TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN ĐIỆN - - - - BÁO CÁO ĐỒ ÁN CHUYÊN NGÀNH - - Đề tài: THIẾT KẾ THIẾT BỊ KHĨA CỬA ĐIỆN TỬ THƠNG MINH Giảng viên hướng dẫn: PGS-TS Bùi Đăng Thảnh Nhóm sinh viên thực hiện: Phan Văn Quân MSSV: 20143650 Lê Nguyễn Mạnh MSSV: 20142851 Hà Nội, ngày 18 tháng năm 2018 MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH VẼ iii DANH MỤC BẢNG BIỂU .iv DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT iv LỜI NÓI ĐẦU CHƯƠNG TỔNG QUAN KHĨA CỬA ĐIỆN TỬ THƠNG MINH TRONG HỆ THỐNG SMART HOME 1.1 Đặt vấn đề 1.2 Ứng dụng khóa cửa điện tử thông minh hệ thống Smart Home 1.2.1 Các thiết bị khóa cửa điện tử thông minh hệ thống Smart Home thị trường 1.2.2 1.3 Ứng dụng khóa cửa điện tử thông minh hệ thống Smart Home 11 Kết luận chương 11 CHƯƠNG THIẾT KẾ THIẾT BỊ KHĨA CỬA ĐIỆN TỬ THƠNG MINH 12 2.1 Mục đích thiết kế 12 2.2 Phương pháp thiết kế 12 2.2.1 Phương pháp thiết kế 12 2.2.2 Sơ đồ khối chức thiết bị khóa cửa điện tử thông minh 13 2.3 Thiết kế thiết bị khóa cửa điện tử thơng minh 14 2.3.1 Tính tốn lựa chọn thiết bị 14 2.3.2 Tìm hiểu giao thức MQTT (Message Queue Telemetry Transport) 22 2.4 Mã hóa bảo mật thơng tin hệ thống 31 2.4.1 Sơ lược mã hóa bảo mật 31 2.4.2 Hệ mã hóa bất đối xứng RSA 32 2.5 Thiết kế thiết bị khóa cửa điện tử thơng minh 40 2.5.1 Thiết kế mạch điều khiển phần cứng thiết bị 40 2.5.2 Thiết kế chương trình điều khiển thiết bị 41 2.5.3 Nguyên lý hoạt động thiết bị 44 2.6 Kết luận chương 46 CHƯƠNG KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 47 3.1 Kết đạt 47 3.2 Kết luận đánh giá đề tài 49 3.3 Hướng phát triển thiết bị tương lai 49 TÀI LIỆU THAM KHẢO 50 ii DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1-1 Hệ thống Smart Home Hình 1-2 Hình ảnh khóa cửa Kwikset Hình 1-3 Hình ảnh khóa cửa August Smart Lock Hình 1-4 Hình ảnh khóa cửa Schlage 10 Hình 1-5 Hình ảnh khóa cửa thơng minh BKAV 10 Hình 2-1 Sơ đồ khối chức mạch khóa cửa thơng minh 12 Hình 2-2 Sơ đồ khối thiết bị khóa cửa điện tử thơng minh 13 Hình 2-3 Hình ảnh thực tế sơ đồ chân module ESP8266-07 15 Hình 2-4 Hình ảnh thực tế sơ đồ chân LCD 5110C 16 Hình 2-5 Hình ảnh sơ đồ chân bàn phím 4x4 16 Hình 2-6 Hình ảnh sơ đồ chân SMT32F103RCT6 17 Hình 2-7 Hình ảnh chốt cửa điện từ 18 Hình 2-8 Sơ đồ nguyên lý mạch khối nguồn cung cấp 18 Hình 2-9 Hình ảnh sơ đồ chân IC ổn áp LM2596-5.0V Adapter 12V 19 Hình 2-10 Sơ đồ nguyên lý mạch khối nguồn 5V 19 Hình 2-11 Sơ đồ nguyên lý mạch khối nguồn 3.3V 20 Hình 2-12 Mơ hình giao thức MQTT 23 Hình 2-13 Quy trình truyền nhận liệu với cờ clean session =1 28 Hình 2-14 Quy trình truyền liệu cờ clean session =0 29 Hình 2-15 QoS level 0: Chế độ “At most once delivery” 29 Hình 2-16 QoS level 1: Chế độ “At least once delivery” 30 Hình 2-17 QoS level 2: Chế độ “Exactly once delivery” 30 Hình 2-18 Mơ hình mã hóa bảo mật 31 Hình 2-19 Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển thiết bị 40 Hình 2-20 Lưu đồ thuật tốn chương trình điều khiển trung tâm 41 Hình 2-21 Lưu đồ thuật tốn chương trình nhận gửi liệu qua wifi 43 Hình 2-22 Luồng thơng tin q trình hoạt động thiết bị 45 Hình 3-1 Hình ảnh mặt trước hệ thống, 47 Hình 3-2 Hình ảnh mặt sau hệ thống 48 Hình 3-3 Hình ảnh phần mạch điều khiển hệ thống 48 iii DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 