảo mật với sự an toàn và tiện lợi cao hơn được ra đời, nó không chỉ có tác dụng ngăn mở cửa mà còn là một thiết bị bảo mật, đảm bảo mức an toàn cao nhất, chống đột nhập, phá khóa, bẻ khóa… Đã có nhiều loại khóa cửa thông minh được ra đời từ đó. Chẳng hạn như khóa cửa kết nối với các thiết bị thông minh qua bluetooth, khóa cửa mật mã, khóa cửa thẻ từ… Trong số đó em thấy rằng khóa cửa mở bằng thẻ từ đáp ứng nhu cầu một chiếc khóa cửa với sự an toàn cao và tiện ích.

Tuy nhiên, các loại khóa cửa này cũng bộc lộ những bất tiện như: nếu như ai đó nhặt được thẻ sẽ mở cửa dễ dàng. Vì vậy để nâng cao yêu cầu tính bảo mật bảo vệ tài sản và giao diện trực quan để sử dụng. Đặc biệt việc sử dụng thẻ từ có thể giúp cho các trường học tích hợp thêm vào đó các ứng dụng để quản lí học sinh, sinh viên một cách thuận tiện hơn, dễ dàng sử dụng đồng thời giá thành cũng phù hợp vừa phải. Nhóm chúng em quyết định thực hiện đề tài "N i ứu ệ t ố ảo ật ằ ật uv t từ R id".

Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài. - Ý nghĩa khoa học: Tạo ra cửa khoá bảo mật bảo vệ bằng mật khẩu và mã thẻ từ RFID. - Ý nghĩa thực tiễn: Bảo vệ ngôi nhà, đóng mở cửa tiện lợi, thay thế khoá cửa truyền thống. Giá thành sản phẩm hợp lí, hệ thống được lắp đặt và hoạt động một cách tự động phù hợp với điều kiện kinh tế của người dân.

Mục tiêu nghiên cứu: Tạo ra một hệ thống khóa cửa bảo mật cao, giá thành rẻ được mọi người sử dụng phổ biến rộng rãi hơn. 6 - Thay thế khóa cửa truyền thống thành cửa bảo mật cao hơn, giá thành rẻ hơn. - Nghiên cứu cấu tạo, chức năng điều khiển và cơ chế vận hành của bo mạch nhúng Arduino. - Nghiên cứu cấu tạo, chức năng và cơ chế vận hành của cửa thông minh.

- Nghiên cứu, xây dựng và lắp ráp hệ thống bao gồm hai thành phần chính là: bo mạch nhúng Arduino Uno R3 và bộ cảm biến RFID. Giới hạn phạm vi nghiên cứu: Trong đề tài này, nhóm nghiên cứu sẽ trình bày về những phần nghiên cứu được về cơ sở lý thuyết để thực hiện đề tài. Nội dung bao gồm các phần như sau: Giới thiệu về hệ thống nhúng, tổng quan về arduino và bộ mạch cảm biến RFID, và nghiên cứu về phương pháp khóa cửa thông minh sửa dụng mật khẩu và thẻ từ. Phƣơng pháp nghiên cứu: 5.

Phương pháp nghiên cứu lí thuyết: + Tìm hiểu một số khóa cửa truyền thống và tự động đã có trên thị trường. + Tìm hiểu cấu tạo, chức năng điều khiển và cơ chế vận hành của bo mạch nhúng Arduino. + Tìm hiểu cấu tạo, chức năng và cơ chế vận hành của thẻ từ RFID, Keypad , màn hình hiển thị LCD, động cơ Servo SG90. Phương pháp nghiên cứu thực tiễn: + Phương pháp khảo sát thực tế, thu thập dữ liệu: tìm hiểu thực tế về công việc khóa cửa ở kí túc xá học sinh, khu chung cư,.

hiện nay để đưa ra sản phẩm khóa cửa tự động an toàn cho mọi nhà. + Phương pháp phân tích đánh giá: dựa vào dữ liệu đã thu thập được. Phân tích tìm ra các giải pháp công nghệ trong chế tạo, từ đó đưa ra quy trình để hoàn thiện dự án một cách hiệu quả nhất.3 Phương pháp xây dựng đề án: + Xây dựng đề án từ ý tưởng sáng tạo, từ lý thuyết đã học gắn với đời sống thực tiễn. Phương pháp thiết kế mô hình, chế tạo sản phẩm: + Xác định yêu cầu công nghệ của sản phẩm.

