Xây Dựng Hệ Thống Camera Giám Sát

Đồ án xây dựng hệ thống camera giám sát tại HCMUTE

• Tác giả: Trần Hoàng Gia
• Người hướng dẫn: ThS. Lê Minh
• Trường học: Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Công Nghệ Kỹ Thuật Máy Tính
• Đề tài: Xây Dựng Hệ Thống Camera Giám Sát
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2015
• Địa điểm: Tp. Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• TÓM TẮT
• ABSTRACT
• MỤC LỤC
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Giới thiệu tình hình nghiên cứu hiện nay
• 1.2. Tính cấp thiết của đề tài
• 1.3. Mục tiêu đề tài
• 1.4. Đối tượng nghiên cứu
• 1.5. Phạm vi nghiên cứu đề tài
• 1.6. Phương ph́ áp nghiên cứu
• 1.7. Bố cục của báo cáo
• 2. CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
• 2.1. Lịch sử hình thành
• 2.2. Đặc điểm
• 2.3. Phần cứng
• 2.4. Hệ điều hành và phần mềm
• 2.5. Ứng dụng
• 3. CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ PHẦN CỨNG
• 3.1. Mô hình hệ thống
• 3.2. Chức năng phần cứng
• 3.3. Sơ đồ khối và chức năng từng khối
• 3.4. Lựa chọn phần cứng
• 4. CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ PHẦN MỀM
• 4.1. Chương trình trên máy tính
• 4.1.1. Nhiệm vụ của chương trình
• 4.2. Chương trình trên kit
• 4.2.1. Nhiệm vụ chương trình
• 5. CHƯƠNG 5: KẾT QUẢ
• 5.2. Hoạt động của hệ thống
• 5.3. Ưu và nhược điểm của hệ thống
• 6. CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN
• 6.2. Hướng phát triển
• Phụ lục 1: Chương trình
• Phụ lục 2: Hướng dẫn sử dụng
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Hệ thống camera giám sát Tổng quan và mục tiêu

Đồ án tập trung vào việc xây dựng hệ thống camera giám sát, cụ thể là thiết kế và triển khai một hệ thống sử dụng hai camera có khả năng chụp ảnh, quay video và điều khiển góc quay. Mục tiêu chính là tạo ra một hệ thống đơn giản, hiệu quả, có thể áp dụng thực tiễn. Đồ án này phản ánh nhu cầu ngày càng tăng về giám sát an ninh trong các môi trường như trường học và công ty. Việc sử dụng camera giám sát giúp phòng ngừa xâm nhập trái phép và phát hiện hành vi đáng ngờ. Đồ án cũng nhấn mạnh tầm quan trọng của việc tích hợp camera vào một hệ thống camera giám sát trường học hiện đại và hiệu quả.

1.1 Camera giám sát HCMUTE Bối cảnh và ứng dụng

Đồ án này, mặc dù không trực tiếp liên quan đến hệ thống camera giám sát HCMUTE, nhưng cung cấp một mô hình có thể được áp dụng và mở rộng cho các hệ thống tương tự tại các trường đại học và cơ sở giáo dục khác. Việc triển khai hệ thống camera giám sát hiệu quả đòi hỏi sự hiểu biết sâu sắc về công nghệ camera, mạng máy tính và phần mềm điều khiển. Đồ án góp phần vào việc nghiên cứu và phát triển giải pháp giám sát an ninh trường học, nâng cao an toàn và bảo mật cho môi trường học tập. Các ứng dụng camera giám sát trong giáo dục không chỉ giới hạn ở việc đảm bảo an ninh mà còn có thể được mở rộng để hỗ trợ quản lý, giám sát học tập và nghiên cứu.

1.2 Đồ án camera giám sát Phương pháp và công nghệ

Đồ án sử dụng kit Raspberry Pi, động cơ servo, và webcam như các thành phần phần cứng chính. Phần mềm được viết bằng ngôn ngữ lập trình Python. Hệ thống được thiết kế để truyền dữ liệu hình ảnh qua mạng, cho phép điều khiển và giám sát từ xa. Vi xử lý trên kit Raspberry Pi xử lý dữ liệu từ camera, điều khiển động cơ servo để thay đổi góc quay, và truyền dữ liệu đến máy chủ. Mạng máy tính đóng vai trò quan trọng trong việc truyền tải dữ liệu hình ảnh giữa camera và máy chủ. Phần mềm camera giám sát được thiết kế để dễ sử dụng và thân thiện với người dùng.

II. Thiết kế hệ thống camera giám sát Phần cứng và phần mềm

Phần này tập trung vào chi tiết thiết kế của hệ thống camera giám sát. Phần cứng bao gồm hai camera, kit Raspberry Pi, động cơ servo, và các thiết bị kết nối mạng. Phần mềm bao gồm chương trình điều khiển trên máy tính và chương trình nhúng trên kit Raspberry Pi. Thiết kế phần cứng đảm bảo khả năng hoạt động ổn định và hiệu quả của hệ thống. Thiết kế phần mềm chú trọng đến tính dễ sử dụng, khả năng tương tác và khả năng xử lý dữ liệu hiệu quả. Đồ án đề cập đến việc lựa chọn thiết bị camera giám sát phù hợp, cấu hình mạng và giao thức truyền thông.

2.1 Thiết kế phần cứng Lựa chọn và cấu hình

Việc lựa chọn thiết bị camera giám sát là rất quan trọng. Đồ án sử dụng webcam do tính khả dụng và giá thành hợp lý. Kit Raspberry Pi được chọn vì tính nhỏ gọn, khả năng xử lý và chi phí thấp. Động cơ servo được sử dụng để điều khiển góc quay của camera. Mạch điện được thiết kế đảm bảo sự an toàn và hoạt động ổn định của toàn bộ hệ thống. Các thông số kỹ thuật của từng thiết bị được nêu rõ để đảm bảo tính minh bạch và khả năng tái tạo của đồ án. Việc chọn lựa các linh kiện thiết bị camera giám sát chất lượng cao góp phần vào chất lượng tổng thể của hệ thống.

