Đồ án thiết kế và thi công mô hình khóa cửa thông minh tại ĐH Công nghệ Kỹ thuật TP.HCM năm 2026

Nghiên cứu thiết kế và thi công mô hình khóa cửa thông minh tích hợp RFID, bàn phím keypad, đàm thoại âm thanh hai chiều và quản lý qua Telegram Bot.

• Tác giả: Nguyễn Phan Quốc Anh
• Người hướng dẫn: ThS. Lê Minh
• Trường học: Trường Đại học Công nghệ Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Công nghệ Kỹ thuật Máy tính
• Đề tài: Thiết kế và thi công mô hình khoá cửa thông minh
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2026
• Địa điểm: TP. Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng quan mô hình khóa cửa thông minh sinh viên nghiên cứu

Đề tài thiết kế và thi công mô hình khóa cửa thông minh tại Trường Đại học Công nghệ Kỹ thuật TP.HCM phát triển giải pháp an ninh toàn diện. Công trình kết hợp vi điều khiển thế hệ mới cùng nền tảng Internet vạn vật hiện đại. Thiết bị tích hợp đa dạng phương thức xác thực người dùng bao gồm thẻ từ RFID và bàn phím ma trận số. Cơ chế này giúp kiểm soát truy cập vật lý một cách chủ động và chính xác. Điểm nhấn kỹ thuật nằm ở việc tích hợp camera OV2640 cùng hệ thống truyền thông hai chiều qua nền tảng mạng Wi-Fi. Người giám sát nhận diện khuôn mặt khách đến nhà trực tiếp từ xa thông qua ứng dụng Telegram. Dữ liệu trạng thái cửa, nhật ký ra vào và cảnh báo xâm nhập đều đồng bộ liên tục về máy chủ đám mây. Kiến trúc phần cứng phân tán đảm bảo tính linh hoạt cao trong vận hành thực tế. Nghiên cứu giải quyết bài toán an toàn nhà ở thông minh với chi phí linh kiện tối ưu. Hệ thống đáp ứng các tiêu chuẩn kỹ thuật số trong xu hướng tự động hóa dân dụng.

1.1. Mục tiêu nghiên cứu và bối cảnh triển khai

Nghiên cứu tập trung giải quyết bài toán an ninh dân dụng trong kỷ nguyên số. Xã hội hiện đại đòi hỏi các thiết bị bảo vệ thông minh phải hoạt động ổn định và tin cậy. Đồ án của sinh viên Đại học Công nghệ Kỹ thuật TP.HCM hướng đến việc số hóa toàn bộ khâu giám sát cửa ra vào. Mục tiêu chính là tạo ra thiết bị an ninh chi phí thấp nhưng sở hữu hiệu năng bền bỉ. Thiết bị thay thế hoàn toàn chìa khóa cơ truyền thống bằng mã số điện tử và thẻ từ RFID tiện dụng. Việc quản trị quyền truy cập diễn ra nhanh chóng ngay trên thiết bị. Mọi thao tác đều hướng tới tính tiện nghi và an toàn tuyệt đối cho người sở hữu.

1.2. Khung kiến trúc tổng quát của hệ thống

Kiến trúc hệ thống bao gồm hai khối chức năng chủ đạo: khối chuông cửa và khối khóa điều khiển. Khối chuông gắn ngoài tích hợp module ESP32-S3 xử lý hình ảnh camera và âm thanh đàm thoại. Khối khóa điều khiển bên trong sử dụng vi điều khiển để vận hành chốt điện từ, bàn phím và thẻ từ. Màn hình LCD 1602 giao tiếp chuẩn I2C hiển thị thông báo trạng thái trực quan. Kết nối mạng Wi-Fi đóng vai trò cầu nối dữ liệu đưa tín hiệu về ứng dụng quản lý trung tâm. Cấu trúc tách biệt này giúp tăng cường độ bảo mật vật lý cho không gian sống. Thiết kế mô đun hóa còn hỗ trợ nâng cấp phần cứng linh hoạt trong tương lai.

II. Thách thức kỹ thuật khi làm mô hình khóa cửa thông minh

Quá trình chế tạo thiết bị kiểm soát ra vào thông minh gặp nhiều rào cản kỹ thuật đặc thù. Thách thức lớn nhất xuất phát từ vấn đề tiêu thụ năng lượng và độ ổn định nguồn điện. Mạch hạ áp buck hoặc boost thông thường tạo xung nhiễu điện từ rất lớn. Hiện tượng sụt áp đột ngột khi camera hoặc chốt cửa kích hoạt làm vi điều khiển khởi động lại. Bên cạnh đó, luồng dữ liệu hình ảnh độ nét cao và âm thanh hai chiều đòi hỏi băng thông truyền dẫn ổn định. Môi trường mạng gia đình thường xuyên suy hao tín hiệu qua các lớp tường bê tông dày. Nhiễu tín hiệu tần số cao gây trễ lớn trong quá trình hội thoại trực tiếp. Ngoài ra, việc xác thực thẻ RFID cùng lúc với quét mã phím số dễ phát sinh xung đột ngắt phần cứng. Đội ngũ nghiên cứu phải đo đạc tỉ mỉ các dòng rò và tiêu thụ đỉnh của từng linh kiện riêng biệt. Việc làm chủ bài toán cân bằng năng lượng và xử lý tín hiệu là điều kiện tiên quyết giúp thiết bị hoạt động bền bỉ.

2.1. Nhiễu điện áp và bài toán tiêu thụ công suất

Nhiễu nguồn là trở ngại nghiêm trọng ảnh hưởng đến tính ổn định của mạch điều khiển. Khi sử dụng nguồn chuyển mạch thông thường, xung nhiễu cao tần lan truyền sang vi xử lý. Các thiết bị ngoại vi như cảm biến PIR HC-SR505 rất nhạy cảm với dao động điện áp. Hiện tượng kích hoạt sai chuông cảnh báo xảy ra thường xuyên nếu nguồn cấp thiếu mượt mà. Bên cạnh đó, vi điều khiển ESP32-S3 và camera OV2640 có dòng điện đỉnh lên tới 341mA khi truyền hình ảnh. Nếu dòng cung cấp không đáp ứng kịp thời, hệ thống sẽ rơi vào trạng thái treo cứng vi xử lý. Việc duy trì điện áp 5V chuẩn xác là yêu cầu sống còn cho hệ thống.

