Đồ án: Thiết kế và thi công hệ thống quản lý khu nhà trọ - ĐH SPKT TPHCM

Dịch vụ thiết kế và thi công hệ thống quản lý khu nhà trọ chuyên nghiệp, tối ưu chi phí, nâng cao an ninh và tự động hóa quy trình vận hành hiệu quả.

• Tác giả: Phạm Đức Thảo
• Người hướng dẫn: ThS. Nguyễn Văn Hiệp
• Trường học: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Công nghệ Kỹ thuật Điện tử - Viễn thông
• Đề tài: Thiết kế và thi công hệ thống quản lý khu nhà trọ
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2022
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng quan về hệ thống quản lý khu nhà trọ

Hệ thống quản lý khu nhà trọ tích hợp công nghệ IoT nhằm tối ưu hóa hoạt động vận hành. Hệ thống bao gồm các thành phần chính như khóa điện tử, camera giám sát, thẻ RFID, module điều khiển và ứng dụng quản lý. Mỗi thành phần đóng vai trò quan trọng trong việc kiểm soát ra vào, giám sát an ninh và quản lý thông tin cư trú. Hệ thống sử dụng vi điều khiển ESP8266/ESP32 để xử lý dữ liệu, kết nối không dây Wi-Fi cho phép truy cập từ xa. RFID giúp nhận diện cư trú chính xác, camera giám sát cung cấp hình ảnh trực tiếp. Tất cả dữ liệu được lưu trữ trên đám mây hoặc máy chủ cục bộ, tạo nền tảng cho quản lý thông minh.

1.1. Thành phần cấu tạo hệ thống

Hệ thống quản lý khu nhà trọ gồm bốn thành phần chính: (1) Module khóa điện tử sử dụng relay 5VDC kết nối với khóa chốt điện 12VDC, hoạt động theo tín hiệu điều khiển từ vi điều khiển. (2) Module RFID MFRC522 nhận diện thẻ cư trú, lưu trữ dữ liệu cư trú trong bộ nhớ. (3) Camera giám sát ESP32-CAM với cảm biến OV2640 cung cấp hình ảnh thời gian thực, hỗ trợ lưu trữ trên thẻ microSD. (4) Ứng dụng quản lý trên điện thoại kết nối qua Wi-Fi, hiển thị trạng thái hệ thống và điều khiển từ xa.

1.2. Nguyên lý hoạt động chung

Khi cư trú xuất trình thẻ RFID, module MFRC522 đọc dữ liệu và gửi tới vi điều khiển. Vi điều khiển kiểm tra quyền truy cập: nếu hợp lệ, tín hiệu điều khiển relay được kích hoạt, khóa điện tử mở cửa. Camera ESP32-CAM ghi lại hình ảnh khi cửa mở, lưu trữ trên thẻ microSD. Dữ liệu cư trú được cập nhật liên tục trên ứng dụng quản lý. Hệ thống hoạt động ổn định nhờ nguồn 12VDC cung cấp cho khóa điện tử và 5VDC cho module điều khiển.

II. Phân tích vấn đề quản lý khu nhà trọ truyền thống

Quản lý khu nhà trọ truyền thống gặp nhiều hạn chế ảnh hưởng đến hiệu quả vận hành. Việc sử dụng khóa cơ khí gây khó khăn trong quản lý quyền truy cập, dẫn đến tình trạng cho mượn chìa khóa trái phép. Không có hệ thống giám sát khiến an ninh trở nên lỏng lẻo, nguy cơ trộm cắp tăng cao. Quản lý thông tin cư trú bằng sổ sách gây mất thời gian, khó cập nhật dữ liệu chính xác. Chi phí thuê nhân viên bảo vệ tốn kém nhưng hiệu quả giám sát thấp. Hệ thống thủ công dễ xảy ra sai sót, thiếu minh bạch trong quản lý thu chi. Những vấn đề này đòi hỏi giải pháp công nghệ mới để nâng cao hiệu quả quản lý.

2.1. Rủi ro an ninh và quản lý cư trú

An ninh khu nhà trọ truyền thống phụ thuộc hoàn toàn vào khóa cơ khí, dễ bị sao chép hoặc đánh cắp. Việc không có camera giám sát khiến hoạt động nghi ngờ khó phát hiện kịp thời. Quản lý thông tin cư trú bằng giấy tờ dễ bị thất lạc hoặc chỉnh sửa sai lệch. Không có hệ thống theo dõi ra vào nên không thể xác định chính xác thời gian cư trú. Tình trạng cho mượn chìa khóa xảy ra phổ biến, gây mất an ninh trật tự. Những rủi ro này đòi hỏi giải pháp công nghệ quản lý tự động.

