Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Đồ án tốt nghiệp "Thiết kế và thi công hệ thống bảo mật ứng dụng xử lý ảnh" được thực hiện bởi sinh viên Lê Hoàng Thành và Hồ Đình Vương, dưới sự hướng dẫn của Th.S Nguyễn Duy Thảo tại Bộ môn Điện tử Công nghiệp – Y sinh, Khoa Điện – Điện tử, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh (khóa 2015, hoàn thành tháng 7/2019). Đề tài thuộc ngành Công nghệ Kỹ thuật Điện tử Truyền thông.

Trong bối cảnh công nghệ tự động hóa và các thiết bị thông minh ngày càng phát triển, nhu cầu thay thế chìa khóa cơ truyền thống bằng các giải pháp sinh trắc học và điện tử nhằm bảo vệ tài sản (nhà cửa, tài chính, hồ sơ dữ liệu) trở nên cấp thiết. Tại Việt Nam ở thời điểm nghiên cứu, công nghệ nhận dạng qua sóng vô tuyến (RFID) vẫn là công nghệ tương đối mới, phụ thuộc vào nguồn linh kiện nhập khẩu. Việc tích hợp hệ thống kiểm soát tự động kết hợp RFID mang lại các lợi ích thực tiễn bao gồm:

  • Tiết kiệm chi phí thuê nhân công bảo vệ.
  • Tăng cường khả năng kiểm soát ra vào.
  • Dễ dàng quản lý và theo dõi tài sản.
  • Giảm thiểu chi phí vận hành lâu dài.

Tác giả đề cập đến nghiên cứu tiền đề của Nguyễn Thị Đài Trang và Hà Tiến Dương về nhận dạng 3 cảm xúc khuôn mặt (vui, buồn, ngạc nhiên) bằng phương pháp PCA kết hợp vi điều khiển Arduino Uno R3 để điều khiển động cơ servo mở cửa. Kế thừa và phát triển hướng tiếp cận đó, nhóm tác giả đề xuất một hệ thống bảo mật hai lớp: lớp chính là nhận diện khuôn mặt qua xử lý ảnh số, và lớp dự phòng là quét thẻ RFID kết hợp bàn phím mã PIN ma trận nhằm xử lý các trường hợp nhận diện khuôn mặt thất bại do nguyên nhân khách quan (như khuôn mặt bị biến dạng hoặc điều kiện môi trường thay đổi).

Mục tiêu nghiên cứu bao gồm:

  1. Thiết kế mô hình cửa tự động đóng/mở phục vụ thử nghiệm bảo mật.
  2. Thiết kế buồng sáng sử dụng hệ thống đèn led nhằm ổn định điều kiện chiếu sáng cho camera.
  3. Thiết kế cơ sở dữ liệu lưu trữ thông tin người dùng và hình ảnh phục vụ quá trình huấn luyện (training).
  4. Thiết lập giao tiếp điều khiển giữa máy tính nhúng, module RFID và các thiết bị ngoại vi.
  5. Xây dựng chương trình điều khiển tích hợp trên ngôn ngữ Python và môi trường Arduino.

Nhiệm vụ nghiên cứu được phân chia thành 6 nội dung theo văn bản:

  1. Thu thập dữ liệu quy trình để thiết kế hệ thống bảo mật.
  2. Đề xuất các giải pháp kỹ thuật trong thiết kế mô hình.
  3. Lựa chọn thiết bị phần cứng phù hợp với yêu cầu bài toán.
  4. Thiết kế hệ thống điều khiển trung tâm và mạch chấp hành.
  5. Thi công mô hình cơ khí và lắp ráp phần cứng hoàn chỉnh.
  6. Chạy thử nghiệm và đánh giá kết quả thực hiện.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng nghiên cứu: Hệ thống bảo mật cửa tự động tích hợp thuật toán xử lý ảnh nhận dạng khuôn mặt và công nghệ nhận thực RFID/Keypad.
  • Phạm vi phần cứng giới hạn: 01 người dùng được nhận diện qua camera; 02 thẻ RFID dùng thử nghiệm (trong đó 01 thẻ được cấp quyền truy cập); 01 mật khẩu đúng; động cơ DC 12V điều khiển đóng/mở; buồng sáng hỗ trợ đèn led trắng 12V.
  • Không gian và thời gian: Thực hiện tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh trong thời gian 12 tuần (từ ngày 19/03/2019 đến 31/06/2019).

