Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong bối cảnh xã hội hiện đại, các vấn đề liên quan đến trật tự an ninh tại các khu vực yêu cầu tính bảo mật cao như ngân hàng, tiệm vàng bạc, cửa hàng thiết bị di động cũng như các hộ gia đình đang diễn biến phức tạp với thủ đoạn đột nhập ngày càng tinh vi. Việc nâng cao năng lực của các hệ thống an ninh cảnh báo trở thành một nhu cầu cấp thiết. Trên thế giới, các hệ thống an ninh đa cảm biến kết hợp sóng siêu âm, sóng cao tần và tia hồng ngoại đã được ứng dụng rộng rãi nhờ khả năng phát hiện mục tiêu nhanh và độ chính xác cao. Ngược lại, tại Việt Nam, phần lớn hệ thống an ninh dân dụng chỉ dừng lại ở mức độ cơ bản như sử dụng camera quan sát đơn thuần do chi phí các giải pháp an ninh chuyên dụng còn cao và mức độ phát triển công nghệ trong nước còn hạn chế. Mặt khác, các hệ thống cảnh báo truyền thống thường phụ thuộc chặt chẽ vào nguồn điện lưới và đường dây điện thoại cố định, dẫn đến nguy cơ bị vô hiệu hóa hoàn toàn khi bị cắt line điện thoại hoặc ngắt nguồn điện.

Từ thực tiễn trên, đề tài "Thiết kế hệ thống cảnh báo, giám sát qua GMS và Internet" được thực hiện bởi nhóm sinh viên Bùi Ngọc Hiệp và Lê Kha dưới sự hướng dẫn của KS Hà A Thồi tại Bộ môn Điện tử Công nghiệp – Y sinh, Khoa Điện – Điện tử, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh.

Mục tiêu nghiên cứu của đề tài được xác định cụ thể như sau:

  1. Tìm hiểu, phân biệt và nắm vững các thông số kỹ thuật cơ bản (phạm vi, khoảng cách hoạt động, điện áp cung cấp) của các loại cảm biến hồng ngoại, cảm biến siêu âm và cảm biến cao tần.
  2. Thiết kế giải pháp giao tiếp, tích hợp đồng thời nhiều loại cảm biến và module SIM với vi điều khiển xử lý trung tâm.
  3. Lập trình vi điều khiển tiếp nhận tín hiệu từ các cảm biến, xử lý thông tin và thực hiện tự động gọi điện thoại khẩn cấp đến số điện thoại của người dùng được cài đặt trước.
  4. Xây dựng chương trình điều khiển toàn diện cho mô hình và tích hợp camera IP để giám sát hình ảnh từ xa qua môi trường Internet.

Nhiệm vụ nghiên cứu bao gồm 6 nội dung trọng tâm:

  1. Tìm hiểu, nghiên cứu các cảm biến hồng ngoại, siêu âm, cao tần thực tế đáp ứng yêu cầu đề tài; đánh giá ưu nhược điểm của từng loại để bố trí vị trí lắp đặt hợp lý.
  2. Tìm hiểu và nghiên cứu phương pháp thu thập dữ liệu, xử lý tín hiệu từ các cảm biến; nghiên cứu giao thức truyền nhận dữ liệu với module SIM.
  3. Thiết kế và thi công hệ thống phần cứng hoàn chỉnh.
  4. Xây dựng lưu đồ giải thuật và lập trình điều khiển cho vi điều khiển Arduino.
  5. Thử nghiệm, hiệu chỉnh phần cứng và chương trình điều khiển nhằm tối ưu hóa mô hình; đánh giá sai số giữa thông số thực nghiệm so với tính toán lý thuyết.
  6. Tổng kết kết quả đạt được và đánh giá hoạt động của mô hình.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng nghiên cứu: Hệ thống an ninh tích hợp đa cảm biến (hồng ngoại PIR, siêu âm SFR05, cao tần radar 5.8 GHz), vi điều khiển Arduino UNO, module SIM 800A truyền thông mạng GSM và camera IP YooSee.
  • Phạm vi không gian: Mô hình an ninh kiểm soát không gian bên trong và khu vực xung quanh nhà ở hoặc cơ sở cần bảo vệ.
  • Phạm vi thời gian: Đồ án được triển khai thực hiện từ ngày 25/09/2017 đến ngày 10/01/2018.
  • Giới hạn kỹ thuật: Bộ xử lý trung tâm sử dụng bo mạch Arduino; phương thức truyền tin báo động từ xa qua mạng GSM (SMS và quay số gọi điện); phương thức giám sát hình ảnh từ xa thông qua mạng Internet với camera IP; khoảng cách đo thực tế của cảm biến chịu ảnh hưởng của độ nhiễu và tác động môi trường nên có sai số nhất định so với tính toán lý thuyết.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khung lý thuyết của đề tài tập trung vào nguyên lý cấu trúc hệ thống cảnh báo và kỹ thuật cảm biến đo lường. Một hệ thống cảnh báo tiêu chuẩn gồm 3 thành phần chính: khối cảm biến (thu thập tín hiệu vật lý), bộ xử lý trung tâm (tiếp nhận và xử lý logic), và thiết bị cảnh báo (chuông, còi, đèn, mô-đun truyền thông).

