Đồ án: Thiết kế & thi công hệ thống mở cửa RFID khách sạn dùng Arduino

Tải đồ án tốt nghiệp thiết kế hệ thống khóa cửa RFID khách sạn dùng Arduino. Báo cáo đầy đủ sơ đồ mạch, lưu đồ giải thuật và mã nguồn tham khảo.

• Tác giả: Nguyễn Văn Hoàng
• Người hướng dẫn: PGS.TS Nguyễn Thanh Hải
• Trường học: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử Truyền thông
• Đề tài: Thiết kế và Thi công Hệ thống Hỗ trợ Mở cửa Ứng dụng Công nghệ RFID tại Khách sạn dùng Arduino
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2021
• Địa điểm: Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Giới thiệu về Hệ thống Khóa Cửa RFID Khách Sạn bằng Arduino

Hệ thống khóa cửa RFID khách sạn là một giải pháp hiện đại trong lĩnh vực quản lý bảo mật và tiện nghi cho các cơ sở lưu trú. Dự án này được xây dựng trên nền tảng Arduino, một vi điều khiển mã nguồn mở phổ biến, kết hợp với công nghệ RFID RC522 để tạo ra một hệ thống mở cửa thông minh, an toàn và hiệu quả. Thay vì sử dụng chìa khóa truyền thống, khách sạn có thể cấp thẻ RFID cho khách hàng, từ đó quản lý quyền truy cập vào các phòng một cách linh hoạt. Hệ thống này không chỉ nâng cao trải nghiệm khách hàng mà còn giảm thiểu chi phí quản lý và bảo mật. Đồ án tốt nghiệp này trình bày quá trình thiết kế, thi công và lập trình chi tiết, giúp sinh viên và những người quan tâm có thể hiểu rõ về công nghệ này.

1.1. Ứng dụng của Arduino trong Hệ thống Khóa Cửa

Arduino Mega 2560 và Arduino Pro Mini đóng vai trò là trung tâm điều khiển chính của hệ thống. Arduino xử lý dữ liệu từ cảm biến RFID, quản lý logic mở/đóng cửa, giao tiếp với LCD để hiển thị thông tin, và điều khiển động cơ servo. Với khả năng lập trình linh hoạt, Arduino cho phép tùy chỉnh các chức năng theo nhu cầu cụ thể của khách sạn.

1.2. Công nghệ RFID RC522 trong Quản lý Truy cập

Module RFID RC522 là thiết bị đọc thẻ vô tuyến tần số 13.56 MHz, cho phép nhận dạng thẻ từ khoảng cách nhất định. Hệ thống lưu trữ mã UID (Unique ID) của các thẻ hợp lệ, so sánh với thẻ được quét để xác định quyền truy cập. Điều này đảm bảo chỉ những khách hàng được cấp phép mới có thể mở cửa phòng của mình.

II. Cấu trúc và Thiết kế Phần cứng của Hệ thống

Thiết kế phần cứng của hệ thống khóa cửa RFID bao gồm nhiều khối chức năng phối hợp với nhau. Khối vi điều khiển trung tâm (Arduino Pro Mini) là "bộ não" của hệ thống, nhận tín hiệu từ module RFID RC522 và xử lý logic. Khối truyền nhận dữ liệu sử dụng RFM69HCW để giao tiếp không dây giữa mạch chính và mạch điều khiển phòng. Khối hiển thị LCD 16x2 với giao tiếp I2C cung cấp thông tin theo thời gian thực cho người dùng. Khối điều khiển sử dụng động cơ servo SG90 để vận hành cơ cấu mở cửa. Ngoài ra, hệ thống có khối nguồn cấp điện ổn định 5V và 3.3V, đảm bảo hoạt động bền vững của các thành phần điện tử.

2.1. Module RFID RC522 và Giao tiếp SPI

Module RFID RC522 kết nối với Arduino thông qua giao tiếp SPI (Serial Peripheral Interface), bao gồm các chân CS, MOSI, MISO, SCK. Khoảng cách quét thẻ hiệu quả từ 5-10cm, có thể điều chỉnh tùy theo ứng dụng. Thẻ RFID chứa chip điều khiển viễn thông, lưu trữ mã UID duy nhất được sử dụng để xác thực danh tính khách hàng.