2.2. Trễ mạng và suy hao gói tin truyền dẫn Wi Fi

Đường truyền Wi-Fi đóng vai trò vận chuyển dữ liệu hình ảnh và âm thanh đàm thoại thời gian thực. Tuy nhiên, sóng không dây 2.4GHz rất dễ bị hấp thụ bởi tường gạch và vật cản kim loại. Tình trạng mất gói tin gây gián đoạn khung hình truyền về từ camera. Độ trễ âm thanh hai chiều tăng cao làm giảm hiệu quả giao tiếp với khách bấm chuông. Ngoài ra, việc duy trì kết nối Wi-Fi liên tục ngốn nhiều năng lượng của pin nuôi hệ thống. Đồ án đòi hỏi giải pháp tối ưu hóa giao thức nhằm giảm kích thước gói tin gửi qua Internet. Cân bằng giữa chất lượng đa phương tiện và độ ổn định mạng là bài toán kỹ thuật phức tạp.

III. Giải pháp thiết kế mạch cho mô hình khóa cửa thông minh

Nhóm tác giả lựa chọn giải pháp phối hợp phần cứng chuyên sâu để khắc phục triệt để các tồn tại kỹ thuật. Nguồn cung cấp điện sử dụng hai viên pin lithium 18650 mắc nối tiếp kết hợp IC ổn áp tuyến tính LM2940 dạng LDO. Thiết kế này triệt tiêu hoàn toàn sóng nhiễu hài tần cao, cung cấp dòng xả tức thời lên đến 1A với điện áp 5V ổn định tuyệt đối. Mạch ngoại vi tích hợp màn hình LCD 1602 kết hợp chip giải mã I2C PCF8574 giúp giảm thiểu số lượng chân kết nối GPIO xuống chỉ còn hai dây. Về mặt truyền thông đa phương tiện, khối chuông cửa ứng dụng vi điều khiển ESP32-S3 xử lý luồng dữ liệu từ camera OV2640. Module âm thanh MAX98357 và microphone I2S bảo đảm chất lượng đàm thoại trong trẻo hai chiều. Hệ thống vận hành trên nền tảng Telegram Bot API, cho phép truyền nhận dữ liệu mã hóa qua mạng Internet mà không cần mở cổng modem phức tạp. Mọi sự kiện phát hiện chuyển động từ cảm biến HC-SR505 đều kích hoạt chụp ảnh và gửi tin nhắn cảnh báo tức thì về điện thoại người sở hữu.

3.1. Thiết kế mạch nguồn LDO và khối hiển thị I2C

Mạch nguồn sử dụng vi mạch ổn áp LM2940CT-5.0 thay thế hoàn toàn các module chuyển đổi nguồn xung. Dạng ổn áp LDO giữ độ gợn sóng điện áp ở mức cực thấp, bảo vệ linh kiện xử lý tín hiệu analog. Cặp pin 18650 dung lượng cao đảm bảo dòng cấp liên tục cho toàn bộ bo mạch. Song song đó, khối hiển thị kết nối màn hình LCD 1602 thông qua IC chuyển đổi PCF8574. Chuẩn giao tiếp I2C chỉ tiêu tốn hai chân tín hiệu SDA và SCL trên vi điều khiển ESP32. Giải pháp này giải phóng tài nguyên phần cứng cho các ngoại vi an ninh khác. Toàn bộ thiết kế cơ điện tử được bố trí gọn ghẽ trong vỏ hộp bảo vệ chuyên dụng.

3.2. Thuật toán xử lý và tích hợp nền tảng Telegram

Thuật toán điều khiển phân luồng công việc thông minh trên nhân xử lý kép của ESP32. Khi có tín hiệu từ cảm biến thân nhiệt PIR, camera OV2640 lập tức ghi lại khung hình độ nét cao. Dữ liệu ảnh được mã hóa và truyền tải an toàn qua giao thức HTTPS tới máy chủ Telegram. Người quản trị có thể gửi lệnh đóng hoặc mở chốt cửa từ xa ngay trên giao diện tin nhắn. Ngoài ra, việc quản lý thẻ RFID và đổi mật mã bàn phím được cấu hình trực quan thông qua phản hồi tin nhắn bot. Cấu trúc phần mềm hướng sự kiện giúp tiết kiệm tối đa điện năng khi thiết bị ở trạng thái chờ.

IV. Ứng dụng thực tiễn của mô hình khóa cửa thông minh IoT

Đề tài tốt nghiệp tại Đại học Công nghệ Kỹ thuật TP.HCM chứng minh tính khả thi vượt trội của mô hình thiết bị an ninh tự chế tạo. Sản phẩm hoạt động ổn định qua nhiều bài thử nghiệm tải nặng và điều kiện môi trường thực tế. Tỷ lệ nhận diện thẻ từ RFID và độ chính xác bàn phím đạt mức tuyệt đối. Hệ thống đàm thoại hai chiều kết hợp ghi hình camera cung cấp trải nghiệm bảo mật hiện đại. Việc liên kết điều khiển qua Telegram tạo ra phương thức quản lý từ xa tiện ích mà không phụ thuộc hạ tầng đám mây trả phí. Chi phí linh kiện chế tạo chỉ bằng một phần nhỏ so với các sản phẩm thương mại nhập khẩu trên thị trường. Mô hình mở ra hướng ứng dụng rộng rãi cho các căn hộ chung cư, văn phòng làm việc và ký túc xá sinh viên. Đề tài đóng góp tài liệu kỹ thuật có giá trị tham khảo cao cho sinh viên ngành Công nghệ Kỹ thuật Máy tính. Nghiên cứu khẳng định năng lực ứng dụng công nghệ IoT vào các bài toán an sinh thực tế.