+ Tính toán lựa chọn các nguyên vật liệu phù hợp: Bo mạch nhúng Arduino Uno R3, thẻ từ RIFD, màn hình hiển thị LCD, Keypad, động cơ Servo SG90. Phương pháp thực nghiệm khoa học: + Bước đầu đưa sản phẩm vào sử dụng để hiệu chỉnh thông số chi tiết và hoàn thiện sản phẩm. Phương pháp phân tích và tổng kết kinh nghiệm: + Phân tích, đánh giá ưu nhược điểm của sản phẩm từ thực nghiệm đưa mô hình thiết bị khóa cửa thông minh vào sử dụng. + Rút ra kinh nghiệm cũng như đưa ra hướng phát triển sản phẩm sao cho phù hợp hơn, nhỏ gọn hơn.

Nội dung nghiên cứu: + Nghiên cứu cấu tạo, chức năng điều khiển và cơ chế vận hành của bo mạch nhúng Arduino. + Nghiên cứu cấu tạo, chức năng và cơ chế vận hành của thẻ từ RFID, Keypad, màn hình hiển thị LCD, động cơ Servo SG90. + Nghiên cứu, xây dựng hệ thống bao gồm hai thành phần chính là: bo mạch nhúng và bộ cảm biến RFID, tính toán các nguyên vật liệu cho mô hình và tiến hành các bước để chế tạo, lắp ráp hoàn thiện sản phẩm). + Nghiên cứu đánh giá sản phẩm đã hoàn thiện: Vận hành thử sau đó đánh giá về tính bảo mật, độ an toàn.Từ đó đánh giá hiệu quả của sản phẩm.

Đề tài được thực hiện theo các bước như sau: 8 7. Những điểm mới của đề tài. - Hệ thống sử dụng bảo mật bằng cả RFID và password (mật khẩu), cụ thể: Nếu sai thẻ, hoặc đúng thẻ mà password (mật khẩu) sai sẽ không thể mở cửa. Đây là điểm khác biệt so với các loại khóa đã có trên thị trường (Chỉ có 1 chức năng là thẻ từ RFID hoặc sử dụng password).

Tính bảo mật của loại khóa này rất cao. - Hệ thống có một thẻ chính với chức năng quản lí các thẻ con.Với khả năng sao chép liên kết từ thẻ chính sang thẻ con. Thẻ chính có quyền thêm vào các quyền mở cửa cho các thẻ mới (chẳng hạn như những học sinh mới, nhân viên mới, những người mới chuyển đến,. Đồng thời cũng có quyền vô hiệu khả năng mở cửa của các thẻ không còn sử dụng (chẳng hạn trong các trường hợp học sinh ra trường, người chuyển đi khỏi tào nhà, đánh rơi thẻ,.) - Bộ khóa này không gắn liền vào cửa từ trước.

Do đó có thể sử dụng cho các vật dụng chẳng hạn như khóa tủ, khóa két,. 9 CHƢƠNG 1 KHÁI QUÁT CHUNG VỀ HỆ THỐNG NHÚNG Trong chương này, nhóm nghiên cứu sẽ trình bày về những cơ sở lý thuyết về hệ thống nhúng, tổng quan về arduino, các hệ thống từ được sử dụng trong đề tài. Hệ thống nhúng Hệ thống nhúng là một thuật ngữ để chỉ một hệ thống có khả năng tự trị và được nhúng vào trong một môi trường hay một hệ thống mẹ. Đó là các hệ thống tích hợp cả phần cứng và phần mềm phục vụ các bài toán chuyên dụng trong nhiều lĩnh vực công nghiệp, tự động hoá điều khiển, quan trắc và truyền tin.