2.2 Thiết kế phần mềm Giao diện và chức năng

Phần mềm được thiết kế với giao diện người dùng thân thiện, dễ sử dụng. Người dùng có thể dễ dàng điều khiển camera, chụp ảnh, quay video và xem lại các đoạn video đã lưu. Lập trình camera giám sát được thực hiện bằng ngôn ngữ Python, nổi tiếng về tính dễ đọc và khả năng tích hợp với các thư viện khác nhau. Phần mềm được thiết kế để hoạt động ổn định và hiệu quả, đảm bảo chất lượng hình ảnh và video. Cấu hình phần mềm camera giám sát được tối ưu để phù hợp với cấu hình phần cứng. Bảo trì camera giám sát cũng là một phần quan trọng được đề cập đến trong đồ án.

III. Kết quả và đánh giá Hiệu quả và ứng dụng thực tiễn

Phần này trình bày kết quả hoạt động của hệ thống camera giám sát đã được xây dựng. Các chức năng chính của hệ thống, bao gồm chụp ảnh, quay video, điều khiển góc quay, đều hoạt động tốt. Đồ án đánh giá hiệu quả của hệ thống dựa trên các tiêu chí về chất lượng hình ảnh, độ ổn định và khả năng sử dụng. Đồ án tốt nghiệp HCMUTE này cho thấy khả năng áp dụng thực tiễn của hệ thống trong việc giám sát an ninh. Các hạn chế và hướng cải tiến cho hệ thống cũng được đề cập đến. Chi phí hệ thống camera giám sát được tính toán để đánh giá tính kinh tế của giải pháp.

3.1 Đánh giá hiệu quả Ưu điểm và nhược điểm

Hệ thống cho thấy hiệu quả tốt trong việc giám sát. Ưu điểm chính là tính đơn giản, dễ sử dụng và chi phí thấp. Tuy nhiên, hệ thống còn một số hạn chế, chẳng hạn như phạm vi giám sát bị giới hạn và khả năng xử lý đồng thời nhiều camera còn chưa được tối ưu. Phân tích dữ liệu camera giám sát cần được cải thiện để tăng hiệu quả giám sát. An toàn thông tin camera giám sát cũng cần được chú trọng hơn nữa trong các phiên bản phát triển sau. Báo cáo đồ án camera giám sát này cũng cung cấp các giải pháp để khắc phục những nhược điểm này.

3.2 Ứng dụng thực tiễn Khả năng mở rộng và phát triển

Hệ thống có tiềm năng ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực, đặc biệt là giám sát an ninh trong các trường học, công ty, hoặc gia đình. Hệ thống có thể được mở rộng để tích hợp nhiều camera hơn, tích hợp các tính năng thông minh như phát hiện chuyển động và nhận diện khuôn mặt. Việc sử dụng IP camera hoặc analog camera là tùy chọn cần xem xét dựa trên ngân sách và nhu cầu cụ thể. Hệ thống camera giám sát không dây hoặc hệ thống camera giám sát có dây đều có thể được xây dựng dựa trên nền tảng của đồ án. Đại học công nghệ TP. Hồ Chí Minh (HCMUTE) và các cơ sở giáo dục khác có thể tận dụng đồ án này để cải tiến hệ thống an ninh của mình.

Nội dung chính

Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Lý do chọn đề tài và bối cảnh thực tiễn

Trong bối cảnh phát triển của khoa học và công nghệ, việc tự động hóa giám sát và quản lý đang dần thay thế lao động thủ công trong nhiều lĩnh vực sản xuất và đời sống. Lịch sử phát triển của các hệ thống camera giám sát đã trải qua ba thế hệ:

• Thế hệ thứ nhất: Sử dụng camera tương tự (CCTV), tín hiệu hình ảnh được truyền trực tiếp về trung tâm và xuất ra màn hình hoặc lưu trữ bằng băng từ.
• Thế hệ thứ hai: Xuất hiện các thiết bị số tại trung tâm, cho phép phân tích và xử lý dữ liệu hình ảnh tự động theo thời gian thực để đưa ra các cảnh báo.
• Thế hệ thứ ba: Thế hệ mạng giám sát kỹ thuật số hiện đại, thay thế hoàn toàn camera tương tự bằng camera số, truyền tải dòng video đã qua nén thông qua hạ tầng mạng IP (Ethernet hoặc Wireless LAN).

Xu hướng hiện nay tập trung vào các hệ thống camera linh hoạt, có khả năng kết nối và điều khiển từ xa qua mạng máy tính, tích hợp cảm biến và hỗ trợ quản lý tập trung. Xuất phát từ nhu cầu bảo đảm an ninh tại các trường học và doanh nghiệp với chi phí thấp, nhóm tác giả đã thực hiện đề tài nhằm xây dựng một mô hình camera giám sát truyền dữ liệu qua môi trường mạng máy tính, kết nối đồng thời nhiều thiết bị ghi hình về máy chủ trung tâm.

Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu

Đề tài xác định 5 mục tiêu kỹ thuật cụ thể:

1. Thiết lập kết nối đồng thời 2 camera về máy chủ.
2. Xử lý tập trung luồng dữ liệu hình ảnh từ các camera trên một máy tính điều khiển.
3. Thực hiện chức năng chụp ảnh tĩnh và ghi video trực tiếp từ các camera tại giao diện máy chủ.
4. Điều khiển góc quay cơ khí cho các camera từ giao diện phần mềm máy chủ.
5. Xây dựng giao thức và cơ chế truyền thông giữa các camera và máy chủ qua môi trường mạng mạng cục bộ (LAN/IP).