4.1. Tiềm năng triển khai trong mô hình nhà thông minh

Hệ thống khóa thông minh dễ dàng hòa mạng vào hệ sinh thái nhà thông minh quy mô lớn. Nhờ giao thức Wi-Fi chuẩn hóa, thiết bị có thể đồng bộ với trợ lý ảo hoặc trung tâm điều khiển gia đình. Khả năng giám sát hình ảnh từ xa biến thiết bị thành chuông cửa màn hình kiêm camera an ninh độc lập. Chủ nhà có thể cấp quyền vào cửa tạm thời cho khách thăm hoặc người giao hàng. Cấu hình module mở giúp việc tích hợp thêm cảm biến khói hoặc báo cháy diễn ra thuận lợi. Đây là nền tảng vững chắc để xây dựng các giải pháp an ninh gia đình khép kín và tiết kiệm chi phí.

4.2. Hướng phát triển nâng cấp và thương mại hóa

Đề tài sở hữu nhiều tiềm năng để tiếp tục phát triển thành sản phẩm thương mại hoàn chỉnh. Hướng cải tiến tiếp theo bao gồm việc tích hợp thuật toán nhận diện khuôn mặt AI cục bộ ngay trên chip ESP32-S3. Nâng cấp này giúp mở cửa tự động không cần qua thao tác bấm phím. Bên cạnh đó, việc bổ sung giao thức truyền thông tầm ngắn Zigbee hoặc BLE sẽ tối ưu hóa mức tiêu thụ năng lượng pin. Thiết kế bo mạch in công nghiệp thu nhỏ kích thước vỏ bảo vệ và tăng tính thẩm mỹ cho sản phẩm. Việc thương mại hóa sẽ cung cấp giải pháp an ninh chất lượng cao với giá thành nội địa cạnh tranh.

Nội dung chính

Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong bối cảnh cuộc Cách mạng Công nghiệp 4.0 và tiến trình chuyển đổi số quốc gia tại Việt Nam, hệ sinh thái Internet vạn vật (IoT) đang ngày càng phổ biến trong các mô hình nhà thông minh (Smart Home) như căn hộ chung cư, nhà phố và nhà nhiều tầng. Cùng với việc số hóa định danh dân cư qua các nền tảng số, nhu cầu kiểm soát an ninh tại các hộ gia đình và văn phòng đòi hỏi những giải pháp xác thực hiện đại nhằm thay thế các ổ khóa cơ học truyền thống vốn tiềm ẩn nhiều nguy cơ mất an toàn.

Thực tiễn nghiên cứu chỉ ra rằng các hệ thống khóa điện tử thế hệ trước thường chỉ hỗ trợ một phương thức xác thực đơn lẻ (thẻ từ hoặc mã số), thiếu khả năng xử lý linh hoạt khi chủ nhà đi vắng, chẳng hạn như mở cửa từ xa hoặc đàm thoại trực tiếp với khách. Bên cạnh đó, việc truyền tải dữ liệu đa phương tiện (âm thanh hai chiều, hình ảnh trực tiếp) trên các thiết bị IoT đặt ra nhiều thách thức kỹ thuật về tính thời gian thực, độ trễ và sự ổn định của đường truyền. Hơn nữa, việc phát triển các ứng dụng di động riêng biệt thường làm gia tăng chi phí vận hành và gây phức tạp cho người dùng cuối. Xuất phát từ thực tế này, đồ án tốt nghiệp "Thiết kế và thi công mô hình khoá cửa thông minh" được thực hiện nhằm xây dựng một hệ thống an ninh tích hợp xác thực đa phương thức, giám sát hình ảnh, đàm thoại âm thanh hai chiều và điều khiển từ xa thông qua nền tảng Telegram Bot và cơ sở dữ liệu thời gian thực.

Mục tiêu cụ thể của đề tài bao gồm năm nhiệm vụ chính:

1. Hỗ trợ mở khóa linh hoạt với nhiều hình thức: mở khóa từ xa qua Internet, mở bằng thẻ RFID hoặc mở bằng mật khẩu bàn phím.
2. Tự động gửi cảnh báo kèm hình ảnh về thiết bị người dùng khi phát hiện có chuyển động hoặc có người đứng trước cửa.
3. Cho phép người dùng quan sát khu vực trước cửa qua camera và tự động ghi lại video sự kiện vào bộ nhớ để phục vụ tra cứu lịch sử.
4. Hỗ trợ thao tác thay đổi mật khẩu, thêm hoặc xóa thẻ RFID trực tiếp tại thiết bị.
5. Cung cấp khả năng giao tiếp âm thanh hai chiều giữa khách và chủ nhà thông qua hệ thống microphone và loa tích hợp.

Đối tượng nghiên cứu của đồ án bao gồm:

• Hệ thống phần cứng: Vi điều khiển ESP32 và ESP32-S3-CAM, module thẻ từ RFID RC522, bàn phím ma trận Keypad 4x4, module camera OV2640, hệ thống âm thanh (module khuếch đại MAX98357A, microphone INMP441, loa 4 Ohm 3W), cảm biến hồng ngoại HC-SR505, cảm biến trạng thái cửa và khóa chốt điện từ LY-03.
• Hệ thống phần mềm: Ngôn ngữ lập trình C/C++ cho vi điều khiển, nền tảng Telegram Bot API và hệ thống cơ sở dữ liệu thời gian thực Google Firebase Realtime Database.
• Giao thức kết nối: Các chuẩn truyền thông nối tiếp nội bộ (SPI, I2C, I2S) và chuẩn truyền thông mạng (Wi-Fi 802.11 b/g/n, HTTP/HTTPS).