Đặc điểm của các hệ thống nhúng là hoạt động ổn định và có tính năng tự động hoá cao [2] 1.1 Lịch sử phát triển Hệ thống nhúng đầu tiên là Apollo Guidance Computer (Máy tính dẫn đường Apollo) được phát triển bởi Charles Stark Draper tại phòng thí nghiệm của trường đại học MIT. Hệ thống nhúng được sản xuất hàng loạt đầu tiên là máy hướng dẫn cho tên lửa quân sự vào năm 1961. Máy hướng dẫn Autonetics D-17, được xây dựng sử dụng những bóng bán dẫn và một đĩa cứng để duy trì bộ nhớ. Khi Minuteman II được đưa vào sản xuất năm 1996, D-17 đã được thay thế với một máy tính mới sử dụng mạch tích hợp.

Tính năng thiết kế chủ yếu của máy tính Minuteman là nó đưa ra thuật toán có thể lập trình lại sau đó để làm cho tên lửa chính xác hơn, và máy tính có thể kiểm tra tên lửa, giảm trọng lượng của cáp điện và đầu nối điện [1]. Từ những ứng dụng đầu tiên vào những năm 1960, các hệ thống nhúng đã giảm giá và phát triển mạnh mẽ về khả năng xử lý. Bộ vi xử lý đầu tiên hướng đến người dùng là Intel 4004, được phát minh phục vụ máy tính điện tử và những hệ thống nhỏ khác. Tuy nhiên nó vẫn cần các chip nhớ ngoài và những hỗ trợ khác.

Vào những năm cuối 1970, những bộ xử lý 8 bit đã được sản xuất, nhưng nhìn chung chúng vẫn cần đến những chip nhớ bên ngoài. Vào giữa thập niên 80, kỹ thuật mạch tích hợp đã đạt trình độ cao dẫn đến nhiều thành phần có thể đưa vào một chip xử lý. Các bộ vi xử lý được gọi là các vi điều khiển và được chấp nhận rộng rãi. Với giá cả thấp, các vi điều khiển đã trở nên rất hấp dẫn để xây dựng các hệ thống chuyên dụng.

Đã có một sự bùng nổ về số lượng các hệ 10 thống nhúng trong tất cả các lĩnh vực thị trường và số các nhà đầu tư sản xuất theo hướng này. Ví dụ, rất nhiều chip xử lý đặc biệt xuất hiện với nhiều giao diện lập trình hơn là kiểu song song truyền thống để kết nối các vi xử lý. Vào cuối những năm 80, các hệ thống nhúng đã trở nên phổ biến trong hầu hết các thiết bị điện tử và khuynh hướng này vẫn còn tiếp tục cho đến nay. Cho đến nay, khái niệm hệ thống nhúng được nhiều người chấp nhận nhất là: hệ thống thực hiện một số chức năng đặc biệt có sử dụng vi xử lý.

Không có hệ thống nhúng nào chỉ có phần mềm.2 Cấu trúc chung của một hệ thống nhúng - Đơn vị xử lý trung tâm CPU - Xung nhịp và trạng thái tín hiệu - Bus địa chỉ, dữ liệu và điều khiển - Bộ nhớ - Ngoại vi - Giao diện 1.3 Cấu trúc phần mềm của hệ thống nhúng: - Vòng lặp kiểm soát đơn giản - Hệ thống ngắt điều khiển - Đa nhiệm tương tác - Đa nhiệm ưu tiên - Vi nhân (Microkernel) và nhân ngoại (Exokernel) - Nhân khối (monolithic kernels) 1. Tổng quan Arduino Arduino một nền tảng mã nguồn mở phần cứng và phần mềm.