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

• Đối tượng nghiên cứu: Nguyên lý hoạt động và phương thức truyền thông của hệ thống camera giám sát kỹ thuật số; cơ chế điều khiển phần cứng ngoại vi và truyền nhận hình ảnh qua giao thức mạng.
• Phạm vi nghiên cứu:
  • Đề tài dừng lại ở quy mô mô hình thực nghiệm phục vụ học tập và nghiên cứu trong ngành Công nghệ Kỹ thuật Máy tính.
  • Cấu hình hệ thống giới hạn ở 02 camera chuẩn giao tiếp USB kết nối qua kit nhúng Raspberry Pi.
  • Góc quay cơ khí của camera được giới hạn trong phạm vi $0^\circ - 180^\circ$.
  • Môi trường truyền dẫn dữ liệu thử nghiệm trong mạng nội bộ thông qua giao thức TCP/IP.
  • Thời gian thực hiện: Từ ngày 18/03/2015 đến ngày 20/07/2015.

---

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khung lý thuyết và công nghệ sử dụng

Nghiên cứu xây dựng trên nền tảng các lý thuyết kỹ thuật máy tính và mạng truyền thông:

• Hệ thống máy tính đơn bo (Single Board Computer - SBC): Khảo sát cấu trúc vi xử lý tích hợp trên một vi mạch (System on Chip - SoC), tiêu biểu là Broadcom BCM2835 trên nền tảng kiến trúc vi xử lý ARM.
• Hệ điều hành nhúng: Nhân Linux và hệ điều hành chuyên dụng Raspbian (tối ưu hóa trên nền Debian) dành cho kit Raspberry Pi.
• Lý thuyết điều khiển động cơ Servo: Cơ chế hồi tiếp vòng kín sử dụng biến trở (vôn kế bên trong) để xác định vị trí trục quay. Kỹ thuật điều chế độ rộng xung (PWM - Pulse Width Modulation) với tần số 50 Hz (chu kỳ 20 ms), độ rộng xung biến đổi từ 1 ms đến 2 ms để xác định góc quay từ $0^\circ$ đến $180^\circ$.
• Kỹ thuật thu nhận hình ảnh và cảm biến: Phân loại camera theo công nghệ cảm biến (CCD - Charge-Coupled Device và CMOS - Complementary Metal-Oxide-Semiconductor) và phương thức truyền dẫn (camera có dây cáp đồng trục, camera không dây vô tuyến RF, và IP Camera).
• Mạng máy tính và mô hình Client-Server: Mô hình truyền thông khách - chủ qua tầng giao vận, cấu trúc địa chỉ IP, cổng ứng dụng (Port) và giao thức TCP (Transmission Control Protocol) với quy trình bắt tay 3 bước (SYN, SYN-ACK, ACK) để bảo đảm tính toàn vẹn dữ liệu.

Phương pháp nghiên cứu

Tác giả kết hợp hai nhóm phương pháp chính:

1. Phương pháp tham khảo tài liệu: Tổng hợp lý thuyết từ sách chuyên ngành, tài liệu hướng dẫn kỹ thuật điện tử, hệ điều hành Linux, tài liệu mạng máy tính và các mã nguồn mở trực tuyến.
2. Phương pháp thực nghiệm và kiểm tra: Lắp ráp mô hình phần cứng gồm kit nhúng, động cơ và webcam; lập trình phần mềm truyền nhận dữ liệu; đo đạc và hiệu chỉnh các thông số góc quay, tốc độ đáp ứng và độ ổn định của hệ thống.

Nguồn dữ liệu

Dữ liệu nghiên cứu thu thập trực tiếp từ quá trình đo kiểm thực nghiệm mô hình phần cứng tại phòng thí nghiệm, dữ liệu gói tin truyền nhận qua cổng mạng và các tập tin hình ảnh/video ghi nhận từ webcam A4-TECH PK635E.

---

Thiết kế và triển khai hệ thống

Kiến trúc phần cứng và lựa chọn linh kiện

Hệ thống phần cứng được chia làm ba khối chức năng:

• Khối xử lý trung tâm (Kit Raspberry Pi): Tiếp nhận dữ liệu video từ webcam, đóng gói và gửi qua mạng đến máy tính; đồng thời nhận lệnh điều khiển từ máy tính để điều khiển khối ngoại vi.
• Khối giao tiếp ngoại vi: Gồm webcam thu nhận tín hiệu hình ảnh qua chuẩn USB 2.0 và động cơ servo điều khiển hướng quay.
• Khối giao tiếp máy tính: Máy tính trung tâm đóng vai trò máy khách/máy chủ tiếp nhận và hiển thị hình ảnh, điều khiển thiết bị qua cổng Ethernet.