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khung lý thuyết và mô hình toán học

Quy trình xử lý ảnh trong đồ án tuân thủ theo 5 giai đoạn kinh điển:

  1. Thu nhận ảnh (Image Acquisition): Thu thập tín hiệu hình ảnh thông qua camera chuyên dụng.
  2. Tiền xử lý (Image Processing): Lọc nhiễu, nâng cao độ tương phản và chất lượng ảnh để làm rõ các đường nét.
  3. Phân đoạn ảnh: Tách vùng khuôn mặt cần phân tích ra khỏi phông nền.
  4. Biểu diễn ảnh và trích chọn đặc trưng (Feature Selection): Chuyển đổi các điểm ảnh thành dạng dữ liệu đặc trưng định lượng.
  5. Nhận dạng và nội suy ảnh: So sánh véc-tơ đặc trưng với tập mẫu đã huấn luyện.

Về phương pháp nhận dạng khuôn mặt, nghiên cứu sử dụng hướng tiếp cận so khớp mẫu (Template Matching) thông qua giải thuật Phân tích thành phần chính (Principal Component Analysis - PCA). Thuật toán PCA thực hiện phép biến đổi trực giao để chuyển đổi tập dữ liệu từ không gian nhiều chiều sang không gian có số chiều nhỏ hơn (2 hoặc 3 chiều) nhằm:

  • Giảm số chiều dữ liệu nhưng vẫn bảo toàn tối đa các đặc trưng biến thiên cốt lõi của ảnh ban đầu.
  • Xây dựng hệ trục tọa độ mới trực giao đôi một, trong đó mỗi trục đại diện cho phương có phương sai lớn nhất.
  • Làm nổi bật các mối liên kết tiềm ẩn giữa các điểm dữ liệu khuôn mặt. Cơ sở toán học của thuật toán dựa trên các phép tính: giá trị trung bình, độ lệch chuẩn, phương sai, ma trận hiệp phương sai, véc-tơ riêng (eigenvectors) và giá trị riêng (eigenvalues).

Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm và công nghệ ứng dụng

Đồ án sử dụng phương pháp thiết kế kỹ thuật kết hợp thực nghiệm đo kiểm phần cứng và thuật toán:

  • Phần mềm và thư viện: Ngôn ngữ lập trình Python phiên bản 3.7; thư viện xử lý ảnh mã nguồn mở OpenCV (cài đặt và vận hành trong môi trường ảo máy tính nhúng); hệ điều hành Raspbian cài đặt trên thẻ nhớ microSD 32GB; phần mềm Arduino IDE dùng lập trình vi điều khiển ATmega328; hệ quản trị cơ sở dữ liệu MySQL quản lý qua giao diện phpMyAdmin.
  • Giao thức truyền thông và tín hiệu: Chuẩn truyền thông nối tiếp đồng bộ/bất đồng bộ UART; chuẩn giao tiếp ngoại vi SPI (Serial Peripheral Interface) kết nối đầu đọc RFID; chuẩn I2C; chuẩn điều chế độ rộng xung (PWM) để điều khiển công suất động cơ.
  • Nguồn dữ liệu: Dữ liệu hình ảnh khuôn mặt được thu thập trực tiếp từ Raspberry Pi Camera Module V2 trong buồng sáng chuẩn hóa; dữ liệu thẻ RFID thu nhận qua module MFRC522 hoạt động ở tần số vô tuyến 13.56 MHz.

Thiết kế và triển khai

Hệ thống được thiết kế theo cấu trúc phân tầng gồm khối xử lý trung tâm, khối thu nhận tín hiệu đầu vào, khối giao diện người dùng, khối cơ sở dữ liệu và khối chấp hành điều khiển động cơ.

