Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong bối cảnh xã hội hiện đại, nhu cầu bảo vệ tài sản và bảo đảm an ninh cho không gian sống trở thành một trong những ưu tiên hàng đầu của các hộ gia đình và tổ chức. Các thiết bị cơ khí truyền thống như khóa bấm, khóa chốt hay khóa tay nắm tròn vẫn đang được sử dụng phổ biến trên thị trường. Tuy nhiên, các loại khóa cơ khí này bộc lộ hạn chế lớn về mặt an ninh khi mức độ bảo mật thấp, dễ dàng bị vô hiệu hóa bởi các công cụ bẻ khóa hoặc chìa khóa vạn năng. Sự phát triển của các công nghệ phần cứng nhúng và mô hình nhà thông minh (Smart Home) đặt ra yêu cầu cấp thiết về việc phát triển các giải pháp kiểm soát truy cập điện tử có tính bảo mật cao, tiện lợi và giao diện thân thiện với người sử dụng.

Đề tài "Thiết kế hệ thống cửa thông minh sử dụng vi điều khiển STM32" (với tên báo cáo chuyên ngành: "Thiết kế hệ thống cửa bảo mật sử dụng vi điều khiển STM32F103C8T6") được thực hiện tại một trường đại học trực thuộc Bộ Công Thương tại Hà Nội vào năm 2024, dưới sự hướng dẫn của ThS. Phạm Văn Chiến.

Mục tiêu nghiên cứu

Mục tiêu tổng quát của đề tài là nâng cao tính bảo mật cho hệ thống nhà thông minh thông qua việc thiết kế và chế tạo mô hình khóa cửa thông minh có tính an toàn cao, tiện lợi, dễ vận hành hơn so với khóa cơ truyền thống, đồng thời ứng dụng kỹ thuật vi điều khiển và công nghệ nhúng vào giải quyết bài toán thực tế.

Nhiệm vụ nghiên cứu

Văn bản xác định rõ 6 nhiệm vụ nghiên cứu cụ thể được đánh số bao gồm:

  1. Nhiệm vụ 1: Tìm hiểu về vi điều khiển STM32 (tổng quan dòng STM32F103C8T6, lịch sử phát triển, thông số kỹ thuật và các khối ngoại vi).
  2. Nhiệm vụ 2: Tìm hiểu bàn phím ma trận 4x4 (cách thức giao tiếp với vi điều khiển, thông số kỹ thuật và cấu hình sơ đồ chân).
  3. Nhiệm vụ 3: Tìm hiểu về module thẻ từ RFID RC522 (thông số kỹ thuật, sơ đồ chân và giao thức giao tiếp với vi điều khiển).
  4. Nhiệm vụ 4: Tìm hiểu về module cảm biến vân tay AS608 (thông số kỹ thuật, sơ đồ chân và phương thức truyền thông với vi điều khiển).
  5. Nhiệm vụ 5: Tìm hiểu về màn hình LCD1602 (thông số kỹ thuật, sơ đồ chân và giải pháp hiển thị thông tin).
  6. Nhiệm vụ 6: Thiết kế khối hạ áp nguồn (thiết kế mạch hạ áp từ 12VDC xuống 5VDC và từ 5VDC xuống 3.3VDC).

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

  • Đối tượng nghiên cứu: Các thành phần phần cứng và giải pháp giao tiếp vi điều khiển bao gồm: vi điều khiển trung tâm STM32F103C8T6 (lõi ARM Cortex-M3), bàn phím ma trận 4x4, module nhận dạng thẻ RFID RC522 tần số 13.56MHz, thẻ từ Mifare, cảm biến vân tay quang học AS608, màn hình hiển thị LCD1602, mạch kích relay điều khiển chốt điện từ 12VDC, IC ổn áp nguồn LM7805 và LM1117. Cùng với đó là các phần mềm hỗ trợ kỹ thuật gồm STM32CubeMX, Keil uVision5, EasyEDA, Altium Designer và STM32 ST-LINK Utility.
  • Phạm vi nghiên cứu: Tập trung vào quy trình thiết kế và thi công mô hình phần cứng đóng/mở cửa kích thước 30x20x20 cm; xây dựng thuật toán điều khiển nhúng thời gian thực cho các chế độ xác thực (thẻ RFID, mã số PIN, quản lý mật khẩu Master, thêm/xóa thẻ) và lưu trữ trực tiếp dữ liệu cấu hình vào bộ nhớ Flash nội của vi điều khiển.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khung lý thuyết và khảo sát các loại khóa cửa