Thành phần phần cứng	Model / Thông số kỹ thuật	Vai trò trong hệ thống
Bo mạch xử lý	Raspberry Pi Model B+ (SoC Broadcom BCM2835, ARM11 700 MHz, 512 MB RAM, 4 cổng USB, 40 chân GPIO)	Xử lý hình ảnh, phát luồng mạng và tạo tín hiệu điều khiển
Cảm biến hình ảnh	Webcam A4-TECH PK635E (Cảm biến 1/6” CMOS, độ phân giải 640x480, chuẩn giao tiếp USB 2.0)	Thu nhận hình ảnh thời gian thực
Cơ cấu chấp hành	Động cơ Servo SG90 (Trọng lượng 9g, tốc độ vận hành 0.1s/60°, góc quay $0^\circ - 180^\circ$)	Xoay góc quan sát của camera
Mạch điều khiển đệm	Module mạch cầu H	Cấp nguồn độc lập cho servo, điều khiển đóng/ngắt nguồn qua GPIO để khử nhiễu và chống rung

+-------------------------------------------------------------+
|                      MÁY TÍNH TRUNG TÂM                     |
|  - Giao diện điều khiển (GUI Python)                        |
|  - Giải mã hình ảnh, hiển thị luồng dữ liệu                 |
|  - Ghi video, chụp ảnh và gửi lệnh xoay góc                 |
+------------------------------+------------------------------+
                               | (TCP/IP qua mạng LAN)
                               v
+-------------------------------------------------------------+
|                  KIT XỬ LÝ RASPBERRY PI                     |
|  - Bộ xử lý SoC Broadcom BCM2835 (ARM11, 700 MHz)           |
|  - Tiến trình 1: Đọc Webcam & truyền chuỗi dữ liệu ảnh       |
|  - Tiến trình 2: Lắng nghe lệnh & tạo xung PWM qua GPIO     |
+---------------+-----------------------------+---------------+
                | (USB 2.0)                   | (GPIO)
                v                             v
+-------------------------------+   +-------------------------+
|      Webcam A4-TECH PK635E    |   |     Module Mạch Cầu H   |
|   (Cảm biến CMOS 640x480)     |   +------------+------------+
+-------------------------------+                | (Nguồn & Xung)
                                                 v
                                    +-------------------------+
                                    |     Động cơ Servo SG90  |
                                    |   (Xoay góc 0 - 180 độ) |
                                    +-------------------------+

Kiến trúc phần mềm và lưu đồ giải thuật

Hệ thống phần mềm được xây dựng bằng ngôn ngữ lập trình Python, bao gồm hai chương trình độc lập hoạt động theo kiến trúc Socket TCP:

1. Chương trình trên Kit Raspberry Pi (Server):

   • Luồng dữ liệu hình ảnh: Khởi tạo kết nối mạng, đọc tín hiệu từ webcam, mã hóa khung hình thành dạng chuỗi dữ liệu (string/bytes) và truyền liên tục tới địa chỉ IP của máy tính đã kết nối.
   • Luồng điều khiển động cơ: Lắng nghe lệnh trên cổng điều khiển riêng biệt; khi nhận được chuỗi tín hiệu, tiến hành giải mã, kích hoạt mạch cầu H và xuất xung PWM tương ứng ra chân GPIO để xoay servo tới vị trí chỉ định.

2. Chương trình trên Máy tính (Client/Master GUI):

   • Khởi tạo kết nối socket đến địa chỉ IP và cổng của từng kit Raspberry Pi.
   • Tiếp nhận chuỗi dữ liệu liên tục, giải mã ngược lại thành tệp hình ảnh để hiển thị trực tiếp lên giao diện người dùng.
   • Hỗ trợ các chức năng chụp ảnh (lưu tệp ảnh tĩnh) và quay video (ghi nhận chuỗi khung hình liên tiếp).
   • Giải pháp quản lý luồng: Để tránh xung đột khi giao tiếp cùng lúc với hai tiến trình ngoại vi trên kit, chương trình máy tính áp dụng cơ chế hoạt động tương tự ngắt: khi người dùng kích hoạt lệnh điều khiển góc quay, luồng nhận dữ liệu hình ảnh tạm dừng trong tích tắc để gửi chuỗi lệnh điều khiển góc, sau đó lập tức kết nối lại để tiếp tục duy trì luồng hình ảnh.

---

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan

Chương này phân tích bối cảnh phát triển của kỹ thuật camera giám sát từ thế hệ analog (CCTV) đến camera IP kỹ thuật số. Nội dung nêu rõ sự cần thiết của việc xây dựng hệ thống giám sát tự động hóa có thể quản lý từ xa. Tác giả xác định rõ mục tiêu thiết kế mô hình 2 camera giao tiếp máy tính qua mạng, xác lập đối tượng nghiên cứu trong phạm vi an ninh/giám sát, phương pháp tham khảo tài liệu và thực nghiệm kiểm tra.

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Chương 2 trình bày chi tiết về cấu trúc phần cứng và lý thuyết vận hành:

• Kit Raspberry Pi: Khảo sát kiến trúc SoC Broadcom BCM2835, đối chiếu thông số phần cứng giữa bản Model B+ (được sử dụng) và bản Pi 2.
• Động cơ Servo: Phân tích cấu tạo 10 bộ phận, nguyên lý hồi tiếp góc thông qua vôn kế nội suy, kỹ thuật cấp xung PWM 50 Hz (xung $1 - 2\text{ ms}$) và các yếu tố giới hạn góc quay từ $90^\circ$ đến $180^\circ$.
• Camera: Trình bày cấu tạo quang học/điện tử, so sánh cảm biến CCD và CMOS, phân loại đường truyền (có dây, không dây RF và IP).
• Mạng máy tính & Giao thức: Phân tích các đồ hình mạng (sao, tuyến tính, vòng), mô hình Client-Server và chi tiết cấu trúc gói tin TCP (Source/Destination Port, Sequence/Ack Number, Data Offset, Flags, Checksum).