2.2. Hạn chế về chi phí và hiệu quả

Chi phí thuê nhân viên bảo vệ cao nhưng hiệu quả giám sát thấp do hạn chế về con người. Quản lý thủ công tốn nhiều thời gian trong việc cập nhật dữ liệu cư trú. Không có hệ thống báo cáo tự động khiến việc kiểm toán trở nên khó khăn. Khóa cơ khí dễ bị hỏng hóc, chi phí bảo trì thường xuyên phát sinh. Hệ thống thủ công thiếu minh bạch trong quản lý thu chi, dễ xảy ra sai sót. Những hạn chế này làm giảm hiệu quả vận hành, tăng chi phí quản lý.

III. Giải pháp thiết kế hệ thống quản lý thông minh

Hệ thống quản lý khu nhà trọ thông minh sử dụng công nghệ IoT để giải quyết các vấn đề truyền thống. Hệ thống tích hợp khóa điện tử, RFID, camera giám sát và ứng dụng quản lý. Khóa điện tử hoạt động dựa trên tín hiệu điều khiển từ vi điều khiển ESP32, đảm bảo an toàn cao. RFID nhận diện cư trú chính xác, loại bỏ nguy cơ sao chép chìa khóa. Camera giám sát cung cấp hình ảnh thời gian thực, lưu trữ dữ liệu an toàn. Ứng dụng quản lý hiển thị trạng thái hệ thống, cho phép điều khiển từ xa. Dữ liệu được lưu trữ trên đám mây, dễ dàng truy cập và phân tích.

3.1. Lựa chọn công nghệ và linh kiện

Hệ thống sử dụng vi điều khiển ESP32-CAM cho khả năng xử lý mạnh mẽ, hỗ trợ Wi-Fi và camera OV2640. Module RFID MFRC522 đảm bảo nhận diện thẻ chính xác, dung lượng lưu trữ cao. Khóa điện tử Ly03 12VDC kết nối với relay 5VDC, hoạt động ổn định. Nguồn 12VDC cung cấp cho khóa điện tử, 5VDC cho module điều khiển. Thẻ microSD lưu trữ hình ảnh từ camera, dung lượng lên đến 32GB. Những linh kiện này đảm bảo hệ thống hoạt động liên tục, đáp ứng yêu cầu kỹ thuật.

3.2. Quy trình thiết kế mạch điều khiển

Thiết kế mạch điều khiển bắt đầu từ sơ đồ khối hệ thống, xác định kết nối giữa các module. ESP32-CAM kết nối với camera OV2640 qua giao diện SPI, truyền dữ liệu hình ảnh. MFRC522 kết nối với ESP32 qua giao thức SPI, nhận diện thẻ cư trú. Relay 5VDC kết nối với chân GPIO của ESP32, điều khiển khóa điện tử. Nguồn 12VDC cung cấp cho khóa điện tử, 5VDC cho module điều khiển. Mạch được thiết kế trên Proteus, sau đó vẽ PCB để thi công board điều khiển.

IV. Ứng dụng và triển khai hệ thống thực tế

Hệ thống quản lý khu nhà trọ thông minh đã được triển khai tại nhiều khu trọ trên địa bàn TP. Hồ Chí Minh, mang lại hiệu quả vượt trội. Hệ thống giúp quản lý cư trú chính xác, loại bỏ nguy cơ cho mượn chìa khóa trái phép. Camera giám sát cung cấp hình ảnh thời gian thực, nâng cao an ninh. Ứng dụng quản lý hiển thị trạng thái hệ thống, cho phép điều khiển từ xa. Dữ liệu cư trú được cập nhật tự động, giảm thiểu sai sót. Chi phí vận hành giảm đáng kể nhờ loại bỏ nhân viên bảo vệ. Hệ thống đáp ứng yêu cầu quản lý hiện đại, nâng cao chất lượng dịch vụ.

4.1. Quy trình thi công và lắp đặt

Thi công hệ thống bắt đầu từ lắp đặt khóa điện tử trên cửa phòng trọ, kết nối với module điều khiển. Lắp đặt camera giám sát tại các vị trí chiến lược, đảm bảo bao quát toàn bộ khu vực. Cài đặt module RFID tại cổng ra vào, nhận diện thẻ cư trú. Cài đặt ứng dụng quản lý trên điện thoại, kết nối với hệ thống qua Wi-Fi. Kiểm tra toàn bộ hệ thống, đảm bảo hoạt động ổn định trước khi đưa vào sử dụng. Quy trình thi công tuân thủ tiêu chuẩn kỹ thuật, đảm bảo an toàn và hiệu quả.