Đề tài khảo sát thực trạng các dòng sản phẩm khóa cửa trong và ngoài nước nhằm làm rõ cơ sở lựa chọn giải pháp công nghệ:

  • Các loại khóa tại Việt Nam: Khóa bấm (kích thước nhỏ gọn, dùng cho cửa gỗ, sắt, xếp), khóa chốt truyền thống (then chốt ngang, bảo mật trung bình), khóa tay nắm tròn (thiết kế một đầu ổ khóa ngoài, một đầu nút bấm trong). Các dòng khóa này có ưu điểm giá rẻ nhưng dễ bị phá hủy cơ học.
  • Các loại khóa nước ngoài: Khóa thông minh 28285 (chất liệu hợp kim không gỉ, hỗ trợ vân tay, thẻ từ, mật mã), khóa cửa VPO (thiết kế tay gạt hợp kim sơn tĩnh điện, tích hợp đa phương thức mở khóa và chìa cơ).
  • So sánh lựa chọn: Khóa thông minh vượt trội về tính tiện lợi, độ an toàn, khả năng ghi nhận trạng thái và tính thẩm mỹ, dù chi phí chế tạo cao hơn và yêu cầu kỹ thuật lắp đặt phức tạp hơn.
Tiêu chí so sánh Khóa cơ truyền thống (Khóa bấm, chốt, tay nắm) Khóa cửa thông minh (Điện tử / Thẻ từ / Số)
Phương thức mở Chìa cơ kim loại Mật mã (Keypad), thẻ RFID, cảm biến sinh trắc học
Khả năng chống trộm Thấp, dễ bị mở bằng chìa vạn năng Cao, tích hợp cảnh báo còi và cơ chế tự khóa khi nhập sai
Quản lý người dùng Phải sao chép thêm chìa cơ vật lý Thêm/xóa thẻ, thay đổi mật mã trực tiếp trên hệ thống
Tính tiện dụng Dễ quên, làm mất chìa khóa Thao tác quẹt thẻ hoặc bấm phím nhanh chóng

Cơ sở lý thuyết phần cứng và linh kiện

  1. Vi điều khiển STM32F103C8T6: Sử dụng lõi ARM 32-bit Cortex-M3, tần số xung nhịp tối đa 72MHz. Bộ nhớ Flash 64 Kbytes, SRAM 20 Kbytes. Tích hợp 37 chân vào/ra (I/O) đa chức năng, các bộ định thời Timer, giao tiếp nối tiếp USART, SPI, I2C và các kênh chuyển đổi ADC. Bộ nhớ Flash được phân chia thành 64 trang (mỗi trang 1 Kbyte, địa chỉ từ 0x0800 0000 đến 0x0800 FFFF), trang bị bộ đệm 64-bit giúp tối ưu tốc độ đọc/ghi dữ liệu.
  2. Module RFID RC522 và Thẻ Mifare 13.56MHz: RC522 sử dụng IC MFRC522 của Philips, hoạt động ở điện áp 3.3VDC, tần số sóng mang 13.56MHz, giao tiếp vi điều khiển qua chuẩn SPI với tốc độ truyền lên tới 10Mbit/s. Thẻ từ Mifare tích hợp bộ nhớ 8Kbits chia thành 16 sector, khoảng cách nhận diện từ 0 đến 60mm (thực tế đọc ổn định ở 3-5cm), mã UID cố định.
  3. Bàn phím ma trận 4x4: Gồm 16 nút nhấn bố trí theo 4 hàng và 4 cột, kết nối qua 8 chân GPIO. Nguyên lý quét phím dựa trên việc xuất lần lượt mức logic 0 ra từng hàng và đọc trạng thái logic tại các cột.
  4. Màn hình hiển thị LCD1602: Hiển thị 2 dòng, mỗi dòng 16 ký tự. Tích hợp giao tiếp I2C nhằm tiết kiệm chân kết nối của vi điều khiển.
  5. Chốt điện từ 12VDC: Công suất tiêu thụ 0.6W, kích thước 64x42x28mm, trọng lượng 152.75g, thời gian cấp nguồn duy trì đóng/mở được thiết lập dưới 10 giây để đảm bảo an toàn nhiệt độ.
  6. IC ổn áp nguồn: LM7805 hạ áp từ nguồn 12VDC xuống 5VDC (dòng ngõ ra cực đại 1A) cấp cho vi điều khiển, LCD và cuộn hút Relay; LM1117 hạ áp từ 5VDC xuống 3.3VDC (dòng cực đại 0.8A) cấp cho module RC522 và cảm biến AS608.
  7. Module cảm biến vân tay AS608: Điện áp 3.3VDC - 3.6VDC, truyền thông nối tiếp qua giao tiếp UART TTL (Baudrate mặc định 57600 bps), thời gian xử lý ảnh dưới 0.4s, dung lượng lưu trữ tối đa 300 mẫu vân tay.