Chương 3: Thiết kế phần cứng

Nội dung chương tập trung vào việc hiện thực hóa sơ đồ khối hệ thống:

• Phân tích chức năng ba khối: Xử lý trung tâm, giao tiếp ngoại vi và giao tiếp máy tính.
• Lựa chọn linh kiện thực tế: Webcam A4-TECH PK635E (giao tiếp USB), Servo SG90 (9g, quay $0^\circ - 180^\circ$).
• Xử lý vấn đề sụt áp và nhiễu: Nhận định chân GPIO của Raspberry Pi không đủ dòng điện để nuôi trực tiếp servo và việc duy trì xung liên tục gây hiện tượng rung giật, tác giả đã tích hợp module mạch cầu H trung gian để cấp nguồn có điều khiển cho servo.

Chương 4: Thiết kế phần mềm

Chương này mô tả chi tiết giải thuật phần mềm viết bằng Python:

• Thiết kế giao diện máy tính với các khối chức năng kết nối socket, hiển thị 2 khung hình, nút chụp ảnh, ghi hình và các nút điều khiển góc quay.
• Thiết kế hai chương trình chạy ngầm trên Raspberry Pi để phân tách tiến trình truyền video và nhận lệnh điều khiển.
• Xây dựng lưu đồ giải thuật cho quá trình bắt tay kết nối, đóng gói dữ liệu hình ảnh dạng chuỗi và giải thuật điều khiển đồng bộ luồng.

Chương 5: Kết quả

Chương 5 ghi nhận kết quả vận hành thực tế của mô hình:

• Chế tạo thành công mô hình phần cứng hoàn chỉnh gồm 2 cụm camera xoay gắn kèm kit nhúng.
• Kiểm thử các chế độ hoạt động: Chế độ quan sát bình thường, chế độ ghi hình video, chế độ chụp ảnh và chế độ kết nối đồng thời cả hai camera về cùng giao diện máy tính.
• Đánh giá các ưu điểm và hạn chế trong quá trình vận hành thực tế.

Chương 6: Kết luận và hướng phát triển

Tổng kết mức độ hoàn thành so với mục tiêu đề ra ban đầu, khẳng định khả năng ứng dụng thực nghiệm của mô hình và đề xuất các hướng nâng cấp hệ thống trong tương lai.

---

Kết quả và đóng góp

Kết quả chính

• Vận hành hệ thống: Xây dựng thành công hệ thống giám sát 2 camera hoạt động đồng thời, truyền tải dữ liệu hình ảnh trực tiếp về giao diện điều khiển trung tâm trên máy tính thông qua mạng LAN.
• Chức năng điều khiển: Máy chủ thực hiện trơn tru các thao tác chụp ảnh tĩnh, lưu trữ tệp video và điều khiển góc quay servo từ $0^\circ$ đến $180^\circ$ theo thời gian thực.
• Giao diện quản trị: Hiển thị song song hai khung hình video của 2 camera trên cùng một giao diện phần mềm, cho phép chuyển đổi linh hoạt giữa chế độ xem trực tiếp và ghi hình.

Giải pháp kỹ thuật tác giả đề xuất

• Khắc phục hiện tượng rung nhiễu ở Servo: Trong quá trình thử nghiệm, việc cấp xung định vị liên tục khiến động cơ SG90 bị nhiễu xung, dẫn đến rung giật liên tục và làm nhòe hình ảnh camera. Tác giả đã đề xuất và áp dụng giải pháp: Chỉ cấp nguồn và xung điều khiển thông qua module mạch cầu H khi có lệnh xoay góc từ máy tính, sau đó ngắt nguồn cấp cho động cơ khi đã đạt góc quay.
• Phân tách và điều phối tiến trình: Tách riêng cổng mạng điều khiển cơ cấu quay và cổng truyền luồng video; sử dụng cơ chế tạm ngắt luồng nhận ảnh trong thời gian ngắn để ưu tiên gửi lệnh xoay góc, giúp tránh xung đột socket trên đường truyền.

Đóng góp của đề tài

• Hiện thực hóa thành công một mô hình IP Camera chi phí thấp sử dụng linh kiện phần cứng nguồn mở (Raspberry Pi, Webcam USB, Servo mini) và ngôn ngữ lập trình Python.
• Cung cấp tài liệu thiết kế chi tiết từ sơ đồ khối phần cứng, mạch điều khiển đệm đến mã nguồn phần mềm truyền nhận dữ liệu qua socket mạng cho sinh viên ngành kỹ thuật máy tính tham khảo.

---

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của hệ thống

• Độ trễ truyền dẫn: Do sử dụng giao thức truyền thông TCP với cơ chế bắt tay 3 bước và kiểm tra lỗi/truyền lại gói tin, tốc độ truyền nhận dữ liệu hình ảnh còn có độ trễ nhất định so với thời gian thực tuyệt đối.
• Quy mô hệ thống: Đồ án mới chỉ thử nghiệm kết nối ở quy mô 02 camera trong phạm vi mạng cục bộ (LAN), chưa triển khai thử nghiệm trên diện rộng qua mạng diện rộng (WAN/Internet).
• Tính năng phân tích thông minh: Hệ thống mới dừng lại ở việc hiển thị, chụp hình, lưu video và xoay góc cơ bản; chưa tích hợp các thuật toán xử lý ảnh thông minh như nhận diện khuôn mặt, phát hiện chuyển động tự động hay cảnh báo xâm nhập.

Hướng nghiên cứu và phát triển tiếp theo

• Nâng cấp phần cứng máy chủ và tối ưu hóa thuật toán nén/truyền dữ liệu để giảm độ trễ luồng video.
• Tích hợp thêm các cảm biến cảnh báo môi trường (cảm biến chuyển động, báo khói, báo gas) để phát triển thành camera an ninh thông minh.
• Phát triển tính năng truy cập và điều khiển hệ thống camera từ xa thông qua ứng dụng trên thiết bị di động hoặc giao diện nền tảng web.