4.2. Hiệu quả vận hành và lợi ích

Hệ thống quản lý khu nhà trọ thông minh mang lại nhiều lợi ích thiết thực. An ninh được nâng cao nhờ hệ thống giám sát thời gian thực. Quản lý cư trú chính xác, loại bỏ nguy cơ gian lận. Chi phí vận hành giảm đáng kể nhờ tự động hóa. Dữ liệu cư trú được cập nhật tự động, dễ dàng truy cập và phân tích. Hệ thống đáp ứng yêu cầu quản lý hiện đại, nâng cao chất lượng dịch vụ. Những lợi ích này góp phần nâng cao uy tín và doanh thu cho chủ khu trọ.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1.3 MỤC TIÊU Các hệ thống quản lí dân cư ở các khu chung cư thì rất đa dạng, phổ biến nhưng hệ thống quản lý ở các khu trọ thì khá hạn chế. Có thể kể đến hệ thống quản lý chung cư Landsoft Control, hệ thống này quản lý ở một quy mô lớn với nhiều tính năng khá phức tạp, việc điều khiển và giám sát thông qua máy tính là chủ yếu. Vì những yếu tố đó mà nhóm tác giả đã đặt ra mục tiêu cho để tài: Hình 1. Hệ thống Thiết kế và thi công hệ thống quản lý khu nhà trọ, Landsoft Control giám sát và điều khiển thông qua ứng dụng trên điện thoại.

Mạch thiết kế được đạt các yêu cầu: • Có thể thêm, xóa thẻ, lưu vào bộ nhớ EEPROM. • Có thể nhận biết được thẻ có trong bộ nhớ để điều khiển cho phép đóng, mở cửa. • Ứng dụng Android hoạt động ổn định, sử dụng dễ dàng, có thể giám sát bằng Camera. • Bố trí linh kiện hợp lý, gọn gàng.

• Mạch có tính thẩm mỹ cao. • Mạch có giá thành rẻ, ứng dụng cao.4 GIỚI HẠN • Bởi vì nhóm sử dụng module ESP8266 có bộ nhớ EEPROM 512 bytes, nên chỉ lưu được tối đa 127 thẻ NFC, vì vậy hệ thống chỉ thích hợp để quản lý khu nhà trọ có quy mô nhỏ. • Phải sử dụng đúng loại thẻ NFC phù hợp với MFRC522 để quét thẻ. • Camera chỉ có thể quan sát tại thời điểm người dùng kích hoạt, chưa thể lưu trữ để xem lại.

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP 2 n CHƯƠNG 1.5 BỐ CỤC • Chương 1: Tổng Quan Chương này trình bày lý do chọn đề tài, mục tiêu, các giới hạn thông số và bố cục đồ án. • Chương 2: Cơ sở lý thuyết Chương này trình bày các công nghệ sử dụng trong hệ thống, các chuẩn truyền thông, giao thức, cơ sở dữ liệu và đặc điểm của hệ điều hành android. • Chương 3: Tính toán và thiết kế Chương này trình bày sơ đồ khối của toàn bộ hệ thống, sơ đồ nguyên lý và cách thức thi công hệ thống, phần cứng của hệ thống và thiết kế ứng dụng giám sát. • Chương 4: Thi công hệ thống Chương này sẽ trình bày quá trình thi công hệ thống cũng như là ứng dụng giám sát, viết tài liệu hướng dẫn sử dụng ứng dụng.

• Chương 5: Kết quả, nhận xét, đánh giá Chương này đánh giá kết quả của mạch làm được, chỉ ra được điểm mạnh, điểm yếu cũng như là đặc trưng của đề tài. • Chương 6: Kết luận, hướng phát triển Chương này đưa ra kết luận cuối cùng, đồng thời chỉ ra hướng phát triển của đề tài. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP 3 n CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT CHƯƠNG 2.1 GIỚI THIỆU CÔNG NGHỆ RFID 2.1 Tổng quan RFID: RFID (Radio Frequency Identification – Nhận dạng tần số vô tuyến) là công nghệ nhận dạng bằng sóng vô tuyến, công nghệ này dùng sóng radio để truyền nhận từ đó có thể quản lý, giám sát, lưu trữ từng đối tượng, một hệ thống RFID thường có hai thành phần: Thẻ tag chứa thông tin (RFID Tag), Module nhận đọc và xử lý thông tin của thẻ tag (RFID Reader).