Phân loại linh kiện Tên thiết bị / Module Thông số kỹ thuật chính trích xuất từ văn bản
Xử lý trung tâm Raspberry Pi 3 Model B SoC Broadcom BCM2835, 64-bit Quad-Core ARM Cortex-A53 1.2 GHz, RAM 1 GB, 40 chân GPIO, cổng giao tiếp CSI, HDMI, RCA, nguồn cấp 5V DC/2.5A.
Xử lý ngõ ra Arduino Uno R3 Vi điều khiển ATmega328P 8-bit, Flash 32 KB, SRAM 2 KB, EEPROM 1 KB, 14 chân Digital, 6 chân Analog/PWM, nguồn cấp 5V qua USB.
Camera Raspberry Pi Camera Module Độ phân giải 5 Megapixel, kích thước cảm biến 1/4 inch, tiêu cự 3.29 mm, góc nhìn 72.4 độ, kết nối cáp bus 15 chân qua socket CSI.
Bộ đọc thẻ RFID Module RFID RC522 (MFRC522) Tần số 13.56 MHz, hỗ trợ chuẩn ISO/IEC 14443A/MIFARE và NTAG, khoảng cách đọc 0–5 cm, điện áp 2.5–3.3V, dòng tiêu thụ 13–26 mA.
Bàn phím nhập liệu 4x4 Matrix Keypad Ma trận 16 phím (4 hàng, 4 cột), 8 chân ngõ ra, kích thước 77 x 69 mm, dải nhiệt độ hoạt động 0–70°C.
Màn hình hiển thị LCD 20x4 Điện áp hoạt động 2.7–5.5V, dòng cấp nguồn 350–600 µA, hiển thị 4 dòng, mỗi dòng 20 ký tự.
Mạch lái động cơ Driver L298N Mạch cầu H kép dùng IC L298, điện áp ngõ vào 5–30V DC, dòng cực đại 2A/cầu, công suất tối đa 25W.
Cơ cấu chấp hành Động cơ mở cửa DC Động cơ điện một chiều 12V DC, kết nối ngõ ra OUT1, OUT2 của module L298.
Chiếu sáng phụ trợ Dây đèn LED trắng 12V Lắp đặt trong buồng sáng để cân bằng ánh sáng môi trường khi chụp ảnh khuôn mặt.

Kiến trúc liên kết hệ thống:

  1. Camera kết nối trực tiếp với Raspberry Pi qua cổng CSI nhằm đảm bảo băng thông và tránh hiện tượng nghẽn mạch bus USB.
  2. Module RFID RC522 kết nối qua chuẩn truyền thông với các chân GPIO của Raspberry Pi để truyền mã định danh thẻ (UID).
  3. Bàn phím ma trận 4x4 và màn hình LCD 20x4 kết nối trực tiếp với các chân GPIO để nhận lệnh thao tác và xuất trạng thái hoạt động.
  4. Tách biệt bộ xử lý: Raspberry Pi 3 đảm nhiệm toàn bộ tác vụ tính toán nặng gồm thu thập hình ảnh, chạy thuật toán PCA nhận dạng, truy vấn cơ sở dữ liệu MySQL và xử lý chuỗi nhập từ bàn phím. Khi xác thực thành công, Raspberry Pi gửi tín hiệu số sang Arduino Uno R3. Arduino đảm nhận việc kích hoạt module L298 để cấp dòng cho động cơ DC 12V đảo chiều (mở cửa, đóng cửa), cách ly tải công suất nhằm bảo vệ máy tính nhúng khỏi sự cố sụt áp hay trễ chu trình điều khiển.

Nội dung chính theo từng chương

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

Chương 1 thiết lập cơ sở hình thành đề tài, phân tích sự cần thiết của hệ thống khóa cửa thông minh ứng phó với thực trạng công nghệ RFID tại Việt Nam. Tác giả khảo sát các công trình liên quan trước đó, chỉ rõ ưu thế của giải pháp tích hợp đa phương thức bảo mật. Chương này xác định rõ mục tiêu chế tạo hệ thống hai lớp, lập danh mục các thông số kỹ thuật ban đầu, phạm vi giới hạn thử nghiệm (1 người dùng nhận diện mặt, 2 thẻ RFID, 1 mật khẩu PIN 5 ký tự), đồng thời công bố kế hoạch thực hiện đồ án trong tiến trình 12 tuần làm việc.