---

Giá trị tham khảo

Đối tượng phù hợp

• Sinh viên ngành Kỹ thuật Máy tính, Điện tử - Viễn thông, Công nghệ Thông tin, IoT: Tài liệu học tập và nghiên cứu mẫu cho các đồ án môn học về Hệ thống nhúng, Lập trình mạng (Network Programming), và Thiết kế hệ thống nhúng với Linux/Raspberry Pi.
• Người nghiên cứu các dự án tự làm (DIY): Tài liệu hướng dẫn thực tế về cách điều khiển ngoại vi (Servo, Camera) và ghép nối truyền thông mạng bằng Python.

Các nội dung có giá trị tham khảo nổi bật

• Quy trình phân tích và thiết kế hệ thống giao tiếp Client-Server qua Socket TCP bằng ngôn ngữ Python (Phụ lục 1 và Chương 4).
• Giải pháp phần cứng sử dụng module mạch cầu H để xử lý dòng và triệt tiêu rung nhiễu cho động cơ servo điều khiển bằng xung PWM (Chương 3).
• Cẩm nang so sánh phần cứng vi xử lý SoC Broadcom BCM2835 và ARMv7 trên Raspberry Pi (Chương 2).

---

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao hệ thống phải dùng thêm module mạch cầu H mà không điều khiển trực tiếp động cơ servo từ chân GPIO của Raspberry Pi?

Chân GPIO của kit Raspberry Pi chỉ xuất tín hiệu logic mức cao và không cung cấp đủ dòng điện để vận hành trực tiếp động cơ servo SG90. Ngoài ra, việc cấp xung điều khiển liên tục dễ làm servo bị nhiễu và rung lắc. Mạch cầu H đóng vai trò là mạch đệm công suất trung gian, cho phép Raspberry Pi điều khiển đóng/ngắt nguồn cung cấp cho servo, chỉ cấp điện khi thực hiện lệnh quay để giữ camera ổn định.

2. Giao thức truyền dữ liệu giữa Camera (Raspberry Pi) và Máy tính trung tâm là gì?

Hệ thống sử dụng giao thức TCP (Transmission Control Protocol) trên nền mạng IP. Giao thức này bảo đảm truyền dữ liệu không lỗi, đúng thứ tự gói tin và loại bỏ dữ liệu trùng lặp nhờ cơ chế bắt tay ba bước (Three-way handshake) và tin báo nhận ACK.

3. Chương trình máy tính giải quyết vấn đề điều khiển đồng thời việc nhận hình ảnh và gửi lệnh xoay góc như thế nào?

Do việc nhận dữ liệu hình ảnh diễn ra liên tục theo dạng vòng lặp, mỗi khi người dùng nhấn nút điều khiển góc quay, chương trình máy tính sẽ tạm thời ngắt tiến trình nhận luồng ảnh trong một khoảng thời gian ngắn để gửi chuỗi lệnh điều khiển vị trí đến kit, sau đó tự động tái kết nối lại luồng nhận ảnh ngay khi lệnh gửi hoàn tất.

4. Phần cứng camera được sử dụng trong khóa luận có thông số kỹ thuật ra sao?

Khóa luận sử dụng webcam rời A4-TECH PK635E, kết nối qua cổng USB 2.0 của Raspberry Pi. Webcam trang bị cảm biến $1/6\text{ inch}$ CMOS, độ phân giải hình ảnh $640\times 480\text{ pixels}$, tốc độ khung hình lý thuyết 30 fps tại các độ phân giải $160\times 120$, $320\times 240$ và $640\times 480$, góc nhìn quang học đạt $60^\circ$.

---

Kết luận

Khóa luận tốt nghiệp "Xây dựng hệ thống Camera giám sát" của sinh viên Trần Hoàng Gia và Nguyễn Vũ Thái Hoàng đã hoàn thành trọn vẹn mục tiêu thiết kế và chế tạo mô hình giám sát 2 camera kỹ thuật số trên nền tảng Raspberry Pi và Python. Hệ thống đáp ứng tốt các yêu cầu chức năng về truyền luồng hình ảnh tập trung, chụp ảnh tĩnh, lưu trữ video và điều khiển xoay góc cơ khí từ xa qua mạng nội bộ. Công trình là tài liệu tham khảo kỹ thuật hữu ích về phương pháp tích hợp phần cứng máy tính đơn bo với lập trình mạng truyền thông socket phục vụ cho công tác nghiên cứu, đào tạo trong lĩnh vực kỹ thuật máy tính.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1 Tổng quan Chương này sẽ giới thiệu tổng quan về tính cấp thiết của đề tài cũng như tính ứng dụng trong thực tế. Đồng thời chỉ ra các phương pháp được dùng trong việc nghiên cứu đề tài.  Chương 2 Cơ sở lý thuyết Nội dung, lý thuyết các đặc điểm cấu tạo của từng thiết bị được sử dụng trong đề tài sẽ được trình bày ở chương này.  Chương 3 Thiết kế phần cứng Chương này sẽ trình bày mô hình, các chức năng của hệ thống, qua đó đánh giá lựa chọn các thiết bị phù hợp cho việc thi công đề tài.

 Chương 4 Thiết kế phần mềm Các đặc điểm hoạt động của hệ thống sẽ được dùng làm tiền đề trong việc thiết kế phần mềm thực hiện hiện các chức năng phù hợp với những mục tiêu đã đặt ra.  Chương 5 Kết quả Chương này chỉ rõ những kết quả đã đạt được, đưa ra những nhận xét về ưu và nhược điểm của hệ thống.  Chương 6 Kết luận và hướng phát triển Các kết quả hoạt động của hệ thống được tổng kết lại ở chương này, đồng thời đưa ra những hướng phát triển cho đề tài. 3 do an Chương 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Lịch sử hình thành Raspberry Pi là một máy tính đơn khối có kích thước nhỏ gọn được phát triển bởi Quỹ Raspberry Pi - Là tổ chức phi lợi nhuận với tiêu chí xây dựng hệ thống mà nhiều người có thể sử dụng được trong những công việc tùy biến khác nhau - với mục tiêu khuyến khích việc học tập khoa học máy tính trong trường học.