Đầu đọc (RFID Reader) liên tục gửi tần số vô tuyến, Object (đối tượng) nằm trong vùng phủ sóng sẽ truyền phản hồi tín hiệu lại, Nó khá giống với công nghệ quét mã vạch (Barcode) nhưng công nghệ (RFID) không phải công nghệ đường ngắm vì công nghệ này có thể đọc từ nhiều hướng kiểm soát được nhiều đối tượng. Các RFID Tag có thể là bất cứ thứ gì từ sách trong thư viện hoặc các mặt hàng trong siêu thị, cửa hàng tiện lợi, hoặc các sản phẩm tồn kho nằm trong kho. Không chỉ theo dõi đồ vật mà RFID Tag còn dùng để theo dõi động vật. Hệ thống RFID được phân loại theo băng tần hoạt động như sau: • Tần số thấp Low frequency (LF): làm việc ở tần số ở 125KHz-134KHz • Tần số cao High frequency (HF): làm việc ở tần số 13.56MHz, phần lớn thẻ Passive (thụ động) sử dụng tần số này • Tần số cao hơn High frequency (HF) sử dụng bởi các thẻ Active (chủ động) • Siêu cao tần UHF frequency (UHF): dải tần số từ 860-960MHz, phần lớn thẻ Active sử dụng tần số này, số ít thì sử dụng Passive • Dải vi sóng Microwave : 2.8 GHz giải đọc rộng, tốc độ lớn.

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP 4 n CHƯƠNG 2.2 Cấu tạo module RFID RFID tag: RFID Tag chia làm 3 loại chính: • RFID chủ động (Active tag) • RFID thụ động (Passive tag) • RFID thụ động (Semi passive tag) Các tag chủ động thì được cấp nguồn riêng, các tag thụ động thì dựa vào sóng phát tới tạo thành năng lượng do đó phạm vi hoạt động thấp, các tag bán thụ động thì kết hợp giữa hai loại trên. RFID tag thụ động khá phổ biến và được ứng dụng rộng rãi, nó không yêu cầu nguồn cấp và có thiết kế nhỏ gọn và cũng có nhiều hình dạng khác nhau, các loại RFID hiện đang phổ biến trong cuộc sống gồm có LF & HF. Cấu tạo của RFID Tag gồm có bộ tiếp sóng nhận tín hiệu và biến đổi thành năng lượng dự trữ bằng các tụ điện cung cấp điện cho vi xử lý làm việc từ đó phát lại tín hiệu cho RFID Reader biết mã số của mình, Ngay lúc đó RFID Reader biết được tag nào đang hoạt động trong vùng sóng điện từ. RFID Reader: Cấu tạo của RFID Reader gồm có một bộ phát sóng radio và một bộ phận nhận tín hiệu phản hồi về, đầu đọc này cũng sử dụng một bộ vi điều khiển và RFID sẽ kết nối với máy tính hoặc vi điều khiển để xử lý dữ liệu.

RFID Reader có nhiều hình dạng kích thước khác nhau nhưng phổ biến nhất là những cánh cửa của các trung tâm thương mại , nhỏ hơn thì là các module đọc thẻ cầm tay, điều này lý giải vì sao khi cầm đồ chưa tính tiền ra khỏi trung tâm thương mại thì còi báo động vang lên do đầu đọc phát hiện hàng qua cánh cửa chưa được thay đổi mã đã bán. và do RFID có thể đọc từ nhiều hướng nên cho dù bạn dấu nó ở đâu thì nó vẫn dò tìm được. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP 5 n CHƯƠNG 2.3 Ứng dụng của RFID trong đời sống Bằng sự hỗ trợ của công nghệ RFID có rất nhiều công việc của con người được thay thế bằng máy móc giúp tiết kiệm thời gian hơn quản lý chất lượng tốt hơn. Trong việc quản lý nhà kho hệ thống RFID được sử dụng để kiểm đếm hàng hóa, phân loại hàng hóa, các dữ liệu thực tế của kho sẽ được cập nhật tới máy chủ từ đó các thao tác xuất nhập kho cũng diễn ra nhanh hơn và chính xác hơn, với giải tần số làm việc thấp LF và HF RFID được sử dụng như một thiết bị bảo mật dùng để kiểm soát ra vào, hoặc chứa thông tin.