Phạm vi nghiên cứu được xác định:

• Không gian và chức năng: Các tính năng truyền tải hình ảnh thời gian thực (Live Stream) và đàm thoại âm thanh hai chiều được triển khai vận hành trong phạm vi mạng cục bộ (Local Network). Tính năng gửi thông báo đẩy kèm hình ảnh và nhận lệnh điều khiển mở khóa được thực hiện xuyên qua môi trường Internet.
• Giới hạn mô hình: Đề tài dừng lại ở việc thiết kế, chế tạo mạch in và lắp ráp mô hình thử nghiệm chức năng; chưa tích hợp tiêu chuẩn kháng nước, kháng bụi ngoài trời hay các cơ chế chống phá hoại vật lý.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Đề tài áp dụng các nền tảng lý thuyết chuyên ngành về mạng truyền thông, công nghệ nhận dạng tự động và điện toán đám mây:

• Chuẩn truyền thông mạng: Sử dụng chuẩn Wi-Fi (IEEE 802.11) hoạt động trên băng tần 2.4 GHz để đảm bảo băng thông cho việc truyền tải hình ảnh và kết nối Internet. Giao thức HTTP/HTTPS được triển khai cho Web Server nội bộ (phục vụ truyền luồng hình ảnh định dạng MJPEG) và bảo mật dữ liệu xác thực (mã PIN, UID thẻ) khi giao tiếp với máy chủ bên ngoài.
• Chuẩn giao tiếp nội vi: Sử dụng giao thức SPI tốc độ cao cho module đọc thẻ RFID; giao thức I2C tiết kiệm chân kết nối cho màn hình LCD 1602; và giao thức I2S chuyên dụng để truyền nhận tín hiệu âm thanh số 24-bit giữa vi điều khiển với microphone và IC khuếch đại.

Tiêu chí kỹ thuật	Chuẩn truyền thông I2C	Chuẩn truyền thông SPI
Số lượng dây tín hiệu	2 dây (SDA, SCL)	4 dây (MISO, MOSI, SCK, CS)
Cấu trúc mạng (Topology)	Dạng Bus, dùng chung đường truyền	Điểm - điểm hoặc Bus chia sẻ xung nhịp (cần chân CS riêng)
Tốc độ truyền tải tối đa	Lên đến 3.4 Mbps	Lên đến 60 Mbps
Chế độ truyền dẫn	Song công bán phần (Half Duplex)	Song công toàn phần (Full Duplex)
Độ trễ truyền dẫn	Lên đến 1000 ns	Thấp nhất đạt 1 ns

• Công nghệ nhận diện và xác thực:
  • Công nghệ RFID tần số cao (HF 13.56 MHz): Hoạt động với thẻ thụ động (Passive Tag), nhận năng lượng từ trường điện từ của đầu đọc để truyền mã định danh duy nhất (UID) qua giao tiếp SPI về vi điều khiển.
  • Bàn phím ma trận 4x4: Sử dụng thuật toán quét ma trận hàng và cột (đặt mức logic thấp lần lượt trên các hàng và đọc trạng thái các cột có điện trở kéo lên) để nhận dạng 16 phím bấm bằng 8 chân I/O.
• Hệ sinh thái điện toán đám mây Google Firebase và Telegram Bot API:
  • Firebase Realtime Database: Lưu trữ dữ liệu cấu trúc cây JSON, sử dụng kết nối mở WebSocket song công toàn phần (Full-duplex) để đồng bộ trạng thái cửa, mã PIN và danh sách trắng thẻ từ xuống thiết bị theo thời gian thực.
  • Telegram Bot API: Đóng vai trò giao diện điều khiển người dùng, hoạt động theo cơ chế Long Polling để nhận lệnh từ xa (/check_door, /unlock) và sử dụng các phương thức SendMessage, SendPhoto để gửi cảnh báo an ninh tức thời.

Phương pháp nghiên cứu bao gồm:

• Phương pháp nghiên cứu lý thuyết: Thu thập, tổng hợp tài liệu chuyên ngành về vi điều khiển ESP32, ESP32-S3, chuẩn âm thanh I2S, tập lệnh Telegram API và cơ chế hoạt động của Firebase.
• Phương pháp thiết kế và mô phỏng: Thiết kế sơ đồ nguyên lý, sơ đồ khối chức năng và lưu đồ thuật toán điều khiển trên phần mềm chuyên dụng trước khi triển khai phần cứng.
• Phương pháp thực nghiệm: Lắp ráp các linh kiện, chế tạo bo mạch PCB, nạp mã nguồn C/C++ và căn chỉnh thông số vận hành của từng khối phần cứng.
• Phương pháp kiểm thử và đánh giá: Thử nghiệm vận hành trong các kịch bản thực tế gồm quét thẻ hợp lệ/không hợp lệ, nhập mật khẩu đúng/sai, kiểm tra đàm thoại âm thanh và độ trễ nhận lệnh qua Telegram.

Nguồn dữ liệu thực nghiệm được thu thập trực tiếp từ cảm biến chuyển động HC-SR505, camera OV2640, microphone kỹ thuật số INMP441, đầu đọc thẻ RFID RC522, trạng thái tiếp điểm của cảm biến cửa và các bản tin phản hồi từ máy chủ Telegram và Firebase.

Thiết kế và triển khai

Hệ thống được thiết kế theo cấu trúc module hóa phân tán, bao gồm hai phân hệ phần cứng độc lập kết nối qua mạng không dây và hạ tầng đám mây:

1. Phân hệ chuông cửa (Doorbell Unit)

Phân hệ đảm nhiệm việc phát hiện người tiếp cận, ghi hình, thu phát âm thanh và truyền dữ liệu cảnh báo.