2-1 So sánh số module wifi có sẵn thị trường 14 Bảng 2-2 Mức tiêu thụ điện tối đa linh kiện mạch 20 Bảng 2-3 Danh sách file, hàm chức hàm file 42 Bảng 2-4 Danh sách file, hàm chức hàm file 43 DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT Từ viết tắt Từ đầy đủ IoT Internet of Things MQTT Message Queue Telemetry Transport RSA Rivest–Shamir–Adleman TCP Transmission Control Protocol App Applications UART Universal asynchronous receiver-transmitter SPI Serial Peripheral Interface bus LCD Liquid-crystal display iv LỜI NÓI ĐẦU Trong năm gần đây, phát triển khoa học kỹ thuật đặc biệt cách mạng 4.0 khoa học kỹ thuật đẩy mạnh giới Sự phát triển IoT (Internet of Things) mạng lưới vạn vât kết nối internet phát triển vượt bậc người công nghệ IoT giúp nâng cao đời sống chất lượng người ngày cao cấp tiện lợi Hiện công nghệ nước ta đánh giá bước đầu bắt kịp với cách mạng công nghệ 4.0 giới Đất nước ta phát triển khó khăn chưa đáp ứng điều kiện tốt cho việc học tập nghiên cứu sinh viên, điều động lực cho có sáng tạo mới, ý tưởng giúp cho việc học bạn bè tốt Những lần làm đồ án lúc mà phát huy trí sáng tạo Chính lần làm đồ án, hướng dẫn nhiệt tình giáo viên hướng dẫn PGS-TS Bùi Đăng Thảnh, chúng em hoàn thành đề tài “Đề tài: Thiết kế thiết bị khóa cửa điện tử thơng minh” thời gian Với trình độ thời gian nhiều hạn chế, chúng em cố gắng không tránh khỏi thiếu sót, mong q thầy bạn bè đóng góp ý kiến để đề tài ngày hồn thiện Nhóm chúng em xin gửi lời cảm ơn chân thành sâu sắc đến thầy Bùi Đăng Thảnh nhiệt tình hướng dẫn chúng em đồ án Những kiến thức hành trang cho chúng em trình học tập làm việc trường tốt nghiệp Chúng em xin ơn tất tình cảm nhiệt thành, tâm huyết thầy cô trường Bách Khoa dành cho chúng em Chúng em tự hào khoác lên áo chồng sinh viên Bách Khoa, kỹ sư Bách Khoa Cảm ơn tất thuộc Bách Khoa Đến em xin kính chúc q thầy ln ln có sức khỏe dồi dào, trí lực minh mẫn, tinh thần khoa học để ln phát triển ngành khoa học kỹ thuật nước nhà Chúc Bách Khoa người Bách Khoa luôn phát triển phát triển mạnh mẽ Chúng em xin chân thành cảm ơn! Hà Nội, ngày 18 tháng năm 2018 Nhóm sinh viên thực Phan Văn Quân- Lê Nguyễn Mạnh Phan Văn Quân-Lê Nguyễn Mạnh PGS-TS Bùi Đăng Thảnh Chương Tổng quan khóa cửa điện tử thơng minh CHƯƠNG TỔNG QUAN KHĨA CỬA ĐIỆN TỬ THÔNG MINH TRONG HỆ THỐNG SMART HOME 1.1 Đặt vấn đề Nhà thông minh hay Smart Home nhà, hộ trang bị hệ thống tự động tiên tiến dành cho điều khển chiếu sáng, nhiệt độ, truyền thông đa phương tiện, an ninh, rèm cửa, cửa… điều khiển trực tiếp hay điều khiển từ xa qua smart phone, tablet hay máy tính cá nhân nhằm mục đích làm cho sống ngày tiện nghi, an tồn góp phần sử dụng hợp lý tài nguyên Trong nhà thông minh, đồ dùng nhà từ phòng ngủ, phòng khách đến toilet gắn điều khiển điện tử kết nối internet điện thoại di động, cho phép chủ nhân điều khiển vật dụng từ xa thiết lập cho thiết bị nhà tự động hoạt động theo ý Một ví dụ nhà thông minh hệ thống kiểm soát mức độ chiếu sáng hệ thống đèn giúp tiết kiệm điện phù hợp với khung cảnh Ngoài hệ thống điều chỉnh rèm cửa, kiểm sốt nhiệt độ, hệ thống camera Khóa cửa tự động, chống trộm bên cạnh có ứng dụng sáng tạo gồm hệ thống điều khiển giải trí gia, điện thoại, hệ thống tưới nước… Các chức thực