2.2. Động cơ Servo SG90 và Cơ cấu Mở Cửa

Động cơ servo SG90 là bộ điều khiển vị trí góc quay chính xác, có thể quay từ 0-180 độ. Khi Arduino gửi tín hiệu điều khiển, servo di chuyển để mở khóa điện, cho phép khách hàng vào phòng. Sau một thời gian quy định, servo tự động quay lại vị trí ban đầu để khóa cửa, đảm bảo an toàn liên tục.

III. Lập trình và Thuật toán Điều khiển Hệ thống

Lập trình hệ thống được thực hiện bằng ngôn ngữ C++ trong môi trường Arduino IDE, với các thư viện hỗ trợ đọc RFID, giao tiếp I2C với LCD, và điều khiển servo. Thuật toán chính bao gồm các bước: khởi tạo các module, đọc mã UID từ thẻ RFID được quét, so sánh với danh sách thẻ hợp lệ lưu trong bộ nhớ EEPROM. Nếu mã hợp lệ, Arduino phát lệnh kích hoạt servo mở khóa cửa và hiển thị thông tin trên LCD. Hệ thống cũng sử dụng giao tiếp RFM69HCW để truyền dữ liệu từ mạch chính đến các mạch điều khiển ở từng phòng, tạo nên một mạng lưới điều khiển phân tán. Toàn bộ quá trình được tối ưu hóa để giảm thiểu thời gian phản ứng và tiêu thụ năng lượng.

3.1. Lưu đồ Giải thuật Mạch Chính

Lưu đồ của mạch chính bắt đầu từ khởi tạo hệ thống, sau đó vào vòng lặp chính (main loop). Chương trình liên tục kiểm tra xem có thẻ RFID nào được quét hay không. Khi thẻ được phát hiện, hệ thống đọc mã UID, so sánh với cơ sở dữ liệu, và gửi lệnh điều khiển đến phòng tương ứng thông qua RFM69HCW.

3.2. Lưu đồ Giải thuật Mạch Điều khiển Phòng

Mạch điều khiển phòng chờ nhận lệnh từ mạch chính qua RFM69HCW. Khi nhận được lệnh mở cửa hợp lệ với mã phòng trùng khớp, servo được kích hoạt quay 90 độ để mở khóa. LCD hiển thị thông tin khách hàng và thời gian mở cửa. Sau 3-5 giây, servo tự động quay lại để đóng khóa, đồng thời ghi lại sự kiện vào nhật ký.

IV. Thi công Kiểm thử và Ứng dụng Thực tế

Thi công hệ thống bao gồm các bước: thiết kế và gia công bảng mạch PCB cho mạch chính và mạch điều khiển, lắp ráp các linh kiện điện tử, lập trình và nạp code vào Arduino, lắp đặt các module cảm biến, động cơ, LCD. Sau đó, tiến hành kiểm thử toàn diện để đảm bảo tất cả các chức năng hoạt động đúng. Kết quả kiểm thử cho thấy hệ thống hoạt động ổn định với thời gian phản ứng dưới 1 giây, tỷ lệ nhận dạng thẻ RFID đạt 99.8%. Ứng dụng thực tế tại các khách sạn đã chứng minh hiệu quả cao trong việc quản lý an ninh, giảm chi phí nhân công, và nâng cao trải nghiệm khách hàng. Hệ thống có thể mở rộng để kết nối với các hệ thống quản lý khác như thanh toán, điều hòa không khí, hay báo thức cuộc gọi.

4.1. Quá trình Thiết kế PCB và Lắp ráp

Sử dụng phần mềm EagleCAD hoặc Altium Designer để thiết kế sơ đồ mạch và bố trí PCB. Các linh kiện chính bao gồm Arduino Pro Mini, RFID RC522, RFM69HCW, servo SG90, LCD 16x2 I2C được lắp ráp cẩn thận. Sau khi焊接, tiến hành kiểm tra điện áp, điểm mất kết nối, và thử nghiệm từng khối chức năng riêng lẻ trước khi tích hợp.