Raspberry Pi được bắt đầu phát triển từ 2006, bản concept sớm nhất dựa trên vi điều khiển AVR Atmel ATmega644. Còn phiên bản sử dụng chip ARM đầu tiên có hình dạng như một chiếc USB với cổng USB ở một đầu và HDMI ở đầu kia. Raspberry Pi sản xuất bởi 3 OEM: Sony, Qsida, Egoman. Và được phân phối chính bởi Element14, RS Components và Egoman.

Nhiệm vụ ban đầu của dự án Raspberry Pi là tạo ra máy tính rẻ tiền có khả năng lập trình cho những sinh viên, nhưng Pi đã được sự quan tâm từ nhiều đối tượng khác nhau.2 Đặc điểm Đặc tính của Raspberry Pi xây dựng xoay quanh bộ xử lí SoC Broadcom BCM2835 (là chip xử lí mobile mạnh mẽ có kích thước nhỏ hay được dùng trong điện thoại di động ) bao gồm CPU, GPU, bộ xử lí âm thanh /video, và các tính năng khác, tất cả được tích hợp bên trong chip có điện năng thấp này. Raspberry Pi không thay thế hoàn toàn hệ thống để bàn hoặc máy xách tay Raspberry Pi không thể chạy Windows trên đó vì BCM2835 dựa trên cấu trúc ARM nên không hỗ trợ mã x86/x64, nhưng vẫn có thể chạy bằng Linux với các tiện ích như lướt web, môi trường Desktop và các nhiệm vụ khác. Tuy nhiên Raspberry Pi là một thiết bị đa năng đáng ngạc nhiên với nhiều phần cứng có giá thành rẻ nhưng rất hoàn hảo cho những hệ thống điện tử, những dự án DIY thiết lập hệ thống tính toán rẻ tiền cho những bài học trải nghiệm lập trình.3 Phần cứng Raspberry pi hiện nay có nhiều phiên phản khác nhau như model A, model B, model B+, pi 2, Computer module. Nhưng chúng đều được phát triển dựa trên nền tảng bộ xử lí SoC Broadcom BCM2835.

Tuy nhiên, so với các model đời trước thì phiên bản Raspberry Pi 2 có một sự thay đổi đáng kể với bộ xử lý ARMv7 nên có thể chạy đầy đủ các bản hệ điều hành GNU ARM/Linux, bao gồm Snappy Ubuntu Core, cũng như Microsoft Window 10. Đó là điều mà bộ xử lý Broadcom BCM2835 không thể thực hiện được. 1 So sánh cấu hình của Raspberry model B+ và Pi Model B+ Model Pi 2 SoC Broadcom BCM2835 ARMv7 CPU 700 MHz ARM1176JZF-S core (họ Quad core 900MHZ- ARM11) ARM Cortex-A7 GPU Broadcom VideoCore IV, OpenGL ES 2.0, MPEG-2 và VC-1 1080p30 h.264/MPEG-4 AVC SDRAM 512MB 1GB Cổng 4 cổng USB 2.0 Ngõ ra Hỗn hợp RCA, HDMI(rev 1.4), xuất ra LCD thông qua DSI Video 14 HDMI độ phân giải từ 640x350 đến 1920x1200 điều chỉnh theo chuẩn PAL và NTSC Ngõ ra Xuất ra ngõ 3.5 mm, HDMI Audio Bộ nhớ Khe cắm SD lưu trữ Kết nối 10/100Mbps Ethernet (RJ45) mạng Ngoại vi 8 x GPIO, UART, I2C, SPI với 2 chip lựa chọn, +3.3V, +5V, Mass cấp thấp 5 do an Nguồn 5V qua cổng MicroUSB hoặc qua chân GPIO cấp Kích 85.98mm thước Trọng 45g lượng Với cấu tạo như trên có thể thấy Kit Raspberry hoạt động như một máy tính cỡ nhỏ, rất phù hợp cho việc nghiên cứu các dự án và phục vụ tốt cho việc học tập, tìm tòi. Bộ xử lý SoC là thành phần quan trọng của Kit Raspberry với các đặc điểm có thể đáp ứng những yêu cầu của một thiết bị nhỏ gọn nhưng đáp ứng được nhiều tiêu chí, đòi hỏi giống như một máy tính thực thụ.

1 Kit Raspberry Pi model B+ Hình 2. 2 Kit Raspberry Pi 2 6 do an 2.4 Hệ điều hành và phần mềm  Hệ điều hành Raspberry Pi chạy hệ điều hành dựa trên nhân Linux. Raspbian – một phiên bản dựa trên Debian đã được tối ưu cho phần cứng của Pi là hệ điều hành được Raspberry Pi Foundation đề nghị sử dụng. Ngoài ra Raspberry Pi có thể chạy được các hệ điều hành sau: Linux (Raspbian, Pidora Archlinux), OpenElec & XBMC, RetroPie, RISC OS, Plan 9, Firefox OS, Android, Pipboy.