Phương pháp nghiên cứu và công cụ kỹ thuật

Nghiên cứu sử dụng phương pháp phân tích - tổng hợp tài liệu kỹ thuật chuyên ngành kết hợp phương pháp thiết kế và thực nghiệm hệ thống nhúng:

  • Thiết kế sơ đồ nguyên lý (Schematic) và sơ đồ mạch in (PCB) 2 lớp trên phần mềm EasyEDA (độ rộng đường mạch thiết kế trong khoảng 1 - 2mm) và Altium Designer.
  • Lập trình firmware điều khiển bằng ngôn ngữ C trên nền tảng Keil uVision5, cấu hình vi điều khiển thông qua công cụ STM32CubeMX và nạp chương trình vào chip qua mạch nạp ST-Link với phần mềm STM32 ST-LINK Utility.

Thiết kế và triển khai

Phân tích lựa chọn giải pháp điều khiển

Tác giả đã thực hiện phân tích đối sánh kỹ thuật giữa hai nền tảng vi điều khiển phổ biến nhằm xác định phương án tối ưu cho mô hình:

Tiêu chí kỹ thuật Phương án 1: Arduino (ATmega328P) Phương án 2: Kit ARM STM32F103C8T6 (Được chọn)
Kiến trúc & Tốc độ 8-bit AVR, xung nhịp 16MHz 32-bit ARM Cortex-M3, xung nhịp 72MHz
Tài nguyên ngoại vi Số lượng chân GPIO và ngoại vi hạn chế 37 chân GPIO, đa dạng kênh SPI, I2C, USART, Timer
Bộ nhớ & Xử lý Bộ nhớ nhỏ, hiệu năng xử lý thuật toán hạn chế Flash 64KB, SRAM 20KB, xử lý đồng thời đa tác vụ mượt mà
Khả năng lập trình Lập trình đơn giản qua Arduino IDE Lập trình chuyên sâu bằng C/Keil C, tối ưu tài nguyên Flash
Giá thành & Linh kiện Rẻ, phổ biến Giá thành hợp lý, đáp ứng đầy đủ yêu cầu mở rộng

Kiến trúc phần cứng và sơ đồ khối

Hệ thống được cấu trúc thành các khối chức năng liên kết chặt chẽ xung quanh khối xử lý trung tâm STM32F103C8T6:

  • Khối nguồn: Tiếp nhận nguồn điện xoay chiều 220VAC, qua biến áp hạ xuống 12VAC, chỉnh lưu cầu diode thành 12VDC để cấp cho chốt cửa. Từ 12VDC qua IC LM7805 hạ xuống 5VDC (cấp nguồn cho vi điều khiển, màn hình LCD và mạch relay), sau đó tiếp tục qua IC LM1117 hạ xuống 3.3VDC cấp cho module RFID RC522 và cảm biến AS608.
  • Khối xử lý trung tâm: Tiếp nhận tín hiệu từ các khối đầu vào, thực thi thuật toán so khớp mã và phát lệnh điều khiển đến khối chấp hành, hiển thị và cảnh báo.
  • Khối đầu vào: Bao gồm bàn phím ma trận 4x4 (giao tiếp Digital I/O), module RFID RC522 (giao tiếp SPI), cảm biến AS608 (giao tiếp UART) và nút nhấn mở cửa từ bên trong.
  • Khối hiển thị & Cảnh báo: Màn hình LCD1602 (giao tiếp I2C) hiển thị trạng thái hướng dẫn người dùng; còi buzzer phát tín hiệu âm thanh cảnh báo.
  • Khối chấp hành: Mạch công tắc transistor kích hoạt Relay 5V, đóng tiếp điểm chuyển nguồn 12VDC cấp cho chốt điện từ rút chốt mở cửa.