4.2. Kiểm thử Chức năng và Tối ưu Hóa

Kiểm thử chức năng bao gồm: quét thẻ RFID lặp lại 1000 lần để kiểm tra độ tin cậy, đo thời gian phản ứng từ khi quét đến khi servo quay, kiểm tra giao tiếp I2C với LCD, đo dòng điện tiêu thụ. Dữ liệu kiểm thử được lưu lại và phân tích để tối ưu hóa code, giảm tiêu thụ năng lượng và nâng cao độ ổn định.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1. TỔNG QUAN Xây dựng sơ đồ khối, trình bày nguyên lý hoạt động của hệ thống. Thiết kế và lựa chọn linh kiện phù hợp cho từng khối. Xây dựng sơ đồ nguyên lý cho từng khối và toàn bộ hệ thống.

❖ Chương 4: Thi công hệ thống Thi công hàn linh kiện lên mạch, lắp ráp kiểm tra toàn bộ mạch. Xây dựng lưu đồ giải thuật, viết chương trình, thi công mô hình. ❖ Chương 5: Kết quả, nhận xét và đánh giá Trình bày những kết quả đạt được (cấu trúc mô hình, giao diện phần mềm). Sau đó đưa ra nhận xét tổng thể về đề tài cũng như những đánh giá dựa trên các mục tiêu đã đặt ra ban đầu.

❖ Chương 6: Kết luận và hướng phát triển Nêu ra ưu điểm và nhược điểm của hệ thống. Đưa ra những điểm cần cải thiện của đề tài, hướng phát triển và phạm vi sử dụng của đề tài trong tương lai gần. CƠ SỞ LÝ THUYẾT Chương 2.1 ỨNG DỤNG CỦA ARDUINO 2.1 Giới thiệu về Arduino Arduino là một board mạch vi xử lý dùng để lập trình xây dựng các ứng dụng tương tác với nhau hoặc với môi trường được thuận lợi hơn. Ưu điểm của Arduino là ngôn ngữ cực kì dễ học (giống C/C++), các ngoại vi trên bo mạch đều đã được chuẩn hóa, nên không cần biết nhiều về điện tử chúng ta cũng có thể lập trình được.

Phần cứng bao gồm một board mạch nguồn mở được thiết kế trên nền tảng vi xử lý AVR Atmel 8bit, hoặc ARM Atmel 32-bit. Những Model hiện tại được trang bị gồm 1 cổng giao tiếp USB, 6 chân đầu vào analog, 14 chân I/O kỹ thuật số tương thích với nhiều board mở rộng khác nhau. Hiện nay trên thị trường có rất nhiều phiên bản Arduino như Arduino Uno R3, Arduino Uno R3 CH340, Arduino Mega2560, Arduino Nano, Arduino Pro Mino, Arduino Lenadro, Arduino Industrial.2 Các đề tài liên quan ➢ Sử dụng Arduino Mega 2560 Hình 2.1: Hình ảnh Arduino Mega 2560 Đề tài đồ án tốt nghiệp: “Thiết kế và thi công mô hình khoá điện tử có giám sát từ xa sử dụng GSM và RFID” của Nguyễn Thành Dương [1] sử dụng board arduino mega 2560 làm khối điều khiển, mạch mở khóa bằng 2 lớp: mở khóa bằng thẻ từ RFID rồi mới mở khóa bằng phím ma trận 4x4. Mật khẩu đúng thì người dùng được quyền quản lý khóa: đổi mật khẩu thẻ, thêm thẻ mới, xóa thẻ, kích hoạt-tắt chế độ SMS trên LCD.

CƠ SỞ LÝ THUYẾT Có khối giám sát việc đóng, mở cửa dùng module sim900A với mục đích là giám sát và cảnh báo thông qua việc gửi tin nhắn và gọi điện. Có cảm biến PIR phát hiện vật thể lạ khi cửa khóa thì mô hình kích hoạt báo động bằng chuông, đèn led, gửi tin nhắn vào số điện thoại được cài đặt. Khi vào nhà thì có một nút nhấn điều khiển động cơ để khóa hay mở cửa.2: Hình ảnh mô hình khóa điện tử Đề tài: “Thi công mô hình hệ thống trồng hoa lan” của Nguyễn Quang Thạnh [9] cũng sử dụng Arduino Mega 2560 làm khối xử lý trung tâm có chức năng nhận dữ liệu từ các khối cảm biến mưa, cảm biến nhiệt độ và độ ẩm DHT11, cảm biến độ ẩm đất, cảm biến ánh sáng, Realtime, app điều khiển bằng Bluetooth để điều khiển các thiết bị qua module Relay và L298. Truyền dữ liệu cho khối hiển thị và Module ESP8266 để hiển thị thông tin và gửi lên Firebase.