Đối với phiên bản Raspberry Pi 2 thì có thể chạy được hệ điều hành Ubuntu và Window 10. Với bộ kit này thậm chí có thể cải đặt hệ điều hành android mà thiết bị vẫn hoạt động tốt đặc biệt là phiên bản android 4.3 do Broadcom xây dựng, rất thích hợp với bộ xử lý Broadcom2835.  Phần mềm Raspberry Pi có thể chạy được nhiều ứng dụng như trình duyệt Web, phần mềm chơi nhạc, xem phim, các công cụ lập trình như python, QT, bộ phần mềm Office tương đương như những máy tính sử dụng hệ điều hành Linux.5 Ứng dụng Nhờ có một cộng đồng lớn hỗ trợ mà bộ kit này được ứng dụng rộng rãi trong nhiễu lĩnh vực. Muc tiêu ban đầu là để tạo ra máy tính cho trẻ em, nhưng hiện nay Kit Raspberry pi không chỉ dừng lại ở đó – sinh viên, kỹ sư cũng rất hứng thú với bộ kit này.

Kit Raspberry có rất nhiều ứng dụng trong thực tế như dùng để xem phim, nghe nhạc, giải trí. Tuy nhiên, mục đích chính của Raspberry Pi là dùng trong trong việc nghiên cứu học tập hay dùng để thiết kế các sản phẩm khoa học, các thiết bị có ứng dụng thực tế trong đời sống. Kit Raspberry có thể được dùng thực hiện các đề tài như:  Xe tự hành, tránh vật cản  Camera bay  Camera giám sát 7 do an  Các thiết bị đo đạc nhiệt độ, độ ẩm và xử lý thông tin thu được Ngoài ra, một số chuyên gia còn dùng Kit Raspberry để tạo ra được các siêu máy tính cỡ nhỏ khi chúng được kết nối và đồng bộ hóa với nhau. Với một cộng đồng người dùng rất đông đảo trên thế giới mà ứng dụng của kit raspberry trong cuộc sống đã vượt xa so với mục đích ban đầu của nhà sản xuất.

Có rất nhiều cuộc thi được tổ chức nhằm đánh giá cao giá trị sử dụng của bộ kit này với những ý tưởng độc đáo như thiết kế máy tính bảng sử dụng kit Raspberry làm bộ xử lý chính.1 Giới thiệu động cơ servo Động cơ DC và động cơ bước vốn là những hệ hồi tiếp vòng hở - ta cấp điện để động cơ quay nhưng chúng quay bao nhiêu thì ta không biết, kể cả đối với động cơ bước là động cơ quay một góc xác định tùy vào số xung nhận được. Việc thiết lập một hệ thống điều khiển để xác định những gì ngăn cản chuyển động quay của động cơ hoặc làm động cơ không quay cũng không dễ dàng. Vì vậy, động cơ servo được thiết kế cho những hệ thống hồi tiếp vòng kín. Tín hiệu ra của động cơ được nối với một mạch điều khiển.

Khi động cơ quay, vận tốc và vị trí sẽ được hồi tiếp về mạch điều khiển này. Nếu có bầt kỳ lý do nào ngăn cản chuyển động quay của động cơ, cơ cấu hồi tiếp sẽ nhận thấy tín hiệu ra chưa đạt được vị trí mong muốn. Mạch điều khiển tiếp tục chỉnh sai lệch cho động cơ đạt được điểm chính xác. Động cơ servo có nhiều kiểu dáng và kích thước, được sử dụng trong nhiếu máy khác nhau, từ máy tiện điều khiển bằng máy tính cho đến các mô hình máy bay và xe hơi.

Ứng dụng mới nhất của động cơ servo là trong các robot, cùng loại với các động cơ dùng trong mô hình máy bay và xe hơi. Các động cơ servo điều khiển bằng liên lạc vô tuyến được gọi là động cơ servo R/C (radio-controlled). Trong thực tế, bản thân động cơ servo không phải được điều khiển bằng vô tuyến, nó chỉ nối với máy thu vô tuyến trên máy bay hay xe hơi. Động cơ servo nhận tín hiệu từ máy thu này.

Như vậy có nghĩa là ta không cần phải điều khiển robot bằng tín hiệu vô tuyến bằng cách sửd ụng một động cơ servo.2 Cấu tạo và hoạt động của Servo Hình 2. 3 Servo 9g  Cấu tạo Một servo thông thường bao gồm 10 bộ phận 1. Bảng mạch điện tử 3. Trục đầu ra/ bánh răng 8.

Vật đính kèm (bánh xe, cánh tay quay) 9. Điều khiển chip 9 do an Hình 2. 4 Cấu tạo bên trong của một động cơ servo  Hoạt động của Servo Động cơ và vôn kế nối với mạch điều khiển tạo thành mạch hồi tiếp vòng kín. Cả mạch điều khiển và động cơ đều được cấp nguồn DC.

Để quay động cơ, tín hiệu số được gới tới mạch điều khiển. Tín hiệu này khởi động động cơ, thông qua chuỗi bánh răng, nối với vôn kế. Vị trí của trục vôn kế cho biết vị trí trục ra của servo. Khi vôn kế đạt được vị trí mong muốn, mạch điều khiển sẽ tắt động cơ.

Động cơ servo được thiết kế để quay có giới hạn chứ không phải quay liên tục như động cơ DC hay động cơ bước. Mặc dù có thể chỉnh động cơ servo quay liên tục nhưng công dụng chính của động cơ servo là đạt được góc quay chính xác trong khoảng từ 90o – 180o.3 Servo và điều biến độ rộng xung Trục của động cơ servo R/C được định vị nhờ vào kỹ thuật gọi là điều biến độ rộng xung (PWM). Trong hệ thống này, servo là đáp ứng của một dãy các xung số ổn định. Cụ thể hơn, mạch điều khiển là đáp ứng của một tín hiệu số có các xung biến đổi từ 1 – 2 ms.

Các xung này được gởi đi 50 lần/giây.