Về mặt lý thuyết cảm biến, đại lượng đo không mang tính chất điện ($M$) khi tác động lên cảm biến sẽ được chuyển đổi thành đại lượng đặc trưng mang tính chất điện ($S$) theo hàm $S = F(M)$. Cảm biến được phân chia thành:

  • Cảm biến tích cực: Hoạt động như một máy phát điện, chuyển đổi trực tiếp các dạng năng lượng (nhiệt, quang, cơ, bức xạ) thành điện tích, điện áp hoặc dòng điện mà không cần cấp nguồn phụ kích thích.
  • Cảm biến thụ động: Hoạt động như một trở kháng biến thiên ($R, L, C$), cần cung cấp năng lượng bổ sung từ bên ngoài để tạo tín hiệu điện ngõ ra.
Hiện tượng chuyển đổi Chuyển đổi và đáp ứng kích thích
Vật lý Nhiệt điện, quang điện, quang từ, điện từ, quang đàn hồi, từ điện, nhiệt từ
Hóa học Biến đổi hóa học, biến đổi điện hóa, phân tích phổ
Sinh học Biến đổi sinh hóa, biến đổi vật lý, hiệu ứng trên cơ thể sống
Dạng kích thích Đại lượng kích thích và đặc trưng
Âm thanh Biên độ, pha, phân cực, phổ, tốc độ truyền sóng
Điện Điện tích, dòng điện, điện thế, điện áp, điện trường, điện dẫn, hằng số điện môi
Từ Từ trường, từ thông, cường độ điện trường, độ từ thẩm
Quang Biên độ, pha, phân cực, phổ, tốc độ truyền, hệ số phát xạ, khúc xạ, hấp thụ, bức xạ
Cơ Vị trí, lực, áp suất, gia tốc, vận tốc, ứng suất, độ cứng, moment, khối lượng, tỷ trọng, độ nhớt
Nhiệt Nhiệt độ, thông lượng, nhiệt dung, tỷ nhiệt
Bức xạ Kiểu bức xạ, năng lượng, cường độ

Tác giả phân tích 3 giới hạn vùng làm việc của cảm biến:

  1. Vùng làm việc danh định: Điều kiện hoạt động bình thường, các thông số nằm trong ngưỡng cho phép và không làm biến đổi đặc trưng danh định.
  2. Vùng không gây nên hư hỏng: Vượt ngưỡng danh định nhưng các biến đổi đặc tính mang tính chất thuận nghịch, tự phục hồi khi trở lại vùng danh định.
  3. Vùng không phá hủy: Vượt ngưỡng làm việc khiến đặc tính cảm biến bị biến đổi không thuận nghịch; cảm biến không tự phục hồi về trạng thái ban đầu mà bắt buộc phải thực hiện chuẩn hóa lại.