Lưu đồ thuật toán và quy trình xử lý phần mềm

Quy trình điều khiển được tối ưu hóa theo các nhánh chức năng rõ ràng:

  1. Khởi tạo hệ thống: Khi cấp nguồn, hệ thống thiết lập trạng thái các chân GPIO, giao thức SPI, I2C và đọc các thông số cấu hình đã lưu trong bộ nhớ Flash nội (mật mã người dùng, mật mã Master, danh sách UID thẻ RFID hợp lệ, biến đếm số lần nhập sai).
  2. Chế độ chờ và nút nhấn nội bộ: Màn hình hiển thị thông tin chờ trong 5 giây, mặc định ở chế độ quẹt thẻ RFID hoặc chuyển sang chế độ nhập mật mã khi nhấn phím #. Nếu phát hiện nút nhấn mở cửa bên trong được kích hoạt, còi kêu 2 tiếng, màn hình báo mở cửa, rơ le cấp điện cho chốt mở và tự động khóa lại sau 5 giây.
  3. Thuật toán quẹt thẻ RFID: Đưa thẻ vào vùng cảm ứng của đầu đọc RC522, còi kêu 1 tiếng báo nhận thẻ. Hệ thống kiểm tra dữ liệu Flash: nếu bộ nhớ rỗng hoặc UID thẻ không trùng khớp với danh sách cho phép, còi kêu 4 tiếng cảnh báo, màn hình báo sai và không mở cửa. Nếu UID trùng khớp, còi kêu 2 tiếng, màn hình báo đúng và kích hoạt mở cửa.
  4. Thuật toán xác thực mật khẩu: Người dùng nhập chuỗi số từ bàn phím ma trận. Nếu sai mật khẩu, còi kêu 4 tiếng, hiển thị thông báo lỗi, không mở cửa và tăng biến đếm số lần nhập sai được ghi vào Flash. Khi số lần sai từ 3 lần trở lên, hệ thống kích hoạt chế độ khóa tạm thời với thời gian chờ được tính theo công thức: $$\text{Thời gian khóa} = \text{Số lần nhập sai} \times 40\text{ giây}$$ (Nếu nhập sai 3 lần liên tiếp, hệ thống khóa 2 phút; nếu tiếp tục sai sẽ cộng dồn 40 giây cho mỗi lần tiếp theo). Nếu nhập đúng mật mã, còi kêu 2 tiếng, LCD thông báo thành công, reset biến đếm sai về 0 và mở cửa.
  5. Thuật toán đổi mật khẩu: Yêu cầu nhập đúng mật mã cũ. Nếu chính xác, hệ thống yêu cầu nhập mật mã mới và nhập lại lần hai để xác nhận. Khi hai lần nhập khớp nhau, còi kêu 2 tiếng, màn hình thông báo thành công và tiến hành ghi đè mật mã mới vào trang bộ nhớ Flash tương ứng.
  6. Thuật toán thêm thẻ RFID: Kiểm tra dung lượng bộ nhớ Flash; nếu chưa đầy, hệ thống yêu cầu xác thực bằng mật khẩu Master. Sau khi nhập đúng mã Master, người dùng quẹt thẻ mới. Hệ thống kiểm tra UID: nếu UID đã tồn tại sẽ phát 4 tiếng còi báo lỗi; nếu là thẻ mới chưa có trong danh sách, còi kêu 2 tiếng và lưu UID thẻ mới vào Flash.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Cơ sở lý thuyết

Chương này tập trung trình bày tổng quan về nhu cầu bảo mật cửa trong đời sống hiện đại, khảo sát chi tiết các loại khóa cửa cơ khí tại Việt Nam (khóa bấm, khóa chốt, khóa tay nắm tròn) và các dòng khóa điện tử thông minh ở nước ngoài (khóa 28285, khóa VPO). Tác giả tiến hành so sánh ưu - nhược điểm giữa khóa cơ và khóa thông minh, đồng thời hệ thống hóa 6 nhiệm vụ cốt lõi của đề tài. Nội dung trọng tâm tiếp theo là mô tả thông số kỹ thuật chi tiết của các linh kiện: kit vi điều khiển STM32F103C8T6 (kiến trúc ARM Cortex-M3 72MHz, cấu hình chân GPIO, sơ đồ tổ chức 64 trang bộ nhớ Flash), bàn phím ma trận 4x4, module RFID RC522 (tần số 13.56MHz, giao tiếp SPI), thẻ Mifare 13.56MHz, chốt điện từ 12VDC, LCD1602, IC nguồn LM1117, LM7805 và cảm biến vân tay AS608.