Đề tài: “Ứng dụng xử lý ảnh điều khiển đèn giao thông tại nút giao thông” của Nguyễn Hoàn Hảo [10], sử dụng Arduino Mega 2560 làm khối điều khiển. Sau khi nhận được giá trị từ bộ xử lý ảnh thông qua chuẩn kết nối UART, khối điều khiển sẽ xử lý tính toán thời gian các đèn xanh, đỏ, vàng trên mỗi tuyến đường và cho hiển thị số giây lên khối hiển thị là led 7 đoạn. Người tham gia giao thông nhận thấy được tín hiệu đèn và tuân thủ, đồng thời sẽ là dữ liệu tiếp theo cho khối ảnh đầu vào. Camera ghi lại hình ảnh người tham gia giao thông và đưa qua khối xử lý ảnh để khối điều khiển tính toán chu kỳ tiếp theo.

➢ Sử dụng Arduino UNO R3 6 Chương 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT Hình 2.3: Hình ảnh Arduino Uno R3 Đề tài: “Thiết kế, thi công bãi giữ xe ứng dụng công nghệ RFID và xử lý ảnh” của Nguyễn Đăng Việt [3] sử dụng board Arduino Uno R3 làm khối xử lý trung tâm. Khi xe vào, hành khách được nhận thẻ và tự quẹt thẻ. Khối xử lý trung tâm nhận tín hiệu gửi về từ module RFID.

Camera sẽ chụp ảnh và gửi về máy tính để nhận dạng biển số. Servo mở để xe chạy vào. Khi xe ra, thẻ được quét, camera cũng sẽ chụp lại hình ảnh xe và biển số xe, dựa vào mã ID của thẻ mà so sánh, nếu đúng với biển số xe ban đầu thì servo mở cho xe ra. Còn nếu không trùng khớp hệ thống sẽ thông báo trên LCD “Không hợp lệ”.

Servo sẽ không mở. Việc quản lý xe ra, vào sẽ được lưu lại trên giao diện của máy tính gồm có hình ảnh camera ngõ ra và ngõ vào hoạt động liên tục, ảnh xe vào, ảnh xe ra, ảnh biển số xe sau khi đã xử lý, bảng thông tin xe của khách, ô hiển thị số lượng xe còn trong bãi, nút xem lịch sử xe trong ngày.4: Hình ảnh mô hình bãi giữ xe 7 Chương 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT Đề tài: “Thiết kế và thi công hệ thống quản lý mô hình HOMESTAY, AIRBNB” của Hoàng Bảo Phúc [11]. Dùng khối xử lý là Arduino Uno R3 nhận các thông tin từ ESP8266 và từ khối ngoại vi là các cảm biến vân tay, bàn phím ma trận; so sánh các thông tin để thực hiện mở cửa, hiển thị thông báo lên LCD đồng thời thu thập các thông tin khác gửi về ESP8266.

ESP8266 có nhiệm vụ giao tiếp (nhận dữ liệu và gửi dữ liệu) giữa khối xử lý và server. Đề tài: “Thiết kế và thi công mô hình xe robot dò tìm kim loại điều khiển bằng điện thoại” của Nguyễn Hữu Phước [12]. Sử dụng Arduino Uno R3 làm khối điều khiển trung tâm thu thập các tín hiệu từ khối cảm biến phát hiện kim loại và khối thu phát Wifi sau đó xử lí điều khiển khối công suất điều khiển động cơ. Khối thu phát wifi làm nhiệm vụ giao tiếp giữa khối điều khiển trung tâm và điện thoại, là cầu nối trung gian để nhận dữ liệu từ điện thoại sau đó gửi tới khối trung tâm để xử lí các hoạt đông điều khiển và nhận dữ liệu ngược lại từ khối trung tâm để hiện thị lên trên điện thoại.2 ỨNG DỤNG CỦA RFID 2.1 Giới thiệu về RFID RC522 Hình 2.5: Module RFID RC522 • Giới thiệu Công nghệ RFID (Radio Frequency Identification) là công nghệ nhận dạng đối tượng bằng sóng vô tuyến.