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Chương này cung cấp nền tảng lý thuyết toàn diện cho hai khối chức năng chính:

  • Cơ sở xử lý ảnh số: Phân tích chi tiết quy trình 5 bước xử lý ảnh, nguyên lý trích chọn không gian đặc trưng của thuật toán PCA, so sánh 4 hướng tiếp cận nhận dạng khuôn mặt (tri thức, đặc trưng không đổi, so khớp mẫu, diện mạo).
  • Công nghệ phần mềm: Giới thiệu hệ điều hành Raspbian, cấu trúc ngôn ngữ Python 3.7 và các hàm chức năng trong thư viện thị giác máy tính OpenCV (thu nhận luồng video, lọc nhiễu, chuyển đổi ảnh, nhận diện đối tượng).
  • Cơ chế bảo mật và giao thức truyền thông: Phân tích nguyên lý nhận dạng tần số sóng vô tuyến RFID (các dải tần LF, HF 13.56 MHz, UHF, vi ba; phân loại vật liệu phản xạ, hấp thụ sóng vô tuyến; cấu trúc hoạt động giữa Tag thụ động và Reader). Phân tích kỹ thuật truyền thông nối tiếp UART, điều chế xung PWM, chuẩn giao tiếp SPI.
  • Phần cứng chi tiết: Mô tả sơ đồ chân, cấu tạo vi xử lý và nguyên lý mạch điện của Raspberry Pi 3 Model B, Arduino Uno R3, cảm biến Camera CSI, module RC522, bàn phím 4x4, LCD 20x4 và nguyên lý mạch cầu H của IC L298 (các trạng thái đóng/ngắt transistor Q1, Q2, Q3, Q4 để điều khiển động cơ quay thuận, quay nghịch, hãm dừng).

CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ

Nội dung chương 3 tập trung vào thiết kế kỹ thuật chi tiết:

  • Sơ đồ khối chức năng: Thiết lập mối quan hệ tín hiệu giữa khối thu nhận hình ảnh, khối quét thẻ, khối bàn phím, khối hiển thị, khối xử lý trung tâm và khối chấp hành động cơ.
  • Tính toán điện áp và công suất: Xây dựng bảng thống kê dòng tiêu thụ toàn hệ thống (Bảng 3.1) để lựa chọn bộ nguồn 5V và 12V DC tương thích, đảm bảo cung cấp đủ dòng khởi động cho động cơ và dòng nuôi ổn định cho máy tính nhúng.
  • Thiết kế sơ đồ nguyên lý: Bản vẽ chi tiết các đường mạch kết nối chân GPIO giữa Raspberry Pi với RC522, LCD 20x4, bàn phím 4x4; sơ đồ ghép nối chân kích tín hiệu giữa Raspberry Pi và Arduino Uno R3; sơ đồ chân điều khiển giữa Arduino và module driver L298; sơ đồ thiết kế buồng sáng chuẩn hóa góc chiếu của đèn led.

CHƯƠNG 4: THI CÔNG HỆ THỐNG

Chương 4 mô tả quá trình hiện thực hóa mô hình từ lý thuyết sang phần cứng và phần mềm:

  • Xây dựng giải thuật: Thiết lập các lưu đồ giải thuật hoàn chỉnh bao gồm: Lưu đồ chương trình chính; Lưu đồ chương trình nhận dạng khuôn mặt; Lưu đồ chương trình xử lý ảnh chụp; Lưu đồ chương trình điều khiển động cơ (quay thuận để mở, dừng giữ trạng thái, quay nghịch để đóng cửa).
  • Xây dựng cơ sở dữ liệu: Thiết lập hệ thống bảng dữ liệu trên giao diện phpMyAdmin của MySQL gồm 4 trường thông tin: Tên, ID (UID thẻ), Tuổi, Giới tính.
  • Môi trường vận hành: Hướng dẫn cấu hình hệ số phần mềm, kích hoạt giao diện CSI/SPI trong raspi-config, mở môi trường ảo OpenCV qua dòng lệnh source ~/.profile và workon cv, gọi các script thực thi bằng Python.
  • Thi công cơ khí: Lắp ráp mô hình cửa tự động mặt trước, bố trí camera ngang tầm nhận diện, gắn buồng sáng, tích hợp đầu đọc thẻ và bàn phím ma trận bên ngoài cửa, sắp xếp bảng mạch vi điều khiển bên trong hộp kỹ thuật.