• Khối xử lý trung tâm: Sử dụng module FREENOVE ESP32-S3-CAM N16R8 tích hợp kết nối Wi-Fi 802.11 b/g/n, Bluetooth 5.0 LE, giao diện camera chuyên dụng và khe cắm thẻ nhớ SD 1-bit hỗ trợ định dạng FAT32 dung lượng tối đa 32GB.
• Khối camera: Module OV2640 cảm biến 1/4 inch, độ phân giải 2 Megapixel (1600x1200 pixels), góc nhìn 75/160 độ, mức điện áp hoạt động 3.3VDC, kết nối cáp dẹt FPC 24 chân.
• Khối cảm biến chuyển động: Module hồng ngoại thụ động PIR HC-SR505, điện áp hoạt động 5VDC, dòng tiêu thụ cực thấp (< 70µA), ngõ ra mức logic 3.3V với thời gian trễ duy trì khoảng 8 giây, khoảng cách phát hiện từ 0.5m đến 3m với góc quét dưới 100 độ.
• Khối âm thanh: Giao tiếp I2S gồm module khuếch đại kỹ thuật số Class D MAX98357A (công suất tối đa 3.2W, hiệu suất 92%), module microphone kỹ thuật số MEMS INMP441 (độ phân giải 24-bit, tỷ số SNR 61 dBA, độ nhạy -26 dBFS, dải tần 60 Hz - 15 kHz, dòng tiêu thụ 1.4 mA) kết hợp cùng loa điện động trở kháng 4 Ohm công suất 3W.
• Khối nguồn phân hệ chuông cửa: Để loại bỏ hoàn toàn nhiễu sóng cao tần do các mạch nguồn xung (Buck/Boost) gây mất ổn định tín hiệu camera và âm thanh, hệ thống sử dụng nguồn cấp từ 2 cell pin 18650 (3.7V) đi qua vi mạch ổn áp tuyến tính LDO họ LM2940CT-5.0 (dòng tải cực đại 1A).

Tên thành phần phần cứng	Điện áp hoạt động	Dòng tiêu thụ trung bình	Dòng tiêu thụ đỉnh
Module ESP32-S3-N16R8 + Camera OV2640	5V	138 mA	341 mA
Module khuếch đại MAX98357A	5V	2.5 mA (chế độ chờ)	Tối đa theo công suất âm thanh
Module cảm biến chuyển động HC-SR505	5V	0.07 mA (70 µA)	0.07 mA
Tổng công suất tiêu thụ toàn mạch	5V	~710 mW	~4 W (khi phát âm thanh tối đa)

2. Phân hệ khóa cửa (Door Lock Unit)

Phân hệ đảm nhiệm chức năng nhận diện xác thực tại chỗ, kích hoạt cơ cấu chấp hành và tương tác hiển thị.

• Khối xử lý trung tâm: Sử dụng vi điều khiển ESP32 DEVKIT V1.
• Khối xác thực: Module đọc thẻ RFID RC522 (tần số 13.56 MHz, giao tiếp SPI) và bàn phím ma trận mềm 4x4 (16 phím, quét qua 8 chân GPIO).
• Khối chấp hành và cảnh báo: Khóa chốt điện từ LY-03 điều khiển đóng/mở chốt, còi chíp (Buzzer) phát âm thanh phản hồi thao tác, cảm biến từ giám sát trạng thái cửa (đóng hoặc mở).
• Khối hiển thị: Màn hình ký tự LCD 1602 (hiển thị 2 dòng, mỗi dòng 16 ký tự) tích hợp module chuyển đổi giao tiếp I2C dùng IC PCF8574, kết nối qua hai chân GPIO 21 (SDA) và GPIO 22 (SCL).

3. Quy trình vận hành phần mềm

• Phần mềm khối chuông cửa: Khởi tạo Web Server nội bộ để truyền luồng hình ảnh MJPEG qua giao thức HTTP (định dạng multipart/x-mixed-replace). Khi cảm biến HC-SR505 kích hoạt hoặc có người bấm nút chuông, ESP32-S3 chụp ảnh tức thời từ camera OV2640, ghi video đồng bộ dữ liệu âm thanh từ microphone INMP441 vào thẻ nhớ SD, đồng thời đẩy ảnh cảnh báo qua Telegram Bot API.
• Phần mềm khối khóa cửa: Liên tục quét tín hiệu từ bàn phím ma trận và đầu đọc RC522. Khi phát hiện thao tác quét thẻ hoặc bấm phím, vi điều khiển so khớp dữ liệu với mã PIN và danh sách trắng UID lưu trên bộ nhớ hoặc Firebase Realtime Database. Hệ thống xử lý đóng/ngắt rơ-le điều khiển chốt điện từ LY-03 và cập nhật trạng thái cửa lên hệ thống đám mây.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Giới thiệu

Chương mở đầu trình bày tính cấp thiết của việc hiện đại hóa hệ thống an ninh nhà ở trong làn sóng chuyển đổi số và công nghệ IoT tại Việt Nam. Tác giả phân tích những hạn chế của khóa cơ khí và các hệ sinh thái khóa thông minh thế hệ cũ. Chương 1 xác lập 5 mục tiêu nghiên cứu cụ thể, chỉ rõ các giới hạn kỹ thuật của đề tài (về phạm vi mạng nội bộ cho âm thanh/hình ảnh, tính phụ thuộc Wi-Fi, số lượng thẻ thử nghiệm), đồng thời vạch ra phương pháp nghiên cứu lý thuyết kết hợp thực nghiệm mô hình.

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Nội dung chương 2 tập trung phân tích sâu các chuẩn truyền thông và công nghệ nền tảng:

• So sánh các đặc tính kỹ thuật giữa truyền thông có dây và không dây, phân tích chi tiết chuẩn Wi-Fi IEEE 802.11 b/g/n, giao thức HTTP/HTTPS.
• Phân tích nguyên lý truyền nhận nối tiếp của hai chuẩn giao tiếp SPI và I2C (thể hiện qua Bảng 2.2), cùng chuẩn âm thanh số I2S.
• Trình bày cấu trúc và nguyên lý cảm ứng điện từ của công nghệ nhận dạng qua tần số vô tuyến RFID (băng tần 13.56 MHz), nguyên lý quét hàng - cột trên bàn phím ma trận 4x4.
• Làm rõ cấu trúc hoạt động của Telegram Bot API (giao thức Long Polling, các hàm gửi dữ liệu) và kiến trúc dịch vụ Backend-as-a-Service (BaaS) của Google Firebase (cơ chế đồng bộ WebSocket trên Realtime Database, Firebase Storage, Cloud Messaging, Cloud Functions và Offline Persistence).