Công nghệ này cho phép nhận biết các đối tượng thông qua hệ thống thu phát sóng radio, từ đó có thể giám sát, quản lý hoặc lưu vết từng đối tượng. Có nhiều ưu điểm vượt trội so với công nghệ mã vạch. Công nghệ mã mạch (line of sight technology) chỉ cho phép nhận dạng đối tượng khi máy đọc cần phải đặt đối tượng ở khoảng cách gần. Trong khi đó, với công nghệ RFID có thể xác định đối tượng ở khoảng cách xa từ vài mét cho tới hàng chục mét trong không gian 3 chiều.

CƠ SỞ LÝ THUYẾT • Cấu tạo Một thiết bị hay một hệ thống RFID được cấu tạo bởi hai thành phần chính là thiết bị đọc (reader) và thiết bị phát mã RFID có gắn chip hay còn gọi là tag. Thiết bị đọc được gắn antenna để thu - phát sóng điện từ, thiết bị phát mã RFID tag được gắn với vật cần nhận dạng, mỗi thiết bi RFID tag chứa một mã số nhất định và không trùng lặp nhau.2 Các đề tài liên quan Đề tài: “Thiết kế và thi công hệ thống điểm danh nhân viên sử dụng vi điều khiển ARM” của Trần Thị Linh Đa [4] đã dùng khối điều khiển trung tâm là chip STM32F103VET6 là bộ não của hệ thống. Có màn hình điều khiển để chọn hình thức điểm danh dùng cả hai hình thức quẹt thẻ RFID và quét vân tay. Dữ liệu sẽ được lưu vào thẻ nhớ SD_card đồng thời đưa lên web server để dễ dàng quản lý.

Giao diện đơn giản, dễ sử dụng dành cho nhân viên và quản lý bằng cách đăng nhập vào trang Web. Website của hệ thống chỉ có người quản lý mới có thể đăng nhập, các chức năng trên website: Lưu trữ thời gian điểm danh của từng nhân viên; Thêm, xóa, xem danh sách thông tin nhân viên; Trích xuất dữ liệu điểm danh theo tên, ngày, tháng sang file excel. Nhân viên cũng có thể đăng nhập nhưng chỉ theo dõi được thông tin, giờ vào ra của mình.6: Hình ảnh mô hình điểm danh nhân viên Sử dụng board Arduino Uno R3 kết nối với RFID giúp cho việc quản lý trở nên dễ dàng hơn như đề tài: “Quản lý dữ liệu bệnh nhân trong bệnh viện sử dụng công nghệ 9 Chương 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT RFID” của Nguyễn Tài Tụ [14].

Khi đăng nhập vào hệ thống và quẹt thẻ RFID, mã thẻ sẽ được khối vi điều khiển gửi lên phần mềm máy tính đồng thời mã cũng sẽ hiện ra màn hình LCD, từ phần mềm máy tính sẽ lấy mã thẻ đó truy xuất lên cơ sở dữ liệu để lấy thông tin về hiển thị lên giao diện máy tính. Nếu có thông tin dữ liệu của thẻ trên database, hệ thống cho phép truy xuất những thông tin kèm theo của bệnh nhân như tên, tuổi, giới tính, năm sinh, hình ảnh, ngày vào, ngày ra và bệnh án. Bên cạnh đó, với mỗi lần thêm, sửa hoặc xóa thông tin của bệnh nhân thì hệ thống cũng sẽ cập nhật thông tin trên database. Ngoài Arduino hay ARM, RFID còn có thể kết nối được với PLC S7 – 1200 CPU 1214C DC/DC/DC để làm khối xử lý trung tâm như đề tài: “Thiết kế và thi công mô hình điều khiển, giám sát bãi giữ xe ô tô tự động” của Nguyễn Thanh Lộc [2].

Sử dụng laptop tích hợp sẵn những công cụ lập trình có nhiệm vụ thu nhận, xử lý, lưu trữ mã thẻ từ đầu đọc thẻ RFID. Khối đọc thẻ sử dụng Arduino Uno R3 và mạch đọc thẻ RFID RC522 để đọc mã thẻ từ các thẻ Tag, kết nối với máy tính qua cổng USB. Nhận dạng biển số từ hình chụp được bằng Camera sử dụng Webcam Colorvis ND60. PLC nhận tín hiệu từ máy tính và các tín hiệu ngõ vào để điều khiển động cơ giúp nâng và hạ để hoàn tất việc cất xe hoặc trả xe cho khách.

Còn có giao diện để tiện cho việc quản lý xe trong bãi.