CHƯƠNG 5: KẾT QUẢ – NHẬN XÉT – ĐÁNH GIÁ

Chương 5 công bố các dữ liệu thực nghiệm thu được sau khi lắp ráp hoàn thiện:

  • Thử nghiệm nhận diện khuôn mặt: Đánh giá khả năng nhận dạng qua Bảng 5.1 với các trường hợp đặt khuôn mặt đúng chuẩn khoảng cách, trường hợp mặt đặt quá xa vùng lấy nét và trường hợp người lạ xâm nhập. Hệ thống chỉ cho phép mở cửa khi tỷ lệ trùng khớp mẫu đạt ngưỡng cài đặt.
  • Thử nghiệm phương thức dự phòng: Quét thẻ RFID hợp lệ (xuất thông tin lên LCD, cho phép nhập PIN 5 ký tự), quét thẻ không hợp lệ (báo lỗi "Mã thẻ sai", khóa nhập liệu), nhập đúng mật khẩu (mở cửa), nhập sai mật khẩu (báo "Sai mật khẩu!").
  • Thử nghiệm chức năng quản trị: Sử dụng 3 nút nhấn vật lý để chuyển đổi chế độ (Mode), thêm thẻ mới và nhập dữ liệu cá nhân (Insert), xóa dữ liệu thẻ (Delete); kiểm tra tính năng đổi mật khẩu mới thông qua phím ký tự 'A' trên bàn phím ma trận.
  • Đo kiểm cơ cấu chấp hành: Khảo sát độ trễ đóng/mở động cơ DC 12V và độ ổn định khi truyền nhận tín hiệu giữa Raspberry Pi và Arduino.

CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN

Tổng kết mức độ hoàn thành đề tài so với chỉ tiêu kỹ thuật đã đặt ra ở Chương 1, đánh giá sự ổn định của giải pháp kết hợp hai lớp bảo mật và nêu các khuyến nghị cải tiến cho những nghiên cứu tiếp nối.


Kết quả và đóng góp

Kết quả kỹ thuật đạt được

  1. Chế tạo thành công mô hình vật lý cửa tự động tích hợp đầy đủ các khối linh kiện điện tử, cơ cấu cơ khí và buồng sáng chiếu sáng phụ trợ.
  2. Thiết lập quy trình nhận thực kép ổn định:
    • Kênh nhận diện sinh trắc học: Ứng dụng thành công thư viện OpenCV và ngôn ngữ Python 3.7 để trích xuất đặc trưng khuôn mặt bằng PCA. Hệ thống phân biệt chính xác giữa người dùng hợp lệ và người lạ.
    • Kênh dự phòng RFID và Keypad: Module MFRC522 đọc chính xác mã UID thẻ ở khoảng cách 0–5 cm. Màn hình LCD 20x4 hiển thị đầy đủ 4 thông số người dùng từ cơ sở dữ liệu MySQL (Tên, ID, Tuổi, Giới tính). Hệ thống cho phép thiết lập và thay đổi mật khẩu 5 ký tự trực tiếp qua bàn phím.
  3. Hoàn thiện các chức năng quản trị người dùng trực tiếp trên phần cứng: Thao tác xóa thẻ bằng nút Delete (BTN1), thêm thẻ mới kèm cập nhật thông tin cá nhân bằng nút Insert (BTN2), và chuyển đổi chế độ bằng nút Mode.
  4. Phối hợp điều khiển thành công giữa máy tính nhúng Raspberry Pi 3 và vi điều khiển Arduino Uno R3 thông qua mạch driver L298 để vận hành êm ái động cơ DC 12V, loại bỏ độ trễ chu trình và hiện tượng thiếu dòng nuôi vi điều khiển.