Về vấn đề báo động sai (báo động giả), tác giả trích dẫn nghiên cứu từ The Herald of Everett (Washington) chỉ ra hơn 90% các tín hiệu kích hoạt cảnh báo từ hộ dân gửi về cảnh sát là báo động giả. Ba nguyên nhân chính được xác định gồm: sai sót trong thao tác của người dùng, chuyển động của vật nuôi, và hiện tượng nhiễu từ môi trường hoặc do thiết bị kém chất lượng.

Phương pháp nghiên cứu được triển khai bao gồm:

  • Phương pháp phân tích - tổng hợp lý thuyết: Nghiên cứu cấu tạo, đặc tính góc quét, phạm vi làm việc và đáp ứng xung của cảm biến hồng ngoại PIR, cảm biến siêu âm SFR05, cảm biến radar 5.8 GHz, cảm biến tiệm cận điện cảm, điện dung và cảm biến quang.
  • Phương pháp thiết kế và mô hình hóa: Phân tích sơ đồ khối, tính toán ghép nối phần cứng vi điều khiển Arduino UNO với module SIM 800A và mạch cảnh báo đèn còi.
  • Phương pháp thực nghiệm - kiểm thử: Thi công lắp ráp mô hình thực tế, viết mã nguồn điều khiển trên Arduino IDE, cấu hình camera IP qua tính năng Smartlink trên ứng dụng YooSee, tiến hành kích hoạt kiểm tra độ trễ cuộc gọi, tin nhắn SMS và khả năng truyền hình ảnh giám sát qua mạng.

Thiết kế và triển khai

Hệ thống được thiết kế theo cấu trúc module hóa phân tán tín hiệu về bộ xử lý tập trung:

Thành phần khối Thiết bị / Linh kiện Chức năng kỹ thuật trong hệ thống
Cảm biến siêu âm Module SFR05 Phát hiện vật thể chuyển động bằng sóng siêu âm dạng hình nón, phạm vi đo chiều dài tối đa 4m, chiều rộng quét khoảng 1m.
Cảm biến hồng ngoại Module PIR Dò bức xạ thân nhiệt hồng ngoại phát ra từ cơ thể người chuyển động trong không gian bảo vệ.
Cảm biến cao tần Module Radar vi sóng (5.8 GHz) Ứng dụng hiệu ứng Doppler, góc quét $360^\circ$ không điểm chết, bán kính quét 8m, có khả năng phát hiện xuyên qua tường thạch cao, kính mỏng và gỗ.
Bộ xử lý trung tâm Bo mạch Arduino UNO Tiếp nhận tín hiệu từ các ngõ vào cảm biến, thực hiện thuật toán xử lý logic và điều khiển thiết bị ngoại vi.
Khối truyền thông từ xa Module SIM 800A Nhận lệnh điều khiển từ Arduino để tự động quay số gọi điện và gửi tin nhắn SMS cảnh báo qua mạng di động GSM.
Khối cảnh báo tại chỗ Đèn báo động, còi báo Phát tín hiệu quang học và âm thanh cảnh báo tại chỗ khi có xâm nhập trái phép.
Khối giám sát hình ảnh Camera IP YooSee Thu nhận hình ảnh/video, truyền dữ liệu thời gian thực qua Wifi/Internet tới điện thoại di động 24/24.
Khối cấp nguồn Mạch nguồn ổn áp Cung cấp mức điện áp hoạt động chuẩn xác cho Arduino, module SIM, các cảm biến và camera.

Quy trình triển khai kỹ thuật được thực hiện qua các giai đoạn:

  1. Bố trí vùng quét cảm biến: Thiết lập giải pháp ghép đôi 2 cảm biến siêu âm SFR05 hướng về phía trước tạo góc chung $30^\circ$ nhằm giảm thiểu điểm mù và mở rộng vùng quét ở cự ly gần. Cảm biến radar được bố trí ẩn vào cấu trúc mô hình để bảo đảm tính bí mật. Cảm biến PIR được định vị tránh các luồng nhiệt thay đổi đột ngột như máy lạnh, lò sưởi.
  2. Lập trình nhúng vi điều khiển: Sử dụng phần mềm Arduino IDE để lập trình lưu đồ thuật toán, cấu hình các chân I/O nhận tín hiệu kích hoạt từ các khối cảm biến và xuất lệnh điều khiển module SIM 800A qua giao tiếp nối tiếp UART.
  3. Cấu hình phần mềm giám sát: Ứng dụng YooSee trên điện thoại thông minh được sử dụng để kết nối camera IP vào mạng Internet thông qua giao thức Smartlink, thực hiện cấu hình mật khẩu Wifi, đặt mật khẩu quản trị và thiết lập quyền giám sát trực tiếp.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan

Chương 1 trình bày lý do chọn đề tài dựa trên nhu cầu thực tế về an ninh chống trộm tại ngân hàng, tiệm vàng, nhà ở. Tác giả nêu rõ mục tiêu nghiên cứu, các nhiệm vụ cần thực hiện, giới hạn phạm vi đề tài (sử dụng Arduino, SIM 800A, mạng GSM, camera IP qua Internet) và cấu trúc bố cục đồ án gồm 6 chương.

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Nội dung chương 2 khái quát về hệ thống cảnh báo an ninh, phân tích khái niệm "vùng bảo vệ" và đặc tính của các vùng phát hiện sóng siêu âm, hồng ngoại thân nhiệt PIR, cảm biến radar vi sóng 5.8 GHz. Chương này trình bày chi tiết phân loại cảm biến (theo hiện tượng vật lý, hóa học, sinh học; theo dạng kích thích âm thanh, điện, từ, quang, cơ, nhiệt, bức xạ), các giới hạn làm việc danh định, không gây hư hỏng và không phá hủy. Đồng thời, tác giả khảo sát các mô hình báo động thực tế (báo động qua điện thoại, nhà thông minh, camera analog kết hợp đầu ghi 4TB, camera IP), nguyên nhân gây báo động giả và nguyên lý của nhiều dòng cảm biến vị trí, dịch chuyển, cảm biến áp điện, đo rung, đo lưu lượng, cảm biến thông minh.

Chương 3: Thiết kế và tính toán

Chương 3 đi sâu vào thiết kế sơ đồ khối và sơ đồ nguyên lý chi tiết của từng khối chức năng trong hệ thống:

  • Thiết kế mạch cảm biến hồng ngoại và sơ đồ nguyên lý cảm biến thân nhiệt PIR.
  • Tính toán vùng quét và giản đồ định thời của cảm biến siêu âm SFR05 (chế độ 1 và chế độ 2, độ rộng chùm tia, góc phủ).
  • Thiết kế khối cảm biến cao tần (Radar 5.8 GHz) dựa trên hiệu ứng Doppler.
  • Thiết kế khối cảnh báo từ xa với module SIM 800A.
  • Thiết kế khối xử lý trung tâm Arduino UNO (sơ đồ nguyên lý, bố trí chân vi điều khiển).
  • Thiết kế tích hợp Camera IP YooSee và khối nguồn ổn áp cho toàn mạch.
  • Tổng hợp sơ đồ kết nối toàn hệ thống và bảng thông số kỹ thuật chi tiết của các linh kiện.

Chương 4: Thi công hệ thống

Chương 4 mô tả quy trình gia công phần cứng, bố trí vị trí các cảm biến lên mô hình thực tế và đấu nối dây dẫn giữa các module về bo mạch Arduino UNO. Về mặt phần mềm, chương này trình bày chu trình làm việc của mã nguồn Arduino, hướng dẫn sử dụng giao diện Arduino IDE (chọn bo mạch, chọn cổng COM), và quy trình từng bước thiết lập ứng dụng YooSee trên điện thoại để kết nối Wifi cho camera thông qua Smartlink (chọn thiết bị mới, nhập mật khẩu Wifi, xác thực kết nối).

Chương 5: Kết quả, nhận xét và đánh giá

Chương 5 công bố kết quả mô hình phần cứng đã thi công hoàn chỉnh bao gồm bộ điều khiển trung tâm, mô hình gắn cảm biến và cách bố trí các cảm biến. Tác giả đánh giá khả năng vận hành thực tế: khi phát hiện có đối tượng đột nhập vào vùng bảo vệ, hệ thống lập tức kích hoạt đèn báo động và thực hiện cuộc gọi khẩn cấp về điện thoại người dùng thông qua mạng di động, đồng thời camera IP cho phép theo dõi trực tuyến vùng quan sát qua mạng Internet. Chương này cũng phân tích các sai số đo đạc thực tế của cảm biến do độ nhiễu môi trường.