Chương 3: Thiết kế hệ thống

Chương 3 là phần trọng tâm về kỹ thuật, đưa ra các yêu cầu thiết kế hệ thống như thời gian xử lý mở khóa phải dưới 30 giây, cơ chế đồng bộ cơ sở dữ liệu thời gian thực và cấu hình độ nhạy phát hiện người. Tác giả trình bày chi tiết sơ đồ khối tổng quát và sơ đồ nguyên lý của hai phân hệ độc lập: khối chuông cửa và khối khóa cửa. Chương này cung cấp bảng tính toán dòng điện và công suất tiêu thụ (Bảng 3.2), đồng thời phân tích lý do kỹ thuật trong việc lựa chọn mạch hạ áp tuyến tính LDO LM2940CT-5.0 nhằm chống nhiễu cho module camera và chip âm thanh.

Chương 4: Kết quả

Chương 4 công bố kết quả thi công thực tế với các sản phẩm vật lý:

• Bo mạch in (PCB) hoàn chỉnh cho khối chuông cửa và khối khóa cửa.
• Giao diện cấu hình mạng Wi-Fi cục bộ qua chế độ Access Point (AP) cho người dùng đầu cuối.
• Quy trình tích hợp và thiết lập chatbot Telegram qua BotFather và trích xuất định danh qua IDBot.
• Kết quả kiểm thử các kịch bản thực tế: mở khóa thành công/thất bại bằng thẻ RFID, mở khóa bằng mật khẩu bàn phím, thông báo chuyển động kèm hình ảnh về Telegram, truyền luồng video giám sát qua Web Server, giao tiếp âm thanh hai chiều, thao tác vào chế độ Admin trên thiết bị để thêm/xóa thẻ từ và đổi mã số trực tiếp.

Chương 5: Kết luận và hướng phát triển

Chương tổng kết đánh giá mức độ hoàn thiện của hệ thống so với các mục tiêu ban đầu. Tác giả thẳng thắn chỉ ra những hạn chế kỹ thuật còn tồn tại và đề xuất lộ trình nâng cấp hệ thống theo ba định hướng chiến lược: phát triển tính năng nhận diện thông minh, tối ưu hóa hạ tầng truyền thông - lưu trữ đám mây, và hoàn thiện thiết kế vỏ bọc công nghiệp gắn liền với quản lý năng lượng.

Kết quả và đóng góp

Đồ án đã chế tạo và vận hành thành công mô hình thực nghiệm với các thông số kỹ thuật và kết quả cụ thể:

• Thi công hoàn chỉnh hai bo mạch PCB chuyên dụng cho phân hệ chuông cửa (ESP32-S3-CAM) và phân hệ khóa cửa (ESP32 DevKit V1), tạo thành một hệ thống an ninh hoạt động ổn định.
• Thời gian xử lý dữ liệu người dùng và kích hoạt cơ cấu mở khóa chốt điện từ LY-03 đạt mốc dưới 30 giây theo đúng yêu cầu thiết kế.
• Cảm biến PIR HC-SR505 phát hiện chuyển động trong phạm vi từ 0.5m đến 3m với góc quét dưới 100 độ, tự động kích hoạt camera OV2640 chụp ảnh và đẩy thông báo tức thời về ứng dụng Telegram của người dùng.
• Thiết lập thành công Web Server nội bộ truyền luồng hình ảnh MJPEG phục vụ quan sát trực tiếp và hỗ trợ đàm thoại âm thanh hai chiều qua giao tiếp I2S (module INMP441, MAX98357A và loa 4 Ohm 3W) với chất lượng rõ ràng trong mạng cục bộ.
• Xây dựng thành công chế độ quản trị (Admin Mode) trực tiếp trên bàn phím Keypad: hỗ trợ đổi mật khẩu hệ thống, thêm và xóa thẻ RFID tại chỗ (đã thử nghiệm thực tế với 3 thẻ RFID, năng lực quản lý của hệ thống ước tính đạt tối đa 20 thẻ).
• Điều khiển khóa cửa từ xa thông qua các câu lệnh giao tiếp trên giao diện Telegram Bot như /unlock và /check_door.

Về giải pháp kỹ thuật, đề tài đã đưa ra hai đề xuất đáng chú ý:

1. Giải pháp tối ưu hóa phần cứng nguồn: Sử dụng IC hạ áp tuyến tính LDO LM2940CT-5.0 thay vì các mạch nguồn xung (Buck/Boost), giúp giảm triệt để xung nhiễu điện từ, đảm bảo tín hiệu truyền thông I2S và luồng dữ liệu camera hoạt động ổn định.
2. Giải pháp điều khiển chi phí thấp: Sử dụng kết hợp Telegram Bot API và Google Firebase BaaS, giúp loại bỏ chi phí xây dựng máy chủ trung gian và phát triển ứng dụng di động riêng, nhưng vẫn đảm bảo tính bảo mật nhờ mã hóa SSL/TLS.