Đóng góp so với nghiên cứu trước

So với đồ án của Nguyễn Thị Đài Trang và Hà Tiến Dương (chỉ dừng lại ở mức nhận diện 3 trạng thái cảm xúc trên khuôn mặt để điều khiển góc quay của động cơ servo), đồ án của Lê Hoàng Thành và Hồ Đình Vương mang tính ứng dụng thực tiễn cao hơn trong lĩnh vực kiểm soát an ninh:

  • Bổ sung kênh xác thực dự phòng độc lập (RFID + mã PIN bàn phím 4x4), khắc phục triệt để điểm yếu của hệ thống quang học đơn thuần khi gặp sự cố biến dạng khuôn mặt hoặc lỗi ánh sáng.
  • Tích hợp hệ thống quản trị cơ sở dữ liệu quan hệ (MySQL) hoàn chỉnh, cho phép thêm, xóa, cập nhật quyền hạn thẻ ngay trên thiết bị thực tế mà không cần nạp lại mã nguồn.
  • Thiết kế buồng sáng riêng biệt nhằm kiểm soát độ nhạy sáng của Camera Module, giảm thiểu tỷ lệ nhận diện sai do môi trường chiếu sáng tự nhiên thay đổi.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế kỹ thuật

Dựa trên các thông số giới hạn và ghi nhận trong quá trình thi công:

  • Dung lượng dữ liệu nhận diện khuôn mặt còn hạn chế: Hệ thống mới chỉ huấn luyện và nhận diện thành công cho 01 người dùng cụ thể; cơ sở dữ liệu thử nghiệm chỉ gồm 02 thẻ RFID (01 thẻ được kích hoạt cấp quyền).
  • Tốc độ xử lý của máy tính nhúng: Raspberry Pi 3 Model B sở hữu vi xử lý cấu hình nhúng nên năng lực tính toán còn giới hạn, thời gian xử lý ảnh và trích xuất véc-tơ PCA còn độ trễ nhất định so với máy tính cá nhân.
  • Khả năng thích ứng khoảng cách của camera: Cảm biến camera cố định tiêu cự (3.29 mm) nên khi đối tượng đứng quá xa vùng nhận diện chuẩn, tỷ lệ nhận dạng giảm đáng kể.

Hướng nghiên cứu tiếp

Theo đề xuất của nhóm tác giả trong văn bản:

  • Nâng cấp phần cứng xử lý trung tâm nhằm tăng tốc độ tính toán khung hình và rút ngắn thời gian phản hồi mở cửa.
  • Mở rộng thuật toán và dung lượng bộ nhớ huấn luyện để nhận diện đồng thời nhiều người dùng khác nhau trong cùng một hệ thống.
  • Cải tiến buồng sáng và ứng dụng các module camera có độ phân giải cao hơn hoặc có khả năng tự động lấy nét (auto-focus) để nhận diện tốt ở nhiều cự ly.

Giá trị tham khảo

Đồ án tốt nghiệp này là tài liệu tham khảo phù hợp cho sinh viên và người nghiên cứu thuộc các chuyên ngành:

  • Kỹ thuật Điện tử – Truyền thông, Kỹ thuật Máy tính và Điện tử Công nghiệp: Tham khảo phương pháp phối ghép phần cứng phân tầng giữa máy tính nhúng (Raspberry Pi) và vi điều khiển chuyên trách chấp hành (Arduino Uno), giải quyết bài toán cách ly công suất và chia sẻ tài nguyên xử lý.
  • Công nghệ Thông tin và Trí tuệ Nhân tạo ứng dụng: Tham khảo cấu trúc chương trình Python sử dụng thư viện OpenCV trên môi trường Linux/Raspbian, phương pháp triển khai thuật toán PCA cơ bản trong nhận diện khuôn mặt, và quy trình kết nối ngôn ngữ lập trình với cơ sở dữ liệu MySQL qua giao diện phpMyAdmin.
  • Sinh viên làm đồ án tốt nghiệp về hệ sinh thái IoT/Smart Home: Khảo sát mô hình thiết kế mạch điều khiển động cơ cầu H L298N, module quét RFID RC522, và quy trình xây dựng giao diện tương tác phần cứng kết hợp phím ma trận và LCD.