Chương 2: Thiết kế hệ thống

Chương 2 trình bày toàn bộ quá trình phân tích yêu cầu, mục tiêu thiết kế và các điều kiện ràng buộc về phần cứng, phần mềm. Tác giả thực hiện so sánh kỹ thuật giữa hai phương án điều khiển (Arduino và STM32F103C8T6) để đi đến quyết định chọn vi điều khiển STM32. Phần thiết kế chi tiết bao gồm việc xây dựng sơ đồ khối chức năng, sơ đồ nguyên lý mạch điện (khối nguồn biến áp - cầu diode - LM7805 - LM1117, khối xử lý trung tâm, khối RFID, bàn phím ma trận, LCD giao tiếp I2C, mạch kích relay điều khiển chốt điện từ 12V, khối còi cảnh báo và nút nhấn mở cửa trong). Tiếp đó, tác giả thiết kế mạch in PCB 2 lớp trên EasyEDA, xuất bố cục 3D và xây dựng hệ thống lưu đồ thuật toán từ tổng quát đến chi tiết cho các chức năng: quẹt thẻ RFID, nhập mật khẩu, đổi mật khẩu, thêm thẻ mới và quản trị mật khẩu Master.

Chương 3: Kết quả thực hiện

Chương 3 trình bày các kết quả thử nghiệm thực tế và kiểm chứng mô hình sản phẩm sau khi gia công lắp ráp hoàn thiện. Mô hình phần cứng được chế tạo với kích thước 30x20x20 cm, bo mạch in được hàn gắn linh kiện đầy đủ, giao tiếp ổn định với bàn phím, đầu đọc thẻ, màn hình và chốt khóa. Tác giả tiến hành thử nghiệm toàn bộ các kịch bản vận hành: xác thực thẻ từ RFID, mở khóa bằng mật mã bàn phím ma trận, kiểm tra cơ chế cảnh báo còi âm thanh (1 tiếng khi nhận diện thẻ, 2 tiếng khi đúng, 4 tiếng khi sai), kiểm tra thuật toán khóa thời gian phạt khi nhập sai mật khẩu quá 3 lần, kiểm tra tính năng đổi mật mã và thêm/xóa thẻ từ vào bộ nhớ Flash nội.

Chương 4: Kết luận và hướng phát triển

Chương 4 tổng kết những kết quả đã đạt được của đề tài, đánh giá mức độ hoàn thành so với mục tiêu đề ra ban đầu, đồng thời phân tích tính mới, tính sáng tạo và khả năng ứng dụng thực tiễn của sản phẩm trong việc bảo vệ tài sản tại các hộ gia đình và văn phòng. Tác giả cũng phân tích các tác động tích cực của sản phẩm đến môi trường, kinh tế, xã hội; thẳng thắn nhìn nhận những mặt hạn chế trong quá trình thực hiện đồ án và đề xuất các hướng nghiên cứu mở rộng trong tương lai nhằm nâng cấp hệ thống.