Chương 6: Kết luận và hướng phát triển

Chương 6 tổng kết các hạng mục đã hoàn thành của đồ án tốt nghiệp so với mục tiêu ban đầu, xác nhận hệ thống hoạt động ổn định trong ngưỡng sai số chấp nhận được, và đề xuất các định hướng nghiên cứu nhằm nâng cấp tính năng hệ thống trong tương lai.

Kết quả và đóng góp

Đồ án đã đạt được các kết quả kỹ thuật cụ thể sau:

  • Thi công thành công mô hình phần cứng hoàn chỉnh tích hợp 3 loại cảm biến: cảm biến chuyển động thân nhiệt hồng ngoại PIR, cảm biến siêu âm SFR05 và cảm biến vi sóng radar 5.8 GHz.
  • Bộ xử lý trung tâm Arduino UNO tiếp nhận và xử lý chính xác tín hiệu kích hoạt từ các cảm biến ngoại vi.
  • Module SIM 800A thực hiện thành công chức năng quay số gọi điện khẩn cấp và gửi tin nhắn SMS cảnh báo qua mạng GSM đến số điện thoại người dùng ngay khi có sự kiện xâm nhập.
  • Tích hợp camera IP YooSee truyền hình ảnh và video trực tiếp về điện thoại thông minh qua mạng Internet, hỗ trợ giám sát không gian 24/24, cho phép chụp ảnh và ghi lại video đối tượng đột nhập.
  • Đề xuất giải pháp ghép nối 2 cảm biến siêu âm tạo góc chung $30^\circ$ giúp triệt tiêu điểm mù ở cự ly gần và bố trí ẩn cảm biến radar trong tường thạch cao để tăng tính bí mật cho hệ thống.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Theo đánh giá được trình bày trong đồ án, hệ thống còn tồn tại một số hạn chế:

  • Khoảng cách đo đạc và độ nhạy phát hiện của các cảm biến trong môi trường thực tế chưa đạt độ chính xác tối đa theo tính toán lý thuyết do ảnh hưởng của độ nhiễu linh kiện và các tác nhân môi trường xung quanh.
  • Hệ thống vẫn còn sai số nhất định trong quá trình thu thập tín hiệu logic từ các đầu dò.

Các hướng phát triển tiếp theo được tác giả đề xuất:

  • Nghiên cứu giải pháp nâng cao khả năng lọc nhiễu cho các khối cảm biến và tối ưu hóa thuật toán xử lý tín hiệu trên vi điều khiển.
  • Tích hợp hệ thống nguồn điện dự phòng (bộ lưu điện UPS) nhằm duy trì hoạt động liên tục cho hệ thống cảnh báo và camera khi xảy ra sự cố mất điện lưới.
  • Nghiên cứu ứng dụng các thuật toán và cảm biến chuyên dụng có khả năng phân biệt chuyển động của người và vật nuôi nhằm giảm thiểu tối đa hiện tượng báo động giả.

Giá trị tham khảo

Tài liệu đồ án tốt nghiệp này mang lại giá trị tham khảo thiết thực cho:

  • Sinh viên ngành Kỹ thuật Điện tử Truyền thông, Điện tử Công nghiệp, Kỹ thuật Điều khiển & Tự động hóa: Cung cấp tài liệu mẫu về quy trình thiết kế hệ thống nhúng cảnh báo an ninh, phương pháp lập trình điều khiển vi điều khiển Arduino giao tiếp với module truyền thông GSM (SIM 800A) và camera IP.
  • Người nghiên cứu và phát triển thiết bị an ninh dân dụng: Tham khảo phương pháp phối hợp nhiều công nghệ cảm biến (PIR, siêu âm SFR05, radar vi sóng 5.8 GHz) để khắc phục nhược điểm của từng loại cảm biến đơn lẻ, kỹ thuật ghép đôi cảm biến siêu âm triệt tiêu điểm mù và quy trình cài đặt camera qua giao thức Smartlink.