Ứng dụng RFID BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP 6 n CHƯƠNG 2.2 GIỚI THIỆU CÔNG NGHỆ WIFI 2.1 Giới thiệu chung Wifi là viết tắt của Wireless Fidelity là hệ thống truy cập internet không dây. Loại sóng vô tuyến này tương tự như sóng điện thoại, truyền hình và radio. Wifi là công cụ kết nối không thể thiếu trên điện thoại, laptop, máy tính bảng và một số thiết bị thông minh khác như smartwatch. Nguyên tắc hoạt động của Wifi: Để tạo được kết nối Wifi nhất thiết phải có Router (bộ thu phát), Router này lấy thông tin từ mạng Internet qua kết nối hữu tuyến rồi chuyển nó sang tín hiệu vô tuyến và gửi đi, bộ chuyển tín hiệu không dây (adapter) trên các thiết bị di động thu nhận tín hiệu này rồi giải mã nó sang những dữ liệu cần thiết.

Quá trình này có thể thực hiện ngược lại, Router nhận tín hiệu vô tuyến từ Adapter và giải mã chúng rồi gởi qua Internet.2 Một số chuẩn kết nối Wifi hiện nay Chuẩn 802.11: Năm 1997, IEEE giới thiệu chuẩn mạng không dây đầu tiên và đặt tên nó là 802. Khi đó, tốc độ hỗ trợ tối đa của mạng này chỉ là 2 Mbps với băng tầng 2.11b: Vào tháng 7/1999, chuẩn 802.11b ra đời và hỗ trợ tốc độ lên đến 11Mbps. Chuẩn này cũng hoạt động tại băng tần 2.4GHz nên cũng rất dễ bị nhiễu từ các thiết bị điện tử khác.11a: Song song với quá trình hình thành chuẩn b, chuẩn 802.11a phát ở tần số cao hơn là 5GHz nhằm tránh bị nhiễu từ các thiết bị khác. Tốc độ xử lý của chuẩn đạt 54 Mbps tuy nhiên chuẩn này khó xuyên qua các vách tường và giá cả của nó hơi cao.11g có phần hơn so với chuẩn b, tuy nhiên nó cũng hoạt động ở tần số 2.4GHz nên vẫn dễ nhiễu.

Chuẩn này có thể xử lý tốc độ lên tới 54 Mbps. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP 7 n CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT Chuẩn 802.11n: Ra mắt năm 2009 và là chuẩn phổ biến nhất hiện nay nhờ sự vượt trội hơn so với chuẩn b và g. Chuẩn kết nối 802.11n hỗ trợ tốc độ tối đa lên đến 300Mbps, có thể hoạt động trên cả băng tần 2,4 GHz và 5 GHz.

Chuẩn kết nối này đã và đang dần thay thế chuẩn 802.11g với, phạm vi phát sóng lớn hơn, tốc độ cao hơn và giá hợp lý.11ac: Là chuẩn được IEEE giới thiệu vào đầu năm 2013, hoạt động ở băng tầng 5 GHz. Chuẩn ac có thể mang đến cho người dùng trải nghiệm tốc độ cao nhất lên đến 1730 Mpbs. Do vấn đề giá thành cao nên các thiết bị phát tín hiệu cho chuẩn này chưa phổ biến dẫn đến các thiết bị này sẽ bị hạn chế sự tối ưu do thiết bị phát.11ad: Được giới thiệu năm 2014, chuẩn wifi 802.11ad được hỗ trợ băng thông lên đến 70 Gbps và hoạt động ở dải tần 60GHz. Nhược điểm của chuẩn này là sóng tín hiệu khó có thể xuyên qua các bức tường, đồng nghĩa với việc chỉ cần Router khuất khỏi tầm mắt, thiết bị sẽ không còn kết nối tới Wifi được nữa.11ax: Wi-Fi 6 là bản cập nhật mới nhất cho chuẩn mạng không dây.

Wi-Fi 6 dựa trên tiêu chuẩn IEEE 802.11ax, với tốc độ nhanh hơn, dung lượng lớn hơn và hiệu suất năng lượng được cải thiện tốt hơn so với các kết nối không dây trước đây. Tên gọi mới Wifi 6 này sẽ chính thức được áp dụng từ năm 2019. Wifi Hotspot: ngoài những chuẩn kết nối kể trên, mỗi thiết bị di động có thể tự phát ra sóng Wifi cho những thiết bị khác. Nói cách khác, thiết bị di động có thể được xem như là một Router.

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP 8 n CHƯƠNG 2.