Về mặt đóng góp học thuật và ứng dụng, công trình chứng minh tính khả thi của việc tích hợp truyền thông đa phương tiện thời gian thực (hình ảnh, âm thanh hai chiều) lên các vi điều khiển nhúng chi phí thấp như dòng ESP32, kết hợp hài hòa giữa bảo mật vật lý tại chỗ và điều khiển giám sát từ xa qua điện toán đám mây.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Dựa trên các phân tích trong văn bản, hệ thống còn tồn tại các giới hạn kỹ thuật sau:

• Phạm vi truyền tải đa phương tiện: Tính năng quan sát camera trực tiếp (Live Stream) và giao tiếp âm thanh hai chiều hiện tại mới chỉ hoạt động ổn định trong phạm vi mạng nội bộ (Local Network), chưa hỗ trợ truyền dẫn xuyên Internet.
• Độ phụ thuộc vào hạ tầng mạng: Khả năng điều khiển từ xa và gửi thông báo qua Telegram phụ thuộc hoàn toàn vào kết nối Wi-Fi tại vị trí lắp đặt; khi mạng chập chờn hoặc mất tín hiệu, các chức năng này sẽ bị trễ hoặc gián đoạn.
• Chất lượng tín hiệu môi trường: Độ nét hình ảnh của camera OV2640 bị suy giảm trong điều kiện thiếu sáng hoặc ban đêm; tín hiệu âm thanh có hiện tượng nhiễu và trễ nhất định tùy thuộc khoảng cách truyền nhận trong mạng cục bộ.
• Thiết kế cơ khí và an toàn vật lý: Thiết bị chưa được thiết kế đạt các tiêu chuẩn công nghiệp về kháng nước, kháng bụi để lắp đặt ngoài trời; chưa tích hợp cảm biến chống cạy phá hay cảnh báo khi có ngoại lực tác động mạnh vào vỏ bảo vệ.
• Quy mô lưu trữ và quản trị: Số lượng thẻ từ thử nghiệm chỉ có 3 thẻ (ước tính tối đa 20 thẻ); hệ thống chưa hỗ trợ thay đổi mật khẩu và mã thẻ của Admin từ xa qua giao diện đám mây.

Hướng nghiên cứu và phát triển tiếp theo được tác giả xác định theo ba nhóm:

1. Nâng cấp tính năng thông minh và bảo mật: Tích hợp các thuật toán trí tuệ nhân tạo (AI) nhận diện khuôn mặt trực tiếp trên vi điều khiển hoặc đám mây để mở khóa tự động; bổ sung cơ chế chống giả mạo hình ảnh.
2. Tối ưu hóa hạ tầng truyền thông và lưu trữ: Mở rộng tính năng đàm thoại hai chiều và truyền luồng video ra ngoài môi trường Internet thông qua kỹ thuật NAT Traversal, WebRTC hoặc giải pháp P2P; tối ưu hóa dịch vụ lưu trữ đám mây.
3. Hoàn thiện thiết kế công nghiệp và quản lý năng lượng: Thiết kế vỏ hộp đạt chuẩn bảo vệ IP chống bụi, chống nước; tích hợp cảm biến bảo vệ chống tháo dỡ (Tamper Switch); áp dụng các chế độ ngủ sâu (Deep Sleep) cho vi điều khiển để kéo dài thời lượng pin.

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu kỹ thuật có giá trị tham khảo thiết thực cho sinh viên các ngành Công nghệ Kỹ thuật Máy tính, Điện tử - Viễn thông, Công nghệ Thông tin và Kỹ thuật Điều khiển - Tự động hóa đang thực hiện các đề tài nghiên cứu về hệ thống nhúng và ứng dụng IoT trong nhà thông minh.

Các nội dung có giá trị ứng dụng cao trong tài liệu bao gồm:

• Thiết kế phần cứng và xử lý âm thanh số: Phương pháp cấu hình và kết nối module microphone MEMS INMP441 và IC khuếch đại Class D MAX98357A thông qua giao thức I2S trên dòng chip ESP32-S3.
• Xử lý vấn đề nguồn điện trong hệ thống IoT: Kinh nghiệm thực tế trong việc loại bỏ nhiễu nguồn xung bằng cách sử dụng vi mạch ổn áp LDO LM2940CT-5.0 cho các mạch tích hợp camera và âm thanh.
• Tích hợp nền tảng đám mây và giao diện người dùng: Quy trình triển khai Telegram Bot API kết hợp với Google Firebase Realtime Database làm hạ tầng Backend-as-a-Service, phục vụ gửi thông báo đẩy và điều khiển thiết bị ngoại vi không phụ thuộc vào ứng dụng di động viết riêng.

Câu hỏi thường gặp

1. Khối chuông cửa của hệ thống sử dụng vi điều khiển nào và có cấu hình ra sao?
Khối chuông cửa sử dụng module FREENOVE ESP32-S3-CAM N16R8, tích hợp Wi-Fi 802.11 b/g/n, Bluetooth 5.0 LE, hỗ trợ giao diện camera kết nối với cảm biến OV2640 và khe cắm thẻ nhớ SD 1-bit định dạng FAT32 dung lượng tối đa 32GB.

2. Tại sao nhóm nghiên cứu không sử dụng mạch nguồn xung Buck/Boost cho khối chuông cửa?
Trong quá trình thực nghiệm, việc sử dụng các module tăng áp/hạ áp dạng Buck hoặc Boost tạo ra xung nhiễu điện từ lớn, làm cho module ESP32-S3-CAM và các khối âm thanh hoạt động kém ổn định. Nhóm đã chuyển sang sử dụng nguồn 2 pin 18650 kết hợp vi mạch ổn áp tuyến tính LDO LM2940CT-5.0 để tạo nguồn 5VDC ổn định và có độ nhiễu thấp nhất.

3. Tính năng đàm thoại âm thanh hai chiều và xem camera trực tiếp hoạt động trong phạm vi nào?
Cả hai tính năng quan sát hình ảnh trực tiếp (Live Stream qua chuẩn MJPEG) và đàm thoại âm thanh hai chiều (qua microphone INMP441, loa và module MAX98357A) hiện tại chỉ hoạt động trong phạm vi mạng nội bộ (Local Network).

4. Hệ thống hỗ trợ những phương thức mở khóa nào và dung lượng lưu trữ thẻ RFID là bao nhiêu?
Hệ thống cung cấp ba phương thức mở khóa: mở khóa từ xa qua câu lệnh trên Telegram Bot, quét thẻ từ RFID (tần số 13.56 MHz qua module RC522) và nhập mật khẩu trực tiếp trên bàn phím ma trận 4x4. Hệ thống đã thử nghiệm với 3 thẻ RFID và có năng lực lưu trữ tối đa ước tính là 20 thẻ.