Câu hỏi thường gặp

1. Cảm biến radar sử dụng trong đồ án hoạt động ở băng tần nào và có ưu điểm gì so với cảm biến hồng ngoại PIR?
Cảm biến radar hoạt động ở băng tần vi sóng 5.8 GHz dựa trên hiệu ứng Doppler. Cảm biến này có khả năng quét $360^\circ$ không điểm chết với bán kính phát hiện 8m và có thể xuyên qua các vật liệu mỏng như tường thạch cao, gỗ, kính mỏng, cho phép lắp đặt giấu kín bên trong tường hoặc máng đèn. Trong khi đó, cảm biến PIR bắt buộc phải để lộ đầu quét ra ngoài và chỉ kích hoạt khi có sự dịch chuyển bức xạ hồng ngoại của cơ thể người.

2. Kỹ thuật nào được nhóm tác giả đề xuất để giảm điểm mù cho cảm biến siêu âm SFR05?
Nhóm tác giả đề xuất giải pháp gắn kết 2 cảm biến siêu âm SFR05 cùng hướng về phía trước tạo một góc chung $30^\circ$. Thiết lập này tạo ra vùng phát hiện chồng chéo giữa hai đơn vị, giúp mở rộng chiều rộng quét ở cự ly gần và giảm thiểu các điểm mù so với việc sử dụng một cảm biến đơn lẻ.

3. Khối truyền thông cảnh báo từ xa của hệ thống sử dụng module nào và hoạt động ra sao?
Khối truyền thông từ xa sử dụng module SIM 800A kết nối với vi điều khiển Arduino UNO. Khi nhận tín hiệu báo động có đột nhập từ các cảm biến, Arduino sẽ truyền lệnh điều khiển để module SIM 800A tự động quay số thực hiện cuộc gọi khẩn cấp và gửi tin nhắn SMS cảnh báo đến số điện thoại của chủ nhà thông qua mạng di động GSM.

4. Ứng dụng nào được sử dụng để quản lý Camera IP và quy trình kết nối camera với mạng Wifi diễn ra như thế nào?
Camera IP được quản lý thông qua ứng dụng YooSee trên điện thoại di động. Quy trình kết nối Wifi cho camera được thực hiện thông qua tính năng Smartlink trên ứng dụng: người dùng chọn thêm thiết bị mới, chọn Smartlink, nhập mật khẩu Wifi để camera kết nối Internet, chờ thiết bị đồng bộ và thiết lập mật khẩu bảo mật cho camera.

5. Theo số liệu khảo sát được trích dẫn trong đồ án, tỷ lệ báo động giả trong các hệ thống an ninh dân cư là bao nhiêu và do những nguyên nhân nào?
Theo nghiên cứu của The Herald of Everett (Washington) được trích dẫn trong đồ án, có hơn 90% các trường hợp kích hoạt báo động từ hộ dân cư gửi đến cảnh sát là báo động giả. Ba nguyên nhân chính gây ra tình trạng này gồm: lỗi do người dùng thao tác sai, sự di chuyển của vật nuôi trong nhà, và hiện tượng nhiễu từ thiết bị hoặc môi trường.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Thiết kế hệ thống cảnh báo, giám sát qua GMS và Internet" của sinh viên Bùi Ngọc Hiệp và Lê Kha đã hoàn thành các mục tiêu nghiên cứu về tích hợp đa cảm biến an ninh (PIR, siêu âm SFR05, radar vi sóng) với vi điều khiển Arduino UNO. Hệ thống giải quyết hiệu quả bài toán cảnh báo tại chỗ bằng đèn còi, truyền tin khẩn cấp từ xa qua cuộc gọi và tin nhắn SMS mạng GSM bằng module SIM 800A, kết hợp giám sát video trực tuyến 24/24 qua ứng dụng YooSee trên nền Internet. Mặc dù còn chịu ảnh hưởng bởi nhiễu môi trường thực nghiệm, mô hình đã chứng minh tính khả thi kỹ thuật rõ ràng và là tài liệu tham khảo có giá trị trong lĩnh vực điện tử truyền thông và tự động hóa an ninh.