Câu hỏi thường gặp

1. Hệ thống xử lý tình huống như thế nào khi khuôn mặt người dùng bị biến dạng hoặc camera không thể nhận diện?

Trong trường hợp nhận diện khuôn mặt thất bại do nguyên nhân khách quan (khuôn mặt bị biến dạng hoặc ánh sáng không đạt ngưỡng tỷ lệ trùng khớp), hệ thống kích hoạt phương pháp dự phòng bằng công nghệ RFID kết hợp bàn phím ma trận 4x4. Người dùng quét thẻ RFID hợp lệ (đã lưu UID trong hệ thống); nếu mã thẻ khớp, màn hình LCD 20x4 sẽ hiển thị thông tin cá nhân và cho phép nhập mã PIN 5 ký tự từ bàn phím để mở cửa.

2. Vì sao hệ thống phải sử dụng đồng thời cả Raspberry Pi 3 Model B và Arduino Uno R3?

Raspberry Pi 3 Model B đóng vai trò bộ não trung tâm đảm nhận các tác vụ tính toán nặng gồm thu thập hình ảnh từ camera qua bus CSI, xử lý thuật toán PCA trong OpenCV, quản lý cơ sở dữ liệu MySQL và nhận tín hiệu từ RFID/Keypad. Arduino Uno R3 được tích hợp chuyên biệt để nhận lệnh điều khiển động cơ qua mạch công suất L298N. Việc phân chia này giúp hệ thống tránh bị trễ chu trình (delay) khi thực hiện nhiều tác vụ cùng lúc và bảo vệ Raspberry Pi khỏi nguy cơ hỏng hóc do dòng tiêu thụ của động cơ DC 12V (đòi hỏi trên 500 mA, vượt quá khả năng xuất dòng tối đa 40 mA của chân vi điều khiển).

3. Thuật toán xử lý ảnh nào được dùng để nhận diện khuôn mặt và dựa trên nguyên lý gì?

Hệ thống sử dụng thuật toán Phân tích thành phần chính (PCA - Principal Component Analysis) theo hướng tiếp cận so khớp mẫu. PCA biến đổi tập dữ liệu ảnh từ không gian nhiều chiều sang không gian có số chiều nhỏ hơn thông qua phép biến đổi trực giao dựa trên ma trận hiệp phương sai, giá trị riêng và véc-tơ riêng. Không gian mới giữ lại các đặc trưng biến thiên lớn nhất của khuôn mặt ban đầu, giúp giảm nhẹ khối lượng tính toán trên phần cứng nhúng Raspberry Pi.

4. Cơ sở dữ liệu của hệ thống lưu trữ những thông tin nào và quản trị bằng công cụ gì?

Dữ liệu người dùng được lưu trữ trong hệ quản trị cơ sở dữ liệu quan hệ MySQL và quản lý thông qua giao diện phpMyAdmin. Bảng dữ liệu bao gồm 4 trường thông tin: Tên, ID (mã định danh UID của thẻ RFID), Tuổi, và Giới tính.

5. Thao tác thay đổi mã PIN dự phòng trên bàn phím ma trận 4x4 được thực hiện ra sao?

Khi thẻ RFID quét qua đầu đọc RC522 được xác thực đúng, người dùng nhấn phím ký tự 'A' trên bàn phím ma trận 4x4. Màn hình LCD sẽ xuất thông báo "Nhập mật khẩu mới". Người dùng tiến hành nhập dãy ký tự mới từ bàn phím; khi nhập đủ 5 ký tự, hệ thống sẽ tự động ghi nhớ và lưu mật khẩu mới vào bộ nhớ.


Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Thiết kế và thi công hệ thống bảo mật ứng dụng xử lý ảnh" của sinh viên Lê Hoàng Thành và Hồ Đình Vương đã hoàn thành trọn vẹn mục tiêu xây dựng mô hình khóa cửa tự động hai lớp bảo mật. Nghiên cứu kết hợp thành công thuật toán xử lý ảnh PCA trên máy tính nhúng Raspberry Pi 3 với cơ chế xác thực dự phòng bằng thẻ RFID RC522 và mã PIN ma trận. Mô hình chấp hành được phân tầng hợp lý thông qua Arduino Uno R3 và driver L298N, mang lại khả năng hoạt động ổn định và giá trị ứng dụng rõ nét cho các hệ thống an ninh tự động hóa.