nhờ thiết bị kết nối với với hệ thống máy tính trung tâm theo dõi trạng thái định thích hợp Các thành phần hệ thống nhà thông minh bao gồm cảm biến (nhiệt độ, ánh sáng, khí, ) điều khiển, máy chủ thiết bị chấp hành Tính nhà thơng minh: • • • • • An ninh giám sát Ánh sáng thông minh Điều khiển âm thanh, giải trí Duy trì mơi trường xanh Điều khiển thiết bị từ xa qua Smart Phone, PC Phan Văn Quân-Lê Nguyễn Mạnh PGS-TS Bùi Đăng Thảnh Chương Tổng quan khóa cửa điện tử thơng minh Hình 1-1 Hệ thống Smart Home Vấn đề đảm bảo an ninh nhà điều quan trọng, cần thiết hệ thống Smart Home, có chức bảo vệ nhà tránh công gây thiệt hại tài sản nhà Do đó, lý để nhóm chúng em định lựa chọn nghiên cứu thực “Đề tài: Thiết kế thiết bị khóa cửa điện tử thông minh” cho lần thực đồ án chuyên ngành 1.2 Ứng dụng khóa cửa điện tử thơng minh hệ thống Smart Home 1.2.1 Các thiết bị khóa cửa điện tử thơng minh hệ thống Smart Home thị trường 1.2.1.1 Các thiết bị khóa cửa điện tử thông minh thị trường quốc tế Trên giới, có nhiều hãng tiếng dự đoán sức phát triển mạnh mẽ thị trường khóa cửa điện tử thơng minh Smart Key, Smart Lock, … bao gồm nhiều tính mở khóa vân tay, thẻ từ, bluetooth, keypad, App, … điển hình có số cơng ty có sản phẩm bật đánh giá cao Kwikset, August, Schlage, Yale assure, Kaadas, Samsung, … Kwikset [1] Smartkey thị trường, sản xuất Unikey với tính Tap-to-Unlock làm cho trở thành ổ khóa dễ sử dụng Ngồi lựa chọn khóa chìa khóa thơng thường cho phép mở khóa thơng qua Bluetooth điện thoại Mỗi điện thoại nằm phạm vi cần lần chạm vào khóa tự động mở Để đảm bảo an tồn ổ khóa nhận biết điện thoại bên Phan Văn Quân-Lê Nguyễn Mạnh PGS-TS Bùi Đăng Thảnh Chương Tổng quan khóa cửa điện tử thơng minh cánh cửa (trong nhà) ngồi nhà Khi người dùng phía ngồi tính kích hoạt nhằm đảm bảo an toàn Ngoài hãng phát triển điều khiển thơng qua app điện thoại (có tên Kevo) cho phép đóng, mở, thêm người gia đình, lưu lại lịch sử đóng mở khóa đặt lịch hẹn để khóa mở tự động thông qua Internet Bluetooth (cho người có Smartphone) Ngồi cung cấp Kevo convert cho phép chuyển đổi từ ổ khóa thơng thường thành smartkey có tính Hình 1-2 Hình ảnh khóa cửa Kwikset Với August [2] có tính so với Kwikset, cung cấp tiện ích giám sát, điều khiển đóng mở từ xa qua app, tự động mở tiếp cận đóng rời khỏi nhà Tuy nhiên, ngồi kết nối Internet Bluetooth hỗ trợ Z-wave Bên cạnh đó, August Smart Lock làm việc với điều khiển trung tâm Smarthome trợ lý ảo công ty lớn Apple-Homekit & Siri, Amazon-Echo & Alexa, Google-Google Home & Assistant Phan Văn Quân-Lê Nguyễn Mạnh PGS-TS Bùi Đăng Thảnh Chương Tổng quan khóa cửa điện tử thơng minh Hình 1-3 Hình ảnh khóa cửa August Smart Lock Schlage [3] hãng chun khóa cửa với dòng sản phẩm khóa cửa thông minh Sense Smart Deadbolt Thiết bị ghép với adapter Sense Wi-Fi hãng cho kết nối không dây khả truy cập từ xa Ban đầu, sản phẩm khóa thơng minh tương thích với HomeKit yêu cầu phải có Apple TV để sử dụng truy cập từ xa Sau đó, hãng tung thị trường adapter Sense Wi-Fi, cho phép người dùng iOS lẫn Android truy cập vào khóa thơng minh từ xa thơng qua ứng dụng Schlage Sense hãng Ứng dụng cho phép bạn thiết lập mã mở khóa cho người, lập lịch mở khóa dành cho người ngồi chẳng hạn khách tới chơi hay liên hệ công tác, chí thơng báo