Kết quả và đóng góp

Kết quả kỹ thuật đạt được

  1. Chế tạo hoàn chỉnh mô hình phần cứng: Thiết kế và thi công thành công bo mạch điều khiển 2 lớp bằng phần mềm EasyEDA với đường mạch từ 1 - 2mm; lắp ráp hoàn thiện mô hình cửa kích thước 30x20x20 cm tích hợp đầy đủ chốt điện từ 12VDC, màn hình LCD1602, bàn phím ma trận 4x4 và đầu đọc RFID RC522.
  2. Hoàn thiện hệ thống firmware nhúng: Lập trình điều khiển toàn diện trên Keil uVision5 bằng ngôn ngữ C, đáp ứng chính xác các yêu cầu đặt ra:
    • Nhận diện và mở khóa chính xác bằng thẻ từ RFID (13.56MHz) và mật khẩu bàn phím.
    • Cơ chế phản hồi âm thanh chuẩn xác: còi kêu 1 lần khi quẹt thẻ, 2 lần khi xác thực thành công, 4 lần khi xác thực thất bại.
    • Cơ chế bảo mật chống dò mã: nhập sai mật khẩu quá 3 lần sẽ bị khóa tạm thời 2 phút; tiếp tục nhập sai sẽ tự động cộng dồn 40 giây cho mỗi lần sai tiếp theo.
    • Chức năng quản trị hệ thống: hỗ trợ đổi mật khẩu người dùng, thêm thẻ mới và xóa thẻ thông qua quyền truy cập của mật khẩu Master.
    • Tối ưu hóa lưu trữ: Toàn bộ dữ liệu mật khẩu, mã UID thẻ và trạng thái đếm lỗi được lưu trực tiếp vào các trang bộ nhớ Flash của vi điều khiển STM32F103C8T6, bảo toàn dữ liệu khi mất nguồn điện.
    • Tích hợp nút nhấn bên trong cho phép mở cửa nhanh trong 5 giây mà không cần xác thực lại.

Đóng góp của đề tài

  • Ứng dụng thành công dòng vi điều khiển 32-bit ARM Cortex-M3 (STM32F103C8T6) vào bài toán điều khiển bảo mật truy cập thực tế, thay thế cho các nền tảng vi điều khiển 8-bit truyền thống.
  • Xây dựng giải pháp lưu trữ cấu hình bảo mật trực tiếp trên bộ nhớ Flash nội mà không cần sử dụng thêm chip EEPROM ngoài, giúp tối ưu hóa chi phí phần cứng và diện tích bo mạch.
  • Cung cấp tài liệu thiết kế chi tiết từ sơ đồ nguyên lý, bố cục mạch in PCB đến lưu đồ thuật toán xử lý phân nhánh, phục vụ hiệu quả cho việc nghiên cứu và học tập trong lĩnh vực hệ thống nhúng.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế được ghi nhận

  • Thời gian thực hiện đề tài tương đối ngắn và điều kiện kinh phí thực nghiệm còn hạn hẹp.
  • Việc nhận diện sinh trắc học vân tay qua module AS608 có thể bị suy giảm độ chính xác nếu bề mặt ngón tay của người dùng bị trầy xước hoặc bám bẩn.
  • Hệ thống hoạt động độc lập tại chỗ (offline), chưa có kết nối mạng không dây để giám sát và điều khiển đóng/mở cửa từ xa.

Hướng phát triển tiếp theo

  • Tích hợp công nghệ truyền thông IoT (qua module Wi-Fi/Bluetooth hoặc mạng Internet) để đồng bộ dữ liệu người dùng, cho phép giám sát nhật ký ra vào theo thời gian thực và điều khiển mở khóa từ xa qua ứng dụng di động.
  • Hoàn thiện tích hợp chuyên sâu cảm biến vân tay AS608 vào quy trình xác thực chính thức của hệ thống.
  • Nghiên cứu giải pháp nguồn dự phòng (pin sạc/ắc quy) tự động chuyển mạch khi xảy ra sự cố mất điện lưới 220VAC.

Giá trị tham khảo

Báo cáo đồ án là tài liệu tham khảo thiết thực cho sinh viên các chuyên ngành Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa, Kỹ thuật Điện - Điện tử, Kỹ thuật Máy tính và Hệ thống thông tin nhúng:

  • Thiết kế mạch nguồn đa mức áp: Cung cấp giải pháp phân phối nguồn ổn định từ biến áp 220VAC sang các cấp điện áp 12VDC (cho tải công suất chốt từ), 5VDC (LM7805 cho MCU/Relay/LCD) và 3.3VDC (LM1117 cho RFID/Sensor).
  • Kỹ thuật lập trình Flash nội trên vi điều khiển STM32: Hướng dẫn phương pháp tổ chức bộ nhớ, mở khóa (unlock), xóa trang (page erase) và ghi dữ liệu (write) để lưu trữ cấu hình bảo mật không bay hơi.
  • Kỹ thuật quét phím và giao tiếp ngoại vi: Cung cấp thuật toán quét ma trận phím 4x4, cấu hình truyền thông chuẩn SPI cho module RFID RC522 và chuẩn I2C cho màn hình LCD1602.