5. Giao thức nào được sử dụng để truyền tải luồng hình ảnh trực tiếp từ camera OV2640 đến trình duyệt người dùng?
Hệ thống thiết lập một Web Server cục bộ trên vi điều khiển ESP32-S3 sử dụng giao thức HTTP. Luồng video được truyền tải theo cơ chế Motion JPEG (MJPEG) với định dạng tiêu đề multipart/x-mixed-replace, gửi liên tiếp các khung hình JPEG giúp trình duyệt hiển thị liên tục mà không cần tải lại trang.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Thiết kế và thi công mô hình khoá cửa thông minh" của sinh viên Nguyễn Phan Quốc Anh và Nguyễn Thanh Tú đã xây dựng thành công một giải pháp an ninh phân tán hoàn chỉnh trên cơ sở vi điều khiển ESP32 và ESP32-S3-CAM. Hệ thống kết hợp hài hòa giữa các phương thức xác thực truyền thống (RFID, mã số ma trận) với các tiện ích giám sát hiện đại như đàm thoại âm thanh hai chiều, phát hiện chuyển động bằng hồng ngoại và điều khiển từ xa qua Telegram Bot cùng Firebase Realtime Database. Mặc dù vẫn còn những giới hạn về phạm vi truyền thông đa phương tiện cục bộ và tiêu chuẩn bảo vệ cơ khí ngoài trời, công trình đã đề xuất những giải pháp phần cứng và hạ tầng truyền thông có giá trị ứng dụng cao cho lĩnh vực nhà thông minh.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1: Tổng quan: trình bày lý do chọn đề tài, bối cảnh thực hiện và tính cấp thiết của việc xây dựng hệ thống khóa cửa thông minh. Chương này cũng nêu rõ mục tiêu nghiên cứu, đối tượng, phạm vi và giới hạn của đề tài, đồng thời tóm tắt các phương pháp nghiên cứu mà nhóm đã áp dụng. - Chương 2: Cơ sở lý thuyết: tập trung nghiên cứu các nền tảng kiến thức liên quan bao gồm: Tổng quan về hệ sinh thái IoT; các chuẩn giao tiếp không dây; giao thức Telegram Bot API; nguyên lý hoạt động của công nghệ RFID, bàn phím mã số và hệ thống truyền tải âm thanh/hình ảnh. - Chương 3: Thiết kế hệ thống: đây là chương trọng tâm, trình bày chi tiết về sơ đồ khối và nguyên lý vận hành tổng quát của hệ thống.

Nội dung bao gồm việc thiết kế sơ đồ nguyên lý mạch điện, thiết kế mạch in (PCB), xây dựng lưu đồ thuật toán cho chương trình chính và các quy trình xử lý dữ liệu. - Chương 4: Kết quả: mô tả quá trình thi công và hình ảnh thực tế của mô hình sau khi hoàn thiện. Chương này trình bày kết quả kiểm thử các chức năng của hệ thống trong các kịch bản thực tế, đánh giá 10 độ ổn định, độ trễ và khả năng tương tác của thiết bị. - Chương 5: Kết luận và hướng phát triển: tổng kết lại những kết quả mà nhóm đã đạt được so với mục tiêu ban đầu.

Chương này cũng nhìn nhận lại những hạn chế còn tồn tại và đề xuất các phương án nâng cấp, hướng phát triển mới nhằm hoàn thiện hệ thống trong tương lai như tích hợp AI nhận diện khuôn mặt hoặc mở rộng khả năng đàm thoại xuyên Internet. 11 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 TỔNG QUAN VỀ CHUẨN TRUYỀN THÔNG 2.1 Chuẩn truyền thông là gì? Chuẩn truyền thông (Communication Protocol) đóng vai trò là "ngôn ngữ chung" trong thế giới kỹ thuật, thiết lập một tập hợp các quy tắc và thủ tục nghiêm ngặt nhằm điều phối quá trình tương tác giữa các thiết bị phần cứng. Nó không chỉ đơn thuần là việc gửi đi các chuỗi bit, mà còn bao hàm toàn bộ quy trình từ định dạng dữ liệu, đóng gói khung (framing), cho đến các cơ chế giải mã và xử lý tại đích. Nhờ có các chuẩn chung này, những thiết bị sở hữu kiến trúc phần cứng khác biệt (như vi điều khiển và máy chủ đám mây) vẫn có thể hoạt động đồng bộ, đảm bảo tính toàn vẹn của thông tin và ngăn ngừa các xung đột dữ liệu trên đường truyền.

Tùy thuộc vào môi trường truyền dẫn, các chuẩn truyền thông được phân định thành hai nhóm chính với những đặc thù riêng biệt: - Phương thức truyền dẫn có dây: Sử dụng các phương tiện vật lý như cáp đồng hoặc cáp quang để truyền tải tín hiệu điện/quang. Ưu điểm cốt lõi của phương thức này nằm ở độ ổn định cực cao, băng thông lớn và khả năng kháng nhiễu điện từ vượt trội. Trong các hệ thống nhúng, giao tiếp có dây (như SPI, I2C) thường tích các cơ chế đồng bộ xung nhịp và kiểm soát lỗi mạnh mẽ như kiểm tra mã dịch vòng (CRC) hay Checksum, giúp dữ liệu đến đích gần như tuyệt đối nguyên vẹn với độ trễ thấp nhất. - Phương thức truyền dẫn không dây: Khai thác sóng vô tuyến (Wi- Fi) hoặc hồng ngoại để kết nối thiết bị.

Đây là giải pháp đột phá về tính linh hoạt, cho phép mở rộng quy mô hệ thống một cách nhanh chóng mà không bị giới hạn bởi việc thi công hạ tầng cáp phức tạp.