đến chủ nhà khóa sử dụng Và dòng sản phẩm hỗ trợ tảng Google Home, cho phép người dùng Android sử dụng trợ lý ảo Assistant để khóa cửa yêu cầu mở khóa cửa giọng nói, thơng qua điện thoại hay truy xuất vào phần mềm Việc hỗ trợ Google Assistant đưa dòng khóa thơng minh Sense Smart Deadbolt trở thành số sản phẩm thị trường hỗ trợ ba ông lớn Amazon, Apple Google thông qua trợ lý ảo tảng nhà thông minh riêng hệ sinh thái Phan Văn Quân-Lê Nguyễn Mạnh PGS-TS Bùi Đăng Thảnh Chương Tổng quan khóa cửa điện tử thơng minh Hình 1-4 Hình ảnh khóa cửa Schlage 1.2.1.2 Các thiết bị khóa cửa thông minh thị trường Việt Nam Tại Việt Nam nhắc đến nhà thông minh người ta nghĩ đến thương hiệu BKAV Smarthome [4] Với BKAV Smarthome, họ đưa giải pháp cho phép bạn quản lý điều khiển tồn thiết bị nhà thơng qua máy tính bảng Smartphone Bạn dễ dàng kiểm sốt ngơi nhà, từ việc điều khiển hệ thống ánh sáng, điều hoà, rèm cửa, hệ thống âm thanh, hệ thống an ninh, …trực tiếp giao diện điều khiển 3D Hệ thống khóa cửa BKAV kiểm sốt việc vào nhà nhập mật mã, quét vân tay dùng thẻ RFID, camera lắp đặt thiết bị để xem trước cửa, hình ảnh gửi lên hình điều khiển Hình 1-5 Hình ảnh khóa cửa thơng minh BKAV Phan Văn Qn-Lê Nguyễn Mạnh 10 PGS-TS Bùi Đăng Thảnh Chương Thiết kế thiết bị khóa cửa điện tử thơng minh Trong giả mã trên, hàm GCD(a,b) tính ước số chung lớn hai số nguyên a, b dựa thuật toán Euclid Hàm sử dụng O(loga+logb) thao tác (cộng, trừ, modulo) Các thao tác thực sử dụng số phép thao tác bít số lương bít biểu diễn Hàm MODPOWER(a,b,p) tính 𝑎𝑏 mod p sử dụng O(logb) phép nhân số log p bít Để đơn giản ta giả sử phép nhân số log p bít thực sử dụng O(log2p) thao tác bít (về mặt lý thuyết, ta thực phép nhân sử dụng O(log2b) thao tác bít) Do đó, ta có: Định lý 1: Thuật tốn FERMATTESTING sử dụng O(log3N) thao tác bít để kiểm tra tính nguyên tố số nguyên N Theo định lí Fermat, thuật tốn FERMATTESTING ln trả lại kết đầu vào N số nguyên tố Hầu hết thuật toán kiểm tra nguyên tố ngẫu nhiên thỏa mãn tính chất Tuy nhiên, đầu vào N hợp số thuật tốn trả lại PRIME Phan Văn Quân-Lê Nguyễn Mạnh 36 PGS-TS Bùi Đăng Thảnh Chương Thiết kế thiết bị khóa cửa điện tử thơng minh Một thuật tốn ngẫu nhiên kiểm tra tính ngun tố gọi có lỗi với đầu vào hợp số, đầu thuật toán PRIME Với thuật toán FERMATTESTING, giả sử N hợp số, thuật toán trả lại PRIME số a lựa chọn ngẫu nhiên thuật toán thỏa mãn aN-1≡ mod N Tồi tệ nữa, tồn hợp số N (gọi số Carmichael ) thỏa mãn tính chất: với số a∈{2,3,…,N−1, aN-1 ≡ 1mod N Do đó, thuật tốn FERMATTESTING trả lại COMPOSITE GCD (a, N) ≠ Tuy nhiên, ước số N số lớn xác suất chọn số nguyên a có gcd (a, N) ≠ nhỏ Tóm lại, N số Carmichael thuật Fermat có lỗi cao May mắn số lượng số Carmichael khơng nhiều (so với N), đó, thuật tốn FERMAT TESTING sử dụng số ứng dụng Ngược lại, N số Carmichael, thuật toán FERMATTESTING trả lại kết qủa với xác xuất cao: Định lý 2: Nếu N số Carmichael, xác suất thuật toán FERMATTESTING trả PRIME với đầu vào hợp số N là: P[error] ≤ Do đó, cách thực lặp lại thuật toán FERMATTESTING 10 lần, xác suất lỗi thuật tốn 210 < 1000 Thuật tốn Miller-Rabin có độ chnh xác cao đầu vào số Carmichael Thuật toán xây dựng dựa định lí sau: Định lý 3: Giả sử p số nguyên tố lẻ Gọi k, m hai số thỏa mãn p−1=2𝑘 𝑚 m số lẻ Gọi 1≤a