Câu hỏi thường gặp

1. Vi điều khiển trung tâm STM32F103C8T6 sở hữu những thông số kỹ thuật chính nào trong đồ án?

Vi điều khiển STM32F103C8T6 sử dụng lõi ARM 32-bit Cortex-M3 với tần số xung nhịp tối đa 72MHz. Chip được trang bị 64 Kbytes bộ nhớ Flash (tổ chức thành 64 trang, mỗi trang 1KB), 20 Kbytes SRAM, điện áp hoạt động từ 2.0V đến 3.6V, sở hữu 37 chân I/O đa chức năng và hỗ trợ đầy đủ các giao thức giao tiếp phần cứng như SPI, I2C, USART.

2. Hệ thống quy định tín hiệu còi cảnh báo như thế nào trong các tình huống vận hành?

Hệ thống sử dụng còi buzzer để phản hồi trạng thái với 3 mức quy định:

  • Kêu 1 tiếng: Báo hiệu hệ thống đã nhận diện được thao tác quẹt thẻ RFID vào đầu đọc.
  • Kêu 2 tiếng: Báo hiệu xác thực thành công (đúng mật khẩu, đúng thẻ RFID hoặc bấm nút mở cửa bên trong) và tiến hành mở chốt cửa.
  • Kêu 4 tiếng: Báo hiệu xác thực thất bại (sai mật khẩu, sai mã thẻ, thẻ chưa tồn tại hoặc bộ nhớ rỗng).

3. Cơ chế xử lý khi người dùng nhập sai mật khẩu liên tiếp hoạt động ra sao?

Mỗi khi nhập sai mật khẩu, hệ thống sẽ tăng biến đếm số lần sai và ghi lưu vào bộ nhớ Flash. Khi số lần nhập sai đạt từ 3 lần trở lên, hệ thống sẽ tự động khóa và kích hoạt cảnh báo. Thời gian khóa được tính bằng công thức: Số lần nhập sai * 40 giây (nhập sai 3 lần sẽ bị khóa 120 giây / 2 phút; nếu tiếp tục nhập sai các lần sau sẽ bị cộng thêm 40 giây cho mỗi lần).

4. Dữ liệu mật khẩu và danh sách thẻ RFID được lưu trữ ở đâu trên phần cứng?

Dữ liệu mật khẩu người dùng, mật khẩu Master, biến đếm số lần sai và mã định danh UID của các thẻ RFID được ghi trực tiếp vào các trang (Page) của bộ nhớ Flash nội dung lượng 64KB bên trong vi điều khiển STM32F103C8T6. Nhờ đó, thông tin được bảo toàn nguyên vẹn ngay cả khi mất nguồn điện toàn hệ thống.

5. Sơ đồ phân phối điện áp trong mạch nguồn của hệ thống được thiết kế như thế nào?

Nguồn điện lưới 220VAC qua biến áp hạ xuống 12VAC và qua mạch cầu diode chỉnh lưu thành 12VDC cấp trực tiếp cho chốt điện từ. Tiếp đó, đường nguồn 12VDC đi qua IC LM7805 hạ áp xuống 5VDC cấp cho vi điều khiển STM32, màn hình LCD1602 và cuộn hút Relay. Cuối cùng, nguồn 5VDC tiếp tục đi qua IC LM1117 để hạ xuống 3.3VDC cung cấp cho module RFID RC522 và cảm biến vân tay AS608.

Kết luận

Đồ án chuyên ngành "Thiết kế hệ thống cửa bảo mật sử dụng vi điều khiển STM32F103C8T6" đã hoàn thành toàn diện việc nghiên cứu, thiết kế và thi công mô hình khóa cửa thông minh ứng dụng vi điều khiển 32-bit ARM Cortex-M3. Hệ thống tích hợp thành công các phương thức mở khóa bằng thẻ từ RFID RC522 tần số 13.56MHz và mật mã qua bàn phím ma trận 4x4, có cơ chế lưu trữ dữ liệu an toàn trên bộ nhớ Flash nội cùng thuật toán chống dò mã nghiêm ngặt. Sản phẩm đạt độ ổn định cao về phần cứng, phân phối nguồn nhiều cấp điện áp hợp lý và cung cấp giải pháp an ninh thực tế, mở ra hướng phát triển kết nối IoT cho các hệ thống nhà thông minh trong tương lai.